научная статья по теме ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДЕЛИ ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ ПРИ ИЗМЕРЕНИЯХ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ НА МОРЕ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДЕЛИ ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ ПРИ ИЗМЕРЕНИЯХ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ НА МОРЕ»

ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2015, № 4, с. 103-110

УДК 528.56,550.312

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДЕЛИ ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ ПРИ ИЗМЕРЕНИЯХ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ НА МОРЕ

© 2015 г. Л. К. Железняк, В. Н. Конешов, П. С. Михайлов, В. Н. Соловьев

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва E-mail: zekledovo@yandex.ru Поступила в редакцию 05.04.2014 г.

В статье представлен опыт привязки относительных измерений силы тяжести на море к значениям модели гравитационного поля. Показано, что вместо привязки морских измерений к береговым опорным пунктам может применяться привязка к модели поля при соответствующих условиях.

DOI: 10.7868/S0002333715040134

Поскольку гравитационное поле определяет форму геоида, то оно может быть определено по его превышениям, измеряемым спутниковой альтиметрией на Мировой акватории, наряду с другими космическими измерениями. Очевидно, что высокочастотные составляющие поля при этом теряются. Установить диапазоны частот аномалий силы тяжести (АСТ) для использования в тех или иных целях с допускаемыми искажениями можно экспериментально. Для этого необходимо определить "частотную характеристику" процесса определения поля с использованием космических средств посредством прямого сравнения с измеренными значениями АСТ.

Ведущая роль в создании методики вычисления АСТ на акваториях с использованием космических технологий принадлежит Национальному агентству геопространственных исследований Министерства обороны США (National Geospatial-Intelli-gence Agency — NGA) [Yale, Sandwell, 1998]. Первые опубликованные результаты вычислений АСТ по альтиметрии использовалась специалистами ИФЗ РАН для сравнения с их прямыми измерениями [Железняк, Конешов, 1995]. Измерения выполнены отечественным морским гравиметрическим комплексом "Чета АГГ", выпускаемым серийно с 1983 г. Погрешность измерений составила менее 1 мГал по постоянной и случайной составляющим в любом районе Мирового океана. Вычислялась разность между измеренными АСТ и вычисленными по данным спутниковой альтиметрии, в том числе в открытом океане и внутренних морях. Районы работ представлены на рис. 1. Выполнен статистический анализ полученных разностей. В открытом океане на профилях систематическая составляющая не превышает 2 мГал, а случайная колеблется

от 3.2 до 5.5 мГал в зависимости от расчлененности поля на профиле.

На следующем этапе исследований [Дробы-шев и др., 2005] проведен частотный анализ разностей. Для этого вычислен квадрат модуля спектра когерентности [Бриллинджер, 1980]. Процедура оценивает совпадение сигнала одной и тот же частоты в двух сравниваемых реализациях. Квадрат модуля спектра когерентности для исследуемых профилей представлен на рис. 2.

Для всех протяженных океанских профилей, где результат можно считать достоверным, в диапазоне длин волн свыше 50 км модуль спектра когерентности превышает 0.9. Это означает, что в этом частотном диапазоне данные, полученные по космическим измерениям, практически совпадают с прямыми измерениями на поверхности океана. Этот вывод не относится к изостатически не скомпенсированным районам, к прибрежным областям, в которых значительные массы находятся выше эквипотенциальной поверхности (геоида) и имеются погрешности в спутниковой альтиметрии (см. Черное море на рис. 2), [Моргунова, 2004].

На основании этих сравнений естественным является использование значений АСТ, полученных по космическим измерениям, в качестве опорных при морских измерениях гравиметрами в подавляющем большинстве районов. Эта идея была высказана еще в 1995 году [Железняк, Конешов, 1995]. АСТ, определенные по альтиметриче-ским данным, с длиной волны свыше 50 км почти не имеют систематической составляющей погрешности. В этом случае принципиально можно отказаться от исходных опорных пунктов с абсолютными значениями силы тяжести. Опорные наблюдения при морских измерениях в ряде слу-

£_1_:_:_

Рис. 1. Профили и полигоны для сравнения АСТ. Линиями показаны профили с рабочими номерами, прямоугольниками — площадные съемки (полигоны).

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0

001

002

15

502

21

504

505

I_I I I I Mill_I I I I Mill_I

I_I I I I Mill_I I I I Mill_I

10 100 1000 10 100 1000

I_i i i mill_i i 11 mil

10 100 1000 км

Рис. 2. Квадрат модуля спектра когерентности между прямыми и модельными определениями: Атлантический (001002), Индийский (003-004) и Тихий (15, 21, 50, 57) океаны, Черное море (502-505).

чаев являются проблемными и затратными. Не- АСТ. Однако предпочтительным является использо-

редко для практических целей достаточно использование опорного пункта без абсолютной его при-

вание опорного пункта, определенного в абсолютной системе, когда результаты измерений поля могут

вязки, например, для геологической интерпретации использоваться как при стыковке соседних

мГал 114 60 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

5 I

-10 -20 I -68 I

25

25 км

Рис. 3. Карта АСТ разлома Кейн. Линиями показаны профили площадной съемки.

0

площадей, так и в других случаях применения. Для этих целей при определенных условиях может использоваться модель гравитационного поля Земли.

В последние годы зарубежными и отечественными специалистами создан ряд моделей гравитационного поля Земли (ГПЗ) с улучшенными характеристиками по точности определения гармонических коэффициентов геопотенциала [Конешов, 2012]. Особое место в ряду этих моделей занимает ультра-высокостепенная модель ГПЗ EGM2008, созданная при ведущей роли выше упомянутого агенства NGA [Pavlis et al., 2008].

Высокочастотная составляющая ГПЗ в этой модели была уточнена за счет существенного обновления и дополнения исходных АСТ по трапециям 5' х 5' и методического повышения точности их обработки. Использованы уточненные значения АСТ в Мировом океане, полученные из обработки данных спутниковой альтиметрии с применением новой модели динамической топографии морской поверхности. Опубликованные на сайте 1

NGA материалы содержат собственно модель

1 http://earth-info.nga.mil/GandG/wgs84/gravitymod/egm2008/

index.html

EGM2008 в виде 2190 коэффициентов сферических гармоник и вычисленных значений высоты квазигеоида, составляющих уклонений отвесных линий в плоскости меридиана и первого вертикала, АСТ в свободном воздухе с разрешением 2.5' х 2.5'.

Для экспериментальной оценки пригодности модели EGM2008 с целью корректировки уровня съемки путем учета постоянной разности измерения-модель использовался полигон, расположенный в Атлантическом океане в зоне сочленения Срединного Атлантического хребта и трансформного разлома Кейн. В 1991 году отечественным морским гравиметрическим комплексом "Чета АГГ" выполнена съемка этого полигона. Площадь 300 х 200 км2 покрыта сетью пересекающихся профилей с шагом 5 х 10 км2. Рельеф дна в этом районе очень сложный и сильно расчлененный с перепадом глубин от 1000 до 6000 м. АСТ на этом полигоне практически полностью коррелируют с рельефом дна, но имеют более сглаженный характер из-за интегрального гравитационного эффекта. Диапазон значений АСТ составляет 165 (от +100 до -65) мГал. На рис. 3 представлена схематическая

мГал 25 — 6 -4 — 2 0 — -2 _ -4 I -18 —

25

25 км

0

Рис. 4. Карта разности "измерения—модель" разлома Кейн.

карта АСТ построенная по морским измерениям гравиметрическим комплексом. Погрешность съемки составляет ±0.35 мГл, а точность привязки к береговому пункту (Новороссийск) — не хуже 0.3 мГал. На всех пунктах съемки (шаг регистрации 1 мин или 300 м) были вычислены разности измеренного значения АСТ и значения с модели EGM2008. Среднее значение этой разности равняется +0.60 мГал, а значение стандартной девиации составляет ±3.97 мГал. На рис. 4 представлена карта разностей между измеренными и модельными значениями. Последняя является иллюстрацией частотных искажений модели.

Полученные результаты эксперимента показывают, что модель EGM2008 может быть использована для контроля и привязки гравиметрической съемки по абсолютному значению. Технология привязки измерений к модельным значениям поля на этапе постобработки предусматривает несколько этапов.

Сначала необходимо выполнить полный цикл обработки измерений гравиметром. При этом исходное знание силы тяжести в порту выхода может соответствовать нормальному полю или иному значению, в том числе известному, а смещение нульпункта прогнозируется.

Затем, на всех пунктах площадной съемки вычисляется разность А, между измеренными АСТ и взятыми из модели EGM2008. Все полученные разности сортируются по времени и аппроксимируются линейной (или иной) функцией, которая затем используется для привязки измерений к абсолютному значению модели поля. В заключение выполняется процесс уравнивания съемки, если это возможно, и оценка точности измерений [Железняк, 2002].

Идея контроля и привязки морских измерений к значениям модели использовалась при работах в Индийском океане, выполненных в 2012—2013 гг. мобильным гравиметром "Чекан-АМ". На рис. 5 показан график разности значений АСТ измере-ния—модель на полигоне 1, расположенном на кон-

мГал 125

120

115

110

105

100

95

90

85

80

75

70

65

60

70

75

80

85

90

сут

Рис. 5. График разности "измерения—модель" полигона 1.

тинентальном склоне. В качестве исходного на опорном пункте использовано значение нормального поля, а сама обработка была проведена без ввода поправки за смещение нульпункта гравиметра. Коэффициент при линейном члене аппроксимирующей функции разностей равен +2.199 мГл/сут и имеет физический смысл скорости смещения нульпункта. Полученная линейная функция использована для привязки измерений к значению поля из модели. Систематическая разность между съемочными и секущими профилями составила — 0.08 мГал, а случайная составляющая ±0.25 мГш. После стандартного взаимного уравнивания профилей съемки, случайная погрешность составила ±0.17 мГал, средняя разность АСТ и значений модели EGM2008 составила — 0.07 мГал, а значение стандартной девиации равнялось ±3.24 мГал.

По результатам стандартной обработки измерений на полигоне с использованием значений на опорных пунктах ско

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Геофизика»