Лабораторные инструментальные исследования.
Московский государственный университет
им. М. В. Ломоносова
______________________________________________________________
Физический факультет
Кафедра небесной механики, астрометрии и гравиметрии
Оптимизация работ с высокоточными наземными гравиметрами Scintrex CG-5.
Спецпрактикум для студентов кафедры Небесной механики, астрометрии и гравиметрии ГАИШ МГУ.
Ярков М.В.
Жаров В.Е.
\
Москва 2010 г.
Оглавление
1. Введение.
Высокоточный наземный гравиметр Scintrex CG-5.
1.2. Задачи инженерной геофизики: Поиск близповерхностных разуплотнений в городских условиях.
- Лабораторные инструментальные исследования.
Общие сведения о типах и устройстве статических гравиметров для измерения силы тяжести.
Изучение зависимости показаний прибора от наклона.
Измерение постоянной дрейфа.
Измерения вертикального градиента силы тяжести в лабораторных условиях.
Микрогравиметрия.
- Методика гравиметрической съемки.
Общие сведения о методике выполнения гравиметрической съемки.
3.2. Поиск близповерхностных разуплотнений на полигонах на территории МГУ.
4. Интерпретация полученных результатов.
5. Контрольные вопросы для самостоятельной подготовки и сдачи зачета.
6. Литература.
1. Введение.
Целый ряд фундаментальных проблем науки и народного хозяйства не может быть эффективно решен без использования высокоточных наблюдений силы тяжести. В первую очередь это создание опорных гравиметрических сетей, необходимых для решения задач поиска полезных ископаемых, исследования фигуры Земли, навигации и ряда оборонных задач. Особое значение в последние годы приобретают геодинамические исследования как глобального масштаба (изучение лунно-солнечных приливов), так и регионального и локального (исследование вертикальных движений земной коры и связанный с ними прогноз землятрясений, контроль стабильности крупных сооружений, и т.д.).
|
|
|
Все существующие методы измерения силы тяжести могут быть разделены на динамические и статические.
Динамическими называются такие методы, в которых наблюдается движение тел под действием силы тяжести, а непосредственно измеряемой величиной является время, необходимое телу для перехода из одного фиксированного положения в другое.
Статическим называется такой метод, в котором наблюдается изменение положения равновесия тела под действием силы тяжести и некоторой силы, уравновешивающей ее, а непосредственно измеряемой величиной является линейное или угловое смещение тела с постоянной массой.
Измерения силы тяжести бывают абсолютными и относительными. При абсолютных измерениях определяют абсолютную величину силы тяжести в точке наблюдений. При относительных измерениях приращение силы тяжести в данном пункте определяется относительно некоторого другого, исходного, значение на котором известно.
|
|
|
Динамические методы определения силы тяжести могут быть как абсолютными, так и относительными, статические – только относительными.
Статические методы в настоящее время распространены наиболее широко, поскольку статические гравиметры – это легкие портативные приборы, позволяющие измерять приращение силы тяжести с высокой точностью. Небольшой вес гравиметров позволяет их использовать в различных полевых условиях, в малодоступных и труднодоступных районах.
Гравиметрия – наука об измерении величин, характеризующих гравитационное поле Земли, и об использовании их для изучения ее формы и внутреннего строения. К настоящему моменту разработано большое количество высокоточных наземных высокоточных гравиметров, и наиболее совершенные модели, при использовании их в задачах микрогравиметрии и геодинамики, позволяют достигнуть точности лучше 0,001 мГал. Для достижения таких точностей необходимы не только аккуратное обращение и следование стандартным инструкциям, но и специальные метрологические исследования приборов, методы которых разрабатываются в ГАИШ и других ведущих научных учреждениях мира.
|
|
|
Величина силы тяжести на Земной поверхности изменяется от 9,78 м/с2 на экваторе до 9,83 м/с2 у полюсов. В гравиметрии используются меньшие единицы – 1 Гал (10-2 м/с2), названная в честь Галилео Галилея и 1 мГал (10-5 м/с2). В микрогравиметрии традиционно используется единица 1 мкГал (10-6 Гал или 10-8 м/с2, ~10 -9g). Характерные аномалии, обусловленные близповерхностными полостями, составляют единицы-десятки мкГал, в зависимости от их размера, глубины и плотностного контраста относительно вмещающих пород. Так, полость, заполненная водой и песком, создает меньший гравитационный эффект, чем воздушная полость (например - заброшенный подземный ход или подвал).
1.1. Высокоточный наземный гравиметр Scintrex CG-5.
Рис. 1. Производственные работы с гравиметром CG-5, 222. Ямал, апрель 2010 г.
Гравиметр CG–5, является неастазированным (см. раздел 2.1) прибором с практически линейным дрейфом (см. раздел 2.1.2). Его появление на рынке вызвало очень много вопросов у потребителей, так как на протяжении уже более 50 лет гравиметристы пользовались только астазированными (см. раздел 2.1) приборами. Последним неастазированным прибором был гравиметр Аскания (GS-11 и GS-12), эти гравиметры обеспечивали точность измерения в несколько сотых мГал. Из–за высокой чувствительности фотоэлектрической системы прибора гравиметры были сильно подвержены влиянию механических сотрясений, поэтому создавало проблемы при транспортировке. Эта было главной причиной, из-за которой от них решено было отказаться. Только бурное развитие микроэлектроники в 90-х гг. прошлого века позволило решить эту проблему. В результате сейчас практически весь рынок гравиметров занят неастазированными приборами типа Scintrex Autograv.
|
|
|
Autograv представляет собой автоматический микропроцессорный гравиметр, диапазон измерений которого превышает 7000 мГал без необходимости перестройки диапазона, а разрешающая способность составляет 0,001 мГал. Все это позволяет использовать Autograv как для детальных полевых исследований, так и для крупномасштабных региональных или геодезических съемок. Точные измерения производятся простым нажатием клавиши, и в большинстве случаев снятие показаний занимает всего лишь несколько минут. Для выполнения непрерывных гравиметрических измерений на определенной площадке система Autograv может быть переведена в режим циклических измерений. Показание в системе Autograv получается путем постоянного усреднения отсчетов, взятых в течение любого заданного времени. Результат измерения отображается на дисплее непосредственно в мГал. Данные сохраняются во флэш-памяти, и могут быть в последствии обработаны на любом компьютере.
Рис.2. Передняя панель высокоточного наземного гравиметра Scintrex CG-5.
Чувствительный элемент (рис.1), электронная система управления и аккумуляторная батарея расположены в одном корпусе, который используется и в качестве контейнера для переноски. При этом устраняется необходимость упаковки и распаковки датчика в перерывах между выполнением замеров. Благодаря отсутствию внешнего кабеля между аккумуляторной батареей и датчиком повышается устойчивость системы, и снижается вероятность повреждений. Передвижная система крепления, которая позволяет устанавливать систему Autograv на треногу, также позволяет повысить устойчивость прибора.
Рис. 3. Чувствительная система гравиметра Scintrex.
При использовании системы Autograv для снятия замеров, встроенные датчики угла наклона обеспечивают большую точность и облегчают работу по сравнению с традиционными пузырьковыми уровнями. Выходные сигналы, поступающие от датчиков угла наклона с разрешением 0.1”, гравиметр отображает на дисплее VGA и также записывает в память.
Прекрасная защита от изменений внешней температуры и атмосферного давления достигается герметизацией чувствительного элемента системы Autograv в вакуумной камере с температурной стабилизацией. Благодаря широкому диапазону рабочих температур, оператор может использовать систему Autograv в самых разных условиях. Так как датчик изготовлен из немагнитного плавленого кварца, система Autograv не подвержена воздействию изменений магнитного поля (если только они не превышают в десять раз величину магнитного поля Земли, т.е., ± 0,5 мТ).
Малое смещение нуль-пункта является результатом чрезвычайной устойчивости кварцевой упругой системы. Это позволяет производить точную долговременную оценку смещения датчика, а коррекция программными средствами в масштабе реального времени уменьшает величину смещения до уровня, составляющего менее чем 0,02 мГал в день.
Встроенная перезаряжаемая интеллектуальная аккумуляторная батарея обеспечивает работу системы Autograv в течение 12-14 часов при выполнении съемки. Оператор имеет возможность в любой момент проверить напряжение батареи, для этого ему достаточно нажать клавишу и посмотреть на дисплей. Если величина напряжения батареи приближается к уровню разрядки, система Autograv издает звуковой сигнал. Дополнительный кабель позволяет использовать прибор с любым внешним источником питания напряжением 12 В постоянного тока, или с аккумуляторной батареей, которая может обеспечить максимальный ток 3 Ампера.
1.2. Задачи инженерной геофизики: Поиск близповерхностных разуплотнений в городских условиях.
Микрогравиметрический метод в инженерной геофизики заключается в измерении очень малых вариаций гравитационного поля Земли и интерпретации их как проявлений малых подземных разуплотнений или пустот. Гравитационные аномалии, создаваемые такими объектами, не обнаружимы при помощи обычных гравиметрических съемок, поскольку они практически незаметны на фоне больших аномалий, вызванных изменением высот, плановых координат, притяжением разнообразных крупных геологических объектов и рельефа, а также в изменениях притяжения Земли из-за лунно-солнечных приливов. Однако за последние 2-3 десятилетия технология микрогравиметрии достигла существенного прогресса как ввиду появления новейшей высокоточной техники, так и благодаря разработке соответствующих методик измерений, обработки и анализа данных. В результате эти слабые аномалии могут быть измерены и в большинстве случаев успешно интерпретированы. Могут быть обнаружены не только плановые координаты предполагаемых разуплотнений, но и их приблизительные размеры и глубины залегания. Этот метод успешно применяется в Европе, США и Китае в инженерной геофизике в городских условиях, особенно благодаря его «неразрушающему» характеру, т.е. отсутствию каких-либо активных воздействий на грунт.
Такие полости и разуплотнения создают серьезные проблемы при строительстве и эксплуатации зданий и различных объектов городского хозяйства. Обычной практикой при выявлении опасных близповерхностных разуплотнений является бурение серии скважин на площади, предназначенной под строительство. Использование непрямых и неразрушающих геофизических методов, например, микрогравиметрии и георадара обходится намного дешевле, бурение используется лишь для подтверждения обнаруженных потенциально опасных объектов.
Таким образом, микрогравиметрия является перспективным методом инженерной геофизики, весьма эффективным для поиска близповерхностных разуплотнений, таких как - ослабленные зоны, полости, микроразломы. Во всем мире она широко используется в комплексе с традиционными методами инженерной геофизики, такими как сейсморазведка, электроразведка и георадар, имея ряд достоинств по сравнению с ними (относительно низкая стоимость, отсутствие активных воздействий на грунт и нечувствительность к электромагнитным и микросейсмическим помехам). У этого метода есть и определенные недостатки - необходимость дополнительных геодезических измерений (нивелирование, GPS), и специальных методов интерпретации.
Лабораторные инструментальные исследования.
Дата добавления: 2018-05-13; просмотров: 1489; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!