Пояснения к работе. Рис. 1. Схема взаимодействия масс

ИЗМЕРЕНИЕ ЗНАЧЕНИЯ УСКОРЕНИЯ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ

по вертикальному профилю

Цель работы: измерить ускорения силы тяжести по вертикальному профилю с помощью гравиметра и вычислить нормальное значение вертикального градиента ускорения силы тяжести.

Приборы и оборудование: гравиметр типа ГНУ-КС (КВ), батарея напряжением 3 В, мерная лента (рулетка), микрокалькулятор или компьютер.

Пояснения к работе

Гравитационное поле - это поле силы тяжести, то есть поле взаимодействия механических масс в материальной среде (рис. 1).

Рис. 1. Схема взаимодействия масс

В основе лежит закон Ньютона:

где F - сила притяжения, f - постоянная гравитационного поля, равная

6,67*10^-8*г^{-1 см 3}сек^-2, m₁ и m₂ - взаимодействующие массы, r - расстояние между m₁ и m₂.

Если m₁ считать точечной массой, а m₂ увеличить до массы Земли, то формула Ньютона примет вид:

где q^/ - ускорение свободного падения, значение которого с учётом центробежной силы, возникающей от вращения Земли, составляет 9,81 м/с².

За единицу свободного падения принят 1мГл = 10^-3 см/с².

При проведении гравиразведочных работ измерения выполняются по параметру - приращение силы тяжести в редукции Буге. Этот параметр является результирующим между аномальным g_аном (измеренным) и нормальным g_нор (теоретическим) значениями силы тяжести. Кроме того, в показания вводятся поправки: 1) за свободный воздух , 2) за промежуточный слой пород (толщу пород между точкой наблюдения поверхностью геоида или за поправку Буге ), 3) за рельеф (рис.2).

Рис 2. Соотношение уровненных поверхностей геоида и сфероида с поверхностью рельефа.h₁,h₂ - толщины слоев воздуха и пород, залегающих выше поверхности геоида

Параметр g_норм представляет собой ускорение силы тяжести Земли, как сфероида малого сжатия. Последний описывается уровенной поверхностью, близкой к геоиду, который в свою очередь является уровенной поверхностью свободной воды океанов. У поверхности Земли g_норм изменяется от 9,780 м/с² до 9,810 м/с². Наблюдаемое увеличение g_норм от экватора к полюсам объясняется, с одной стороны, изменением ускорения центробежной силы, а с другой – уменьшением радиуса Земли примерно на 21 км по оси вращения, то есть сжатием Земли. Имеется (получено) несколько вариантов аналитического расчёта значений нормального гравитационного поля, как для всей поверхности Земли, так и для территорий отдельных государств. В расчётных формулах эмпирические коэффициенты и их количество меняются, что определяется плотностью проведенных наблюдений и точностью измерений.

Показатель g_{св.возд}_. или g_ф (Фая) учитывается в гравиметрических измерениях как поправка за слой воздуха находящийся между точкой наблюдения и поверхностью геоида.

g_ф = 0,3086^.h₁ ,

где h₁ толщина слоя воздуха.

Параметр g_б вводится в измеренные значения как поправка за промежуточный слой, который еще носит название поправки Буге. Поправка g_б необходима в том случае если измерения производятся в точке, находящейся выше поверхности геоида и, следовательно, проявляется влияние толщи пород заключенных между поверхностью геоида и поверхностью рельефа (см. рис. 2).

g_б = -0,418 h₂,

где - средняя плотность, а h₂ – толщина промежуточного слоя.

Поправка за рельеф g_р учитывается, если этот рельеф очень сложный, например в горной местности.

В конечном виде формула аномальной силы тяжести в редукции Буге включает разность значений наблюденного и теоретического полей и сумму поправок за свободный воздух, промежуточный слой и рельеф:

Dg_б = g_аном - g_норм + g_ф + g_б + g_р

Как и любое геофизическое, гравитационное поле может быть измерено путем специальных приборов. В основу их функционирования положено физическое явление притяжения. Следовательно, измерения могут быть выполнены путем маятниковых наблюдений, процесса растягивания или кручения пружин и времени падения грузов. Эти измерения разделяются на относительные и абсолютные. Среди них преимущество получили первые, которые более легко реализуются в практике полевых гравиразведочных работ. Абсолютные же измерения требуют очень высокой точности и могут осуществляться только в специальных обсерваториях

Основной тип гравиметров - это астазированные. Общий вид и механизм их действия поясняется на рисунке 3.

Конструкция гравиметра находится в сосуде Дьюара, с тем, чтобы максимально снизить влияние температуры воздуха, влажности, ветровых воздействий и т.д. Работа системы осуществляется таким образом, что при размещении гравиметра в точке измерения на массу m главного рычага воздействует сила притяжения. Пропорционально ей изменяется угол j. Этот, угол тарируется (размечается) делениями микрометрического винта.

12 3 Следующая ⇒