Институт в фотографиях

Научные и прикладные результаты тем. группы 06-1

Создание абсолютных лазерных баллистических гравиметров

Основными инструментами проводимых современных гравиметрических исследований являются абсолютные лазерные баллистические гравиметры типа ГАБЛ-М, ГАБЛ-Э и ГАБЛ-ПМ, разработанные и изготовленные в ИАиЭ СО РАН. С появлением в конце шестидесятых и начале семидесятых годов высокостабильных источников когерентного излучения (лазеров) баллистический метод измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести (УСТ) стал наиболее точным и перспективным для дальнейшего развития. В схеме этого метода измерений мерой пути служит длина волны излучения лазера, стабилизированного по атомному реперу в спектре его излучения, а мерой интервалов времени являются сигналы прецизионного (например, рубидиевого) стандарта частоты.

Неоднократными международными сличениями гравиметров в Международном Бюро Весов и Мер (BIPM, Севр, Франция) в 1981, 1985, 1989, 1997 и 2005 гг. подтверждено, что гравиметры серии ГАБЛ находятся на уровне лучших мировых образцов, разработанных в США. В настоящее время гравиметр типа ГАБЛ-Э позволяет измерять абсолютное значение ускорения силы тяжести g с погрешностью не более 3,5·10-8 м/с2, а ошибка измерения относительных изменений g меньше 2·10-8 м/с2.

В гравиметрах серии ГАБЛ применен разработанный коллективом лаборатории интерферометр с активной системой виброзащиты. Для компенсации вертикальной составляющей вибросейсмических помех предложено использовать сейсмограф с электромеханической обратной связью. При выставлении вертикали измерительного луча в интерферометре гравиметра применяется запатентованная и испытанная система, которая базируется на регистрации видеокамерой траектории смещения измерительного луча, отраженного от уголкового отражателя в процессе свободного падения тела. Определение величины и направления угла отклонения измерительного луча от вертикали производится компьютером путем покадровой обработки полученной видеозаписи. Экспериментальная проверка показала, что погрешность выставления вертикали не превышает 3·10-5 рад, при этом ее вклад в общую ошибку определения g не превышает 5·10-9 м/c2.

Следующим этапом совершенствования гравиметров типа ГАБЛ стало использование в качестве источника освещения в интерферометре оптического стандарта длины на базе Nd:YAG/I2 – лазера с длиной волны l=532 нм, разработанного в Институте лазерной физики СО РАН, на основе которого в ИАиЭ СО РАН был создан гравиметр для полевых работ ГАБЛ-ПМ.

В отличие от традиционно используемых в гравиметрах гелий-неоновых лазеров новый оптический стандарт, также имея малые габариты обладает следующими важными достоинствами: а) Nd:YAG/I2 стандарт не нуждается в периодической поверке; б) в Nd:YAG/I2 стандарте нет модуляции выходного излучения, которая вносит дополнительную погрешность в определение гравитационного ускорения g; в) выходная мощность Nd:YAG/I2 в 5-10 раз превышает мощность лазеров, используемых в других баллистических гравиметрах, что позволяет существенно улучшить отношение сигнал/шум выходного сигнала. Испытания нового оптического стандарта непосредственно в гравиметре ГАБЛ-ПМ были проведены в течение Седьмой Международной Сверки Абсолютных Гравиметров ICAG-2005 в Международном Бюро Весов и Мер (BIPM, Севр, Франция) и подтвердили его метрологические характеристики.

Технические характеристики гравиметра ГАБЛ-ПМ

1.

Среднеквадратическая неопределенность измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести, мкГал, не более

3
2.

Неисключенная систематическая неопределенность измерения ускорения силы тяжести, мкГал, не более

4
3.

Число отсчетов за одно падение пробной массы, не менее

5000
4.

Время одного цикла измерений, секунд, не более

8,5
5.

Потребляемая мощность, Вт, не более

250
6.

Масса гравиметра, кг, не более

60

 

Технико-экономические преимущества гравиметра ГАБЛ-ПМ

Стационарные баллистические гравиметры отлично зарекомендовали себя при работе в лабораторных условиях. Однако для развития прикладных геофизических исследований остро стоит задача создания полевого прибора для работы в жестких условиях внешней среды. Гравиметр ГАБЛ-ПМ отличается малыми габаритами, высокой надежностью, независимым энергопитанием и простотой эксплуатации при условии сохранения высоких метрологических характеристик. Создание высокоточного прибора ГАБЛ-ПМ с улучшенными эксплуатационными характеристиками позволит в перспективе повысить эффективность гравиметрических и геодезических работ в стране.

Управление всеми узлами прибора осуществляется с портативного компьютера типа Notebook. На рис. 1 показан внешний вид прибора со снятой крышкой. Комплексные испытания гравиметра в экспедиционных условиях осуществлялись в 2009-2012 гг. в Байкальской рифовой зоне на сейсмостанции «Талая», на гравиметрических пунктах Горного Алтая и на газовых месторождениях в Заполярье.

pict 1 320x320

рис. 1. Гравиметр «ГАБЛ-ПМ»

Приборы подобного типа в России не выпускаются. К настоящему выпущена малая серия приборов ГАБЛ-ПМ. Институт награжден дипломом за разработку: «Гравиметр абсолютный баллистический лазерный эталонный» – в номинации «Лучшая инновационная разработка» на X Международном Салоне инноваций и инвестиций (Москва, 7‑10 сентября 2010 г.), а также медалью и дипломом 12-го Международного форума "Высокие технологии XXI века - ВТ-2011" (Москва, 18 - 21 апреля 2011 года).

Создание высокоточного гравиметра ГАБЛ-ПМ отнесено к наиболее важным результатам научно-исследовательских работ СО РАН в 2011 году.

Создание фундаментальных гравиметрических пунктов

Гравиметрами серии ГАБЛ уточнены Международная и ряд национальных гравиметрических систем, проводятся эксперименты по исследованию неприливных вариаций УСТ, имеющих принципиальное значение при решении фундаментальных проблем геодинамики и, в частности, при разработке стратегии прогноза землетрясений. Для этого на обширной территории Земли в диапазоне широт от +68º (Финляндия) до -43º (Тасмания) гравиметрами типа ГАБЛ создано более 70 гравиметрических пунктов высшей точности (рис. 2). На некоторых из них периодически проводятся повторные измерения с целью исследования приливных и неприливных вариаций силы тяжести в сейсмоактивных (рифтовых) зонах и в платформенной области.

pict 2 420x345

рис. 2. Абсолютные гравиметрические пункты, созданные гравиметрами типа ГАБЛ

Исследования глобальных изменений ускорения силы тяжести

Измерениями гравиметрами серии ГАБЛ в платформенной области (в средних широтах Евразии на линии Новосибирск - Москва - Потсдам) обнаружены вариации Δg, перемещающиеся с востока на запад со средней скоростью 33,5º в год и, возможно, связанные с прохождением волны сжатия, возникшей в литосфере в результате поддвига Тихоокеанской плиты под Евроазиатскую в 1978-1979 гг. (опубликовано в Докладах АН СССР, 1985, т. 280, № 5).

Этим эффектом можно объяснить увеличение Δg в 1981 г. в Новосибирске, в 1983 г. в Москве и в 1984 г. - в Потсдаме и уменьшение Δg в последующие годы (после прохождения волны сжатия). Преобладающие составляющие вариаций Δg в Новосибирске, Москве и Потсдаме имеют периоды 10.4, 13.4 и 10.6 лет соответственно.

Измерения абсолютного значения гравитационного ускорения во время солнечного затмения

Во время солнечного затмения 1 августа 2008 г. были проведены измерения абсолютного значения гравитационного ускорения на сейсмостанции «Ключи» (Новосибирская область). Результаты этих измерений приведены на рис. 3. и отмечены точками. Погрешность измерений сравнима с размерами указанных точек.

Целью проведенных экспериментов была проверка гипотезы об эффекте экранирования Луной гравитационного притяжения Солнца. Этот эффект следует в основном из обсуждаемой и проверяемой до настоящего времени корпускулярной теории природы тяготения. При этом предполагается частичное поглощение в точке наблюдений на Земле притяжения Солнца промежуточным телом (Луной).

Сравнение результатов измерений с рассчитанными по классической теории приливными изменениями ∆g (показаны сплошной линией) свидетельствует об отсутствии гравитационных возмущений, обусловленных экранированием Солнца Луной и превосходящих погрешность измерений. Вертикальными линиями показаны начало и конец солнечного затмения.

pict 3 510x320

рис. 3. Результаты измерений ∆g во время солнечного затмения

Исследование возможностей гравиметрического мониторинга в решении задач прогноза землетрясений

Разрешающая способность и точность абсолютных лазерных баллистических гравиметров (до 1∙10-8 м/с2 = 1 мкГал) позволяет обнаруживать долговременные (до нескольких лет) изменения высоты пункта наблюдений (вертикальные движения земной коры) Δh с погрешностью не более 0,5 см, а также изменения плотности земной коры в районе наблюдений из-за ее деформаций.

С помощью разработанных и созданных в ИАиЭ СО РАН лазерных баллистических гравиметров коллективом лаборатории проводится мониторинг гравитационного поля Земли в областях современных сейсмических активизаций:

  • в 1984-1990 гг. в рифтовых зонах (тектонических разломах) и в платформенной области Алма-Атинского прогностического полигона;

  • начиная с 1992 года в Байкальской рифтовой зоне (БРЗ);

  • начиная с 2000 года в Горном Алтае.

Одновременно с этими гравиметрическими измерениями проводятся аналогичные контрольные измерения в платформенной области: на гравиметрических пунктах Новосибирской области и в г. Иркутске.

Начиная с 2013 года, при анализе результатов мониторинга Δg использовались данные GPS наблюдений, предоставленные сотрудниками Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН и Института земной коры СО РАН. Эти данные позволили оценить отдельно влияние на изменения Δg изменений плотности земной коры и ее вертикальных движений, обусловленных развитием тектонических и постсейсмических процессов, что дало возможность уточнить механизмы геодинамических процессов в исследуемых регионах.

Результаты наблюдений показаны на рис. 4 и рис. 5. В результаты внесены поправки, учитывающие приливные вариации g, влияние движения полюса Земли и притяжение изменяющихся атмосферных масс. По результатам наблюдений как в Байкальской рифтовой зоне, так и на Горном Алтае не зарегистрировано гравитационных предвестников землетрясений. Изменения Δg, измеренные в последующий период, могут быть следствием этих землетрясений. В областях проведения мониторинга за период наблюдений вариации силы тяжести достигали 12-30 мкГал. Результаты GPS-наблюдений приведены на рис. 6. Из анализа представленных результатов можно сделать следующие выводы:

  1. На пункте «Талая» преобладающее влияние на изменение Δg оказывало изменение плотности и глубины земной коры при ее горизонтальном сжатии до момента близлежащего землетрясения 27.08.2008 г.; резкое снижение Δg после этого землетрясения могло быть инициировано снижением плотности земной коры в результате разрушения ее структуры.

  2. На всех пунктах Горного Алтая регистрируются вариации ∆g, отражающие афтершоковый процесс в Земной коре после Чуйского землетрясения 2003 г.

  3. На пункте «Кайтанак» (расположен ближе других к эпицентру землетрясения, L = 230 км), уменьшение значения Δg согласуется с повышением уровня поверхности этого пункта, регистрируемого GPS наблюдениями и обусловленного горизонтальным сжатием литосферы.

  4. На пункте «Усть-Кан» варации Δg и уровня поверхности независимы, предполагаемой причиной преимущественных изменений Δg является изменение плотности земной коры вблизи пункта наблюдений.

  5. На пункте «Кайтанак» в 2013 г. произошла смена знака тренда ∆g и в последующие годы тренды на всех трёх пунктах Горного Алтая выровнялись.

pict 4 510x320 v1

рис. 4. Вариации ускорения силы тяжести на сейсмостанции «Талая» и на пункте «Иркутск» (здесь вертикальными штрихами указаны моменты сильных землетрясений: 1 - землетрясение 29.06.1995 (М=5,5; L=50 км); 2 - землетрясение 25.02.1999 (М=5,9; L=90 км); 3 - землетрясение 17.09.2003 (М=5,3; L=155 км); 4 - землетрясение 23.02.2005 (М=5,3; L=160 км); 5 - землетрясение 27.08.2008 (М=6,3; L=30 км); L – удаление эпицентра от пункта «Талая»)

pict 5 510x320

рис. 5. Неприливные вариации ∆g на пунктах Горного Алтая

pict 6 590x320

рис. 6. Вертикальные составляющие движений поверхности Земли на пунктах «Кайтанак» и «Усть-Кан»

Исследование временных вариаций силы тяжести в условиях пограничной зоны "континент-океан"

В рамках комплексных геофизических исследований с 2010 г. проводятся измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести g на морской экспедиционной станции Тихоокеанского океанологического института (ТОИ) ДВО РАН (мыс Шульца – 42.58°N и 131.15°E). Основной целью этих исследований является изучение деформаций Земли, вызванных приливными и тектоническими силами, порождающими временные вариации и нерегулярные изменения силы тяжести в условиях пограничной зоны "континент-океан". Измерения, проведенные в 2012 г., позволили подтвердить вывод о том, что экспериментальные данные  не согласуются с приливными деформациями для разработанных моделей Земли (например, PREM и IASP91) и моделей океанического прилива (например, CSR3, FES95 и SCW80). Экспериментами с лазерным баллистическим гравиметром в условиях пограничной зоны "континент-океан" установлено значимое отличие временных вариаций силы тяжести от теоретического прилива, достигающее 6,5 мкГал (6,5·10-8 м/с2), что позволит уточнить модели океанического прилива. На рис. 7 приведены отличия экспериментальных данных от теоретического прилива, вертикальными линиями указаны погрешности определения g.

pict 7 510x320 v1

рис. 7. Отличие экспериментальных данных от теоретического прилива (август 2011 г.)

Дальнейший гравиметрический мониторинг выявил увеличение абсолютного значения g на 4,1 мкГал на пункте № 1 (Гора) относительно нулевой отметки (рис. 8). Разность значений g между пунктами № 1 и № 2 (Берег) составила в 2015 году 7922 мкГал. Пункт № 2, расположенный на 46 м ниже основного пункта № 1, был заложен сотрудниками ИАиЭ СО РАН в 2012 году и используется специалистами ТОИ ДВО РАН для калибровки приливного гравиметра gPhone.

pict 8 510x320

рис.8. Результаты мониторинга гравитационного поля на мысе Шульца