VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Гравиметрические данные используются во многих сферах деятельности человека, как научных, так и практических. Так, например, на связи формы поверхности Земли с элементами гравитационного поля основан физический метод определения фигуры нашей планеты.

Решение редукционной задачи высшей геодезии, определение геодезических координат, высот практически невозможно без знания величин уклонения отвеса и аномалий высот, которые определяются по гравиметрическим данным.

Результаты измерения силы тяжести на поверхность Земли и фиксация ее изменения во времени позволяют изучать внутреннее строение Земли, определять ее физические параметры.

Все явления, происходящие на поверхности Земли, связаны с перемещением масс внутри нее. Эти явления можно фиксировать при постоянном мониторинге гравитационного поля в тектонически активных областях и тем самым делать прогноз возможных землетрясений или извержений вулканов.

Гравиметрия – раздел геофизики – наука об измерении и изучении распределения силы тяжести и ее составляющих на земной поверхности.

В предмет «Гравиметрия» входят вопросы использования результатов измерения силы тяжести для определения фигуры Земли и ее внутреннего строения, а также для изучения геологического строения ее верхних слоев: земной коры и мантии [1].

Задачей гравиметрии является определение гравитационного поля Земли и других небесных тел как функции местоположения и времени по измерениям силы тяжести и гравитационных градиентов на поверхности тела или вблизи него (рис.1).

Рис.1. Возможности гравиметрии

Гравиметр – прибор для измерения силы тяжести. Работа гравиметра основана на статическом методе, в котором наблюдают положение равновесия тела, находящегося под действием силы тяжести и силы, принятой за эталонную. За эталонную силу принимают упругую силу деформации пружин и нитей.

Устройство, с помощью которого компенсируется действие силы тяжести на тело постоянной массы и ее изменение преобразуется в перемещение тела, называется чувствительным элементом. Большинство современных гравиметров являются механическими. Чувствительный элемент такого гравиметра называется упругой системой, которая является главным узлом любого гравиметра [2].

Существует много типов гравиметров. Первый отечественный кварцевый астазированный гравиметр ГАК-3М был создан в 1953 г. во ВНИИ Геофизики группой специалистов, возглавляемой К.Е. Веселовым. В дальнейшем на его основе были разработаны гравиметры ГАК-ПТ, ГАК-7Т, ГАК-7Ш и др. Наиболее широкое применение на практике нашел гравиметр ГАК-7Т. Погрешность измерения силы тяжести этим гравиметром в зависимости от применяемой методики наблюдения составляет 0,03–0,06 мГал.

Основные характеристики гравиметров приведены в стандарте ГОСТ 13017–83 «Гравиметры наземные. Общие технические условия» и в стандарте СЭВ 5578–86 «Общие технические требования и методы испытаний».

Все типы гравиметров различаются конструктивными особенностями устройства упругих систем, что влияет на их точностные характеристики. Механическая часть у всех гравиметров остается практически неизменной, что упрощает процесс изготовления и наладки чувствительных систем [3].

Рассмотрим устройство и работу гравиметра наземного узкодиапазонного кварцевого второго класса точности ГНУ-КВ. Этот гравиметр применяется для детальных разведочных работ. Погрешность измерения им силы тяжести в рейсах продолжительностью не более 4 часов составляет ±0,03 мГал, порог чувствительности ±0,006 мГал. Вес прибора 4,5 кг. Данный гравиметр представлен на рисунке 2.

Рис.2 Гравиметр: а) внутренняя часть прибора; б) общий вид прибора; в) транспортировочный футляр цилиндрической формы, изготовленный из жести

Средняя часть гравиметра (рис.3) помещена во внешний кожух 1, который представляет собой полый цилиндр из листовой нержавеющей стали диаметром 132 мм с зеркальной внешней поверхностью.

Рис.3. Составные части гравиметра

Внутрь кожуха помещен цилиндр из пенопласта 2, в который вставляется сосуд Дьюара 3, а в него плотно входит средняя часть гравиметра 5. Уплотнение достигается с помощью шерстяного чехла 4, одеваемого на среднюю часть. Шерстяной чехол выполняет также роль теплоизолятора и предотвращает соприкосновение металла средней части гравиметра со стеклянными стенками сосуда Дьюара, предохраняя, тем самым, последний от разбиения.

Нижний торец цилиндра внешнего кожуха соединен с массивным основанием из текстолита, на котором по окружности, через 120°, укреплены три установочных винта. На нижней части подъемных винтов укреплены шарнирные круглые подпятники, которые увеличивают площадь опоры гравиметра на грунт.

На верхней части винтов находятся головки из эбонита, с помощью которых вращаются подъемные винты. Средняя часть прибора состоит из основания кварцевой системы, теплозащитного столба и верхней панели.

Кварцевая упругая система. Главной частью прибора является упругая кварцевая система, изготовленная из чистого кварцевого стекла (плавленый кварц), которая изображена на рис.4. Она состоит из следующих основных узлов: чувствительного элемента, представляющего собой вертикальный сейсмограф Голицина, трех пружин (главной 1, измерительной 2 и диапазонной 3), а также устройства для температурной компенсации 10–15,17. Все перечисленные элементы смонтированы на кварцевом каркасе 16, который посредством стойки 29 прикреплен к верхнему основанию корпуса гравиметра 30.

Рис.4. Кварцевая упругая система гравиметра ГНУ-КВ

Принцип действия системы заключается в следующем: при изменении силы тяжести маятник 5 будет отклоняться от первоначального положения равновесия до тех пор, пока силы, вызванные деформацией главной пружины и нитей подвеса маятника 9, не уравновесят изменение силы тяжести. Главная пружина соединена с маятником таким образом, что при изменении силы тяжести возникает дополнительный упругий момент силы главной пружины, знак которого совпадает со знаком изменения силы тяжести. Упругий момент, создаваемый главной пружиной 1 примерно в 100 раз больше остальных упругих моментов (диапазонной, измерительной и сил кручения нитей подвеса). Поэтому очень небольшие изменения силы тяжести вызывают большие деформации пружины и, следовательно, большие углы поворота маятника. Такие системы называются астазированными. При изменении наклона гравиметра изменяется его чувствительность. Если гравиметр наклоняется так, что прибор со стороны груза маятника поднимается относительно горизонта, то чувствительность возрастает. При наклоне в обратную сторону чувствительность уменьшается. Нормальное рабочее положение системы соответствует такому наклону всего прибора, при котором ось вращения маятника и центр тяжести груза лежат в одной горизонтальной плоскости, которая называется главной плоскостью гравиметра. Это положение соответствует минимальной чувствительности гравиметра к наклону [4].

Система нивелирования. Система нивелирования (рис.5) состоит из трех подъемных винтов 14 и двух цилиндрических уровней 7 и 10, оси которых расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях. Подъемные винты смонтированы на массивном основании из текстолита и расположены относительно друг друга, по окружности, через 120°. Уровень, ось которого параллельна линии соединяющей два подъемных винта, называется поперечным. Он контролирует горизонтальное положение нити подвеса маятника, которая параллельна оси поперечного уровня. Уровень, ось которого расположена по направлению третьего винта, называется продольным. Его ось расположена вдоль рычага маятника. Этот уровень контролирует горизонтальное положение маятника.

Рис.5. Система нивелирования

При высокоточных измерениях силы тяжести необходимо следить за тем, чтобы при нивелировании гравиметра его высота не менялась более чем на 3 мм, что соответствует изменению силы тяжести примерно на 1 мкГал. Обычно прибор нивелируют двумя подъемными винтами при неподвижном третьем.

Электрическая система. Система состоит из источника электропитания, электрической лампочки, электрического кабеля и системы подключения электроэнергии. В качестве источника электропитания используются или щелочные аккумуляторы типа СГД-5 емкостью 10 ампер-часов, или плоские батареи для карманного фонаря с выходным напряжением 4,5 В. Для увеличения емкости обычно составляют блок из двух-трех батарей, соединенных параллельно. Источником света является электрическая лампочка напряжением 2,5 или 3,5 В и током 0,15–0,25 А.

Оптическая система. Оптическая система гравиметра (рис.6) состоит из конденсора 2, создающего равномерное распределение светового потока от электрической лампочки 1, стеклянной призмы 3, обеспечивающей поворот светового луча на 180°, объектива 4 с фокусным расстоянием около 30 см и окуляра 5 с увеличением 20 крат, позволяющего рассматривать изображение индекса маятника 6 на окулярной шкале 7.

Рис.6. Оптическая схема гравиметра

Измерительная система. Система предназначена для определения величины отклонения маятника от горизонтального положения под действием силы тяжести. Основной частью измерительного устройства является микрометренный винт 11 (рис.5), который одним концом связан с подвижным штоком 38, а другим – с отсчетным устройством 7. С подвижным штоком микровинт связан через шарик 14. Постоянный контакт между ними обеспечивается люфтовыбирающей пружиной 42. Величина угла поворота микрометрического винта является мерой изменения силы тяжести, которая определяется счетчиком (рис.7).

Рис.7. Отсчетное устройство гравиметра

Микровинт имеет шаг (расстояние между витками резьбы) 0,5 мм. Погрешность микрометрического винта, как правило, не превышает 10 микрон (1 мк = 1 ⋅ 10–6м). Жесткость измерительной пружины подбирается такая, чтобы один оборот микровинта, перемещающегося на 0,5 мм, соответствовал изменению силы тяжести на 6–8 мГал. Полный ход микровинта 7,5 мм (15 оборотов), что соответствует диапазону измерения силы тяжести без перестройки 90–120 мГал.

Диапазонная система. Система служит для перестройки диапазона измерения силы тяжести на другой интервал, допустим от 100 до 200 мГал. Устройство состоит из диапазонной пружины 3 (рис.4), нижний конец которой прикреплен к заднему отростку рычага маятника 26, а верхний приварен к подвижному штоку диапазонного винта 21. Жесткость диапазонной пружины в 50–80 раз больше жесткости измерительной. Она такова, что перемещение штока на 0,5 мм (на один оборот) соответствует изменению силы тяжести на 200–300 мГал. Полный ход винта 5–7 мм. Таким образом, изменение полного диапазона измерения силы тяжести будет составлять 2 000–3 000 мГал.

Вакуумное устройство. Для исключения влияния давления воздуха и температуры на показание гравиметра, из объема, в котором находится кварцевая чувствительная система, откачивается воздух. Откачивание воздуха производят вакуумным насосом через вакуумный кран (рис.8).

Рис.8. Вакуумное устройство

Остаточное давление в герметизированном корпусе составляет 1–3 мм рт. ст. (133,3–399,9 Па). Вакуумное устройство позволяет откачать воздух из герметичной камеры без разборки средней части гравиметра.

Термостатирование гравиметра. Под действием температуры изменяются параметры пружин и нитей подвеса маятника, что приводит к кажущемуся изменению силы тяжести. Чтобы исключить влияние температуры на показания прибора, необходимо поместить упругую систему гравиметра в термостат-устройство, поддерживающее постоянную температуру в объеме, где находится чувствительная система. В практике гравиметрических работ применяют или активное или пассивное термостатирование.

Активное термостатирование применяется в маятниковых приборах, в гравиметре ГАГ-2, и обычно, в гравиметрах с металлической упругой системой. При этом увеличивается вес прибора [5].

В гравиметрах типа ГНУ выполняется пассивное термостатированте. В качестве пассивного термостата используется сосуд Дьюара – стеклянная колба с двойными стенками, из пространства между которыми откачан воздух (рис.9).

Рис.9. Схема активного термостата

В качестве теплоизоляторов в гравиметре выступают также цилиндр из пенопласта и шерстяной чехол, одеваемый на внутренний корпус гравиметра.

Кроме того, верхний кожух гравиметра имеет зеркальную поверхность, которая отражает солнечные лучи. Внутренняя поверхность футляра транспортировочного ящика покрыта поролоном. Остаточный температурный эффект исключается температурным компенсатором чувствительной системы гравиметра. Изменение температуры внутри гравиметра фиксируют ртутным термометром с ценой деления 0,5 °С.

Литература:

1. Грушинский Н. П. Основы гравиметрии. — М.: «Наука», 1983. — 351 с.

2. Грушинский Н.П., Сажина Н.Б. Гравитационная разведка. – М. : Недра, 1988. — 364 с.

3. ГОСТ 13017-83 – Межгосударственный стандарт «Гравиметры наземные. Общие технические условия». – ИПК Издательство стандартов. – Москва.

4. А. В. Ладынин, А. Н. Василевский, А. А. Попова. Методическое пособие – Учебная полевая практика по гравиразведке и магниторазведке (на полигоне Шира). – Новосибирский государственный университет, 2000. – 69 с.

5. Кузьмин, В.И. Гравиметрия: учеб. пособие / В.И. Кузьмин. – Новосибирск: СГГА, 2011. – 193 с.

Код для цитирования: Скопировать