ВВЕДЕНИЕ.
При решении ряда задач геофизики, геологии и геодезии широко используются результаты измерений ускорения силы тяжести. В частности, с их помощью выявляют структурные неоднородности земной коры, стремятся получить информацию о пе-ремещениях масс, вызванных геодинамическими явлениями. Делаются попытки использовать результаты измерений силы тяжести в комплексе данных для предсказания землетрясений и извержения вулканов. Результаты измерений силы тяжести используют для изучения процессов эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, а также подземных газохранилищ.
Очевидно, что по мере повышения точности и детальности изучения гравитационного пойя Земли, число задач, решаемых с помощью гравиметрии будет расширяться. Поэтому актуальной является задача создания гравиметрических приборов с помощью которых возможно повысить точность и детальность изучения гравитационного поля Земли. В настоящее время гравиметрические съмки выполняют, главным образом, относительными гравиметрами. Несмотря на высокую точность измерения относительными гравиметрами, передача значений ускорения силы тяжести с их помощью привела к возникновению больших систематических погрешностей даже в опорных гравиметрических сетях*
Успехи в развитии электронных счетных приборов и оптических квантовых генераторов ( ОКГ ), имевшие место в 60х годах, позволили в ряде стран приступить к разработке баллистических гравиметров для измерения абсолютного значения силы тяжести с относительной ошибкой в 1СГ8 - 10е"9- Широкое применение баллистических гравиметров позво-лило-бы:
- повысите точность гравиметрических съемок за счет отказа от многоступенчатости построения опорных сетей;
- г -
- снизить затраты на создание высокоточных гравиметрических сетей, так как отпадает необходимость в частых контрольных наблюдениях на
исходном пункте;
- наиболее уверенно решать вопросы,связанные с регистрацией изменения силы тяжести во времени;
- иметь равноточную сеть гравиметрических пунктов, в которых ошибки определений не зависят от расстояний между пунктами;
- применить результаты измерений силы тяжести для решения новых научных и народно-хозяйственных задач, в том числе и задач, которые не могут быть решены при относительных измерениях силы тяжести. К таким научным задачам можно отнести, например, изучение движения центра масс Земли во времени, проверку гипотезы Дирака об уменьшении гравитационной постоянной во времени, проверку гипотезы об изменении радиуса Земли.
Поэтому разработка баллистического гравиметра является актуальной задачей. Единичные экземпляры современных баллистических гравиметров созданы во Франции, США, Японии и Китае. Приборы работают на одном из двух различных способах наблюдений свободного движения уголкового светоотражателя, симметричном и несимметричном. Член корр. АН СССР Ю.Д. Буланке замечает, что сравнение между собой абсолютных гравиметров различных конструкций позволяет более или менее уверенно решать вопрос оценки точности абсолютных измерений силы тяжести до тех пор, пока мы не распологаем должными знаниями в этой области.
В СССР, с 1972 года проводятся наблюдения баллистическим гравиметром Института автоматики и электрометрии ( ИАиЭ ) СО АН СССР, построенном на несимметричном способе. В этоже время в Институте физики Земли АН СССР начата бала работа по созданию баллистического гравиметра^построенного на другом методе - наблюдение симметричного падения уголкового светоотражателя. В 1975 году в ОКБ ИФЗ был
- 3 -
изготовлен баллистический блок, где на высоту около 120 см вертикально вверх подбрасывался уголковый светоотражатель. В этом же ОКБ был изготовлен сам уголковый светоотражатель, сейсмометр и лазерный интерферометр. Оптическая схема интерферометра позволяла получать одну интерференционную полосу при перемещении уголкового светоотраяателя на расстояние, равное А/4, где Л - длина волны излучения источника света интерферометра.
В связи с этим, перед диссертантом были поставлены следующие задачи:
- разработать методику юстировок и провести исследования баллистического гравиметра;
- доработать гравиметр по результатам исследований ;
- разработать методику работы с этим гравиметром;
- выполнить экспериментальные наблюдения абсолютного значения силы тяжести гравиметром;
- определить пути дальнейшего совершенствования гравиметра.
Решению этих задач и посвящена данная работа. Её актуальность и элементы новизны состоят в том, что впервые в стране создан баллистический гравиметр, построенный на наблюдении симметричного падения уголкового светоотражателя, выполнены его исследования и разработана методика работы с ним, обеспечившие измерение абсолютного значения силы тяжести на испытательной станции Института с погрешностью ± 5 мкГал ( по внутренней сходимости ). Полная ошибка результата с учетом систематических ошибок составила ± 30 мкГал. Доминирующей в полной ошибке является ошибка, связанная с нестабильностью и воспроизводимостью длины волны излучения используемого серийного оптического квантового генератора.
Измеренное гравиметром абсолютное значение силы тяжести является начальной гравиметрической датой в пункте наблюдения для изучения изменений силы тяжести во времени.
- 4 -
Приведенные в работе результаты наблюдений силы тяжести с гравиметром ИФ31в течение двух лет, даны редуцированными к Международному гравиметрическому пункту №5035 " Ледово ". Редукция сделана по результатам гравиметрических связей, выполненных относительными гравиметрами М $осИп , Достоверность измеренного значения подтверждается повторяемостью результатов измерений в течении двух лет наблюдений, а также согласием теоретических и экспериментальных исследований. Было выполнено также сравнение редуцированного значения силы тяжести с многократными абсолютными измерениями силы тяжести на Международном пункте №5035 " Ледово ", выполненными в период 1975 - 1983 гг., баллистическим гравиметром ИАиЭ. Это сравнение может рассматриваться как независимый, внешний контроль измеренного значения силы тяжести. Сравнение показало хорошее согласие результатов наблюдений, выполненных приборами ИФЗ и ИАиЭ. Расхождение составило 16 - 43 мкГал. Эти величины одного порядка с величинами ошибок измерений сопоставляемых величин.
Установлены возможности дальнейшего повышения точности измерений значений силы тяжести гравиметром ИФЗ.
При этих работах автором был выполнен теоретический анализ оптимальных соотношений измеряемых интервалов времени и пути и анализ ошибок измерений. При экспериментальных исследованиях были выявлены причины,по которым пришлось отказаться от использования интерферометра, у которого одна интерференционная полоса соответствует перемещению уголкового светоотражателя на расстояние -^/4. Харьковский Государственный научно-исследовательский институт метрологии передал нам интерферометр Майкельсона. Оптическая схема этого интерферометра позволяла получать прохождение одной интерференционной полосы при перемещении уголкового светоотражателя на расстояние^равное *^/2. Б этом институте был изготовлен также блок измерения пути и времени свободного падения уголкового светоотра-
5
кателя, наблюдаемого симметричным способом двух станций. На всех этапах работ, связанных с обеспечением возможности использования указанных приборов в гравиметре Института физики Земли автор принимал непосредственное , ведущее участие. Лазерный интерферометр был модифицирован с учетом использования серийного оптического квантового генератора ЛГ-77, в качестве источника света. Для него специально были разработаны и использованы коллимирующая система и оптическая схема юстировки лазерного луча в вертикальном направлении с требуемой точностью. В оптическую схему интерферометра был включен второй уголковый светоотражатель, закрепленный в центре качания маятника длиннопериодного вертикального сейсмометра. Это позволило уменьшить влияние вибраций на показания интерферометра. При участии автора были модифицированы также уголковый светоотражатель и основные узлы баллистического блока. Это:
- механические узлы, обеспечивающие установку, подбрасывание и захват уголкового светоотранателя;
-система вакуумирования}
- разработана схема для определения вершины траектории падения уголкового светоотражателя относительно корпуса прибора и др.
Большую помощь в работе оказали ст. инж. Машин И.А., вед. конструктор Певзнер Б.Н., сотрудники и руководство отдела 1100 ИФЗ и к. г.-м. наук Файтельсон А.Ш. Работа выполнялась в отделе 800 ИФЗ. Результаты работы докладывались на 1,11 Всесоюзных научно-технических конференциях " Метрология в гравиметрии " г. Харьков 1980 и1984 годы; 8,9,10 Совещаниях Комиссии по изучению неприливных изменений силы тяжести Межведомственного геофизического комитета при Президиуме АН СССР, г. Москва 1982,1983 и 1984 гг., Общемосковском гравиметрическом семинаре 1983 год и научной конференции отдела 800 ИФЗ АН СССР 1982 г.
- 6 -
ГЛАВА 1
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ БАЛЛИСТИЧЕСКОГО ГРАВИМЕТРА.
Наблюдения за свободным падением тела в вакууме долгое время не могли быть использованы для высокоточных измерений силы тяжести из-за отсутствия соответствующей аппаратуры измерений отрезков пути и интервалов времени* Лишь с середины XX века, с появлением стабилизированных оптических квантовых генераторов (ОКГ), высокостабильных стандартов частоты и быстродействующих пересчетах приборов появились технические возможности для разработки баллистических гравиметров, построенных на траекториях измерениях свободного падения тела в вакууме.
Было предложено много способов этого метода измерений. Все способы можно разделить на две основные группы:
1) симметричные способы,
2) несимметричные способы.
В симметричном способе тело вначале свободно движется вертикально вверх и после достижения вершины траектории свободно падает вниз Измерения ведут на симметричных относительно вершины частях траектории: восходящей и нисходящей.-
В несимметричном способе тело свободно падает вниз под действием силы тяжести. На рис. 1а и 16 представлены схемы траекторий соответственно несимметричного и симметричного способов.
Симметричные способы подразделяются на:
а) способ одной станции,
б) способ двух станций,
- 7 -
1 _ -
2. - tzjU
3.
4 . ■
IL-. tn'A
à)
*)
Рис. I
а) несимметричная траектория
б) симметричная траектория
- 8 -
в) способ четырех станций.
Несимметричные способы подразделяются на:
а) способ трех станций,
б) способ четырех станций,
в) способ более четырех станций.
Здесь станции есть точки траектории свободно падающего тела, относительно которых производят измерения отрезков пути и интервалов времени.
Симметричные способы обладают следующими преимуществами перед несимметричными:
1) значительная компенсация влияния сил сопротивления, пропорциональных скорости движения падающего тела благодаря тому, что их влияние на восходящей и нисходящей симметричных частях траектории свободного падения одинаково и противоположно направлено;
2) использованием симметричного способа наблюдений возможно, при прочих равных условиях, повысить точность измерений почти в два раза за счет увеличения измеряемых интервалов времени и отрезков пути;
3) значительно меньшие требования к величине разряжения внутри ва-
• • • ч
куумированной камеры ( не менее 2-3 порядков ).
Недостатками симметричных способов являются:
*
1) более сложная конструкция прибора;
2) наличие отдачи, возникающей в момент подбрасывания тела вверх. Наиболее полно дифференциальное уравнение движения центра тяжести тела, перемещающегося вертикально в поле силы тяжести, и сил сопротивления, пропорциональных первой и второй степени скорости падения тела составлено В.А. Романюком и имеет вид [1] :
где ( см, рис. I ):
00- значение силы тяжести в начале отсчета расстояний I, при£= О,
- 9 -
£ - расстояние тела от начала отсчета, t - время,
У'- вертикальный градиент силы тяжести,
%,К2~ коэффициенты сил сопротивления, пропорциональные соответственно первой и второй степени скорости падения тела.
Приближенное решение уравнения ( I ) в виде степенного ряда имеет
Уравнение ( 4- ) является основой для общей теории всех способов измерений силы тяжести как симметричных, так и несимметричных.
Пусть центр тяжести тела последовательно проходит четыре положения,
(2 )
где <Ус> - скорость тела в момент времени 0 ( £=0)
3 В=д0[ки +-2А<иг+ { 0+КД+К Д2)+<£ КаО ДД+КД*/
( 3 )
Подставляя в ( 2 ) значения А и В из ( 3 ), получаем [д]
где
+% (?+КД .
Значения £(К) значительно упрощается при удержании только членов,
величины которых при £ =1 сек
больше, чем КГ*® [1] ,
О' й Ю3 см/сек 1М< 10”® сек/см |Ка|< 10"**оек2/см2 „
которые названы станциями ( рис. 1а ), в моменты времени £^, £2, t 3,
- Київ+380960830922