Гравитационная градиентометрия — это исследование изменений ( аномалий ) гравитационного поля Земли посредством измерений пространственного градиента гравитационного ускорения . Тензор гравитационного градиента представляет собой тензор 3x3 , представляющий частные производные вдоль каждой координатной оси каждого из трех компонентов вектора ускорения ( ), что в сумме составляет 9 скалярных величин :
Оно имеет размерность квадрата обратного времени в единицах с -2 (или м ⋅ м -1 ⋅ с -2 ).
Гравитационная градиентометрия используется разведчиками нефти и полезных ископаемых для измерения плотности недр , эффективно измеряя скорость изменения гравитационного ускорения из-за свойств подстилающих пород. На основе этой информации можно построить картину аномалий недр, которую затем можно использовать для более точного определения месторождений нефти, газа и полезных ископаемых. Он также используется для изображения плотности водного столба при обнаружении затопленных объектов или определении глубины воды ( батиметрия ). Ученые-физики используют гравиметры для определения точного размера и формы Земли, а также вносят вклад в компенсацию гравитации, применяемую в инерциальных навигационных системах.
Измерения гравитации являются отражением гравитационного притяжения Земли, ее центростремительной силы , приливных ускорений, вызванных Солнцем, Луной и планетами, а также других приложенных сил. Градиентометры гравитации измеряют пространственные производные вектора силы тяжести. Наиболее часто используемым и интуитивно понятным компонентом является вертикальный градиент силы тяжести G zz , который представляет собой скорость изменения вертикальной силы тяжести ( g z ) с высотой ( z ). Его можно получить, разбив значение силы тяжести в двух точках, разделенных небольшим вертикальным расстоянием l, и разделив на это расстояние.
Два измерения силы тяжести выполняются акселерометрами, которые согласованы и выровнены с высоким уровнем точности.
Единицей гравитационного градиента является эотвос (сокращенно Е), что эквивалентно 10 -9 с -2 (или 10 -4 м гал /м). Человек, проходящий мимо на расстоянии 2 метров, обеспечит сигнал градиента силы тяжести примерно в одну Е. Горы могут давать сигналы в несколько сотен Эотво.
Полные тензорные градиентометры измеряют скорость изменения вектора силы тяжести во всех трех перпендикулярных направлениях, что приводит к возникновению тензора градиента силы тяжести (рис. 1).
Будучи производными гравитации, спектральная мощность сигналов гравитационного градиента перемещается на более высокие частоты. Обычно это делает аномалию градиента силы тяжести более локализованной относительно источника, чем аномалию силы тяжести. В таблице (ниже) и графике (рис. 2) сравниваются отклики g z и G zz от точечного источника.
И наоборот, гравитационные измерения имеют большую мощность сигнала на низкой частоте, что делает их более чувствительными к региональным сигналам и более глубоким источникам.
Измерение производной жертвует общей энергией сигнала, но значительно снижает шум, вызванный движением. На движущейся платформе возмущение ускорения, измеряемое двумя акселерометрами, одинаково, поэтому при формировании разницы оно компенсируется при измерении гравитационного градиента. Это основная причина использования градиентометров в авиационных и морских исследованиях, где уровни ускорения на порядки превышают интересующие сигналы. Отношение сигнал/шум наиболее эффективно на высоких частотах (выше 0,01 Гц), где шум ускорения в воздухе является наибольшим.
Гравитационная градиентометрия преимущественно использовалась для изображения геологии недр с целью разведки углеводородов и полезных ископаемых. К настоящему времени с использованием этой методики обследовано более 2,5 миллионов погонных километров. [1] Исследования выявляют гравитационные аномалии, которые могут быть связаны с геологическими особенностями, такими как соляные диапиры , системы разломов , рифовые структуры, кимберлитовые трубки и т. д. Другие приложения включают обнаружение туннелей и бункеров [2] и недавнюю миссию GOCE , целью которой является улучшение знание циркуляции океана.
В 1970-е годы, будучи руководителем Министерства обороны США, Джон Бретт инициировал разработку гравитационного градиентометра для поддержки системы Trident 2. Комитету было поручено искать коммерческое применение системы полного тензорного градиента (FTG), которая была разработана Bell Aerospace (позже приобретена Lockheed Martin ) и использовалась на подводных лодках ВМС США класса «Огайо » «Трайдент», предназначенных для облегчения скрытной навигации. Когда холодная война подошла к концу, ВМС США обнародовали секретную технологию и открыли двери для полной коммерциализации этой технологии. Существование гравитационного градиентометра было широко раскрыто в фильме « Охота за Красным Октябрем», вышедшем в 1990 году.
В настоящее время используются два типа гравитационных градиентометров Lockheed Martin: 3D Full Tensor Gravity Gradiometer (FTG; развернутый либо на самолете, либо на корабле) и градиентометр FALCON (частичная тензорная система с 8 акселерометрами, развернутая на фиксированном крыло самолета или вертолета). Система 3D FTG содержит три прибора гравитационной градиентометрии (GGI), каждый из которых состоит из двух противоположных пар акселерометров, расположенных на вращающемся диске с направлением измерения в направлении вращения.
![{\displaystyle g=[g_{x}g_{y}g_{z}]^{T}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3a93bcf2bf836f665abca50763b0f60498a1bbb0)
