Гравиметр

Гравиметр Holweck-Lejay № 628 с подставкой № 33 (GI-683), изготовленный во Франции, факультет наук о земле Утрехтского университета

Грави́метр (от лат. gravis — тяжёлый и от греч. μέτρον — ме­ра, раз­мер, от греч. μετρέω — ме­рить, из­ме­рять) — прибор, предназначенный для из­ме­ре­ния си­лы тя­же­сти, приходящей­ся на еди­ни­цу мас­сы те­ла (ус­ко­ре­ния си­лы тя­же­сти). Раз­ли­ча­ют абсолютный и от­но­си­тель­ный спо­со­бы из­ме­ре­ния. В относительном способе мож­но определить лишь при­ра­ще­ние зна­че­ния си­лы тяжести в од­ной точ­ке от­но­си­тель­но дру­гой, где она из­вест­на. Та­кие гравиметр ну­ж­да­ют­ся в ка­либ­ров­ке (эта­ло­ни­ро­ва­нии).

История

Идея создания гравиметра, прибора, где гравитационная сила нейтрализуется упругостью газа или пружины, впервые озвучена Михаилом Ломоносовым. Интересуясь природой гравитации, он предложил способы её измерения, в частности, «универсальный барометр», фактически газовый гравиметр. Эта идея вновь рассмотрена спустя 180 лет и реализована Г. Гальком в 1930-х годах.

Современные гравиметры в основном представляют собой прецизионные пружинные или крутильные весы. Изменение гравитационного ускорения фиксируется по деформации пружины или углу скручивания нити, которые компенсируют силу тяжести небольшого груза. Сложность заключается в точном измерении этих деформаций, для чего применяются оптические, фотоэлектрические, ёмкостные, индукционные и другие методы регистрации. Чувствительность лучших моделей достигает микрогалов.

Наивысшая точность достигается при относительных измерениях, когда значения в исследуемой точке сравниваются с опорным значением g. В 1971 году создана международная гравиметрическая сеть IGSN 71, с началом в Потсдаме (Германия). Эта сеть охватывает различные регионы, включая океаны и Антарктику.

Абсолютные гравиметры измеряют абсолютное значение и изменения g. Их принцип основан на измерении параметров свободного падения оптического отражателя. Путь измеряется лазерным интерферометром (основан на длине волны лазера), а время — атомным стандартом частоты.

Гравиметры устанавливаются на земле, под землёй, а также на движущихся платформах (судах, самолётах, спутниках). При этом регистрируется изменение ускорения силы тяжести по траектории объекта. Сложность заключается в исключении влияния возмущающих ускорений и наклонов, связанных с движением.

В морской гравиметрии разрабатываются методы для устранения инерционных помех, значительно превышающих измеряемый сигнал. Она возникла в 1929-1930 годах, когда Феликс Андрис Венинг-Мейнес и Леонид Сорокин разработали маятниковый метод для измерений на подводных лодках, расширив знания о геологии океанов. Современные морские гравиметры используются для изучения геологического строения океанов и разведки нефтегазовых месторождений, особенно в Арктике.

Общие сведения

Принцип действия гравиметра основан на статическом подходе, при котором анализируется состояние покоя объекта, подверженного влиянию гравитации и эталонной силы. В качестве эталонной силы обычно выступает упругая деформация пружин или нитей.

Элемент, компенсирующий воздействие силы тяжести на тело с неизменной массой и преобразующий её вариации в перемещение объекта, называется чувствительным элементом. Значительная часть современных гравиметров использует механические компоненты. В таких гравиметрах чувствительный элемент представляет собой упругую систему, являющуюся ключевым компонентом любого гравиметра.

Существует разнообразие моделей гравиметров. Первый советский кварцевый астазированный гравиметр, ГАК-3М, разработан в 1953 году во ВНИИ Геофизики под руководством Константина Веселова. Впоследствии на его базе созданы гравиметры ГАК-ПТ, ГАК-7Т, ГАК-7Ш и другие. Наиболее распространённым в применении стал гравиметр ГАК-7Т. Точность измерения силы тяжести с использованием этого гравиметра варьируется в пределах 0,03-0,06 мГал, в зависимости от применяемой методики измерений. Основные параметры гравиметров определены в ГОСТ 13017-83 «Гравиметры наземные. Общие технические условия» и в стандарте СЭВ 5578-86 «Общие технические требования и методы испытаний».

Различия между типами гравиметров обусловлены конструктивными особенностями упругих систем, что сказывается на их точности. Механическая часть большинства гравиметров остаётся в основном неизменной, что облегчает производство и настройку чувствительных элементов.

Виды

Гравиметры классифицируются по способу измерения на статические и динамические. Динамические гравиметры, такие как баллистические и маятниковые приборы, используют для определения гравитации зависимость периода колебаний маятника от ускорения свободного падения. В динамических гравиметрах измерения проводятся абсолютным методом, опираясь на эталоны длины и времени для получения точных результатов.

В статических гравиметрах применяется относительный метод измерений. В них измеряется изменение веса тестовой массы, выступающей в роли чувствительного элемента, по деформации пружины или углу закручивания упругой нити, которая компенсирует это изменение. Также используются струнные гравиметры, принцип работы которых основан на зависимости частоты колебаний струны от веса, её растягивающего. Вариации веса пробного тела вызывают изменения показаний гравиметра в произвольных единицах (например, обороты микрометрического винта, изменения электрического напряжения, отклонения пишущего элемента и тому подобное). Сопоставление показаний статических гравиметров с данными, полученными с помощью баллистических гравиметров, позволяет провести калибровку условных единиц статических гравиметров, определить масштабный коэффициент и представить результаты в единицах ускорения, применяемых в гравиметрии — миллигалах (1 мГал=10⁻⁵ м/с²).

Колебания маятника: стрелками показаны векторы скорости (v) и ускорения (a)

Абсолютное измерение силы тяжести

Определение абсолютных значений гравитации основано на использовании физических процессов, напрямую зависящих от силы тяжести, таких как свободное падение объектов или периоды колебаний маятника. Эти подходы известны как динамические методы. Для точного определения абсолютной величины силы тяжести требуется скрупулёзное измерение двух ключевых параметров: временных интервалов и пройденных расстояний. Абсолютные измерения отличаются большей трудоёмкостью и необходимостью применения сложного оборудования и усовершенствованных методик. В связи с этим, в гравиразведке приоритет отдаётся относительным измерениям, проводимым в узком диапазоне вариаций силы тяжести, обычно не превышающем нескольких сотен мГал. Такой подход значительно упрощает процесс и ускоряет получение результатов.

Относительное измерение силы тяжести

При относительных гравиметрических измерениях, определяющих изменения силы тяжести относительно начальной точки, компенсация достигается за счёт силы упругости пружин или электростатических взаимодействий. Фиксируется состояние равновесия подвижного элемента прибора, будь то горизонтальный маятник или деформация вертикальной пружины. Измеряемой величиной является степень растяжения пружины под воздействием гравитации, деформация компенсирующей пружины в горизонтальном маятнике, либо электростатическое напряжение на конденсаторе маятника, создающее уравновешивающие силы. Для исключения влияния инерционных помех, необходимо обеспечить неподвижность чувствительного элемента гравиметра, поскольку прибор одинаково восприимчив как к изменениям гравитации, так и к инерционным воздействиям.

В относительных гравиметрах измерение силы тяжести опирается на стабильность упругих характеристик пружин. Поэтому для изготовления чувствительных элементов применяются плавленый кварц или специальные упругие сплавы. К недостаткам кварца относятся его хрупкость и высокая чувствительность упругих свойств к температурным колебаниям. В связи с этим, кварцевые гравиметры оснащаются температурными компенсаторами или электрическими термостатами, обеспечивающими высокую точность поддержания температуры чувствительного элемента. Для смягчения температурных перепадов блок чувствительной системы помещается в сосуд Дьюара. Схожим образом устроены чувствительные системы импортных кварцевых гравиметров, таких как Worden, Scintrex CG-1,2, Sodin. Эти гравиметры отличаются улучшенными параметрами и конструкцией. Учитывая уязвимость кварца, обращение с гравиметрами требует особой осторожности при транспортировке и эксплуатации.

В нефтегазовой отрасли

Гравиметрия функционирует, регистрируя вариации гравитационного поля, обусловленные неоднородностями плотности в земной коре. Поскольку залежи нефти и газа характеризуются пониженной плотностью относительно вмещающих пород, они создают локальные гравитационные аномалии. Высокоточные гравиметры улавливают даже незначительные флуктуации гравитации, возникающие из-за этих различий в плотности. Анализ зарегистрированных гравитационных аномалий позволяет выявлять области с пониженной плотностью, которые могут указывать на присутствие углеводородов.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Возможность обнаружения крупных подземных структур.
• Высокая точность обнаружения и локализации потенциальных месторождений.
• Экологическая безопасность благодаря неразрушающим методам измерений.
• Высокая производительность в полевых условиях и возможность продолжительных измерений.

Недостатки

• Смещение нуль-пункта.
• Необходимость эталонирования.
• Ограниченный диапазон.
• Нелинейность шкалы.

Литература

• Лозинская А. М., Федынский В. В. Гравиметр-высотомер // Прикладная геофизика. — 1953. — Вып. 10. — С. 3—28.
• Миронов В. С. Курс гравиразведки. — Л.: Недра, 1972. — 512 с.
• Гайнанов А. Г., Красный Л. И. Строев П. А., Федынский В. В. Объяснительная записка к гравиметрической карте Тихого океана и Тихоокеанского подвижного пояса. — Л.: ВСЕГЕИ, 1979. — С. 60.
• Виноградов В. Б., Болотнова Л. А. Гравиметры. — Екатеринбург: УГГУ, 2010. — 67 с. — 200 экз.
• Кузьмин, В.И. Гравиметрия: учеб. пособие. — Новосибирск: СГГА, 2011. — 193 с.

Ссылки

• В России разработали уникальный прибор для измерения гравитации