Возможности совершенствования гравиинерциальной геофизической аппаратуры

Гравиинерциальные приборы используются для решения многих фундаментальных и прикладных задач геофизики, экологической безопасности, градостроительстве и тесно связаны с прогрессом в области разработки аппаратуры и совершенствованием методик наблюдений [1].

В статье кратко представлены некоторые оригинальные разработки Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук (ИФЗ РАН) для наземных и спутниковых геофизических исследований, обладающие высокой точностью и оперативностью.

ГРАВИМЕТР ГАГ-3М

Один из наиболее хорошо зарекомендовавших себя методов поиска полезных ископаемых, выявления ослабленных зон земной коры и решения многих других прикладных и фундаментальных задач геофизики — наземная высокоточная грави-

Табл. 1. Технические данные гравиметра ГАГ-3М

Смещение нуль-пункта при термостатировании 40°С в сутки, мГал ≤ 0.3 Разрешение электрического отсчетного устройства, мкГал при диапазоне измерения ∆g = 100 мГал 0.67 при диапазоне измерения ∆g = 10 мГал 0.07 Энергопотребление гравиметра, Вт ≤ 2 Масса гравиметра с аккумулятором, кг ≤ 5 метрическая съемка. ИФЗ РАН участвовал в разработке, испытаниях и запуске в производство геодезического кварцевого гравиметра ГАГ-3.

Гравиметр ГАГ-3М (см. табл. 1 и Приложение, рис. П1) представляет собой модернизированный в ИФЗ РАН вариант ГАГ-3 [2], который по основным параметрам превосходит отечественные и зарубежные аналоги. Модернизированный гравиметр позволяет производить измерения в реальных полевых условиях на уровне величины броу новских шумов и выполнять качественные измерения на фоне значительных акустических и сейсмических помех.

Гравиметр ГАГ-3М успешно использовался при геофизических исследованиях в России и за рубежом для изучения тонкой структуры гравитационного поля на площадках Ленинградской атомной станции (ЛАЭС), Храма Христа Спасителя, Москва-Сити, выявления неприливных вариаций гравитационного поля Земли на Ленинградском полигоне, картирования плотностных неоднородностей на многих ответственных объектах в Западной Сибири, в зоне Вранча в Румынии и др.

МИКРОНИВЕЛИР НИ-3

Основной метод мониторинга деформационных процессов зданий и сооружений — высокоточное нивелирование. Применение этого метода связано с необходимостью прямой видимости контролируемых точек и осложнено ошибками, связанными с рефракцией, неблагоприятными погодными условиями.

В ИФЗ РАН разработана альтернативная система наблюдений, свободная от перечисленных

Табл. 2. Технические характеристики микронивелира НИ-3

База измерений, м Диапазон измерения углов наклона, угл. с Разрешение, угл. с Масштабный коэффициент, угл. с/В Нелинейность, % Температурный коэффициент, угл. с/°С Питание, В Энергопотребление микронивелира, Вт Габариты, м Масса, кг 1.5 ±4000 (2×10–2рад) ±0.5 (2.5×10–6 рад) 500 0.01 0.2–0.5 ±9 0.2 1.5×0.08×0.04 2.7 недостатков и не уступающая ей по точности. Это микронивелир с цифровым отсчетом с разрешением 2.5×10–6 рад, база 1.5 м (табл. 2), что по отношению к стандартному шагу нивелирных измерений сооружений (10 м) соответствует погрешности нивелирования 0.02 мм [3]. Преимущество микронивелирных измерений заключается в том, что нет необходимости в прямой видимости марок; отсутствуют ошибки, связанные с рефракцией; высокая оперативность метода; работу выполняет один человек.

Этот микронивелир в разных модификациях широко использовался при деформационном мониторинге наиболее ответственных строек Москвы: ТРК "Манежная площадь", Хорватский дом, Итальянский дом и т. д. Сравнение значений осадок здания, измеренных нивелиром Ni-007 и микронивелиром НИ-3, показало их хорошее совпадение.

СКВАЖИННЫЙ ИНКЛИНОМЕТР НИ-2

В ИФЗ РАН была разработана и использована на многих объектах Москвы специальная методика и создана оригинальная конструкция прибора для определения планового положения ствола скважины на разных горизонтах с погрешностью не более 1 мм, что позволяет решать широкий круг задач мониторинга смещений геомассива и деформаций строительных конструкций. Это — двухкоординатный скважинный инклинометр НИ-2 [4].

В каждой точке измерений погрешности за счет ухода нуля измерительного устройства исключаются при повороте измерительной системы с помощью жестких на скручивание штанг на 180 ° . Измерения выполняются дискретно с пошаговым опусканием прибора на фиксированное расстояние 2 м. Технические характеристики инклинометра НИ-2 представлены в табл. 3.

В Приложении на рис. П2 показан пример изучения оползневых процессов скважинным инклинометром НИ-2 на берегу реки Москва. По графикам четко выявляются размер, горизонт "зеркала скольжения" оползневого склона и динамика процесса.

Скважинный инклинометр НИ-2 использовался при инженерных изысканиях и изучении оползневых процессов в России и за рубежом (а/с "Бушер")

Табл. 3. Основные технические характеристики инклинометра НИ-2

Точность измерения		углов, угл. с	1–2
		планового смещения, мм	±0.1
Точность измерения температуры, °С			±0.02°
Глубина измерения, м			до 100
Шаг измерений по глубине, м			2
Точность фиксирования по азимуту, угл. с			60
Энергопотребление инклинометра, Вт			0.1–0.2
Габариты, м	диаметр, высота		0.07, 2
Диаметр скважины, мм			75–120

Табл. 4. Основные технические характеристики МкА-НД

Диапазон (два диапазона), g Масштабный коэффициент, g/В Разрешение, g Нелинейность, % Частотный диапазон, Гц Выходной сигнал, В Температурный диапазон, ºС Температурный коэффициент, %/ ºС Энергопотребление, Вт Габариты, мм Вес, г

8×10–5 и 8×10–4 2×10–5 2×10–9 0.1 0.1–0.001 ±4 –20…+50 0.03 < 1 115×55×65 350

Регистрация ускорений двумя микроакселерометрами МкА-НД, установленными на антисейсмической платформе в противофазе, и их суммарный сигнал

СПУТНИКОВЫЙ МИКРОАКСЕЛЕРОМЕТР МкА-НД

МкА-НД является наиболее высокоточной отечественной разработкой в области акселерометрии (см. табл. 4) для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач. Например, уточнение параметров глобальной модели гравитационного поля Земли в составе спутниковых грави-градиентометрических проектов, использование в системах спутниковой инерциальной навигации, уточнение эфемерид спутников ГЛОНАСС, изучение океанической циркуляции, изучение внутреннего строения Земли, решение задач геодинамики, прогноза природных катастроф и другие области.

На рисунке приведен пример определения шумовых характеристик микроакселерометров в наземных условиях с использованием антисейсмической платформы. Суммарный сигнал двух датчиков микроускорений (МкА-НД), установленных на антисейсмической платформе в противофазе, является объективной характеристикой верхнего предела шумов [5].

При измеряемых ускорениях в диапазоне ±5 x 10^-9 g амплитуда суммарного сигнала двух акселерометров составила величину ±l^2 x 10^-9 g, что является верхним пределом определения шумовых характеристик испытываемых приборов в наземных условиях.

Предыдущие модели этого типа (ИМУ-128), разработанные ИФЗ РАН совместно с ЦНИИ-

МАШ, с 1981 г. успешно функционировали на орбитальных станциях "Салют", "Мир" и в настоящее время являются штатными приборами МКС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Нестандартные подходы ИФЗ РАН при создании оригинальных разработок в области высокоточной гравиинерциальной аппаратуры позволяют решать широкий круг задач в области геодезии, геофизики, экологии, дистанционного зондирования Земли.

Все рассмотренные разработки фактически являются высокочувствительными акселерометрами. Они построены по одной и той же технологии и за счет оригинальных конструктивных и методических подходов способны решать на новом уровне широкий круг прикладных и фундаментальных проблем геофизики.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рис. П1. Внешний вид гравиметра ГАГ-3М.

1 — корпус гравиметра; 2 — окуляр; 3 — измерительный винт; 4 — отсчетное устройство; 5 — выключатель света; 6 — блок электроники; 7 — кабель питания; 8 — информационный кабель; 9 — блок питания; 10 — выключатель блока электроники; 11 — аккумулятор 12 В, 2.3 А·ч; 12-мультиметр APPA 109 N

Изменение профиля скв.2 Направление С-Ю

Изменение профиля скв.3 Направление С-Ю

Изменение профиля скв.1

Направление С-Ю

—28.02.2005	■ 08.04.2005
16.06.2005	—X— 25.07.2005
23.09.2005	—•— 15.12.2005
—1— 13.04.2006	30.08.2006
23.05.2007	13.07.2007
20.08.2007

—♦— 28.02.2005	—■— 08.04.2005
16.06.2005	25.07.2005
23.09.2005	—•— 15.12.2005
—1— 13.04.2006	30.08.2006
23.05.2007

Река

Изменение профиля, мм

—♦— 28.02.2005

16.06.2005

23.09.2005

—I— 12.04.2006

23.05.2007

—•— 08.04.2005

25.07.2005

—e— 15.12.2005

30.08.2006

Рис. П2. Результаты двухлетних измерений скважинным инклинометром НИ-2 на оползневом склоне в г. Москве