Гравиметрия

ГРАВИМЕТРИЯ - это Наука об измерениях величин, характеризующих земное поле силы тяжести Использование данных измерений: • Для определения фигуры Земли • Для изучения внутреннего строения • Для учета воздействия притяжения Земли на движение Луны, ИСЗ и КА • Для решения прикладных задач, геодезии, геологии, геофизики, астрономии и метрологии ГРАВИМЕТРИЯ дословный перевод (латинское - gravitos - тяжелый, греческое – µetpεω - измерение) – наука об измерении величин, характеризующих поле силы тяжести на Земле (гравитационное поле Земли) Сила тяжести • Сила, с которой тело притягивается к Земле • Равнодействующая силы тяготения и центробежной силы, возникающих на поверхности Земли и действующих на точечную массу • Равнодействующие силы тяготения массы на поверхности Земли со всеми массами Вселенной и силой вызванной вращением Земли • Статистическое давление, которое 1г массы не зависимо от объема оказывает на подвес неподвижно укрепленный на Земле Закон гравитационного взаимодействия между отдельными материальными частицами был установлен Ньютоном и получил название закона Всемирного тяготения. F f mm 1 2 mm r 1 - массы материальных точек f - гравитационная постоянная r - расстояние между точками 2 2 Геодезическое использование данных о поле силы тяжести связаны с решением основной задачи геодезии – определение размеров и формы Земли и ее внешнего гравитационного поля В системе СИ за единицу силы тяжести принят Ньютон 1Н 2  1кг*м * с  2 м *с  сила тяжести ускорение силы тяжести CGS и СИ связаны между собой : 1Гал102 м * с 2 1мГал105 м*с 2 100Гал1 м * с 2 1 / 1000000Гал1 мкГал( микроГал) 1мкгал10 8 1/ 1000 гал1 мгал ( милигал) 2 м *с Замена силы тяжести ускорением и наоборот связана с предположением, что инерционная масса эквивалентна гравитирующей массе m m u гр 983 Гал 9.78 м / с 2 9.83 м / с 2 978 Гал Точность измерения зависит от поставленной задачи. Для определения геодезических задач - точность 0,1 мГал. Точность определения колеблется : 8  g   4 10 10 g  2fH  0,0419Н Конечным продуктом гравиметрических работ является Гравиметрическая карта Гравиметрическая карта - Карта с топографической основой, на которой отображены результаты вычисления аномалий силы тяжести. ГОСТ Р 52334-20005 Гравиразведка. Термины и определения. - ……………… - Карты, предназначенные для определения значений ускорения силы тяжести преимущественно в ракетных войсках при подготовке исходных данных для наведения ….. Гравиметрические карты Виды гравиметрических карт: - карты аномалий силы тяжести с редукцией в свободном воздухе; - карты аномалий силы тяжести с редукцией Буге; - карты изостатических аномалий силы тяжести. Этапы составления гравиметрических карт: • • • • • Приведение аномалий сил тяжести в единую систему Выбор масштаба и сечения карты Приведение аномалий к одному уровню Выбор плотности промежуточного слоя Интерполирование аномалий и построение карты Точность гравиметрических карт зависит от точности измерения аномалий и плотности съемки. Аномалии силы тяжести между соседними пунктами меняется сложным образом. Интерполированное значение аномалий отличается от действительного. Для характеристики точности гравиметрических карт вычисляют ошибки интерполяции. Ошибку интерполяции можно найти по формуле: E g n измеренное и g инт число точек   2  g инт g i n интегрированное значение аномалии в точке i Измерение силы тяжести Для определения силы тяжести могут быть использованы любые физические явления, которые зависят от силы тяжести К ним относятся: • • • • Качание маятника; Падение тел в пустоте; Колебание струны; Деформация тел под действием силы тяжести; • и многое другое По способу измерения Динамические - при которых наблюдается движение тела в гравитационном поле, измеряемая величина – промежуток времени, в течении которого тело переместится из одного фиксированного положения в другое Статические - при которых наблюдается положение равновесия постоянной массы, удерживаемое силой упругости какого-либо тела, измеряемая величина – линейное или угловое смещение массы Динамические методы Маятниковый Баллистический Струнный Статические методы Механические Газовые Жидкостные Динамические методы измерения силы тяжести Маятниковый метод g  4 I T mh 2 2 I  mh2  момент инерции g  4 mh T mh 2 2 2 g  4 h T 2 2 Математический маятник - материальная точка, подвешенная на нерастяжимой нити и совершающая колебания вокруг неизменной оси. Период T математического маятника время между очередными прохождениями маятника через положение равновесия независимо от направления движения Период T математического маятника определяется формулой Гюйгенса, справедливой в предположении бесконечно-малой амплитуды колебаний l T  g Период T математического маятника - вычисляется по формуле l 1 2 T  (1  sin ) g 4 2 При гравиметрических наблюдениях не превышает 10 При   30 и T  10 8 l 1 2 T  (1   ) g 16  l 1 2 T  (1   ) g 16 гармонические движения, период которых не зависит от амплитуды – свойство изохронности При гравиметрических наблюдениях используют физический маятник – твердое тело, совершающее свободные колебания вокруг неизменной оси. Физический маятник Эффективная или приведенная длина маятника l определяется его моментом инерции Jх, массой m и расстоянием от центра массы до оси качания a: J x l Ma Физический маятник совершает колебания по законам математического маятника Jx 1 2  l (1  1 2) T  (1   )   g 16 Mga 16 Оборотный маятник – физический маятник с двумя параллельными осями качания Физический маятник может быть превращен в оборотный. Оборотный маятник является частным случаем физического маятника. В оборотном маятнике перемещением грузов можно отыскать такие две сопряженные точки подвеса, что при последовательном подвешивании маятника за одну или другие точки период его колебаний остается неизменным. Физический маятник Оборотный маятник Универсальный маятниковый комплекс ПДМ Назначение: относительные измерения  g с подводных обитаемых и необитаемых объектов, с надводных объектов в портах, закрытых гаванях и бухтах, с дрейфующих льдов и при наземных определениях. Достоинствами маятникового метода являются: а) независимость точности измерений от диапазона значений силы тяжести; б) ускорение силы тяжести получается непосредственно по данным измерения периодов маятников, приборы не нуждаются в эталонировании (определении цены деления); в) отсутствует явление смещения нульпункта прибора. Недостатки: а)большое время измерений на пункте; б) сложность конструкции, связанная, в частности, с термостатированием приборов; в)необходимость высокоточных устройств измерения времени. Маятниковые измерения силы тяжести выполняются: • для создания опорных гравиметрических сетей I и II классов на суше; • в мелкомасштабных съемках на море и в труднодоступных областях суши, где велики приращения силы тяжести (например, в горах) и нерационально создание достаточно густой сети опорных пунктов. Баллистический метод Баллистический метод (метод абсолютного падения тела), используется закон прямолинейного равноускоренного движения свободно падающего тела 2 S0 и  t    S S0 0 t g 2 путь и скорость в начальный момент времени Этот метод стал применятся на станционных и полевых наблюдениях 1класса, при абсолютных определениях силы тяжести 2 t S g 2  2 S g  2 t Принцип действия баллистического гравиметра  измерение времени прохождения свободно падающим телом фиксированных точек на пути его движения. Баллистическим методом выполняются абсолютные измерения силы тяжести лазерными гравиметрами для создания опорных гравиметрических пунктов высшего класса точности. Один из лучших таких приборов создан в Институте автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН. Гравиметр ГАБЛ-Э Технические характеристики Среднеквадратическая погрешность измерения - не более ±2·10-8 м/с2. Систематическая погрешность - не более ±5·10-8 м/с2. Габариты гравиметра: - оптико-механический блок - 1200×700×700 мм - электронный блок - 620×560×660 мм. Общий вес гравиметра - 180 кг. Требования для достижения высокой точности - Остаточное давление воздуха в вакуумной трубке не должно превышать 10-3 Па; - - отклонение луча от вертикали менее 20”; - Исключение влияние микросейсм (упругая опора, крепление зеркала опорного плеча интерферометра рычаге сейсмографа; - Высокоточные измерения расстояния и времени (атомные стандарты частоты. Многократность измерений). Области применения - гравиметрические пункты; - решение задач геодинамики; - создание государственного специального эталона (группового) единицы измерений для гравиметрии; - создание эталонных полигонов для калибровки относительных гравиметров. Струнные гравиметры Применение - измерение ускорений силы тяжести на подвижном основании, на море и в воздухе. Преимущества – частотный выход (фильтрация высокочастотных помех) Статистические методы измерения силы тяжести. Классификация гравиметров 1. По материалу изготовления • газовые • металлические • Кварцевые 2. По перемещению массы • С поступательным • С вращательным неастазированный • С вращательным астизированный 3. По назначению • Геофизические • Геодезические • Донные • Морские • Скваженные 4. По величинам измерения силы тяжести • Широкодиапазонные • узкодиапозонные Общий вид прибора ГНУ-КВ Кварцевая упругая система гравиметра ГНК-КВ Отсчетное устройство гравиметра Исследования гравиметров Настройка гравиметра на минимум чувствительности к наклону по уровням 1 g i  C  S i   g i2 2 Si  S 0  Si а) б) 2 Sобор   + S 3 S0 S0 1 S`0 g   + g     g i  C  S 0  Si   C  Si  S 0   2 2 Основные достоинства гравиметра • • • • • Имеют высокую чувствительность к изменению Высокая производительность труда Простота обработки наблюдений Портативность Транспортабельность Недостатки • Упругие свойства материала не постоянны, это вызывает непрерывное изменение отчета, которое называют смещением нуль-пункта • Необходимость определение цены деления • Гравиметр имеет ограниченные диапазон МЕТОДИКА ГРАВИМЕТРИЧЕСКОЙ СЪЕМКИ Виды гравиметрической съемки. • Мировая гравиметрическая съемка – необходима для определения гравитационного поля и поверхности Земли (совокупность всех гравиметрических наблюдений, выполняемых на Земле). • Региональная гравиметрическая съемка – предназначена для геологических исследований на территории протяженностью 1000км (выполняют тектонические районирование, выявляют участки для детальных геофизических и геологических исследований), составляют гравиметрические карты масштабов 1:1 000 000, 1:500 000, с сечение изоанамала (линия равных аномалий) 2-5 мГал и 10 мГал. • Поисковая съемка – для обнаружения геологических объектов. М 1:200 000, 1:100 000, с сечением 1-2 мГал • Детальная съемка – для составления карт. М 1:50 000 – 1:5 000, с сечением 0,5 – 0,05 мГал По характеру распределения пунктов на местности съемки: • Площадные –с относительно равномерным распределением гравиметрических пунктов или профилей на местности (расстояние между профилями не должно превышать расстояние между пунктами вдоль профиля более чем в 5 раз. Если расстояние между профилями больше, съемка – Профильная. • Профильные – для изучения протяженных геологических объектов, при проложении профилей повышенной точности для повышения качества интерпретации гравиметрических данных и при наблюдении в труднодоступных местах. • Съемка сгущения –вокруг астропунктов или пунктов триангуляции, выполняемая для вычисления уклонения отвеса и астрономо – гравиметрического нивелирования. Опорная гравиметрическая сеть создается методом полигонов. Наблюдения выполняют несколькими приборами одновременно. Для ослабления влияния систематических погрешностей, действующих в течение одного рейса на результаты измерений всех приборов, наблюдения вдоль стороны полигона ведут несколькими независимыми рейсами. Методика – метод многократно – групповых измерений. Рейс - совокупность последовательных наблюдений на нескольких пунктах ,объединенную общей характеристикой смещения нуль – пункта. Методы измерения силы тяжести по измеряемому параметру абсолютные и относительные Абсолютные измерения силы тяжести непосредственно из наблюдений находится ускорение силы тяжести g Относительные измерения силы тяжести - из наблюдений находится разность силы тяжести между исходным и определяемым пунктами g Топографо - геодезические обеспечение гравиметрической съемки Пространственные координаты гравиметрических пунктов нужны для вычисления аномалий силы тяжести, составления каталогов пунктов и нанесения пунктов на карты. Для вычисления аномалий силы тяжести нужно найти нормальное значение ускорения силы тяжести и вычислить редукции в измеренное ускорение (g) . Аномалии Буге вычисляют по формуле g  Б  g   2fH  g P  g 0  0,3086 H  Погрешность аномалии, вызванную погрешностями координат вычисляют по формуле m2g  0.0008 m2x  0.02 m2H 2 2 Точность привязки гравиметрических пунктов в зависимости от точности аномалий силы тяжести и масштаба карты установлена Инструкцией по гравиметрической разведке. Метод определения координат гравиметрических пунктов зависит от точности их определения. Плановые координаты для составления мелкомасштабных карт определяют по топографическим картам и фотопланам более крупного масштаба. При детальных гравиметрических съемках М 1:50 000 и крупнее координаты гравиметрических пунктах определяют теодолитными и мензульными ходами или радиогеодезическими способами. Методика определения высот выбирается в зависимости от точности их определения. При съемках мелких масштабов высоты определяют из наблюдений с гравиметром – высотомером или используют топографические карты. При детальных съемках точности 0,1 мГал и выше высоты определяют из геометрического нивелирования, при съемках точности 0,2-0,5 мГал – из геодезического, барометрического или гидростатического нивелирования, применяют стереофотограмметрические методы определения высоты. Применение гравиметрии при решении задач инженерной геодезии. Строительство современных высотных зданий, гидротехнических сооружений, радиотелескопов, линейных и кольцевых ускорителей заряженных частиц и др. сооружения требуют высокой точности геодезических работ. Особенно высокая точность требуется при наблюдении за деформации таких сооружений. Предположение об однородности гравитационного поля может привести к ошибкам в определяемых координатах точек. Поэтому необходимо оценивать влияние неоднородности гравитационного поля на результаты наблюдений и при необходимости учитывать это влияние. Геодезические инструменты ориентируют по направлению отвесной линии, то каждый инструмент ориентируется в своей системе координат. Влияние уклонения отвеса на результаты тригонометрического нивелирования Методом тригонометрического нивелирования определяют превышения над уровенной поверхностью, а не над горизонтальной плоскостью. h h изм  MN sin z - превышение над горизонтальной поверхностью Влияние уклонения отвеса на результаты геометрического нивелирования dH dhdS dS - Расстояние между точками m и n Для вычисления превышения между удаленными точками H M  H 0   dhизм   dS Наблюдение деформации гидротехнических сооружений. Для наблюдений за деформациями высоких плотин используют наблюдения обратных отвесов. Фиксация положения штифта обратного отвеса производится с точностью 0,005 мм. На положение отвеса, помимо деформации плотины, влияет изменение притяжения массы води, вызванное изменением ее уровня. Смещение штифта отвеса рассчитывается: s  l  - отклонение отвеса из-за изменения притяжения воды l - длина штифта Учет уклонения отвеса при наблюдениях гиротеодолитом При наблюдениях с гиротеодолитами на всех точках наблюдения нужно знать уклонение отвеса для перехода от астрономического азимута a к геодезическим азимутам А. A tgBuctgz tgB - поправка в направления на полюс  - составляющая u - составляющая уклонения отвеса в плоскости первого вертикала уклонения отвеса в плоскости, перпендикулярной к измененному направлению Влияние этих поправок может заметно исказить результаты измерений и оценку точности. Последовательность учета влияния неоднородности гравитационного поля • Расчет предельных колебаний уклонений отвеса, при которых еще можно не учитывать их влияния на результаты измерений • Оценка возможных колебаний уклонений отвеса в районе работ, сравнение их с допустимыми и заключение о необходимости их учета • Определение действительных уклонений отвеса: выбор метода определения, проектирование гравиметрической съемки, полевые работы • Вычисление поправок за уклонения отвеса в результаты геодезических измерений Для определения колебания уклонений отвеса можно использовать гравиметрические карты, результаты измерения вторых производных потенциала, данные о геологическом строении местности или топографические карты.