Гравитационная градиентометрия

Гравитационная градиентометрия - это исследование и измерение вариаций ( аномалий ) гравитационного поля Земли . Гравитационный градиент пространственной скорость изменения гравитационного ускорения .

Гравитационная градиентометрия используется разведчиками нефти и полезных ископаемых для измерения плотности недр , эффективно путем измерения скорости изменения гравитационного ускорения из-за свойств подстилающей породы. Из этой информации можно построить картину подземных аномалий, которую затем можно использовать для более точного определения месторождений нефти, газа и полезных ископаемых. Он также используется для изображения плотности водяного столба при обнаружении подводных объектов или определении глубины воды ( батиметрия ). Ученые-физики используют гравиметры для определения точных размеров и формы Земли, и они вносят свой вклад в компенсацию силы тяжести, применяемую в инерциальных навигационных системах.

Измерение градиента силы тяжести [ править ]

Измерения силы тяжести отражают гравитационное притяжение Земли, ее центростремительную силу , приливные ускорения, вызванные солнцем, луной и планетами, а также другие приложенные силы. Градиентометры силы тяжести измеряют пространственные производные вектора силы тяжести. Наиболее часто используемый и интуитивно понятный компонент - это вертикальный градиент силы тяжести, G _zz , который представляет скорость изменения вертикальной силы тяжести ( g _z ) с высотой ( z ). Его можно вывести, дифференцировав значение силы тяжести в двух точках, разделенных небольшим вертикальным расстоянием l, и разделив на это расстояние.

{\ Displaystyle G_ {zz} = {\ partial g_ {z} \ over \ partial z} \ приблизительно {g_ {z} {\ bigl (} z + {\ tfrac {\ ell} {2}} {\ bigr)} -g_ {z} {\ bigl (} z - {\ tfrac {\ ell} {2}} {\ bigr)} \ over \ ell}}

Два измерения силы тяжести обеспечиваются акселерометрами, которые согласованы и настроены с высокой точностью.

Единицы [ править ]

Единицей градиента силы тяжести является eotvos (сокращенно E), что эквивалентно 10 ^-9 с- ² (или 10 ^-4 м гал / м). Человек, проходящий мимо на расстоянии 2 метров, будет давать сигнал градиента силы тяжести примерно на одну E. Горы могут подавать сигналы нескольких сотен Eotvos.

Тензор градиента силы тяжести [ править ]

Полные тензорные градиентометры измеряют скорость изменения вектора силы тяжести во всех трех перпендикулярных направлениях, что дает тензор градиента силы тяжести (рис. 1).

Рис. 1. Обычная гравитация измеряет ОДНУ компоненту гравитационного поля в вертикальном направлении Gz (LHS), Полная тензорная гравитационная градиентометрия измеряет ВСЕ компоненты гравитационного поля (RHS).

Сравнение с гравитацией [ править ]

Поскольку спектральная мощность сигналов градиента силы тяжести является производной силы тяжести, она увеличивается до более высоких частот. Это обычно делает аномалию градиента силы тяжести более локализованной в источнике, чем аномалия силы тяжести. В таблице (ниже) и на графике (рис. 2) сравниваются ответы g _z и G _zz от точечного источника.

	Гравитация ( g _z )	Градиент силы тяжести ( G _zz )
Сигнал	${\ displaystyle {GM \, z \ over (r ^ {2} + z ^ {2}) ^ {3/2}} \ times 10 ^ {5} \; \ left [{\ text {mGal}} \ верно]}$	${GM(r^{2}-2z^{2}) \over (r^{2}+z^{2})^{5/2}}\times 10^{9}\;\left[{\text{E}}\right]$
Пиковый сигнал ( r = 0)	${GM \over z^{2}}\times 10^{5}$	${2GM \over z^{3}}\times 10^{9}$
Полная ширина на половине максимальной	$1.53\,z$	$\approx z$
Длина волны (λ)	$3.07\,z$	$2\,z$

Рис. 2. Сигналы вертикальной силы тяжести и градиента силы тяжести от точечного источника, захороненного на глубине 1 км.

И наоборот, измерения силы тяжести имеют большую мощность сигнала на низкой частоте, что делает их более чувствительными к региональным сигналам и более глубоким источникам.

Среда динамического исследования (бортовая и морская) [ править ]

Измерение производной жертвует общей энергией сигнала, но значительно снижает шум из-за двигательных возмущений. На движущейся платформе возмущение ускорения, измеренное двумя акселерометрами, одинаково, поэтому при формировании разницы оно отменяется при измерении градиента силы тяжести. Это основная причина использования градиентометров в воздушных и морских исследованиях, где уровни ускорения на порядки превышают интересующие сигналы. Отношение сигнал / шум наиболее выгодно на высоких частотах (выше 0,01 Гц), где воздушный шум ускорения является самым большим.

Приложения [ править ]

Гравитационная градиентометрия в основном использовалась для визуализации геологии недр, чтобы помочь в разведке углеводородов и полезных ископаемых. К настоящему времени с помощью этой методики обследовано более 2,5 миллионов погонных километров. ^[1] Исследования выявляют аномалии силы тяжести, которые могут быть связаны с геологическими особенностями, такими как соляные диапиры , системы разломов , структуры рифов , кимберлитовые трубки и т. Д. Другие приложения включают обнаружение туннелей и бункеров ^[2] и недавнюю миссию GOCE , направленную на улучшение знание циркуляции океана.

Градиентометры силы тяжести [ править ]

Градиентометры силы тяжести Lockheed Martin [ править ]

В 1970-х годах, будучи руководителем Министерства обороны США, Джон Бретт инициировал разработку гравитационного градиентометра для поддержки системы Trident 2. Комитету было поручено искать коммерческие приложения для системы Full Tensor Gradient (FTG), разработанной Bell Aerospace (позже приобретенной Lockheed Martin ) и развернутой на подводных лодках Trident класса Огайо ВМС США, предназначенных для помощи в скрытой навигации. Когда холодная война подошла к концу, ВМС США выпустили засекреченную технологию и открыли двери для полной коммерциализации технологии. Существование гравитационного градиентометра было широко раскрыто в фильме «Охота за красным октябрем», вышедшем в 1990 году.

В настоящее время используются два типа гравитационных градиентометров Lockheed Martin: 3D Full Tensor Gravity Gradiometer (FTG; устанавливается на самолет с неподвижным крылом или на корабле) и градиентометр FALCON (частичная тензорная система с 8 акселерометрами, установленная на стационарном крыле). крыло самолета или вертолета). Система 3D FTG содержит три инструмента для гравитационно-градиентометрии (GGI), каждый из которых состоит из двух противоположных пар акселерометров, расположенных на вращающемся диске с направлением измерения в направлении вращения.

Другие градиентометры силы тяжести [ править ]

Электростатический градиентометр силы тяжести: Это градиентометр силы тяжести, развернутый в рамках миссии GOCE Европейского космического агентства . Это трехосевой диагональный градиентометр, основанный на трех парах электростатических акселерометров с сервоуправлением.
Гравитационный градиентометр ARKeX Exploration: Эволюция технологии, первоначально разработанной для Европейского космического агентства, исследовательский гравитационный градиентометр (EGG), разработанный ARKeX (ныне несуществующей корпорацией), использует два ключевых принципа сверхпроводимости для обеспечения своей производительности: эффект Мейснера , который обеспечивает левитацию массы EGG и квантование потока , что придает EGG присущую ему стабильность. EGG был специально разработан для высокодинамичных условий съемки.
Градиентометр датчика ленты: Датчик гравитационного градиентометра Gravitec состоит из одного чувствительного элемента (ленты), который реагирует на силы гравитационного градиента. Он разработан для скважинных применений.
Градиентометр силы тяжести UWA: Гравитационный градиентометр Университета Западной Австралии (также известный как ВК-1) - это сверхпроводящий прибор, в котором используется конструкция ортогонального квадрупольного респондента (OQR), основанная на парах балансира, поддерживаемых микроизгибом.
Гравитационный градиентометр gedex: Гравитационный градиентометр Gedex (также известный как воздушный гравитационный градиентометр высокой четкости, HD-AGG) также является сверхпроводящим гравитационным градиентометром типа OQR, основанным на технологии, разработанной в Университете Мэриленда.

См. Также [ править ]

Гравитационно-градиентная стабилизация
Роберт Л. Форвард # Детектор массы вперед
Акселерометр
Принцип эквивалентности
Гравиметр
Приборы

Ссылки [ править ]

^ Gravity Gradiometry Today and Tomorrow (PDF) , Геофизическая ассоциация Южной Африки, заархивировано из оригинала (PDF) 22 февраля 2011 г. , извлечено 27 июня 2011 г.
^ Использование гравитации для обнаружения подземных угроз , Lockheed Martin, архивировано из оригинала 3 июня 2013 г. , извлечено 14 июня 2013 г.

Внешние ссылки [ править ]

Достижения и проблемы в разработке и развертывании систем гравитационного градиентометра
Полезная нагрузка миссии GOCE

[1] Gravity Gradiometry Today and Tomorrow (PDF) , Геофизическая ассоциация Южной Африки, заархивировано из оригинала (PDF) 22 февраля 2011 г. , извлечено 27 июня 2011 г.

[2] Использование гравитации для обнаружения подземных угроз , Lockheed Martin, архивировано из оригинала 3 июня 2013 г. , извлечено 14 июня 2013 г.

[1]