Гравитационная градиентометрия - Gravity gradiometry

Гравитационная градиентометрия изучение и измерение вариаций ускорение из-за сила тяжести. В градиент силы тяжести - пространственная 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 столб воды плотности, при обнаружении подводных объектов или определении глубины воды (батиметрия ). Ученые-физики используют гравиметры для определения точного размера и формы Земли, и они вносят свой вклад в компенсацию силы тяжести, применяемую в инерциальных навигационных системах.

Измерение градиента силы тяжести

Измерения силы тяжести отражают гравитационное притяжение Земли, ее центростремительная сила, приливные ускорения из-за солнца, луны и планет, а также других приложенных сил. Градиентометры силы тяжести измеряют пространственные производные вектора силы тяжести. Наиболее часто используемый и интуитивно понятный компонент - это вертикальный градиент силы тяжести, г_zz, который представляет собой скорость изменения вертикальной силы тяжести (г_z) с высотой (z). Это может быть получено путем разницы значений силы тяжести в двух точках, разделенных небольшим вертикальным расстоянием l, и деления на это расстояние.

{displaystyle G_ {zz} = {частичный g_ {z} по частичному z} приблизительно {g_ {z} {igl (} z + {frac {ell} {2}} {igr)} - g_ {z} {igl (} z- {frac {ell} {2}} {igr)} над ell}}

Два измерения силы тяжести обеспечиваются акселерометрами, которые согласованы и выровнены с высоким уровнем точности.

Единицы

Единицей градиента силы тяжести является этвос (сокращенно E), что эквивалентно 10⁻⁹ s⁻² (или 10⁻⁴ мГал / м). Человек, проходящий мимо на расстоянии 2 метров, будет давать сигнал градиента силы тяжести примерно на одну E. Горы могут давать сигналы нескольких сотен Eotvos.

Тензор градиента силы тяжести

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 ОДИН компонент гравитационного поля в вертикальном направлении Gz (LHS), Полная тензорная гравитационная градиентометрия измеряет ВСЕ компоненты гравитационного поля (RHS).

Сравнение с гравитацией

Поскольку спектральная мощность сигналов градиента силы тяжести является производной силы тяжести, она увеличивается до более высоких частот. Обычно это делает аномалию градиента силы тяжести более локализованной в источнике, чем аномалия силы тяжести. Таблица (ниже) и график (Рис. 2) сравнивают г_z и г_zz ответы от точечного источника.

	Сила тяжести (г_z)	Градиент силы тяжести (г_zz)
Сигнал	${displaystyle {GM, z over (r ^ {2} + z ^ {2}) ^ {3/2}} imes 10 ^ {5}; left [{ext {mGal}} ight]}$	${displaystyle {GM (r ^ {2} -2z ^ {2}) over (r ^ {2} + z ^ {2}) ^ {5/2}} imes 10 ^ {9}; left [{ext { Восемь]}$
Пиковый сигнал (р = 0)	${displaystyle {GM over z ^ {2}} раз 10 ^ {5}}$	${displaystyle {2GM over z ^ {3}} раз 10 ^ {9}}$
Полная ширина на половине максимальной	${displaystyle 1.53, z}$	${displaystyle приблизительно z}$
Длина волны (λ)	${displaystyle 3.07, z}$	${displaystyle 2, z}$

Рис. 2. Сигналы вертикальной силы тяжести и градиента силы тяжести от точечного источника, погребенного 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 динамической съемки (воздушная и морская)

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 при 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

Гравитационная градиентометрия в основном использовалась для визуализации геологии недр с целью поиска углеводородов и полезных ископаемых. К настоящему времени с помощью этой методики обследовано более 2,5 млн пог. Км.^[1] Исследования выявляют аномалии силы тяжести, которые могут быть связаны с геологическими особенностями, такими как Солевые диапиры, Неисправность системы, Риф конструкции, Кимберлит трубы и т. д. Другие приложения включают обнаружение туннелей и бункеров.^[2]и недавний GOCE миссия, направленная на улучшение знаний о циркуляции океана.

Градиентометры силы тяжести

Градиентометры силы тяжести Lockheed Martin

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 полного тензорного градиента (FTG), которая была разработана Bell Aerospace (позже приобретен Локхид Мартин ) и был развернут на ВМС США Огайо-класс Подводные лодки Trident, предназначенные для скрытого плавания. Когда холодная война подошла к концу, ВМС США выпустили засекреченную технологию и открыли двери для полной коммерциализации технологии. О существовании гравитационного градиентометра было известно в фильме. Охота за красным октябрем выпущен 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 прибора для гравитационно-градиентометрии (GGI), каждый из которых состоит из двух противоположных пар акселерометров, расположенных на вращающемся диске с направлением измерения в направлении вращения.

Другие гравитационные градиентометры

Электростатический гравитационный градиентометр: Это градиентометр силы тяжести, установленный на базе Европейского космического агентства. GOCE миссия. Это трехосевой диагональный градиентометр, основанный на трех парах электростатических акселерометров с сервоуправлением.
Гравитационный градиентометр ARKeX Exploration: Эволюция технологии, первоначально разработанной для Европейского космического агентства, исследовательского гравитационного градиентометра (EGG), разработанного ARKeX (ныне несуществующей корпорацией), использует два ключевых принципа: сверхпроводимость для достижения своей производительности: Эффект Мейснера, что обеспечивает левитацию устойчивых масс 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 применения в скважинах.
Градиентометр силы тяжести UWA: Гравитационный градиентометр Университета Западной Австралии (также известный как VK-1) - это сверхпроводящий прибор, в котором используется конструкция ортогонального квадрупольного ответчика (OQR), основанная на парах балансировочных балок, поддерживаемых микроизгибом.
Гравитационный градиентометр gedex: Гравитационный градиентометр Gedex (также известный как воздушный гравитационный градиентометр высокой четкости, HD-AGG) также является сверхпроводящим гравитационным градиентометром OQR-типа, основанным на технологии, разработанной в Университете Мэриленда.

Смотрите также

использованная литература

^ Гравитационная градиентометрия сегодня и завтра (PDF), Южноафриканская геофизическая ассоциация, архив из оригинал (PDF) на 2011-02-22, получено 2011-06-27
^ Использование гравитации для обнаружения подземных угроз, Lockheed Martin, заархивировано оригинал на 2013-06-03, получено 2013-06-14

внешние ссылки

[1] Гравитационная градиентометрия сегодня и завтра (PDF), Южноафриканская геофизическая ассоциация, архив из оригинал (PDF) на 2011-02-22, получено 2011-06-27

[2] Использование гравитации для обнаружения подземных угроз, Lockheed Martin, заархивировано оригинал на 2013-06-03, получено 2013-06-14

[1]

[2]