随着高精度绝对重力仪的应用和重力测量技术的完善发展，绝对重力测量在重力基准建立[1-2]、相对重力网联测解算、地壳垂直形变监测[3-4]、地球科学[5]和地震监测预报[6]中得到了广泛应用．重复高精度绝对重力测量不仅能够探测出地球内部的质量运移和其他一些地球动力学事件引起的重力变化[7-8]，也是地震震源机制和地震孕育过程研究及地震中长期预测的重要技术手段之一[9-10]，同时重复绝对重力观测给出了重力场的长期变化趋势，可为研究重力场变化提供重要的基础资料[11-13]．时至今日，重力基准系统的建立都是利用重力仪重复观测基于一个或多个被认为是稳定的参考点，典型的重力基准系统就是1909年的波茨坦重力基准，其利用一个绝对摆仪求得的重力值精度约为±1 mGal．随后，欧洲和美国的固定绝对摆观测结果显示，与波茨坦重力基准约有±14 mGal的偏差．20世纪60年代，随着新型绝对重力仪的出现，证实了波茨坦基准的系统偏离[14]．于是，1971年，莫斯科的IUGG大会通过了国际重力标准化网(IGSN71)，旨在提高重力基准的精度和不确定度，IGSN71站的不确定度为0.1 mGal，但在上世纪六七十年代，时变绝对重力变化小于0.1 mGal，重力观测信号大部分被仪器不确定性所覆盖．随着观测技术的发展和绝对重力观测仪器可移动，国际计量局于1981年启动了绝对重力仪比对，以此建立统一的重力基准．随着小型化自由落体绝对重力仪的科学制造和商业仪器的工业化生产，绝对重力仪的一致性和可靠性在20世纪末提高到了几个微伽的级别，但是为了探测微伽级别的地球动力学信号，必须知道仪器之间的系统偏差[15-16]．而绝对重力仪只有激光器和原子钟等部件可标定，但其自身不能进行有效标定，因此为了估计绝对重力仪的整体精度和灵敏度，以及检查每个单独的仪器，绝对重力仪之间的比对至关重要．绝对重力仪的便携化和集中比对观测，因此可以建立独立和统一的重力基准和重力基准网[17]．这里针对重力基准的建立和统一，以云南区域的2010~2020年5期的绝对重力测量结果为例，提出了一种基准统一的方法，分析了基准统一对短期(期与期之间)和长期重力变化趋势的影响．1 重力基准建立与统一1957年我国建成了第一个国家重力基本网，由22个基本点和80个一等点构成，基准由波茨坦基准点联测获得，该网精度偏低且含有一定的系统偏差[18]．随后，为了满足科研和国防需求，1985年前后，国家测绘局等单位重新建立了中国重力基本网，简称“85网”，包含6个绝对重力基准点和46个基本点，首次使用绝对重力仪测定重力基准[19]．2002年，在85网的基础上，我国建成了国家重力基本网“2000网”，首次使用FG5型绝对重力仪测定了21个重力基准点，并用LCR-G型相对重力仪联测全部基准点和126个基本点[20]．自1998年，随着中国地壳运动观测网络工程的开展，每2~3 a对覆盖全国的25个基准点进行复测[21]，至2010年开始，由中国地震局组织，中国科学院、国家测绘地理信息局和总参测绘导航局共同承担的中国大陆构造环境监测网络(简称“陆态网络”)的实施，基准点扩充至100个，以地震监测为主，兼顾服务其他地球科学领域的应用研究．陆态网络绝对重力观测网是中国目前精度最高、覆盖范围最广的重力基准网，以监测整个中国大陆的重力动态变化为主要目的，在绝对重力控制下进行相对重力联测、获取重力变化信息[22]．在4部委的共同协作下，目前已经完成了5期的重力观测任务，积累了大量的基础观测资料．4部委在实施该项目时使用了不同类型的绝对重力仪，中国地震局仪器为FG5-232，FG5X-255\259，中国科学院仪器为FG5-112，FG5X-246，国家测绘地理信息局仪器为FG5-214，FG5X-260，总参测绘导航局仪器为FG5-240．为了保证观测资料的可靠和重力基准的统一，消除仪器间系统偏差影响，中国大陆构造环境监测网络绝对重力测量技术规程要求绝对重力测量仪器须在当期观测期间进行绝对重力仪集中比对，以此检验仪器的稳定性和一致性，只有符合要求的仪器才可以实施观测任务[23-25]．历次的绝对重力仪比对结果显示，项目内使用的仪器均无明显系统误差，但是各仪器间存在一定的互差[26]，此外在5期的绝对重力观测任务中，各观测单位任务测点并非固定不变，部分测点进行了调整或互换．当研究某一重力基准站的重力长期变化趋势时，存在多台仪器共同完成了该测站的5期任务情况，因此绝对重力仪间的互差对观测站的重力长期变化趋势确定存在重要影响．为了获得更精确的重力变化信息，此影响必须予以剔除．重力基准统一的基本方法为gai=gbi-goi，式中：gai，gbi分别为第i期绝对重力测量统一基准后的重力值和原始观测值；goi为观测仪器第i期绝对重力仪集中比对的偏差值．2 云南区域绝对重力重复观测结果陆态网络绝对重力观测网基本均匀覆盖了整个中国大陆(见图1)，灰色线条代表断裂带，红色圆点代表绝对重力基准点，绝对重力测量周期为2~3 a．自2010年项目实施至今，中国地震局地震研究所承担了云南境内的陆态网络9个重力基准点(昆明、东川、蒙自、思茅、勐海、耿马、瑞丽、下关和丽江，图1的蓝方框区域红色圆点)的全部5期绝对重力测量任务，测量结果见表1，文献[13]详细介绍了2010~2020年以上测点具体的绝对测量方法、观测结果及数据初步分析．10.13245/j.hust.220909.F001图1绝对重力测点分布示意图10.13245/j.hust.220909.T001表12010~2020年陆态网络重力基准站绝对重力观测结果测点东经/(°)北纬/(°)观测日期观测仪器统一基准前统一基准后重力值/(10-8m•s-2)重力变化率/(10-8m•s-2•a-1)重力值/(10-8m•s-2)重力变化率/(10-8m•s-2•a-1)昆明102.7525.142010-12-02FG5-23270.200.63±0.4673.700.65±0.782014-08-20FG5-23269.3168.312015-08-01FG5-23270.1269.122018-05-11FG5X-25578.0181.412019-10-31FG5X-25572.7174.91东川103.1826.102011-06-09FG5-23264.320.27±0.8467.820.29±0.632014-11-23FG5-23274.5073.502015-08-19FG5-23273.8172.812017-12-02FG5X-25573.1376.532019-11-03FG5X-25566.3168.51蒙自103.4023.352011-06-12FG5-23267.821.36±2.0271.321.34±1.632014-11-17FG5-23295.8494.842016-10-15FG5-23297.9396.932018-05-16FG5X-25580.0083.402019-10-27FG5X-25583.5085.70思茅101.0522.742011-06-14FG5-23250.530.87±1.3954.030.91±1.172014-11-14FG5-23272.6271.622015-08-03FG5-23262.7261.722018-05-19FG5X-25566.7470.142019-10-24FG5X-25558.4360.63勐海100.4521.952011-06-17FG5-23260.34-1.72±0.9363.84-1.67±0.562014-11-12FG5-23266.8265.822015-08-05FG5-23264.3663.362018-05-21FG5X-25549.5152.912020-08-11FG5X-25549.0751.27耿马99.4023.532011-06-26FG5-23246.32-0.85±1.4849.82-0.85±1.202014-11-10FG5-23264.2463.242016-10-12FG5-23257.6356.632018-05-23FG5X-25551.2854.682020-08-12FG5X-25539.9642.16瑞丽97.8424.002011-06-29FG5-23278.10-0.83±1.4981.60-0.79±1.152014-11-08FG5-23294.9193.912015-08-11FG5-23286.9385.932018-05-27FG5X-25570.1673.562020-08-15FG5X-25579.1581.35下关100.2525.612010-12-06FG5-23269.10-0.20±0.6772.6-0.43±0.652014-11-05FG5-23276.8375.832016-10-03FG5-23265.6264.622018-05-31FG5X-25568.8572.252019-10-11FG5X-25969.9569.70丽江100.0326.702014-08-23FG5-23277.87-1.95±0.8776.87-1.69±1.112015-08-16FG5-23269.9068.902018-07-04FG5-23271.6873.582020-08-11FG5X-25962.3462.09表1中云南9个测点的陆态网络5期绝对重力测量使用了FG5-232，FG5X-255和FG5X-259三台仪器，其中：前3期绝对重力观测仪器均为FG5-232；第4期为FG5-232和FG5X-255；第5期的丽江和下关测点使用的FG5X-259；其余测点均使用FG5X-255．因此，当分析每个测点的重力变化趋势时，昆明、东川、蒙自、思茅、勐海、耿马和瑞丽测点出现了FG5-232和FG5X-255两种仪器所测数据，丽江点出现了FG5-232和FG5X-259两种仪器所测数据，而下关测点则出现了上述三种仪器的测量数据．尽管认定各仪器自身性能稳定、各期任务期间仪器自身无系统误差，但绝对重力仪在长期的使用过程中，激光波长和原子钟频率波动等因素均可导致观测结果变化，即使使用同一台仪器完成了全部重力任务，期与期之间的观测数据，也会因为仪器性能的改变，导致出现轻微偏差；此外，仪器间往往也存在一定的互差，从而导致期与期之间因使用不同仪器完成时产生重力变化偏差，当分析云南9个测点的重力长期变化趋势时，必须将这种因观测仪器测量基准变化导致的偏差消除．3 重力基准统一结果与分析绝对重力仪主要由激光器和原子钟等部件组成，通过测定距离和下落时间来测定重力加速度．为了检验仪器自身稳定性、验证仪器间是否存在系统偏差、统一全网绝对重力基准以满足陆态网络重力网控制测量的要求，陆态网络定期组织参与陆态网络绝对重力测量的仪器进行比对，文献[26]总结分析了2010~2018年中国大陆构造环境监测网络绝对重力仪前四期的比测结果．并整理了第五期陆态网络任务实施期间绝对重力仪集中比测数据(2020年12月)，获得了陆态网络项目该期内使用仪器的系统偏差，各台绝对重力仪观测结果较为一致，各仪器重力观测值与观测均值差异分布范围为-2.2～3.3 μGal，不存在显著系统偏差，但仪器间互差最大可达5.5 μGal(FG5X-257与FG5X-255)，超过仪器本身观测不确定度(平均为1.36 μGal)，其对重力观测结果影响不可忽略(见图2)．10.13245/j.hust.220909.F002图22020年12月陆态网络绝对重力仪比对结果根据云南区域9个基准站重力观测的情况，其共使用了3台FG5型绝对重力仪进行重力测量，各期的系统偏差结果如表2所示，重力仪系统偏差分布区间为从-3.5～1.0 μGal，两期间重力变化结果差异最大达4.5 μGal．利用重力基准统一方法处理了昆明、东川等9测点的历期观测数据，并用线性最小二乘法拟合了基准统一前后的重力动态变化趋势，各测点的时间观测序列和趋势图见图3，变化率结果见表1．图3中：蓝色圆点为原始观测值，即gbi；褐色圆点为统一基准后的值，即gai；蓝色和褐色细虚线分别为统一基准前后期与期之间的重力变化趋势，蓝色和褐色粗虚线分别为统一基准前后总5期的重力变化趋势．10.13245/j.hust.220909.T002表2绝对重力仪系统偏差期数比测时间参与比测仪器FG5-232FG5X-255FG5X-259第一期2010-07-3.5±0.8——第二期2013-061.0±0.2——第三期2015-061.0±1.9——第四期2018-03-1.9±1.4-3.4±1.2—第五期2020-12—-2.2±1.00.25±1.710-8m/s210.13245/j.hust.220909.F003图3不同变化率下的绝对重力观测时间序列在重力基准统一前后，结果显示：a．各测点期与期之间的重力变化稍有改变，重力变化趋势基本保持一致，但东川测点的3~4期和下关测点的4~5期变化趋势反转；b．全5期重力变化速率改变最大的为下关测点，由-0.20 μGal/a变为重力基准统一后的-0.43 μGal/a，变化量达到了-0.23 μGal/a，耿马测点重力变化速率基本保持不变，其他测点的重力变化速率的改变量在0.02~0.05 μGal/a之间；c．丽江测点只有近4期观测数据，但是基准统一引起的重力变化速率的改变量达到0.26 μGal/a，由-1.95 μGal/a变为-1.69 μGal/a．通过对2010~2020年云南区域内的陆态网络9个重力基准点的历期绝对重力观测数据分析，对比了重力基准统一前后短期(期与期之间)和长期的重力变化趋势，改正前后重力长期变化率差异分布范围为-0.23～0.26 μGal/a．虽然整体长期变化趋势基本保持一致，改变量也小，但也存在部分测点的短期变化趋势反转和长期变化速率改变量大的现象，必须使重力基准统一以校正原始观测数据来获取精确可靠的重力基准数据．定期开展绝对重力仪的集中比对是重力基准统一的最佳方法，集中比对不仅检验了仪器的性能，也获得了比测仪器的相对偏差，为重力基准的建立和统一提供了基础；同时，覆盖整个中国大陆的100个陆态网络绝对重力基准点的重力变化速率精细定量研究也需要重力基准的统一，而由不同绝对重力基准控制的各相对重力区域网在整网平差计算时，更是需要全网的基准统一，以此提供更精细准确的重力基准和重力变化速率服务于地球科学和地震监测预报．