Аппаратура. Гравиметры и градиентометры.

 

В настоящее время применяют три способа измерения силы тяжести: маятниковый, свободного падения и статический. Эти измерения проводят с помощью маятников, гравиметров, градиентометров и вариометров. Гравиметрами называют приборы, предназначенные для измерений абсолютного значения силы тяжести или для изменений по отношению к исходному значению в некоторой точке. С помощью вариометров и градиентометров измеряют скорость изменения силы тяжести в вертикальном и горизонтальном направлениях. Маятниковый способ и способ свободного падения тела используют для измерения абсолютных значений силы тяжести, под которыми понимают независимые для каждого пункта наблюдения значения, полученные посредством измерения времени и пути на основе использования эталонов времени и длины.

Маятниковый способ измерения силы тяжести основан на определении периода колебаний свободно качающегося маятника, который определяется выражением

 

( 3 - 19 )

 

Если измерить период Т и длину маятника l, то можно найти значение силы тяжести g в данной точке.

Способ свободного падения тел основан на законе, связывающем путь S, пройденный свободно падающим телом, и время t. Значение силы тяжести вычисляют по формуле

 

g = 2S / t².

 

Для этой цели созданы лазерные гравиметры, позволяющие измерять значения силы тяжести с погрешностью 2 10 ^-7 мс^-2. Абсолютные измерения выполняют лишь в редких пунктах, главным образом в обсерваториях.

Широкое применение нашел способ относительных измерений силы тяжести, позволяю-щий измерять приращение Dg по отношению к ее значению в исходной точке. Первые такие измерения проводили при помощи маятниковых приборов. Измеряя периоды колебания Т₁ и Т₂ одного и того же маятника в двух пунктах при постоянной длине маятника и зная значение силы тяжести g₁ в первом пункте, можно определить ее величину во втором пункте

 

g₂ = g₁ T₁ ² / T₂ ^{2 .} ( 3 - 20 )

Относительные измерения с маятниковыми приборами используют, в основном, для создания опорных гравиметрических сетей. При этом погрешности измерения D g не превышают 0, 03 10^{-5 м с-2} на суше и 10^{-5 м с-2} на море.

Статический способ относительных измерений силы тяжести основан на принципе компенсации силы F=mg, развиваемой массой m в силовом поле g силой упругой пружины или закручиваемой нити. Они работают по принципу пружинных весов ( рис. 3.6). На упругой пружине длиной l_o подвешена масса m. Растяжение пружины на длину D l пропорционально нагрузке t _n ( l - l_o )= t _n Dl = m D g. Проводя относительные измерения в точках 1 и 2, можно определить

 

Dg = mg₁ - mg₂ = Dl / (t _n / m ) . ( 3 - 21 )

 

 

 

 

Рис. 3.6. Схематическое устройство гравиметров ( а) пружинный и б) крутильный), использующих статический способ относительных измерений силы тяжести.

 

 

Следовательно, приращение длины пропорционально изменению силы тяжести. Все приборы, которыми измеряют силу тяжести статическим способом являются относительными. Наиболее широкое распространение получили кварцевые гравиметры, в которых груз в виде рычага (маятника) закрепляется на горизонтальной упругой нити: совершая вращательные движения по отношению к горизонту. Метод измерения - компенсационный. Компенсацию осуществляют путем изменения крутильного момента нитей подвеса маятника, При этом угол закручивания нитей изменяется при повороте измерительной рамки, и маятник возвращается в горизонтальное положение. Изображение отсчетного индекса совмещают с отсчетным штрихом окулярной шкалы микроскопа с помощью микрометрического винта. Изменение отсчета по отсчетному устройству от пункта к пункту служит мерой изменения силы тяжести между пунктами.

Для защиты от внешних изменений температуры, упругую кварцевую систему монтируют в специальном корпусе и помещают в сосуд Дьюара. Корпус кварцевой системы герметически закрыт, и показания гравиметра не зависят от изменения атмосферного давления. Перед снятием отсчета гравиметр обязательно нивелируют по уровням с помощью подъемных винтов.

Основными характеристиками гравиметров являются минимальная чувствительность к углу наклона, цена деления отсчетного устройства, температурная характеристика, чувствительность системы, величина смещения нуль-пункта, погрешность единичного измерения и другие.

Смещение " нуль-пункта" гравиметра проявляется в непрерывном, медленном и нелинейном изменении отсчетов с течением времени даже при неизменном значении силы тяжести. Это происходит из-за деформации упругой системы под воздействием температуры и больших нагрузок, а также старения пружин. Смещение нуль-пункта определяют в процессе полевых работ по повторным наблюдениям в одних и тех же пунктах как внутри рейса, так и в разных рейсах. Погрешность единичного наблюдения относительных гравиметров определяют по результатам нескольких наблюдений гравиметром в одних и тех же пунктах в рейсах продолжительностью 4 часа. Погрешность единичного измерения составляет (0, 03 - 0, 06)× 10-5мс-2.

Отечественные кварцевые гравиметры были разработаны во ВНИИГеофизики. Они получили название ГАК. Последние модели назывались ГНУ (гравиметр наземный узкодиапазонный ). На базе ГНУ построены донные гравиметры для гравиразведки на дне моря в области шельфа.

Для относительных измерений силы тяжести на борту судна в движении используют морской набортный гравиметр ГМН-К. Для устранения влияния наклонов судна кварцевая система связана с гидростабилизатором. Выполнение отсчета в гравиметре производится с помощью следящей системы. Погрешность единичного измерения на море составляет (0, 5 - 1, 5)× 10-5мс-2.

Измерение силы тяжести в вертикальных скважинах ( при их отклонении от вертикали менее 5 градусов) проводят скважинным гравиметром ГС 110 внешним диаметром 110 мм.. Погрешность единичного измерения такими гравиметрами менее 0, 3 × 10-5мс-2.

 

В последние годы в гравиметрии используются струнные гравиметры ВНИИГеофизики в наземном и аэровариантах, струнные скважинные гравиметры фирм “ЭССО и Шелл”. Чувствительным элементом в них является металлическая нить с подвешенным на ней грузом.. Мерой приращения Dg в струнных гравиметрах является изменение частоты колебания струны, т.к. её натяжение и период колебания зависят от изменения силы тяжести. Погрешность единичного измерения около 0, 05 10 ^-5 мс^-2

Измерение силы тяжести в вертикальных скважинах (при их отклонении от вертикали ме-

нее 5 градусов) проводят скважинными гравиметрами. Погрешность единичного измерения - менее 0, 3 10 ^-5 мс^-2.

В настоящее время активно разрабатываются аэромагнитные комплексы с цифровой и магнитной записью результатов измерений.

Для измерения вторых производных потенциала силы тяжести примеряют гравитацион-ные вариометры и градиентометры. С помощью первых измеряют горизонтальные состав-ляющие W_xz, W_yz градиента силы тяжести и кривизны W_xyи W_D. Градиентометры дают возможность определить только W_xz и W_yz. Работа всех градиентометров и вариометров основана на принципе крутильных весов Кулона. Простейшие крутильные весы представляют собой легкое горизонтальное коромысло с равными грузиками на концах, подвешенное на упругой нити (рис. 3.6). Коромысло может поворачиваться на нити, закручивая ее. Если несколько закрутить нить, коромысло будет в течение некоторого времени совершать затухающие колебания. При полном затухании оно займет положение равновесия. В однород-ном гравитационном поле на грузики действуют одинаковые силы, это положение равновесия устанавлвается при полностью раскрученной нити. Если же поле неоднородно, то сила тяжести, действующая на разные грузики, различна, и положение равновесия будет определяться соотношением параметров коромысла и гравитационных сил. По степени закручивания можно судить о горизонтальных градиентах и кривизне поля.

 

 

Рис. 3.6. Упрощённая чувствительная система вариометра: 1 - корпус прибора, 2 - упругая нить, 3 - коромысло, 4 - грузики.

 

Градиентометр является упрощенной моделью вариометра. У него расстояние между грузиками и осью вращения составляет 0, 5 см. Благодаря этому, система приходит в состояние равновесия через 2 - 3 мин после ее дезарретирования, что позволяет увеличить производительность труда в 6-8 раз по сравнению с производительностью работы с вариометрами.

Вариометры и градиентометры обычно используют при работах крупного масштаба, когда возмущающие объекты залегают на глубинне не более 100-200 м. В настоящее время эти приборы ни в России ни за рубежом не выпускаются.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: