CC BY
25
УДК 551.24:528.7(202)
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-4-288-295
КОМПЛЕКСИРОВАНИЕ АБСОЛЮТНЫХ И ОТНОСИТЕЛЬНЫХ ГРАВИМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ ДЛЯ КАЛИБРОВКИ И РЕДУКЦИИ
Владимир Юрьевич Тимофеев
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, тел. (383)335-64-42, e-mail: timofeevvy@ipgg.sbras.ru
Максим Георгиевич Валитов
Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева ДВО РАН, 690041, Россия, г. Владивосток, ул. Балтийская, 43, кандидат геолого-минералогических наук, зав. лабораторией, тел. (423)231-14-00, e-mail: maxval@mail.ru
Игорь Сергеевич Сизиков
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, инженер-конструктор, e-mail: sizikov.i.s@gmail.com
Дмитрий Алексеевич Носов
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, инженер-программист, e-mail: danossov@ngs.ru
Юрий Федорович Стусь
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, кандидат технических наук, старший научный сотрудник
Евгений Николаевич Калиш
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник
Дмитрий Геннадьевич Ардюков
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)335-64-42, e-mail: ardyukovdg@ipgg.sbras.ru
Антон Владимирович Тимофеев
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, тел. (383)335-64-42, e-mail: timofeevav@ipgg.sbras.ru
Татьяна Николаевна Колпащикова
Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева ДВО РАН, 690041, Россия, г. Владивосток, ул. Балтийская, 43, научный сотрудник, тел. (423)231-14-00, e-mail: pacific@online.marine.su
Зоя Николаевна Прошкина
Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева ДВО РАН, 690041, Россия, г. Владивосток, ул. Балтийская, 43, научный сотрудник, тел. (423)231-14-00, e-mail: pacific@online.marine.su
Елена Валерьевна Бойко
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, тел. (383)335-64-42, e-mail: boykoev@ipgg.nsc.ru
Первые результаты приливных гравиметрических измерений на юге Приморья поставили ряд вопросов. Для их решения были начаты комплексные измерения с абсолютными и относительными гравиметрами, приемниками космической геодезии. На полигоне мыс Шульца проведено оборудование измерительных пунктов на разной высоте и калибровка гравиметров. Используя результаты измерений, выполнено решение задачи редукции силы тяжести. Полученные данные предполагается использовать при структурных исследованиях в Приморье.
Ключевые слова: приливные эффекты, гравиметрические измерения, относительные и абсолютные гравиметры, калибровка, редукции, юг Приморья, Дальний Восток России.
COMPLEX OF ABSOLUTE AND RELATIVE GRAVITY OBSERVATION FOR CALIBRATION AND REDUCTION STUDY
Vladimir Yu. Timofeev
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Chief Researcher, e-mail: timofeevvy@ipgg.sbras.ru
Maxsim G. Valitov
Il'ichev Pasific Oceanological Institute FEB RAS, 43, Baltiiskai St., Vladivostok, 690041, Russia, Ph. D., Head of Laboratory, phone: (423)231-14-00, e-mail: maxval@mail.ru
Igor S. Sizikov
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Engineer-Constructor, e-mail: sizikov.i.s@gmail.com
Dmitrii A. Nosov
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Engineer-Programmer, e-mail: danossov@ngs.ru
Yurii F. Stus
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Senior Researcher
Evgenii N. Kalish
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Senior Researcher
Dmitriy G. Ardyukov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Senior Researcher, phone: (383)335-64-42, e-mail: ardyukovdg@ipgg.sbras.ru
Anton V. Timofeev
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Senior Researcher, phone: (383)335-64-42, e-mail: timofeevav@ipgg.sbras.ru
Tatiana N. Kolpashikova
Il'ichev Pasific Oceanological Institute FEB RAS, 43, Baltiiskai St., Vladivostok, 690041, Russia, Researcher, phone: (423)231-14-00, e-mail: pacific@online.marine.su
Zoia N. Proshkina
Il'ichev Pasific Oceanological Institute FEB RAS, 43, Baltiiskai St., Vladivostok, 690041, Russia, Researcher, phone: (423)231-14-00, e-mail: pacific@online.marine.su
Elena V. Boyko
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Prospect Аkademik
Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Researcher, phone: (383)335-64-42, e-mail: boykoev@ipgg.nsc.ru
Preliminary tidal gravity results at Shultz Cape polygon (Primorie) have shown some metrology problems. Complex measurements with different type gravimeters and space geodesy receivers were started for problem's decision. This observation discussed in this paper. Observation points created on different heights at Shultz Cape polygon. Complex study was used for calibration and gravity reduction investigation. We plan to use these results in structure investigation at Primorie territory.
Key words: tidal effects, gravity observation, spring and absolute gravimeters, calibration, reduction, South Primorie, Far East of Russia.
Введение
Развитие методов высокоточных измерений на полигоне мыс Шульца ТОИ ДВО РАН (полуостров Гамова, побережье Японского моря, юг Приморья) в последнее десятилетие позволило включить в комплекс измерений методы космической геодезии и гравиметрии. Появилась возможность равноточности измерений, так, гравиметрия на уровне микрогала соответствует миллиметровой точности долговременных GPS измерений. Проведение многолетних измерений на полигоне (координаты 42.58°N, 131.16°E) позволило рассмотреть ряд задач, решение которых приведено в этой работе.
Известно, что при изучении гравитационного поля его удобно разделить на правильную (нормальную) часть и аномальную. Аномальная часть - это разность нормального значения и наблюдаемой величины на физической поверхности. Нормальное значение задается нормальной формулой на поверхности эллипсоида. Таким образом, для получения аномалии ускорения силы тяжести необходимо перенести наблюдаемое значение к эллипсоиду. Этот процесс называется редуцированием, а поправки, вносимые при этом, - редукциями. Для реализации планов исследований потребовалось выполнить закладку пунктов измерений и провести абсолютные наблюдения с гравиметрами ГАБЛ [1, 2]. Выполнена калибровка относительных гравиметров и проведено определение вертикального градиента силы тяжести на постаментах, расположенных в подземном бункере и на берегу моря. Результаты измерений позволяют вычислить поправки (редукции) и сравнить их с теоретическими оценками. Хорошая аппаратурно-методическая база дает возможность изучения деформаций
Земли, вызванных приливными и тектоническими силами, порождающими временные вариации смещений, и нерегулярные изменения силы тяжести в условиях сейсмоактивной окраины континента.
Результаты измерений
Гравиметрические исследования с помощью относительного цифрового гравиметра SCINTREX CG5 40301 начаты в 2010 г. [1]. Гравиметрический пункт на полигоне «Мыс Шульца» оборудован в бывшем военном бункере, пункт подземный, глубиной около 3 м, с пассивной терморегуляцией. Приливные вариации, зарегистрированные относительным гравиметром в летние месяцы 2010 и 2011 гг., были проанализированы по суточным и полусуточным волнам (01 и М2). Как видим из табл. 1, результаты по амплитудам и фазам оказались крайне неустойчивы во времени, что, может свидетельствовать о наличии особенностей метрологических характеристик данного прибора и требует их контроля.
Таблица 1
Результаты приливного анализа различными относительными гравиметрами
Волна SCINTREX CG5 40301 SCINTREX CG5 40301 GPHONE 111
87 д. (2010/04-2010/07) 65 д. (2011/06-2011/08) 585 д. (06-2012-12.2014)
5 а (°) 5 а (°) 5 а (°)
O1 1.1823 ± 0.157 ± 1.2082 ± -0.383 ± 1.16552 ± 0.073 ±
0.0052 0.029 0.0205 0.123 0.00019 0.010
M2 1.1687 ± 0.474 ± 1.1885 ± +0.392 ± 1.17106 ± 1.048 ±
0.0041 0.023 0.0122 0.069 0.00008 0.004
M2/O1 0.9885 0.9837 1.00435
Примечание. О1 - суточная волна, М2 - полусуточная волна, 5 - амплитудный фактор (отношение наблюдаемой амплитуды к теоретическому значению), а - фазовый сдвиг (в градусах).
Для контроля масштабных характеристик гравиметров было решено дополнить измерения определениями с помощью приборов различного типа, а для выполнения калибровок относительных гравиметров заложить второй гравиметрический пункт на другой высоте (рис. 1).
Ежегодные измерения с помощью абсолютного гравиметра ГАБЛ были начаты во второй половине 2010 г.. Они обычно выполнялись в течение одной-двух недель. С 2012 г. приливные измерения продолжены с помощью относительного гравиметра GPHONE 111 [3]. Эти измерения проводились по возможности непрерывно, за исключением нескольких периодов, связанных с проблемами электроснабжения (табл. 1). Для точных плановых и высотных измерений в 2012 г. комплекс дополнен приемниками космической геодезии TRIMBLE 4700. Такие наблюдения начаты на крыше первого пункта (рис. 1), расположенного на горе, в сентябре 2012 г. В это время начаты ежегодные комплекс-
ные измерения на пунктах. Сначала были сделаны определения вертикального градиента на отдельных пунктах и проведена проверка масштабного коэффициента относительного гравиметра GPHONE 111 перемещением гравиметра с верхнего пункта на пункт около моря и обратно (рис. 1).
Рис. 1. Слева: Мыс Шульца, положение пунктов гравиметрических измерений; стрелками отмечены верхний бункер (1) и пункт на берегу моря (2) (справа: положение пунктов и R - расстояние между ними)
Одновременно проводились определения с помощью абсолютного гравиметра ГАБЛ. Перемещение GPHONE 111 вниз проводилось с подключением резервного питания, перемещение обратно проводилось при отключенном резервном питании. Определение вертикального градиента с помощью гравиметра GPHONE 111 проводилось многократными перестановками прибора (высотные изменения 0.74 м и 1.03 м), было получено значение в подземном бункере: -290.2 ± 0.3 мкГал/м, а в наземном пункте: -307.55 ± 6 мкГал/м, что соответствует существующим представлениям (рис. 2).
Рис. 2 (слева направо). Гравиметр ГАБЛ в подземном бункере (пункт 1 на горе); гравиметр GPHONE 111 на пункте 1, определение градиента; гравиметр ГАБЛ на постаменте пункта 2 на берегу моря (старый капонир)
Повышение уровня ошибки на второй станции вызвано температурными градиентами в металлической коробке пункта (рис. 2). Разность высот для пунктов на горе и на берегу моря составила 38.953 м (рис. 1). Для определения положения пунктов использованы два приемника космической геодезии TRIMBLE 4700. Продолжительность измерений на пункте составляла трое суток и более. Использована жесткая центровка антенн на пунктах. Для обработки данных применялась программа GAMIT-GLOBK c привлечением данных постоянных GPS станций сети IGS (система ITRF2008). Для пункта на горе имеем: высота 9.4 м от крыши (GPS антенна) до уровня пола в подвале (670 см - здание, 270 см - подвал).
Таким образом, из измерений на крыше пункта следует, что высота составляет 78.595 м, т. е. высота пункта - 78.595 - 9.4 = 69.195 м. Высота второго пункта на берегу составляет 30.253 м. Разность высот между гравиметрическими пунктами один и два составляет 38.953 м. Горизонтальное расстояние между гравиметрическими пунктами составило 133 м (R на рис. 1).
По измерениям 2012, 2013, 2015 и 2016 гг., разность значений силы тяжести между старым (1) и новым (2) пунктами составила: по абсолютным определениям 7969 ± 2 мкГал, по относительным - 7999.5 ± 10 мкГал. Известно, что на подземном пункте постамент для относительного гравиметра на 0.10 м. выше бетонного пола, на котором проводились абсолютные определения. Учитывая значения градиента 290 мкГал/м, нужно вычесть 29 мкГал из полученного значения относительного прибора, получаем разность 7970.50 мкГал, что до 2 мкГал совпадает со значением по ГАБЛу, 7969 ± 2 мкГал. Калибровка показывает хорошее согласие определений относительного гравиметра GPHONE 111 с абсолютными измерениями (относительная ошибка 0.02 %).
Рассмотрим задачу редукции значения силы тяжести с высотой, используя экспериментальные данные. Для этой цели было выполнено определение плотности горной породы, слагающей полигон. По нашим определениям, для гра-нодиоритов, отобранных на скальных обнажениях, представленных на полигоне «Мыс Шульца», плотность составила 2.73 р£м . Сравнение с данными по другим регионам [4] показывает типичность полученных значений (табл. 1). Изменение давления от нуля (на поверхности) до 1 МПа (глубина 40 м) составляет p = pgh = 2.73 ■ 103 ■ 9.8 ■ 40 = 1.07016 10 6 Па (р - плотность в кг /м3, g -
л
ускорение силы тяжести в м/сек , h - глубина в метрах), т. е. наше значение можно не увеличивать.
Таблица 2
-5
Плотность магматических пород (в р£м ) при различных давлениях
Порода Давление p, МПа Место отбора образцов
0.1 100 500 1000 1500
Гранодиорит 2.78 2.81 2.83 2.83 2.84 Казахстан
2.62 2.65 2.67 2.68 2.69 Кавказ
Переходим к определению редукций [5]. Рассмотрим известное соотношение для редукции Буге. В общем случае это поправка за свободный воздух и промежуточный слой. Учитывая плотность и разности высот, получаем:
AgБ = 2g0 / r0Н - 2nGpcH = 308.6 Н -114.0 Н = 194.6 Н =
мкГал,
= 194.6 х 39 = 7589.4 мкГал,
где Н - мощность слоя, r0 - радиус Земли, g0 - нормальное значение силы тяжести, G - гравитационная постоянная, рс - плотность слоя.
Далее следует учесть топографическую поправку - за рельеф. В нашем случае, исходя из форм рельефа на полигоне, используем модель «наклонная плоскость». Угол наклона плоскости I определяем из соотношения высоты к горизонтальному расстоянию между пунктами. Проекция расстояния от основания до вершины на горизонтальную плоскость - это R. В нашем случае, при
-5
I = 18°, R = 133 м, р = 2.73 г/см , получаем:
AgT = nG pR(l-cos I ) = 0.057-R (0.048943) = 371.0 мкГал.
Аномалия Буге и поправка за рельеф в сумме дают эффект:
7589, 4 + 371.0 = 7960.4 мкГал.
Полученное значение в пределах ошибок хорошо соответствует данным измерений как абсолютным гравиметром ГАБЛ (7969.0 мкГал), так и относительным гравиметром GPHONE 111 (7970.5 мкГал).
С другой стороны, используя экспериментальные данные об изменении силы тяжести с высотой, получаем значение коэффициента для редукции (поправка Буге + топографическая поправка) 204.35 мкГал/м. Это значение можно использовать для пересчета значений поля силы тяжести на нулевую высоту в этом регионе.
Заключение
Экспериментальные работы с гравиметрами на полигоне ТОИ ДВО РАН «Мыс Шульца» (полуостров Гамова, побережье Японского моря, Приморский край, южнее г. Владивосток) проводились на двух гравиметрических пунктах. Измерения на разновысотных пунктах выполнены абсолютным гравиметром ГАБЛ и относительным гравиметром GPHONE 111, результаты совпадают с точностью до 2 мкГал (относительная ошибка 0.02 %). Периодические измерения на пунктах использованы для калибровки гравиметров. Определено значение вертикального градиента для подземного бункера глубиной около 3 м, расположенного на горе: -290.2 ± 0.3 мкГал/м. Для второго пункта, оборудованного на поверхности, значение вертикального градиента совпадает с нормальным его значением. Данные измерений методом спутниковой геодезии по-
зволили получить значения координат пунктов, а разность высот составила 38.94 м. На полигоне выполнены определения плотности горных пород, резуль-
-5
таты (2.73 г/см ) типичны для гранодиорита. Выполнены теоретические расчеты редукции - поправки Буге и топографической поправки. Оказалось, что полученные результаты с точностью в 9 мкГал совпадают с результатами измерений абсолютным и относительным приборами (относительное отличие составляет 0.1 %). Получен коэффициент редукции для перевода на высоту нормального эллипсоида с учетом рельефа 204.35 мкГал/м и для плоского случая 195.09 мкГал/м. Учет рельефа дает поправку в 4 %. Экспериментальная величина редукции будет использована при гравиметрических структурных исследованиях на Дальнем Востоке России.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Timofeev V., Kulinich R., Valitov M., Stus Y., Kalish E., Ducarme B., Gornov P., Ardyukov D., Sizikov I., Timofeev A., Gil'manova G., Kolpashikova T., Proshkina Z. Coseismic effects of the 2011 Magnitude 9.0 Tohoku-Oki Earthquake measured at Far East Russia continental coast by gravity and GPS methods // International Journal of Geosciences. - 2013. - Т. 4. - № 02. -P. 362. - doi: 10.4236/ijg.2012, 2013, 4, 362-370.
2. Arnautov G. P. Results of international metrological comparison of absolute laser ballistic gravimeters // Avtometria. - 2005. - Т. 1. - P. 126-136.
3. Riccardi U., Rosat S. and Hinderer J. Comparison of the Micro-g LaCoste gPhone-054 spring gravimeter and the GWR-C026 superconducting gravimeter in Strasbourg (France) using a 300-day time series. Metrologia, - 2011. - Т. 48. - № 1. - С. 28. doi:10.1088/0026-1394/48/1/003.
4. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых (петрофизика). Справочник геофизика / под ред. Н. Б. Дортмана. - М. : Недра, 1984. - 455 с.
5. Миронов В. С. Курс гравиразведки. - Л. : Недра, 1972 - 511 с.
REFERENCES
1. Timofeev V., Kulinich R., Valitov M., Stus Y., Kalish E., Ducarme B., Gornov P., Ardyukov D., Sizikov I., Timofeev A., Gil\'manova G., Kolpashikova T., Proshkina Z. Coseismic effects of the 2011 Magnitude 9.0 Tohoku-Oki Earthquake measured at Far East Russia continental coast by gravity and GPS methods // International Journal of Geosciences. - 2013. - T. 4. - № 02. -P. 362. - doi: 10.4236/ijg.2012, 2013, 4, 362-370.
2. Arnautov G. P. Results of international metrological comparison of absolute laser ballistic gravimeters // Avtometria. - 2005. - T. 1. - P. 126-136.
3. Riccardi U., Rosat S. and Hinderer J. Comparison of the Micro-g LaCoste gPhone-054 spring gravimeter and the GWR-C026 superconducting gravimeter in Strasbourg (France) using a 300-day time series. Metrologia, - 2011. - T. 48. - № 1. - S. 28. doi:10.1088/0026-1394/48/1/003.
4. Fizicheskie svojstva gornyh porod i poleznyh iskopaemyh (petrofizika). Spravochnik geofizika / Pod red. N. B. Dortmana. - M. : Nedra, 1984. - 455 s.
5. Mironov V. S. Kurs gravirazvedki. - L. : Nedra, 1972 - 511 s.
© В. Ю. Тимофеев, М. Г. Валитов, И. С. Сизиков, Д. А. Носов, Ю. Ф. Стусь, Е. Н. Калиш, Д. Г. Ардюков, А. В. Тимофеев, Т. Н. Колпащикова, З. Н. Прошкина, Е. В. Бойко, 2018
