Материал: гравіметрія 1 розділ (2)

Вступ історія розвитку гpabimetpiї. Гравіметричні роботи в україні

Гравіметрія -наука , яка вивчаєгравітаційне поле Землі з метою його використання для визначення фігури Землі та її внутрішньої будови і для вивчення геологічної будови верхньої частини земної кори та її мантії . Гравітаційне поле Землі характеризується значеннями прискорення сили ваги або її похідних на земній поверхні. В залежності від того , які задачі необхідно розв'язувати , вивчають стаціонарний розподіл гравітаційного поля в просторі або варіації гравітаційного поля в часі . Термін гравіметрія " ( латинське - gravitas- важкий , грецьке - μετρεω- вимірюю ) дослівно перекладається " вимірюю вагу " . Але це дуже вузьке розуміння цього слова . Сьогодні в поняття " Гравіметрія " вкладається більш широкий зміст. Це перш за все питання наукового і практичного застосування гравіметричних вимірювань в багатьох галузях науки і техніки .

Так , наприклад , в геодезії, гравіметричні дані необхідні для точного і детального вивчення фігури Землі в цілому і окремих її ділянок , при визначенні висот пунктів, обчисленнях складових астрономо - геодезичних відхилень прямовисних ліній редукуванню результатів вимірювань з фізичної поверхні Землі на референц–еліпсоїд.

B геології необхідні для вивчення геологічної будови земної кори і є основним методом розвідувальної геофізики при регіональних дослідженнях , відіграють важливу роль при пошуках і розвідуванні корисних копалин . Особливо велике значення має метод гравіметричної розвідки при пошуках родовищ нафти , газу, хромітів , залізних руд та інших.

B геофізиці гравіметричні дані використовують для вивчення внутрішньої будови Землі, а саме розподілу густин різних шарів Землі . Спостерігаючи варіації елементів гравітаційного поля в часі , можна вивчати пружні властивості і будову Землі.

Астрономія використовує результати гравіметричних вимірювань на земній поверхні для більш точного визначення маси Землі та інших небесних тіл і уточнення законів їх руху у Всесвіті.

Точні значення прискорення сили ваги необхідні метрології при встановленні фізичних величин ( сила , тиск , сила струму тощо ) .

З розвитком космічних досліджень гравіметричні дані відіграють важливу роль врозрахунках точних орбіт , траєкторій ракет і космічних літальних апаратів. Ретельний аналіз зміни елементів орбіт штучних супутників Землі дозволяє вивчати гравітаційне поле Землі.

Дані гравіметрії використовують також у розрахунках технічної механіки і для цілей автономної навігації.

Все це говорить про необхідність вивчення гравіметрії при підготовці фахівців в різних спеціальностях середніх і вищих навчальних закладах.

Поняття про прискорення сили ваги було введено0італійським вченим Галілео Галілеєм , який вперше виміряв цю величину при дослідженнях вільного падіння тіл ( 1590 рік ) . Подальший розвиток експериментального вивчення прискорення сили ваги пов'язаний з іменем голландського фізика і математика Х Гюйгенса , який дав повну теорію коливань фізичного маятника і вперше ( 1673 рік ) запропонував визначати прискорення сили ваги за вимірюванням періоду коливань маятника і його довжини. Ці перші вимірювання виконувались з метою визначення числового значення цієї фізичної сталої ( прискорення сили ваги ) , тобто в тої час вважали , що прискорення сили ваги всюди однакове на земній поверхні. В 1672 році французький астроном Ж. Ріше виявив, що довжина секундного маятника в Кайєні ( Південна Америка ) коротша на 0.283 см , ніж в Парижі. Він прийшов до висновку , що довжина секундного маятника змінюється з географічною широтою.Аналогічні зміни довжини секундного маятника спостерігав англійський астроном Е. Галлей в 1676 році на острові Святої Єлени. Тому другу половину ( 70 - і роки ) XVII століття можна вважати як початок зародження гравіметрії -науки про вивчення зміни і розподілу прискорення сили ваги на земній поверхні.

Теоретичне обгрунтування зміни прискорення сили ваги на поверхні Землі зробив в 1686 році відомий англійський вчений І. Ньютон , якого можна вважати одним із засновниківгравіметрії. Він сформулював основні принципи механіки, відкрив закон всесвітнього тяжіння і пояснив причину зменшення прискорення сили ваги від полюсів до екватора. I. Ньютон одержав залежність прискорення сили ваги від географічної широти, використовуючи геодезичні вимірювання Пікара і, таким чином , підтвердив результати спостережень Ріше, Галлея та інших вчених . Тільки через 50 років французький математик і астроном А. Клеро ( 1743 р . ) встановив строгу математичну залежність прискорення сили ваги від широтипункта спостереження і довів теорему про можливість визначення стиснення фігури Землі за гравіметричними спостереженнями. Після досліджень А. Клерогравіметрія одержала можливість самостійно вивчати фігуру Землі і тому виникла потреба визначення прискорення сили ваги у великій кількості і в різних пунктах земної поверхні .

Теоретичною основою гравіметрії були наукові праці таких відомих вчених , як К. Маклорен, П. Лаплас, А. Лежандр, С. Пуассон , К. Гаусс, Д Стокс , Д. Грін, які створили теорію потенціалу фізичного поля. Так , в 1849 році Стокс довів теорему , яка дозволяє визначати фігуру Землі тільки за гравіметричними спостереженнями , не використовуючи ніяких гіпотез щодо її внутрішньої будови . Ф. Гельмерт ( 1887 рік ) вивів формулу нормального розподілу прискорення сили ваги на земній поверхні на основі узагальнення і критичного аналізу всіх відомих на той час гравіметричних вимірювань . Ф. Слудський ( 1888 рік ) вперше дав строгу теорію визначення фігури Землі за гравіметричними і астрономо - геодезичними вимірюваннями. В 50 - х роках XVIII століття М. Ломоносов запропонував прилади для вимірювання і реєстрації періодичних добових змін прискорення сили ваги.

Маятник був першим приладом , який використовувався для точного вимірювання прискорення сили ваги. В 1818 році англійським фізиком Х. Кетером був сконструйований обертальний маятник незмінної довжини , з допомогою якого він виконав перші точні абсолютні вимірювання прискорення сили ваги. Обертальні маятники Кетера широко використовувались різними вченими і мандрівниками для визначення прискорення сили ваги в різних пунктах земної кулі . Дуже ретельно визначив абсолютне значення прискорення сили ваги німецький геодезист Ф. Бессель в Кенігсбергу ( 1825-1826 рр . ) за спостереженнями ниткового маятника. Він сконструював прилад , який складався із двох маятників різної довжини , але його громіздкість не давала можливості використання в експедиційних умовах, обертальні і ниткові маятники відіграли дуже важливу роль в абсолютних визначеннях прискорення сили ваги , але з їх допомогою добитися високої точності вимірювання практично було неможливо.

З початку XIX століття для визначення прискорення сили ваги в експедиційних умовах в різних країнах світу почали застосовувати метод відносного визначення прискорення сили ваги . Для застосування методу відносних визначень сили ваги необхідно мати хоча б один пункт на поверхні Землі , в якому виконані з достатньою точністю абсолютні вимірювання . Для цього був вибраний пункт Потсдам , в якому Ф. Кюненом і Ф.Фуртвенглером в 1898-1904 роках були виконані ретельні спостереження із п'ятьма обертальними маятниками .

Австрійський військовий геодезист Р. Штернек виготовив і в 1881 році вперше описав новий маятниковий прилад для відносних визначень прискорення сили ваги, з допомогою якого було виконано біля 500 спостережень на пунктах територій Австрії, Німеччини, Угорщини і в обсерваторіях багатьох міст Європи.

В 90 - х роках ХХ століття берлінський механік Штюкрат запропонував для приладу Штернека новий пристрій маятникового штативу , на якому можна було встановити три маятники , і впевнено визначати поправку за співхитання штативу.

В кінці 20 - х років ХХ століття голландський вчений Венінг - Мейнес запропонував метод визначення прискорення сили ваги на морі і перший маятниковий прилад.Ідея одночасного коливання двох маятників за методом Венінга-Мейнеса послужила основою для удосконалення взагалі усіх маятникових приладів. Ним виконано біля 1000 визначень прискорень сили ваги в Атлантичному , Тихому і Індійському океанах . Надалі маятникові прилади удосконалювались, але сам маятниковий метод не знайшов широкого застосування для детального вивчення поля прискорення сили ваги через великі затрати часу на спостереження і громіздку апаратуру.

Наступним етапом розвитку технічних засобів гравіметрії був розроблений талановитим угорським геофізиком Р. Етвешом гравітаційний варіометр для вимірювання горизонтальних градієнтів сили ваги і кривини рівневої поверхні .

Зусиллями 6aгатьох вчених , дослідників організацій Європи і Сполучених Штатів Америки в 30 - х роках ХХ столітті були створені прилади гравіметри , які базуються на статичному методі вимірювання прискорення сили ваги. В гравіметрах прискорення сили ваги вимірюють шляхом порівняння його з деякою іншою сталою силою , яка створюється пружністю різних металевих або кварцових пружин. Кожне вимірювання гравіметром зводиться до зважування однієї і тієї ж сталої маси ( тягарця ).Із зміною прискорення сили ваги змінюється вага тягарця , який скріплений з пружиною , і різне за величиною розтягування пружини. На сьогоднішній день сконструйована велика кількість різних типів гравіметрів, які дозволяють реалізувати відносний метод визначення сили ваги для пунктів суші , моря , в свердловинах , шахтах і в повітрі.

До 1924 року Україна була недостатньо вивчена в гравіметричному відношенні . Прискорення сили ваги було визначено лише в 11 пунктах з невисокою точністю . Так в 1868 році були виконані вимірювання сили ваги в пунктах Кременець і Кам'янець- Подільський , які були віднесені до головних точок меридіана Російського градусного вимірювання в 1816-1852 роках . У 1889-1893 роках російський військовий геодезист П.Кульберг виміряв прискорення сили вати в Сімферополі і Ялті . Асистент обсерваторії Казанського університету , а згодом директор Краківської обсерваторії Т.Банахевич в серпні 1914 року виконав вимірювання сили ваги в Києві і Харкові . Треба відзначити , що за період від початку першої світової війни до 1924 року гравіметричні роботи в Україні виконувалися без конкретного плану і єдиної системи , а вихідні пункти для відносних визначень не мали між собою і з Міжнародним вихідним пунктом в Потсдамі надійного гравіметричного зв'язку.

У 1924 році в м Харкові відбувся з'їзд для вивчення природних продуктивних сил України , на якому з'ясувалося , що для пошуків корисних копалин головне значення має складання детальної гравіметричної карти . На цьому з’їзді був присутній відомий російський вчений , професор А. Я.Орлов, який запропонував проект гравіметричного знімання України . А.Я. Орлов працював директором Одеської астрономічної обсерваторії з 1919 пo 1924 р . одночасно керував роботою кількох установ у 1919 році , обраний ректором Київського університету , в 1920 році - ординарним академіком Академії наук УРСР , а в 1924 році - деканом геодезичного факультету Військової інженерної академії. З ініціативи А. Я. Орлова в Полтаві була створена гравіметрична обсерваторія , яка почала функціонувати 7 квітня 1926 року при Українській Головній палаті мір і ваг.

Гравіметричні пункти, які визначені в Україні до 1914 року

Полтавській гравіметричній обсерваторії ( ПГО ) було передбачено розв'язувати такі основні завдання:

1 ) планомірне вивчення прискорення сили ваги в різних пунктах України з метою складання гравіметричної карти,

2 ) вивчення припливних змін сили ваги і деформацій Землі,

3 ) вивчення руху полюса Землі і коливань широти .

З самого початку функціонування ПГО розпочались експедиційні гравіметричні роботи з маятниковими приладами Штюкрата, які придбав А. Я. Орлов у 1913 році для Одеської астрономічної обсерваторії. В першу чергу були здійснені гравіметричні зв'язки Полтави з центром європейської системи - Потсдамом і з усіма пунктами СРСР. 3 1926 по 1933 роки були виконані такі гравіметричні зв'язки Полтави: шість разів з Одесою, три рази з Пулково і Москвою , два рази з Казанню і Tбілісі , а також чотири рази з Ленінградом ( головна Палата мір і ваг ) . У 1927 році під керівництвом А. Я. Орлова був виконаний гравіметричний зв'язок пункту Полтавської обсерваторії з Потсдамом . Паралельно з цим виконувалось маятникове гравіметричне знімання України , в результаті якого були одержані матеріали для складання гравіметричної карти. Було виявлено багато різних аномалій сили ваги на території України , серед яких найбільшою була Чернігівська аномалія. На прикладі гравіметричного знімання України А. Я. Орлов показав переваги суцільного гравіметричного знімання в порівнянні із зніманням окремих вузьких профілів . А Я. Орлов ретельно працював над удосконаленням маятниковоїгравіметричної апаратури. Під його керівництвом механік Одеської механічної майстерні І. Тимченко виконував дослідження, пов’язані з виготовленням геодезичного годинника з незмінними маятниками.За кресленнями А. Я. Орлова механік Гамбуprcької морської обсерваторії Бреккінг виготовив оптичний лічильник, який вперше в Україні був використаний і одержав широке застосування.

Малочисельний колектив ПГО з 1926 по 1938 р . виконав 42 експедиції і визначив біля 500 гравіметричних пунктів з допомогою маятникових приладів Штернека і Штюкрата . Під керівництвом А. Я Орлова в експедиціях приймали участь співробітники обсерваторії : З. Аксентьєва , Т. Буй , В Гуссова , В Елістратов , Е. Лаврентьєва , М. Мигаль , П. М. Михайловський , М. Попов та працівники інших установ. До 1938 року гравіметрична карта України була завершена і передана геологічним організаціям . Після завершення цієї роботи відомий російський гравіметрист і астроном академік О. Михайлов писав , що ПГО був поставлений перший лише в Україні успішний і правильний дослід суцільного гравіметричного знімання . В ПГО продовжувалась розробка варіометра , яким займалась невелика група співробітників очолювана П. Нечипоренком .

Під час другої світової війни на території України гравіметричні роботи практично не виконувались . Післявоєнний період характерний тим , що для виконання вимірювань сили ваги масово запроваджуються гравіметри , які без сумніву мали ряд суттєвих переваг перед маятниковим приладом . Точність вимірювань сили ваги гравіметрами в порівнянні з маятниковими приладами зросла в цей час на порядок , а саме від 3-5 мГал до 0,3-0,5 мГал . Крім того , цей період характеризується збільшенням обсягугравірозвідувальних робіт , гравіметричного знімання згущення навколо астрономічних пунктів астрономо –гравіметричного нівелювання , визначення сили ваги на морі з використанням надводних і підводних суден. Так , з кінця 40 - х і до початку 60 - х років на територію України була складена гравіметрична карта масштабу 1 : 200000, а в 60 - х роках гравіметрична карта масштабу 1 : 50000. Гравіметричне знімання виконувались трестом Укргеофізика, під керівництвом Шерешевської С. Я. В Західній Україні гравіметричні роботи виконувались під керівництвом Бородатого l . Й., Фільштинського Л.Є. і Біліченка В.Я.

Перші в колишньому СРСР спостереження припливних змін прискорення сили ваги були виконані в 1955 році в ПГО 3. М. Аксентьєвоюгравіметром Граф - 2 . На початку 60 - х років ці роботи були значно розширені , коли обсерваторія придбала два гравіметри фірми " Асканія " GS - 11 i GS - 12 . Програмою спостережень було передбачено визначення гармонійних сталих припливних хвиль в різних пунктах і тривалі спостереження припливних змін сили ваги в одному пункті з метою удосконалення методики спостереження , виявлення тонких ефектів внутрішньої будови Землі . Перший ряд спостережень у Полтаві виконав в 1961-1964 роках І. Дичко гравіметром GS – 11. Пізніше , в 1973 р . , у Полтаві на основі більш удосконаленої методики були виконані спостереження двома гравіметрами GS - 11 i GS - 12 ( В. Баленко , П . Корба , В.Булацен, В. Шляховий , I. Дичко ) . Дещо раніше П. Корба ( 1965 р . ) організував спостереження варіацій сили ваги в Сімферополі , Ялті , Бахчисараї і закінчив їх у 1971 році .