地球科学进展

地球科学进展, 2021, 36(5): 480-489 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2021.034

综述与评述

量子重力仪在地球科学中的应用进展

朱栋,, 高世腾, 朱欣欣, 吴彬,, 程冰, 林强

浙江工业大学理学院，浙江省量子精密测量重点实验室，浙江 杭州 310023

Progress of Quantum Gravimeter Applied in the Fields of Earth Science

ZHU Dong,, GAO Shiteng, ZHU Xinxin, WU Bin,, CHENG Bing, LIN Qiang

College of Science，Zhejiang University of Technology，Key Laboratory of Quantum Precision Measurement of Zhejiang Province，Hangzhou 310023，China

通讯作者: 吴彬（1985-），男，河南平舆人，副教授，主要从事小型化高精度原子重力仪和动态绝对重力测量技术的研究. E-mail：wubin@zjut.edu.cn

收稿日期: 2020-12-29   修回日期: 2021-02-04   网络出版日期: 2021-06-18

基金资助: 中国自然资源航空物探遥感中心项目“远洋航路搭载测量与保障技术研究及应用试验”.  DD20189831

Corresponding authors: WU Bin (1985-), male, Pingyu County, Henan Province, Associate professor. Research areas include miniaturized high-precision atomic gravimeters and dynamic absolute gravity measurement technology. E-mail:wubin@zjut.edu.cn

Received: 2020-12-29   Revised: 2021-02-04   Online: 2021-06-18

作者简介 About authors

朱栋（1993-），男，甘肃酒泉人，博士研究生，主要从事量子重力仪和冷原子物理研究.E-mail：zhukun10000@163.com

ZHUDong(1993-),male,JiuquanCity,GansuProvince,Ph.Dstudent.Researchareasincludequantumgravimeterandcoldatomphysics.E-mail:zhukun10000@163.com

摘要

量子重力仪是近30年来快速发展起来的一种新型绝对重力仪，目前对该新型重力仪的研究已进入小型化和实用化阶段。国内外基于量子重力仪的地球科学研究发展较快，应用研究包括火山活动监测、海洋绝对重力测绘和航空绝对重力测量等。由浙江省量子精密测量重点实验室研制的ZAG-E型量子重力仪具有体积小、易搬运和稳定性高等优点，其绝对重力测量精确度可以达到10 μGal。基于该量子重力仪，开展了地震台连续绝对重力测量的相关研究，着重介绍了在四川省甘孜藏族自治州燕子沟地震台进行的连续绝对重力测量，该研究有助于构建该地区的重力基准和分析地质地形构造以及地质活动所带来的影响。基于量子重力仪的精密重力测量为地球科学的研究提供了一种新型的技术手段，同时也提供了可靠的基础绝对重力数据。未来，量子重力仪有望被越来越广泛地应用于地球物理和地表绝对重力测绘等地球科学领域。

关键词： 量子重力仪 ; 地球物理 ; 连续绝对重力测量

Abstract

Quantum gravimeter is a new type of absolute gravimeter that has been rapidly developed in the past 30 years. At present， the research on this new type of gravimeter has entered the stage of miniaturization and practical applications. The applications in the fields of earth science research based on quantum gravimeters at home and abroad have been developed rapidly， including volcanic activity monitoring， marine absolute gravity measurement， and airborne absolute gravity measurement， etc. The ZAG-E type of quantum gravimeter developed by our laboratory has the advantages of small size， easy handling， and high stability. Its absolute gravity measurement accuracy can reach 10 μGal. Based on this quantum gravimeter， our team has carried out related research on continuous absolute gravity measurement at seismic stations， focusing on the continuous absolute gravity measurement performed at the Yanzigou Seismic Station in Ganzi Tibetan Autonomous Prefecture， Sichuan Province. These studies are helpful for the construction of the gravity data of the area and the analysis of the geological topography and the geological activities. The precision gravity measurement based on quantum gravimeters can provide a new method for the research of earth science， and it can also provide reliable absolute gravity data. In the future， quantum gravimeters are expected to be more and more widely used in geosciences such as geophysics and absolute gravity surveying and mapping on the surface.

Keywords： Quantum gravimeter ; Geophysics ; Continuous absolute gravimetry

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本文引用格式

朱栋, 高世腾, 朱欣欣, 吴彬, 程冰, 林强. 量子重力仪在地球科学中的应用进展. 地球科学进展[J], 2021, 36(5): 480-489 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2021.034

ZHU Dong, GAO Shiteng, ZHU Xinxin, WU Bin, CHENG Bing, LIN Qiang. Progress of Quantum Gravimeter Applied in the Fields of Earth Science. Advances in Earth Science[J], 2021, 36(5): 480-489 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2021.034

1 引 言

精密的重力测量一直是探索地球、感知地球的重要技术手段［1~5］。地球质量分布及其变化与地表重力加速度的时空分布息息相关，因此，精确的绝对重力加速度测量对地球相关的科学研究至关重要。通过精密重力测量可以分析地球内部的物质活动和变化，其应用领域广泛，如地球物理、资源勘探、地震研究、空间重力分布测绘和惯性导航等。地球表面重力加速度的变化较大，大约在2 Gal （1 Gal=10-2 m/s2）之内。由固体潮汐所引起的每日地表绝对重力加速度的波动约为200 μGal［6］。不同量级的重力值具有不同的物理含义，还可以反映不同的地质信息，重力仪精度达μGal量级基本可以满足地球科学领域的应用需求。

连续重力观测对地球物理研究具有非常重要的意义。一方面，在火山活动监测方面发挥重要作用。通过连续重力观测能分析火山运动引起的重力场微小变化，这对活火山地表之下的成像有巨大的应用潜力［7，8］。其实，早在1985年，英国科学家Rymer等［9］通过观测火山重力场变化（60 μGal）来监测岩浆的流动；2000年，日本三宅岛火山岩浆流动与山体坍塌产生的重力值变化约为80 μGal［10］；2004年，日本浅间山火山在4次喷发前后的重力值变化了1~2 μGal［11］。

另外一方面，连续重力观测为地震研究提供了一种重要的技术手段。研究表明［12］，地震发生过程中形成的密度扰动对地球重力场的影响是比较直接的，而且影响时间较长。地震发生时，瞬时的质量重新分布所产生的重力扰动信号比地震波中的P波分量更早被探测到，这对实时震源研究和早期预警有重大意义。2003年9月，日本东京大学的Imanishi等［13］在德冈县大地震的震中附近首次探测到小于1 μGal的地球重力场变化。2014年，印度理工学院的Aruj Pant等报道了分离出的2004年苏门答腊地震引起的微伽级重力信号变化［14］。2019年，日本科学家Kimura等［15］报道了在2011年东北冲9.0级地震中与震源相距987 km的地方存在振幅2.5×10-2 μGal的重力变化。

在大地水准面研究方面，连续的重力观测也可以发挥重要作用。大地水准面是排除行星引力和海流影响，在地球重力场作用下最接近平均海洋表面的等位面。对4个南极观测站3~4年的绝对重力测量数据进行分析，从而发现观测站的重力值每年都在发生变化，其结果为：Terra Nova Bay观测站： （-0.4±1.5） μGal/a，Syowa 观测站：（-0.3±0.4） μGal/a，Aboa观测站：（0.5±0.5） μGal/a，McMurdo观测站：（4.2±1.4） μGal/a［16］。以上述重力观测结果为参考，并考虑到重力随高度的变化规律为（-0.16±0.04）~（-0.18±0.06） μGal/mm［17］，其测量结果与冰后期反弹/下陷模型的预测基本一致。

目前，量子重力仪的绝对重力测量精度已经达到μGal量级，可以与传统光学干涉式绝对重力仪相媲美。2020年，法国MuQuans公司在意大利埃特纳火山上成功安装了1台量子重力仪［18］。这项研究实现了在海拔高度为2 820 m野外条件下自主、连续的火山活动监测，为探测地质变化和了解地球内部流体运动规律（水、岩浆和碳氢化合物等）的相关研究提供了基础数据。

2 小型化量子重力仪的国内外研究进展

绝对重力仪主要分2种：光学干涉式重力仪和原子干涉式重力仪（量子重力仪）。光学干涉式重力仪的代表为美国Micro-g LaCoste公司生产的FG-5X商用型重力仪［19~22］，其实验室条件下精度约为2 μGal［23］。量子重力仪距今已有30年的历史，在1991年，斯坦福大学的朱棣文小组成功集成了1套量子重力仪实验室原理样机，静态条件下最优重力测量灵敏度为3 μGal@2000 s［24］。2014年，该组搭建了10 m高的大型原子喷泉式重力仪，其灵敏度达3×10-11 g/Hz1/2［25］。原子重力仪发展至今，小型化原子重力仪的灵敏度可达几个μGal/Hz1/2［26］，而且其测量精确度与FG5X相当。

量子重力仪正在朝着商品化、小型化和动态化的方向发展。法国MuQuans公司集成的便携式量子重力仪AQG灵敏度达50 μGal/Hz1/2，长期稳定性优于1 μGal［27］，重力仪实物图如图1所示。量子重力仪的相关技术在静态测量条件下已经具备一定的成熟度，但是相对于动态测量环境而言，仍然有很多问题有待解决。

图1

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图1   法国MuQuans公司的商用量子重力仪［27］

Fig.1   The commercial quantum gravimeter of MuQuans［27］


准动态重力测量是资源勘探、基础地质调查和地球科学等研究领域的重要技术手段，是静态绝对重力测量向动态绝对重力测量的过渡阶段。目前，重力测量和重力梯度测量已经用于矿物勘探［28，29］和重力场恢复［30，31］。2009年，美国斯坦福大学的研究小组将1套小型化原子干涉仪集成到1辆箱式卡车内，基于这套原子干涉仪既可以进行绝对重力测量，又可以进行重力梯度测量，其实验室最佳重力测量灵敏度为4.2×10-9 g/Hz，重力梯度灵敏度在240 s的积分时间内可达5 E［32］，随后他们在斯坦福大学的一个4层高的建筑物附近开展了定点绝对重力及重力梯度测量，测试现场图如图2a所示，其实验结果为原子干涉仪的野外重力测量提供了参考数据。2019年，加利福尼亚大学的研究小组基于量子重力仪集成了一套车载重力测量系统，并在伯克利山开展了路程长度7.6 km的车载定点绝对重力测量［33］（图2b），此次实验的绝对重力测量重复精度约为40 μGal。

图2

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图2   野外定点车载绝对重力测量

（a）斯坦福大学的野外重力及重力梯度测量［32］；（b）在伯利克山脉的绝对重力测量［33］

Fig.2   Field fixed-point vehicle-mounted absolute gravity measurement

（a） Field gravity and gravity gradient measurements at Stanford University［32］； （b） Absolute gravity survey in Berkeley Hills［33］


2016年，法国的Laboratoire Charles Fabry和LNE-SYRTE等多家实验室联合开展了微重力环境下的机载惯性效应验证实验，该实验将经典加速度计和原子干涉仪相结合，拉曼光沿飞机飞行方向，最后在飞机上测得的加速度灵敏度可达2×10-4 （m/s2）/Hz［34，35］，其加速度分辨率可达飞机振动水平的1/100，机载测试图如图3所示。

图3

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图3   机载惯性效应测量现场图［34］

Fig.3   The picture of the airborne inertial effects measurement［34］


相比于惯性导航系统中存在长期漂移的传统惯性传感器，无漂移和高稳定性的原子干涉仪是长时惯性导航的一个可靠选择。法国科学家Cheiney等［36］将原子干涉仪与传统加速计相结合，实现了一个具有400 Hz带宽且导航兼容的量子加速度计，在11个小时积分时间内的稳定性达到了10 ng。上述将原子干涉仪与经典惯性传感器相结合的方案为量子重力仪的动态测量提供了新思路。

动态绝对重力测量一直是重力测量领域的难点，当前动态重力测量的重力仪以相对重力仪为主，而量子重力仪是实现动态绝对重力测量的一个候选。在船载、机载等动态测量条件下，振动噪声与静态环境条件相比，变大了几个数量级，振动噪声进入原子干涉仪的相位，导致正常的原子干涉信号淹没在振动噪声之中，无法得到有效的干涉信号，这极大地限制了原子重力仪在动态条件下的测量性能。因此，需要将原子干涉条纹相位中由绝对重力加速度引起的有效干涉相位分离出来。2017年，法国ONERA小组［37］将原子重力仪与Q-Flex加速度计相结合，对振动引起的相位变化进行补偿，并得到了与绝对重力加速度相关的干涉相位。基于集成的一套船载绝对重力测量系统，他们在北大西洋西部海域实现了船载环境下的动态绝对重力测量，并在测试期间使用商用的海洋弹簧重力仪（The Marine Gravity Meter KSS32-M）一起进行重力测量，取得了比较好的实验结果，其船载测量的实验装置如图4a所示［37］。在海况较差的条件下，实现的测量精度达到了1 mGal。2019年，该研究小组在冰岛使用机载航空绝对重力测量系统进行了航空绝对重力测量试验［38］，这是首次将量子重力仪应用于航空重力测绘研究，其实验测试照片如图4b所示。在重复测线和交叉测点上，其测得的重力值误差为1.7~3.9 mGal。将该次航空重力测量数据与归算后的地面重力数据进行比较，平均差值为-0.7~1.9 mGal，对应的标准偏差为3.3~6.2 mGal。

图4

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图4   基于量子重力仪的动态绝对重力测量

（a）船载量子重力仪测量系统［37］；（b）机载量子重力仪测量系统［39］

Fig.4   The dynamic absolute gravity measurement based on quantum gravimeters

（a） The measurement system of shipborne quantum gravimeter［37］； （b） The measurement system of airborne quantum gravimeter［39］


国内量子重力仪的研究开始于2002年左右，目前主要的研究单位有浙江工业大学、浙江大学、华中科技大学、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院、中国计量科学研究院、中国科学技术大学、中国航空计量技术研究所和国防科技大学等单位。近年来，这些单位在小型化量子重力仪的研究方面取得了不错的成果，仪器的测量精度［40］和测量灵敏度［41，42］等性能得以较快提升，同时在地震波监测［43］、车载重力测量［44］（测试照片如图5a所示）、船载系泊重力测量［45］（现场照片如图5b所示）和绝对重力比对［46， 47］等方面也取得不错的实验进展。

图5

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图5   基于量子重力仪的外场测量实验

（a）野外车载定点绝对重力测量［44］；（b）船舶码头系泊状态下的绝对重力测量［45］

Fig.5   The field measurement experiments based on quantum gravimeters

（a） Field vehicle-mounted fixed-point absolute gravity measurement［44］； （b） Absolute gravity measurement in the moored state of ship wharf［45］


3 量子重力仪基本原理及装置简介

3.1　量子重力仪的基本原理

量子重力仪的工作原理［48］如图6所示，通过3对拉曼脉冲对原子物质波包进行分束、反转和合束，使原子内部能态发生相干叠加，从而实现物质波干涉，其中时长为τ的拉曼光脉冲称为π/2拉曼脉冲，时长为2τ的脉冲称为π拉曼脉冲。原子在自由下落过程中，在t0时刻，作用第一束π/2拉曼脉冲，F=1,p态的原子均等地分布到F=1,p和F=2,p+ћkeff（这里，F=1和F=2分别是87Rb原子D2线的2个基态超精细能级，p是原子的动量，ћ是约化的普朗克常数）的相干叠加态，其中keff是拉曼光的有效波矢。由于动量不同，2个原子波包按不同的路径传输。经过时间T后，2个波包相距ћkeffT/m（m是原子质量），然后作用π脉冲，处于F=1,p和F=2,p+ћkeff态的发生态的反转。在t=t0+2T时刻，作用最后一束π/2脉冲，沿不同路径演化的F=1,p和F=2,p+ћkeff态上的原子相干分裂到各自的叠加态，从而产生原子波包的内态干涉。之后原子继续下落至探测区，通过探测F=1,p态的原子数N1和F=2,p+ћkeff态的原子数N2，经过归一化得到原子的跃迁效率P为：

图6

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图6   原子干涉仪脉冲序列［49］

Fig.6   The sequence of three pulse for atomic interferometer［49］


PF=1→F=2=121-cosΔΦ，

式中：ΔΦ=keff⋅gT2是受激拉曼跃迁过程中由光和原子相互作用产生的相位差，keff为拉曼光的有效波矢，g为重力加速度，T是2束拉曼脉冲之间的时间间隔。考虑多普勒频移，需要线性扫描拉曼光的频率，保证原子下落过程中始终与拉曼光共振，ΔΦ可写为：

ΔΦ=keff⋅g-2παT2，

式中：α为频率啁啾率，对于g=9.8 m/s2，α≈25.1 MHz/s。由公式（2）可知，当keff⋅g=2πα时，无论T取何值，干涉条纹都会在同一点相交。因此通过测量该点的α值，便能精确求得重力加速度值。

3.2　ZAG-E型量子重力仪的实验装置

图7是ZAG-E型量子重力仪的实物图，主要由真空重力探头、激光光路系统和电子控制系统3部分组成。真空重力探头主要包含超高真空系统、磁光阱和荧光收集系统等，其直径是52 cm，高度是55 cm，重量约为70 kg。激光光路系统主要由780 nm的激光器和分光移频光路等构成。电子控制系统主要包含采集卡模块、电路驱动模块和频率链模块等。激光光路系统与电子控制系统集成在2个航空箱内，使用过程中将2个机箱叠加在一起，机箱的整体高度约1.3 m。

图7

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图7   ZAG-E型量子重力仪实物图

Fig.7   The picture of the ZAG-E quantum gravimeter


4 基于ZAG-E型量子重力仪的连续绝对重力测量

4.1　基于ZAG-E型量子重力仪的连续绝对重力测量

基于ZAG-E型量子重力仪的连续重力测量是在四川省甘孜藏族自治州泸定县燕子沟地震台开展的，地震台所处位置的海拔高度为2 080.2 m。连续绝对重力测量的测试房间位于地震台的观测山洞内，其测试环境相对比较密闭，地震台周边均为山脉，振动噪声较小。该地震台为新建地震台，没有绝对重力基准点，此次测量为该台站提供了绝对重力基准值，可以为该区域的相对重力测量提供参考。

测量期间，虽然温湿度波动范围较小，但是相对于实验室条件其温度偏低6 ℃左右，相对湿度偏高40%左右，其中相对湿度最小为84.67%，最大为92.91%，变化幅度达8.3%，平均相对湿度为91.71%。温度最小为13.50 ℃，最大为16.21 ℃，变化幅度达2.71 ℃，平均温度为14.93 ℃。地震台工作人员进出测试房间时会导致温度变化3 ℃和湿度变化5%，离开后温湿度基本趋于稳定。在此环境条件下，ZAG-E型量子重力仪连续稳定工作了近13天。

地球固体潮汐是由于太阳、月球等星体相对于地球的运动导致的绝对重力值周期性变化，其变化幅度最大可达几百微伽（μGal）。图8是ZAG-E型量子重力仪连续测量到的地球固体潮数据，单点的绝对重力数据以30分钟为一组进行了平均处理，圆点为实测数据，曲线为固体潮汐理论模型，其中部分断点是由于地震台供电异常以及配合地震台工作人员开展测试工作停止重力仪所致。测量结果显示，重力值的变化与理论模型的吻合度较高，具备良好的分辨能力，表明量子重力仪的长期稳定性较好且具有较高的测量精度。结合测试期间的温湿度数据，对比分析可见，ZAG-E型量子重力仪在温度14 ℃和相对湿度90%的条件下依然可以连续稳定工作，具备较好的环境适应性，适合于连续绝对重力测量。

图8

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图8   测量得到的重力固体潮汐数据

Fig.8   The measured gravity data of solid tide


在对固体潮汐模型进行修正后得到的重力残差数据（图9），重力值变化基本在±20 μGal以内。最终的绝对重力数据修正了各种外界及仪器自身因素引起的系统误差，包含双光子光移、科里奥利力、测量高度修正和自引力效应等，评估的绝对重力修正量为-31.1 μGal，不确定度为8.6 μGal（B类不确定度）。绝对重力数据的统计不确定度为3.2 μGal（A类不确定度），最终合成的总不确定度为9.2 μGal。

图9

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图9   修正完固体潮汐模型后的重力残差数据

Fig.9   The gravity residual data after correcting the solid tidal model


4.2　基于ZAG-E型量子重力仪的重力基准维持

绝对重力基准是绝对重力测量和相对重力测量的重要参考，对其进行维持，可以确保与基准相关重力测量的可靠性与准确性。基于ZAG-E型量子重力仪，我们为四川省雅安市的四川省地震局测绘工程院提供了绝对重力基准的维持工作。该绝对重力基准点在一个车库内，密闭性较差，因冬天接近露天环境，测量期间的温湿度变化较为剧烈，且受外界气流影响较大。为了减小影响，我们缩减了测量时间，从仪器卸车到完成绝对重力测量总耗费约12小时，其中仪器设备卸车耗费约0.5小时，并在0.5小时内做环境保障措施，量子重力仪的恢复及预热耗时近2.5小时，最终获得8.5小时的有效测量数据。图10a是以30分钟为1组进行平均后的重力潮汐数据，圆点为实测数据，曲线为理论固体潮汐模型。修正完固体潮汐后的重力残差数据如图10b所示，变化范围在±15 μGal以内。测量结果经不确定度分析，最终得到的总合成不确定度为10.2 μGal。通过与该点先前的绝对重力值进行比较，发现两者测量结果的吻合度在10 μGal以内。

图10

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图10   雅安绝对重力基准点的测量结果

（a）测量到的重力固体潮数据；（b）修正固体潮汐模型后的残差数据

Fig.10   The experimental resultes measured at the gravity reference site of Yaan

（a） Measured gravity tide data； （b） The residual data after the modification of solid tidal model


5 总结与展望

本文对量子重力仪的国内外研究进展、基本原理及实验装置做了简要概述。通过一些典型实例，介绍了连续重力测量在火山监控、地震观测和大地水准面测量等地球科学领域的应用前景。量子重力仪作为一种新型的绝对重力仪，与传统的高精度光学干涉式重力仪相比，其精度和灵敏度已经差别不大。在动态绝对重力测量方面更具优势，国内外研究机构进行的相关研究进展较快。由我们实验室研制的ZAG-E型量子重力仪具有体积小、易搬运和稳定性高等优点，其绝对重力测量精度可达10 μGal。基于该量子重力仪，我们团队在高海拔地区的地震台开展了连续绝对重力测量实验，并进行了绝对重力基准维持方面的研究，这些研究有助于分析地质地形构造以及地质活动引起的重力场变化。

随着量子技术的不断发展，小型化量子重力仪在近年得到飞速发展，绝对重力的测量精度得到较大提升，目前国内外量子重力仪的最好精度可达到5 μGal左右，与FG-5商用重力仪的2 μGal精度相比还有一定差距。此外在系统的技术成熟度和稳定性方面，量子重力仪由于发展时间相对较短，仍具有一定劣势。但是，鉴于量子重力仪的高重复率、无机械磨损、可长期连续测量等优势，其有望成为下一代的高精度绝对重力测量仪器。量子重力仪的精度目前主要受限于拉曼光波前、双光子光移等系统效应的评估精度，目前国内外多个研究小组都在开展相应的研究工作，相信在未来可以实现突破。

基于量子重力仪的精密重力测量为地球科学的研究提供了一种新型的技术手段，同时被越来越广泛地应用于地球物理、地表绝对重力测绘、资源勘探和惯性导航等地球科学领域，在未来，也会在更多的领域发挥更加重要的作用。

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