При решении ряда задач геофизики, геологии и геодезии широко используются результаты измерений ускорения силы тяжести. В частности, с их помощью выявляютктурные неоднородности земной коры, мятся 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 rio 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 сетяхi.
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 1(Г8 — кг9- Широкое применение баллистических гравиметров позво-лило-бы:
— повысите точность гравиметрических съемок за счет отказа от многоступенчатости построения опорных сетей;
— 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. Буланже 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 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 светоотрадателя на расстояние, равное /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 сил-ы тяжести является начальной гравиметрической датой в пункте наблюдения для изучения изменений силы тяжести во времени.
Приведенные в работе результаты наблюдений силы тяжести с гравиметром ИФЗ, в течение двух лет, даны редуцированными к Международному гравиметрическому пункту № 5035 п Ледово Редукция сделана по результатам гравиметрических связей, выполненных относительными гравиметрами х/ &ос (1п. 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 — 4−3 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 расстояниеЯ/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 В этом институте был изготовлен также блок измерения пути и времени свободного падения уголкового светоотражателя, 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 светоотражателя;
— 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 се шнаре 1983 год и научной конференции отдела 800 ИФЗ АН СССР 1982 г.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В результате настоящей работы создан и исследован баллистический гравиметр, основанный на методе наблюдения симметричного падения уголкового светоотражателя, с которым выполнены измерения абсолютного значения силы тяжести. С этой целью, при участии автора было сделано следующее :
1. Разработан и создан новый баллистический гравиметр на основе симметричного метода наблюдений падения уголкового светоотражателя по способу двух станций.
2. Выполенены теоретический анализ, позволивший установить оптимальные соотношения измеряемых интервалов пути и времени, и анализ ошибок измерений.
3. Разработана методика юстировок этого гравиметра и созданы приборы для их выполнения.
4. Выполнены исследования баллистического гравиметра, позволившие найти новые конструктивные решения для уменьшения инструментальных ошибок и повышения надежности прибора.
5. Создана методика работы с гравиметром.
6. С прибором в 1982 — 1983 гг. выполнены экспериментальные измерения абсолютного значения силы тяжести, которые характерезуются: ошибка единичного измерения ± 200−250 мкГалошибка серии (10−20 единичных измерений в течение I часа) + 40−70 мкГалошибка массива (100−200 единичных измерений проводимых в течение суток), по внутренней сходимости ± 13−20 мкГал.
7. По результатам экспериментальных измерений, для пункта наблюдения, вычислено абсолютное значение силы тяжести. Средняя квадра-тическая ошибка полученного значения, вычисленная по внутренней сходимости, составила ± 5 мкГал. Полная ошибка среднего измеренного значения с учетом случайных и систематических ошибок принята ± 30 мкГал.
Этим измерением заложена начальная гравиметрическая дата для изучения изменения силы тяжести в пункте наблюдения,.
8, Полученное с баллистическим гравиметром Института физики Земли абсолютное значение ускорения силы тяжести было редуцировано в пункт Ледово (Международный гравиметрический пункт № 5035). Это позволило сравнить данное значение с многократными измерениями силы тяжести выполненными в пункте «Ледово «баллистическим гравиметром Института автоматики и электрометрии. Сравнение показало, что результат полученный с баллистическим гравиметром Института физики Земли совпадает с результатами измеренными прибором Института автоматики и электрометрии в пределах 16 — 58 мкГал, в зависимости от времени измерения последним. Если сравнивать результаты измерений выполненные обоими гравиметрами в одни и теже годы, то расхождение составит 16−43 мкГал, при погрешности редуцирования ± 14 мкГал и ошибки с которой принято измеренное гравиметром Института физики Земли значение ускорения силы тяжести в ± 30 мкГал.
9. По результатам экспериментальных и теоретических исследований установлены возможности повышения точности измерений силы тяжести до 3−5 мкГал за счет реализации следующих резервов: а) использование лазера с стабильностью длины волны излучения и вос9 производимостью ее в единицах 10. (Возможно использование лазера с йодной ячейкой поглощения.) — б) проводить измерения на большей части траектории уголкового свето-отражателя, увеличивая измеряемый интервал пути с 12 см до 100 смв) увеличить частоту меток времени при измерении интервалов времени с 100 мГц до 200−500 мГц.
— ш.
10, По результатам выполненной работы составлено Техническое задание на разработку баллистического гравиметра с проектной погрешностью измерения абсолютного значения ускоренш силы тяжести в 3−5 мкГал, по которому в настоящее время проводится модификация гравиметра,.
В заключение, я благодарю доктора физ.-мат. наук В, А, Романюка за научное руководство и внимание к работе.
