VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Гравиме́трия (от лат. gravis — «тяжёлый» и греч. μετρέω — «меряю»); геодезическая гравиметрия, гравитационное зондирование) — геофизический и геодезический метод, заключающийся в измерении поля силы тяжести. Как правило, объектом гравиметрии является Земля, однако спутники, направляемые к Марсу, Венере, Юпитеру и другим планетам также могут использоваться для гравиметрических наблюдения. Первое измерение силы тяжести выполнил Галилей, измерив путь, пройденный падающим телом за первую секунду падения.Задачей ранних измерений было определение g как фундаментальной константы. О том, что сила тяжести на Земле изменяется в зависимости от широты места, стало известно в 30-х годах 17 века. Измерения выполняли нитяными маятниками длиной 1-2 метра. Замечательное свойство маятника выполнять колебания длительное время, позволяющее найти с приемлемой точностью период колебаний, стало причиной господства маятникового метода в гравиметрии вплоть до середины 20 века[1].

Гравиметрические сети создаются для образования систем опорных пунктов; эти пункты должны быть закреплены центрами. Значения силы тяжести на опорных пунктах определяют из измерений с последующей их обработкой. Координаты пунктов, значения силы тяжести и другие необходимые данные должны быть занесены в описание (формуляр) пункта и включены в базу гравиметрических данных[1].

Рис.1 - Схема положения опорных гравиметрических пунктов

Опорные пункты служат основой для детальных гравиметрических съёмок, как профильных, так и площадных; повторные измерения на этих пунктах используются для мониторинга временных вариаций силы тяжести. Различают следующие типы сетей:

- мировые гравиметрические сети с расстояниями между пунктами от нескольких сотен до нескольких тысяч километров. Они являются главными элементами референцных гравиметрических систем и создаются по международным программам;

- региональные сети с расстояниями между пунктами от нескольких километров до сотен километров. Они создаются как национальные сети и, как правило, являются фундаментальными гравиметрическими сетями с сетями сгущения;

- локальные гравиметрические сети с расстояниями от нескольких сотен метров до десятков километров. Их создают преимущественно для целей геофизики и геодинамики.

По возможности должна быть обеспечена долговременная сохранность опорных пунктов мировых, региональных и геодинамических сетей (несколько десятилетий и более), а при повторных измерениях условиях наблюдений должны обеспечивать достижение точности не хуже 0,01 ÷ 0,1 мкм·с^-2.[2]

Некоторые основные положения, касающиеся выбора опорных гравиметрических пунктов и их можно сформулировать так:

- равномерное, насколько возможно, расположение опорных пунктов на территории работ, исключением могут быть локальные геодинамические сети;

- мировые и региональные сети должны содержать определенное число пунктов для непрерывных и повторных наблюдений[3];

- геологическая, сейсмическая и гидрологическая стабильность в окрестностях пунктов;

- стабильное основание для установки прибора (наземные основания в зданиях, пилоны, скальные основания, бетонный пол), закрепление пункта; выгодно использовать существующие центры плановых или высоких геодезических сетей;

- определение 2-3 пунктов - спутников (±0,01 ÷ 0,1 мкм·с^-2) для контроля неизменности основного пункта относительно фундаментальной гравиметрической сети (расстояние до спутников от нескольких сотен метров до нескольких километров, ∆g ≤ 100 мкм·с^-2);

- определение плановых координат и высот относительно пунктов национальных геодезических сетей;

- плановая (±1 см) и высотная (±1 мм) привязка к дальнейшим пунктам[4];

Рис.2 - Дрейфующий гравиметрический пункт( гравиметрическая лаборатория)

Рис.3 - Центр гравиметрического пункта вне помещения

Рис.4 -Центр гравиметрического пункта в помещении

Для пунктов фундаментальных	А=100, В=120
		Для пунктов 1 класса основных		А=80, В=100
		Для пунктов 1 класса		А=60, В=80
				Размеры даны в см

Рис. 5 Марка закладываемая в центр гравиметрического пункта( размеры даны в мм)

Для фундаментальных пунктов	А=100
		Для основных пунктов 1 класса		А=80
		Для пунктов 1 класса		А=60
				Размеры даны в

Рис. 6Центр гравиметрического пункта, устанавливаемый на скальных грунтах

Для фундаментальных пунктов	А=100
		Для основных пунктов 1 класса		А=80
		Для пунктов 1 класса		А=60
				Размеры даны в см

Рис. 7 - Центр гравиметрического пункта в районе многолетней мерзлоты(размеры в см)

Рис. 8 - Центр гравиметрического пункта, устанавливаемый в помещении в районе многолетней мерзлоты

Для фундаментальных пунктов	А=100
		Для основных пунктов 1 класса		А=80
		Для пунктов 1 класса		А=60
				Размеры даны в см

Рис.9 – Гравиметрическая сеть в районах мерзлоты

1 - южная граница зоны прерывистого распространения многолетней мерзлоты; 2 - северная граница зоны прерывистого распространения многолетней мерзлоты и южная граница области применения знаков, закладываемых в узкие скважины протаиванием или бурением; 3 - глубина промерзания грунта, принимаемая при расчете глубины закладки знаков, см; 4 - глубина протаивания грунтов, принимаемая при расчете глубины закладки знаков, см; 5 - высокогорные области с преимущественно каменистыми породами и прерывистым распространением многолетнемерзлых грунтов; 6 - изолинии равных глубин промерзания (протаивания)[5].

Плотность пунктов и точность гравиметрической съёмки зависят от размеров территории, вида и величины исследуемых особенностей поля силы тяжести или распределения аномальных масс, порождающих это поле. При региональных съёмках (национальные гравиметрические, съёмки общего назначения) стремятся к равномерному распределению пунктов, локальные съёмки больше ориентированы на выявление особенностей поля; для некоторых специальных задач выполняют съемку по профилям. При выборе пунктов стараются избегать близких возмущающих масс (например, крутых склонов) и создают такое распределение пунктов, которое было бы представительным как в плане, так и по высоте (например, в горной местности пункты не выбирают только в долинах). Ошибка точечных аномалий определяется ошибками измерений силы тяжести и гравиметрической редукции[5].

В геодезии для вычисления высот гравиметрического геоида или квазигеоида, а также уклонений отвеса необходимо знать аномалии в свободном воздухе для всего земного шара. Поскольку сейчас созданы глобальные модели гравитационного поля, то сбор гравиметрических данных при решении региональных и локальных задач проводится лишь для исследуемой территории и её окрестностей. На линиях нивелирования значения силы тяжести требуются для определения ортометрических или нормальных высот. Для геодезических целей гравитационные аномалии нужно знать с ошибкой ±10 мкм·с^-2 при среднем расстоянии между пунктами в несколько километров[5].

Определения силы тяжести производятся относительным методом, путём измерения при помощи гравиметров и маятниковых приборов разности силы тяжести в изучаемых и опорных пунктах. Сеть же опорных гравиметрических пунктов на всей Земле связана в конечном итоге с пунктом в Потсдаме (ГДР), где оборотными маятниками в начале 20 в. было определено абсолютное значение ускорения силы тяжести. Абсолютные определения силы тяжести сопряжены со значительными трудностями, и их точность ниже относительных измерений. Новые абсолютные измерения, производимые более чем в 10 пунктах Земли, показывают, что приведённое значение ускорения силы тяжести в Потсдаме превышено, по-видимому, на 13 - 14 мгл. После завершения этих работ будет осуществлен переход на новую гравиметрическую систему. Однако во многих задачах Гравиметрии эта ошибка не имеет существенного значения, т. к. для их решения используются не сами абсолютные величины, а их разности. Наиболее точно абсолютное значение силы тяжести определяется из опытов со свободным падением тел в вакуумной камере. Успеху опытов способствует прогресс в технике измерений времени и расстояний[6].

Относительные определения силы тяжести производятся маятниковыми приборами с точностью до нескольких сотых долей мгл. Гравиметры обеспечивают несколько большую точность измерений, чем маятниковые приборы, портативны и просты в обращении. Существует специальная гравиметрическая аппаратура для измерений силы тяжести с движущихся объектов (подводных и надводных кораблей, самолётов). В приборах осуществляется непрерывная запись изменения ускорения силы тяжести по пути корабля или самолёта. Такие измерения связаны с трудностью исключения из показаний приборов влияния возмущающих ускорений и наклонов основания прибора, вызываемых качкой[6].

Рис.10 - Баллистический гравиметр

Региональные и локальные гравиметрические съемки выполняют исключительно с пружинными гравиметрами. Удобно, когда к гравиметрическому пункту можно подъехать на автомобиле (рассчитанном на переезды по шоссе, в некоторых случаях – на автомобиле, пригородном и для бездорожья). В труднодоступных районах возможна транспортировка на вертолете. При локальных и специальных съёмках (например, подземных съемках в шахтах) с гравиметров выполняют и пешие переходы. Для снижения затрат на определение плановых координат и высот гравиметрические пункты должны быть совмещены с хорошо закрепленными пунктами геодезических сетей либо должны опознаваться на топографических картах (если они имеются на данный район).[3]

Если национальная гравиметрическая сеть не очень плотная или не обеспечивает точность, нужную для специальных задач, создают опорные сети для детальных съёмок. Опорные пункты (с расстояниями 10 км и менее) должны быть легкодоступными и хорошо опознаваться (относительно зданий, дорог, контуров местности). Опорные сети связывают с национальными сетями, измерения выполняют хорошо исследованными гравиметрами с надежным контролем (двукратные измерения).

Время измерений на пункте составляет всего несколько минут (отыскание пункта, установка прибора, нивелирование, дезарретирование, приведение индекса в нулевое положение, отсчитывание, арретирование, упаковка)[7].

Первичные гравиметрические результаты содержат:

- проверенные и уравненные точечные значения силы тяжести с необходимой дополнительной информацией

- точечные аномалии силы тяжести

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

- средние аномалии силы тяжести

- карты изоаномал

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

- интерполяцию изоаномал между узлами

- автоматическое вычерчивание изоаномал с использование соответствующего математического обеспечения

Масштаб и проекцию карты изоаномал можно выбирать произвольно. Рекомендуется постоянное сечение, которое определяется масштабом карты структурой гравитационного поля, а также точностью аномалий измерений с последующей их обработкой. Координаты пунктов, значения силы тяжести и другие необходимые данные должны быть занесены в описание (формуляр) пункта и включены в базу гравиметрических данных.

Опорные пункты служат основой для детальных гравиметрических съёмок, как профильных, так и площадных; повторные измерения на этих пунктах используются для мониторинга временных вариаций силы тяжести. Различают следующие типы сетей:

- мировые гравиметрические сети с расстояниями между пунктами от нескольких сотен до нескольких тысяч километров. Они являются главными элементами референцных гравиметрических систем и создаются по международным программам;[7]

- региональные сети с расстояниями между пунктами от нескольких километров до сотен километров. Они создаются как национальные сети и, как правило, являются фундаментальными гравиметрическими сетями с сетями сгущения;

- локальные гравиметрические сети с расстояниями от нескольких сотен метров до десятков километров. Их создают преимущественно для целей геофизики и геодинамики.

По возможности должна быть обеспечена долговременная сохранность опорных пунктов мировых, региональных и геодинамических сетей (несколько десятилетий и более), а при повторных измерениях условиях наблюдений должны обеспечивать достижение точности не хуже 0,01 ÷ 0,1 мкм·с^-2[8]

Некоторые основные положения, касающиеся выбора опорных гравиметрических пунктов и их можно сформулировать так:

- равномерное, насколько возможно, расположение опорных пунктов на территории работ, исключением могут быть локальные геодинамические сети;

- мировые и региональные сети должны содержать определенное число пунктов для непрерывных и повторных наблюдений;

- геологическая, сейсмическая и гидрологическая стабильность в окрестностях пунктов;

- стабильное основание для установки прибора (наземные основания в зданиях, пилоны, скальные основания, бетонный пол), закрепление пункта; выгодно использовать существующие центры плановых или высоких геодезических сетей;

- определение 2-3 пунктов - спутников (±0,01 ÷ 0,1 мкм·с^-2) для контроля неизменности основного пункта относительно фундаментальной гравиметрической сети (расстояние до спутников от нескольких сотен метров до нескольких километров, ∆g ≤ 100 мкм·с^-2);

- определение плановых координат и высот относительно пунктов национальных геодезических сетей;

- плановая (±1 см) и высотная (±1 мм) привязка к дальнейшим пунктам;

Плотность пунктов и точность гравиметрической съёмки зависят от размеров территории, вида и величины исследуемых особенностей поля силы тяжести или распределения аномальных масс, порождающих это поле. При региональных съёмках (национальные гравиметрические, съёмки общего назначения) стремятся к равномерному распределению пунктов, локальные съёмки больше ориентированы на выявление особенностей поля; для некоторых специальных задач выполняют съемку по профилям. При выборе пунктов стараются избегать близких возмущающих масс (например, крутых склонов) и создают такое распределение пунктов, которое было бы представительным как в плане, так и по высоте (например, в горной местности пункты не выбирают только в долинах). Ошибка точечных аномалий определяется ошибками измерений силы тяжести и гравиметрической редукции.

В геодезии для вычисления высот гравиметрического геоида или квазигеоида, а также уклонений отвеса необходимо знать аномалии в свободном воздухе для всего земного шара. Поскольку сейчас созданы глобальные модели гравитационного поля, то сбор гравиметрических данных при решении региональных и локальных задач проводится лишь для исследуемой территории и её окрестностей. На линиях нивелирования значения силы тяжести требуются для определения ортометрических или нормальных высот. Для геодезических целей гравитационные аномалии нужно знать с ошибкой ±10 мкм·с^-2 при среднем расстоянии между пунктами в несколько километров[9].

Определения силы тяжести производятся относительным методом, путём измерения при помощи гравиметров и маятниковых приборов разности силы тяжести в изучаемых и опорных пунктах. Сеть же опорных гравиметрических пунктов на всей Земле связана в конечном итоге с пунктом в Потсдаме (ГДР), где оборотными маятниками в начале 20 в. было определено абсолютное значение ускорения силы тяжести. Абсолютные определения силы тяжести сопряжены со значительными трудностями, и их точность ниже относительных измерений. Новые абсолютные измерения, производимые более чем в 10 пунктах Земли, показывают, что приведённое значение ускорения силы тяжести в Потсдаме превышено, по-видимому, на 13 - 14 мгл. После завершения этих работ будет осуществлен переход на новую гравиметрическую систему. Однако во многих задачах Гравиметрии эта ошибка не имеет существенного значения, т. к. для их решения используются не сами абсолютные величины, а их разности. Наиболее точно абсолютное значение силы тяжести определяется из опытов со свободным падением тел в вакуумной камере. Успеху опытов способствует прогресс в технике измерений времени и расстояний.

Относительные определения силы тяжести производятся маятниковыми приборами с точностью до нескольких сотых долей мгл. Гравиметры обеспечивают несколько большую точность измерений, чем маятниковые приборы, портативны и просты в обращении. Существует специальная гравиметрическая аппаратура для измерений силы тяжести с движущихся объектов (подводных и надводных кораблей, самолётов). В приборах осуществляется непрерывная запись изменения ускорения силы тяжести по пути корабля или самолёта. Такие измерения связаны с трудностью исключения из показаний приборов влияния возмущающих ускорений и наклонов основания прибора, вызываемых качкой. Имеются специальные гравиметры для измерений на дне мелководных бассейнов, в буровых скважинах. Вторые производные потенциала силы тяжести измеряются с помощью гравитационных вариометров[9].

Региональные и локальные гравиметрические съемки выполняют исключительно с пружинными гравиметрами. Удобно, когда к гравиметрическому пункту можно подъехать на автомобиле (рассчитанном на переезды по шоссе, в некоторых случаях – на автомобиле, пригородном и для бездорожья). В труднодоступных районах возможна транспортировка на вертолете. При локальных и специальных съёмках (например, подземных съемках в шахтах) с гравиметров выполняют и пешие переходы. Для снижения затрат на определение плановых координат и высот гравиметрические пункты должны быть совмещены с хорошо закрепленными пунктами геодезических сетей либо должны опознаваться на топографических картах (если они имеются на данный район).

Если национальная гравиметрическая сеть не очень плотная или не обеспечивает точность, нужную для специальных задач, создают опорные сети для детальных съёмок. Опорные пункты (с расстояниями 10 км и менее) должны быть легкодоступными и хорошо опознаваться (относительно зданий, дорог, контуров местности). Опорные сети связывают с национальными сетями, измерения выполняют хорошо исследованными гравиметрами с надежным контролем (двукратные измерения).

Время измерений на пункте составляет всего несколько минут (отыскание пункта, установка прибора, нивелирование, дезарретирование, приведение индекса в нулевое положение, отсчитывание, арретирование, упаковка)[10].

Первичные гравиметрические результаты содержат:

- проверенные и уравненные точечные значения силы тяжести с необходимой дополнительной информацией

- точечные аномалии силы тяжести

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

- средние аномалии силы тяжести

- карты изоаномал

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

- интерполяцию изоаномал между узлами

- автоматическое вычерчивание изоаномал с использование соответствующего математического обеспечения

Масштаб и проекцию карты изоаномал можно выбирать произвольно. Рекомендуется постоянное сечение, которое определяется масштабом карты структурой гравитационного поля, а также точностью аномалий[11].

ЛИТЕРАТУРА:

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%8F_(%D0%B3%D0%B5%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%B7%D0%B8%D1%8F)

2. http://osmangravity.far.ru/gravimetrset.htm

3. http://www.ngpedia.ru/id499944p1.html

4. http://www.drillings.ru/gravimetriya

5. http://www.geokniga.org/labels/4261

6. Кононович Э.В., Мороз В.И. Общий курс астрономии: Учебное пособие / под ред. В.В. Иванова. – М.: Едиториал УРСС, 2001;

7. Астрономический ежегодник на 2014 год. – СПб.: Наука, 2013;

8. Геодезическая астрономия применительно к решению инженерно-геодезических задач / И.С. Пандул. – СПб.: Политехника, 2010;

9. Труды ИПА РАН. Вып. 10. В.А. Брумберг, Н.И. Глебова, М.В. Лукашева, А.А. Малков, Е.В. Питьева, Л.И. Румянцева, М.Л. Свешников, М.А. Фурсенко. Расширенное объяснение к «Астрономическому ежегоднику». – СПб.: ИПА РАН, 2004.

10. Теория фигуры Земли М. 1976 г. Николай Пантелеймонович Грушевский

11. Космическая геодезия и глобальные системы позиционирования. Учебное пособия. - СПб.:Изд-во С. Петерб. ун-та, ISBN 978-5-288-05183-8 Курышев Г.Д/

Код для цитирования: Скопировать