Гравиметрические измерения

Одним из важных видов геодезических работ являются гравиметрические съемки, результаты которых используются в научных целях и для решения народнохозяйственных задач. В зависимости от поставленной задачи относительная точность измерений силы тяжести при выполнении различных видов гравиметрических съемок может изменяться в пределах от 10^-5 до 10^-9. Так, например, для общей характеристики гравитационного поля обширных территорий земной поверхности (несколько миллионов км²) измерения силы тяжести достаточно выполнять с точностью до 5-10 мГал. Наиболее точные измерения (до 1-2 мкГал) необходимо выполнять при изучении суточных флуктуаций силы тяжести, а для решения большинства практических задач геофизики и геодезии необходимо измерять силу тяжести с точностью 1-5 мкГал. В то же время точность определения опорных пунктов гравиметрической съемки характеризуется ошибкой порядка 0,1 мГал.

Такая же точность измерений необходима при региональных и среднемасштабных исследованиях, для картирования кристаллического фундамента под мощной толщей осадочных отложений и поисков рудных тел полезных ископаемых. Высокоточные измерения силы тяжести и ее вертикального градиента необходимо выполнять при инженерно-геологических изысканиях, и прежде всего такие измерения обычно используются при сейсмотектоническом районировании городских и промышленных территорий для выделения тектонических зон и разломов, обнаружения карстовых образований и пустот естественного и техногенного происхождения, а также при инженерной подготовке площадок гражданского и промышленного строительства. Гравиметрические измерения также выполняются при исследовании поведения грунтов в процессе воздействия на них естественных и техногенных нагрузок, так как большая часть опасных геологических процессов связана с изменением плотности пород грунтов.

В настоящее время исходным пунктом для гравиметрических измерений является Потсдам, где в начале XX века было определено с высокой точностью абсолютное значение ускорения силы тяжести g. XIV Генеральная Ассамблея Международного Геодезического и Геофизического Союза (Люцерн, 1967 г.) рекомендовала принимать уточненное значение абсолютной силы тяжести для Потсдама, равное 981,260 Гал. Опорную сеть пунктов мировой гравиметрической съемки в каждой стране образуют один или несколько основных гравиметрических пунктов.

Международная гравиметрическая стандартная сеть по состоянию на 1971 г. включала 1997 пунктов. Эта сеть является основой для проведения региональных гравиметрических съемок. Значение силы тяжести на основных гравиметрических пунктах определяют относительными методами, т. е. определяют не полное значение силы тяжести, а разность значений ∆g между таким пунктом и Потсдамским. В нашей стране за исходное начало гравиметрической сети принят пункт Москва, связанный с Потсдамским. В СССР работы по созданию единой гравиметрической сети были начаты в 1932 г. Пункты гравиметрической съемки 1 класса выполнены с ошибкой 0,10-0,15 мГал, а пункты 2 класса соответственно с ошибками порядка 0,15-0,20 мГал относительно пунктов 1 класса. Заполняющая сеть пунктов 3 класса характеризуется ошибками определения силы тяжести в пределах 3-5 мГал. Расстояния между гравиметрическими пунктами государственной сети в среднем составляют около 10 км, что не позволяет использовать их для выявления аномальных значений поля силы тяжести при геофизических съемках.

Пункты государственной гравиметрической сети используются для привязки опорных сетей при выполнении гравиметрической съемки. Опорная съемочная сеть разбивается для учета изменения места нуля прибора и нахождения абсолютных значений ускорения силы тяжести, где определения ускорения силы тяжести должны выполняться в 1,5-2 раза точнее, чем на точках съемочной сети. Количество точек опорной сети обычно составляет до 5-10 % от общего числа точек съемочной, равномерно распределенных по площади. Для наблюдения опорных точек обычно используются более высокоточные приборы, выполняются многократные измерения, а также добиваются сокращения промежутка времени между измерениями на соседних точках путем использования транспорта. Определения силы тяжести может быть абсолютным и относительным и базируется на физических явлениях, основанных на зависимости от силы тяжести. При абсолютных измерениях измеряют полное значение силы тяжести g, а при относительных — разность значений ∆g между двумя пунктами. При этом используются динамические и статические методы.

К динамическим методам относятся измерения:

• периода колебания свободного маятника, качающегося под действием силы тяжести;
• периода колебания маятника, совершающего колебания под действием силы тяжести и упругой пластины;
• скорости падения тел;
• частоты колебания струны;
• скорости вытекания жидкости через узкое отверстие.

К статическим методам относятся:

• гипсометрический — сравнение измеренного давления атмосферы при помощи ртутного барометра и гипсотермометра;
• барометрический — измерение высоты ртутного столба, находящегося в равновесии под действием упругой силы газа и силы тяжести;
• измерение смещения некоторой массы, находящейся в равновесии под действием силы тяжести или какой-либо другой силы, например, упругой силы пружины.

Большинство современных гравиметров построено по принципу пружинных весов, когда сила тяжести определяется по силе упругой деформации.

В основе баллистического метода, основанного на определении скорости падения тел, лежит закон прямолинейного равномерно ускоренного движения свободно падающего тела:

h = h₀ + v₀t + gt²/2,                                     (6.1)

где h₀, v₀ — координата и скорость тела в начале отсчета времени; h — координата тела в момент времени t; g — ускорение силы тяжести, считаемое постоянным.