СПОСОБ ГРАВИМЕТРИЧЕСКОЙ СЪЕМКИ
METHOD OF GRAVIMETRIC SURVEY

Способ относится к геофизическим методам исследований на акваториях и реках, покрытых льдом.
Гравиметрическая съемка позволяет изучить аномалии гравитационного поля Земли, необходимые для решения ряда фундаментальных и научно-практических задач: уточнять форму и глубинное строение Земли, проводить поиски, разведку и оконтукривание месторождений полезных ископаемых, осваивать космос, рассчитывать полеты баллистических ракет, корректировать координаты в инерциальных навигационных системах, решать геодезические задачи и др. При этом возможности использования аномалий гравитационного поля, как источника информации, определяются точностью и детальностью выполнения гравиметрических съемок. Эти возможности расширяются с уменьшением погрешности гравиметрических измерений. Для решения задач геологии, к примеру, требуются крупномасштабные карты, для чего необходимо выполнять прямые высокоточные гравиметрические съемки.
Морская гравиметрическая съемка является дорогостоящей, она требует применения морских судов и специальной набортной гравиметрической аппаратуры. Для повышения точности измерений, крайне необходимой для оконтуривания нефтегазоносных структур, наряду с развитием аппаратурной части все большее развитие находят новые усовершенствованные методики проведения самих измерений, а также их последующей обработки.
Покрытые льдом водные просторы в зимнее время являются удобным объектом исследований для разных геофизических методов - сейсмической разведки, гравиметрической разведки, магниторазведки и др. В условиях лесной местности работа на водоемах приводит к резкому удешевлению работ, причем в зимнее время для этого не требуется использования никакого водного транспорта.
Однако лед, в отличие от твердой суши, в широком диапазоне частот создает помехи для наблюдений, снижающие точность работ. Чувствительный элемент гравиметров по существу представляет собой сейсмоприемник, поэтому гравиметры чутко реагируют как на изменения силы тяжести, так и на помехи в виде инерциальных ускорений. Собственная частота чувствительной системы гравиметра Scintrex CG-3 составляет 6 Гц, гравиметра ГНУ-КВ - 0.2 Гц, гравиметра LaCoste&Romberg G/D - 0.1 Гц. Частота собственных колебаний гравиметров позволяет им регистрировать колебания льда водоемов, представляющего собой колеблющуюся мембрану. Кроме того, имеет место высокий уровень техногенных и природных помех, имеющих довольно широкий частотный спектр.
Проблема подавления помех при проведении гравиметрической съемки на льду имеет много общего с аналогичной проблемой в морской гравиметрии, в которой в качестве достаточно эффективного способа были предложены аппаратурные технические решения. Принципиальным прорывом в этом направлении стало предложение К.Е.Веселова об использовании в качестве морского инструмента гравиметра с закритически демпфированным датчиком типа Норгарда (Веселое, 1956; 1958). Это был первый в мире морской статический гравиметр. Наиболее значимые результаты в этом направлении получены в работах российских геофизиков (Пантелеев, 1983).
Известны современные методические приемы выполнения морских гравиметрических съемок, в которых для определения скорости смещения нуль-пункта гравиметра, а также для контроля и коррекции гравиметрических измерений используют модели гравитационного поля Земли (Михайлов, 2017).
Основным недостатком известных методических приемов, опирающихся на идею использования данных альтиметрии для повышения производительности и точности гравиметрических съемок, является отсутствие критерия выбора площадей, на которых возможно применение этой методики. Кроме того, сам по себе геоид изучен недостаточно и требуются дополнительные исследования.
Наиболее близким по технической сущности, цели и достигаемому эффекту к предлагаемому способу является способ проведения высокоточной гравиметрической съемки на опорной и рядовой сети, в котором высокая точность достигается путем применения высокоточных гравиметров, многократностью повторных наблюдений и сокращением продолжительности рейсов путем использования быстроходных видов транспорта, принятый нами за прототип (Костицын, 2012).
Недостаток известного способа состоит в том, что высокая точность наблюдений, вполне достижимая на твердых грунтах, не может быть достигнута при наблюдениях на замерзших водоемах из-за высокочастотных и низкочастотных колебаний поверхности льда, создающих сильный фон помех.
Цель предлагаемого способа - повышение точности гравиметрических наблюдений, выполняемых в зимнее время на покрытых льдом акваториях.
Поставленная цель достигается тем, что в способе гравиметрической съемки, включающем наблюдения на опорной и рядовой сети, опорную сеть формируют на твердом грунте, а наблюдения на рядовой сети в пределах покрытых льдом акваторий проводят в непрерывном режиме, при этом синхронно с гравиметрическими наблюдениями проводят в дифференциальном режиме высокоточные непрерывные наблюдения спутниковой навигационной системой при расположении базовой станции на твердом грунте и на основе спутниковой навигации определяют динамические поправки в аномалии силы тяжести. Динамическую поправку вычисляют как среднюю за время гравиметрических наблюдений на пункте наблюдения величину второй производной вертикальной координаты. Кроме того, вычисляют средние значения координат и высоты для определения аномалий силы тяжести. При этом на каждом пункте наблюдения в полученные значения аномалий силы тяжести вводят поправку за гравитационное влияние глубины дна водоема, определяемой дополнительно. Суть изобретения состоит в следующем.
В тех нередких случаях, когда в пределах исследуемого района имеются акватории и реки, проведение гравиметрических наблюдений в летнее время сталкивается с трудностями чисто экономического характера: использование морских и речных судов, а также специальных набортных гравиметров, вполне реально, но сильно удорожает стоимость работ. В зимнее время те же самые акватории и реки после их замерзания становятся доступными для наблюдений на льду, но точность наблюдений резко падает из-за отмеченных выше помех, характерных для ледовой поверхности. Рутинная методика высокоточной гравиразведки становится практически нереализуемой для части съемки, расположенной в пределах покрытых льдом водоемов. Тем самым высокоточная гравиразведка практически перестает быть таковой из-за низкой точности наблюдений на поверхности льда. Многократные наблюдения, несмотря на высокую квалификацию операторов, не обеспечивают требуемой точности, характерной для детальной высокоточной гравиразведки. Переход от многократных наблюдений к наблюдениям непрерывным, сопровождаемым синхронным непрерывным измерением координат и высоты точки наблюдения, позволяет повысить точность наблюдений на порядок, т.е. от имеющей место в прототипе точности, равной ±0.5 мГал, перейти путем применения предлагаемого способа к точности ±0.04-0.06 мГал. Тем самым гравиразведка становится высокоточной как на твердом грунте, так и на примыкающем к нему водоеме, покрытом льдом.
Изобретение осуществляют путем следующей последовательности операций: 1. На пунктах опорной сети, расположенных на твердом грунте, проводят высокоточные гравиметрические измерения с использованием современной гравиметрической и геодезической аппаратуры (гравиметры, средства спутниковой навигации) и современных методических приемов с погрешностью определения ускорения силы тяжести не хуже ±0.01 мГал.
2. На пунктах рядовой сети, расположенной на замерзшей поверхности водоема, проводят гравиметрические наблюдения в режиме непрерывных измерений. Синхронно с ними проводят высокоточные непрерывные наблюдения спутниковой навигационной системой в дифференциальном режиме при расположении базовой станции на твердом грунте. Синхронизация времени, установленного в гравиметре и в спутниковой навигационной системе, должна быть обеспечена с погрешностью не хуже ±2 с.
3. Для вычисления аномалий силы тяжести на основе данных спутниковой навигации вычисляют динамическую поправку, как среднюю за время непрерывных наблюдений на пункте второй производной вертикальной координаты. Кроме того, вычисляют средние значения координат и высоты точки наблюдения.
4. В полученные значения аномалий силы тяжести вводят поправки за гравитационное влияние глубины дна водоема, определяемой в результате промеров глубины на каждом пункте приема.
Реализация предлагаемого способа основана на применении современных компьютеризованных гравиметров и современной геодезической аппаратуры (спутниковых навигационных систем).
От известных подходов к проведению высокоточной гравиметрической съемки изобретение существенно отличается тем, что при переходе от наблюдений на твердом грунте к наблюдениям на льду замерзших водоемов не происходит скачкообразного падения точности наблюдений, а гравиразведка остается высокоточной в пределах всего исследуемого участка. Достигается скачкообразное повышение точности путем перехода от повторных наблюдений к наблюдениям непрерывным.
Технический эффект в изобретении достигается путем перехода от многоточечных повторных гравиметрических и геодезических наблюдений к непрерывным наблюдениям в пределах покрытых льдом водоемов.
Источники информации
Костицын В.И. Методы повышения точности и геологической эффективности детальной гравиразведки // Пермь, 2002. - 224 с.
Михайлов П.С. Совершенствование методических приемов выполнения морских гравиметрических съемок // Автореферат диссертации на соискание уч. степени кандидата тех. наук (институт физики Земли РАН РФ). М.: 2017. Пантелеев В.Л. Основы морской гравиметрии // М.: Недра, 1983. - 256 с.