авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 9 | 10 || 12 | 13 |   ...   | 14 |

«Вольфганг Торге rравиметрия Перевод с английского канд. техн. наук Г. А. Шанурова под редакцией канд. техн. наук А. П. Юзефовича Москва «Мир» ...»

-- [ Страница 11 ] --

В ФРГ гравиметрическая информация по опорным сетям и сетям сгущения хранится в Германском геодезическом научно-исследовательском институте, от­ дел (Мюнхен), и государственных геодезических агентствах. Результаты регио­ нальных гравиметрических съемок находятся в Геологической службе земли Нижняя Саксония (Государственная геологическая служба). В США база грави­ метрических данных была создана в Национальном центре геофизической инфор­ мации (Боулдер, Колорадо), входящем в Национальное управление по исследованию океана и атмосферы. Эта база данных объединяет гравиметриче­ 9.3.6).

скую информацию различных организаций (разд. Она играет роль центра по обеспечению гравиметрической информацией сухопутных измерений на терри­ тории США и морских работ на всей акватории Мирового океана Геофизи­ [768].

ческий отдел Геологической съемки Канады создал национальную базу [443].

гравиметрических данных с коммерческой системой управления Результаты сухопутных и морских съемок, а также наблюдений в опорных сетях поступают в гравиметрический архив, в них вводят поправки, выполняют уравнивание, а затем результаты преобразуют в готовую для коммерческого пользования форму (аномалии силы тяжести, опорные пункты, измерения в сетях, гравиметрические данные). Создается цифровая модель местности, высокоточные измерения для исследования региональной геодинамики земной коры обрабатывают отдельно.

(1987 575 тыс. значений В настоящее время г.) эта национальная база содержит (128 404 43 тыс. измере­ силы тяжести тыс. на суше, тыс. надводных измерений, ний на морском дне или на льду).

338 Глава Гравиметрические резуnьтаты 9.4.3.

Первичные гравиметрические результаты содержат:

провереиные и уравненные точечные значения силы тяжести с необходимой 9.4.2;

дополнительной информацией, разд.

3.2.1, 4.3.3.

-точечные аномалии силы тяжести, разд.

Во многих случаях пользователю нужна следующая продукция, которую полу­ чают из перечисленной выше:

3.2.3;

-средние аномалии силы тяжести, разд.

-карты изоаномал, разд. 3.2.1, 4.3.3.

Большие базы гравиметрических данных могут самостоятельно выполнять по крайней мере часть необходимой обработки, а именно:

- интерполяцию точечных аномалий силы тяжести и формирование регулярной 2. 7.2;

сети, разд.

- интерполяцию изоаномал между узлами сетки;

- автоматическое вычерчивание изоаномал с использованием соответствующего 9.24).

математического обеспечения (рис.

Масштаб и проекцию карты изоаномал можно выбирать произвольно. Реко­ мендуется постоянное сечение, которое определяется масштабом карты, структу­ рой гравитационного поля, а также точностью аномалий. Примеры вычислений 3.2.1, средних аномалий силы тяжести и составления карт приведены в разд.

Для предоставления пользователю обзорной информации по­ 3.2.3, 4.3.4, 9.3.6.

9.25).

лезны схемы гравиметрической изученности (рис.

Рис. 9.24. Аномалии Буге на пунктах (мкм·с- 2 ) и изоаномалЬI, сечение 20 мкм·с- (база гравиметриче· ских данных Института геодезии, Ганновер).

Рис. Гравиметрическая изученность юго-восточной части Бразилии (база гравиметрических дан· 9.25.

ных Института геодезии, Ганновер).

Определение изменений силы тяжести 10.

во времени Временные изменения силы тяжести выявляют из повторных измерений. Для этого необходима высокая точность щtблюдений, а частота повторений должна быть согласована со скоростью (периодом) изменения силы тяжести (разд. 3.4).

Для мониторинга долгопериодических изменений в исследуемом районе создают прецизионные гравиметрические сети;

измерения в таких сетях выполняют абсо­ лютными и относительными гравиметрами, для мониторинга сравнительно ко­ роткопериодических изменений используют гравиметр с системой непрерывной регистрации (регистрирующие гравиметры) (разд. Локальные возмущения 10.1).

ВЬ/ЗЫВаЮТСЯ вариаЦИЯМИ атмосферНОГО давлеНИЯ, урОВНЯ ПОДЗеМНЫХ ВОД И ВЛаЖ. ности почвы, а также техногеиными перемещениями масс;

при регистрации и описании подобных явлений отмечаются лищь отдельные успехи (разд. Не­ 10.2).

прерывное слежение за силой тяжести позволяет изучать гравиметрические зем­ ные приливы и другие глобальные периодические эффекты;

изучение этих изменений проводится сейчас весьма успещно (разд. Изменения силы тяже­ 10.3).

сти геодинамического происхождения обнаруживают в различных районах по на­ блюдениям в локальных и региональных гравиметрических сетях. Основная цель при этом состоит в мониторинге изменений высоты пунктов;

воссоздать точный характер этих изменений часто бывает трудно. В будущем станет возможным изучение долговременных глобальных эффектов, причем абсолютные определе­ ния будут сопровождаться мониторингом силы тяжести (разд. Глубокие 10.4).

исследования в области измерений гравиметрических приливов и их анализа про­ водил Мельхиор современное состояние изучения неприливных вариаций [451];

силы тяжести описано Буланже Биро рассматривает связь между вре­ [82]. [49] менными изменениями силы тяжести и высоты, а Торге исследует эффек­ [697] тивность методов гравиметрии для слежения за современными вертикальными движениями.

Приборы и методы измерений 10.1.

Прецизионные гравиметрические сети 10.1.1.

Долговременные изменения силы тяжести глобального, регионального и локаль­ ного характеров можно выявлять повторными измерениями с абсолютными и/ или относительными гравиметрами в прецизионных гравиметрических сетях.

Из-за сильной взаимной зависимости изменений силы тяжести и высоты грави­ метрические пункты должны быть привязаны к реперам высотной геодезической Глава 340 4.4.2).

(нивелирной) сети (разд. При проектировании таких гравиметрических се­ 9.2):

тей и измерениях в них нужно принимать во внимание следующее (разд.

- тщательное закрепление и контроль положения опорных пунктов;

-выбор пунктов, обеспечивающий их репрезентативное распределение в регионе ожидаемых изменений силы тяжести н прилегающих стабильных зонах;

использование априорной информации для выбора частоты повторных изме­ рений, достаточной для надежной аппроксимации ожидаемых вариаций (ин­ тервал между повторными измерениями должен быть меньше полупериода вариации силы тяжести);

исключение или учет локальных возмущающих эффектов геологического и гидрологического характера;

- ошибка уравненных значений силы тяжести или прирашений не должна превы­ шать ± 10- 100 нм·с- 2 • Рекомендуется сочетать абсолютные и относительные гравиметры. Абсолют­ ные измерения обнаруживают долговременные вариации и обозначают стабиль­ ные области земной коры. Кроме того, они позволяют непрерывно контролировать калибровку относительных гравиметров. Сети, созданные ис­ ключительно относительными измерениями, необходимо уравнивать как свобод­ ные или как неевободные сети, связанные с пунктами, на которых сила тяжести заведомо неизменна. Желательно сопровождать повторные измерения силы тя­ жести регистрацией вертикальных коровых движений геометрическим нивелиро­ [383] 4.4.2).

ванием или методами космической геодезии (разд.

Для оценки результатов повторных измерений в гравиметрических сетях суще­ ствуют различные способы;

выделим следующие этапы работ:

-уравнивание сети для каждого периода наблюдений;

- сравнение результатов для разных эпох и статистический анализ изменений [510];

-моделирование временных изменений на пунктах сети;

- интерполяцию изменений в пространстве.

Моделирование в пространстве и во времени выполняют подобно тому, как 2. 7.2 с использованием функционального и/или стохастиче­ это сделано в разд.

ского подходов [155, 283]. Если имеются наблюдения за изменениями высот, то их совместная обработка с гравйметрическими данными [279, рекомендуется Для определения пространствеиных границ применимости различных моде­ 352].

лей и иногда выявления нарушений можно использовать геологическую информа­ цию [306].

В общем случае изменение силы тяжести с течением времени представляют функцией тренда, на которую накладываются стохастический сигнал и случайная ошибка измерений. Функциональную модель можно представить многочленом малой степени, зависящим от времени (медленные изменения), И рядом Фурье (периодические изменения):

q g(to) + ( дg) (д 2g) ~ (а. cos UJvl + ь. sin UJvl), (t- lo) + - +... + - g(t) = (t - lo) дt о дt о v= (10.1) Определение изменений силы тяжести во времени "'= (27Г/1) здесь круговая частота, Т- период;

А=..Ja2 + Ь 2 - амплитуда;

(arctg Р Ь/а)- начальная фаза волны До сих пор уверенно определяется v.

= лишь линейный член полинома, поскольку эпохи наблюдений пока немного­ численны.

Функциональное моделирование часто не приводит к оптимальному результа­ [701], ту поскольку остаточную корреляцию между временными изменениями си­ лы тяжести не удается описать простыми функциями. При большом числе измерений с удачным пространствеино-временным распределением можно опре­ делить остаточные вариации методом среднеквадратического предсказания. Это соответствует статистической модели представления поля [352].

При предсказании основная трудность состоит в определении эмпирических ковариа­ og. (2.83) ций для остаточных изменений По аналогии с их вычисляют пространствеино­ временным осреднением и аппроксимируют экспоненциальной моделью (в предположении стационарности, однородности и изотропности), например, в виде (10.2) s- D.t где расстояние между пунктами;

время между эпохами наблюдений;

К- пара­ метр, зависящий от расстояния и времени и обеспечивающий пространствеино-временную изотропность. Теперь по аналогии с можно вычислить изменения силы тяжести для (2.89) любой точки поверхности и на любую эпоху. Если же известны и изменения высоты, то можно вычислить взаимную ковариацию между изменениями высоты и силы тяжести и выполнить предсказание методом среднеквадратической коллокации в соответствии с 4.2.3.

разд.

Рисунок иллюстрирует автоковариационную функцию аномалий силы тяжести 10. для гравиметрического профиля в Северной Исландии. Эта функция была определена для интервала времени в общей сложности лет по измерения~ на пунктах с промежут­ 16 1 5 лет и при расстояниях между пунктами от О, 1 до 1 км, из результатов ками год и вычиталось среднее значение После уравнивания получено К = 0,5;

эта величина [349].

определена как отношение расстояний корреляции 1,75 км (по оси профиля) и 3,5-года (по оси времени). Для данного профиля ковариационная функция представляется формулой (Og, og) = 0,65 ехр (- 0,40 (s;

м 0,5!J.t;

eт) 112 ) МКМ ·С- 2 • + COV Рис. Простравствсвно-времеtшая автоковариашюtшая фуtiКШIЯ IПMCIJCIIIIii с11лы тяжсспt о.~ (llo 10.1.

ре1ультатам 11овторных tпмереtтй 11а гравимстrнtчсском 11рофttлс н Сенсрtюй ИcmtiJJIIIII) [349].

Глава 342 Гравиметравые системы с непрерывной регистрацией:

10.1.2.

основные принципы Гравиметр, работающий в режиме непрерывной регистрации, должен иметь сле­ дующее:

-достаточно высокое разрешение (желательно не хуже 10 нм·с- 2 );

высокую кратковременную стабильность, а если возможно, то и долговремен ную (малый дрейф);

надежную защиту от изменений температуры и атмосферного давления;

-электрический выходной сигнал.

Регистрирующая гравиметрическая система содержит такие главные части [759]:

- гравиметр;

- низкочастотный фильтр;

- блок регистрации;

- блок времени (часы).

Большинство известных систем основано на пружинных гравиметрах с ем­ костным индикатором положения рычага (разд. Более высокое разреше­ 10.1.4).

ние и временная стабильность свойственны сверхпроводящим гравиметрам 10.1.5).

(разд.

Для записи измерительной информации в память все больше применяют ци­ фровую регистрацию. Для этого необходимы аналого-цифровой преобразователь (12- 16 бит, 1 - 10 нм·с- 2 /мВ) и мощный микрокомпьютер. Цифровая обра­ ботка обеспечивает большую плотность записи информации (например, с интер­ валами или с), позволяет выполнять предварительную обработку 1 (исключение выбросов и скачков, интерполяцию при пропуске отдельных измере­ ний), цифровую фильтрацию для ослабления влияния возмущений (микросейсм) и выделения полезного сигнала (например, осреднение за или с), моделиро­ 10 вание (вычисления дрейфа и регрессий), а также обеспечивает вывод информации в удобной форме (например, средние за мин или 1 час при регистрации прили­ вов) на магнитные диски или ленту. Компьютер можно также использовать для анализа данных (например, вычисления величин приливных изменений). Часто ко входу блока регистрации подключают электронный фильтр (временное запазды­ вание с). Для временной привязки гравиметрических данных обычно до­ 10- статочны небольшие кварцевые часы, ход которых контролируют по радиосигналам времени. На рис. приведена принципиальная схема гравимет­ 10. равой системы с цифровой регистрацией.

До недавнего времени широко использовались аналоговые регистрирующие устройства (разрешение около 2 мм/ 1О нм ·с- 2, скорость движения бумажной ленты см/ч, часовые метки времени) (рис. После сглаживания получен­ 2 10.3).

ной кривой наблюдателем (эффект фильтрации) результаты с шагом 1ч перево­ дятся в цифровую форму с помощью дигитайзера. Такой метод требует много ручной работы, кроме того, при сильных деформациях бумаги из-за изменения влажности необходимы частые проверки и учет поправок. Однако аналоговая запись позволяет эффективно контролировать результаты во время наблюдений, и потому во многих цифровых регистраторах имеется и аналоговый вывод.

Определение изменений силы тяжести во времени Рис. Схема гравиметрической цифровой регистрируюшей системы.

10.2.

Основное возмущающее воздействие при регистрации силы тяжести оказыва­ ют микросейсмы, а также вариации давления и температуры воздуха. Конструк­ тивные требования, предъявляемые к гравиметрам (демпфирование, герметичный корпус, термостат), были перечислены ранее (разд. Помимо этих требова­ 6.3.5).

ний и внешней фильтрации (аналоговой и/или цифровой) рекомендуется следую­ [706]:

щее -выбирать пункт с минимальными микросейсмами, твердым покрытием для установки прибора и малыми колебаниями температуры. Хорошим местом для наблюдений служат фундаменты массивных зданий. При дополнительной тепло­ О, 1°, изоляции суточные изменения температуры а при термостатировании 0,01 °.

прибора Целесообразно размещать гравиметр и блок регистрации в раз­ ных помещениях;

- уменьшать колебания температуры в гравиметре, особенно в приборах, чув­ ствительных к таким колебаниям, с помощью электронной системы стабилиза 74 12 02 74 12 Cf....

о Земноприливная станция Ганнавер N" 709 N _ SP!~~~IP-~~~~g!=-~~м-~~~-~~~9~--------- 10.3.

Рис. Заnись nриnивного изменения силы tяжести, nолученная с гравнметром Ла КостJ­ G Ромберга (Институт геодезин, Ганновер).

Глава либо управляемой температуры, термистором, дополнительных ЦИИ термостатов;

-регистрировать температуру (±0,01 °С) и давление воздуха ГПа) для (±0, последующей цифровой обработки с целью определения регрессионных зависимо­ стей;

следует всегда приводить результаты к стандартному атмосферному давле­ 10.2.1).

нию (разд.

И, наконец, особенно важно обеспечить постоянное и непрерывное электро­ питание всех блоков гравиметра. При нарушениях основного питания темпера­ турный режим некоторое время может поддерживаться, если источник питания подключен к прибору через аккумуляторы со стабилизацией напряжения. Авто­ номный источник перемениого тока также обеспечит работу гравиметра с непре­ рывной регистрацией.

Калибровка гравиметров с неnрерывной 10.1.3.

регистрацией x{t) Преобразование входного сигнала измерительной системой (гравиметр, ана­ [759] логовый фильтр, блок регистрации) описывается выражением I og(t) = Е. y(t) = Е. h( т)х(t - т)dт, (10.3) т= О где изменение силы тяжести, регистрируемый выходной сигнал, bg(t)- y{t) Е масштабный коэффициент, h( т) - весовая функция, т временной сдвиг.

Выражения для амплитудной частотной характеристики (А амплитуда) (10.4) D(UJ) = Ay"'IAx"' и для фазовой частотной характеристики (10.5) дФ(UJ) = Фх"' Фу"' следуют из комплексной частотной характеристики (передаточной функции системы) H(UJ), которая представляет собой преобразование Фурье функции h(т) 7.2.2):

(разд.

+ (10.6) H(UJ) = p(UJ) iq(UJ), причем + (10.7) D(UJ) =.Ji)i(UJ) q2(UJ) и q(UJ) (10.8) дФ(UJ) = arctg-.

p(UJ) Калибровка системы гравиметра с непрерывной регистрацией предусматрива­ ет следуюшее:

- определение масштабного коэффициента Е (им· с- 2 /ед. кода, нм ·с- 2 /мм) для преобразования показаний прибора в единицы силы тяжести;

- определение передаточной функции (зависимость демпфирования амплиту D Определение изменений силы тяжести во времени ды и приборного сдвига фазы..:1Ф от частоты) системы чувствительный элемент гравиметра- блок регистрации.

Точности ±О, 1OJo для масштабного коэффициента, демпфирования амплитуды и для фазового сдвига установлены требованиями земноприливных на­ ±0,05° блюдений;

для сверхпроводящих гравиметров эти требования на порядок выше.

Поскольку измеряемые величины имеют ограниченный диапазон (например, 10 мкм ·с- 2), метод калибровки и используемый эталон должны обеспечивать ошибку не более ± 10 нм·с- 2 • Величину масштабного коэффициента определяют при отклонении чувстви­ тельного элемента под воздействием известной силы и измерении выходного сиг­ нала;

величина действующей силы известна либо в абсолютной мере (в единицах ускорения), либо в относительной (в делениях шкалы, единицах напряжения или тока).

К относительным принадлежат следующие методы калибровки:

-метод поворота измерительного (микрометренного) винта (например, на 1 дел. шкалы) и определения приращения выходного сигнала. Метод применим для любых гравиметров.

-электромагнитный метод калибровки. В этом методе смещения рычага гра­ виметра компенсируют с помощью магнитной индукции, возникающей при взаи­ модействии постоянного магнита на рычаге гравиметра и укрепленной на корпусе прибора индукционной катушки (система обратной связи). Метод успеш­ [96] Gs15 Gs25;

но использован в гравиметрах Ла Коста- Ромберга и Аскания и - электростатический метод калибровки с электронной системой обратной связи, имеющий преимущества для применении в астазированных гравиметрах - 6.4.4)).

(Геодайнемикс, Ла Коста Ромберга (разд.

Этими методами можно быстро выполнить относительную калибровку с ошибкой Они позволяют обнаруживать и определять временные ±0,1 - 0,2%.

изменения масштабного коэффициента.

Для абсолютной калибровки измерительного винта или выходного электриче­ 6.4.

ского сигнала можно использовать методы, описанные в разд.

6.4.5).

Широко используется калибровка на гравиметрическом базисе (разд.

±0,2- 0,5%, что При этом точность масштабного коэффициента снижается до вызвано внешними влияниями при транспортировке гравиметра, а также корот­ копериодическими ошибками калибровочной функции. Для неастазированных ( ±0,2%) гравиметров особенно эффективна калибровка методом наклона 6.4.2) [241].

(разд.

Земноприливные гравиметры можно аттестовать по наблюдениям на фунда­ [156].

ментальной земноприливной станции в Брюсселе Аттестация выполняется на основе следующих величин, известных для этого пункта:

-амплитудного фактора и фазового сдвига для суточной лунной приливной во­ 01:

лны = 1,161, = - 0,20°;

о(О1)..:1Ф(О1) - фазового сдвига для полусуточной лунной приливной волны М2:

+ 2,80°.

..:1Ф(М2) = Таким образом, этот метод позволяет определить и инструментальную фазо­ вую задержку. Он предусматривает регистрацию в течение нескольких месяцев;

Глава 34() его результаты зависят от точности известных параметров, которые определены по многолетним наблюдениям с гравиметрами Аскания;

при этом нельзя исклю­ чить расхождений до 0,50Jo с данными других абсолютных методов калибровки [146, 167].

В некоторых особых случаях пользуются другими методами калибровки.

Масштабный коэффициент можно определить на вертикальном лабораторном кали­ бровочном базисе (например, высотой 1 м) при условии, что приращение силы тяжести на базисе было измерено калиброванными гравиметрами или вычислено с учетом распре­ (±0,3- 0,50Jo) [65].

деления масс здания Представляют интерес новые абсолютные методы калибровки При калибровке [31].

методом дополнительных масс внешние массивные тела располагают различным образом относительно гравиметра и регистрируют соответствующие смещения пробной массы гра­ [245].

виметра Предложены следующие варианты пополнительных массивных тел: шар (недостаток: деформируется основание и наклоняется столб, на котором установлен при­ бор) и тор, перемешаемый по вертикали (преимущество: столь массивное тело можно раз­ мещать совсем близко к чувствительному элементу). При калибровке по ускорению гравиметр совершает колебания по вертикали по синусоидальному закону с заданной ам­ плитудой и частотой. При экспериментальных исследованиях (амплитуда 2 см, период 200- 1000 ±0,20Jo [578].

с) гравиметр Ла Коста- Ромберга был калиброван с ошибкой Полагают, что точность обоих методов составляет О, 1% и выше, поэтому после тщатель­ ного исследования их планируют применить к сверхпроводящим гравиметрам 10.1.5).

(разл.

Масштабный коэффициент регистрирующей системы можно также определить по до­ статочно длительным одновременным измерениям гравиметром с непрерывной регистра­ цией и абсолютным гравиметром, сравнивая выходные сигналы, вызванные приливами.

При современной точности абсолютных измерений такой метод позволит выполнить ка­ либровку лишь с ошибкой около 1%.

У всех гравиметров с непрерывной регистрацией во вреl9iя работы необходимо контролировать повторной калибровкой зависимость масштабного коэффициен­ та от времени. Масштабный коэффициент линейных (неастазированных) систем (гравиметры Аскания) остается неизменным в течение длительного времени, поэ­ [146].

тому достаточна ежемесячная относительная калибровка Чувствитель­ ность астазированных гравиметров (Ла Коста Ромберга и других) является 6.2.2).

функцией угла наклона (разд. Относительное изменение чувствительности и соответственно масштабного коэффициента при изменении наклона, согласно + (6.28), 90°) для гравиметров Ла Коста- Ромберга (а о= составит dE do. (10.9) о ctg. = Е Вполне возможно, что за несколько недель угол наклона изменится на несколько угловых секунд;

при чувствительности современных гравим·етров это приведет к изменению масштабного коэффициента на несколько процентов. Поэтому необ­ ходимы частая относительная калибровка (один или два раза в неделю) и учет изменений масштабного коэффициента со временем (интерполяция). График на 10. рис. иллюстрирует изменения масштабного коэффициента гравиметра Ла Коста Ромберга, установленного на временной земноприливной станции. Если 6.3.3), применяется система обратной связи (разд. с которой непрерывно осу Определение изменений силы тяжести во времени -~~~·· • 14:...............• ~ -~·~·..,d:

• ~ -~---- 12 L 1 1, 1 1 1 зо.

30. 10. 20. 10. 20. 30. 10. 20. 30. 10. 20. 30.

Август Сентябрь Июль Октябрь Рис. Наблюденные и интерnолированные значения масштабного коэффиuиента для гравиметра 10.4.

Ла Коста Ромберга на земноnриливной станuии Маракайбо (Венесуэла) - G298 [22].

ществляется нулевой метод измерений, то величина масштабного коэффициента не будет зависеть от наклона и поверку можно выполнять реже (примерно раз [577].

в месяц) Передаточная функция гравиметравой системы с непрерывной регистрацией определяется передаточными функциями ее составных частей. Передаточную функцию гравиметра можно получить по его реалагической модели, которую представляют совокупностью тел Кельвина (сочетание упругого тела Гука и вяз­ кого тела Ньютона). Высокочастотные перемещения демпфируются, а на долго­ периодические движения система реагирует как упругая. Для линейных (неастазированных) гравиметров можно составить приближенные реологические [714].

модели Для астазированных систем возникают существенные трудности.

Однако их передаточную функцию можно определить эмпирически по записи от­ клика системы на входной сигнал, возникающий при коротких последовательных подстройках измерительного винта (функция отклика на ступенчатое изменение (10.3) входного сигнала). На основании весовую функцию h(т) можно получить для данной импульсной функции х численным дифференцированием функции у 10.5) [759].

отклика на импульс (рис. Последующее преобразование Фурье позво­ лит получить передаточную функцию, амплитудную и фазовую частотные харак­ (10.6) - (10.8).

теристики, см.

В короткопериодической части спектра припивных вариаций (в пределах одних суток) коэффициент демпфирования линейных гравиметров равен а фазовый сдвиг около 1,000, (т) h 10- 10- Рис. 10.5.

Весовая функuия h(т), nолученная дифференuированием отклика на стуnенчатый входной сигнал для гравимет­ ров Лекании N2\ЗО и Ла Коста Ромберга Gs\2 BN с системой регистраuии 1. G298 [759].

348 Глава 0,1 о (для приливной волны М2). Коэффициент демпфирования астазированных гравимет­ 1о [706].

ров около (М2) и фазовый сдвиг и более При использовании систем обрат­ 0, ной связи демпфирование почти исчезает, а фазовый сдвиг уменьшается примерно до О, 1°.

Пружинные гравиметры с непрерывной регистрацией 10.1.4.

С середины 1950-х для регистрации припивных изменений силы тяжести стали rr.

применять линейные (Аскания) и астазированные (Геодайнемикс, Ла Коста Ромберга) пружинные гравиметры. В насп~ящее время большинство астазиро­ ванных гравиметров оснащено системой обратной связи в силу ее принципиаль­ 6.3.3) [167].

ных преимуществ (разд. Осуществляется переход от аналоговой регистрации к цифровой.

Первоначально в линейных гравиметрах Аскания использовали фотоэлектри­ 6.5.2). Примерно в середине 1970-х rr. Бонац [67] приме­ ческое устройство (разд.

Gs9, Gsll и Gs12 емкостные датчики (Аскания BN).

нил в гравиметрах Аскания Gs15 Gs25 (приливные гравиметры, фирма Bodenseewerk, Ибер­ В гравиметрах и линген) также установлен электроемкостный индикатор положения рычага. Бла­ годаря этому удалось повысить точность регистрации примерно на половину порядка. Калибровка выполняется методом поворота измерительного винта, ме­ (Gs25).

тодом наклона и электромагнитным методом В более современных систе­ [146, 593].

мах возможна как аналоговая, так и цифровая регистрация Таким линейным системам свойственны очень высокая стабильность масштаба и малые инструментальные фазовые задержки. Вместе с тем должны соблюдаться жест­ кие требования к постоянству температуры (суточные колебания менее 0,01 °С).

В 1980-х Институтом сейсмологии в Ухане (Китай) был создан земноприлив­ rr.

ный гравиметр;

в нем применена система с вертикальной пружиной и электро­ емкостным устройством и возможна как цифровая, так и аналоговая регистрация, стабильность внутренней температуры составляет ± 10- 4 ос.

В результате усовершенствований астазированных гравиметров типа Северная 6.5.4) Америка с металлической пружиной (разд. были созданы припивные грави­ TRG- метры типа Геодайнемикс (емкостное устройство, электростатическая сис­ тема калибровки), которые используются в исследованиях на обширных [388].

территориях Для непрерывной регистрации гравиметрической информации Kocma нашли широкое применение астазированные гравиметры Ла Ромберга.

G D Полевые гравиметры моделей и с электроемкостным устройством и предва­ рительной низкочастотной фильтрацией можно легко приспоеобить для аналого­ вой регистрации;

они уже устанавливались на многочисленных временных станциях (продолжительность наблюдений от нескольких недель до нескольких месяцев) [705]. При дрейфе несколько десятков нм·с- 2 в сутки (рис. 10.6) можно достичь уровня шума (среднеквадратическое изменение показаний) · в несколько десятков им· с- 2 • Земноприливный гравиметр модели ЕТ принадлежит к прибо­ рам с ограниченным измерительным диапазоном (100 мкм·с- 2 ), механической петлей обратной связи и высокой временной стабильностью (двойной термостат, дрейф менее 3 мкм·с- 2 /мес) [124] (рис. 10.7). В этом приборе сигнал электроем­ костиого датчика положения рычага управляет работой электродвигателя, с по­ мощью которого через измерительный винт рычаг гравиметра постоянно Определение изменений силы тяжести во времени о 30. 10. 20. 30. 20. 30. 10. 20. 30.

Июль ОктАбрь Август - - - Рис. Дрейф гравиметраЛа Коста- Ромберга на земноприливной станции Маракайбо 10.6. G298 [22].

удерживается в нулевом положении. Прибор полностью автоматизирован, имеет аналоговую и цифровую (на магнитной ленте) регистрацию. Электронные систе­ мы обратной связи, разработанные в 1980-х гг., подключаются к обкладкам кон­ денсатора в емкостном индикаторе положения рычага;

их можно установить в - Ромберга G, D гравиметрах Ла Каста моделей и ЕТ, а также в гравиметрах 6.3.3).

Геодайнемикс (разд.

Регистрирующая система с почти линейной характеристикой была создана Гаррисо­ [273];

ном и Сато в приборах, в которых нулевое положение рычага находится примерно посередине между обкладками конденсатора, они применили два напряжения смещения.

Большое отклонение от такого положения можно компенсировать с помощью системы SRW, созданной в Геодезическом институте Ганновера. Систему можно разместить в кор­ пусе гравиметра. Она может стать мощной регистрирующей системой, если ее дополнить 9816 (для регистрации, калибровки, ци­ цифровым вольтметром, микрокомпьютером НР 1 с, расчета теоретического прилива, фровой фильтрации данных, поступающих с шагом оценки дрейфа, уравнивания припивных параметров) и блоком записи информации на дис­ [569]. 10. кете На рис. приведен общий вид такой системы. В Национальном географиче­ ском институте (Брюссель) разработан цифровой блок сбора и обработки данных, 9.2.2);

предназначенный для полевых измерений (разд. этот блок можно также использо Рис. (левый). Приливный гравиметр ЛаКоста- Ромберга ЕТ: гравиметрическ11й датчик (спра­ 10. La Coste and Romberg lnc., Осп1н, Техас).

ва), блок управления и регистратор (фирма Рис. (правый). Гравиметр Ла Коста Ромберга мод. G для цифровой регистрашш "Jемных nри­ 10.8 ливов с цифровым вольтметром и микрокомnьютером НР 9816 (Институт геоде1ии, Ганновер). · 350 Глава вать для автоматической регистрации информации (в теЧение сут) при наблюдениях lO 60 приливных вариаций силы тяжести (время интегрирования с). Фирма Ла Коста Ром­ берг предложила линейную электронную систему обратной связи (диапазон 30 мкм ·с- 2, 15 23 13 2, габариты х х см, вес кг), которая непрерывно осредняет первичные данные [728].

и выдает величины, сглаженные на 10-минутных интервалах В Ламонтской обсерватории Колумбийского университета (Нью-Йорк) разработан ге­ офизический океанский донный прибор для одновременной регистрации гравиметрических и океанских приливов, донных течений и температуры в открытом океане (продолжитель­ ность непрерывных наблюдений 6 мес). Проведены успешные наблюдения на глуби­ 5 нах до км Гравиметр (высота 15 см) содержит чувствительную систему с пробной 4 [71].

массой, подвешенной на вертикальной пружине (резонансная частота 2 Гц), и емкостным устройством индикации. При диапазоне измерений 10 мкм ·с- 2 и времени интегрирования 200 с разрешение прибора составляет 3 нм ·с- 2 • Системой управляет микропроцессор, она имеет температурную стабилизацию ( ± 0,02 °С), карданов подвес и сильное демпфирова­ ние;

система непрерывно ориентирована по отвесной линии.

Точность регистрирующих гравиметрических систем определяется следующи­ ми факторами:

-разрешающей способностью системы и ее стабильностью во времени;

- защищенностью от воздействия микросейсм, вариаций давления и температу ры воздуха;

- качеством калибровки;

- удачным выбором пункта наблюдений (уровень микросейсм, стабильность основания, изменения температуры, источник питания).

Для оценки точности можно использовать следующее:

- среднеквадратические уклонения результатов измерений (как правило, ежечас­ ных результатов земноприливных наблюдений);

- среднеквадратические уклонения полученных земноприливных параметров 10.3);

(разд.

- сравнение результатов (параметров земных приливов) по разным приборам на одном и том же пункте;

- сравнение результатов, полученных одной и той же измерительной системой на разных пунктах.

Результаты оценки точности зависят от учета изменяющихся во времени фак­ торов (земных приливов, изменения давления воздуха, дрейфа гравиметра), моде­ ли, принятой при уравнивании, а также от надежности выявления систематических ошибок (например, ошибок калибровки). Выполнены многочис­ ленные исследования на различных приливных станциях и с разными гравиметра­ [454]. 215 [120] ми По данным для станций в работе сделана попытка оценить результаты земноприливных наблюдений точностными характеристиками. В за­ ключение можно сделать следующие выводы:

- наивысшей точностью обладают астазированные гравимеТры с электронной системой обратной связи;

- цифровые регистрирующие системы позволяют получить более высокую точ­ ность, чем аналоговые;

это достигается за счет более высокой плотности записи информации и большей гибкости таких систем;

- условия работы на станции в основном определяются стабильностью пункта (устойчивостью к наклонам) и постоянством температуры;

Определение изменений силы тяжести во времени - при благоприятных условиях на станции точность регистрации земных прили­ вов за несколько месяцев можно характеризовать среднеквадратическими уклоне­ Gsll Gs ниями величин, полученных в течение часа;

для гравиметров Аскания и с фотоэлектрической регистрацией среднеквадратическое уклонение составляет примерно ±50 нм ·с- 2 ;

для гравиметров Аскания, Геодайнемикс и Л а К оста Ромберга с емкостными устройствами оно равно ± lO н м· с- 2, а при использова­ нии системы обратной связи ±5 нм·с- 2 ;

реальная точность системы в значительной мере определяется ошибками ее (±0,2 калибровки 0,50То).

Сверхпроводящий гравиметр 10.1.5.

В сверхпроводящих гравиметрах действие силы тяжести на пробную массу ком­ пенсируется противодействующей магнитной силой. При сверхпроводящем со­ стоянии пробной массы и катушки с током, которая создает магнитное поле, прибор приобретает высокую долговременную стабильность.

Металлы обладают свойством сверхпроводимости при температуре ниж'е °К. При критической температуре для данного металла его электрическое сопротивление резко па­ дает и становится столь малым, что его нельзя измерить. Магнитное поле сверхпроводя­ щих катущек электромагнита поддерживается без внещнего источника энергии и стабильно во времени. Температура сверхпроводимости достигается с помощью жидкого 4,2 8.3.3).

гелия (точка кипения К) (разп. Совсем недавно были найдены металлические сплавы, которые становятся сверхпроводящими уже при температурах К;

это силь­ [364].

но упрощает задачу (охлаждение жидким азотом) rr. [544, 560].

Сверхпроводящий гравиметр был создан в конце 1960-х Основ­ ными элементами гравиметра являются сверхпроводящая пробная масса в виде 25 мм, покрытая тонким шарика (полая алюминиевая сфера диаметром слоем 1,2 К, для свинца 7,2 К) и свинца, критическая температура для алюминия сверх­ 10.9).

проводящие катушки (рис. Магнитное поле катушек индуцирует поле проб­ ной массы, имеющее противоположную направленность;

соотв~ствующим подбором напряженности поля можно привести сферу в подвешенное состояние (состояние левитации). Изменения силы тяжести вызывают отклонения сферы от нулевого положения. Эти отклонения регистрируются емкостным индикатором 6.3.3).

перемещений и компенсируются с помощью контура обратной связи (разд.

Компенсирующий ток, текущий в управляющей катушке, служит измерительным сигналом, он создает дополнительное магнитное поле, которое непрерывно удер­ живает сферу в нулевом положении.

Пробная масса и вся чувствительная система помещены в медный кожух со сверхпроводящим магнитным экраном;

кожух вакуумирован, температура в нем поддерживается неизменной до нескольких микрокельвинов. Внутренняя часть прибора заключена в медный контейнер с дополнительным магнитным экраном.

Вся система помещена в сосуд Дьюара (термос с очень высокой теплозащитой), заполненный жидким гелием. Корпус гравиметра укреплен с помощью трубы из стекловолокна на несушей раме, опирающейся тремя подъемными винтами на пилоны гравиметра. Наклон гравиметра непрерывно контролируют два криоген­ ных электронных наклономера;

два подъемных микрометреиных винта служат 352 Глава Клеммы электронных Стойка Сосуд Дьюара Жидкий гелий Проб на я масса и обкладки емкостн.датчика Катушки 7J~~~;

;

~~~~~~~;

;

- Подставка сосуда Дьюара / Рис. (левый). Устройство сверхпроводяшего гравнмстра (фнрма GWR-lпstrшneпt~, Сан-Д!t­ GWR 10. его, Калифорния) [560].

Рис. (правый). Сверхпроводяший грав1tметр :гравиметрическим датч1tком в сосуде Дыоа­ GWR 10. ра, помешенный на стойке, а также компрессор и :истема регистрации данных (фотография фирмы GWR-lпstrumcnts, Сан-Диего, Калифоршtя).

для нивелирования системы (положение, при котором чувствительность к накло­ 6.3.4).

ну равна нулю) (разд.

Сверхпроводящий гравиметр создан фирмой GWR-Instгuments, Сан-Диего, Кали­ GWR форния (ныне выпускается модель ТТ70). Основными его элементами являются блок гра­ 0,5 0,65 виметрического датчика (диаметр м, высота м, вес кг) с блоком электроники, два криогенных наклономера с электронными схемами, 200-литровый сосуд Дьюара (диа­ 0,6 1,6 м, вес 140 кг) с индикатором уровня гелия и устройством для его метр м, высота 10.10). Дополнительная система компенсации учитывает малые измене­ пополнения (рис.

пилонов, точность наклономеров О, 1 м к рад. Из-за постепенного испарения ния наклона гелия его приходится пополнять примерно каждые два месяца;

дополнительное охлажде­ ние с помощью криогенного генератора может продлевать срок до года и более.

Для абсолютной калибровки системы предложен метод дополнительной мас­ сы (±О, 1OJo ). Кроме того, масштабный коэффициент можно контролировать, вы­ полняя одновременно наблюдения с калиброванным пружинным гравиметром либо испытаниями на фундаментальной земноприливной станции в Брюсселе.

Перспективным оказался метод калибровки по дополнительному ускорению (разд. Вре.менную стабильность масштабного коэффициента можно не­ 10.1.3.).

прерывно контролировать встроенной электростатической системой.

( С помощью стального шара, наполненного ртутью кг), помещаемого на расстоя­ 25 - 50 ±0,20Jo [750].

нии см от гравиметра, удалось выполнить калибровку с точностью В Институте прикладной геодезии (Франкфурт-на-Майке) при калибровке по дополнитель­ ускорению (высота подъема О, 1 мм, 1 мин, максимальное ускорение ному период 1,1 мкм ·с- 2 ) исследовали применекие пьезоэлектрических преобразователей [560].

При регистрации данных в качестве выходного сигнала можно использовать напряжение в контуре обратной связи, либо неотфильтрованное, либо после элек Определение изменений силы тяжести во времени N '~[ % ~ 105 сут 10.11. Дрейф GWR.

Рис. сверхпроводящего гравиметра Сверху ввИl: выходной сигна,, гравиметра;

СIIГ­ нал, исправленный за приливвые изменения силы тяжести;

вариации атмосферного давле­ ния;

сигнал после исключения влияния земных приливов и 1омевевий атмосферного давлення GWR-lnstruments, (фирма Сан-Диего, Калифорния).

тронного фильтра. Последующая цифровая фильтрация позволяет применять любые алгоритмы с известными характеристиками и без фазовых задержек 10.1.3).

(разд·.

В приборе Института прикладной геодезии (Франкфурт-на-Майне) фильтрация земно­ 30 с приливных наблюдений вызывает демпфирование колебаний с периодами (времен­ ная задержка с);

при модовой фильтрации усиливаются колебания с 10- резонансными частотами собственных колебаний Земли и одновременно демпфируются колебания всех других областей спектра. После фильтрации приливный сигнал записыва­ 1с ется в цифровой форме, интегрируется за и используется в качестве входного сигнала при вычислениях скользящего среднего с окном в измерений. Блок регистрации с про­ цессором обрабатывает сигнал гравиметра, записывает и учитывает изменения атмосфер­ ного давления, температуры, наклона, а также осуществляет привязку ко времени. После ввода средних за с в массив данных информация периодически записывается на дискеты и становится таким образом пригодной для окончательной обработки (например, величи­ ны для каждого часа) на главном компьютере.

Сверхпроводящие гравиметры уже несколько лет постоянно используются в ряде институтов (Калифорнийском университете, Институте прикладной геодезии во Франкфурте-на-Майне, Бельгийской королевской обсерватории в Брюсселе).

Их основным назначением является изучение долгопериодических припивных из­ менений силы тяжести, движения полюса и тектонических процессов, в частнос­ [160, 230, 559].

ти, как предвестников землетрясений Относительно точности и временной стабильности имеющийся опыт позволяет заключить следующее:

- после учета поправок за припивные вариации силы тяжести и движения полю­ са результаты измерений сильно коррелированы с атмосферным давлением 10.11) 10.2.1);

(рис. (разд.

после учета атмосферного давления начинает проявляться дрейф;

в начале ра­ боты гравиметра он экспоненциально уменьшается в течение нескольких месяцев;

Глава в дальнейшем дрейф становится пренебрежимо малым (как правило, не превыша­ ет 50 нм·с- 2 /год). Долгопериодический дрейФ можно аппроксимировать полино­ мом малой степени (квадратичным, кубическим);

- остаточный инструментальный шум при осреднении измерений в течение часа не превышает 1 - 2 нм ·с - 2 на коротких отрезках времени и не превосходит 10 нм·с- 2 за длительное время [559, 749].

Долгопериодический дрейф может быть вызван изменениями в элементах электрон­ ной схемы прибора и изменениями напряженности магнитного поля. Влияние первого из указанных эффектов можно уменьшить совершенствованием электронной схемы, а влия­ ние последнего измерениями со сверхпроводяшими квантовыми интерференционными [230, 560].

приборами (сквидами);

проводятся экспериментальные работы в этой области Помимо этого на результаты измерений оказывают влияние не поддающиеся учету долго­ периодические вариации атмосферного давления и изменения уровня грунтовых вод. При пополнении жидкого гелия и корректировках наклона возникают скачки и короткоперио­ дический дрейф в показаниях прибора.

Гравитационные эффекты нетектонического 10.2.

происхождения Атмосферные эффекты 10.2.1.

Вариации атмосферного давления влияют на выходной сигнал гравиметра двоя­ ко: непосредственно, через притяжение атмосферных масс, и косвенно, через де­ формационный эффект Инструментальные эффекты, связанные с [749].

изменениями давления, можно свести к минимуму (разд. 5.1.6, 6.6.2).

Изменения атмосферного давления охватывают временной спектр гармоник с перио­ дом от нескольких часов до одного года. Быстрые (несколько часов) апериодические изме­ 1 ГПа;

нения и атмосферные приливы, вызванные солнечным излучением, как правило, лишь особо сильный полусуточный солнечный прилив имеет амплитуду, превышающую 0,1 ГПа. Изменения давления, связанные с (анти)цикnонами (максимальные изменения ± 60 ГПа), носят квазип ериодический характер (несколько дней) и охватывают обширные территории (от нескольких сотен до тысячи километров). И наконец, сушествуют глобаль­ ные изменения сезонного характера ГПа) (± 10 [547].

При известном распределении атмосферного давления гравиrrшционный эф­ фект можно вычислить по закону всемирного тяготения. В первом приближении влияние изменения давления можно представить притяжением слоя Буге (4.37а):

оgатм = - 27ГGНатмоеатм• (10.10а) где натм толщина, а оеатм изменение плотности слоя однородных масс ат­ - мосферы. Представив изменение давления в виде ор = gНатм 0 еатм• для прямого гравитационного эффекта получим 21ГQор=- 43орнм·с- 2 • ogатм (10.10б) = g ' где величина ор выражена в гектопаскалях.

Определение изменений силы тяжести во времени Деформационный эффект, вызванный нагрузкой атмосферных масс, проявля­ ется через смещение притягиваемой точки по вертикали и результирующий де­ формационный потенциал. Для сферической Земли величина этого эффекта определяется сверткой нагрузочной функции Грина для заданного распределения 3.4.3);

атмосферной нагрузки по поверхности Земли (разд. такой подход аналоги­ чен определению океанских нагрузочных приливов. Если нагрузка воздействует на небольшую площадь, то основную роль играет гравитационный эффект. При увеличении размеров эффективного слоя воздушных масс увеличивается деформа­ ционный эффект, знак которого противоположный. Модельные вычисления пока­ зывают, что осредненная по времени величина неприливных атмосферных влияний на величину g составляет - 3,Оор (нм ·с- 2 ), где ор в ГПа [652].

Таким образом, изменения атмосферного давления влекут временные измене­ ния силы тяжести;

амплитуда быстрых изменений может достигать нескольких н м· с- 2, максимальные изменения за несколько дней могут составить 200 н м· с- 2, а сезонные до 30 н м· с- 2 • Быстрые изменения оказывают основное влияние - при изучении тектони­ при регистрации земных приливов, а более длительные ческих изменений силы тяжести с абсолютными ·гравиметрами и гравиметрами с непрерывной регистрацией силы тяжести.

Для вычисления гравиметрической редукции за атмосферное давление можно либо использовать регрессионную зависимость, либо вычислять нагрузку по мо­ дели изменения давления. Стандартная регрессионная зависимость (редукция) ogp = 3ор нм·с- 2, (10.11) где ор - местное изменение давления (ГПа), как правило, уменьшает остаточные ошибки до нм·с- 2 (разд. 9.2.3). Определение регрессии по абсолют­ 10- ным измерениям силы тяжести и земноприливным записям дало коэффициент регрессии в пределах 2- 4 нм·с- 2 /ГПа [707, 713] (рис. 10.12). Такое определение локальной регрессии может оказаться предпочтительным, поскольку одновремен­ но учитываются местные особенности и остаточные инструментальные эффекты.

Кроме того, модель может учитывать особенности временного хода атмосферно­ го давления [160]. При требуемой точности порядка нм·с- 2 необходимо иметь в виду, что наблюдаемые изменения Сhлы тяжести зависят от величины, протя­ женности, района аномалии давления и характера ее изменения с течением време­ ни;

таким образом, коэффициент регрессии становится функцией частоты и [560].

времени Следовательно, редукции необходимо вычислять по модели, кото Рис. 10.12. Регрессионная зависимость. связывающая атмосферное давление с ре"Jультатами абсолют· ных юмерений силы тяжести;

абсолютный гравиметр nункт Ганнавер Jl LAG-3, [712].

Глава 1000- рая учитывает мировые и региональные (область радиусом км) дан­ [133, 652].

ные об изменениях давления Для пунктов, расположенных не ближе нескольких сотен километров от побережья, хорошие результаты дает регресси­ [547]:

онная модель (редукция) = з,Зор- о,5ор- нм·с- 2, ogp o,9ofi, (10.12) злecъlyJ-мccт.нD~~~&~~.2t};

ii.-»t}jfi-~~ средние значения (ГПа) по площади радиусом км. Значения ojj получают по данным для суши и акваторий, а для вычисления ор пользуются лишь данными для суши. Учет гравиметрических редукций за атмосферное давление позволил существенно улучшить точностные характеристики при непрерывной регистрации силы тяжести (уменьшились среднеквадратические уклонения, улучшены земно­ [412, 760].

приливные параметры) Гидроnогические эффекты 10.2.2.

Временные изменения уровня грунтовых вод и влажности почвы, как и измене­ ния уровня воды (в водоемах), оказывают прямое воздействие на силу тяжести;

при большой нагрузке проявляются и косвенные деформационные эффекты.

Эти процессы протекают сравнительно быстро, от нескольких часов до нескольких дней, в зависимости от времени года они вызываются либо выпадением дождя, либо тая­ нием снега. В большинстве случаев эти процессы невозможно моделировать достаточно точно;

причина частых затруднений заключается в сложности гидрогеологической обста­ новки (тип почвы, структура, протяженность и пористость водоносного пласта) и недоста­ точной гидрогеологической информации.

Деформационным эффектом обычно можно пренебречь. Тогда гравиметриче­ ский эффект, вызванный изменениями уровня воды и влажности почвы, можно определить по закону всемирного тяготения. Первым приближением- одинако­ вые изменения в однородных горизонтальных слоях является модель в виде пластины Буге (4.37а). Эффект, вызванный изменением уровня грунтовых вод, выражается формулой оgв = 21ГGевРоН = 4,2РоН, нм·с- 2, (10.13) а при изменении влажности nочвы имеем нм·с- 2, оgвл 21ГGевНоР НоР = = 4,2 (10.14) где ев- плотность воды, Н- толщина (в метрах) данного слоя, Р- запо­ лненное водой поровое пространство При свободном объеме пористых по­ (O'fo).


1О% его насыщение при повышении уровня грунтовых вод на 1 м влечет род в изменение СИЛЫ тяжести на 42 н м. с- 2. Такой же результат получается при изме­ нении на влажности нарушенного почвенного слоя толщиной 1 м [66].

10% Для установления взаимосвязи между гидрологическими процессами и измене­ ниями силы тяжести была определена корреляция гидрологических данных (объ­ ем дождевых осадков, влажность nочвы, уровень грунтовых вод) и nоказаний гравиметра. Оказалось, что короткопериодические изменения (из-за дождя) хоро­ шо коррелированы, а их величина достигает нескольких сотен нм ·с- Определение изменений силы тяжести во времени СоотношениА 10:10} 20: 1О пористости 1: 30: 600м Рис. 10.i3 (левый). Заnись nоказаний сверхnроводящего гравиметра GWR и количество выnавших осал­ ков [230].

Рис. (nравый). Измеренные изменения силы тяжести (доверительный интервал 9007о) на мысе 10. Каn-Пеле (Нью-Брансуик, Канада);

двумерная модель изменения уровня грунтовых вол.:

no весны осень г. и nриливные изменения масс воды;

изменения силы тяжести nри ра]­ личной nористости nород для разных соотношений nористости nород в районах и На­ l ll.

илучшее согласование между измеренными и модельными величинами достигается nри от­ ношении 30:12 [399].

(рис. 10.13);

сезонные изменения (грунтовые воды) 50- 100 нм·с- 2 • Вычисле­ ния по моделям дают хорошую сходимость с измерениями лишь для простых гидрологических ситуаций.

В песчаных формациях с простой структурой и моделью в виде пластины Буге (см.

выше) получена хорошая сходимость значений месячных изменений (50 н м· с- 2 ) прираше­ ний силы тяжести, полученных из измерений и вычисленных по данным о влажности по­ [430].

чвы и уровне грунтовых вод Оказались успешными вычисления корреляции по сглаженным данным о дождевых осадках и об уровне воды в скважинах для осадочных пород в Южной Калифорнии (максимальное изменение 800 н м· с- [768]. По данным об 2) [399] мо­ уровне грунтовых вод в простых геологических структурах Ламберта и Бомона делировали сезонные вариации силы тяжести до 100 нм ·с- и более по модели (изменения 10.14);

уровня грунтовых вод в несколько метров за год) (рис. при сложных гидрологиче­ ских условиях их модель неэффективна. Сезонные изменения силы тяжести до 300 н м· с- 2, совпадаюшие по времени с тропическими ливнями, были отмечены на склоне Венесуэль­ [155].

ских Анд На профиле в равнинном районе Северной Германии (осадочный бассейн) удалось выполнить сглаживание результатов ежегодных повторных измерений силы тяже­ сти благодаря гидрологическим редукциям (±50 н м· с- 2 ), которые получали с местными величинами коэффициента регрессии (до 140 н м· с- 2 на один метр изменения уровня грун­ товых вод);

последние находили по измерениям уровня [172]. Оказалось несложным моде­ лировать сезонные вариации (до 600 н м· с- 2 ), вызванные изменением уровня воды в озерах (на несколько метров) [151]. Изменения силы тяжести до 450 нм ·с- 2 в бассейне Миссисипи объясняются локальным изменением высоты из-за дополнительной нагрузки, [181].

связанной с изменениями состояния реки В проблемах, связанных с современной динамикой земной коры, полагают, что гравитационные сигналы имеют обычно тот же или даже меньший порядок величины, что и гидрологические эффекты;

таким образом, учет гидрологических 10.4).

редукций имеет огромное значение (разд. Изменения уровня грунтовых вод 358 Глава вследствие вмешательства человека и связанный с ними гравиметрический эффект 10.2.3.

рассмотрены в разд.

Техногеиные изменения силы тяжести 10.2.3.

Перемещения масс, обусловлеiПiые деятельностью человека, могут вызвать измене­ ния силы тяжести как вследствие прямого гравитационного эффекта, так и из-за деформаций земной поверхности. Доступные измерениям вариации происходят при эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, геотермальных полей, от­ качке воды, добыче угля, а также заполнении и спуске больших водохранилищ.

Выемка близповерхностных масс приводит к возникновению внутренних компен­ сационных процессов, связанных с уплотнением осадочных пород или разрушени­ ем горных пород, что в свою очередь вызывает опускание дневной поверхности;

одновременно происходят изменения гидрологического режима.

Для мониторинга вертикальных движений, моделирования перемещений масс и исследований водохранилищ в числе других методов используют повторные измерения силы тяжести. Длительные изменения, связанные с добычей ископае­ мых, накапливаются за месяцы и годы, их можно наблюдать по измерениям си­ лы тяжести на профилях и по площадям, повторяя измерения через 9.2.1, 9.2.2).

определенные интервалы времени (разд. Если ожидаются быстрые изменения (от нескольких часов до нескольких суток) сейсмического или горно­ механического происхождения (эксплуатация геотермальных полей, работы в шахтах, заполнение водохранилищ), то большую роль играют наблюдения через короткие интервалы времени или непрерывная регистрация силы тяжести.

Для однозначной интерпрепшции выявленных изменений силы тяжести (изменения высот и/или перемещения внутренних масс) необходимо одновременно измерять высоты по крайней мере в некоторых контрольных точках. Анализ может быть основан на опре­ делении отношений изменений силы тяжести и высоты либо на изменениях силы тяжести, исправленных за изменение высоты оН соотношением - 3 х 10- 6 оН м· с- 2 (оН в метрах) (разд. 4.4.2).

Приведем несколько примеров использования методов гравиметрии при мони­ торинге техногеиных перемещений масс и интерпретации.

При многолетней эксплуатации нефтяных и газовых месторождений могут возник­ нуть заметные опускания дневной поверхности (порядка дециметра в год) и изменения силы тяжести. Для исследований на нефтяном месторождении Тия-Хуана (восточный бе­ рег оз. Маракайбо) была создана сеть пунктов, в которой были сделаны нивелировки и измерения силы тяжести (площадь около 30 км 2, 40 пунктов). С 1978 по 1983 г. измерения в сети выполняли ежегодно, максимальное изменение силы тяжести составило +250 нм·с- 2 /год. По результатам выполнены вычисления для всей площади методом прогнозной фильтрации (ошибка прогноза ±15 нм·с- 2 /год) [155] (рис. 10.15).

Измерения силы тяжести широко используются в связи с эксплуатацией геотермаль­ 1974- 1977 rr.

ных полей. В в центральной части района Гейзерс-Стимфилд в Калифор­ нии были выполнены измерения с относительными гравиметрами. Выявленное уменьшение силы тяжести (достигающее 1200 нм ·с- 2 ) было объяснено изменением плот­ ности вследствие ухода воды;

полученные данные стали основой при построении модели (объем и глубина резервуара, скорость повторного заполнения) На этом поле более [141].

Определение изменений силы тяжести во времени Рис. (левый). Гравиметрические пункты и изменения силы тяжести (нм·с- 2 /год) на нефтяном 10. месторождении ТИя-Хуана (Венесуэла), полученные прогнозной филырацией по наблюде­ ниям 1978-1983 гг. (предполагается линейная зависимость изменений во времени) [155).

Рис. 10.16. (nравый). Гравиметрические nункты и юменения силы тяжести (в мкм·с- 2 ) с 1961 no 1967 г. на некоторых nунктах, а также изолинии с сечение~! 1 мкм·с- 2 ;

геотермальное nоле Уаиракеи (Новая Зеландия);

часть nоля с nродуктивными скважинами заштрихована [8].

трех лет применяли и сверхпроводящие гравиметры. По их данным выявлена корреляция между экстремальными значениями силы тяжести (интервал сут, амплитуда око­ 10- ло 10 нм·с- 2 ) и землетрясениями магнитудой 2,2, вызванными инъекциями воды [230].

1983 rr.

В измерения силы тяжести проводились на пунктах сети нивелирования, 1961 расположенных в геотермальном поле Уанракеи и его окрестностях в Новой Зеландии;

в каждой из эпох наблюдения были выполнены на реперах. Из-за оседания 7 60- земной поверхности (максимальная скорость см/год) в измеренные изменения силы тя­ жести вводили редукцию в свободном воздухе. Остаточные величины (до - 800 нм ·с- год) позволили выполнить детальное моделирование с целым рядом параметров, таких, как потеря массы, заполнение после извержения, изменения зоны, заполненной паром, по­ [8].

нижение уровня грунтовых вод В начальной фазе эксплуатации значительные вариации силы тяжести были обнаружены также за пре,целами зоны бурения (рис. С г.

10.16). на геотермальном поле Травале в Италии выполняют повторные нивелировки и измере­ 2 года [194]. Обнаружены изменения до ния силы тяжести с интервалами примерно в 100 н м· с- 2 • Общий уровень силы тяжести контролируют на пункте абсолютных определе­ ний, расположенном вне геотермального поля.

При откачке подземных вод понижающиеся водные горизонты в большинстве случа­ ев образуют конические формы;

в районах с уплотняющимися осадочными породами это приводит к необратимым опусканиям дневной поверхности, охватывающим обширные территории (в г. Мехико более м). Обычно мониторинг изменений силы тяжести в райо­ нах таких опусканий показывает, что увеличение силы. тяжести достаточно сильно корре­ лировано с изменением высоты (Токио, 1963-1970: 100 нм·с- 2 /год;

Хьюстон, Техас, 1966-1973: 350 нм·с- 2 /год) [256, 662]. Вместе с тем различия гидрологических условий могут привести к большим различиям в соотношениях для изменений силы тяжести и высоты.

В районах угольных шахт плотные гравиметрические съемки (с шагом м) 20- на дневной поверхности и под землей могут помочь в выявлении опусканий поверхности и характера перераспределения масс В местах с опасным уровнем деформаций мно [428].

360 Глава 1- гократные повторные гравиметрические съемки (с интервалами мес) выявляют [183].

очень сильные изменения силы тяжести, возрастающие с течением времени Одновременные измерения силы тяжести и высот во время заполнения больших водо­ хранилищ могут быть использованы для изучения нагрузочных явлений, при этом особый интерес представляют локальные отклонения от упругости, неоднородности деформаций и латеральное просачивание воды. Профильные измерения на водохранилище Graпde- La (Квебек, Канада) после учета прямого гравитационного эффекта выявили увеличения силы тяжести до 140 нм·с- 2 [401].


10.3. Измерение приnивных изменений силы тяжести Области применении 10.3.1.

Измерение приливных вариаций силы тяжести является частью работ по изуче­ нию земных приливовназемными и космическими методами. Из наблюдений на­ ходят изменения амплитуды и фазы приливных волн, которые представляют собой отiСЛик тела Земли на приливные силы. Для абсолютно жесткой Земли амплитуды и фазы отдельных волн, имеющих разные частоты, известны с высо­ кой точностью по астрономическим данным. Наблюдаемые вариации являются функциями реологических характеристик тела Земли, а также океанических и ат­ мосферных возмущающих эффектов (разд. Движение полюса также 3.4.2, 3.4.3).

имеет периодический характер и может рассматриваться аналогично;

мониторинг положения полюса осуществляют методами космической геодезии.

Данные земноприливных наблюдений служат для редуцирования результатов геодезических измерений и геофизического моделирования. Отметим, что общее изменение силы тяжести не превышает 3 мкм ·с - 2, а максимальный вiСЛад полу­ суточной лунной волны (М2) составляет 300 - 400 нм ·с- 2 в средних широтах и достигает 900 нм ·с- 2 на экваторе. Наблюдаемый приливвый эффект складыва­ ется из приливнога эффекта в деформируемом теле Земли, притяжения и нагру­ зочного эффекта океанических масс (особенно для полусуточных волн), а также атмосферных эффектов (редукция по регрессионным моделям).

Перечислим наиболее важные области применении гравиметрических земно­ приливных наблюдений [451]:

- расчет земноприливных поправок в измерения силы тяжести и другие высоко­ точные измерения (определение местоположения спутниковыми методами, ра­ диоинтерферометрия, высокоточное нивелирование), в которых учитывают 3.4.3).

функции чисел Лява и (разд. На результаты относительных измерений h k силы тяжести влияют короткопериодические (не более суток) приливвые волны, а при абсолютных измерениях также и долгопериодические пр.иливы и движе­ ния полюса;

в настоящее время ошибки измерений силы тяжести лежат в преде­ лах ±10- 19()нм·с- 2 ;

исследование глобальных моделей Земли (после учета океанских приливов по моделям). Амплитуды основных приливных волн для различных моделей упру­ гой Земли, предполагающих, что она состоит из однородных концентрических 1- 2%.

слоев, варьируют в пределах Резонансный эффект жидкого ядра (реза " нанспая частота 15,073°/ч) приводит к столь же небольшим вариациям в суточ Определение изменений силы тяжести во времени.. '·"' "·~ ~,.,,,.,,_.,_ о ·~.......

-4% 10.17.

Рис.

Параметры земного гравиметрического nрилива М2 на трансконтинентальном nрофиле США [388].

ных волнах с близкими к этой величине частотами. Неидеальная упругость 10.3.3);

мантии увеличивает амплитуду менее чем на (разд.

0,5% - оценка региональных моделей земной коры и мантии после исключения влия­ ния океанских приливов и приливов в теле Земли, определяемых по соответству­ ющим моделям. Оста~очные амплитуды и фазы указывают на латеральные неоднородности в литосфере и верхней мантии. Результаты вычислений по моде­ 1,5% 0,1 о лям показали, что можно ожидать аномалий в пределах для о и [469];

для ~ф -оценка глобальных и региональных моделей океанских приливов. При этом из наблюдений необходимо исключить приливы в теле Земли и океанские нагру­ зочные приливы (по моделям стандартной Земли и региональным моделям зем­ коры). Для волны М2 влияния океанских приливов не превышают 20 ной 100 нм·с- 2 ;

при удалении от береговой линии на несколько сотен километров они, как правило, не превышают 10 нм·с- 2 (рис. 10.17);

- изучение взаимосвязи приливов в твердой Земле и океанских нагрузочных при­ ливов с современными геодинамическими процессами (землетрясениями, извер­ жениями вулканов);

эти исследования находятся в начальной стадии.

Для вычисления поправок амплитудные факторы основных припивных волн ± 1OJo (для фаз ±0,5°). Для оценки геофи­ нужно ~щределять с ошибкой не более зических моделей желательна точность ±0,10Jo. Чтобы регистрировать припив­ ные волны с малыми амплитудами или разделять волны, близкие друг к другу, необходимо, чтобы:

- инструментальная точность и временная стабильность измерительной системы были достаточно высокими, а условия на пункте достаточно хорошими (разд. 10.1.2 - 10.1.5);

- влияние внешних возмущающих факторов (например, изменений атмосферного 10.2.1, 10.2.2);

давления) было достаточно малым (разд.

длительность наблюдений была выбрана так, чтобы охватить большое число периодов исследуемых припивных волн;

также необходимо учитывать отношение сигнал/шум;

- выбранная методика обработки и анализа результатов основывалась на мате­ 10.3.2).

матической модели, согласованной с инструментальной точностью (разд.

Глава 362 Оценка, результаты, точность 10.3.2.

Приливвые изменения силы тяжести наблюдают регистрирующими системами 10.1.4, с пружинными гравиметрами и сверхпроводящими гравиметрами (разд.

10.1.5). Из наблюдений обычно получают данные, осредненные за один час (разд. 10.1.2). Измеренные величины помимо приливного сигнала содержат ин­ формацию об изменяющихся со временем инструментальных влияниях (напри­ мер, вызванных изменениями температуры и давления воздуха, старением материала пружины), перемещениях окружающих масс (атмосферные, гидрологи­ ческие, тектонические процессы);

они также искажены ошибками измерений. Зем­ (3.26), ные приливы моделируют выражением а некоторые возмущающие 10.2.1, сигналы описывают линейными регрессионными зависимостями (разд.

10.2.2). Ошибки моделей и ошибки измерений разделяют на две составляющие:

6.6.3), дрейф, описываемый аналитической функцией (разд. и случайную состав­ ляющую. Таким образом, уравнивание по методу наименьших квадратов основы­ вается на следующем уравнении поправок:

n т 2:: 2::

+ cos (UJ;

t + + + + о;

А;

(теор.) Ф;

(теор.) дФ;

) D(t). (10.15) /(t) v(t) = b1Fj(t) i= 1 )= Здесь результат регистрации (измеренная величина);

поправка;

о;

и /(t) - v(t) оФ;

- амплитудный фактор и фазовый сдвиг приливной волны (круговая часто­ i та амплитуда А, фаза Ф). Коэффициенты регрессии Ь1 описывают связь между UJ, параметрами состояния FJ и отсчетом;

D(t) описывает дрейф (в большинстве слу­ чаев в виде многочлена малой степени, зависящего от времени).

Измеренная величина должна быть исправлена масштабным коэффициентом, а отдельные волны с помощью частотной характеристики (частотной переда­ 10.1.3).

точной функции) измерительной системы (разд. Из-за того что прилив вызывает воздействие инерциального ускорения на гравиметр, следует ввести инерциальную поправку. Для полусуточной волны М2 этот эффект не превышает НМ·С- 2 (523].

(10.15), Систему уравнений которую следует составить для периода регистра­ ции, можно решать подбором параметров по методу наименьших квадратов, при этом обычно полагают, что результаты измерений некоррелированы и равноточ­ 9.2.4).

ны (разд. Однако и процедура уравнивания в одном блоке, и корректная оценка точности окончательных результатов осложнены некоторыми особен­ ностями:

обрабатывают большие массивы данных, которые могут содержать грубые ошибки и пропуски, когда не было измерений;

-измерения физически коррелированы и неравноточны (шумы, зависящие от ча­ стоты и возрастающие при увеличении длины волны прилива);

частоты некоторых приливных волн очень близки между собой;

частоты приливного сигнала принадлежат двум частотным диапазонам (ко 1 сут, ротковолновые приливы ~ длинноволновые приливы с периодом 14 сут);

-с приливным сигналом смешаны шумовые сигналы, вызванные нестабильнос­ тью прибора, а также возмущающие сигналы с частотами, близкими к частотам полезного сигнала (полусуточные, суточные, сезонные).

Оnределение изменений силы тяжести во времени 10.18.

Рис.

Амплитудный спектр остаточных велн­ чин из анализа трехлетних наблюдений со GWR сверхпроводящим гравиметром ТТ40 [560].

Эти особенности пытались учесть в алгоритмах уравнивания, созданных спе­ циально для земноприливного анализа. Для таких алгоритмов характерен раз­ дельный подход при анализе коротко- и долгопериодических припивных волн, особенно различаются алгоритмы при учете дрейфа. Грубые ошибки исключают до уравнивания, но можно выявить и исключить их в процессе итераций. Инстру­ ментальные ошибки и внешние возмущающие влияния устраняют, как правило, до уравнивания, для этого используют регрессионные зависимости для данного пункта или стандартные модели. Реалистическая оценка точности может быть выполнена с помошью спектрального анализа остаточных уклонений и анализа [759]. 10. амплитудного спектра На рис. приведен фурье-спектр уклонений.

Алгоритмы постоянно совершествуют, чтобы иметь возможность одновре­ менно анализировать коротко- и долгопериодические приливы, гибко использо­ вать цифровую фильтрацию для исключения дрейфа и улучшать точностные оценки. Большие возможности открывают применение высокоскоростной реги­ страции и обработка на микрокомпьютерах (до одного значения в секунду) при одновременной регистрации данных об окружающей среде. Совместное уравнива­ ние в этом случае приводит к «многоканальному анализу», цель которого мо­ [68].

делировать как можно больше динамических процессов [73 1] В методе анализа Венедикава дрейф исключают фильтрацией на интервалах в 2 сут, а нормальные уравнения для вычисления nараметров волн с короткими nериодами 1, 1/2 1/3 1,5 в и сут составляют раздельно. При фильтрации на интервалах в и сут этот метод можно расnространить на случаи анализа коротко- и долгоnериодических nри­ пивных волн, одновременно исключаются грубые ошибки и nрисваиваются веса различ­ [732]. [118] ным интервалам регистраций Хайницкий для исключения из измерений долгоnериодических припивных волн и других низкочастотных эффектов nрименяет ци­ фровую низкочастотную фильтрацию, а затем уравнивает квазиизмерения, свободные от [605] дрейфа. Шуллер выnолняет скользяший анализ блоков данных с целью оценки точ­ ности и расширяет уравнивание до многоканального анализа. Для анализа долгоnериоди­ ческих припивных волн можно в числе других исnользовать разработки Венцеля [759].

Современные регистрирующие системы с пружинными гравиметрами, обеспе­ чивающие при осреднении за один час точность не хуже 1О нм ·с- 2, позволяют 11rfo ± 0,5 о находить амплитуды и фазы основных волн с ошибками± и соответ­ ственно;

такая точность достигается, если наблюдения выполняют на полевых 1- станциях с теплоизоляцией в течение мес при аналоговой регистрации [705]. При использовании цифровой регистрации и системы обратной связи 10.1.4), (разд. при детальной дискретизации и цифровой фильтрации ошибки можно уменьшить до нескольких нм ·с - В настоящее время такие системы обес 2• 364 Глава печивают точность и ±0,5° за 2- 3 нед наблюдений [569]. После непре­ ± 1OJo рывной регистрации в течение 4 - 6 мес можно уже анализировать группу из 1О - 12 короткопериодических приливных волн (основные волны - с ошибками в несколько ±О, 1OJo и несколько ±О, 1о;

системы с обратной связью обеспечивают более высокую точность) [460]. В табл. 10.1 дается пример результатов на близ­ экваториальной станции (малые суточные волны). После непрерывной регистра­ ции более чем за мес в диапазоне суточных волн удалось разделить волны Р и Кl.

Таблица Уравненные припивные параметры (для групп волн, 10.1.

округленные значения), станция изучения земных приливов Маракайбо = 10°,675 = 71°,621 = 35 м), (Р с.ш., Л з.д., Н гравиметр Ла Коста Ромберга - 0298, 27 июня - ноября г.

24 1978 [22] Группа волн Амплитуда, Отношение Фазовая Амплитудный нм·с- 2 (0 ) сигнал/шум фактор задержка, Ql 25,3 1, 36 ± 0,033 + 1,1 ±1, 01 135,7 1, 195 ± 0,006 + 0,7 ±0, Ml 10,4 1,174 -10, 15 ± 0,078 ±3, PISIКI 191,9 276 1,208 - 0, ± 0,004 ±0, 11, Jl 16 1,250 0,078 + 0,5 ±3, ± 001 6,9 10 1,422 0,143 +10,8 ±5, ± 2N2 24,7 18 1,116 0,060 + 4,3 ±3, ± N2 164,6 123 1,187 0,010 + 1,4 ±0, ± М2 867,0 1,197 0, 649 + 1,0 ±0, ± 22, L2 17 1,116 0,065 - 0,7 ±3, ± S2K2 407,4 1,209 0, 305 + 0,2 ±0, ± М3 15,4 1, 28 ± 0,039 + 0,7 ±2, Ср. кв. ошибка (ежечасные наблюдении) ± 12 нм·с- О качестве полученных данных можно судить по тому, насколько надежно получены малая (несколько н м· с- волна S1, при определении которой сказыва­ 2) 1/11, ются изменения атмосферного давления, и волна ча~тота которой близка к резонансной частоте ядра (табл. Если регистрация длится более года, то 10.2).

можно выделить групп долгопериодических волн;

для этого необходимы 40- высокая стабильность измерительной системы, стабильные условия на станции и, кроме того, надежный контроль калибровки. При соблюдении этих требова­ ний (цифровая регистрация, система обратной связи) параметры основных при­ ливных волн можно определять с ошибками и ±0,1- 0,2% ±0,1 - 0,2° [17, Увеличение длительности наблюдений до нескольких лет позволяет умень­ 706].

шить ошибки до нескольких ±0,01 Г!Jо и нескольких ±0,01 о соответственно [146].

Сверхпроводящие гравиметры имеют весьма малый дрейф (рис. 10.19) и очень высокую разрешающую способность (±О, 1 нм ·с- 2 ). Уже сейчас обработка их месячных записей позволяет определять параметры основных волн с ошибка­ ми ±0,111Jo, а после года работы- с ошибками в несколько ±0,0111Jo и несколько ±0,01 о;

параметры долгопериодических волн можно определять с ошибками в Определение изменений силы тяжести во времени 10.2.

Таблица Уравненные значения припивных параметров (фрагмент данных для припивных волн, округленные значения), станция изучения = 50°,228 = 8°,611 = земных приливов Бад-Хомбург (.р с.ш., Л в.д., Н 190 м), сверхпроводяший гравиметр ТТ40, май г. апрель г.

GWR 1981 - 1984 [560) Прилив Амплитуда, Амnлитудный Фазовая задержка, нм·с- 2 фактор (•) 1,0810 ± 0,0474 -0,13 ± 2, Ssa 1,1274 ± 0, 26 +0,13 ± 0, Mm 1,1462 ± 0, 49 +0,33 ± 0, Mf 67 1,1443 0,0005 -0,31 0, Ql ± ± 01 1,1449 0,0001 -0,07 0, 306 ± ± Pl 142 1,1459 0,0002 0, +0, ± ± Sl 1,1831 0,0139 0, 3 +3, ± ± К\ 428 1,1331 0,0001 0, +0, ± ± 1,2498 0, 3 0,0096 +0, ± f.-1 ± N2 59 1,1700 0,0003 +2,07 0, ± ± М2 308 1,1835 0,0001 +1,65 0, ± ± 143 1,1857 0,0002 +0,21 0, S2 ± ± К2 1,1864 0,0006 0, 39 +0, ± ± 1,0687 ± 0, М3 4 +0,03 ± 0, несколько процентов и несколько ±0,1 о [160, 559] (табл. По многолетним 10.2).

записям можно даже выявить гравиметрический эффект движения полюса 10.20) 3.4.1). [561] (рис. (разд. Из анализа пятилетних записей Рихтер получил 1,20 ± 0,01.

для этого эффекта амплитудный фактор Рис. 10.19.

Долговременный дрейф сверхnроводяшего грави· метра ТТ (влияние земных nриливов и из­ GWR ~~~~--~~~~~~~~ о 1000 Сутки менений атмосферного давления исключено) 200 800 [560].

400 Рис. 10.20.

Остаточные величины nри анализе "!емноприливных наблюдений со сверхпроводяшим гравиметром и теоретические изменения GWR силы тяжести для 432-суточного [560].

Чандлеровского периода 366 Глава Если сравнивать результаты для одной и той же станции по разным измери­ тельным системам, то зачастую обнаруживается, что амплитудные факторы 1- 10.3).

основных приливных волн расходятся на 207о (табл. В основном такие расхождения возникают из-за ошибок калибровки и (для астазированных грави­ метров) зависимости чувствительности прибора от наклона.

Таблица Уравненные значения амплитудного фактора и их среднеквадратические уклонения 10.3.

(средние значения, округленные величины), станция изучения земных приливов, Ганновер (.р с.ш., Л в.д., Н м) = 52°,387 = 9°,712 = 50 [706] Припивные волны (амплитуды в н м· с- 2) Ср. кв. ошибка Прибор К·ВО PISIКI М 01 S2K (350) (485) (334) (157) ежечасных суток наблюдений, нм·с- Аскания 1,149 1,145 1,191 1, 296 ± ±,014,010,010, Gs12.N (фотоэлектр.) 1,137 1,183 1, LCR G260 206 1,,002,001,, 410 1,162 1,149 1,194 1, LCR G,002,001,001, LCR D8 52 1,170 1,152 1,192 1,,004,003,003, LCR G299 1,151 1,140 1,184 1, (с обр. связью),004,002,002, Геодайнемикс 1,160 1,149 1,194 1,193 74,003,002,, IЗOBN Аскания 1,162 1,156 1,190 1,199 Gs12 (емкостной),005,004,003, 1,158 1,195 1, LCR G318 103 1,,002,002,, 1,197 ЕТ18 1,160 1,151 1, LCR,001,002,, 1, Среднее 1,159 1,148 1,,002,001, ±0, Международный центр земных приливов в Бельгийской королевской обсервато­ ICET рии (Брюссель) занимаетс.:я сбором земноприливных наблюдений и их анализом, включая разработку программного обеспечения и интерпретацию данных. Особое внимание уделя­ ется стандартизации измерений и методов учета поправок. База земноприливных данных по состоянию на г. содержит результаты измерений на приливной ICET [157] 1987 1973 ICET станции, расположенной в разных районах Земли. Начиная с г. выполнил на­ блюдения на станции, которые образуют мировую систему гравиметрических земноприливных профилей (Европа, Африка, Южная и Юго-Восточная Азия, Австралия, Южная Америка). ПрименялисЪ гравиметры Ла Коста Ромберга и Геодайнемикс (время наблюдений, как правило, мес и более), методика наблюдений унифициро­ вана приборы калиброваны на фундаментальной земноприливной станции в [453, 454];

Брюсселе (разд. Исследования земных приливов выполняют и другие организации, 10.1.3).

Определение изменений силы тяжести во времени ICET. Например, в Китае созданы 7 припивных станuий нередко в сотрудничестве с (время 0,5 -1 [456];

опубликованы данные наблюдений с 7 различными наблюдений год) грави­ метрами на фундаментальной станuии Учан [313].

10.3.3. Примененив результатов ICET Мировые гравиметрические профили (Брюссель) сделали возможным вы­ вод параметров земных приливов (амплитудный фактор о, фазовая задержка дФ) для десяти групп волн Р1, Кl, М2, К2, М3) для большого числа (Q1, 01, N2, S2, континентальных станций. На некоторых станциях в течение нескольких лет ве­ дется регистрация долгопериодических волн. Такие данные позволяют выполнить 50) анализ еще большего числа (до приливных волн, включая долгопериодиче­ ские, а короткопериодические приливы можно определять с более высокой точ­ ностью. Гармонический анализ отдельных частей записей не выявил заметных временных изменений в параметрах короткопериодических земноприливных волн [560].

1000 На большей части земной поверхности среднее расстояние между станuиями 3000 км. Меньшая плотность станuий в Северной Америке, Центральной Азии и в по­ лярных районах, однако на некоторых высокоширотных станuиях осуществляется дли­ тельная реrистраuия (Шпиuберrен Центральная Антарктика Меньшее [70], [602, 645]).

расстояние между станuиями (несколько сотен километров) характерно для Западной, Се­ верной и Центральной Европы На рис. показано распределение земноприлив­ [453]. 10. ных параметров для волны М2.

Для районов с плотной сетью станций интерполяцией наблюденных парамет­ ров можно определить гравиметрическую поправку за приливы с ошибкой не бо­ лее ± 10 нм·с- 2 (ошибки параметров ±0,507о, ±0,5°) [159]. При меньшей плотности станций и в прибрежных зонах (океанский нагрузочный эффект) ошиб­ ки больше. В этих случаях необходимы либо временные наблюдения земных при­ 10.3.2), ливов (разд. либо вычисления приливных параметров по моделям для ± 10 приливов в теле Земли и для океанской нагрузки;

можно ожидать ошибок 20 нм·с- 2 [313] (разд. 9.2.3).

ss· т-о'"""-----------.----..:--::-----, N so" Рис \0.2\.Гравиметрические 1емtюnрил11ВIIЫС rшрамстры: амнн11ту;

шый фа~1 ор ((JICBa) 11 1ar1a I.II·IBa lllle фа·Jы (сnрава) для вот1ы М2 (Запапttая l:upoпa) [ 15'1].



Pages:     | 1 |   ...   | 9 | 10 || 12 | 13 |   ...   | 14 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.