Принципы измерения гравитационного поля и аппаратура

Принципы измерения силы тяжести. Определения силы тяжести можно подразделить на абсолютные и относительные. В первом случае на каждой точке получают абсолютное полное значение силы тяжести  во втором - в каждой точке опре­деляют приращение  по отношению к некоторой исходной точке. Для того, чтобы перейти к абсолютным значениям силы тяжести, необходимо знать ее абсолютное значение хотя бы в одной из точек наблюдений. В гравиразведке измерения силы тяжести выполняют более простым и быстрым относительным способом. Абсолютные определения силы тяжести необходимы для привязки наблюдений, выполненных относительным методом.

По принципам определения силы тяжести способы подразделяют на динамические и статические.

В динамических способах измеряемой величиной является период (частота) или время движения тела в гравитационном поле.

Период Т колебаний маятника (при малых углах колебаний) связан с g соотношением

                                                                   (13.1)

где L - приведенная длина маятника.

Можно использовать также время t и путь s свободно падающего тела, которые связаны с g следующей формулой:

                                                                     (13.2)

 

Сложность абсолютных определений маятниковым прибором состоит в том, что для определения g с погрешностью 1 мГал период колебаний маятника нужно измерять с точностью не менее с, а длину маятника – с точностью до 0,001 мм. Абсолютные измерения обычно проводят в обсерваториях и опорных пунктах высшего класса.

Маятниковый прибор позволяет выполнить и относительные определения силы тяжести. При этом достаточно измерить только период колебания маятника в двух точках наблюдений. Если в первой точке период колебаний маятника , а во второй - , то согласно (13.1), исключив длину маятника из отношения квадратов периодов, получаем:

                                                                                (13.3)

Отсюда, зная абсолютное значение силы тяжести, например, в первой точке (), можно вычислить ее абсолютное значение  и во второй точке.

В статических способах измерения силы тяжести действие силы тяжести компенсируется упругими силами пружин, газов или жидкостей и т.п. На этом принципе основан обширный класс приборов – статических гравиметров, которые для краткости далее называются гравиметрами. Гравиметры предназначены для измерения относительного приращения силы тяжести между двумя пунктами с точностью до 0,01 мГал, а в высокоточных приборах - до 0,001 мГал. Поэтому наблюдения с гравиметрами опираются на сеть гравиметрических пунктов, в которых известны абсолютные значения силы тяжести.

Гравиметры просты в обращении, время наблюдения на одном пункте 2-3 мин. Малая масса гравиметров позволяет использовать их при съемках в малодоступных и труднопроходимых районах. Сконструированы специализированные гравиметры для наземных измерений, измерений на дне морей и океанов (донные гравиметры), с бортов морских судов (набортные гравиметры), вертолетов и самолетов (аэрогравиметры).

Поскольку время измерения силы тяжести гравиметром в од­ном пункте незначительное, производительность наземных съемок с гравиметрами определяется в основном расстояниями ме­жду пунктами наблюдений, а также зависит от вида используемого транспорта при переездах с одного пункта на другой. В связи с этими преимуществами статических гравиметров они нашли наиболее широкое применение при разведочных гравиметрических съемках.

Гравиметры. Большинство гравиметров устроено по принципу пружинных весов. Принципиальная схема гравиметра показана на рис. 13.1, а. На тонкой нити 2, являющейся осью вращения, укреплен рычаг маятника 3 массой т. Маятник удерживает­ся в исходном положении силой натяжения главной пружины 4, нижний конец которой через рычаг 7 прикреплен к маятнику, и силой закручивания закрепленной на рамке 1 нити подвеса маятника 2.

При изменении силы тяжести маятник прибора отклоняется от положения равновесия, растягивая главную пружину и закручивая нить подвеса до тех пор, пока момент силы тяжести не будет уравновешен моментом главной пружины и моментом за­кручивания нити подвеса. При измерении силы тяжести маятник возвращают в исходное горизонтальное положение, вводя в систему дополнительный момент, компенсирующий изменение силы тяжести в данной точке относительно исходной точки. Компенсирующий момент создается в результате дополнительного закручивания нити подвеса маятника с помощью двух измерительных пружин 5 и 6, последняя из которых является диапазонной. При оптическом способе регистрации за отклонением маятника наблюдают в микроскоп 8 с большим увеличением. Закручивая нить подвеса, совмещают отметку на маятнике с нулём шкалы окуляра микроскопа и берут по микрометру измерительной пру­жины отсчет в делениях шкалы микрометра.

Для повышения механической чувствительности гравиметра при малых изменениях  используют принцип астазирования. Для этого главная пружина 4 прикрепляется не к основному ры­чагу 3, а дополнительному рычагу 7, находящемуся под углом к рычагу 3, что приводит к увеличению угла φ за счет неустойчивого равновесия. Небольшие изменения силы тяжести приводят к тому, что равновесие нарушается и в результате маятник прибора отклоняется на достаточно большой угол φ. Принцип астазирования гравиметра пояснен на рис. 13.1, б. При отклонении маятника под действием силы тяжести от исходного (горизонтального) положения плечо  главной (астазирующей) пружи­ны уменьшается до , следовательно, уменьшается момент главной пружины, удерживающей маятник. В результате маятник после выведения его из равновесия отклонится на больший угол φ, чем это вызвано действием силы тяжести. Таким образом, у астазированного гравиметра резко повышена (на 2-3 порядка) чувствительность системы к незначительным изменениям силы тяжести.

 

 

Рис. 13.1. Устройство гравиметра:

а - принципиальная схема чувствительной системы прибора; б - схема астазирования.

1 - рамка; 2 - упругая нить; 3 - маятник; 4 - главная пружина; 5 - измерительная пружина; 6 - диапазонная пружина; 7 - дополнительный рычаг маятника; 8 - оптическая система

 

Материал упругой системы гравиметра подбирают таким образом, чтобы колебания температуры и другие факторы наименьшим образом сказывались на величине отсчета. Чувствительные системы основных отечественных гравиметров типа ГНШК-А, В, С и ГНШК-А, В, С и других выполнена из плавленого кварца, хотя некоторые гравиметры, в основном зарубежные, имеют металлическую пружину. Для защиты чувствительной механической системы гравиметра от температурного влияния она помещается в сосуд Дьюара.

Приращения силы тяжести измеряют в делениях шкалы микрометра прибора. Затем отсчеты переводят в приращения силы тяжести в мГал. Для этого используют переводной коэффициент, называемый ценой деления гравиметра.

Приращение силы тяжести между двумя пунктами наблюде­ний вычисляют по формуле

                                       (13.4)

где  и  - отсчеты на этих пунктах в делениях шкалы;  - цена деления гравиметра в мГал.

Определение цены деления гравиметра называется эталонированием гравиметра. Цена деления может быть найдена различными способами. Наибольшее применение получили определения по наблюдениям с гравиметром на двух (или большем числе) пунктах, в которых известны значения силы тяжести, и способом наклона гравиметра.

Для определения цены деления первым способом берут отсчеты  и по счетчику измерительного устройства гравиметра в двух пунктах, для которых известно изменение (приращение) силы тяжести . Цену деления шкалы гравиметра (мГал/дел.) определяют, исходя из формулы (13.4).

Цену деления способом наклона определяют по измерениям на одном пункте при разных наклонах измерительной системы гравиметра. Если прибор находится в горизонтальном положении (а=0), то маятник отклоняет сила mg, и отсчет по счетчику будет . При наклоне прибора на угол  маятник отклоняет сила  и отсчет будет . Для малых углов наклона

                                                         (13.5)

При определениях цены деления гравиметра способом наклона используют специальную наклоняющуюся плиту или накреняют прибор с помощью установочных подъемных винтов.

Если на одном и том же пункте наблюдений провести измерения силы тяжести в течение продолжительного времени (часа и более), то отсчеты, взятые по микрометру гравиметра, будут разные. Разброс значений отсчетов может достигать несколько десятков мГал, т.е. значительно превосходить интересующие аномалии силы тяжести. Изменение во времени показаний гравиметра в одном и том же пункте наблюдений называется смещением нуль-пункта гравиметра. Оно вызвано неидеальной упругостью измерительной системы: под нагрузкой упругие свойства материала, из которого изготовлен чувствительный элемент гравиметра, изменяются во времени. График изменения отсчетов по гравиметру во времени, называемый графиком смещения нуль-пункта прибора, в общем случае представляет кривую, характер которой зависит от конструкции прибора и его индивидуальных особенностей. В процессе полевых работ смещение нуль-пункта гравиметра тщательно изучают для последующего введе­ния поправок в результаты полевых наблюдений. Графики смещения нуль-пункта обычно строят по результатам повторных наблюдений в одних и тех же пунктах в различные моменты времени в течение рабочего дня.

Современные сухопутные гравиметры оснащены микропроцессорами и портативными компьютерами, позволяющими совместно со спутниковыми навигационными системами определять с большой точностью координаты и высоты точек наблюдений. Данные сохраняются в цифровом виде и в них программ­ным путем вносятся поправки за земные приливы, дрейф нуль-пункта и наклон гравиметра.

Представление о внешнем виде современных сухопутных гравиметров можно получить из рис. 13.2, а.

Вариометры и градиентометры. Для измерения вторых про­изводных гравитационного потенциала служат гравитационные вариометры, измеряющие , ,  и  т.е. кривизны уровенной поверхности и горизонтальные градиенты силы тяжести, и градиентометры, позволяющие определять только горизонтальные градиенты  и  силы тяжести. Основным чувствительным элементом вариометров и градиентометров служат крутильные весы в виде коромысла с одинаковыми грузиками на концах, подвешенного на упругой нити (рис. 13.2, б). Под воздействием неоднородного гравитационного поля, обусловленного наличием близко расположенных аномальных по плотности геологических объектов, на грузики действуют различные по величине составляющие поля силы тяжести. Вследствие этого коромысло поворачивается на угол, пропорциональный степени изменения силы тяжести вдоль направления этих составляющих. Измеряемой величиной является угол пово­рота коромысла, который используют для оценки градиентов силы тяжести и кривизн. Для определения различных вторых производных гравитационного потенциала чувствительную систему ориентируют по нескольким (трем-пяти) азимутам.

В градиентометрах отсчеты проводят визуально и они длятся на каждой точке не более 15 мин благодаря тому, что применяющиеся системы имеют не одно, а четыре коромысла, и это позволяет ограничить измерения двумя азимутами. В вариометрах из-за большого времени успокоения крутильной системы замеры в разных азимутах выполняются в течение 30-60 мин на каждой точке.

Рис. 13.2. Гравиметры и вариометры:

а - внешний вид гравиметра Scintrex CG-5 AutoGrav (Канада), стандартная точ­ность 1 микрогал;

б - схема чувствительной системы вариометра. 1 - корпус прибора; 2 - упругая нить; 3 - коромысло; 4 - грузики

 

Технологические особенности вариометров и градиентометров (влияние на показания рельефа местности, большое время измерения в каждой точке и пр.) обусловливают ограниченность их применения в гравиразведке.