<<
>>

Приливные вариации силы тяжести: приборы, методы обработки данных, интерпретация

А.В. Копаев

Одним из перспективных методов геодинамических исследований является регистрация периодических деформаций Земли, вызванных гравитационным влиянием Луны и Солнца и представляемым переменным в пространстве и времени лунно-солнечным потенциалом.

Разложение потенциала содержит многие сотни гармоник с периодами от 8 часов до 18 лет (основными являются полусуточные и суточные волны), амплитуды и фазы которых в точке наблюдений на поверхности Земли оказываются промодулированными из-за наличия у нее упругости и вязкости. Соответствующие коэффициенты усиления и углы задержки фазы, называемые земноприливными параметрами, определяемые из гармонического анализа многомесячных записей приливных вариаций силы тяжести, приливных наклонов или деформаций, различны для разных периодов, что позволяет исследовать амплитудно- и фазовочастотные характеристики различных оболочек Земли, непосредственно связанные с их упруго-вязкими свойствами. Особое значение имеют наблюдения приливных вариаций силы тяжести стационарными высокоточными гравиметрами, поскольку они обеспечивают наибольшую относительную точность определения земноприливных параметров (называемых в этом случае 6-факторами и сдвигами фазы) — до 0,2%.

Согласно современным моделям земных приливов, значения 6-факторов определяются, в основном, глобальными динамическими характеристиками системы «ядро+мантия». Общепринятая в последние годы модель упругих приливов, построенная J. Wahr и V. Dehant (рис. 5.5.1), показывает слабую широтную зависимость 6-факторов, связанную с эллипсоидальностью Земли и нулевые сдвиги фаз для всех волн [Молоденский СМ., Крамер 1980, Wu Xuefang 1994].

Поскольку характерные времена релаксации для мантии составляют тысячи лет, ее отклик на приливных частотах (~0,5 и ~1 суток) является практически упругим.

Введение предполагаемой вязкости в эту модель увеличивает 6-факторы для основных волн лишь на 0,1-0,2%. Сдвиги фаз должны составлять 0,02-0,03°. Именно обнаружение этих тонких эффектов является фундаментальной целью приливных гравиметрических наблюдений на ближайшие десятилетия [Baker et al. 1996]. Согласно теоретическим исследованиям, региональные аномалии 6-факторов, связанные с неоднородностями упруго-вязких свойств мантии, не должны превышать нескольких десятых долей процента [Baker et al. 1989]. Соответствующая точность определения 6-факторов в 0,1% пока еще трудно достижима как из-за проблем с калибровкой приливных гравиметров, так и из-за возмущающего влияния океанических приливов. При этом лучшие станции с тщательным образом прокалиброванными приборами расположены в Европе, где океаническое влияние на 6-факторы достигает нескольких процентов и вычисляется с точностью не выше 0,2-0,3°. Тем не менее основополагающие исследования Т. Бейкера [Melchior 1995] подтвердили справедливость модели Wahr-Dehant на уровне точности 0,2% для пяти пунктов в Западной Европе.

Все вышеизложенное позволяет полагать, что обнаруженные ранее многими исследователями аномалии 6-факторов, достигающие 2-3% и более [Melchior 1984], обусловлены всего лишь неточностями калибровки и вычисления океанических поправок, поскольку реальная результирующая точность большинства приливных гравиметрических наблюдений составляет в среднем, 0,5-1,0%, если учитывать наряду с точностью наблюдений и гармонического анализа (как правило, 0,1-0,3%) еще и точности ка

либровки и вычисления океанических возмущений, которые зачастую трудно даже оценить. Эффекты влияния неоднородностей упруго-вязких свойств мантии пока находятся, скорее всего, за пределами точности эксперимента.

В то же время статистический анализ данных о приливных вариациях силы тяжести на мировой сети пунктов (более 300), выполненный в Международном центре земных приливов в Брюсселе проф. Мельхиором, позволил ему сделать вывод о наличии корреляции между аномалиями 6-факторов, с одной стороны, и тепловым потоком из мантии и тектоникой регионов [Dehant 1987], с другой.

Развернутое обсуждение этой фундаментальной гипотезы приобрело в последние годы весьма острый характер, при этом доводы как сторонников, так и противников весьма убедительны, где, в частности, показано, что вышеупомянутая корреляция имеет место в основном для пунктов, расположенных вблизи океанов, где возможны значительные ошибки в окончательных значениях 6-факторов из-за неточностей в вычислениях поправок за океанические приливы. Тем не менее, вопрос пока остается открытым.

Также внимания заслуживают результаты японских [Takeshi 1985] и китайских [Tang Boxiong et а!. 1985; Li Ruihao et al. 1985] исследователей гравитационных приливов, согласно которым на территории как Китая, так и Японии аномалии 6-факторов коррелируют с толщинами земной коры. Можно предположить, особенно для Японии, неточности в модельных вычислениях океанических эффектов, в которые входит помимо прямого притяжения перемещающихся водных масс еще так называемые нагрузочные приливы из-за изменяющейся океанической нагрузки на земную кору. В последние годы приливные гравиметрические наблюдения успешно используются для уточнения моделей океанических приливов, причем в этом случае расстояние приливной гравиметрической станции от океана должно быть, наоборот, минимальным. Получаемые результаты используются либо для уточнения локальных котидальных карт, либо в комплексе с мареографическими наблюдениями и данными спутниковой альтиметрии для уточнения глобальной модели Швидерского.

Наиболее интригующими являются сообщения о зарегистрированных изменениях 6-факторов во времени, связываемые с процессами подготовки землетрясений. Однако метрологическое обеспечение наблюдений такого рода, полученных, как правило, одним прибором, оставляет желать лучшего. Тем не менее, эти исследования активно ведутся в Китае. Сезонные вариации 6-факторов наблюдались и криогенными гравиметрами в Западной Европе, однако в этом случае они связаны с сезонной модуляцией амплитуд океанических приливов.

Таким образом, в приливной гравиметрии на сегодняшний день существует ряд серьезных нерешенных вопросов, пролить свет на которые могут только новые самым серьезным образом поставленные с метрологической точки зрения наблюдения в континентальных районах вдали от океанов.

Особенно актуальны в этой связи приливные гравиметрические наблюдения в России. Приливные вариации силы тяжести, регистрируемые стационарными высокоточными гравиметрами, определяются, в основном, динамическими характеристиками системы «ядро+мантия». Наблюдения позволяют уточнить вязкость мантии, в частности, подтвердить степенной закон зависимости добротности мантии от частоты вынуждающего силового воздействия, а также исследовать так называемый «близсуточный» резонанс земных приливов, связанный со свободной нутацией жидкого ядра.

Наблюдения неприливных вариаций УСТ чрезвычайно актуальны для геодинамики, поскольку они могут быть вызваны такими явлениями, как движение полюсов и вертикальные движения земной коры, представляющими огромный интерес как для фундаментальной геофизики и астрономии, так и для сейсмического прогноза.

Величины деформаций и наклонов земной коры определяются в основном строением и упругими характеристиками коры и, в частности, наличием вблизи пунктов наблюдений глубинных разломов. Соответствующие приливные амплитудные и фазовые параметры отличаются в таких пунктах от модельных значений на 30-50% и более, причем величина аномалии сильно зависит от степени активности разлома.

Одной из важнейших задач геодинамики является исследование приливных и неприливных вариаций УСТ. Для этого гравиметрические наблюдения следует проводить на выбранных пунктах стационарно в течение продолжительного времени (выделение даже основных лунных волн 0\ и Мъ требует продолжительности записи не менее I месяца).


Точность таких наблюдений должна быть не менее 1 мкГал с учетом, что максимальная амплитуда приливных вариаций УСТ составляет в средних широтах порядка 200 мкГал. Поэтому единственным типом гравиметрических приборов, пригодным для стационарных наблюдений, являются статические гравиметры, включая криогенные (рис. 5.5.2-5.5.3).

Точность лучших лазерных баллистических гравиметров также позволяет проводить стационарные наблюдения земных приливов, но такие эксперименты являются слишком дорогостоящими из-за повышенного износа механических частей приборов и проводились лишь дважды. Приборы, имеющие чувствительность не хуже 0,1 мкГал, в состоянии регистрировать собственные колебания Земли, которые также несут ценнейшую информацию о строении и упруго-вязких характеристиках различных оболочек планет в частотном диапазоне 1 мин-1 час. Наконец, использование лучших стационарных сверхпроводящих гравиметров с чувствительностью порядка 0,001 мкГал (1 нГал) позволяет в последние годы наблюдать собственные колебания жидкого ядра Земли.

Отметим, что наряду со стационарными статическими гравиметрами, выпускавшимися ограниченными сериями (серии Аскания GS-15, Geodynamics, La Coste-Romberg ЕТ, криогенные гравиметры), широко использовались и в ряде случаев применяются до сих пор серийные приборы типа La Coste- Romberg G и D, адаптированные для стационарной записи. Любой стационарный приливный гравиметр должен быть оснащен термостатом, обеспечивающим температурный коэффициент прибора не хуже 1 мкГал/°С/час.

Понятие «приливный гравиметр» в настоящее время подразумевает «приливный гравиметрический комплекс», поскольку он включает в себя: собственно приливный гравиметр; устройство бесперебойного питания; микробарограф для регистрации вариаций атмосферного давления; микротермограф для записи изменений температуры; персональный компьютер, обеспечивающий запись, предварительную обработку и визуализацию информации. Уровень развития приливных гравиметрических исследований в нашей стране пока далек от желаемого, в первую очередь из-за слабости инструментальной базы, которая включает лишь старые гравиметры Askania GS-11 и GS-12.

Усилиями научных групп ИФЗ АН СССР, ИГГ СО АН СССР, Полтавской гравиметрической обсерватории АН УССР, ИГ АН ЭССР и ИГ АН ГССР на протяжении 1960-1980-х гг. велись продолжительные наблюдения этими приборами на пунктах Таллин, Пулково, Обнинск, Красная Пахра, Полтава, Киев, Ялта, Бахчисарай, Симферополь, Тбилиси, Ташкент, Фрунзе, Талгар, Новосибирск, Иркутск.

Работы проводились, как правило, параллельно несколькими приборами в течение 1-2 лет на каждом

пункте как минимум. Проанализируем результаты этих наблюдений с точки зрения модели Wahr-Dehant, и 2) проверки гипотезы проф. Мельхиора.

Будем использовать только результаты наблюдений (рис. 5.5.4), включенных в Международный банк приливных гравиметрических данных ICET проф. Мельхиора, обработанных по единой методике (гармонический анализ проводился методом Венедикова, океанические поправки вычислялись по котидальным картам Швидерского).

Наблюденные значения 6-факторов для основных волн М2 и Ох (которые менее остальных подвержены влиянию возмущающих факторов) для 15 вышеперечисленных пунктов с поправками за океанические приливы, за эллипсоидальную нормаль и инерцию вместе с доверительными интервалами (соответствующими только внутренним ошибкам после гармонического анализа) нанесены на рис. 5.5.5-5.5.6.

Сплошной линией обозначена модельная зависимость в соответствии с [Wu Xuefang 1994].

Можно указать следующие возможные причины расхождений: региональные аномалии 6-факторов, связанные с аномалиями упруго-вязких свойств мантии, ошибки, обусловленные неточностью используемой модели Wahr-Dehant; ошибки в вычислениях поправки за океанические приливы, неучтенные систематические ошибки, общие для всех гравиметров Askania, ошибки калибровки гравиметров Askania.

Скорее всего, можно сразу отбросить пп. I и 2, поскольку, если бы региональные аномалии упруговязких свойств мантии влияли на значения 6-факторов, то картина для волн М2 и 0\ была бы схожей, поскольку отличие в их периодах ничтожна по сравнению с характерными временами релаксации в

мантии; аналогично, если бы модельная зависимость была неточной (завышенной или заниженной), то имелось бы систематическое отклонение для обеих волн (рис. 5.5.7).

На основании рис. 5.5.7, где по оси абсцисс отложены значения потока тепла, а по оси ординат — 6-факторы, можно сделать вывод об отсутствии корреляции аномалий 6-факторов с потоком тепла, предсказанной проф. Мельхиором [Melchior 1995; Мельхиор, Садовский 1986].

Далее, факторы пп. 3 и 4 являются в данном случае систематическими, а п. 5 — случайным, если учесть большое количество приборо- лет рядов наблюдений на каждом пункте. Таким образом, наиболее вероятные причины расхождений — пп. 3 и 4. Ограниченные сведения о приливах в Северном Ледовитом океане, конечно, являются серьезным фактором, ограничивающим точность приливных гравиметрических исследований в Евразии, как и ошибки доступных коти- дальных карт для остальных океанов, однако на уровне порядка 0,2-0,3%, а не 1%, особенно для континентальных пунктов.

Как показали исследования, так называемая брюссельская система для калибровки приливных гравиметров, основанная на значении 6-фактора для волны Oi в Брюсселе, завышена приблизительно на 1%. Поскольку для ее установления использованы результаты многолетних наблюдений несколькими десятками гравиметров Askania, можно предполагать наличие систематических ошибок, присущих этим гравиметрам, завышающим амплитуды суточных волн на величину порядка 1%. Судя по всему, этот вывод для волны Oi подтверждается и для российских пунктов (см. рис. 5.5.7). Однако любые нелинейные эффекты в сложных измерительных системах будут автоматически приводить к удвоению частот гармонических колебаний, проходящих через измерительную систему, и как следствие — к перекачке энергии в полусуточные волны, в том числе и в Мг. Таким образом, значительный разброс значений 6-факторов для волны М2 также может быть связан с систематическими эффектами суточной периодичности, скорее всего метеорологической или/и температурной природы.

Изложенное позволяет сделать следующие выводы: реальная относительная точность приливных гравиметров типа Askania составляет порядка 1%, поскольку им присущи систематические ошибки такого порядка, которые не могут быть устранены ни увеличением продолжительности наблюдений, ни числом однотипных приборов; на этом уровне точности — 1% — на территории России отсутствуют отклонения от модели Wahr-Dehant, связанные с какими-либо региональными особенностями строения мантии и коры, в том числе, корреляция с потоком тепла; продолжение приливных гравиметрических наблюдений, столь актуальных на территории России, требует использования новых тщательно исследованных стационарных гравиметров.

Другими источниками весьма интенсивных по амплитуде неприливных вариаций УСТ являются изменения атмосферного давления и, особенно, вариации уровня грунтовых вод. К более экзотическим явлениям следует отнести изменения снежного покрова и уровня Мирового океана, однако вышеперечисленные геодинамические явления являются не единственными, могущими вызывать неприливные вариации УСТ. Такие процессы, как неравномерность вращения Земли и нутации также приводят к изменениям УСТ как ввиду чисто инерциального (центробежного) эффекта, так и из-за сопутствующей глобальной деформации Земли, однако их ожидаемая амплитуда существенно меньше 1 мкГал при характерных периодах в годы и десятилетия и потому они пока не наблюдаемы. То же справедливо и для

вариаций УСТ, связанных с мантийной конвекцией, имеющей характерные периоды сотни и тысячи лет.

Отметим, наконец, что разделение вариаций УСТ на приливные и неприливные является в определенном смысле условным.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 8-05-64941 и гранта программы «Университеты России — фундаментальные исследования* М 5548. Автор искренне признателен проф. П. Мельхиору (Королевская Обсерватория Бельгии) за предоставленные данные и полезные дискуссии. 

<< | >>
Источник: Бровар B.В.. ГРАВИМЕТРИЯ И ГЕОДЕЗИЯ. 2010

Еще по теме Приливные вариации силы тяжести: приборы, методы обработки данных, интерпретация:

  1. Приливные вариации силы тяжести: приборы, методы обработки данных, интерпретация