ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.11.2023
Просмотров: 25
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
ВВЕДЕНИЕ
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.
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.
Постоянный контроль за характером изменения гравитационного поля помогает выявить и изучить величину деформаций земной поверхности в объеме: фиксировать и предотвращать осадки и смещения дорогостоящих инженерных сооружений, к которым, например, относятся эксплуатационные колонны скважин.
Для измерения силы тяжести используют гравиметр. Гравиметр – прибор для измерения напряженности гравитационного поля.
1 Гравиметр и его история
1.1 Основное понятие гравиметра
Гравиметр (от лат. gravis — тяжёлый + meter) — прибор для измерения напряженности гравитационного поля. 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.
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.
1.2 Составные части гравиметра
Внутрь кожуха помещен цилиндр из пенопласта, в который вставляется сосуд Дьюара, а в него плотно входит средняя часть гравиметра. Уплотнение достигается с помощью шерстяного чехла, 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.
Главной частью прибора является упругая кварцевая система, изготовленная из чистого кварцевого стекла (плавленый кварц). Она состоит из следующих основных узлов: чувствительного элемента, представляющего собой вертикальный сейсмограф Голицина, трех пружин (главной, измерительной и диапазонной), а также устройства для температурной компенсации. Все перечисленные элементы смонтированы на кварцевом каркасе, который посредством стойки прикреплен к верхнему основанию корпуса гравиметра.
1.3 История гравиметра
В конце XIX — начале XX века под этим словом понимался иной измерительный прибор. В частности, на страницах Энциклопедического словаря Брокгауза и Эфрона было дано следующее определение гравиметра: «прибор для определения гравиметрической плотности пороха».
Гравиметром назывался Гравитационный вариометр для измерения поля силы тяжести в геофизике. Гравитационный вариометр был изобретён в конце 19 в. венгерским физиком Л. Этвешем. Гравитационный вариометр состоял из лёгкого горизонтального или наклонного коромысла с укрепленными или подвешенными на его концах, на разной высоте массами; коромысло подвешивается на тонкой упругой крутильной нити. В неоднородном гравитационном поле Земли возникает действующий на массы коромысла момент гравитационных сил. Коромысло поворачивается вокруг нити до тех пор, пока момент сил притяжения не уравновесится моментом упругих сил закрученной нити Производные потенциала силы тяжести определяются по углу поворота коромысла вариометра, корпус которого последовательно устанавливается под различными углами к меридиану (в разных Азимутах). Имелась фотографическая или визуальная регистрация. Прибор применялся для изучения распределения неоднородностей плотности верхних слоев земной коры с геологоразведочными целями. Поскольку показания прибора зависят также от действия масс, составляющих рельеф земной поверхности, для учёта их влияния необходимо детально знать рельеф в ближайшей окрестности места проведения измерений.
2. Принцип действия гравиметра.
Главной частью прибора является упругая кварцевая система, маятник которой удерживается в исходном положении силой натяжения главной пружины и силой закручивания нити подвеса маятника.
При изменении силы тяжести маятник прибора отклоняется от положения равновесия, растягивая главную пружину и закручивая нить подвеса до тех пор, пока момент силы тяжести не будет уравновешен моментом главной пружины и моментом закручивания нити подвеса.
При измерениях маятник возвращают в исходное положение, вводя в систему дополнительный кинематический момент, компенсирующий изменение силы тяжести в данном пункте измерения относительно исходного пункта.
Регистрация показаний производится оптическим способом, при котором за отклонением маятника наблюдают в микроскоп с большим увеличением. Закручивая нить подвеса, совмещают индекс маятника с нулем шкалы микроскопа и берут по микрометру измерительной пружины отсчет в делениях шкалы микрометра.
На каждом пункте необходимо делать несколько измерений, записывая каждый раз показания счетчика. В журнал, кроме показаний счетчика, записывают также время наблюдений и температуру внутри прибора, отсчитываемую по ртутному термометру гравиметра.
Для изучения интересующего участка, проводятся многократные измерения в различных его точках и получают различные значения силы земного притяжения. Построив график, можно увидеть места раз уплотнений, а по разностям полученных измерений определить их характер.
3. Технические характеристики гравиметра.
Главной частью прибора является упругая кварцевая система, маятник которой удерживается в исходном положении силой натяжения главной пружины и силой закручивания нити подвеса маятника.
При изменении силы тяжести маятник прибора отклоняется от положения равновесия, растягивая главную пружину и закручивая нить
подвеса до тех пор, пока момент силы тяжести не будет уравновешен моментом главной пружины и моментом закручивания нити подвеса.
При измерениях маятник возвращают в исходное положение, вводя в систему дополнительный кинематический момент, компенсирующий изменение силы тяжести в данном пункте измерения относительно исходного пункта.
Конструкцией также предусмотрено приспособление для температурной компенсации.
Регистрация показаний производится оптическим способом, при котором за отклонением маятника наблюдают в микроскоп с большим увеличением. Закручивая нить подвеса, совмещают индекс маятника с нулем шкалы микроскопа и берут по микрометру измерительной пружины отсчет в делениях шкалы микрометра.
На каждом пункте необходимо делать несколько измерений, записывая каждый раз показания счетчика. В журнал, кроме показаний счетчика, записывают также время наблюдений и температуру внутри прибора, отсчитываемую по ртутному термометру гравиметра.
Для изучения интересующего участка, проводятся многократные измерения в различных его точках и получают различные значения силы земного притяжения. Построив график, можно увидеть места разуплотнений, а по разностям полученных измерений определить их характер.
4. Дальнейшая перспектива развития
В последние годы в связи с широким развитием в мире спутниковых средств измерений и их привлечением к решению задач высшей геодезии в гравиметрии появился новый раздел, называемый спутниковой гравиметрией. Этот раздел занимается созданием и развитием методики получения карт аномалий силы тяжести в свободном воздухе по данным картирования рельефа поверхности океана посредством стационарных спутников. Существенный прогресс в осуществлении данной идеи преобразования высот поверхности океана в гравитационные карты был достигнут после запуска геодезических спутников GEOSAT и ERS-1 (1995 г.). В настоящее время спутниковая гравиметрия располагает точностью 3-7 мГал и разрешением объектов размером 20-30 км. Точность метода существенно возрастает при совместном использовании результатов спутниковых измерений с данными локальных гравиметрических съемок.
После запуска специальных спутников, приспособленных для лазерных и дальномерных измерений, открываются также значительные перспективы в определении глобальных гравитационных моделей, параметры которых устанавливаются путем анализа возмущений орбит этих спутников, наземных гравиметрических данных и данных спутниковой альтиметрии. Потребность в уточнении глобальных гравитационных моделей сохранится в последующие годы и будет связана не только с обеспечением прогноза движения искусственных спутников Земли (ИСЗ) для спутниковой навигации и других баллистических расчетов, но и с решением ряда таких научных и народнохозяйственных задач как:
- построение моделей внутреннего строения Земли, в первую очередь, земной коры;
- изучение вариаций земного гравитационного поля во времени;
- учет уклонений элементов гравитационного поля;
- получение данных для изучения не уровенности поверхности Мирового океана.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Возможность измерять гравитационное поле земли играет большую роль во многих областях науки: строительство уникальных объектов народного хозяйства, таких, как ускорители частиц, антенны радиотелескопов, телебашни, прокладка протяженных подземных коммуникаций, требующих выполнения монтажных работ, невозможны без учета неоднородностей гравитационного поля, с которыми связано положение отвесных линий. Высокоточные гравиметрические измерения проводятся на геодинамических полигонах для мониторинга геологических процессов в тектонически активных областях, а также на месторождениях углеводородного сырья для контроля за ходом эксплуатации скважин. Знание значений ускорения силы тяжести необходимо и в метрологии – для воспроизводства ряда физических величин (силы, давления, силы тока и др.). Благодаря знаниям об изменениях гравитационного поля земли, можно фиксировать явления происходящие на поверхности земли в тектонически активных областях и тем самым делать прогноз возможных землетрясений и извержений вулканов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
-
Огородова Л.В./Б.П. Шимбирев /А.П. Юзефович Гравиметрия 1978 г. – 325 с. -
Торге В. Гравиметрия Издательство «Мир» 1999 г. – 429 с. -
Грушинский Н.П. Основы гравиметрии 1983 г. – 352 с. -
Бровар Б.В., Юркина М.И. Гравиметрия и геодезия 2010 г. – 560 c/