2. Аппаратура, методика и обработка данных гравиразведки

2.1. Принципы измерений силы тяжести и аппаратура для гравиразведки Параметры, измеряемые в гравиразведке

Основным измеряемым параметром в гравиразведке является ускорение силы тяжести g, которое определяется либо абсолютно, либо относительно. При абсолютных измерениях получают полное (наблюденное) значение ускорения g_набд, при относительных - его приращение относительно некоторой исходной точки g_набл. Абсолютные значения используются для приведения в единую систему всех гравиметрических измерений на земном шаре, получения коэффициентов для формулы нормального поля g_н, а также для метрологических целей. Относительные измерения являются основным способом в гравиразведке.

Методы измерения ускорения силы тяжести и его приращения делятся на динамические и статические. В таблице 2.1. приведена характеристика этих методов.

Методы измерения силы тяжести в гравиразведке

Таблица 2.1.

Метод измерения	Динамический		Статический
Наблюдаемый процесс	Движение тела под действием силы тяжести		Изменение положения равновесия
Измеряемые параметры	Время перехода тела из одного положения в другое (Т)	Частота смены положений (f)	Линейное смещение тела (dl)	Угловое смещение тела (d)
Принципы измерения	Маятниковый Баллистический	Струнный	Компенсация действия силы тяжести упругими или электростатическими силами

Реже в гравиразведке измеряются вторые производные гравитационного потенциала.

Динамические методы

а). Маятниковые приборы.

Маятниковые приборы применяются как для абсолютных, так и относительных измерений силы тяжести (табл. 2.2). Их главное преимущество – неограниченный диапазон измеряемых значений силы тяжести.

Характеристика измерений с маятниковыми приборами

Таблица 2.2.

Вид измерений	Абсолютные	Относительные
Измеряемые величины	Т - период колебаний, L – приведенная длина маятника	Т1, Т2 - периоды колебаний в точках измерений 1 и 2
Расчетные формулы
Точность измерений	1-3 мГал	Наземные - 0,06 мГал Морские – 5-10 мГал

Маятниковые приборы характеризуются медленным и плавным изменением зависимости показаний в одной и той же точке от времени, вызванным старением измерительной системы, так называемым «сползанием нуль-пункта».

При измерениях маятниковыми приборами в движении, например, при морских съемках, влияние качки снижают, применяя несколько маятников, закрепленных на одном основании.

б). Баллистические приборы.

Баллистические приборы измеряют абсолютные значения силы тяжести. Они основаны на способе падающего груза. Сила тяжести определяется с помощью уравнения равномерно ускоренного движения:

, (2.1)

где S – путь, пройденный телом за время t, при начальной скорости V₀ и ускорении свободного падения g. Для падающего тела в нескольких точках траектории падения измеряются пары значений время t и расстояние S и решается система уравнений типа 2.1 относительно g. Примером такого прибора является ГАБЛ – гравиметр абсолютный баллистический лазерный, принцип действия которого показан на рис 2.1. Пучки света 1 и 2, создаваемые лазером, проходят различные пути, а затем сводятся вместе и интерферируют. Разность хода этих лучей , связанная с числом полос интерференции N, равна:

,

где  - длина волны лазерного луча. Разность хода определяют на различных временах и на этой основе получают значения g. Точность измерений достигает 0,001мГал. Измерения отличаются большой трудоемкостью и выполняются в специальных обсерваториях. В России наиболее важные обсерватории находятся в Пулково(Ленинградская обл.), Москве, Казани, Новороссийске, Петропавловке-Камчатском.

Рис.2.1. Принцип действия ГАБЛ: 1 – луч, проходящий из лазера 3 через расщепитель луча 4 (полупрозрачные зеркала), зафиксированный со временем t1 2 – луч, отразившийся от зеркал 4 и преломившийся через падающую стеклянную призму с уголковым отражателем 5 зафиксированный со временем t2, 6 – предыдущее положение призмы, 7 - счетчик полос интерференции, 8 - атомные часы

в). Струнные приборы

Струнные приборы используются для относительных измерений силы тяжести. В качестве чувствительного элемента они имеют струну, натянутую, подвешенным на ней грузом. Частота колебаний струны зависит от силы тяжести следующим образом:

,

где l – длина струны, m – масса струны, i – линейная плотность струны. Сила тяжести определяется путем измерения приращения частоты f по отношению к опорной частоте f₀ на опорном (эталонном) пункте:

,

где g₀ – сила тяжести на опорном пункте. Схема струнного гравиметра показана на рис. 2.2. Для включения струны в колебательный процесс на ее концы подается переменное напряжение. Измерения производятся с помощью емкостного датчика, между пластинами которого расположена струна. Частота колебаний струны соответствует частоте сигнала, регистрируемого датчиком. Измеренная частота пересчитывается в значения силы тяжести.

Рис. 2.2. Схема струнного гравиметра: 1 – струна, 2 – масса, натягивающая струну, 3 – ограничитель колебаний массы, 4 – контур переменного напряжения, N - S – магнитное поле для создания незатухающих колебаний

Важными достоинствами струнных гравиметров являются:

- автоматическая регистрация изменения частоты,

- возможность измерений на движущейся платформе,

- небольшая зависимость от температуры.

В связи с этим струнные гравиметры применяются в морских, воздушных и скважинных наблюдениях. Точность измерений 0,5 -1 мГал.