ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2013, № 4, с. 105-110
УДК 550.831
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ И МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ ОТНОСИТЕЛЬНЫМ ГРАВИМЕТРОМ
© 2013 г. Д. В. Абрамов, М. Н. Дробышев, В. Н. Конешов
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва Поступила в редакцию 26.07.2012 г.
Проведены непрерывные высокоточные долговременные гравиметрические наблюдения в геофизической обсерватории, расположенной на экспериментальной базе Владимирского государственного университета. Получены длинные ряды наблюденных значений ускорения силы тяжести и ее стандартного отклонения. Выполнен анализ причин повышения приведенных погрешностей. Даны рекомендации для повышения точности измерения относительными гравиметрами.
Ключевые слова: гравиметрия, относительный гравиметр, абсолютный гравиметр, погрешность измерения ускорения силы тяжести.
DOI: 10.7868/S0002333713040017
В Институте физики Земли РАН создан комплекс аппаратуры, установленной в обсерватории, находящейся в месте с низким уровнем техногенного сейсмического воздействия. Этот комплекс позволяет выполнять долговременные геофизические наблюдения с высокой точностью [Абрамов и др., 2012]. В его состав входят два относительных гравиметра CG-5 Autograv, абсолютный гравиметр А10, трехкомпонентная сейсмостанция UGRA, два однокомпонентных наклономера, GPS приемник и метеостанция.
Создание комплекса аппаратуры было обусловлено необходимостью решения целого ряда геофизических задач, среди которых отдельно стоит оценка нестационарности (трансформации) спектра микросейсмических шумов в точке долговременных гравиметрических наблюдений.
Исследованием микросейсмических шумов, возникающих в земной коре под воздействием атмосферных и сейсмических процессов в различном частотном диапазоне, занимались многие исследователи [Адушкин и др. 2008; Любушин 2008].
Целью данной работы является оценка факторов, влияющих на точность гравиметрических наблюдений, и выработка практических рекомендаций как для долговременных гравиметрических измерений, так и для выполнения производственной гравиметрической съемки с более высокой точностью. Потребность в таких исследованиях обусловлена необходимостью получения данных гравиметрических рядов с помощью относительных гравиметров и выработки практи-
ческих рекомендаций по оценке влияния на гравиметрические наблюдения сейсмических и метеорологических факторов.
На созданный геофизический комплекс, как и на все геофизические приборы, установленные на упругой Земле, действует не только сила тяжести, но и силы, возникающие при деформации Земной поверхности. Особенностью созданного геофизического комплекса является то, что он способен регистрировать воздействия со стороны основания в широком диапазоне частот, начиная с длиннопериодных изменений силы тяжести и кончая высокочастотными сейсмическими.
При исследовании длинных гравиметрических рядов реакцию Земли на сейсмические воздействия можно рассматривать как погрешность гравиметрических измерений.
Основным измерительным элементом в составе геофизического комплекса выбран относительный гравиметр СО-5, обладающий высокой надежностью, долговременной стабильностью дрейфа и достаточной гибкостью процесса формирования единичного отсчета. Время получения этого отчета варьируется в широких пределах в зависимости от условий наблюдения. В нашем случае для долговременных наблюдений принято время равное одной минуте. В этом интервале накопление информации занимает 57 секунд. Трех секундный перерыв необходим для формирования условий следующего цикла измерений. Гравиметр регистрирует среднее значение силы тя-
Погрешность dg, мкГал
100 га
10 1 0.1
СКО, мГал ^ 100
0.01
10 1 0.1 0.01
06-06 11-07 15-08 19-09 24-10 28-11
Дата, день-месяц
Рис. 1. Шумовые характеристики долговременных гравиметрических наблюдений: а - амплитуда погрешности измерений гравиметра; б - стандартное отклонение.
жести, стандартное отклонение за период наблюдения и внешние условия.
Стандартное отклонение (СКО), выработанное относительным гравиметром СО-5, является мерой "зашумленности" инерциального сигнала во временном диапазоне 0.17...57 с, и обусловлено как внутренними шумами прибора, так и внешними условиями наблюдения. В данной статье по результатам долговременных гравиметрических наблюдений показано, что СКО, выработанное относительным гравиметром, характеризует внешние условия наблюдений.
Погрешность гравиметрического измерения (амплитуда) определялась путем компенсации дрейфа относительного гравиметра и выделения пиковых значений сигнала относительно текущего значения оценки дрейфа. Окно пикового детектора принято равным 5 минут. Далее проводилась фильтрация полученных максимальных значений апериодическим звеном с постоянной времени 5 минут. Компенсация фазовых искажений осуществлялась путем повторения данной процедуры в обратном времени. Аналогичные действия проводились с минимальными значениями. Среднее значение модуля принято в качестве оценки погрешности измерения dg.
При получении длинных рядов гравиметрических наблюдений в качестве базового прибора комплекса используется относительный гравиметр [Абрамов и др., 2010].
В процессе получения гравиметрических рядов наблюдалось влияние на измерения гравиметра различных геофизических и метеорологических факторов. Рассмотрим некоторые из них.
ВЛИЯНИЕ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
На рис. 1 представлен ряд погрешностей гравиметрических измерений и СКО за полугодовой период наблюдения с 06 июня по 10 декабря 2011 года.
Как видно из приведенных графиков на рис. 1 характер погрешности измерений меняется в зависимости от времени года. Наиболее стабильный характер измерения носят в весенне-летний период. Это вызвано достаточно стабильными погодными условиями, обусловленными отсутствием мощных циклонов. С октября начинается активная циклоническая деятельность, приводящая к мощным атмосферным фронтам, резким изменениям атмосферного давления и сильным штормам в прибрежных европейских морях.
Несмотря на то, что пункт наблюдения находится достаточно далеко от акватории Мирового океана, наблюдается сильное влияние морского прибоя на процесс измерения. На рис. 1 видно, что начиная с октября, в период активной циклонической деятельности, наблюдается повышенная погрешность гравиметрических измерений до 2-3 мкГал и значений СКО до 0.1 мГал.
На рис. 2 представлен спектр шумов, зарегистрированный вертикальным каналом сейсмостан-ции иОЯЛ во время шторма 27.11.2011 у побережья Норвегии. Данный спектр имеет максимум на частоте около 0.2 Гц что характерно для морского прибоя с периодом волны около 4-5 секунд.
Из рассмотрения рис. 3 видно, что наряду с характерными высокими частотами в спектре ускорений присутствуют и низкие частоты, на которые реагирует гравиметр.
При выполнении производственных гравиметрических работ измерения на каждой точке выполняются ограниченное технологическим процессом время. Повышенный фон сейсмических шумов на практике приводит к необходимости увеличения продолжительности наблюдений на каждом гравиметрическом пункте для сохранения уровня точности съемки.
х10-
8 -
ь т
° 4
о
р
о к С
0.01 0.1
10 100 Частота, Гц
10-
10-7
я и
£ 10-8 р
о к с
^ 10-9
10
-10
_1_I I I I I II I_I_I_I I I I I М_I_I I I I I III_I_I I I I I 1||
0.001 0.01
0.1 1 Частота, Гц
Рис. 2. Спектр сигнала вертикального канала сейсмо-станции иОИД в условиях штормового воздействия 27 ноября 2011 года.
Рис. 3. Спектр ускорений вычисленный по данным вертикального канала сейсмостанции иОИД в условиях штормового воздействия 27 ноября 2011 года.
6
2
0
1
Погрешность dg, мкГал 100
10 1 0.1 0.01
СКО, мГал % 100
10 1 0.1
06-06
07-07 Дата, день—месяц
0.01
08-07
Рис. 4. Шумовые характеристики гравиметрических наблюдений с 06 июня по 07 июня 2011 г.: а — амплитуда погрешности; б — стандартное отклонение; 1 — землетрясение о. Хонсю (Япония) 15:14:59 06.07.2011 М 5.7; 2 — землетрясение о-ва Кермадек 19:09:17 06.07.2011 М 7.6; 3 — землетрясение о-ва Кермадек 09:10:52 07.07.2011 М 6.0; 4 — землетрясение о. Хонсю (Япония) 09:29:58 07.07.2011 М 5.5; 18:35:42 07.07.2011 М 5.6; 5 - землетрясение о-ва Фиджи 19:08:36 07.07.2011. М 5.6.
а
1
ВЛИЯНИЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ НА ПОКАЗАНИЯ ГРАВИМЕТРОВ
В метеорологические спокойные периоды наблюдений основным возмущающим фактором являются землетрясения. На рис. 4 приведен период наблюдений с 6 по 8 июля 2011 года.
Погрешность гравиметрических наблюдений, возникающая из-за сейсмических событий, зависит от многих факторов в частности от мощности и удаленности места события от точки наблюдения. Сейсмические события можно разделить на несколько групп событий, вызывающих возрастание СКО до 0.05 мГал, до 0.1 мГал до 1 мГал до 10 мГал и свыше 10 мГал. Эти группы отличаются не только величиной СКО и погрешности, но и временем, необходимым для возвращения вели-
чины погрешности к фоновому значению (временем переходного процесса). В первой группе при отклонении СКО от фонового значения равного 0.01 мГал до 0.05 мГал практически не наблюдается возрастания погрешности гравиметрических наблюдений. Во второй группе величина погрешности возрастает до 3 мкГал и затухание происходит около 1 часа. В третьей группе величина погрешности возрастает до 20 мкГал и время затухания до 5 часов. В четвертой группе величина погрешности возрастает до 0.1 мГал и время затухания до 9 часов. Разделение по группам приведено в таблице.
Наибольший интерес представляет пятая группа с мощными землетрясениями магнитудой более 8.0.
Таблица
№ группы СКО, мГал Погрешность, мкГал Время переходного процесса
1 до 0.05
2 0.05-0.1 3 1 час
3 0.1-1 20 5 час
4 1-10 100 9 час
5 Свыше 10 1000 до 48 часов
Рассмотрим землетрясение, произошедшее 27 февраля 2010 года. Оно интересно для исследования тем, что было зарегистрировано как относительными гравиметрами СО-5 Ли1о§гау и сейсмографами, постоянно ведущими измерения, так и абсолютным гравиметром А10 выполняющим измерения периодически.
На рис. 5 представлена сейсмограмма вертикального канала сейсмостанции иОЯЛ.
На рис.
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.