Gravímetro

Gravímetro (del latín gravis "pesado" + griego μετρεω "yo mido") - un dispositivo para la medición de alta precisión de la gravedad ; más a menudo utilizado en la búsqueda de minerales .

Cabe señalar que a finales del siglo XIX y principios del XX , este término significaba un dispositivo de medición diferente . En particular, en las páginas del Diccionario Enciclopédico de Brockhaus y Efron , se dio la siguiente definición de gravímetro: “ un dispositivo para determinar la densidad gravimétrica de la pólvora ” [1] .

Además, en algunas [2] fuentes, el gravímetro se denominaba variómetro de gravedad .

Propósito del dispositivo y aplicación

El gravímetro, en su esencia, es un instrumento multidisciplinario, cuya aplicación es posible en muchas áreas. Sin embargo, en la práctica, casi el 100% de los gravímetros se utilizan en la exploración por gravedad, es decir, en la búsqueda de yacimientos minerales. Debido a esto, los gravímetros mismos se han asociado fuertemente con ellos. Gracias a la exploración por gravedad , es posible determinar la presencia de un determinado mineral en las entrañas de la tierra directamente desde la superficie terrestre. Esto le permite reducir significativamente la cantidad de costosas perforaciones de pozos o la construcción de minas.

Una ilustración típica son, por ejemplo, los sumideros kársticos , sobre los cuales la fuerza de la gravedad es menor, por lo que las lecturas del gravímetro se vuelven más bajas; sobre el mineral denso, las lecturas del gravímetro son más altas, ya que la gravedad aumenta sobre los objetos pesados.

Cabe señalar que, a veces , los arqueólogos , los paleontólogos todavía utilizan los gravímetros , y también es posible usarlos en hidrología , ciencias del suelo , agricultura , cartografía y muchas otras áreas. Los gravímetros se instalan en automóviles, barcos, aeronaves, satélites espaciales , etc., pero los diseños portátiles son más comunes.

Un hecho interesante es que fueron los gravímetros los que encontraron su aplicación en una de las áreas no estándar: en la navegación de misiles balísticos (incluidos los nucleares) . El sistema de orientación del cohete se basa en la gravimetría , ya que el campo gravitatorio de la Tierra es un punto de referencia fuerte y estable: a diferencia de la orientación por un campo magnético o la guía por una señal de radio, el campo gravitatorio no puede distorsionarse ni interceptarse. Por razones obvias, también es imposible “disfrazar” el objetivo atacado con una anomalía gravitatoria artificial, ya que su creación requerirá el movimiento rápido y encubierto de miles de millones de toneladas de roca de un punto a otro del planeta.

Información general

Inicialmente, se utilizaron varios gradiómetros y variómetros en la exploración de gravedad y gravimetría para mediciones precisas del campo de gravedad. Estos dispositivos le permiten medir los valores completos de las segundas derivadas del potencial, lo cual es bastante informativo, pero tienen una productividad extremadamente baja: una medición de la gravedad puede demorar hasta 40 minutos o más. Debido a esto, se han generalizado gravímetros más simples, pero al mismo tiempo más productivos de varios diseños, que miden solo la derivada vertical del potencial . En la URSS, en 1953, se inició la producción de sus propios gravímetros y la producción de equipos variométricos se redujo drásticamente, y en 1968 cesó. Actualmente, los gradiómetros y variómetros se usan solo para mediciones de alta precisión del campo de gravedad (con su ayuda, son posibles los estudios arqueológicos, la búsqueda de grandes espacios subterráneos: galerías y búnkeres), cuando la precisión de los gravímetros no es suficiente. $\Delta g$

Un gravímetro es un dispositivo de medición bastante delgado, cuyo funcionamiento depende de una serie de factores de interferencia: temperatura, presión, vibraciones (todo tipo de microsismos o sacudidas). Por tanto, las medidas se realizan exclusivamente en reposo, instalando a su vez un gravímetro en cada piquete de una red prefabricada. La parte sensible del gravímetro se coloca en una carcasa protectora en la que se mantienen constantes la temperatura y la presión. Los gravímetros modernos ya han logrado una precisión de determinación al nivel de ~10 −7 -10 −9 en mediciones relativas, y la precisión en mediciones absolutas puede ser de 0,03 a 0,07 mGal . $gramo$

Hay muchos diseños diferentes de un sistema sensible, cuyo funcionamiento se debe a la influencia de la gravedad sobre un determinado fenómeno: la caída libre de los cuerpos, la oscilación de un péndulo (cuerdas, membranas), la precesión de un giroscopio pesado, la curvatura de la superficie de un líquido en rotación (o el ascenso de líquido en un capilar ), la levitación de un conductor con corriente o una partícula cargada en un campo magnético, así como el equilibrio de cualquier sistema de balanzas (de palancas o resortes ).

Las indicaciones medidas pueden ser tanto absolutas (se mide el valor de la propia gravedad, por ejemplo, 981,2573 mGal) como relativas (en este caso, se mide la diferencia de gravedad en dos puntos adyacentes). Las mediciones también se pueden realizar en movimiento (en el agua, y recientemente el reconocimiento de gravedad aérea se ha puesto "de moda"), pero con mayor frecuencia los gravímetros se instalan de forma fija en el punto de medición, y solo después de que se completan las mediciones se transfieren a un nuevo punto

Medida absoluta de la gravedad

Históricamente, las mediciones absolutas aparecieron antes debido al hecho de que su ejecución aproximada es posible sin equipo especial. Por ejemplo, un péndulo grande puede usarse como dispositivo de medición. Además, se evaluó la gravedad lanzando pelotas pesadas desde torres altas (en este caso, se midió el tiempo que la pelota cayó al suelo). Sin embargo, es solo con el desarrollo de la tecnología moderna que las mediciones absolutas se han vuelto realmente precisas.

Gravímetros de péndulo para medidas absolutas

La medida del valor absoluto de la gravedad se basa en que el período de oscilación T del péndulo depende de la magnitud del campo en el que se producen estas oscilaciones. El aparato matemático que describe esta dependencia es la fórmula:

T=2\pi {\sqrt {\frac {l}{g}}}.

Para un cálculo más preciso, puede utilizar un modelo más complejo:

T=T_{0}\left\{1+\left({\frac {1}{2}}\right)^{2}\sin ^{2}\left({\frac {\alpha }{2}}\right)+\left({\frac {1\cdot 3}{2\cdot 4}}\right)^{2}\sin ^{4}\left({\frac {\alpha }{2}}\derecha)+\puntos +\izquierda[{\frac {\izquierda(2n-1\derecha)!!}{\izquierda(2n\derecha)!!}}\derecha]^{2} \sin ^{2n}\left({\frac {\alpha }{2}}\right)+\dots \right\},

donde es el periodo de pequeñas oscilaciones,

{\displaystyle T_{0}=2\pi {\sqrt {\frac {l}{g))))

\alfa

- el ángulo máximo de desviación del péndulo de la vertical.

Sin embargo, la precisión de los cálculos de gravedad, como resultado, se verá afectada por la precisión de la medición de la longitud del péndulo, así como la masa de la carga. Para resolver este problema , F.V. Bessel propuso medir los periodos de oscilaciones de un mismo péndulo con diferentes longitudes de hilo y . Para los cálculos, debe utilizar la fórmula: $T_{1}$ $T_{2}$ $l_{1}$ $l_{2}$

g=4\pi ^{2}{\frac {l_{1}-l_{2}}{T_{1}^{2}-T_{2}^{2}}}.

La ventaja de este enfoque es que es posible medir la diferencia en las longitudes de los péndulos con mucha más precisión y facilidad que las longitudes de los propios péndulos. La precisión de la medición puede ser de 0,3 mGal .

Gravímetros balísticos

La medida del valor absoluto de la gravedad se basa en el registro del tiempo de caída libre de algún cuerpo de prueba de masa conocida. El aparato matemático que describe esta dependencia es la fórmula:

z=z_{0}+v_{0}t+{\frac {gt^{2}}{2}}.

Los valores - altura inicial, - velocidad inicial se conocen de antemano, respectivamente, midiendo la posición del cuerpo z y el tiempo t en varias posiciones, podemos componer un sistema de ecuaciones: $z_{0}$ $v_{0}$

\left\{{\begin{matriz}z_{1}=z_{0}+v_{0}t_{1}+{\frac {gt_{1}^{2}}{2}}\ \z_{2}=z_{0}+v_{0}t_{2}+{\frac {gt_{2}^{2}}{2}}\\z_{3}=z_{0}+v_ {0}t_{3}+{\frac {gt_{3}^{2}}{2}}\end{matriz}}\right.

Las mediciones de las coordenadas del cuerpo se llevan a cabo utilizando un telémetro láser y, para aumentar la precisión, se introduce una corrección para el retraso de tiempo en la determinación de las coordenadas debido a procesos físicos en el dispositivo.

Para aumentar aún más la precisión, pueden complicar el aparato matemático, teniendo en cuenta la falta de homogeneidad del propio campo gravitatorio (una carga que cae libremente cambia su altura absoluta, y a diferentes alturas hay diferentes valores normales de gravedad). Por lo tanto, en la práctica, la siguiente fórmula es común:

z_{i}=z_{0}+v_{0}t_{i}+{\frac {gt_{i}^{2}}{2}}+\gamma {\frac {v_{0} t_{i}^{3}}{6}}+\gamma {\frac {gt_{i}^{4}}{24}},

donde es el gradiente de gravedad vertical en el piquete actual.

\gama

De hecho, en los gravímetros del tipo GABL-E, durante una caída libre, las mediciones no se realizan tres veces, sino varios cientos de veces. Esto permite que los métodos estadísticos determinen el valor más probable de la gravedad. Para ello se aplica la siguiente fórmula:

g={\frac {2}{\Delta }}{\begin{vmatrix}N&\sum t_{i}&\sum S_{i}-{\frac {1}{6}}\gamma ( v_{0}t_{i}^{3}+{\frac {1}{4}}gt_{i}^{4})\\\suma t_{i}&\suma t_{i}^{2 }&\sum \left[{S_{i}-{\frac {1}{6}}\gamma (v_{0}t_{i}^{3}+{\frac {1}{4}}gt_ {i}^{4})}\right]t_{i}\\\sum t_{i}^{2}&\sum t_{i}^{3}&\sum \left[{S_{i} -{\frac {1}{6}}\gamma (v_{0}t_{i}^{3}+{\frac {1}{4}}gt_{i}^{4})}\right] t_{i}^{2}\end{vmatriz}},

donde N es el número de mediciones, y el valor está determinado por la expresión:

\Delta

\Delta ={\begin{vmatrix}N&\sum t_{i}&\sum t_{i}^{2}\\\sum t_{i}&\sum t_{i}^{2}& \sum t_{i}^{3}\\\sum t_{i}^{2}&\sum t_{i}^{3}&\sum t_{i}^{4}\end{vmatriz}} .

Visualmente, la parte principal del gravímetro es un tubo corto desde el cual se bombea aire. Un mecanismo especial de arriba hacia abajo arroja una bola de masa conocida por el tubo, y el mecanismo inferior (el llamado "faldón") atrapa la bola de abajo cuando sale volando del tubo. Luego, el mecanismo devuelve la pelota a la parte superior del tubo y la lanza nuevamente. Durante la caída, el rayo láser mide repetidamente las coordenadas de la bola en la tubería.

Gravímetro cuántico

Se ha creado un gravímetro cuántico con un volumen de 1 cm 3 y basado en el uso de un interferómetro de Mach-Zehnder [3] .

Medida de gravedad relativa

A diferencia de las mediciones absolutas, las mediciones relativas se caracterizan por un mayor rendimiento. Un mismo dispositivo se transfiere entre sitios preseleccionados a partir de supuestos de carácter más general y, comparando los resultados de las mediciones, se determina la configuración del campo gravitatorio en esta zona.

Gravímetros de péndulo para medidas relativas

Ejemplos de este diseño son los gravímetros Stuckart y el complejo Agat (TsNIIGAiK). Los instrumentos consisten en uno o más conjuntos de péndulos, en los que dos péndulos oscilan en oposición de fase. Los péndulos se colocan en un recipiente Dewar , que se mantiene a una temperatura constante.

La relación se mide:

{\frac {g_{a}}{g_{b}}}={\frac {T_{b}^{2}}{T_{a}^{2}}}.

La precisión de la medición puede llegar a 0,1 mGal .

Gravímetros basados en el sismógrafo Golitsyn

El diseño del instrumento se basa en un sismógrafo .

Este tipo de gravímetro es quizás el más común. A pesar de la aparente aspereza del diseño, son los gravímetros de cuarzo (el principal elemento sensible del sistema, el sismógrafo Golitsyn, está hecho de cuarzo) los que tienen la relación óptima entre accesibilidad y funcionalidad. En la mayoría de los casos, estos son dispositivos relativamente económicos de pequeño peso y dimensiones con buena precisión de medición. Tales, por ejemplo, son los populares gravímetros canadienses CG-5 y el GNU-K doméstico (GNU-KS, GNU-KV).

El prototipo de diseño fue desarrollado por el gran geofísico ruso B. B. Golitsyn .

Se basa en el marco del elemento sensible en forma de marco en forma de U invertida hecho de cuarzo. Un hilo de cuarzo retorcido en una doble hélice se estira entre los extremos superiores del marco. En el medio de la espiral, se inserta entre las vueltas un delgado balancín de cuarzo con un peso de platino en el extremo. La carga en el balancín equilibra la fuerza de desenrollar el filamento de cuarzo.

La medida de la gravedad en tal gravímetro es el ángulo de desviación del balancín de la posición durante la calibración del dispositivo. El ángulo se mide por el sistema óptico (visualmente), sin embargo, existen otros esquemas. Toda la estructura de cuarzo con peso de platino se coloca en un termostato.

Una rama separada de la evolución de los gravímetros de cuarzo son los gravímetros La Coste & Romberg de un dispositivo similar, pero la parte sensible de estos gravímetros no está hecha de cuarzo, sino de metal. La estabilidad del sistema también está garantizada por el control de temperatura del sensor.

Gravímetros inerciales

La determinación del vector de aceleración de la gravedad con la ayuda de un gravímetro inercial se basa en los resultados de las mediciones de los parámetros del sistema inercial en un transportador en movimiento (la mayoría de las veces en la flota). El sistema de inercia en sí consta de acelerómetros, giroscopios y otros dispositivos.

La teoría de la gravimetría inercial coincide completamente con la teoría de la navegación inercial , y la ecuación principal es:

m{\frac {d^{2}{\vec {r}}}{dt^{2}}}=m{\vec {g}}+{\vec {F}},

donde es el radio vector de la masa de prueba puntual

{\ vec {r))

metro,

m{\vec{g}}

es el vector de gravedad,

\vec{F}

- la fuerza del impacto del soporte sobre la masa de ensayo.

La navegación inercial es una ciencia bastante avanzada que se desarrolló en la década de 1930 y ha encontrado aplicación en muchas áreas. Por ejemplo, A. V. Til desarrolló un gravímetro marino de alta velocidad "Sten" con una suspensión magnética de un cuerpo inercial. Con su ayuda, se dio cuenta de la posibilidad de determinar las coordenadas de los submarinos solo por el campo gravitatorio de la Tierra. El dispositivo fue probado en 1982 e incluido en el sistema de navegación submarina Typhoon . En el curso de estas pruebas, Til también llevó a cabo un estudio de gravedad del Mar Blanco, donde se identificaron anomalías que son prometedoras para una mayor exploración de minerales.

Tal gravímetro consiste en tres acelerómetros ortogonales, cuya posición es monitoreada continuamente por giroscopios. Con la ayuda de los acelerómetros mencionados se obtienen tres componentes del vector fuerza que actúa sobre la masa de ensayo.

Gravímetros criogénicos

Una esfera superconductora se coloca sobre un anillo por el que circula una corriente eléctrica, creando un campo magnético externo que induce en la superficie de la esfera, cuyo campo magnético es opuesto al aplicado desde el exterior y empuja la esfera fuera del exterior. campo, por lo que la esfera flota (levita) sobre el anillo a una altura determinada por la gravedad. Medir esta altura te permite calcular la fuerza de la gravedad.

La falta de ventajas significativas, combinada con un alto costo, limita la prevalencia de tales dispositivos a muestras individuales.

Gravímetros de hilo

Los gravímetros de cuerda se basan en la dependencia de la frecuencia de resonancia de una cuerda de su tensión por una carga suspendida en la cuerda. Prácticamente no tienen inercia, tienen un peso y unas dimensiones reducidos, por lo que son adecuados para realizar mediciones de gravedad desde una aeronave. También se caracterizan por un desplazamiento cero muy pequeño, alta inmunidad al ruido y una directividad aguda del eje de sensibilidad. La idea de los gravímetros fue propuesta por los físicos Mandelstam y Papaleksi , pero se implementó y probó por primera vez en Inglaterra en un submarino en 1949. En la URSS, el primer gravímetro de cuerda fue desarrollado y probado en 1956 en un buque de superficie por A. M. Lozinskaya en VNIIGeophysics. La precisión fue de 1,2 mGal.

Técnicamente, un gravímetro es una pesa de cobre suspendida en un campo de imanes permanentes sobre una cuerda hecha de una aleación con un coeficiente de temperatura bajo. Estos imanes amortiguan las vibraciones en el plano transversal. La cuerda se coloca entre los polos de otro imán permanente y forma parte del circuito de retroalimentación positiva del generador. Cuando el generador excita la cuerda, surgen vibraciones mecánicas no amortiguadas con la frecuencia natural de la cuerda, la cual depende de la tensión por la gravedad de la carga, por lo tanto, el problema se reduce a medir la desviación de esta frecuencia con respecto a la de referencia. La ecuación de movimiento de una cuerda tiene la forma:

Mgd\alpha -S\sigma dz{\frac {\parcial ^{2}x}{\parcial t^{2))}=0,

donde M es el peso de la carga,

\sigma

- densidad,

\alfa

- un ángulo extremadamente pequeño entre los vectores de la fuerza de tensión y la gravedad.

La desventaja de los gravímetros de cuerda es su sensibilidad a las vibraciones.

Notas

↑ Gravimeter // Diccionario enciclopédico de Brockhaus y Efron : en 86 volúmenes (82 volúmenes y 4 adicionales). - San Petersburgo. , 1890-1907.
↑ Fedynsky V.V. Gravímetro soviético // Noticias de tecnología petrolera. 1947. Nº 85. S. 3-5.
↑ Abend S., Gebbe M., Gersemann M., Ahlers H., Müntinga H., Giese E., Gaaloul N., Schubert C., Lämmerzahl C., Ertmer W., Schleich W. P. y Rasel E. M. Phys. Rvdo. Letón. 117, 203003 — Publicado el 11 de noviembre de 2016 Gravímetro de fuente de chip atómico Archivado el 31 de mayo de 2019 en Wayback Machine .

Enlaces

Gravímetro // Gran enciclopedia soviética : [en 30 volúmenes] / cap. edición A. M. Projorov . - 3ra ed. - M. : Enciclopedia soviética, 1969-1978.
Catálogo Equipos gravimétricos

Véase también

exploración de la gravedad
Geofísica
GRACE es un proyecto internacional para estudiar el campo gravitatorio de la Tierra, que representa dos satélites idénticos que vuelan uno tras otro en la misma órbita a una distancia entre sí.

Literatura

Lozinskaya A. M., Fedynsky V. V. Gravímetro-altímetro // Geofísica aplicada. 1953. Edición. 10. S. 3-28.
Fedynsky VV Sobre el desarrollo de equipos para mediciones gravimétricas en movimiento // Izvestiya AN SSSR. Ser. geófisis 1959. Nº 1. S. 146-152.
Fedynsky VV A la cuestión de la clasificación de los trabajos gravimétricos y nueva instrucción técnica para la exploración gravimétrica // Exploración geofísica. 1962. Edición. 8. S. 51-56.
Gainanov A. G., Krasny L. I. Stroev P. A., Fedynsky V. V. et al. Nota explicativa del mapa gravimétrico del Océano Pacífico y el cinturón móvil del Pacífico. - L. : VSEGEI, 1979. - 60 p.
Vinogradov V. B. , Bolotnova L. A. Gravímetros. - Ekaterimburgo: Editorial de la USGU , 2010. - 67 p. - 200 copias.
Curso de prospección Mironov VS Gravity. - L. : Nedra, 1972. - 512 p.