В.Л. Пантелеев - ИЗМЕРЕНИЕ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ НА ПОДВИЖНОМ ОСНОВНИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛомоносоваГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТКафедра геофизических методов исследования земной корыВ.Л. Пантелеев, А.А. БулычевИЗМЕРЕНИЕ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ НА ПОДВИЖНОМ ОСНОВНИИ(конспект лекций)Учебное пособиедля студентов геофизической специализации по курсу“Теория измерения силы тяжести (дополнительные главы)”Издательство Московского Университета2003УДК 550.831ББК 26.21П 16РекомендованоУченым советом геологического факультета МГУ им. М.В.

ЛомоносоваПантелеев В.Л., Булычев А.А.П 16 Измерение силы тяжести на подвижном основании. Учебное пособие по курсу“Теория измерения силы тяжести (дополнительные главы)” – М. 2003. 80 с.ISBN 5-211-06104-7Пособие представляет собой конспект лекций по теории и практикегравиметрических измерений в движении, в первую очередь – измерений на море. Даныанализ гравиметрической аппаратуры как динамической системы, устройство некоторыхтипов морских гравиметров, методика гравиметрической съемки на подвижном основаниии методика обработки результатов гравиметрических измерений.Работа является учебным пособием для студентов геофизических специальностейвузов.УДК 550.831ББК 26.21Рецензент – доктор геолого-минералогических наук, профессор А.Г. ГайнановISBN 5-211-06104-7© В.Л.

Пантелеев, А.А. Булычев, 2003© Геологический факультет МГУим. М.В. Ломоносова, 20032ОглавлениеЛекция 1.Краткий исторический обзор………………………………...4Лекция 2.Основные понятия и определения основ теорииизмерения силы тяжести на подвижном основании……..8Лекция 3.Стабилизация основания……………………………………..13Лекция 4.Гиромаятниковый стабилизатор…………………………...18Лекция 5.Силовые стабилизаторы (силовые гироплатформы)……..21Лекция 6.Эффект Этвеша……………………………………………….27Лекция 7.Применение методов фильтрации к измерению силытяжести…………………………………………..……………30Лекция 8.Элементы теории фильтрации……………………………..35Лекция 9.Фильтрация сигналов. Ошибки………………………………39Лекция 10.Восстановление сигнала.

Цифровые фильтры…………….46Лекция 11.Гравиметры. Струнный гравиметр…………………………53Лекция 12.Морские гравиметры рычажного типа……………………..57Лекция 13.Гравиметр ГМН-К……………………………………………..63Лекция 14.Методика морской гравиметрической съемки иобработки наблюдений………………………………………..70Список литературы…………………………………………………………….793Лекция 1. Краткий исторический обзор.1.История вопроса измерения силы тяжести на подвижном основании тесно связана систорией измерения силы тяжести на море. Первые измерения силы тяжести во времяморских путешествий были сделаны испанскими капитанами Маласпина и Кустамантееще в 1789 – 1794. Ими были проведены маятниковые наблюдения на восьми пунктах. В1893 – 1896 годах на дрейфующем «Фраме» Нансеном также были выполненымаятниковые наблюдения. Полученные результаты были очень важны для вывода опараметрах сжатия Земли.

Но сами наблюдения еще нельзя назвать морскими, т.к.наблюдения проводились на практически неподвижной опоре.2.Первые опыты по измерению силы тяжести на подвижном основании относятся ксамому началу ХХ столетия. Первый морской гравиметр был создан немецкимгеофизиком Геккером по принципу ртутного барометра. Геккер испытал его в несколькихкругосветных путешествиях в 1901 – 1909 годах. Точность измерений составила 30 – 60мГал.3.В 1912 году американец Бриггс создал статический гравиметр, в котором вес ртутикомпенсировался упругой силой давления газа. Для повышения отсчетной точностииспользовалась капиллярная система.

Этот же принцип в дальнейшем был использованХаальком, которым в 1928 году в Потсдамском геодезическом институте был создан потем временам первый высокоточный газовый гравиметр. В 1935 году проводились иморские испытания гравиметра на пассажирском пароходе. Точность измерения былаоценена в 3 – 5 мГал. Наряду с гравиметром Хаалька были предложены газовыегравиметры Бриггса, Норгарда, но все они не нашли широкого распространения. Ихосновной недостаток – большая температурная зависимость приборов.4.Начало морской гравиметрии связывают с именем голландского ученого Ф.А.Венинг-Мейнесом. В 1922 – 1928 годах он изобрел способ наблюдений за колебаниямимаятников, при котором раскачивание опоры не влияют на регистрограмму колебаний такназываемого фиктивного маятника. Это позволило усовершенствовать маятниковыйприбор и проводить измерения на борту подводной лодки.

Венинг-Мейнисом былопостроено несколько приборов, которые он использовал в нескольких экспедициях. Онпоказал возможность измерения силы тяжести с точностью около 5 мГал в открытом мореи заложил основы методики морской гравиметрической съемки. Выполненные имнаблюдения в Индийском океане имели большое значение для геофизиков, посколькуподтвердили существование изостатического состояния земной коры.5.Работы Венинг-Мейниса стимулировали развитие морской гравиметрии во многихстранах. До второй мировой войны измерениями силы тяжести приборами ВенингМейниса занимались в США, Японии, Италии.

В Советском Союзе профессор кафедрыгравиметрии МГУ Л.В. Сорокин на базе сухопутного четырехмаятникового приборасконструировал морской гравиметр, с которым он совершил ряд экспедиций на подводнойлодке. В частности, в 1930 году им были выполнены измерения силы тяжести на Черномморе, в результате которых было обнаружено резкое изменение силы тяжести околоюжного берега Крыма. Здесь сила тяжести меняется на 200 мГал на расстоянии 20 – 30 кмот берега.4.В 1930 – 1937 годах Л.В.

Сорокин совершил экспедиции на Черное, Баренцево,Японское и Охотское моря. Ученики и соратники Л.В. Сорокина были зачинателями инадводных гравиметрических наблюдений. В 1930 году Л.В. Сорокин сделал попыткупровести маятниковые наблюдения на буксируемой барже на Каспийском море.

На4основании этого опыта был сделан вывод о нецелесообразности применениячетырехмаятниковых приборов для надводных измерений. Позже им был сконструировантрехмаятниковый прибор, в котором все маятники качаются в одной плоскости. В 1935 –1936 годах В.В. Федынским и Н.В. Сажиной были проведены испытания этого прибора вКаспийском море на танкерах.5.Вторая мировая война приостановила развитие морской гравиметрии. Лишь послевойны подводные лодки вновь стали предоставляться в распоряжение ученых длягравиметрических наблюдений. В СССР, сразу же после войны, разработке аппаратуры иметодике маятниковой съемки уделялось много внимания.

Под руководством профессораМГУ В.В. Федынского были организованы экспедиции, в которых применялись четырех итрехмаятниковые приборы Л.В. Сорокина, трехмаятниковый прибор фирмы «Аскания» стак называемыми минимальными маятниками, морской маятниковый прибор,изготовленный на базе сухопутного маятникового прибора Кембриджского общества.Л.В. Сорокиным была сконструирована аппаратура для регистрации ускорений инаклонов в кардановом подвесе. По предложению В.В. Федынского в СКБ МГУ быланачата разработка шестимаятникового морского прибора, который затем был изготовлен вИФЗ АН СССР под руководством С.Е. Александрова.

Результаты этих опытныхисследований были в дальнейшем учтены при разработке маятниковой аппаратуры вЦНИИГАиК, куда в пятидесятые годы переместился центр отечественных разработокмаятниковой аппаратуры.6.В ЦНИИГАиК под руководством М.Е. Хейфица была создана серия различныхмаятниковых приборов с фотографической регистрацией качаний маятников, котораязавершилась выпуском небольшой серии трехмаятникового прибора ММП (морскоймаятниковый прибор). Дальнейшее развитие маятниковых приборов проявилось вавтоматизированном маятниковом приборе (АМП), также разработанном в ЦНИИГАиК.Прибор снабжен устройством для фотоэлектрической регистрации колебаний маятников иавтоматической системой обработки наблюдений в цифровом виде непосредственно впроцессе наблюдений.

Отметим, что маятниковые приборы применяются и в настоящеевремя для контроля смещения нуль-пункта морских гравиметров в длительных морскихэкспедициях.7.В начале пятидесятых годов в СССР, США и ФРГ практически одновременновозникла идея о создании морского гравиметра статического типа с сильнодемпфированным чувствительным элементом. В СССР эта идея принадлежит К.Е.Веселову.

Первый прибор такого типа был создан К.Е. Веселовым и Л.П. Смирновым в1954 году. Этот гравиметр, получивший шифр СЗ (сильно затушенный), был снабженвизуальной системой отсчета. Для того чтобы измерить значение силы тяжести в какойлибо точке на море, оператор наблюдал колебания светового штриха в окуляр отсчетногоустройства и отсчитывал его крайние положения по шкале. Все отсчеты в течение 15 – 20минут записывались в журнале наблюдений и осреднялись. Уже первые испытаниягравиметра в 1955 году на подводной лодке показали, что точность измерения такимприбором сравнима с маятниковыми наблюдениями, а сам способ измерения – болеепрост. Этот эксперимент имел решающее значение: современные отечественныегравиметры статического типа имеют жидкостное демпфирование.8.В 1956 году были начаты работы по созданию морского гравиметра вГеофизическом институте АН СССР (нынешнее название – Институт физики Земли РАН).Уже в 1957 году небольшая партия гравиметров была испытана в Черном море на бортутеплохода «Россия».

Чувствительная система гравиметра ИФЗ, получившая шифр ГАЛ(гравиметр аэрогравиметрической лаборатории), сделана из кварца с жидкостным5затуханием. Эта система выгодно отличалась от системы СЗ динамической симметриейрычага – подвижной части чувствительного элемента. Кроме того, упругая системагравиметра ГАЛ, разработанная под руководством Е.И. Попова, имеет два рычага,ориентированные в противоположенные стороны, благодаря чему удалось исключитьнекоторые, наиболее существенные систематические погрешности, обусловленныевлиянием наклонов и ускорений опоры.