- •Предисловие редактора перевода
- •Предисловие к русскому изданию
- •1. Введение
- •1.1. Задачи гравиметрии
- •1.2. Историческое развитие
- •1.3. Национальные и международные организации
- •2. Теория поля силы тяжести
- •2.2. Основные соотношения в поле силы тяжести
- •2.3. Геометрия поля силы тяжести
- •2.4. Модели поля силы тяжести
- •2.5. Системы высот
- •2.6. Возмущения поля силы тяжести
- •2.7. Статистическое описание гравитационного поля
- •3.1. Нормальное поле силы тяжести Земли
- •3.2. Аномалии в свободном воздухе
- •3.5. Гравитационные поля Луны и планет
- •4.1. Сила тяжести в физике
- •4.2. Поле силы тяжести и геодезия
- •4.3. Поле силы тяжести и геофизика
- •5. Абсолютные измерения силы тяжести
- •5.3. Маятниковый метод
- •6. Относительные измерения силы тяжести
- •6.1. Динамический метод
- •6.4. Калибровка относительных гравиметров
- •6.5. Статические пружинные гравиметры
- •6.6. Источники ошибок и точность измерений
- •7.2. Измерения силы тяжести на подвижном основании
- •7.3. Морские и аэрогравиметрические системы
- •7.4. Источники ошибок и точность измерений
- •7.5. Инерциальная гравиметрия
- •8. Гравитационная градиентометрия
- •8.1. Теоретические основы
- •8.2. Стационарная гравитационная градиентометрия
- •9.2. Гравиметрические сети
- •9.4. Хранение результатов измерений
- •10.1. Приборы и методы измерений
- •Литература
- •Предметный указатель
- •Содержание
Введение |
25 |
ми отношение наблюдаемых и теоретических припивных амплитуд. Вначале это отноше
ние считали постоянным для всей Земли. В 1949 г. синхронные наблюдения, проводившие
си в течение двух недель на 26 станциях, распределенных по всей поверхности Земли, дали величину 1,2 [21]. Длительная регистрация во время Международного геофизического года (1957) выявила местные изменения этого коэффициента. Томашек [684] указывает на воз можность использования такой информации для изучения неоднородностей земной коры. После 1960 г. совершенствование припивных гравиметров приводит к повышению точнос
ти до ± 1-1 О нм · с - 2 • Новые возможности открылись с созданием сверхпроводящего
прецизионного гравиметра с высокой долговременной стабильностью [544]. С начала
1970-х rr. гравиметрические припивные исследования стали проводиться главным образом
по глобальным программам наблюдений для изучения взаимодействия океанических и земных приливов [388, 452].
Появление статических гравиметров положило начало успешным наблюдени
ям неприливных изменений силы тяжести. Особый интерес здесь представляют
изменения силы тяжести в активных тектонических зонах.
В 1938 г. Шлезенер [595] создал гравиметрическИй профиль в Северной Ислан дии с целью обнаружения из повторных измерений временнЬ1х вариаций силы тяжести в зоне молодого вулканизма. Начиная с 1960 г. стали возможны повтор ные гравиметрические наблюдения с новой аппаратурой в различных районах. Эти наблюдения привели к обнаружению локальных изменений силы тяжести, связанных с геодинамическими (землетрясения, вулканизм, изостатические подъ
емы) и техногеиными процессами в близповерхностных слоях (добыча ископае
мых, промышленное строительство). Однако пока крупномасштабные долгопе
риодические или вековые изменения со всей определенностью не доказаны. Воз
мущающими эффектами при таких исследованиях являются локальные
перемещения масс, в их числе изменение уровня грунтовых вод и вариации ат
мосферного давления.
1.3. Национальные и международные организации
Измерения силы тяжести выполняют многочисленные государственные и част
ные организации. Для широкого использования гравиметрических данных необ
ходимы международное сотрудничество и координация, которые осуществляет
Международная ассоциация геодезии (МАГ). Огромное значение имеют архивы
гравиметрических данных в национальных и меfКдународных базах данных.
1.3.1.Национаnьные организации
Измерениями силы тяжести занимаются организации, связанные с исследования ми по физике, геодезии и геофизике.
В области физики организации, занимающиеся метрологИей и стандартиза
цией, решают задачу установления гравитационного стандарта по измерениям
силы тяжести. Это делается для установления единицы силы и других производ
ных единиц. Кроме того, некоторые организации проводят исследования с целью
определения гравитационной постоянной как фундаментальной физической ве
личины.
26 |
Глава 1 |
В качестве примеров отметим: Международное бюро мер и весов (Севр), Федераль
ный физико-технический институт (Брауншвейг), Германский институт стандартизации и измерительной техники (Берлин), Национальную физическую лабораторию (Теддингтон), Национальное бюро стандартов (Вашингтон), Институт метрологии (Ленинград)-
Национальные гравиметрические сети создают главным образом геодезиче ские службы. Эти сети покрывают территории стран опорными гравиметриче
скими пунктами. Кроме того, выполняется гравиметрическая съемка вдоль линий
нивелирования. Геодезические службы отвечают и за создание национальных баз
гравиметрических данных, привлекая к сотрудничеству другие организации.
Примерами таких служб являются государственные геодезические службы Федератив
ной Республики Германии, Национальная геодезическая съемка Национальной океаногра
фической съемки США, Индийская геодезическая служба и Институт географической съем ки Японии. Иногда и научные институты также примимают участие в создании опорных
гравиметрических сетей, оказывая консультации и выполняя часть полевых работ. Приме
рами таких институтов являются Германский геодезический научно-исследовательский инс титут (Мюнхен и Франкфурт-на-Майке), руководимый Германской геодезической комисси ей, Центральный институт физики Земли (Потсдам), Институт геодезии и геофизики Ака демии наук Китая (Пекин) и Центральный научно-исследовательский институт геодезии, аэросъемки и картографии (Москва).
Гравиметрическая съемка и создание карт аномалий силы тяжести в основном являются задачей геолого-геофизических служб.
Отметим следующие организации: Геологический исследовательский институт Ниж ней Саксонии (Ганновер), выполняющий работы в Федеративной Республике Германии,
Геологическая съемка США, Бюро геологических исследований (Франция), Институт гео логических наук (Великобритания), Геологическая съемка Японии и Геологическая съемка Канады (ранее Отделение физики Земли). Некоторые из этих служб проводят также гео
физические исследования.
гидрографические и океанографические службы, а иногда и специальные отде
лы геологических служб работают на акваториях.
Широкомасштабные морские гравиметрические работы, большей частью в сочетании
с другими океанографическими и геофизическими работами, выполняются Германским гидрографическим институтом (Гамбург), Федеральным институтом наук о Земле и мине
ральных ресурсов (Ганновер), Институтом геологических наук (отдел морской геофизики)
и Институтом океанографических наук (Великобритания), ГИдрографическим отделом
(Япония), Геологической съемкой и Национальной океанографической съемкой США, Ка надской гидрографической службой, а также целым рядом университетских отделений,
например Ламонтской геологической обсерваторией Колумбийского университета
(Нью-Йорк).
В рамках своих основных задач гравиметрические съемки выполняют также
институты полярных исследований и военные службы.
Теоретическими, инструментальными и методологическими аспектами грави метрических исследований занимается ряд геологических и геофизических факуль тетов университетов. Здесь основное внимание уделяется повышению точности измерений и обработке результатов, созданию калибровочных базисов и прецизи онных гравиметрических сетей для изучения временнь1х вариаций силы тяжести,
Введение |
27 |
а также разработке моделей для последующего использования в геодезии и гео физике.
И наконец, назовем компании, выполняющие геофизическую разведку, и гео физические отделы больших нефтедобывающих и шахторазрабатывающих пред
приятий. Они занимаются измерениями силы тяжести для изучения геологиче
ских структур.
Основанная Л. Минтропом компания Seismos GmbH в 1921 г. стала первой компанией, специализирующейся на прикладной геофизике. Сейчас компания Prakla-Seismos (Ганна вер) - одна из десяти крупнейших геофизических компаний в мире. Другие компании, из
вестные во всем мире: Геофизическая служба, Инк. (Texas Instruments, Даллас и Хьюстон);
Геофизическая компания Уэстери (Litton lndustries, Хьюстон); Главная геофизическая ком
пания (Париж).
1.3.2.Международное сотрудничество
В 17 и 18 вв. сотрудничество ученых на национальном, а вскоре и на междуна родном уровне получило сильную поддержку благодаря созданию научных акаде
мий. Следует отметить Национальную академию наук, Рим (1603), Королевское
научном общество, Лондон (1660), Академию наук, Париж (1666), Прусскую (1700) и Баварскую (1759) академии наук. Значительная часть исследований по
определению фигуры Земли, как указано в разд. 1.2.1 и 1.2.2, была начата и Под
держана этими академиями.
В соответствии с предложением прусекого генерала И.И. Байера (17941885) в Берлине в 1862 г. было основано международное общество «Среднеев ропейское градусное измерение», которое позже изменило название на «Европей ское градусное измерение» (1867 г.) и Международное геодезическое общество (Международную ассоциацию геодезии) (1887 г.). Первым президентом был гене рал Байер [411]. После смерти Байера руководство ассоциацией в 1887 г. принял
Ф.Р. Гельмерт, директор Прусекого геодезического института, что послужило
расширению международного сотрудничества.
К гравиметрической деятельности Международного геодезического общества с 1864
по 1914 I'.относятся создание и применение маятникового прибора Репсольда, инструмен
тальные и теоретические исследования источников ошибок измерений, измерения с маят
никовыми приборами Штернека, абсолютные измерения в Потсдаме, установление миро вой гравиметрической системы (Венская и Потедамская системы), первые гравиметриче ские определения на океанах, наблюдения земных приливов, а также сбор и публикация
гравиметрических данных.
В 1917 r. Международное геодезическое общество прекращает свое существо
вание, а геодезию в Международном геодезическом· и геофизическом союзе
(МГГС), основанном в 1919 r., начинает представлить Международная ассоциа ция геодезии. Проблемы гравиметрии продолжают играть важную роль в науч
ных программах МАГ.
На Генеральных ассамблеях МГГС и МАГ заслушиваются доклады по гравитацион
ному полю, изостазип и земным приливам. Основные усилия с 1922 по 1939 г. направлены
на получение гравиметрических данных по всему земному шару, определение фигуры геои-
28 |
Глава 1 |
да и общеземного эллипсоида, контроль и совершенствование мировой гравиметрической системы, выполнение измерений силы тяжести на океанах, введение формулы нормальной
силы тяжести и исследования по изостазии.
После 1945 г. раздел гравиметрии в МАГ был реорганизован и структура его была изменена. Гравиметрией стала заниматься одна из пяти секций МАГ. В за
дачи Секции 111 «Определение гравитационного поля» входят (1987 г.) «абсолют
ные и относительные наземные измерения силы тяжести, неприливные вариации
силы тяжести, определение внешнего гравитационного поля и геоида методами
гравиметрии, градиентометрии, геодезической астрономии, спутниковыми и
инерциальными методами, обработка и определение параметров гравитационно го поля». Секцией руководит президент, избираемый на четыре года, ему помо гают два секретаря. В их задачи входит представление докладов на Генеральные ассамблеи МАГ, проводимые каждые четыре года, и составление программ их
работы [699]. С 1951 г. работает постоянная Международная гравиметрическая
комиссия, состоящая из представителей различных стран и занятая задачами,
требующими международного сотрудничества и организации. В 1987 г. с целью
усиления международного сотрудничества для определения фигуры геоида с вы
сокой точностью была образована Комиссия по изучению геоида. На ограничен ное время организуются Специальные исследовательские группы, решающие проблему при тесном взаимодействии специалистов в различных областях. Осо бенно важна роль Международного гравиметрического бюро (МГБ) как агент ства по сбору, обработке и распространению гравиметрических данных. МГБ - это постоянный институт Федерации астрономических и геофизических служб (ФАГС), находится в Тулузе (Франция) под эгидой Группы исследований по кос мической геодезии Национального центра космических исследований. Его поддер
живают Бюро геологических исследований (Орлеан), а также Национальный гео
графический институт (Париж).
Изучением земных приливов занимается Комиссия по земным приливам; она существует с 1959 г. в составе Секции V «Геодинамика» МАГ. С 1957 г. в Коро левской бельгийской обсерватории (Брюссель) действует Международный центр
земных приливов. Он собирает результаты наблюдений земных приливов. Кроме
того, в последние годы были осуществлены программы наблюдений по всему
миру.
За региональные рамки выходит также мировая база гравиметрических данных (Гра
виметрическая библиотека Управления МО США) при Аэрокосмическом центре Агентства оборонного картографирования (DMAAC) США в Сент-Луисе, а также Мировой центр
данных по физике твердой Земли в Боулдере (шт. Колорадо), подчиненный Национально му управлению по изучению океана и атмосферы (NOAA) и собирающий гравиметриче ские данные по территории США и акваториям океанов.
1.3.3.Научные сообщения и документация
Секция 111 МАГ «Определение гравитационного поля» проводит совместно с дру гими секциями специальные симпозиумы во время Генеральных ассамблей МАГ.
В перерьшах между ассамблеями происходят заседания Международной грави
метрической комиссии, а также симпозиумы, совещания рабочих групп и другие
Введение |
29 |
заседания специальных исследовательских групп. Сообщения и результаты науч ных исследований, изложенные на этих встречах, публикуются в сборниках тру дов «Proceedings» или в научных журналах. Международное гравиметрическое бюро и Международный центр земных приливов издают соответственно инфор
мационный бюллетень «Bureau Gravimetrique International» и журнал «Marees Ter-
restres», содержащие статьи, документы и ссылки на научную литературу. Хоро шие обзоры работ содержатся в Национальных докладах, представляемых на Ге
неральные ассамблеи МАГ.
Систематизированное изложение гравиметрических исследований содержится
в учебниках по геодезии и геофизике. В геодезических и геофизических журналах
публикуются результаты отдельных работ. Из геодезических журналов назовем «Bulletin Geodesique», Париж (журнал МАГ); из геофизических журналов -
«Bolletino di Geofisica teorica ed applicata», Триест; «EOS-'Itansactions American Geophysical Union», Вашингтон; «Geophysical Journal», Окефорд (который с 1988 г. объединяет журналы «Annales Geophysicae, Series В», «The Geophysical Journal of the Royal Astronornical Society», а также «Journal of Geophysics/Zeitschrift fur Geophysik»); далее журналы «Geophysical Prospecting», Гаага; «Geophysics», Талса, шт. Оклахома; «Gerlands Beitrage zur Geophysik», Лейпциг; «Journal of Geophysical Research-Section В, Solid Earth and Planets», Вашингтон; «Reviews of Geophysics», Вашингтон; «Tectonophysics», Амстердам.
Наконец, отметим следующие периодические издания: NOAA-NOS - «Natio-
nal Geodetic Survey Technical Reports», Роквилл, шт. Мэриленд; «Observatoire Royal de Belgique - Communications - Serie Geophysique», Брюссель; «PuЬlications of the Finnish Geodetic Institute», Хельсинки; «Reports of the Department of Geodetic
Science and Surveying», Университет шт. Огайо, Колумбус, шт. Огайо; «Verбf
fentlichungen der Deutschen Geodatischen Kommission bei der Bayerischen Academie der Wissenschaften», Мюнхен; «Verбffentlichungen des Zentralinstitutes fiir Physik der Erde», Потсдам; «Wissenschaftliche Arbeiten der Fachrichtung Vermessungswen der Universitat Hannover», Ганновер.