Группа гравиметрии

Заведующий - член-корреспондент РАН Авсюк Юрий Николаевич

Краткая история

В 1934 году Академия наук СССР была переведена из Ленинграда в Москву, и вместе с ней Сейсмологический институт (СИАН). Директор института чл.-корр. АН СССР П.М.Никифоров предложил проф. А.А.Михайлову создать в составе СИАН гравиметрическую лабораторию, главным направлением работ которой было бы решение инструментально-методических задач, в частности, разработка средств и методик изучения неприливных изменений силы тяжести. А.А.Михайлов пригласил в лабораторию Н.Н.Парийского и Ю.Д.Буланже.

Первые же работы 1935 года опровергли появившиеся в печати сообщения об изменениях силы тяжести на Кавказе, достигавших 20 мГал и более.

Гравитационное поле является одним из главных методов поиска полезных ископаемых, изучения твердой оболочки Земли и фигуры геоида. Карты отдельных территорий, полученные разными организациями, при их компоновке обнаруживали расхождения на границах планшетов более 10 мГал, поэтому стало актуальным создание общесоюзной гравиметрической сети, на которую могли бы опираться отдельные съемки. Первой работой в этом направлении стало уравнивание Н.Н. Парийским значений силы тяжести,полученных в Пулкове, Москве, Полтаве и Казани прямыми связями с исходным мировым пунктом Потсдам.

В целом довоенный период характеризуется освоением маятниковой аппаратуры и становлением методики наблюдений.

В 1945–1946 гг. под руководством Ю.Д.Буланже между Москвой и селением Оби-Гарм на Памире была выполнена маятниковая связь с погрешностью 0.4 мГал при разности ? g=2010.6 мГал. Этот уникальный для того времени результат, к сожалению, не мог быть примером для дальнейшего массового применения, поскольку он потребовал около двух лет подготовки.

Выход был найден, когда по инициативе ЦНИИГАиК к измерениям были привлечены гравиметры, с перевозкой их на самолетах. К этому времени в стране имелся значительный парк зарубежных (Норгард) и отечественных (ГКМ, ГКА, СН-3) гравиметров. По сравнению с маятниковой аппаратурой гравиметры обладали простотой в обращении, неизмеримо меньшим весом, быстротой наблюдений и более высокой точностью. Их недостатком была необходимость определять цену деления отсчетного устройства (эталонирование) и контролировать смещение нуля. В лаборатории были разработаны теория, аппаратура и методика эталонирования гравиметров (сухопутных и морских) с тангенциальным способом отсчета. Некоторые виды этой аппаратуры выпускаются серийно и успешно используются по настоящее время.

Весьма плодотворной оказалась идея совмещения гравиметра с установкой для эталонирования. Она реализована в 1953 г. в приборе ГАЭ. Дальнейшее развитие этот метод получил в приборе ГАГ, упругая система которого была астазировована.

В 1950 г. в составе лаборатории была образована Аэрогравиметрическая экспедиция (АГЭ) под научным руководством Ю.Д. Буланже. Главная задача АГЭ заключалась в создании опорной гравиметрической сети. Вначале использовались гравиметры с тангенциальным методом отсчета, а затем гравиметры типа ГАЭ и ГАГ.

В 1950–1952 гг. АГЭ определила 74 пункта высшей точности с погрешностью 0.14 мГал и 71 пункт I класса с погрешностью 0.20 мГал. В 1965–1969 гг., совместными работами ЦНИИГАиК и ИФЗ была создана опорная сеть следующего поколения, состоящая из 96 пунктов I  класса. Ошибка ? g между двумя пунктами сети составила 0.04 мГал, а погрешность пункта, наиболее удаленного относительно Потсдама, 0.15 мГал. Такие точности перекрывали большинство тогдашних требований науки и производства.

Многочисленные наблюдения были проведены в странах народной демократии. В 1957 г. начался цикл работ на территориях Монголии, Китая, Вьетнама и КНДР. Пекин и Улан-Батор были связаны с Потсдамской системой с погрешностями 0.37 и 0.35 мГал соответственно. На территории КНР была создана сеть, включающая в себя 20 пунктов высшей точности (погрешность 0.09 мГал) и 33 пункта I  класса ( ±0.14 мГал). Для того времени это были выдающиеся результаты. В 1975–1976 гг. была создана опорная сеть на территории Демократической Республики Вьетнам из 32 пунктов I  класса и 67 пунктов II  класса. В 1958 г. АГЭ создала опорную сеть на территории социалистических стран Восточной Европы (Берлин, Прага, Варшава, Будапешт, Бухарест, София). В среднем ошибка измеренного ? g между двумя пунктами оказалась 0.07 мГал.

В 1973 г. были проведены работы на Австралийском эталонном базисе Лайагам–Хобарт диапазоном 2950 мГал и протяженностью около 4000 км. Погрешность ? g между концами базиса составила 64 мкГал, т. е. относительная погрешность 2.2·10-5 .

За 25 лет АГЭ создала обширную систему опорных гравиметрических пунктов, значения Dg на которых были впервые определены с погрешностью 0.1–0.3 мГал относительно основного мирового исходного гравиметрического пункта Потсдам. На работы потребовалось 8000 летных часов. Основным организатором и руководителем полевых отрядов был С.Н.Щеглов,

Большое значение придавалось определению поправки в Потсдамскую систему, которая более 60 лет служила гравиметристам всего мира основой всех определений силы тяжести на земном шаре. Однако уже в 30-х годах выяснилось, что эта система завышена на 13–14 мГал.

К числу экстраординарных работ АГЭ относится наблюдения в советском секторе Арктики на дрейфующих льдах в 1955–56 гг. (руководитель С.Е.Александров). Таких работ в практике мировой гравиметрической съемки не было. Всего определено 332 пункта при средней погрешности около ±1.2 мГал.

В 60-х годах были созданы абсолютные баллистические гравиметры нового поколения, в которых путь и время свободного падения тела регистрировались одновременно с помощью лазерной интерферометрии и рубидиевого стандарта частоты. Появилась возможность совместно уравнять новые высокоточные абсолютные определения и наиболее надежные относительные маятниковые и гравиметровые измерения (всего около 2000 пунктов). Эта огромная работа окончилась созданием единой мировой опорной гравиметрической сети International Gravity Standardization Net 1971 ( IGSN 71). В 1971 г. она была принята вместо Потсдамской системы. Переход от Потсдамской системы к IGSN -71 можно получить привязкой пунктов, уже определенных в Потсдамской системе, к пунктам сети IGSN71.

В начале 70-х годов в Институте автоматики и электрометрии СО АН СССР (Новосибирск) был создан первый отечественный абсолютный гравиметр ГАБЛ. С 1976 г. началась постоянная совместная работа ИФЗ и ИАИЭ. Под руководством Ю.Д.Буланже и при его непосредственном участии были выполнены комплексные измерения абсолютным гравиметром ГАБЛ и относительными методами (гравиметрами ГАГ-2 и маятниковыми приборами ОВМ ЦНИИГАиКа) в Европе и в Австралии.

Измерения, выполненные гравиметром ГАБЛ на пунктах IGSN71 в пределах от 60 °  с.ш. до 43 °  ю. ш. (Хельсинки, Потсдам, Севр и 6 пунктов в Австралии) позволили оценить точность определения силы тяжести на этих пунктах и выявить систематические ошибки, зависящие от величины g. Средняя квадратическая погрешность определения g в системеIGSN71 получилась 64 мкГал. При этом обнаружилось систематическое различие систем (–16.5 ± 3.5) ·10 –6.

Аналогичные измерения были проведены американскими специалистами на территории США. Анализируя все измерения, Ю.Д.Буланже получил следующие значения поправки в Потсдамскую систему (мкГал):

по относительным определениям –13 961 ± 16

по абсолютным измерениям гравиметром ГАБЛ –13 968 ± 9

по абсолютным измерениям на территории США –13 960 ± 8.

Отсюда был сделан вывод, что хорошая сходимость поправок, полученных различными методами измерений в интервале 978.3–981.9 Гал, указывает на их надежность и позволяет полагать, что средняя величина –13 963 ± 3 мкГал определена с точностью, достаточной для научных и прикладных целей.

Теория баллистического гравиметра считает, что его погрешность измеренного g зависит только от погрешностей измерения времени и пути падения пробного тела. Формально точность лазерного интерферометра и рубидиевого частотомера должны обеспечить точность измерения g не хуже 1 мкГал. Однако в реальности возможны неучтенные обстоятельства, вызывающие дополнительные погрешности. Ю.Д.Буланже настойчиво убеждал специалистов, что выяснить реальную точность абсолютных гравиметров и оценить их систематические ошибки можно только из наблюдений группой абсолютных гравиметров, по возможности разной конструкции, на одном пункте и примерно в одно и то же время.

Эта идея нашла отклик, и, по решению Международной ассоциации геодезии, начиная с 1981 г. в Международном Бюро Мер и Весов (Севр, Франция) каждые четыре года проводятся сравнения абсолютных гравиметров. С каждым разом растет число участников сравнения. В 1981 г. наблюдения проводились шестью гравиметрами, причем сначала тремя из них и лишь спустя полгода тремя остальными. В Шестом сравнении 2001 г. в течение 20 дней наблюдения были сделаны 18 приборами. Гравиметристы всего мира убеждены в том, что только подобные сравнения могут дать метрологическую характеристику абсолютным гравиметрам.

Дальнейшее развитие опорной сети , уточнение поправки к Потсдамской системе и контроля Мировой опорной гравиметрической сети IGSN-71 производилось с помощью абсолютных гравиметров, в том числе и отечественных приборов типа ГАБЛ.

Второе крупное направление работ лаборатории гравиметрии — морские наблюдения. Гравитационное поле Мирового океана изучалось ранее при помощи маятниковых приборов. Свою лепту внес и ИФЗ, создав шестимаятниковый прибор. Однако, маятниковый способ был весьма малопроизводительным и дорогостоящим. Принципиально новое предложение К.Е. Веселова (ВНИИГеофизика) об использовании закритически демпфированного гравиметра было быстро воспринято в ИФЗ. Е.И. Попов на этой основе разработал морской гравиметр ГАЛ с фотозаписью сигнала, ставший прототипом ряда последующих модификаций. Главный недостаток прибора — трудоемкость ручной обработки сигнала, осложненного ускорениями качки судна, что потребовало разработки цифровой системы регистрации. В ИФЗ остановились на предложении В.А.Тулина, которое было реализовано в ОКБ ИФЗ серией из 18 приборов АМГ. Гравиметр АМГ при диапазоне измерений без перестройки 10–12 Гал обеспечивает порог чувствительности около 0.1 мГал. Для стабилизации гравиметра совместно с Тульским политехническим институтом (ТПИ) был разработан оригинальный гиростабилизатор АМГ-ГМС, который использовался в дальнейшем также и в массовой серии морской аппаратуры, выпускаемой заводом Министерства геологии СССР.

В лаборатории уделялось постоянное внимание метрологическому обеспечению измерений. Гравиметры регулярно эталонировались. Для проверки качества работы гиростабилизированного гравиметра совместно с ТПИ был разработан и построен уникальный 4-компонентный стенд, имитирующий наклоны и ускорения вследствие качки судна. Качество работы аппаратуры проверялось на стенде перед каждым морским рейсом.

В 1967 г. вышло Постановление Правительства СССР о проведении Мировой гравиметрической съемки, в том числе морских наблюдений во всех районах Мирового океана. В числе ведомств-исполнителей значилась и АН СССР. Привлечение АН СССР диктовалось как ее подготовленностью к работам такого рода, так и возможностью плавания в акваториях, недоступных в те непростые годы судам других ведомств.

Распоряжением Президиума АН при ИФЗ была образована Постоянно действующая морская гравиметрическая экспедиция на научно-исследовательских судах АН СССР (ПДМГЭ). Научным руководителем экспедиции был назначен Ю.Д.Буланже, начальником – В.А.Тулин. Усилиями ПДМГЭ на трех крупнотоннажных судах АН СССР были оборудованы штатные гравиметрические лаборатории. Экспедиция специализировалась на работах в удаленных океанских акваториях при большом (несколько Гал) изменении G.

Наблюдения велись упомянутой оригинальной аппаратурой. Предварительная машинная обработка выполнялась на судовых ЭВМ, а окончательная — в камеральных условиях. Программы обработки также были созданы в ИФЗ. В течение 1967–1991 гг. экспедицией были организованы 32 отряда. В общей сложности наблюдения проведены на 132 800 пунктах, пройдено с работами более 310 тыс. км. ПДМГЭ работала во всех акваториях Мирового океана.

Стоит отметить два плавания: рейс 1968 г., когда впервые в практике отечественных работ были проведены результативные измерения на непрерывном профиле через весь Тихий океан, и работы 1973 г., когда по приглашению Министерства геологии СССР была проведена первая в СССР площадная съемка в разведочных целях в Баренцевом море. Площадь отснятой акватории 44 000 кв. км, погрешность 1.0 мГал.

Помимо авторской оценки точности все данные ПДМГЭ проходили жесткий контроль в межведомственной комиссии и были признаны пригодными для использования в заявленном классе точности. Если сравнивать работы ПДМГЭ с зарубежными, то п о уровню общей систематической погрешности и ее устойчивости мы находимся в первой трети “табели о рангах”, а по уровню случайной — в первой половине. Это вытекает из оценки, сделанной Ламонтской геологической обсерваторией по результатам 753 экспедиций 15 разных стран и их организаций (в том числе и ИФЗ) с общим объемом наблюдений около 2.4 млн. пунктов.

Особое место в работах лаборатории занимают исследования в Антарктиде в о время геофизического года (1957–1959).

В 3-й комплексной Антарктической экспедиции были проведены совместные сейсмологические, магнитные и гравиметрические наблюдения по профилю протяженностью 2100 км Мирный – Полюс Недоступности. Маршрут санно-тракторного поезда (штурман и гравиметрист – Ю.Н. Авсюк) проходил по радиусу, определяющему Восточную Антарктиду. Сейсмологи проводили регистрацию толщины льда через 50- 100 километров, гравиметрические и магнитометрические измерения выполнялись через 10- 20 км. В результате были получены уникальные сведения о строении Антарктиды.

В составе 4-й КАЭ сотрудниками гравиметрической лаборатории (начальник отряда С.Н. Щеглов) совместно с военными геодезистами выполнены геодезические и гравиметрические измерения в глубине антарктического материка по маршруту Мирный–Пионерская–Восток 1–Комсомольская. Всего по маршруту протяженностью около 880 км определено 259 геодезических и 72 гравиметрических пунктов. Высота пункта станции Комсомольская получена с ошибкой 1.4 м, а сила тяжести с погрешностью 3 мГал.

Еще одним направлением научных работ Лаборатории было изучение современных движений земной коры. Для комплексных исследований были созданы специальные геодинамические полигоны, расположенные в сейсмоактивных регионах, на разломах и рядом со строящимися крупными народнохозяйственными объектами. Особое место среди этих полигонов занял Гармский полигон, расположенный в 150 км к востоку от Душанбе в самом центре сейсмоактивной зоны, где были зарегистрированы горизонтальные смещения со скоростью до 20 мм в год.

Одна из фундаментальных проблем геофизики настоящего времени – подвижность ВТЯ (внутреннего твердого ядра Земли) или отсутствие подвижности. В настоящее время обсуждается модель, описывающая изменение положения центра масс Земли вследствие вынужденных перемещений ВТЯ. Эта проблема тесно связана с вопросами генерации магнитного поля (наличие пограничного слоя между твердым ядром и окружающим его жидким ядром), механизма перемещения оси вращения в теле Земли, с эволюцией ее осевого вращения.

Повторные гравиметрические наблюдения могут дать дополнительную информацию для исследования подвижности ВТЯ по траекториям, перпендикулярным и параллельным плоскости экватора. Таким образом, лаборатория гравиметрии ориентирована на решение фундаментальных проблем геодинамики, которые включают в себя подвижность ВТЯ, изменяемость широт и генерацию магнитного поля.
 


 

 

Наверх

Третья Комплексная антарктическая экспедиция 1957-1959 гг.

Айсберги у берегов Антарктиды.
Поезд тягачей 3-й Комплексной экспедиции был сформирован и подготовлен к походу вглубь материка. Первый поход начался 27 декабря 1957 г.
Гравиметры установили в балках, которые тянули за собой тягачи.
Через каждые 5 – 7 км проводились наблюдения изменений силы тяжести.
Оператором-гравиметристом был штурман поезда.
Сейсмологам приходилось бурить скважины для зарядов.
Поход к Полюсу Недоступности.
Сейсмические измерения проводились через каждые 20 – 30 км.
Тягач с прицепом.
Работа с метеостанцией.
Работа с теодолитом.
Советский санно-гусеничный поезд на марше.