Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
METHOD AND APPARATUS FOR REMOTE GRAVIMETRIC SOUNDING
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/028189
Kind Code:
A1
Abstract:
The method and apparatus for remote gravimetric sounding relate to the field of geophysics and are intended for determining a resulting radius-vector of gravitational acceleration gz, the three-dimensional characteristic gφ thereof and for determining a three-dimensional position of a density inhomogeneity characterized by an anomaly on the Earth's surface and on the surface of other planets. The method is an analogue of satellite gravimetric exploration of the Earth with differential characteristics associated with the position of the centre of rotation of a proof mass relative to an exploration target and with measurement principle characteristics. The method is realized by means of an apparatus comprising a zero-indicating sensor and a gradient sensor, which are mounted on a disc. The disc is arranged in a rotatable coordinate apparatus which provides for measuring the gravitational acceleration gz and the constituent parts thereof along directions gφ in 3D space. The production of a volumetric characteristic of a gravitational field in fractional units of gravitational acceleration, the remote sounding of the Earth's interior, a high degree of accuracy and an unlimited range of measurements are novel properties which extend the possibilities of gravimetry. The method and apparatus are expediently used in detailing gravimetric anomalies with defined qualitative parameters of exploration targets, in monitoring gas and oil deposits which are being developed, in determining the parameters of karst cavities and sites of volcanic activity, and in solving other geological-geophysical problems, and geodetic and metrological problems.

Inventors:
PETRENKO GENNADY ALEXEEVICH (RU)
Application Number:
RU2014/000954
Publication Date:
February 25, 2016
Filing Date:
December 17, 2014
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
PETRENKO GENNADY ALEXEEVICH (RU)
International Classes:
G01V7/00
Domestic Patent References:
WO1989011666A11989-11-30
Foreign References:
RU2504803C22014-01-20
US6658935B12003-12-09
RU89723U12009-12-10
GB2482085A2012-01-18
Attorney, Agent or Firm:
APARINA, Tatiana Victorovna (RU)
АПАРИНА, Татьяна Викторовна (RU)
Download PDF:
Claims:
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ дистанционного гравиметрического зондирования, заключающийся в том, что пространственное положение плотностной неоднородности в недрах, определяют посредством дополнении значения модуля ускорения свободного падения gz значением центростремительного ускорения ац - мерой сравнения и регистрации угловой скорости ω в интервале времени, в котором модули радиус-векторов gz и ац в верхней точке траектории равномерного вращения пробной массы равны и разнонаправлены, вычислении значения ускорения свободного падения gz = co2R (R=const) и определении значений составляющих gz по направлениям φ в виде радиус-векторов gv = gzcoscp± ац посредством измерения мгновенного значения электрического сигнала потенциал-датчика в условных единицах, получении потенциальной характеристики напряженности гравитационного поля на пункте наблюдения в плоскости вращения потенциал-датчика в виде полярного графика 360° - кардиоиды, и серия кардиоид по разным азимутам ориентации плоскости вращения с общим вектором gz, после вычитания значений меры сравнения ац, характеризует наблюденный ЗБ-годограф gq> - сферу, по результатам сопоставления которой со значениями «нормального годографа», рассчитанными по формуле g(p = gzcoscp, выявлении аномальной области на ЗО-годографе, охарактеризованной аномальными отклонениями ±Ag<p, отличающийся тем, что измеряют градиент кардиоиды по траектории вращения градиент- датчика, при этом градиент характеризуют в условных единицах относительной разности частоты между двумя потенциал-датчиками, формирующими градиент-датчик с выходными частотными сигналами fi и f2.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что за точку регистрации мгновенного значения градиента на траектории вращения принимают координаты точки на диске, равноудаленной от центров масс градиент-датчика и находящейся на траектории вращения центров пробных масс градиент- датчика.

3. Способ по п.1 , отличающийся тем, что относительную разность частоты измеряют посредством частотного компаратора, при этом частоту компаратора синхронизируют стандартным сигналом спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что график градиента характеризуют дискретными значениями относительной разности частоты в точках кардиоиды, равномерно распределенными по траектории вращения, дискретные значения точек графика градиента характеризуют средними значениями относительной разности частоты, которые вычисляют в пределах установленного интервала усреднения, при этом детальность графика градиента кардиоиды увеличивают, уменьшая интервал усреднения и увеличивая количество дискретных значений на траектории вращения градиент- датчика.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что рассчитывают две кардиоиды отдельно по каждому направлению вращения градиент-датчика, с началом вычисления от полюса кардиоиды «0» - последовательно суммируют дискретные значения градиента по каждому направлению вращения по замкнутому контуру (0 - 360°) с шагом суммирования равным шагу измерения градиента и вычисляют средние дискретные значения точек кардиоиды.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что контроль правильности расчета точек кардиоиды осуществляют по четырем точкам, расположенным через 90°: - в полюсе «0»; - двух точках, лежащих в уровенной плоскости, в которых значение модуля радиус-вектора представлено значением ац; - в нижней точке кардиоиды, лежащей на линии отвеса, где значение модуля радиус-вектора кардиоиды g<p равно удвоенному значению центростремительного ускорения (2ац = 2gz = gz + ац).

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют границы аномального интервала на кардиоиде gq>, «видимые» из точки наблюдения, расположенной в полюсе 0 - секторе, который характеризуют центральным углом и результирующим вектором аномального интервала г, лежащим на оси сектора, и аномальные интервалы кардиоиды, выявленные в нижней и верхней частях кардиоиды, проецируют на нормальный годограф g(p по радиус-векторам и суммируют модули аномальных приращений Agy.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что детализируют выявленную аномальную область на ЗО-годографе g<p, уточняют границы аномалии, направление и значение модуля результирующего вектора гр аномальной области посредством дополнительных измерений в пределах ее границ.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что пространственное положение результирующего вектора гр аномальной области на ЗО-годографе gq> характеризуют в сферических координатах (гр, θ, φ) с началом координат в центре вращения пробных масс градиент-датчика: углом Θ (между плоскостью с осью Ζ и вектором гр и меридианом точки наблюдения в северном направлении), и углом φ (между результирующим вектором гр и осью Ζ).

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют цену условной единицы измерения «к» посредством вычисления частного от деления значения gz, определенного в единицах ускорения свободного падения, на значение gz в условных единицах относительной разности частоты Δι"ι-2, которыми охарактеризован результирующий радиус-вектор gz.

И . Способ по п.1, отличающийся тем, что пересчитывают значения модулей аномальных приращений ±Ag , модуль результирующего вектора гр аномальной области ЗО-годографа g<p и его проекции на уро венную плоскость ХОУ - гх и ось Z - rz, измеренные в условных единицах, в дольные единицы ускорения свободного падения посредством умножения их модулей на коэффициент к.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют координаты центра масс плотностной неоднородности, охарактеризованной аномалией на земной поверхности, посредством нахождения координат точки пересечения линий с результирующими векторами гр, определенными на нескольких пунктах наблюдения, расположенных на разных расстояниях и с разных сторон относительно центра масс неоднородности.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют геометрические параметры плотностной неоднородности посредством проецирования аномальных областей ЗО-годографов g<p, полученных на разных пунктах наблюдения, в направлении центра масс, определяют пространственные границы и строят объемную идеализированную модель неоднородности.

14. Устройство для реализации способа дистанционного гравиметрического зондирования, содержащее потенциальный и ноль-индикаторный датчики, установленные на диске в координатном устройстве с возможность вращения диска в плоскостях, ориентированным по разным азимутам с общей координатной осью Z, с постоянной угловой скоростью со, постоянным радиусом вращения датчиков в прямом и обратном направлении, оснащенное секундомером, усилителем, компьютером, системой управления производством измерений, системой терморегуляции, отличающееся тем, что устройство оснащают дополнительным потенциал-датчиком, формирующим совместно с существующим потенциал-датчиком градиент-датчик, который характеризуют постоянным расстоянием L между центрами масс потенциал-датчиков.

15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что устройство оснащено, по крайней мере, двумя градиент-датчиками, охарактеризованными разными расстояния L между центрами масс градиент- датчика.

Description:
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДИСТАНЦИОННОГО ГРАВИМЕТРИЧЕСКОГО

ЗОНДИРОВАНИЯ

Область техники

Группа изобретений относится к области физики, в частности, к гравиметрии, и может быть использована при проведении геофизических исследований, результаты которых востребованы в астрономии, геодезии и геологии при проведении геофизических работ.

Предшествующий уровень техники

Из уровня техники известны различные способы дистанционного гравиметрического зондирования, например, динамический способ спутникового дистанционного гравиметрического зондирования Земли и других планет, описанный в источнике http://osmangravity.far.ru/osnovproekt.htm. Данный способ реализуют посредством измерения орбиты находящегося в невесомости центра масс спутника, перемещающегося в эквипотенциальной (далее - уровневой) поверхности. Траектория спутника за длительное время описывает поверхность близкую к сфере, геометрия которой связана с геометрией уровенной поверхности гравитационного потенциала на высоте движения спутника. Измеряют градиенты в разных вариантах на высоте движения спутника (например, используют систему спутник - спутник) и вычисляют потенциальную характеристику поля. Вычитая из полученной сферы значения нормального поля, рассчитанного для высоты движения спутника, получают аномалию ускорения свободного падения ±Agz, которую проецируют на поверхность геоида. Достигнутое разрешение спутниковой гравиметрии составляет 25 км и не может характеризовать объекты в недрах Земли меньших размеров, информация о которых востребована во многих областях науки и народного хозяйства.

Недостатком данного способа является невысокая точность и низкая информативность гравиметрических измерений.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявленному способу является способ измерения ускорения свободного падения gz и его составляющих по направлениям gcp на пункте наблюдения, расположенном на поверхности Земли, раскрытый в патенте RU 2504803, опубликованном 20.01.2014.

Данный способ заключается в том, что значение результирующего радиус-вектора ускорения gz, дополняют мерой сравнения - постоянным значением центростремительного ускорения а ц , и регистрируют угловую скорость вращения ω в интервале времени, в котором модули радиус-векторов g z и а ц в верхней точке траектории равномерного вращения пробной массы равны и разнонаправлены (g 2 - а ц = 0). По угловой скорости вращения со вычисляют значения ускорения свободного падения gz = а ц = co 2 R, при R = const. Способ динамический - единицей измерения является время (сек).

Одновременно регистрируют значения составляющих gz по направлениям gq> по траектории вращения гравиметрического датчика (далее потенциал-датчика), преобразующего силу, действующую на пробную массу датчика m(gip± а ц ), в частотный электрический сигнал. В результате получают потенциальную характеристику напряженности гравитационного поля в плоскости вращения датчика, охарактеризованную в условных единицах, в виде полярного графика 360° - кардиоиды g<p. Серия кардиоид по разным азимутам ориентации плоскости вращения после вычитания меры сравнения а ц , характеризует ЗО-годограф gcp - сферу, отображающую пространственное распределение гравитационного потенциала на пункте наблюдения с общим результирующим радиус- вектором g z . Сопоставляя наблюденный ЗБ-годограф g с «нормальным ЗБ-годографом g<p», представляющим правильную сферу, выявляют аномальные отклонения ±Dg v .

Недостатком способа является то, что измеряют значения модулей радиус-векторов относительно нулевого значения в полюсе, которые превышают значения выявляемых аномалий в 10 8 и более раз, что не может обеспечивать высокой точности измерений.

Из уровня техники известны различные устройства дистанционного гравиметрического зондирования, наиболее близким из которых по совокупности существенных признаков к заявленному изобретению является устройство измерения ускорения свободного падения g z , раскрытое в патенте RU 2504803, опубликованном 20.01.2014, оснащенное гравиметрическим датчиком, содержащим пробную массу ш, первичный преобразователь, регистратор его деформации, усилителем, цифровым преобразователем, компьютером и работающее в автоматическом режиме, при этом гравиметрический датчик, содержащий электромеханический преобразователь, расположен на диске с осью.

Недостатком данного устройства является невысокая точность и низкая информативность гравиметрических измерений.

Раскрытие группы изобретений

Задачей, на решение которой направлена заявленная группа изобретений, является разработка способа и усовершенствование устройства, повышающего точность и информативность гравиметрических измерений на земной поверхности и поверхности других планет.

Технический результат, достигаемый при реализации группы заявленных изобретений, заключается в проведении дистанционного гравиметрического зондирования земных недр (и других планет) с получением пространственной характеристики плотностной неоднородности. При аттестованном значении R способ позволяет проводить измерения gz в абсолютных единицах. Способ не имеет ограничений по диапазону измеряемых значений ускорения свободного падения и обеспечивает высокую точность. Получение объемной характеристики гравитационного поля в дольных единицах ускорения свободного падения, зондирование земных недр, высокая точность и неограниченный диапазон измерений являются новыми свойствами, расширяющими возможности гравиметрии. Способ и устройство целесообразно использовать при детализации гравиметрических аномалий, мониторинге отрабатываемых газовых и нефтяных месторождений, мониторинге очагов вулканической деятельности, исследовании карстовых пустот и решении других геолого-геофизических задач, а также задач метрологии и геодезии.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе дистанционного гравиметрического зондирования пространственное положение плотностной неоднородности в недрах определяют посредством дополнении значения модуля ускорения свободного падения gz значением центростремительного ускорения а ц - мерой сравнения и регистрации угловой скорости ω в интервале времени, в котором модули радиус-векторов g z и а ц в верхней точке траектории равномерного вращения пробной массы равны и разнонаправлены, вычислении значения ускорения свободного падения gz = co 2 R (R=const) и определении значений составляющих g z по направлениям φ в виде радиус- векторов g(p = g z cos<p± а ц посредством измерения мгновенного значения электрического сигнала потенциал-датчика в условных единицах, получении потенциальной характеристики напряженности гравитационного поля на пункте наблюдения в плоскости вращения потенциал- датчика в виде полярного графика 360° - кардиоиды, и серия кардиоид по разным азимутам ориентации плоскости вращения с общим вектором g z , после вычитания значений меры сравнения а ц , характеризует наблюденный ЗБ-годограф g<p - сферу, по результатам сопоставления которой со значениями «нормального годографа», рассчитанными по формуле g(p = g z cos(p, выявлении аномальной области на ЗО-годографе, охарактеризованной аномальными отклонениями ±Agq>, отличающийся тем, что измеряют градиент кардиоиды по траектории вращения градиент-датчика, при этом градиент характеризуют в условных единицах относительной разности частоты между двумя потенциал-датчиками, формирующими градиент-датчик с выходными частотными сигналами fi и f 2 .

За точку регистрации мгновенного значения градиента на траектории вращения принимают координаты точки на диске, равноудаленной от центров масс градиент- датчика и находящейся на траектории вращения центров пробных масс градиент- датчика.

Относительную разность частоты измеряют посредством частотного компаратора, при этом частоту компаратора синхронизируют стандартным сигналом спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS.

График градиента характеризуют дискретными значениями относительной разности частоты в точках кардиоиды, равномерно распределенными по траектории вращения, дискретные значения точек графика градиента характеризуют средними значениями относительной разности частоты, которые вычисляют в пределах установленного интервала усреднения, при этом детальность графика градиента кардиоиды увеличивают, уменьшая интервал усреднения и увеличивая количество дискретных значений на траектории вращения градиент- датчика.

При определении кардиоиды рассчитывают две кардиоиды отдельно по каждому направлению вращения градиент- датчика, с началом вычисления от полюса кардиоиды «0» - последовательно суммируют дискретные значения градиента по каждому направлению вращения по замкнутому контуру (0 - 360°) с шагом суммирования равным шагу измерения градиента и вычисляют средние дискретные значения точек кардиоиды.

Контроль правильности расчета точек кардиоиды осуществляют по четырем точкам, расположенным через 90°: - в полюсе «0»; - двух точках, лежащих в уровенной плоскости, в которых значение модуля радиус-вектора представлено значением а ц ; - в нижней точке кардиоиды, лежащей на линии отвеса, где значение модуля радиус-вектора кардиоиды g < p равно удвоенному значению центростремительного ускорения (2а ц = 2g z = g z + а ц ).

Границы аномального интервала определяют на кардиоиде gcp, «видимые» из точки наблюдения, расположенной в полюсе 0 - секторе, который характеризуют центральным углом и результирующим вектором аномального интервала г, лежащим на оси сектора, и аномальные интервалы кардиоиды, выявленные в нижней и верхней частях кардиоиды, проецируют на нормальный годограф g<p по радиус-векторам и суммируют модули аномальных приращений Agq,. Выявленную аномальную область детализируют на ЗО-годографе g q> , уточняют границы аномалии, направление и значение модуля результирующего вектора г р аномальной области посредством дополнительных измерений в пределах ее границ.

Пространственное положение результирующего вектора г р аномальной области на ЗО-годографе g v характеризуют в сферических координатах (g < p, θ, φ) с началом координат в центре вращения пробных масс градиент-датчика: углом Θ (между плоскостью с осью Ζ и вектором г р и меридианом точки наблюдения в северном направлении), и углом φ (между результирующим вектором г р и осью Ζ).

Цену условной единицы измерения «к» определяют посредством вычисления частного от деления значения g z , определенного в единицах ускорения свободного падения, на значение gz в условных единицах относительной разности частоты Δφ1-2, которыми охарактеризован результирующий радиус-вектор g z .

Значения модулей аномальных приращений ± g<p, модуль результирующего вектора г р аномальной области ЗО-годографа gq > и его проекции на уровенную плоскость ХОУ - г х и ось Z - r z , измеренные в условных единицах, пересчитывают в дольные единицы ускорения свободного падения посредством умножения их модулей на коэффициент к.

Координаты центра масс плотностной неоднородности, охарактеризованной аномалией на земной поверхности, определяют посредством нахождения координат точки пересечения линий с результирующими векторами г р , определенными на нескольких пунктах наблюдения, расположенных на разных расстояниях и с разных сторон относительно центра масс неоднородности.

Геометрические параметры плотностной неоднородности определяют посредством проецирования аномальных областей ЗО-годографов gq,, полученных на разных пунктах наблюдения, в направлении центра масс, определяют пространственные границы и строят объемную идеализированную модель неоднородности.

Указанный технический результат достигается также за счет того, что устройство для реализации способа дистанционного гравиметрического зондирования содержит потенциальный и ноль-индикаторный датчики, установленные на диске в координатном устройстве с возможность вращения диска в плоскостях, ориентированным по разным азимутам с общей координатной осью Z, с постоянной угловой скоростью ω, постоянным радиусом вращения датчиков в прямом и обратном направлении, устройство оснащено секундомером, усилителем, компьютером, системой управления производством измерений, системой терморегуляции, отличающееся тем, что устройство оснащают дополнительным потенциал-датчиком, формирующим совместно с существующим потенциал- датчиком градиент- датчик, который характеризуют постоянным расстоянием L между центрами масс потенциал- датчиков.

Устройство оснащено, по крайней мере, двумя градиент-датчиками, охарактеризованными разными расстояния L между центрами масс градиент- датчика.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 приведено схематическое изображение устройства;

на фиг.2 - схематическое изображение градиент-датчика, где 5 и 6 - пробные массы mi и гщ градиент- датчика соответственно, 7 и 8 - пьезоэлектрические преобразователи, 10 - ось симметрии градиент- датчика;

на фиг.З представлена кардиоида 18 (0-360°) и годограф g(p по направлениям 33 (0 - 180°) с палеткой 28 для построения графика кардиоиды. Точка 0 является общим полюсом для кардиоиды 18 и годографа 33. Окружность 32 - окружность радиусной симметрии палетки 28. Внешняя окружность палетки 28 - условная траектория вращения градиент- датчика. L - «плечо» градиент датчика равное 15°. Интервалы а - b и ai - bi - аномальные интервалы кардиоиды 18;

на фиг.4 приведены нормальные кривые градиента кардиоиды 18, построенные для правого 20 и левого 22 направлений вращения градиент-датчика. Аномальные интервалы а-Ь и ai-bi на графике 19 построены для правого вращения 20 градиент- датчика. Т сек - измеренное время полного оборота градиент датчика 360°. 23, 24, 25, 26 и абсцисса 27 - оси симметрии графиков градиента;

на фиг.5 приведена 1 А кардиоиды 18 и годографа 33 в масштабе 2: 1 с выделенными фрагментами 34, 35 с обозначением границ аномальных интервалов а - b и а - Ь\. Здесь и далее масштаб приведен относительно масштаба на фиг.З. 36 - ось аномального интервала; на фиг.6 приведен фрагмент 34 с аномальным интервалом а - Ь кардиоиды 18 в нижнем полупространстве в масштабе 5: 1 ;

на фиг.7 приведен фрагмент 35 кардиоиды в верхнем полупространстве с аномальным интервалом ai - bi в масштабе 10: 1 ;

на фиг.8 приведен фрагмент годографа с аномальным интервалом А - В, представленном значениями 2 g v в виде суммы значений верхнего и нижнего аномальных интервалов кардиоиды;

на фиг.9 приведен пример определения местоположения и геометрических параметров избыточной плотностной неоднородности в земных недрах, где: pi - плотность неоднородности в недрах сформировавшая аномалию на поверхности; р 2 - средняя плотность вмещающих пород; ПК - пункт наблюдения; r p i и г р2 - результирующие векторы аномальных областей ЗО-годографов, определенные на пунктах наблюдения ПК-1 и ПК-2 соответственно; r x i и г > - горизонтальные составляющие результирующего вектора аномальной области; τ ζ \ и ΓΖ2 - вертикальные составляющие;

на фиг.10 приведен макет ЗБ-кардиоиды gq, с ЗЭ-годографом. ЗЭ-кардиоида - потенциальная поверхность, представленная значениями радиус-векторов g < p ± а ц .

на фиг.1 1 приведен макет ЗЭ-годографа g < p с аномальной областью, охарактеризованной результирующим вектором г р , 40 - ось аномальной области 3D- годографа gq > .

Предпочтительный вариант осуществления группы изобретений

Устройство на фиг.1 дистанционного гравиметрического зондирования содержит два идентичных потенциал- датчика 2 и 3, формирующих градиент- датчик на фиг.2, установленный на диске 4. Термин «потенциал- датчик» введен для обозначения способа измерения, обеспечивающего проведение измерений относительно нулевого значения в полюсе «0» кардиоиды, общего с годографом gq > . Градиент- датчик содержит две пробные массы 5 (mi) и 6 (т 2 ), закрепленные на пьезоэлектрических преобразователях 7 и 8, которые установлены на диске 4 без возможности перемещения, на расстоянии L между центрами пробных масс. На диске 4 фиг.2 точкой привязки значения градиента является точка 9, расположенная на оси симметрии 10 градиент- датчика, равноудаленная от центра вращения пробных масс 5(im) и 6(т 2 ), и расположенная на траектории вращения пробных масс градиент-датчика. Градиент-датчик установлен на диске 4 с таким расчетом, чтобы переменная сила F = m(g(p± а ц ), действовала на каждую пробную массу датчиков 5 и 6 по их радиусам Ri и R 2 . На диске 4 также установлен ноль-индикаторный датчик 11, например, акселерометр с независимым регистрирующим каналом. В качестве ноль-индикаторного датчика может быть использован один из каналов потенциал- датчика 2 или 3, входящего в состав градиент- датчика. Диск 4 посредством оси 12 установлен в координационном устройстве 13 с возможностью вращения. Устройство 1 оснащено приводом принудительного вращения 14, обеспечивающем вращение диска 4 с заданной постоянной угловой скоростью ω в прямом и обратном направлениях. Координатное устройство 13 выполнено с возможностью поворота диска на осях 15 и 16 (ось 16 не показана).

Способ дистанционного гравиметрического зондирования реализуют следующим образом. Устройство 1 устанавливают на пункте наблюдения и плоскость диска 4 размещают в уровенной поверхности 17 - ХОУ на фиг.1, 3, 5, 7-1 1. При остановленном диске измерительные каналы устройства регистрируют собственную частоту пьезоэлектрических преобразователей f 0 потенциал-датчиков 2 и 3. Проводят контроль метрологических параметров измерительных каналов устройства. Измерения выполняют в условных единицах мгновенных значений разности частоты Afa > , где Δί ω - измеренная относительная разность частоты между значением выходных сигналов градиент- датчиков. Диск 4 приводят во вращение и, ступенчато изменяя скорость вращения, устанавливают зависимость частотного электрического сигнала (условной единицы измерения) градиент- датчика от угловой скорости ω в диапазоне рабочего интервала угловой скорости вращения, равного 2а ц . Собственную частоту компаратора fk синхронизируют стандартным сигналом спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS. Измерения выполняют в прямом и обратном направлении вращения диска 4 и вычисляют средние дискретные значения на выбранных режимах угловой скорости вращения. По результатам измерений строят градуировочные графики (не показаны), определяют их линейность в диапазоне рабочих угловых скоростей вращения диска устройства и погрешности. При выявлении остаточного дисбаланса его значение учитывают при обработке результатов измерений. Все измерения проводят в автоматическом режиме.

Далее диск 4 фиг.1 устанавливают в плоскость с линией отвеса и приводят во вращение. Определяют потенциальную характеристику гравитационного поля в составе ускорения свободного падения gz и его составляющих по направлениям g v в плоскости вращения диска 4. Измерения g z проводят в интервале времени, в котором показания измерительного канала ноль-индикаторного датчика 11 на фиг.1 , находящегося в верхней точке траектории, равны собственной частоте пьезоэлектрического преобразователя (g z - a u = 0). Что соответствует равенству ускорения свободного падения gz центростремительному ускорению а ц . Измерения выполняют в сферических координатах (g v , θ, φ) с началом координат в центре вращения пробных масс датчиков, с координатной осью Ζ, совпадающей с линией отвеса, и осью X, направленной в северном направлении по меридиану точки наблюдения.

При определении gz вычисляют среднее время Т полного оборота ноль- индикаторного датчика в прямом и обратном направлении равномерного вращения диска в каждую сторону вращения. Число оборотов должно быть не менее двух. Рассчитывают значение угловой скорости ω = 2π/Τ, по которой определяют значение центростремительного ускорения а ц = g z = co 2 R см » с "2 , где R см = const - радиус вращения ноль-индикаторного датчика. За единицу ускорения свободного падения g z в гравиметрии 9 принят миллигал (мГал), равный 10 "5 см » с "2 и его дольные единицы. Например, время полного оборота Т сек ноль-индикаторного датчика с радиусом вращения 20 см при определении g z на полюсе, где значение g z = 983200 мГал, Т составит 0,898515221 сек (вычислено по формуле: Т = 2π/ω = 27i/Vgz/R). На экваторе gz равно 978000 мГал, Т = 0,896136014 с. Таким образом, диапазон времени при измерениях на земной поверхности, составляет 2 379 207 наносекунд (898 515 221 - 896 136 014). Диапазон значений gz на поверхности Земли составляет 983200 - 978000 = 5200 мГал. Разделив диапазон g z на диапазон измеряемого времени полного оборота Т, определяют точность измерений. Например, измерение времени с точностью 1 не (Ы0 "9 сек) обеспечивает измерение g z с точностью около 2,2 нГал. Современные средства измерения времени и частоты обеспечивают точность измерения времени и частоты более 10 "12 , что уверенно перекрывает наносекундный диапазон. Таким образом, способ позволяет повысить точность измерений на несколько порядков и определять значения ускорения свободного падения gz и его составляющих по направлениям gcp с требуемой точностью. Определение значения модуля результирующего вектора g z выполняют относительно опорных гравиметрических пунктов с известными значениями g z , а при аттестованном значении R в абсолютных единицах.

Одновременно с определением g z измеряют градиент кардиоиды 18 (фиг.З и фиг.5- 7,10) по траектории вращения градиент- датчика в условных единицах относительной разности частоты, с выходными частотными сигналами пьезодатчиков fi и f 2 . При этом измерительные каналы устройства регистрируют непрерывный поток высокочастотного цифрового сигнала. Каждый интервал кардиоиды 18, лежащий в пределах одного градуса, характеризуют многими сотнями мгновенных значений, при достаточной характеристике 1-2 значения. Поэтому график градиента характеризуют дискретными значениями относительной разности частоты в точках кардиоиды, равномерно распределенными по траектории вращения в пределах установленного интервала усреднения. Точкой зарегистрированного дискретного значения градиента кардиоиды 18 являются координаты φ в плоскости вращения Θ. На фиг.4 приведены построенные графическим способом график градиента кардиоиды 19 при правом вращении 20, и график градиента 21 при левом вращении 22. В приведенном примере расстояние L между пробными массами (плечо) градиент- датчика составляет 15° с шагом между точками графика 15°. Значение L выбрано из соображений наглядности графиков. Графики 19 и 21, за исключением аномальных интервалов а - b и ai - bi, представляют «нормальный градиент» кардиоиды 18 и имеют выраженные особенности, в том числе: - графики градиента в прямом 19 и обратном 21 направлениях вращения, состоят из подобных друг другу 8-ми модульных интервалов по 90° с осями симметрии 23, 24, 25, 26 и абсциссы 27, а также 4 модульных интервалов по 180° и абсциссы 27;

- точки графика 0 и 12 лежат на линии отвеса с результирующим вектором g z . Градиент в точках 0 и 12 (φ = 0 и 180°) равен 0 и не определяется.

Графики градиентов 19 и 21 кардиоиды 18 построены с помощью палетки 28 на фиг.З. Палетка 28 построена следующим образом. Через точки расчетной кардиоиды 18, соответствующие концам радиус-векторов gcp- g z coscp ± а ц (точки кардиоиды 1, 2 ... 23 на фиг.З), проведены эквипотенциальные окружности 29 с центром в полюсе «0» кардиоиды 18. Между окружностями 29 проведены обозначенные тонкими линиями окружности 30, которые определяют геометрическое место привязки значений градиента. Расстояние между окружностями 29 соответствует приращению потенциала (градиенту) по радиусу палетки. Например, длина отрезка с - d на фиг.З равна разности потенциалов (градиенту) между концами радиус-векторов 15 и 16 кардиоиды с точкой привязки значения градиента в точке 31. В описанном примере расстояние по окружности между точками кардиоиды составляет 15°. Внешняя окружность палетки 28 с угловыми значениями соответствует условной траектории градиент-датчика с центром вращения в полюсе кардиоиды «0». Особенностью палетки является наличие окружности «радиусной» симметрии 32 с точками 6 и 18, принадлежащими уровенной поверхности, охарактеризованными значениями а ц = gz кардиоиды, и результирующим радиус-вектором g z годографа 33 - точка годографа 12'. Программа компьютерной обработки материалов измерений содержит алгоритм палетки.

Детальность графика градиента кардиоиды увеличивают, уменьшая размеры интервала усреднения, и увеличивая количество дискретных значений, характеризующих кардиоиду. Например, аномальные интервалы а - b и ai - bi кардиоиды на фиг.З, 4 и 5 охарактеризованы девятью дискретными значениями, включая точки границ аномального интервала.

По графикам градиентов 19 и 21 с использованием палетки 28 строят график потенциальной характеристики поля на пикете наблюдения - кардиоиду 18. Вычисление кардиоиды выполняют отдельно по каждому направлению вращения градиент-датчика. Последовательно суммируют дискретные значения градиента от полюса «0» по замкнутому контуру с шагом суммирования равным шагу измерения градиента. Контроль правильности вычисления кардиоиды осуществляют по четырем точкам, расположенным на кардиоиде через 90° на фиг.З. В том числе: - в полюсе кардиоиды «0»; - в точках 6 и 18, лежащих в уровенной плоскости, в которых значение модулей радиус-векторов представлено значением а ц ; - в нижней точке кардиоиды, лежащей на линии отвеса, где значение модуля радиус-вектора кардиоиды равно удвоенному значению центростремительного ускорения (2а ц = 2g z = g z + а ц ). Контроль построения кардиоиды позволяет вычислять и учитывать поправки за систематические погрешности, возникающие при измерениях и расчетах. По полученным кардиоидам в прямом и обратном направлении вращения, вычисляют средние дискретные значения, характеризующие точки измеренной кардиоиды 18.

Каждое направление φ кардиоиды 18, охарактеризовано двумя разнонаправленными радиус-векторами (g v + а ц ) + (gq - а ц ), лежащими на одной прямой с общим полюсом «0». Суммарное значение модулей указанных радиус-векторов равно 2g z = 2а ц - g z + а ц , куда входят и аномальные приращения g v . На фиг.5 приведены графики 1 А кардиоиды 18 с годографом 33 в масштабе 2: 1 с заштрихованными аномальными интервалами, обозначенными как фрагменты 34 и 35. За единицу относительного масштаба принят масштаб на фиг.З. Способ описан на примере определения локальной сферической неоднородности с избыточной плотностью п относительно плотности вмещающих пород г 2 . В нижней части кардиоиды 18 аномальный интервал а - b выделен в виде фрагмента 34 и сформирован суммой модулей радиус-векторов gq, + а ц + Ag v . На фиг.6 фрагмент 34 приведен в масштабе 5: 1. В верхней части кардиоиды аномальный интервал ai - bi охарактеризован разностью g<p - а ц - Ag < p, формирует «мнимый» аномальный интервал, обозначенный как фрагмент 35. Интервал ai - bi зеркально перевернут в полюсе «0» относительно интервала а - b на фрагменте 34. Полюс играет роль фокуса, переворачивающего изображение. Если не учитывать влияния вертикального градиента, измеренные значения Ag v в верхнем и нижнем интервалах графика кардиоиды равны и имеют один и тот же знак. Например, точки графика градиента 19 на фиг.4 с аномальными интервалами а - b и ai - bi, охарактеризованы одинаковыми значениями Ag<p. Поскольку аномальными интервалами а - b и ai - bi характеризуют одну и ту же неоднородность, объединяют их значения. Объединение выполняют посредством проецирования аномальных приращений радиус-векторов Ag 9 по их направлению на нормальный годограф и суммирования их модулей. В результате получают аномальный интервал А - В на годографе 33 (фиг.8), охарактеризованный значениями 2Ag<p. Описанный прием увеличивает в два раза рельефность аномального интервала и, соответственно, повышает качество измерений. Границы локального аномального интервала г на годографе g 9 лежат в пределах сектора, ограниченного лучами А и В, с вершиной в центре вращения градиент- датчика - полюсе 0. Аномальный интервал на годографе характеризуют центральным углом и осью аномального интервала 36. Аномальные приращения, связанные с влиянием планет, имеют отрицательные приращения - Agc . Тот же эффект получают от плотностной неоднородности с меньшей плотностью pi относительно средней плотности вмещающих пород г 2 . Интервалы а - b и ai - bi характеризуют осью 36 аномального интервала с углом φ и центральным углом. На фиг.5 - угол φ = 26°, и центральный угол - 29°

Определяют «цену» условной единицы «к», которую вычисляют посредством нахождения частного от деления значения результирующего радиус-вектора g z в единицах ускорения на значение радиус-вектора g z в условных единицах разности частоты Af, например, наногал/усл. ед. Пересчитывают значения модулей аномальных приращений ±Ag<p ЗЭ-годографа gq>, модуля результирующего вектора аномальной области г р , его проекции на уровенную плоскость ХОУ и ось Z в дольные единицы ускорения свободного падения посредством умножения их модулей на коэффициент к.

На схематических разрезах, выполненных в масштабе, определяют координаты центра масс неоднородности в земных недрах на фиг.9 посредством определения точки 40 пересечения осевых линий 41 с результирующими векторами аномальных областей г р , определенных на нескольких пунктах наблюдения. Например, пункты наблюдения ПК-1 и ПК-2 на фиг.9 расположены с разных сторон относительно центра масс неоднородности с избыточной плотностью Γι в земных недрах со средней плотностью вмещающих пород г 2 . Аналогично определяют геометрические контуры плотностной неоднородности 42. Продлевают линии (лучи А и В), которыми ограничены аномальные области на 3D- годографах g<p, определенные на нескольких пунктах наблюдения и определяют контуры плотностной неоднородности в недрах. Строят пространственную идеализированную модель неоднородности, сформировавшую аномалию. Характерные сечения неоднородности 42 в недрах земли, результирующие векторы и его проекции отображают на карте и разрезах с геологической информацией в принятом масштабе.

На фиг.10 и фиг.1 1 приведены характеристики поля на земной поверхности в виде графических моделей в присутствии локальной плотностной неоднородности в недрах. По результатам измерения серии кардиоид 18 в разных азимутах вращения с общим вектором g z получают ЗО-кардиоиду 37 на фиг.10. Поверхность ЗО-кардиоиды 37 характеризует потенциальную поверхность напряженности поля на пункте наблюдения в условиях измерений с использованием меры сравнения - центростремительного ускорения а ц . Вычитают из ЗО-кардиоиды постоянное значение меры сравнения а ц и получают 3D- годограф gq> на фиг.1 1 с аномальной областью 39. ЗЭ-годограф gip характеризует потенциальную поверхность напряженности поля в виде сферы 38 на пункте наблюдения с результирующим радиус-вектором g z . По аномальным интервалам, лежащим в пределах аномальной области 39, определяют результирующий вектор аномальной области г р , вертикальную r z и горизонтальную г х составляющие - показано на фиг.9.