Модернизация гравиметра ГАГ-3

В.Б. Дубовской, В.И. Леонтьев, А.В. Сбитнев

С целью проверки возможности использования стандартных кварцевых гравиметров для регистрации вариаций УСТ на уровне долей микрогала на базе одного из опытных образцов гравиметра ГАГ-3 был изготовлен макет гравиметра с цифровым отсчетом.

Время осреднения отсчета гравиметра 6 с выбрано близко к периоду основной шумовой моды мик- росейсм. В стационарном состоянии была проведена серия измерений из 80 отсчетов, среднеквадратическое отклонение единичного отсчета от линейного дрейфа за 40 мин измерения составило 1.5 мкГал, при времени осреднения 3,5 мин — 0,3 мкГал. Возможности измерения малых приращений УСТ проверялись нулевым методом при времени осреднения отсчета 2 мин и интервалом между очередными установками прибора на одной и той же точке, равном 2 мин. Среднеквадратическое отклонение отсчетов от линии дрейфа гравиметра составило величину 0,8 мкГал.

Минимальный сигнал, регистрируемый гравиметром за время осредненият, определяется уровнем сейсмических возмущений. На частотах ниже 0,03 Гц

Интересно, что броуновские шумы чувствительной системы гравиметра имеют тот же спектр, и ошибка осреднения отсчета сг(т) за время т равна

где Q — добротность упругой системы; М — масса маятника; Т — период собственных колебаний упругой системы гравиметра.

При времени осреднения 6 с сг(т) = 0,7 мкГал, 2 мин — 0,16 мкГал, 3,5 мин — 0,1 мкГал.

Таким образом, применение в гравиметре ГАГ-3 оптимально сконструированного оптического датчика перемещения и цифровой системы регистрации позволяет в лабораторных условиях реализовать предельную чувствительность упругой системы гравиметра на уровне броуновских шумов.

Для достижения предельной чувствительности гравиметра в реальных условиях необходимо исключить или снизить влияние на чувствительную систему гравиметра ряда возмущающих факторов.

Для лабораторного макета ГВГ на базе гравиметра ГАГ-3 была разработана и реализована антисейсмическая подвеска прибора с собственным периодом 0,3-0,5 с, так как уровень техногенных шумов в реальных условиях превышает уровень предельного разрешения гравиметра в 10-100 раз. Учитывая высокую помехозащищенность (сейсмическую, тепловую, барическую, электромагнитную и др.) конкретной реализации прибора и большой запас по шумам датчика перемещений, вполне реально довести разрешение до сотых долей Этвеша в приборе некриогенного типа за счет увеличения массы пробного тела. В случае конструирования бортовых систем градиентометрии требуются глубокие проработки по многоступенчатой виброзащите гиростабилизирующих устройств.

Современная техника измерения перемещений позволяет на различных физических принципах получать предельные разрешения менее Ю-10 см. Выбор оптимального метода зависит от совместимости конструктивных параметров, необходимых для решения поставленной задачи. Практическое отсутствие силового воздействия на пробную массу обусловливает предпочтительное использование фотоэлектрических преобразователей для приборов с системой отрицательной обратной связи [Дубовской 1970].

В качестве источника света могут быть использованы инжекционные лазеры, в которых диаметр пучка излучения достигает величины 10-4 см.

Используемый в гравиметре инжекционный лазер имел выходное отверстие 5 • 10_3 см, световая мощность, падающая на фотодиод датчика гравиинерциальных ускорений ИМУ, составляет 4Ю“5 Вт, квантовый выход — 0,25. Модельный эксперимент с неподвижным пробным телом в осесимметричной конструкции свидетельствует о применимости данных оценок для реальной конструкции.

В земных условиях сейсмический шум в отдаленных от океана районах в спокойные периоды имеет, так же как и броуновский шум, величину спектральной плотности ускорений, не зависимую от частоты, равную 2 -10“11 в полосе частот 4Ю~2 - 10_3 Гц. Для регистрации столь малых сигналов [Дубовской и др. 1994] требование к параметрам датчика сводятся к выполнению неравенства М gt; 2500-f-Q~l [г], т. е. при / = 0,1 Гц и Q = 1 масса составит 250 г. Примерно такие же требования предъявляются и к датчику гравиинерциальных ускорений в составе градиентометра со спектральной плотностью шума Ю-^ч/Гц.

Таким образом, гравиметр ГАГ-3, разработанный в ИФЗ, по основным параметрам превосходит отечественные аналоги. Модификация этого прибора, проводимая в последние годы, вывела его на высший международный уровень. Использование ряда ноу-хау, обеспечивающих существенное снижение дестабилизирующих факторов (барометрический эффект, температурные, динамические, неупругие эффекты), позволили в реальных условиях производить измерения на уровне величины броуновских шумов, т.е. фактически на уровне физического запрета. На рис. 9.4.1 приводится запись земных приливов, качественно характеризующая гравиметр ГАГ-ЗМ.

Столь существенное продвижение в качестве измерений позволяет ставить ряд новых фундаментальных и прикладных задач. Фактически открывается новое направление микрогравиметрии, позво-

ляющее выявлять аномалии УСТ во времени и пространстве на уровне Ю~10д и измерения градиента силы тяжести на уровне 1 Э. Т. е. в реальных условиях измерений ошибка градиента УСТ не превышала 6 Э. Пример измерения градиента УСТ с вертикальной базой 1417 мм на строительной площадке в зоне прокладки подземного туннеля Третьего транспортного кольца г. Москвы в феврале 2003 г. при на наличии порывистого ветра и высокого уровня вибропомех от строительных механизмов и проходки подземного коллектора приводится в табл. 9.2. Модернизированный гравиметр ГАГ-ЗМ использовался при изучении тонкой структуры ГПЗ на площадке Ленинградской атомной станции (ЛАЭС), выявлении неприливных вариаций ГПЗ на Ленинградском гравиметрическом полигоне, картировании плотностных неоднородностей на многих ответственных сооружениях Москвы.