Общее устройство кварцевых астазированных гравиметров.

Гравиметр состоит из корпуса (рис. 2.14) с чувствительной системой и работающими элементами и внешнего теплоизолирующего контейнера. Внешний контейнер представляет собой стальной цилиндр (кожух) (2) с установочными винтами (4) внизу. По дну и стенкам кожуха проложен слой теплоизоляции. В контейнер вставляется сосуд Дьюара (3) - полый цилиндрический стакан с посеребренными двойными стенками. Корпус гравиметра, в котором установлены стойки для крепления кварцевой системы, представляет собой герметичный металлический стакан, из которого выкачан воздух.

Любой ремонт, связанный со вскрытием системы гравиметра, выполняется только в специализированной мастерской экспедиции. На верхней панели гравиметра расположены уровни (11), отсчетное устройство (10) с микрометренным винтом, Г-образный термометр, отверстие для доступа к диапазонному винту, которое закрыто текстолитовым стержнем, окуляр микроскопа (7), патрон для лампы и отверстие для доступа к штуцеру, через который выкачивается воздух из системы. Корпус гравиметра вставлен в сосуд Дьюара. Для более плотного соединения и избежания повреждений сосуда Дьюара на корпус гравиметра надет шерстяной чехол.

а

б
Рис. 2.14. Общий вид гравиметра

ГНУ/К-В.

а - внешний вид гравиметра:

1 - установочные винты; 2 -отсчетное микрометрическое

устройство; 3 - окуляр.

б - Разрез гравиметра:

1 - средняя часть гравиметра; 2 -

внешний кожух; 3 - сосуд Дьюара;

4 - установочный винт; 5 -теплоизоляция; 6 - ручка для переноски; 7 - окуляр; 8 – верхняя плата; 9 - вакуумная камера; 10 -

отсчетное микрометрическое

устройство; 11 - уровень; 12 - теплозащитный столб.

 

 

Рис. 2.15. Принципиальная схема гравиметра ГНУ/К-В

Ag =?(112-11!). (2.52)

где n1 и n2 - отсчеты в делениях шкалы микрометра в пунктах 1 и 2. Цену деления гравиметра определяют при эталонировании (см. ниже).

Чувствительная система гравиметра помещена в специальный корпус, в котором предусмотрен ряд мер теплоизоляции системы: на корпус надет шерстяной чулок, он помещен в сосуд Дьюара (термос) и т.п. Это сделано с целью уменьшения сползания нуль-пункта прибора за счет изменений температуры. Для учета смещения нуль-пункта во времени в процессе проведения гравиметрических съемок через определенные промежутки времени (2-3 часа) производят наблюдения на точках опорной гравиметрической сети, в которых значение силы тяжести заранее определено с повышенной точностью.

Рис. 2.16. Вид отсчетного устройства гравиметра ГАК-7Т

Современные гравиметры типа ГАК позволяют измерять силу тяжести с точностью до 0,01 мГал. Они позволяют проводить только относительные измерения Ag, следовательно, для получения абсолютных значений силы тяжести необходимо привязываться к опорной гравиметрической сети. Такую увязку выполняют, как правило, многократными рейсами на вертолетах или автомашинах.

Гравиметры типа ГАК просты в обращении, время наблюдений на одном пункте 1-2 мин. Малая масса гравиметров (6-7 кг) позволяет использовать их в труднопроходимых районах.

Гравиметры зарубежных фирм (Уорден, Шарп, Содин и др.) по внешнему виду, принципиальному устройству кварцевой системы и порядку работы с ними почти не отличаются от рассмотренных гравиметров (рис. 2.17).

Методика работ с гравиметрами и порядок наблюдений определяются двумя основными особенностями. Это наличие смещения нуль-пункта гравиметра (иногда говорят - сползание или дрейф нуля, по английски - drift) и то, что гравиметры измеряют приращение силы тяжести Δg от какого-то исходного (или опорного пункта). В зависимости от конкретного гравиметра, его класса точности и типа смещение нуль-пункта можно считать линейным, обеспечивающим определенную погрешность, указанную в паспорте, в течение 2-3 часов. У гравиметров класса «А» это время может доходить до 5 часов. Поэтому, для того, чтобы определить величину смещения нуля, при измерениях оператор должен систематически через указанное время проводить измерения на опорном пункте, на котором значение силы тяжести заранее определено с повышенной точностью.

В последнее время появились компьютеризированные гравиметры, позволяющие повысить точность измерений на порядок по сравнению рассмотренными. Внешний вид и технические данные такого гравиметра приведены на рис 2.18. Можно обратить внимание на

то, что дрейф нуля здесь составляет 0,02 мГал в день, что дает возможность при съемке обходиться без опорной сети, выставляя один опорный пункт в районе полевого лагеря.

Внешний вид гравиметра ГНУ/К-С

Гравиметры фирмы У ОРДЕН

 

t ^w Г

А — Проспектор (разведчик) Б — Эдькжейтор (ученик) В - Мастер Г —Геодезист.

Рис. 2.17. Внешний вид кварцевых астазированных гравиметров.

Технические данные

Измерительная система - плавленый кварц с

электростатической компенсацией.

Точность измерения - 1 мкГал.

Рабочий диапазон - 8000 мГал без перестройки.

Остаточный статический дрейф нуля - 0,02 мГал в день.

Автоматическая компенсация наклона - +/- 200

угловых секунд.

Скачок отсчета при ударах - обычно менее 5 мкГал при

ударе в 20 g..

Размеры - 30 х 21 х 22 см.

Вес с аккумуляторами - 8 кГ.

Емкость батарей -2хб Ач (10,8 В)

Потребление энергии - 4,5 Вт при 25° С.

Диапазон рабочих температур - от -40 до +45° С.

Температурный коэффициент - 0,2 мкГал/градус С

Память - Flash, 1 МБ с расширением до 12 МБ.

Выход - USB-порт.

Автоматическая компенсация приливных вариаций,

наклона, температуры, микросейсм.

Рис.2.18. Компьютеризированный гравиметр CG-5 AutoGrav.

Однако фактически методика обработки результатов съемки (особенно в горных районах) оказалась не готовой к таким точностям измерений. Введением различных поправок (редукции, поправка за окружающий рельеф) из-за отсутствия сведений об

истинной плотности пород промежуточного слоя точность определения аномальных значений поля ухудшается.

Несколько гравиметров такого типа уже имеются в России. Судя по техническим характеристикам, при работе с ними достаточно будет иметь одну опорную точку и методика работ значительно упростится.

Подготовка гравиметров к работе

Подготовку гравиметров к работе обычно разделяют на предмаршрутную (ежедневную) и предполевую. Предмаршрутная подготовка заключается, кроме внешнего осмотра гравиметра, в проверке оптики прибора, настройке диапазона и проверке установки уровней гравиметра на минимум чувствительности к наклону. Эти операции подробно изложены в материалах к лабораторным работам по гравиразведке.

Предполевая подготовка представляет собой тщательное и длительное исследование режима работы каждого гравиметра и включает в себя следующие операции.

1. Эталонирование гравиметра. Поскольку кварцевые астазированные гравиметры основаны на принципе компенсации и мерой измеряемого приращения ускорения силы тяжести служит угол поворота микрометренного винта, натягивающего или ослабляющего измерительную пружину системы, необходимо периодически (по инструкции - два раза в год) эталонировать (иногда говорят - градуировать) гравиметр, т. е. определять цену одного оборота микрометренного винта в миллигалах на один оборот (мГл/об). Принципиально это можно сделать различными способами.

Во-первых, можно использовать метод повысотной съемки. Как это следует из формулы (6.7), величина нормального вертикального градиента силы тяжести составляет 0,30855 мГл /м. Поэтому, если взять отсчеты n1 и щ по гравиметру в двух пунктах, разность высот между которыми составляет ΔН (м), можно определить приращение ускорения силы тяжести между этими пунктами, как Δg (мГл) = 0,30855 ΔН.(м) Тогда цену деления гравиметра можно определить по формуле:

_{с =} ^^ ₌ 0.30855-ДЯ ₍

п₂ ~п_х п₂ ~п₁

На практике такой способ распространения не получил, так как для достаточно точного определения цены деления необходимо использовать превышения порядка 300 метров. Даже если для этого использовать Останкинскую башню, отсчет по гравиметру на ее верхней площадке взять будет невозможно из-за раскачивания башни. Кроме того, необходимо будет при измерениях учитывать и массу этого сооружения, что тоже весьма непросто.

Наибольшее распространение в практике гравиметрических работ получили два способа - способ наклона и способ эталонировочных полигонов с известными приращениями силы тяжести.

Метод эталонирования на полигоне позволяет определять цену деления гравиметров в условиях, близких к тем, при которых гравиметр работает в поле. Для этого специализированными организациями создаются специальные эталонировочные полигоны (международные, национальные, региональные). Полигон представляет собой несколько пунктов, обычно расположенных вдоль автодороги и представляющих собой небольшие бетонные плиты, между которыми заранее с высокой точностью определяют приращения силы тяжести. Приращение между крайними точками полигона должно охватывать весь диапазон гравиметров, подлежащих эталонировке (для разведочных гравиметров это обычно 100 -150 мГал). Для определения цены деления, транспортируя гравиметры на автомобиле, берут последовательно отсчеты n1, n2, n3 и т. д. на нескольких пунктах полигона, а затем, исправив отсчеты за смещение нуля, определяют значение цены деления по формулам:

2 п2-пх п2-щ

^ ^ C_t=-^-. (2.54)

п,-п_м

В соответствии с требованиями инструкции, для обеспечения надежного расчета погрешности цены деления необходимо иметь не менее 50 значений цены деления. Этот способ является громоздким и сравнительно дорогим, поэтому применяется в основном для независимого контроля результатов, полученных другими способами или когда нет возможности использовать менее трудоемкие способы эталонирования.

Наиболее крупным широкодиапазонным международным полигоном является Северо-Американский, протягивающийся от Фербенкса (Аляска) до Мехико и включающий 33 пункта с приращением силы тяжести между крайними пунктами 5129 мГл. В Сибири ближайший к Томску региональный эталонировочный полигон имеется между Красноярском и Дивногорском.

Методом наклона можно лучше, чем на полигоне, исследовать отсчетную шкалу гравиметра и точнее определить зависимость цены деления от температуры.

При наклоне гравиметра на угол β он изменяет свои показания так, что наблюдается кажущееся уменьшение силы тяжести (рис. 2.19):

— + ■■■]» (2-55)

где g - абсолютное значение силы тяжести в пункте определения цены деления.

Рис. 2.19. График кажущегося изменения силы тяжести при наклоне гравиметра.

Если диапазон измерений гравиметра без перестройки меньше 200 мГл, то вторым членом в формуле (2.55) с достаточной степенью точности можно пренебречь.

В принципе гравиметры с компенсационным способом измерения можно наклонять в любой плоскости, но астазированные гравиметры при наклоне в плоскости вращения рычага изменяют чувствительность вплоть до неустойчивости, поэтому их необходимо наклонять в плоскости оси рычага (т.е. в плоскости поперечного уровня).

Абсолютное значение силы тяжести g в пункте определения цены деления достаточно знать с точностью 50 - 100 мГл, а допустимые погрешности измерения углов β для гравиметров ГНУ/К классов А, В, С составляют соответственно 0,08, 0,10, 0,13 угловых секунд (Веселов, 1986).

Порядок определения цены деления методом наклона следующий.

1. Регулируют уровни гравиметра на минимум чувствительности к наклону.

2. Перестраивают диапазон измерений так, чтобы можно было измерять
максимально большое уменьшение силы тяжести и берут отсчет n1.

3. Последовательно наклоняют гравиметр сначала на углы +βi, а затем - βi,
каждый раз беря отсчеты по гравиметру ni+ и ni_-. При каждом наклоне берут
серию отсчетов углов βi и серию отсчетов по гравиметру ni. Серия отсчетов
угла должна иметь столько измерений, чтобы среднее арифметическое из них
имело допустимую погрешность.

4. Находят средний отсчет гравиметра для одинаковых положительных и отрицательных углов и вычисляют цену деления Q для каждой пары положительных и отрицательных наклонов:

tiff-'

(2.56)

где щ - отсчет по гравиметру в горизонтальном положении.

Из найденных значений Q находят средневзвешенное значение цены деления:

(2.57)

где Δgi - кажущееся значение приращения силы тяжести, вычисленное по формуле (7.19) для каждого угла наклона.

Определение углов наклона может осуществляться как тангенциальным способом, путем наклона гравиметра на специальной плите (экзаменаторе), так и путем непосредственного измерения угла наклона на специальной установке УЭГП - 1.

В некоторых зарубежных гравиметрах (например, Gs-11, Gs-12 фирмы «Аскания») для определения цены деления применяется метод навески на чувствительную систему грузика с известной массой. Это неастазированные металлические гравиметры, в которых во время работы в специальном гнезде штатива находится медный шарик. При наклоне прибора на 90о шарик перекатывается в гнездо на измерительный рычаг и увеличивает значение силы тяжести Δg на 200 мГл, соответственно увеличивая отсчет по прибору на Δn. Цена деления определяется по формуле C = Δg/Δn.

Кроме определения значения цены деления при эталонировании определяют зависимость цены деления от температуры. Изменение температуры влияет на цену деления через изменение упругости компенсационной пружины. Для определения этой зависимости измеряют одни и те же разности Δg при различных температурах так, чтобы изменения температуры были не менее 15о, а затем строят график этой зависимости, имеющий обычно линейный вид. Разности Δg при этом удобнее определять методом наклона.

При предполевой подготовке гравиметров, кроме эталонирования, выполняют еще рад сопутствующих операций.

2. Определение нелинейности отсчетной шкалы гравиметра. Нелинейностью
отсчетной шкалы гравиметра называют переменное соотношение между приращением
отсчета и приращением силы тяжести в различных частях отсчетной шкалы. Эта особенность
есть только у астазированных гравиметров, что является своеобразной платой за повышение
их чувствительности. Для определения поправок за нелинейность отсчетной шкалы проводят
измерения не менее, чем на трех пунктах полигона при одинаковой температуре так, чтобы
разность отсчетов была в разных частях шкалы.

3. Настройка чувствительности гравиметра Чувствительность определяется
числом делений окулярной шкалы, приходящимся на изменение Δg = 1 мГл. У астазированных гравиметров чувствительность заметно меняется, если принимать за неподвижный индекс различные деления окулярной шкалы. При перемещении этого индекса в сторону увеличения силы тяжести чувствительность повышается. Оптимальной можно считать максимальную чувствительность, при которой рычаг остается устойчивым по всей

окулярной шкале. Для уменьшении чувствительности перемещают неподвижный индекс в сторону убывания силы тяжести. Делают настройку на минимум чувствительности к наклону. При увеличении чувствительности возрастает период собственных колебаний измерительного рычага.

4. Определение температурной зависимости Зависимость кажущегося изменения силы тяжести от изменения температуры сложна, т.к. на отсчет влияют величина и направление градиента теплового потока, скорость изменения температуры и т. п. Приближенно температурную зависимость можно выразить уравнением квадратичной параболы.

Температурную зависимость определяют в термокамере, имеющей нагревательное и холодильное устройства (и прочное основание для установки гравиметра. делают несколько циклов охлаждения и нагрева и строят график зависимости изменения отсчетов от температуры. Температура, при которой на параболе наблюдается минимум, называется точкой полной температурной компенсации. При изменении температур в окрестности этой точки меньше всего будут сказываться температурные погрешности, поэтому для работы нужно подбирать гравиметры, у которых точка полной температурной компенсации близка к тем температурным условиям, при которых предполагается эксплуатация гравиметра.

Кроме рассмотренных основных проверок и регулировок, перед полевыми работами проводят также дополнительные проверки - определение времени становления отсчета гравиметра и оценку люфта измерительного устройства. Подробно проверки, регулировки и технология изготовления гравиметров рассмотрены в работах одного из авторов разработки отечественных кварцевых гравиметров - К.Е. Веселова.