第二章 重力儀簡介
2-1 絕對重力儀 Micro-g LaCoste FG5 之介紹
絕對重力儀 FG5 具有可移動性監測及高精度的特點，在標準操作下可達約 1~2 μ gal(1 μ gal = m/s2)的精度表現(Micro-g LaCoste, 2006)。絕對重力儀 FG5 的主要組成包括落體腔(Dropping Chamber)、雷射干涉儀(Interferometer)、超彈簧 (Superspring)、系統控制器(System controller)及電子儀器設備(Electronics)等。
絕對重力儀 FG5 的測量原理為根據自由落體法來進行測量，以一個棱鏡體 (測試下落體, test object)在真空落體腔中，由機械設備垂直提升棱鏡體，隨後自 由下落約 20 公分的距離，棱鏡體從落體腔的頂部下落期間，雷射光束以分光鏡 分別反射到下落的棱鏡體和另一個固定的參考棱鏡上(如圖 2-1)；在下落的棱鏡 體落向真空腔的底部的過程中，用雷射干涉儀來確定棱鏡體下落過程中不同時刻 的位置距離，電子干涉儀以棱鏡體每下落 1/2 個激光波長就相應地產生光學干涉 條紋，利用光電探測器進行計算及檢測光學干涉條紋，並以銣原子鐘計時，故此 可獲得準確的時間間隔與不同下落高度的數據組(如圖 2-2)，根據最小二乘法來 擬合這些數據組來計算出重力加速度 g 值(Micro-g LaCoste, 2006)。
圖2-1 絕對重力儀 FG5 以雷射測距的工作原理(圖像來源 Micro-g LaCoste, 2006)
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圖2-2 FG5 以最小二乘法調整出從銣原子鐘時間與不同下落高度獲得的數據組 (圖像來源 Micro-g LaCoste, 2006)
絕對重力儀 FG5 的所測量出的絕對重力值 g 值，以準確的銣原子時間間隔 與對應不同下落高度的數據組，並按照自由落體方程式如(2-1)式所示。
(2-1)式
在(2-1)式中 為位置 i 的自由落體下落距離； 為自由落體的起始高度；
ti為下落對應的時間； 為起始高度的下落速度；g 為監測點的重力值。如圖 2-1、
圖 2-2 中設落體腔的頂端位置高度為 ，則 、 、 ；在(2-1)式中的 g 值，實際上受到地球重力場梯度的變化，故此需考量 重力梯度值 的影響，自由落體式(2-1)式可編寫成下式(Micro-g LaCoste, 2006)：
(2-2)式
在(2-2)式中的 為起始位置 的重力值； 為重力梯度值；根據 Micro-g LaCoste(2006)指出由於干涉儀反射下落體(棱鏡體)的光線路徑在棱鏡體自由下 落時會逐漸變短，並受限於光速 c，所以下落過程中的底部干涉條紋到達時間會 出現延遲，故此考量遲緩的時間 ，(2-2)式更改編寫成(2-3)式(Micro-g LaCoste, 2006)。
(2-3)式
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在(2-3)式中的 為起始位置 的重力值；遲緩的時間 。由 (2-3)式轉換所得的重力值接照最小二乘法來解算出最佳的絕對重力估值 ，此值 為自由落體的頂部下落位置的絕對重力值，接著可依據重力梯度值 來歸算至使 用者需求的高度位置的重力值。
2-2 相對重力儀 Scintrex CG-5 之介紹
相對重力儀 Scintrex CG-5 是加拿大 Scintrex 公司制造生產的新型相對重力 儀，採用數位化的訊號分析處理器裝置，可以實現自動測量，可選擇地球固體潮 改正、傾斜改正、温度改正和濾波等修正，正常環境操作下儀器提供的參考精度 約為 5 μ gal (Scintrex Limited, 2010)。
相對重力儀 Scintrex CG-5 的測量原理與傳統 L&R 重力儀的機械式垂臂測量 原理不同(LaCoste and Romberg, 2001)，CG-5 儀器採用的感測系統為電容感測器 結合電子回饋力的整合系統，使感測體(mass)受到電子回饋系統的電子回復力來 回復至零點位置；儀器設計上的感測體(mass)為平衡於石英彈簧，故此，當受到 重力變化而引起石英彈簧長度變化時，透過電容感測器量測感測體(mass)的位移 變化，並以電子回饋系統施行電壓，使感測體回復到零點位置，繼而測量出回饋 系統所需的電壓值，藉由所得的電壓值可關聯於重力的變化量(Scintrex Limited , 2010)。
相對重力儀 Scintrex CG-5 在野外測量的基本操作(Scintrex Limited , 2010)包 括 9 點：(1)參數初始化設置；(2)儀器放置在三角架上；(3)調整三角架螺栓使三 角架水平；(4)設置地形校正參數(可選用)；(5)開始讀數；(6)等待測量自動結束 或人為結束；(7)保存數據；(8)導出數據；(9)清除內容。
相對重力儀 Scintrex CG-5 重力值測量的主要流程(Scintrex Limited , 2010) 如下所示。
(1) 參數初始化設置：開機後，需加入參數設定分為儀器參數、記錄與循環
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時間設定。儀器參數設置在 AUTOGRAV 選項(如圖 2-3)，設定包括潮潮汐校正 (Tide Correct) 、連續傾斜校正(Con Tilt Corr)、自動去除(Auto Reject)、地形校正 (Terrain Corr)、震動濾波設定(Seismic Filter)和原始數據存儲(Save Raw Data)；讀 數記錄與循環時間設定 DEFINE THE OPTION 選項(如圖 2-4)，包括設置讀數時 間(Real time)、循環時間(Cycle time)、循環次數(# of Cycle)、啟動延時(Start Delay)、
測線間隔距離(Line separation)、測站間隔(Station separation)、自動測站編號(Auto station Inc.)、LCD 加温器(LCD Heater)和記錄環境温度(Record Amb.Temp)等，儀 器內部參數說明詳述於 Scintrex CG-5 操作手冊(Scintrex Limited, 2010)
圖2-3 儀器參數 AUTOGRAV 選項設置(Scintrex Limited, 2010)
圖2-4 DEFINE THE OPTION 設定選項(Scintrex Limited, 2010)
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(2) 測站點輸入：參數設置完成後按 MEASURE/CLR 鍵，會進入 station designation 介面，在此介面中，可輸入 Station(測站)、Line(測線)以及 Elevation(高 程)資訊其中，若在 Options 設置時，Auto station Inc.測站編號自動增加功能選擇 YES，則使用時，一個測量迴圈完成後，測站編號自動增加，不需進行手動進行 更改。
(3) 調平設定：按【F5/LEVEL】鍵進入儀器調平，依照螢幕頂部焦爐圖示 指示的方向，旋轉三角架的腳螺旋進行儀器調平(如圖 2-5)。水準狀態由十字絲 和螢幕底部的弧秒顯示。連續旋轉腳螺旋直到交叉點進入中心小圓的內部(±10”)，
螢幕出現笑臉圖示即可。注意先調平 Y 軸(垂直十字絲)，再調整 X 軸。隨後按
【F5/READ GRAV】鍵開始測量，儀器進行收集重力資料。
圖2-5 Scintrex CG-5 儀器調平設定(Scintrex Limited, 2010)
(4) 數據收集：在 OPTION 選項介面中選擇了 Numeric(數字)測量模式，並 且在經過調平儀器設定和在 station designation 選項中設定完成測站與測線資訊 後，進入顯示介面。如圖 2-6 所示，重力值讀數 3773.222mGal 為現時監測所得 的重力值，圖 2-6 上方顯示的 n 值(1、2、3、4、5)為分別列出前幾組採樣經改正 後的重力結果及時間資訊，並且在重力值讀數下方顯示出時間、溫度、誤差、標 準差、傾斜改正、溫度補償等資訊。
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圖2-6 Scintrex CG-5 儀器收集重力資料的顯示介面(Scintrex Limited, 2010)
(5) 收集結束：按選項 F5(Final Data)來結束測量，結束後進入 AUTOGRAV FINAL DATA 介面(如圖 2-7)，在圖 2-7 的 Preceding 欄為最後一筆讀數之前的資 料，Current 欄為當前資料，包含了進行濾波和自行設定的改正選項後的當前重 力值(Grav)、標準差(SD)、傾斜 X、傾斜 Y、感測器温度(Temp)、固體潮改正模 式(E.T.C.)、讀數時間週期(Dur)、自動刪除率(#Rej)、時間(Time)等。擇 CANCEL 為放棄當前資料，選擇 RECORD 可保存當前資料，並返回 station designation 介 面隨後進行下一監測點的測量。
圖2-7 收集資料結束後 AUTOGRAV FINAL DATA 介面(Scintrex Limited, 2010)
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2-3 相對重力儀 Graviton EG 型之介紹
本研究為考量相對重力儀 CG-5 的緊密監測工作時期及長時間監測後儀器會 產生數據漂移的影響，故此在重力梯度值的監測工作為運用相對重力儀 Graviton EG 型來進行施測(施測方法詳述於第 4-6 節)；根據魏祥鴻(2005)指出相對重力儀 (Graviton EG)為具有功能整合、全自動化、自動定平的儀器。Graviton EG 的重 複精度達到1~3μgal，優於 L&R G 型相對重力儀的精度(10~20μgal)，並且 Graviton EG 包含了地球固體潮位模式的改正。Graviton EG 不僅可提供相對重力測量，也 可以做長時間觀測及各種不同的實驗等。 Graviton-EG 相對重力儀(圖 2-8)主要 組成與配件包含下列，區分為四個部分(LaCoste and Romberg, 2002)：
(1) 重力主機：大小 21.5 x 22 x 31 cm，重量 9 公斤，主要是以支桿和彈簧 相互作用來進行觀測與紀錄。適合外在溫度-10℃～＋45℃。量測範圍 0～
7000mgal，適合全世界各地方使用。
(2) 電池：兩個 12V 蓄電池，每一個電池在正常操作可使用 8～10 小時，另 附主機電源線和電池充電器。
(3) 傳輸線：有 RS-232 和 USB 傳輸線，方便把資料從儀器傳至電腦中。
(4) 三角架和平台：在有灌木叢、苔原、沼澤、高草原等。不易架設儀器地 點，可用三角架撐高(50cm)來測量。
(5) Graviton-EG 在施測時，如重力點高度不一，需量儀器高。從面板量到地 面的監測重力點距離減七英吋(感應器)即是儀器高。
圖2-8 Graviton-EG 相對重力儀外觀及三腳架的配置圖(魏祥鴻，2005)
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