МОБИЛЬНЫЙ АБСОЛЮТНЫЙ ГРАВИМЕТР ДЛЯ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ РАБОТ, ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОПЕРАТИВНОГО ВЫЯВЛЕНИЯ ОЧАГОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к гравиметрическим средствам геофизических исследований. Полезная модель может найти применение в поиске и картировании геологических объектов, которые обладают аномальным значением плотности относительно вмещающих пород. К таким объектам относятся: нефтегазоносные пласты, рудные тела, алмазные (кимберлитовые) трубки и другие полезные ископаемые; карстовые полости, зоны повышенной трещиноватости и другие области геологического мониторинга при подготовке строительных работ; тектонические разломы, плотностные границы, включая границы геосфер и другие научно-исследовательские объекты. Однако, наиболее актуальным, по мнению авторов, на сегодня следует полагать применение гравиметра в краткосрочном или оперативном сейсмопрогнозе, на основе своевременного гравиметрического выявления очагов готовящихся землетрясений.
Документированным результатом измерений может стать многоуровневая (трехмерная) гравиметрическая карта исследуемой территории. Документированным результатом может быть совокупность вертикальных гравиметрических разрезов с заданным горизонтальным интервалом между ними.
Известные модели гравиметров работают либо на статическом, либо на динамическом (баллистическом) методе измерения ускорения силы тяжести. Статический метод заключается в компенсации силы тяжести, как правило, силой упругости. В качество упругого элемента, обычно используют кварцевую нить. Преимущество статического метода заключается в независимости измерений от реактивных сил: силы трения (в подшипниках, подвесах и других соединительных элементах) и силы сопротивления воздуха, поскольку чувствительный элемент устройства в момент регистрации должен быть неподвижен в результате равенства силы тяжести и компенсирующей силы. Недостаток статического метода измерений ускорения силы тяжести заключается в зависимости результата от незначительных колебаний температуры, вибраций и других негравитационных воздействий, влияющих на упругие свойства или деформацию чувствительного элемента. Причем, чем чувствительней элемент - тем большую погрешность вносят в результат измерений перечисленные факторы. Кроме того, статические гравиметры, работающие на упругой компенсации силы тяжести, не позволяют достаточно точно определять абсолютные значения ускорения силы тяжести и, как правило, применяются для относительных измерений - то есть для регистрации изменения ускорения силы тяжести в пространстве или во времени. Данные изменения называются в геофизике соответственно аномалиями или вариациями гравитационного поля.
Баллистический метод основан на регистрации движения пробной массы в исследуемом гравитационном поле. Первым баллистическим гравиметром был шарик сбрасываемый Галилеем с Пизанской башни и хронометр, которым великий ученый регистрировал время его падения. В начале двадцатого века, когда экспериментальная гравиметрия стала частью геофизики, появились многочисленные конструкции абсолютных динамических гравиметров, работающие на принципе физического маятника. Длительность процесса измерения, необходимость постоянного учета силы трения и силы сопротивления воздуха - не позволяла применять данный тип гравиметров в высокоточных измерениях. В настоящее время в баллистических гравиметрах применяется принцип прямого измерения ускорения силы тяжести посредством лазерных интерферометров, а в качестве пробной массы применяются так называемые уголковые лазерные отражатели. При этом, в рабочей камере производят откачку воздуха (вакуумизируют) посредством специальных насосов, что значительно утяжеляет конструкцию и ставит точность измерения в зависимость, от качестве вакуумизации. Преимущество баллистического принципа и работающих на нем гравиметров заключается в возможности, определять абсолютные значения ускорения силы тяжести и высокая точность измерений. К недостаткам баллистических гравиметров следует отнести значительный вес и большие габариты, связанные с размещением оптических элементов, а также - необходимостью исключать сопротивление воздуха посредством вакуумизации рабочих камер. В связи с этим лазерные баллистические или абсолютные, как их еще называют, гравиметры весьма дороги и трудноприменимы в полевых условиях.
Известны устройства абсолютного измерения ускорения силы посредством физического маятника и электромагнитной регистрацией периода его колебаний (см. 1. Hayes H.C. №1,787,536 US Patent Office Method and apparatus for determining gravity variations, 1928 (granted under the act of march 3, 1883, as amended april, 1928; 2.Hayes H.C. №2,000,948 US Patent Office Apparatus for determining the forse of gravity, 1935). Расчетная формула при использовании известных технических решений основана на зависимости периода колебания и длинны маятника, которая фиксировалась и не менялась в процессе измерений, от ускорения силы тяжести - действующей на груз маятника в процессе колебаний. Регистрация периода (частоты) колебаний производилась посредством индуктивно-емкостного колебательного контура и светового луча. Электрический сигнал генерировался элементом, работающим на принципе фотоэлектрического эффекта от падающего света, а специальный отражатель крепился на подвесе маятника. Трудность реализации устройств, использующих данный способ заключалась в нестабильности данных, их зависимости от множества побочных факторов и прежде всего от колебаний температуры, влияющей на длину подвеса маятника, а стало быть и на конечный результат измерений. Точность измерений зависела от трения в подвесе маятника, от сопротивления воздуха, которое к тому же менялось в зависимости от атмосферного давления и температуры.
Известны устройства (см. 1. Zeiss Karl №GВ394081 Improvements in pendulums for gravity determination, 1933; 2. Ising G.A. №2,221,480 Gravity measurmens, 1940), в которых усовершенствованы оптический и упругий элементы маятников.
Известны устройства (см. 1. Wright W.C. №1,613,814 Gravity meter US Patent Office, 1927; 2. Boucher F.G. Multiple gravity meter №2,183,115 US Patent Office, 1939) относительных гравиметрических измерений, посредством которых определяется не само значение ускорения силы тяжести, а лишь его изменение во времени или пространстве. Для практических задач и прикладных геофизических работ такие измерения вполне достаточны. В середине прошлого века были разработаны так называемые относительные гравиметры, работающие на статическом принципе компенсации и автокомпенсации силы тяжести, модификации которых применяются и поныне. Принцип действия этих гравиметров заключаются в компенсации силы тяжести силой упругости. При этом жесткость упругих элементов минимизируется, влияние температурного фактора компенсируется введением специальных поправок в так называемых «нуль пунктах» гравиметрических профилей.
Известен статический гравиметр (см. Improvements in or relating to Gravity Meter №5136654 Patent Specification, 1937, Application Date (in United Kingdom) March 28, 1938 №9501/38) разработанный в тридцатых годах под эгидой знаменитой и в настоящее время фирмы Аскания, конструкция которого учитывает основные «шумовые» факторы и дальнейшие модификации которого до настоящего времени отличаются высокой точностью и стабильностью измерений.
Известны баллистические гравиметры (см. 1. WO 9815852 A1, 1998; 2. DE 19643452 A1) для измерения абсолютных значений ускорения силы тяжести, принцип действия которых основан на взаимодействии гравитационных и инерционных сил. Однако, данные устройства не применимы в полевых условиях работы и предназначены для лабораторных исследований гравитационного поля Земли.
Известен статический гравиметр, главное отличие которого заключается в конструктивной возможности достаточно точно измерять абсолютные значения ускорения силы тяжести (см. SU 575590, 1977) Действие этого гравиметра основано на принципе магнитоэлектрической автокомпенсации, как постоянной, так и переменной составляющих гравитационного поля. В устройстве применялся чувствительный элемент в виде горизонтального маятника, моментный электрический преобразователь, высокостабильный источник электрического тока. Для повышения точности измерений помимо основной электрической обмотки чувствительного элемента использовалась специально рассчитанная дополнительная обмотка. Однако, благодаря тепловому воздействию самого электрического тока на обе обмотки устройства и связанные с этим воздействием изменения их электрического сопротивления, данный принцип магнитоэлектрической автокомпенсации силы тяжести не устранил необходимость корректировки показаний гравиметра в «контролируемых нуль-пунктах» гравиметрического профиля. При этом, устранялись недостатки статических гравиметров с упругой компенсацией силы тяжести, связанные с подверженностью чувствительного упругого элемента температурным, деформационно-«усталостным», вибрационным и другим негравитационным воздействиям.
Используемые в настоящее время способы и устройства гравиметрических измерений обладают следующими недостатками:
- Длительность и трудоемкость подготовки процесса измерений.
- Необходимость постоянного учета и введения поправок на тепловые и деформационно-«усталостные» флуктуации полученных значений в процессе измерений.
- Трудоемкость измерений и зависимость результата от человеческого фактора: опыта оператора, степени его подготовки и даже - сноровки.
- Используемые устройства весьма дороги, стоимость наиболее точных гравиметров достигает полумиллиона долларов, что затрудняет их широкое применение в полевых условиях, ограничивает масштабность гравиметрических исследований заданной территории.
Заявляемая полезная модель направлена на решение задачи по разработке гравиметра для оперативного измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести в полевых условиях.
Технический результат, который может быть достигнут при реализации полезной модели, заключается в исключении влияния реактивных сил трения и сопротивления воздуха на результат измерений; в исключении или максимальном ограничении влияния теплового и деформационно-усталостного «шума»; в возможности максимально компенсировать влияние человеческого фактора, а также сделать процесс измерений простым и малозатратным.
Для достижения указанного технического результата предлагается два варианта полезной модели.
В соответствии с первым вариантом, предлагается мобильный абсолютный гравиметр для поиска полезных ископаемых аномальной плотности, оперативного выявления очагов готовящихся землетрясений, выявления ослабленных грунтов, карстов и зон повышенной трещиноватости при проектно-изыскательских работах в строительстве и горнодобывающей промышленности, включающий в себя корпус, блок питания, встроенный в корпус компьютер с монитором для визуализации и анализа результатов измерений, чувствительный элемент. Гравиметр содержит электромотор, на вертикально расположенном валу которого закреплена горизонтальная платформа с двумя соосными, противоположно направленными лазерными микрометрами. Чувствительный элемент выполнен в виде двух вертикальных маятников, закрепленных над платформой жесткими подвесами равной длины на противоположных концах общего коромысла, закрепленного на вертикальном валу электромотора, и имеющих в качестве грузов лазерные отражатели, выполненные в форме экрана. Излучатели лазерных микрометров расположены в центре платформы, а приемники - на периферии, таким образом, чтобы лазерные отражатели находились на оптической оси между излучателем и приемником. Электромотор снабжен высокоточным тахометром для автоматической регистрации угловой скорости вращения маятников.
Согласно второму варианту выполнения предлагается мобильный абсолютный гравиметр для поиска полезных ископаемых аномальной плотности, оперативного выявления очагов готовящихся землетрясений, выявления карстов и зон повышенной трещиноватости при проектно-изыскательских работах в строительстве и горнодобывающей промышленности, содержащий корпус, блок питания, встроенный в корпус компьютер с монитором для визуализации и анализа результатов измерений, чувствительный элемент. Гравиметр имеет электромотор, на вертикально расположенном валу которого закреплена горизонтальная платформа с двумя соосными, противоположно направленными лазерными микрометрами. Чувствительный элемент выполнен в виде двух вертикальных маятников, закрепленных над платформой жесткими подвесами равной длины непосредственно на валу электромотора при помощи общего подшипника, и имеющих в качестве грузов лазерные отражатели. Излучатели лазерных микрометров расположены в центре платформы, а приемники - не периферии, таким образом, чтобы лазерные отражатели находились на оптической оси между излучателем и приемником., при этом электромотор снабжен высокоточным тахометром для автоматической регистрации угловой скорости вращения маятников.
Для обоих вариантов гравиметра предусмотрено придание корпусу цилиндрической формы для применения в каротажных работах.
Предлагаемая полезная модель гравиметра работает на компенсационном принципе измерения, как статический гравиметр, но использует преимущества баллистических гравиметров, не включая при этом их недостатки. Воздействие силы тяжести на чувствительный элемент гравиметра компенсируется в предлагаемой модели не электрическим или магнитным полем и не силой упругости, а круговым движением чувствительного элемента. При этом, в качестве чувствительного элемента применяется вертикальный маятник, движущийся по принципу карусели с постоянной круговой частотой, описывая в горизонтальной плоскости окружность с центром на вертикальной оси, проходящей через точку подвеса маятника. Таким образом, в качестве компенсации силы тяжести используется сила инерции. Действуя на движущийся по окружности груз вертикального маятника, эта сила отклоняет подвес маятника на такой угол от оси вращения, при котором сила инерции уравновешивается силой тяжести. В соответствии с принципом Даламбера для вращающихся систем отсчета - данная сила инерции определяется, как центробежная сила.
Применение центробежной компенсации позволяет значительно упростить процесс измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести, который сводится, в этом случае, к регистрации равного ему центростремительного ускорения. Определив частоту вращения и угол отклонения маятника от вертикальной оси вращения, мы получаем возможность вычислить абсолютное значение ускорения силы тяжести по формулам классической механики или получить результат, вложив формулы в компьютерную программу. В качестве измерителя частоты вращения, целесообразно использовать фототахометр - недорогостоящий, точный и надежный в эксплуатации прибор, который уже выпускается промышленностью. В качестве измерителя угла отклонения маятника от вертикали применяется лазерный микрометр, который также является промышленно выпускаемым, весьма надежным и не дорогостоящим оборудованием. В качестве «отражателя» используется груз маятника, выполненный в форме плоского экрана, закрепленного на нижнем конце подвеса маятника, так чтобы подвес и плоскость груза-экрана составляла угол 120-140 градусов. Такой диапазон оптимален для максимального изменения толщины «отражателя», которую собственно и измеряет микрометр посредством вертикально плоского лазерного луча, в котором находится груз-экран при отклонении подвеса маятника от вертикального положения даже на небольшой, до 30 градусов, угол.
Предлагаемый гравиметр, за счет «карусельного принципа» движения чувствительного элемента - минимизирует основную проблему как абсолютных, так и относительных гравиметров: длительность и трудоемкость получения точного результата. Применение центробежной компенсации ускорения силы тяжести исключает основной недостаток гравиметров, как с упругой, так и электромагнитной компенсацией: влияние температурных колебаний на результат измерения. Простота предложенного принципа измерения позволяют сделать конструкцию гравиметра малогабаритной [(0,25×0,25×0,30)м], легкой [(1,2-1,6)кг] и эффективной [30-120) сек/замер]. Точность применяемых приборов позволяет предположить точность измерений гравиметра в пределах [(1-2) мкГал].
Гравиметр с такими показателями при себестоимости около 20 000 у.е. должен быть весьма востребован в разведке полезных ископаемых, транспортном и жилищном строительстве, а главное в оперативном и краткосрочном прогнозе землетрясений.
Благодаря использованию центробежной компенсации силы тяжести по принципу карусели, в предлагаемой полезной модели реализованы достоинства и компенсированы недостатки как статических, так и баллистических гравиметров. Применяемая в гравиметре центробежная компенсация силы тяжести позволяет достаточно быстро и точно определять абсолютные значения ускорения силы тяжести в точке замера. Движение чувствительного элемента по принципу карусели позволяет маятнику с «отражателем» двигаться с постоянной круговой скоростью в направлении перпендикулярном вектору действующей на него силы тяжести. Благодаря этому, сопротивление воздуха и сила трения не могут влиять на результат измерения, что принципиально отличает предлагаемую конструкцию от известных баллистических гравиметров. Таким образом, предлагается компенсационный гравиметр, позволяющий измерять абсолютное значение ускорения силы тяжести. Предлагаемый гравиметр не имеет недостатков, свойственных компенсационным гравиметрам с упругой или электромагнитной компенсацией силы тяжести. В предлагаемом гравиметре на результат измерения не влияют температурные и деформационно-усталостные факторы, что принципиально отличает предлагаемую конструкцию от известных статических компенсационных гравиметров.
Полезная модель поясняется чертежами, где:
- на фигуре 1 изображен предлагаемый гравиметр по первому варианту выполнения (МАГ-КФ1);
- на фигуре 2 изображен предлагаемый гравиметр по второму варианту выполнения (МАГ-КФ2 - без коромысла).
Мобильный абсолютный гравиметр включает в себя не нуждающийся в откачивании воздуха корпус 1 цилиндрической формы, блок питания 2 в виде «пальчиковых» аккумуляторов, встроенный в корпус компьютер для управления процессом измерения с монитором 3 с возможностью визуализации и анализа результатов измерений.
Гравиметр по первому варианту выполнения (фигура 1) отличается тем, что маятники с подвесами равной длины 4 закреплены на противоположных концах общего коромысла 5. Подвесы маятников, в качестве грузов, снабжены плоскими отражателями или экранами 6.
Маятники приводятся в движение по принципу карусели встроенным в корпус электромотором 7. Электромотор снабжен фототахометром 8. На вертикально расположенном валу 9 электромотора закреплена горизонтальная платформа 10 с двумя соосно ориентированными в горизонтальной плоскости, но противоположно направленными лазерными микрометрами. Излучатели микрометров 11 расположены в центре платформы. Приемники микрометров 12 расположены на периферии платформы. Таким образом, каждый «груз-отражатель», в процессе вращения, находится между излучателем и приемником своего микрометра. При этом, маятники имеют возможность отклоняться в процессе вращения от вертикали до тех пор, пока проекция вектора центробежной (инерционной) силы на касательную к дуге отклонения не уравновесится аналогичной, но противоположно направленной проекцией вектора силы тяжести.
Замер предлагаемым гравиметром осуществляется следующим образом.
Выбирается точка замера. Гравиметр вносится в точку замера без штатива или иного опорного приспособления, так как его габариты и вес позволяют делать замер «вручную». Оператор включает электромотор, регулируя частоту его оборотов таким образом, чтобы маятники отклонились на заметный угол от оси вращения. При этом, вертикальность положения гравиметра определяется по равному значению углов отклонения обоих маятников, зарегистрированному лазерными микрометрами. Значения углов отклонения, регистрируемые лазерными микрометрами в процессе замера, выводятся в виде графических кривых зависимости углов отклонения от времени замера на монитор встроенного компьютера. Точно также на монитор компьютера выводятся регистрируемые фототахометром значения угловой скорости маятников или частоты оборотов электромотора.
Посредством заложенной в компьютер программы, основанной на математической формуле (1) (в случае замера гравиметром по первому варианту конструкции «с коромыслом») или по формуле (2) (в случае замера гравиметром по второму варианту конструкции «без коромысла»)рассчитывается значение ускорения силы тяжести в точки замера. В процессе замера, компьютерной программой выбираются те значения, которые получены при постоянном значении частоты оборотов электромотора и при вертикальном положении гравиметра - то есть при равных значениях угла отклонения маятников.
Маятники и платформа с микрометрами представляют собой единую вращающуюся вокруг вертикальной оси механическую систему, в которой действуют две основные силы - центробежная сила и сила тяжести. Когда эти силы, приложенные к грузам-отражателям, уравновесят друг друга, процесс вращения стабилизируется и будет характеризоваться постоянным углом отклонения при постоянной угловой скорости вращения маятников. Измерение абсолютного значения ускорения силы тяжести состоит, таким образом, в измерении центростремительного ускорения грузов-отражателей.
При круговом движении, осуществляемом в процессе замера, вектор поступательной скорости каждого груза-отражателя всегда ортогонален векторам действующих на него сил: вектору силы тяжести и вектору центробежной силы. Поэтому положение равновесия маятника, в момент замера, определяется только этими двумя силами и не нарушается действием силы сопротивления воздуха и силы трения.
Подвесы маятников являются жесткими, имеют равную длину и возможность отклоняться от оси вращения за счет нефрикционного шарикоподшипникового соединения с коромыслом (по первому варианту исполнения гравиметра) или с валом электромотора (по второму варианту исполнения).
Благодаря тому, что результат измерения не зависит от сопротивления воздуха, рабочее пространство гравиметра не нуждается в трудоемкой, дорогостоящей и не всегда качественной откачке воздуха.
Благодаря тому, что, центробежная сила, достаточно просто регулируется и достаточно точно регистрируется - предлагаемый гравиметр является не дорогостоящим (порядка 20 000 у.е. за прибор) быстродействующим (порядка 1 минуты на замер), обладает высокой точностью (порядка 1-2 мкГал), прост и надежен в применении.
Процесс работы гравиметра заключается в следующем. По отклонению вертикальной плоскости груза-отражателя от оси вращения, лазерный микрометр непрерывно, в течении времени замера, регистрирует угол этого отклонения φ и выдает данные на монитор компьютера в виде графической кривой. Фототахометр, встроенный в корпус электромотора под платформой непрерывно регистрирует угловую скорость ω так же передавая ее значения на монитор компьютера в виде графика. Когда угловая скорость маятников достигает постоянного значения, а углы их отклонения от вертикали достигают постоянного и равного (что автоматически указывает на вертикальность корпуса гравиметра) значения, оба параметра, через несложную компьютерную программу вводятся в расчетную формулу:
i
где: g - ускорение силы тяжести в точке измерения
1
2
φ=φ=φ - равный угол отклонения маятников от оси вращения
φ
ω - угловая скорость грузов-отражателей при угле отклонения φ
l - равная (по условию изготовления) длинна подвесов
0
r - плечо коромысла
При работе гравиметра по первому варианту исполнения (Фигура 1), угловая скорость вращения маятников, а значит - частота вращения электромотора может быть произвольной и включается в расчет лишь по критерию постоянного значения.
Гравиметр по второму варианту исполнения (Фигура 2) не имеет коромысла. В этом варианте подвесы закреплены непосредственно на валу электромотора посредством подшипника 5.
При этом, расчетная формула заметно упрощается:
Однако, режим скорости вращения электромотора в этом варианте, должен быть таким, чтобы проекция центробежной силы на дугу отклонения маятников - могла превысить аналогичную проекцию силы тяжести, поскольку сила тяжести действует на изначально отклоненные маятники еще в нерабочем положении (Фигура.2).
1
2
φ
Процесс регистрации в обоих вариантах исполнения полезной модели длится не более 30-60 секунд. Данные поступают на дисплей встроенного компьютера непрерывно в процессе всего замера и регистрируются как числовые колонки в таблице и одновременно в виде трех графических кривых: φ, φ и ω.
1
2
Принцип, на котором работает полезная модель, позволяет одновременно с замером фиксировать вертикальность положения корпуса гравиметра и, соответственно, оси вращения маятников. Данное положение достигается, когда углы отклонения обоих маятников равны. Графически это выразиться на дисплее компьютера пересечением или слиянием функций φ и φ. Расчетная программа встроенного компьютера работает таким образом, чтобы фиксировать значение угловой скорости маятников гравиметра именно в такие моменты замера.
Полученное при замере значение ускорения силы тяжести является абсолютным, поскольку рассчитано непосредственно через равное ему значение центростремительного ускорения, с которым грузы-отражатели движутся вокруг оси вращения маятников.
Предлагаемая полезная модель:
- Значительно снижает габариты и вес гравиметрического устройства.
- Увеличивает оперативность, одновременно снижая трудоемкость и затратность гравиметрических измерений;
- Уменьшает влияние человеческого фактора, и как следствие, увеличивает достоверность гравиметрических измерений.
- Портативность предлагаемого устройства позволяет осуществлять трехмерное гравиметрическое картирование и оперативно получать так называемый «куб данных» в самых сложных полевых условиях.
ПРИМЕНЯЕМАЯ ТЕРМИНОЛОГИЯ:
Гравитационное поле - поле взаимного притяжения двух массивных тел. Выражается другими терминами: «поле тяготения»; «поле силы тяжести»., в небесной механике - поле притяжения тела произвольной массы., в астрофизике - поле притяжения звезд и планет; в геофизике - поле земного притяжения.
Абсолютное значение ускорения силы тяжести - ускорение, с которым пробная масса движется под действием силы земного притяжения. Выражается другими терминами, применяемыми в классической механике, астрофизике и геофизике: «ускорение свободного падения», «напряженность гравитационного поля».
Центробежная сила - определяется в неинерциальных системах отсчета и действуя на элемент вращающегося тела или системы тел, направлена от центра вращения.
Центростремительное ускорение - определяется в инерциальных системах отсчета, как ускорение тела, находящейся под действием силы, принуждающей к движению по непрямой траектории - например по окружности., и в этом случае, направлено к центру окружности.
Корреляция - сопоставление результатов - как теоретических, так и опытно-экспериментальных, с целью их взаимного уточнения и я повышения достоверности.
Интерпретация - аналитическое, теоретическое толкование полученных, опытно-экспериментальным путем, результатов.
Гравиметрический профиль - маршрут по которому перемещается гравиметр для регистрации, как правило с заданным интервалом между пунктами измерений, ускорения силы тяжести.
Комплексирование методов - исследование одного и того же объекта, как правило - геологического, различными методами, как правило - геофизическими.