Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Сбор и обобщение комплексной гравиметрической информации в арктических областях Мирового океана

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Сбор и обобщение комплексной гравиметрической информации в арктических областях Мирового океана"

На правах рукописи

111

г .У ■ " /

Рожков Юрий Евгеньевич

СБОР И ОБОБЩЕНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ ГРАВИМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В АРКТИЧЕСКИХ ОБЛАСТЯХ МИРОВОГО ОКЕАНА

Специальность 25.00.10. «Геофизика, геофизические методы поисков полезных

ископаемых»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 з т ?г~0

Москва-2009

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Научный руководитель:

Доктор технических наук, заведующий лабораторией ИФЗ РАН

Конешов Вячеслав Николаевич

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией ИФЗ РАН Манукин Анатолий Борисович

Доктор технических наук, начальник научно-исследовательского управления

Ведущая организация

Механико-математический факультет Московского Государственного университета имени М.В. Ломоносова

Защита диссертации состоится «10» декабря 2009 г. в ¿4 часов на заседании Диссертационного совета Д 002.001.01 при Учреждении Российской академии наук Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

по адресу 123995, г. Москва, ул. Большая Грузинская, 10. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФЗ РАН Автореферат разослан «_» ноября 2009 г.

ФГУ «29 НИИ Минобороны России»

Непоклонов Виктор Борисович

Ученый секретарь диссертационного совета

Пилипенко

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Северный Ледовитый океан с прилегающими морями относится в целом к малоизученным районам Мирового океана. Многие погрешности ранее созданных моделей гравитационного поля Земли связывают именно с недостаточностью данных на районы полярных шапок. Существует необходимость в разработке методов получения и обобщения гравиметрической информации на труднодоступные приполюсные районы с целью уточнения превышений геоида над эллипсоидом, решения различных прикладных задач, в том числе и в интересах национальной безопасности государства.

Отдельной актуальной задачей для районов Арктики является определение границы континентального шельфа России. Региональные гравиметрические карты высоких широт являются серьезным аргументом при построении обоснованных геологических моделей в Арктике и их последующем представлении в Комиссию ООН по границам континентального шельфа, определяющие границы шельфа. При отсутствии возможности выполнять региональные сейсмические исследования сведения о геофизических полях могут оказать неоценимую помощь.

Региональные гравиметрические карты высоких широт могут быть полезны для построения геологических моделей при поиске залежей углеводородов в арктических областях России.

Для определения уклонений отвесной линии (УОЛ) в Германии и Швейцарии сравнительно недавно были разработаны транспортабельные зенит-камеры, которые объединяют в себе зенит-телескоп и GPS приемник. Первые успешные измерения этими приборами выполнены в 2003 г. За полчаса наблюдений зенит-камера определяет УОЛ на пункте с погрешностью около 0.1". Но пока это лишь несколько приборов для измерений на суше. В Арктике их применение проблематично, так как там мало участков суши, а кроме того, измерениям препятствуют в летние месяцы свет, а зимой сильный мороз и

частая облачность. г -

В свете сказанного единственный путь для определения УОЛ и превышений геоида в Арктике —вычисление этих характеристик по аномалиям гравитационногои поля.

Таким образом, под сбором и обобщением комплексной гравиметрической информации в арктических областях понимается новые методические приемы уточнения данных как об аномалиях силы тяжести, так и об УОЛ. Поэтому диссертационная работа посвящена уточнениям особенностей методик получения аномалий гравитационного поля и уклонений отвесной линии в высоких широтах.

Цель и задачи исследований Цель работы - выработка новых методических подходов к сбору и обработке гравиметрической информации в приполюсных районах в интересах получения значений параметров гравитационного поля с заданной точностью.

Задачами работы являются:

1) Анализ влияния существующих по арктической зоне гравиметрических данных на точность вычисления параметров уклонений отвесной линий,

2) Уточнение методических приемов выполнения аэрогравиметрической съемки в высоких широтах.

3) Обоснование состава аэрогравиметрического комплекса для выполнения съемки в приполюсных районах.

4) Выработка предложений по совершенствованию методов вычисления УОЛ на основе результатов аэрогравиметрических работ в одном из высокоширотных районов.

Основные защищаемые положения.

1. Достаточность результатов гравиметрических работ, выполненных методом аэрогравиметрической съемки, для расчета параметров УОЛ в арктических районах с заданной точностью.

2. Разработана структура аэрогравиметрического комплекса, методика его использования, необходимые и достаточные для выполнения съемок в высоких широтах в интересах навигационно-гидрографического и геодезического обеспечения комплекса специального назначения.

3. Уточнены существующие методы расчета УОЛ и разработан рекуррентный алгоритм определения уклонений отвесной линии по значениям аномалий гравитационного поля Земли, основанный на стохастическом подходе.

Научная новизна. Разработаны методические приемы проведения аэрогравиметричекой съемки, позволяющие выполнять ее в труднодоступных, не населенных областях крайнего севера.

Личный вклад автора.

1. Проанализированы возможности трех методов гравиметрических измерений в Арктике: морской гравиметрии, альтиметрии и аэрогравиметрической съемки. Показано, что аэрогравиметрический метод измерения позволяет получать региональные гравиметрические карты аномалий силы тяжести, превышений геоида, УОЛ и должен быть основным методом изучения гравитационного поля Арктики.

2. В результате многолетних практических работ автором уточнена методика аэрогравиметрической съемки применительно к условиям Арктики.

3. Уточнены существующие методики расчета УОЛ и превышений геоида. Разработан рекуррентный алгоритм вычисления УОЛ по значениям аномалий гравитационного поля Земли.

Практическая значимость. Работа позволяет получить региональные карты аномалий силы тяжести, превышений геоида и УОЛ на арктические районы Земли. Общая площадь покрытия гравиметрическими съемками в Арктике по результатам данной диссертационной работы составляет 140 ООО квадратных километров.

Фактические материалы. Представлены полученные с помощью разработанных методик карты аномалий гравитационного поля, превышений геоида и уклонений отвесной линии на конкретные районы Мирового океана и Арктики.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертации докладывались на Международном симпозиуме «Наземная, морская и аэрогравиметрия: измерения на подвижных и неподвижных основаниях», проходившем в Санкт-Петербурге в 2007 году. По содержанию работы опубликованы 4 статьи, одна находится в печати и одни тезисы.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения 146 страниц текста, 11 таблиц, 40 рисунков. Список литературы содержит 61 наименование.

Автор выражает благодарность научному руководителю доктору технических наук Конешову Вячеславу Николаевичу за постоянную поддержку на всех этапах работы. Автор выражает искреннюю благодарность коллективу сотрудников ИФЗ РАН за огромную работу по исследованию гравитационного поля Арктики, без которой данная диссертация не могла состояться. Персонально выражаю благодарность руководителю ИФЗ РАН академику А.О. Глико за внимание оказанное данной работе.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации показана актуальность проблемы, сформулированы цели и задачи работы, ее научная новизна, отражена практическая значимость результатов работы. Введение содержит историческую справку об исследовании гравитационного поля арктического сектора России сотрудниками ИФЗ РАН в середине прошлого столетия. Также во введении приведена информация о международных данных по изученности гравитационного поля Мирового океана и в частности Арктики.

Глава 1. Выбор методов изучения гравитационного поля Земли в арктических областях с целью вычисления уклонений отвесной линии

Первая глава посвящена выбору метода изучения гравитационного поля с точки зрения необходимой точности, разрешающей способности и его применимости для высоких широт.

Дан анализ погрешностей и разрешающей способности различных методов получения гравиметрической информации в высоких широтах. Рассмотрена возможность применения методов исследования к различным районам Арктики.

В разделе 1.1 проанализированы критерии выбора методов. Обоснованы требования к точности определения аномалий силы тяжести для обеспечения необходимой точности вычисления уклонений отвесной линии. Определены требования к точности и разрешающей способности методов определения аномалий силы тяжести в резко аномальных зонах. Выполнен анализ влияния типа тектонических структур Земли на точность расчета УОЛ. Показана целесообразность геофизического районирования при выполнении таких расчетов. Даны рекомендации о возможном комплексировании информации, полученной разными методами на арктические районы. В этом разделе сформулированы требования к точности определения аномалий в свободном воздухе при расчете УОЛ, основанном на гравиметрическом методе. Проведен анализ точности информационных материалов для разных зон при существующих технологиях вычисления УОЛ. Показаны основные недостатки существующей методики вычисления УОЛ.

В разделе 1.2 выполнен анализ современных методов получения информации о гравитационном поле Арктики. В подразделе 1.2.1 рассмотрены особенности морской набортной гравиметрической съемки в высоких широтах. Рассмотрены достоинства и недостатки морской гравиметрии. Показаны результаты сравнения морских гравиметрических комплексов различных конструкций в ходе выполнения площадной гравиметрической съемки.

Выявлено, что более перспективной конструкцией является вариант морского гравиметрического комплекса МГК и его последующих модификаций.

В разделе 1.2.2 в качестве источника гравиметрической информации рассматривается спутниковая альтиметрия. В работе получена оценка достоинств и недостатков спутниковой альтиметрии. Показано, что данные альтиметрии позволяют построить гравиметрические карты не крупнее масштаба 1:1000000. Показаны границы использования метода спутниковой альтиметрии.

В разделе 1.2.3 рассмотрены достоинства и недостатки существующего метода аэрогравиметрической съемки. Оценивается точность и разрешающая способность аэрогравиметрических измерений. Показаны основные приемы аэрогравиметрической съемки.

Учитывая достоинства и недостатки каждого из трех методов изучения гравитационного поля Мирового океана показана целесообразность разработки методики комплексирования результатов измерений с учетом достоинств и недостатков каждого из названных методов.

Каждый из существующих методов оценивался с точки зрения использования информации, полученной с его помощью, для вычисления УОЛ с необходимой точностью в центральной и других зонах учета значений аномалий гравитационного поля.

Выполненный анализ позволил в разделе 1.3 сделать вывод, что составляющие УОЛ на морских и океанских акваториях могут и должны определяться на основе методов совместного использования данных съемки Мирового океана разными методами: спутниковой альтиметрией, морской гравиметрией и аэрогравиметрической съемкой. Базовой съемкой для районов высоких широт должна являться аэрогравиметрическая съемка.

Глава 2. Особенности методики проведения аэрогравиметрической съемки в Арктике

Основными особенностями методики проведения аэрогравиметрической съемки в Арктике, разработанными в процессе работы над диссертацией, являются:

1. Необходимость создания специального самолета - лаборатории, позволяющего выполнять аэрогравиметрическую съемку в тяжелых арктических условиях, связанных с большим перепадом температур, частым обледенением самолета, неустойчивой радиосвязью, непредсказуемыми погодными условиями и т.д.

2. Выбор типа гравиметрического комплекса.

3. Обеспечение дифференциальною режима работы ОРБ-системы в условиях малонаселенной, труднодоступной местности, существенно удаленной от района работ и т.д.

4. Планирование выполнения работ с точки зрения минимизации влияния возможных ошибок самолетовождения на точность аэрогравиметрической съемки и условий работы аэрогравиметрической аппаратуры в высоких широтах.

5. Выполнение необходимого оперативного (без использования информации с базовых станций) контроля качества работ с целью:

- контроля качества работы приборов, входящих в аэрогравиметрический

комплекс;

- контроля качества самолетовождения и оценки действий экипажа в

сложной метеорологической обстановке;

- обнаружения брака на этапе выполнения полевых работ с целью его

устранения при камеральной обработке.

В разделе 2.1 выполнена оценка возможностей существующих конструкций аэрогравиметрических комплексов. Рассмотрены созданные в России аэрогравиметрические комплексы: «Гравитон-М», «ГИНС-3», «Чекан-

AM» и «МАГ-1» («Силомер»), Осуществлен выбор конструкций аэрогравиметрических комплексов для установки на самолет при выполнении работ в арктических областях.

Для повышения надежности и достоверности гравиметрических измерений с помощью относительных гравиметров на борту самолета-лаборатории установлены три аэрогравиметрических комплекса, чувствительные системы которых работают на разных физических принципах.

В выбранных для выполнения аэрогравиметрической съемки отечественных аэрогравиметрических комплексах используются

корректируемые по внешним источникам навигационной информации (в данном случае GPS приемники) гиростабилизированные платформы. Коррекция выполняется с помощью навигационных сообщений, вырабатываемых приемником GPS. По этим сообщениям вычисляется и курсовой угол, необходимый для работы алгоритмов коррекции платформы.

Использование GPS в алгоритмах функционирования

аэрогравиметрических комплексов привело к двум серьезным методическим ограничениям выполнения работ в высоких широтах. Во-первых, необходимо обеспечить бесперебойный прием GPS сигналов и выработку навигационных решений. В противном случае при отсутствии GPS сигналов в течение 15 минут корректируемая гиростабилизированная платформа «завалится». Во-вторых, в высоких широтах при полете с курсами в диапазоне 2403 - 3003 западная составляющая скорости движения самолета практически компенсирует линейную скорость, обусловленную вращением Земли. В этом случае в корректируемой гиростабилизированной платформе курсовой угол, вычисляемый по информации с GPS, определяется с большими погрешностями, что приводит к «завалу» гиростабилизированной платформы. Это является одним из недостатков гиростабилизированных платформ, используемых в аэрогравиметрических комплексах. В связи с этим необходимо избегать полетов по профилям в западном направлении.

Наличие двух вышеназванных ограничений требует обеспечение надежного приема GPS сигналов и заблаговременного планирования направления гравиметрических профилей, минимизирующего количество и протяженность профилей в критическом направлении.

В разделе 2.2 показано, что для выполнения аэрогравиметрической съемки в Арктике необходимо иметь специально оборудованный самолет-лабораторию. Основным условием создания самолета-лаборатории является проведение следующих мероприятий:

использование трех аэрогравиметрических комплексов. Это обеспечивает выполнения условия надежности и достоверности полученных результатов аэрогравиметрической съемки. В настоящее время в ИФЗ РАН для этой цели используются аэрогравиметрические комплексы «МАГ-1», «Силомер» и «Чекан- АМ»;

применение специально разработанных . и изготовленных виброзащитных платформ для установки аэрогравиметрических комплексов;

- применение специальных теплозащитных экранов (оснований) в салоне самолета для устранения возможных перепадов температуры;

- прокладка основных и резервных силовых кабелей для электропитания гравиметров с целью их дублирования для обеспечения бесперебойного электроснабжения приборов и поддержания постоянной температуры в салоне самолета с помощью электропечей;

прокладка дополнительных электросетей для обеспечения функционирования аппаратуры, контроля температуры внутри салона самолета и информационных систем, дублирующих информацию навигационно-пилотажных приборов штурмана на рабочем месте борт-оператора;

- выполнение монтажа антенн GPS приемников, обеспечивающих работу комплексов исходя из условий минимизации расстояния от места их расположения до аэрогравиметрических комплексов и обеспечения бесперебойности приема сигнала GPS.

В настоящее время аэрогравиметрическая съемка в высоких широтах ИФЗ РАН выполняется на борту самолета комплектом аппаратуры, в состав которого входят:

- аэрогравиметрический комплекс «МАГ-1»;

- аэрогравиметрический комплекс «Силомер»;

- гравиметрический комплекс «Чекан-АМ» (авиационный вариант);

- три приемника системы спутниковой навигации GPS фирмы Javad, обслуживающие каждый из аэрогравиметрических комплексов в отдельности;

- стойки регистрирующей аппаратуры, пульты управления, контроля;

- отдельно установленных приемников GPS фирмы Garmin на рабочих местах пилотов, штурмана и радиста;

- спутниковая радиостанция системы Iridium, позволяющая осуществлять связь самолета в высоких широтах с диспетчерскими службами.

Отдельным, но важным вопросом является вопрос синхронизации измерений. Дело в том, что каждый из комплексов имеет «свои» часы, которые задаются внутренним тактовым генератором микроЭВМ, входящим в контур каждого аэрогравиметрического комплекса. Система спутниковой навигации GPS имеет «свои» часы. Поэтому для последующей синхронизации время системы GPS записывается в кадр информации каждого из аэрогравиметрических комплексов. Аппаратурная синхронизация гравиметров по времени с системой GPS не оправдала себя, так как в высоких широтах эта система подвержена сбоям. Это приводило к «зависанию» программ управления гравиметров. Поэтому вопрос синхронизации измерений решается только в ходе камеральной обработки при расшифровке кадра информации каждого из аэрогравиметрических комплексов.

В разделе12.3 дано описание особенностей создания базовых станций в Арктике. Для обеспечения необходимой точности изменений вертикальной скорости самолета, его плановой и высотной привязки необходимо использовать дифференциальный режим GPS-системы. Этот режим

обеспечивается установкой отдельного приемника GPS на борту самолета для каждого аэрогравиметрического комплекса, сигналы которого регистрируются и документируются на борту самолета, и двух-трех приемников GPS в качестве базовых станций на земной поверхности.

Базовая станция - это приемник GPS, аналогичный приемнику, которым ведется наблюдение, расположенный в точке земной поверхности района работ. Как правило, при выполнении геодезических работ, этот приемник документирует навигационное решение, которое характеризует погрешности распространения сигналов от спутников системы GPS. Полученное решение вычитается из решения измеряющего приемника для более достоверного вычисления координат точек измерения. Рекомендованное расстояние между измеряющим приемником и базовой станцией не должно превышать 120 километров.

В отличие от геодезических работ во время выполнения аэрогравиметрической съемки на базовой станции, так же как на борту самолета-лаборатории, во время полета самолета выполняется только операция документирования первичной информации от спутников системы GPS с частотой, равной частоте регистрации информации на борту самолета (10 Гц). В этом случае основная задача базовой станции в аэрогравиметрической съемке -это учет ионосферных задержек сигналов спутников, принимаемых в районе работ. В ходе выполненных аэрогравиметрических съемок было выявлено предельное расстояние от самолета до базовых станций, не приводящее к существенному ухудшению качества гравиметрических измерений. На данном этапе развития аппаратурных и программных средств выявлено, что оно не должно превышать расстояние в 400 километров. Этот параметр очень важен при планировании съемок в высоких широтах, так как в Арктике отсутствует возможность установки базовых станций на небольших расстояниях от района работ.

В ходе проведения работ в высоких широтах на базовых станциях обнаружено, что наблюдается пропадание приема GPS сигналов в условиях густого сырого тумана. Поэтому месторасположение базовых станций желательно выбирать на открытых высоких местах, где вероятность тумана и отсутствие приема GPS сигналов уменьшается.

Антенна базовой станции должна быть максимально приподнята над окружающей местностью. Ее конструкция должна обеспечивать наилучшую диаграмму направленности по углам больших возвышений и минимальные значения коэффициента направленного действия в направлении горизонта.

В разделе 2.5 описаны особенности методики аэрогравиметрической съемки в Арктике. Как и всякая гравиметрическая съемка, проводимая с относительным гравиметром, аэрогравиметрическая съемка в Арктике выполняется методом замкнутых петель.

Инструкции при планировании такой съемки рекомендуют профили располагать «в крест» аномалии - то есть основные съемочные профили должны быть расположены по направлению максимального градиента аномалии.

В высоких широтах это условие трудно выполнимо. Выше было показано, что некоторые направления курсов нецелесообразны, так как приводят к «завалу» гиростабилизированных платформ аэрогравиметрических комплексов. В нашей практике съемки основное направление съемочных профилей располагается в направлении север-юг, а секущие (контрольные) профили имели направление только на восток.

При планировании планшета профилей для обеспечения равномерной густоты точек гравиметрического каталога на единицу площади в высоких широтах необходимо учитывать сближение меридианов по направлению к северу.

Условия для проведения аэрогравиметрических работ в Арктике -тяжелые: обледенение, отсутствие связи, высокий уровень инерционных помех,

И

приводили в ряде случаев к невозможности выполнять съемку. Уровень возмущающих ускорений не бывает постоянным даже на протяжении одного полета. Он может изменяться в зависимости от тяжести погодных условий (облачность, обледенение, ветер) от 100 до 350 Гал. Это накладывает ограничения на вид используемых фильтров для выделения полезного сигнала из суммарного сигнала, измеренного гравиметрами на борту самолета-лаборатории.

В разделе 2.6 описаны особенности камеральной обработки результатов измерений для получения каталога и гравиметрических карт.

Важной особенностью аэрогравиметрической съемки в высоких широтах является необходимость экспресс оценки результатов полета за текущий день. Результатами расчетов экспресс оценки являются приращения значений аномалий на отдельных профилях полета по каждому из аэрогравиметрических комплексов в условном уровне. Эта оценка рассматривается в корреляционной зависимости от условий полета и характера пилотирования самолета-лаборатории. Экспресс обработка позволяет:

- оценить работоспособность аэрогравиметрических комплексов в зависимости от условий полета и характера пилотирования самолета-лаборатории;

оценить качество GPS сопровождения приемниками аэрогравиметрических комплексов и штурманской службы экипажа;

- в случае негативных объективных оценок контроля результатов пилотирования самолета принять меры по улучшению в дальнейшем качества пилотирования;

- на основании выработанных критериев экспресс оценки принять решение об использовании полученного первичного материала для дальнейшей камеральной обработки или выполнить заново «неудачные» профили проведенного полета. Отбраковка на этапе выполнения полетов исключает в

окончательном планшете пропуск пунктов из-за «неудачных» результатов на отдельных профилях полетов.

Экспресс оценка позволяет анализировать качество функционирования аэрогравиметрических комплексов, GPS сопровождения и работу экипажа. В конечном итоге данная оценка влияет на точность аэрогравиметрической съемки.

Разницей экспресс оценки, выполняемой по результатам съемки в высоких широтах по сравнению с аналогичным анализом в средних широтах, является объем анализируемой первичной информации приемников GPS систем обеспечения и пилотирования, обрабатываемых для принятия решения о качестве полета,

В данном разделе показаны также особенности получения результатов аэрогравиметрической съемки и составления карт аномалий. Особое внимание уделено способу аналитического продолжения аномалий гравитационного поля вниз при обработке и анализе аэрогравиметрических измерений.

В диссертации определены пути повышения эффективности проведения аэрогравиметрических измерений. В частности даны рекомендации по совершенствованию навигационно-геодезического обеспечения

аэрогрвиметрических работ и даны предложения по применению аэрогравиметрического комплекса «Силомер» в высоких широтах.

Из выполненного описания особенностей методики аэрогравиметрической съемки в высоких широтах и полученных результатов видно, что с помощью этой съемки возможно проведение региональных гравиметрических работ и получение гравиметрических карт масштаба 1:200 ООО и 1:100 ООО.

Глава 3. Совершенствование методики расчета уклонений отвесной линии

Существующие методы расчета уклонений отвесных линий базируются на формулах Вейнинг-Мейниса, графического представления информации на районы центральной, ближней, средней и дальних зон и неудобны для выполнения расчетов значений УОЛ. В диссертации

предлагаются два варианта алгоритмов расчета УОЛ, которые прошли проверку по результатам гравиметрических съемок.

В разделе 3.1 рассмотрены особенности расчета уклонений отвесной линии и превышений геоида в Арктике по аномалиям гравитационного поля. Описаны основные требования к исходной модели аномального поля. Уточнена методика вычисления уклонений отвесной линии с любой детальностью. Предложены пути совершенствования моделей аномалий гравитационного поля при решении указанных задач. Предложенный метод проверен при расчете УОЛ в районе транформного разлома Кейн. Вычисления УОЛ и превышений геоида в настоящее время проходят опробование с целью найти параметры (размеры ближней зоны, густоту исходной сетки в ближней зоне и коэффициенты сгущения сетки в центральной зоне, степень разложения и др.), обеспечивающие точность расчетов 0.2"-0.4" в уклонениях отвеса.

В разделе 3.2 описан рекуррентный алгоритм определения уклонений отвесной линии по данным гравиметрической съемки, основанный на стохастическом подходе. Несомненным достоинством данного метода является возможность использования итерационной процедуры, что позволяет обрабатывать данные съемок, полученные на обширных территориях. Также данный метод позволяет уточнять оценку при добавлении новых измерений независимо от их расположения.

Достоинством стохастического подхода к задаче определения уклонений отвесных линий являются возможность работать с данными различных типов, в частности с данными аэрогравиметрических измерений, выполненных на разных высотах.

Предложенный метод был проверен при расчете модулей вектора УОЛ для района акватории Черного моря. Разность результатов расчета УОЛ по рекуррентному алгоритму определения уклонений отвесной линии по данным гравиметрической съемки и стандартной методике, базирующейся на формулах традиционного метода, не превысила 3% и носила случайный характер.

^Следовательно, задачи расчета УОЛ могут решаться с необходимой точностью путем использования результатов аэрогравиметрических съемок. Этот результат весьма актуален для районов полярных шапок Земли.

Глава 4. Экспериментальные результаты проверки новых методических приемов при проведении аэрогравиметрических съемок

Институт физики Земли РАН при участии автора диссертационной работы проводил опытно-методические и производственные аэрогравиметрические , съемки на протяжении последних шести лет. В настоящее время в высоких широтах выполнены аэрогравиметрические съемки, построены по их результатам гравиметрические карта аномалий в свободном воздухе масштаба 1:200 ООО. Общая площадь, покрытая съемками в высоких широтах, составляет 140 ООО квадратных километров. Результаты аэрогравиметрических съемок приняты Заказчиком.

Глава 4 дает описание экспериментальных работ. В разделе 4.1 рассматриваются примеры опытно-методических работ. В основном отработка методики аэроравиметрической съемки выполнялась над акваторией Ладожского озера. Первоначально она проводилась в 2000 году по заказу Севморгео с участием специалистов ИФЗ РАН и МГУ. Работы проводились на борту самолета ИЛ-114 гравиметрическим комплексом МИЭА. Для координирования точек измерения на профилях использовались GPS приемоиндикагоры в дифференциальном режиме. Для подтверждения полученных результатов аэрогравиметрическая съемка была проведена повторно в 2002 году с использованием гравиметров «Силомер» и «Чекан-АМ».

Погрешность измерений над Ладожским озером в точках пересечения гравиметрически,к профилей составила 0,46 мГ'ал. Этот результат позволил построить карту аномалий в свободном воздухе сечением 2 мГал в условном уровне. Данной точности достаточно чтобы использовать результаты аэрогравиметрической съемки дня вычисления модулей вектора УОЛ в центральной зоне. Результаты расчетов аномалии силы тяжести и погрешности

вычисленных модулей УОЛ на акватории Ладожского озера приведены на рисунках в тексте диссертации.

В разделе 4.2 описан пример аэрогравиметрической съемки в одном из районов высоких широт с использованием методических особенностей съемки и расчетов, описанных в разделах 2 и 3. Даны примеры региональной карты аномалий гравитационного поля, превышений геоида и составляющих УОЛ для данного района арктической области. Показано, что полученные карты удовлетворяют заданным требованиям к региональным картам.

Основные выводы

1. Показано, что для подготовки данных для вычисления уклонений отвесной линии в центральной и ближней зоне необходимо использовать результаты высокоточной аэрогравиметрической или морской набортной гравиметрической съемки. Учитывая тяжелые природные условия проведения гравиметрических съемок в Арктике, основным методом получения гравиметрической информации в арктических условиях является метод аэрогравиметрической съемки.

2. Уточнена методика аэрогравиметрической съемки для районов Арктики. При этом решен ряд прикладных задач, который позволяет обеспечить в этом регионе получение региональных гравиметрических карт масштаба 1:200 ООО и крупнее. Оказалось, что каждый из них в той или иной степени влияет на конечный результат - точность аэрогравиметрической съемки. Разработаны предложения по совершенствованию аппаратуры и методических приемов для повышения точности аэрогравиметрической съемки в Арктике.

3. Предложены два варианта алгоритмов расчета УОЛ, которые более соответствуют современным возможностям вычислительной техники и прошли проверку на материалах гравиметрических съемок. Результаты вычислений УОЛ показали хорошую сходимость вычислений традиционным методом и предлагаемыми вариантами алгоритмов. Задачи

расчета УОЛ могут решаться с необходимой точностью путем использования результатов аэрогравиметрических съемок.

4. В высоких широтах выполнены аэрогравиметрические съемки, построены по их результатам гравиметрические карты аномалий в свободном воздухе масштаба 1:200 ООО. Полученные результаты наглядно показывают, что необходимые требования получения региональных карт гравиметрических аномалий, уклонений отвесной линии и превышений геоида выполняются. Общая площадь, покрытая съемками в Арктике, составляет 140 ООО квадратных километров.

Список публикаций по теме диссертации

1.Рожков Ю.Е., Дробышев Н.В., Клевцов В.В., Конешов В.Н. О возможности применения результатов аэрогравиметрических измерений для вычисления уклонений отвесной линии в труднодоступных районах// Физика Земли - 2005 -№ 2 - с.84-87.

2. Рожков Ю.Е., Дробышев Н.В., Клевцов В.В., Конешов В.Н. О возможности применения результатов аэрогравиметрических измерений для вычисления уклонений отвесных линий. Главное управление навигации и океанографии // Записки по гидрографии - 2006 - №266 - с.32-38.

3. Рожков Ю.Е., Дробышев Н.В., Конешов В.Н., Папуша И.А., Попельский М.Ю. Рекуррентный алгоритм определения уклонений отвесной линии по данным гравиметрической съемки, основанный на стохастическом подходе// Гироскопия и навигация - 2006 - №2 - с. 26-34.

4. Рожков Ю.Е., Конешов В.Н., Дробышев Н.В., Соловьев В.Н. Комплексирование информации об аномалиях гравитационного поля Земли в высоких широтах, полученной с помощью аэрогравиметрии, морской

набортной гравиметрической съемки и спутниковой альтиметрии // Наземная, морская и аэрогравиметрия: измерения на подвижных и неподвижных основаниях. Тезисы доклада на международном симпозиуме Санкт-Петербург, ФГУП «ЦНИИ «Электроприбор», 2007 - с. 71-72.

5. Рожков Ю.Е., Дробышев Н.В., Конешов В.Н., Погорелов В.В., Соловьев В.Н. Особенности методики аэрогравиметрической съемки, проводимой в высоких широтах// Физика Земли - 2009 - №8 - с. 36-41.

6. Рожков Ю.Е., Боярский Э.А., Афанасьева Л.В., Конешов В.Н. К вычислению уклонений отвесной линии и превышений геоида по гравитационным аномалиям// Физика Земли - 2009 (в печати).

Рожков Юрий Евгеньевич Сбор и обобщение комплексной гравиметрической информации в арктических областях Мирового океана

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Подписано в печать 29.10.2009 г. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Отпечатано в ИАЦ ИФЗ РАН

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Рожков, Юрий Евгеньевич

Введение

Глава 1. Выбор методов изучения гравитационного поля Земли в арктических областях с целью вычисления уклонений отвесной линии . 14 1.1 Анализ критериев для выбора методов изучения гравитационного поля Земли в арктических областях с целью обеспечения вычисления уклонений отвесной линии с заданной точностью.

1.1.1 Требования к точности определения аномалий силы тяжести для обеспечения точности определения уклонений отвесной линии

1.1.2 Требования к точности определения аномалий силы тяжести в резко аномальных зонах при вычислении уклонений отвесной линии

1.2 Анализ методов изучения гравитационного поля Арктики.

1.2.1 Морская набортная гравиметрическая съемка.

1.2.2 Метод спутниковой альтиметрии.

1.2.3 Аэрогравиметрическая съемка.

1.3 Выбор методов изучения гравитационного поля Земли в арктических областях.

Глава 2. Особенности методики проведения аэрогравиметрической съемки в Арктике.

2.1 Анализ существующих отечественных аэрогравиметрических комплексов с целью выбора типа комплекса для съемки в Арктике

2.1.1. Аппаратно-программный комплекс «Гравитон-М».

2.1.2. Гравиизмерительная система ГИНС

2.1.3 Гравиметрический комплекс «ЧЕКАН — АМ».

2.1.4 Инерциально-гравимерический комплекс «МАГ-1».

2.1.5. Некоторые сравнительные характеристики комплексов.

2.1.6 Выбранные и используемые ИФЗ РАН для работы в Арктике российские аэрогравиметрические комплексы

2.2 Создание самолета-лаборатории для работы в Арктике.

2.3 Обеспечение дифференциального режима работы GPS в арктических условиях

2.4 Особенности камеральной обработки результатов измерений.

2.4.1 Порядок обработки материалов, полученных комплексом «МАГ-1» («Силомер»).

2.4.2. Порядок обработки материалов, полученных комплексом «Чекан-АМ».

2.4.3. Окончательная обработка результатов аэрогравиметрической съемки.

2.5 Пути повышения эффективности проведения аэрогравиметрических съемок.

2.5.1 Совершенствование навигациионно-геодезического обеспечения гравиметрических измерений.

2.5.2 Предложения по применению гравиметра «Силомер» в высоких широтах.

Глава 3. Совершенствование методики расчета уклонений отвесной линии

3.1. Вычисление уклонений отвесной линии и превышений геоида по гравитационным аномалиям.

3.2. Рекуррентный алгоритм определения уклонений отвесной линии по данным гравиметрических съемок, основанный на стохастическом подходе.

3.3. Выводы по главе

Глава 4. Экспериментальные результаты проверки новых методических приемов при проведении аэрогравиметрических съемок.

4.1. Результаты первых опытных аэрогравиметрических съемок в средних широтах.

4.2. Пример результатов аэрогравиметрических съемок в высоких широтах.

4.3. Выводы по материалам главы 4.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Сбор и обобщение комплексной гравиметрической информации в арктических областях Мирового океана"

Северный Ледовитый океан с прилегающими морями в целом относится к малоизученным районам Мирового океана. Многие погрешности ранее созданных моделей гравитационного поля Земли связывают именно с недостаточностью гравиметрических данных на районы полярных шапок. Существует необходимость в разработке методов получения и обобщения гравиметрической информации на труднодоступные приполюсные районы с целью уточнения превышений геоида над эллипсоидом, решения различных прикладных задач, в том числе и в интересах национальной безопасности государства.

Отдельной актуальной задачей для районов Арктики является определение границы континентального шельфа России. Региональные гравиметрические карты высоких широт являются серьезным аргументом при построении обоснованных геологических моделей в Арктике при их представлении в международные организации, определяющие границы шельфа. При отсутствии возможности выполнять региональные сейсмические исследования сведения о геофизических полях могут оказать неоценимую помощь.

Региональные гравиметрические карты высоких широт могут быть полезны для построения геологических моделей при поиске залежей углеводородов в арктических областях России. У

В связи с вышеперечисленными областями применения результатов региональных гравиметрических работ в Арктике задача диссертации по сбору и обобщению комплексной гравиметрической информации в арктических областях Мирового океана является весьма актуальной.

Поставленная задача стала актуальной с середины прошлого столетия. В то время отсутствие информации о гравитационном поле высоких широт сдерживало составление общей модели фигуры Земли, не позволяло решать ряд специальных задач с необходимой точностью.

В середине пятидесятых годов Министерство обороны СССР обратилось в Главное управление геодезии и картографии и Академию наук с просьбой выполнить площадную гравиметрическую съёмку советского сектора Северного Ледовитого океана. Причем на производство работ отводились крайне сжатые сроки - всего два года. Учитывая метеорологические условия Арктики, проведение указанных работ возможно только в весеннее время года (март-май), когда уже закончилась полярная ночь, а лёд ещё достаточно прочен для посадки тяжёлых самолётов.

Таких работ в практике мировой гравиметрической съёмки не было. Дело было новое и достаточно рискованное. ГУГК по каким-то причинам отказался от выполнения этих работ. Тогда Юрий Дмитриевич Буланже совместно с Сергеем Ефимовичем Александровым дали согласие произвести съёмку Полярного бассейна в указанные сроки силами сотрудников Геофизического института АН СССР и офицеров Военно-топографической службы Советской Армии (ВТС).

В короткое время была разработана методика работ и подготовлена необходимая гравиметрическая аппаратура и вспомогательное оборудование для измерения силы тяжести на дрейфующих льдах. Одновременно с этим были подготовлены соответствующие документы директивных органов по обеспечению этих работ финансированием и транспортными средствами.

Распоряжением Совета Министров СССР № 645 от 3 февраля 1955 г. и Постановлением Совета Министров СССР № 383-232 от 3 марта 1955 г. «. предлагалось организовать Высокоширотную воздушную экспедицию 1955 года, в задачу которой входит выполнение на дрейфующих льдах гравиметрических и магнитных наблюдений в районе к северу от Шпицбергена, Земли Франца Иосифа и Северной Земли, включая полосу над подводным хребтом Ломоносова и район Северного Полюса.».

Эта экспедиция получила название Высокоширотная воздушная экспедиция «Север-7». В её составе был создан Научный отряд под руководством старшего научного сотрудника Арктического института Главсевморпути кандидата географических наук Алексея Емельяновича Острекина.

Для выполнения гравиметрических наблюдений была организована Геофизическая группа под общим руководством доктора физико-математических наук Юрия Дмитриевича Буланже. Непосредственно работами на дрейфующем льду руководил Сергей Ефимович Александров.

В гравиметрических работах приняли участие сотрудники Геофизического института АН: Ю.С. Доброхотов, Е.И. Попов, Р.Б. Рукавишников, С.Н. Щеглов, Ю.Н. Авсюк, В.М.Иванов, Ю.П.Измайлов, С.М.Новиков, С.А.Попов и прикомандированные к ГеофиАН-у офицеры ВТС СА.

Для обеспечения научных работ на дрейфующих льдах было задействовано 13 самолётов:

5 самолётов Ли-2 и 2 самолёта Ан-2 - подвижные группы. 2 самолёта Ан-2 - дежурство на Ледовых базах.

2 самолёта Ил-12 - обеспечение Ледовых баз горючим, продовольствием и снаряже-нием.

1 самолёт Ил-12 - связь Ледовых баз с исходными береговыми пунктами. 1 самолёт Ил-12 - авиаразведка.

Геофизическая группа должна была выполнить площадную гравиметрическую съёмку плотностью 1 пункт на 10000 км . Планом предусматривалось определение ускорения силы тяжести в 105 точках, расположенных более-менее равномерно в западной части центральной Арктики, включая район Северного Полюса.

В соответствии с намеченным планом в районе работ подбиралось достаточно прочное ледовое поле для временной Ледовой базы. Вокруг Базы выбиралось от 10 до 20 пунктов, на которых проводился весь комплекс предусмотренных планом измерений.

После отработки намеченных пунктов выбиралось новое место для Ледовой базы, и вокруг неё выполнялись измерения на очередных запланированных точках и т.д.

Ледовая база также служила местом, куда самолётами Ил-12 с материка доставлялись горюче-смазочные материалы, продукты питания, газовые баллоны и прочее необходимое экспедиционное снаряжение и оборудование. Кроме того, на Ледовой базе периодически проводился контроль смещения нуль-пункта всех экспедиционных гравиметров.

Непосредственно работа велась гравиметрами СН-3 и теодолитом ОТ-02.

На Ледовой базе находилось пять гравиметров СН-3, показания которых отсчитывали С.Е.Александров, Ю.С.Доброхотов, Е.И.Попов 2-3 раза в сутки и в моменты наблюдений на Ледовой базе гравиметров подвижных групп. Всего в процессе работ было организовано пять Ледовых баз, одна из которых находилась вблизи Северного полюса (широта 88,5 градуса).

Для контроля смещения нуль-пункта гравиметров подвижных групп и на Ледовой базе и его изменения во времени были организованы специальные рейсы самолёга Ил-12, на борту которого находились пять гравиметров СН-3 и операторы Р.Б.Рукавишников, Ю.П.Сорокин и С.Н.Щеглов. Ускорение силы тяжести передавалось на Ледовую базу по мере необходимости, но не реже как через каждые 2-3 суток с береговых опорных пунктов определённых заранее: мыс Желания (остров Новая Земля), Нагурская (архипелаг Земля Франца Иосифа), Средний (остров Северная Земля) и мыс Челюскин.

Несмотря на суровые условия Арктики, геофизическая группа успешно выполнила предусмотренные планом работы. Всего за два сезона работ в российском секторе Полярного бассейна был определен 281 гравиметрический пункт.

Точность гравиметрической съёмки оказалась в среднем 1,2 мгал. Координаты пунктов определялись астрономическим методом и получены со средней квадратической ошибкой 0,1 минуты по планетам и звёздам и 0,6 минуты по Солнцу.

В результате выполненных работ была создана первая гравиметрическая карта российского сектора Арктики масштабом 1:1 ООО ООО.

Позднее в ходе интенсивных гравиметрических съемок Мирового океана за четыре последних десятилетия собрано большое количество данных о гравитационном поле Земли, полученных разными странами на различных акваториях. Наибольший объем информации по зарубежным съемкам ГПЗ в Мировом океане имеется в Национальном Центре Геофизических данных США [1]. Сформированная Центром база морских геофизических данных (БД) "GEODAS", включающая цифровую батиметрическую, гравиметрическую и магнитометрическую информацию, записанную на компакт-дисках в формате MGD77, содержит материалы около 5000 экспедиций более чем 20 ведущих стран мира (США, Франции, Великобритании, Канады, Германии, Японии, России (СССР) и др.). Россия представлена в этой базе в основном материалами, полученными в ходе выполнения исследований судами Академии Наук.

Объемы гравиметрической информации в линейных километрах составляет 5.5 млн. миль.

GEODAS» включает данные о гравиметрических съемках, выполненных различными странами и организациями. Их общий объем составил около 14 432 тыс. значений ГПЗ, а длина съемочных галсов — около 5 523 тыс. миль в различных районах Мирового океана. Данные в базу данных (БД) переданы 24 организациями из 11 стран мира, около 70% данных составляют материалы 10 научных организаций США.

Общий объем исследований США, включенных в БД, составляет более 4 млн. морских миль. Американскими организациями получено более 10 млн. гравиметрических пунктов во всех районах Мирового океана.

Общий объем исследований Франции, включенных в БД, составляет около 2 млн. пунктов ГПЗ, протяженность профилей более 300 тыс. морских миль.

Общий объем исследований Японии, включенных в БД, составляет около 800 тыс. морских миль, выполнены измерения ГПЗ в 1.5 млн. точек.

Английскими исследователями получены измерения в более чем 680 тыс. пунктах, протяженность профилей составляет более 165 тыс. морских миль.

Значительные объемы гравиметрических измерений представлены такими странами как Новая Зеландия (150 тыс. значений ГПЗ), Австралия (75 тыс. значений ГПЗ), Нидерланды (около 50 тыс. значений ГПЗ), Китай (более 20 тыс. значений ГПЗ), Канада (около 14 тыс. значений ГПЗ).

Наиболее изученными являются районы Норвежско-Гренландского бассейна, северной части Атлантического океана и северо-западной части Тихого океана, а также прибрежные части Африки и обеих Америк. Помимо полярных областей наименее изученным в гравиметрическом отношении остается Индийский океан (средняя плотность покрытия гравиметрическими измерениями составляет примерно 1 пункт на 46 км ), а также южные части Тихого и Атлантического океанов. В международном обмене практически отсутствует информация о гравиметрической изученности центральной части Арктического бассейна, где, по ледовым условиям, невозможно выполнение съемок с надводных судов. Средняя плотность покрытия гравиметрической съемкой по всему Мировому океану составляет около 1 пункта на 25 км . В морях и прибрежных частях материков и островов эта плотность как привило

•у выше (порядка 1 пункта на 10-15 км и более).

Еще 20 лет назад в Арктическом океане имелись лишь редкие измерения силы тяжести на побережьях, островах, дрейфующих льдах и на открытой воде во время эпизодических заходов судов в полыньи между льдами. Кроме того, имелись отдельные маршруты плавания подо льдом атомных подводных лодок. С начала 1990-х годов США и Канада приступили к планомерным гравиметрическим измерениям в Арктике. Продолжались и традиционные съемки со льда, на воде и под водой. С 1991 по 1996 гг. спутниковая альтиметрия проводилась по программе ИСЗ ERS-1, а с 1995 г. - по программе ERS-2.b результате большие площади покрыты плотной сетью подспутниковых трасс [2]. В 1980 г. Лаборатория морских вооружений США (NRL), а также геологические службы США и Канады начали аэрогравиметрические измерения в Арктике: с 1992 г. при этих работах началось использование GPS. К 1998 г. аэрогравиметрической съемкой было покрыто более 2 млн кв. км, в основном, в Канадской Арктике. В [1] выполнен анализ съемок. Сравнение выполнено по 4-м профилям в море Бофорта (длина профиля 800 км), по одному профилю в Чукотском море длиной 800 км. Сравнение аномалий силы тяжести, полученных по альтиметрии, аэро- и наземно-надводным измерениям показало, что аэрогравиметрические и альтиметрические данные NRL и ИСЗ ERS хорошо согласуются: средние квадратические расхождения на одном из профилей составляет 1.9 мГал. Получились хорошие совпадения и с наземными измерениями.

В [3] сообщается, что научно-исследовательскими и производственными организациями России собраны данные аэромагнитных, гравиметрических и батиметрических съемок северного шельфа Евразии. Гравиметрические и батиметрические данные получены по надводным ледовым и самолетным измерениям. В Карском и Баренцевом морях данные осреднены в интервале 5 км (по профилям измерений), на шельфе восточной Сибири - по сетке 10x10 км.

Уровень точности мировой гравиметрической съемки анализируется в [4]. Несмотря на то, что в использование космических систем альтиметрических измерений позволяет получать параметры гравитационного поля Земли и данные спутникового нивелирования могут быть пересчитаны в гравитационном поле на поверхности океанов с погрешностью, приемлемой для решения многих задач, из-за низкой разрешающей способности этими методами можно вычислить аномалию силы тяжести на акватории площадью несколько сот квадратных миль с погрешностью 6-10 мГал. Поэтому потребность в океанских надводных измерениях при условии, что их точность на порядок, а детальность — на два порядка выше, чем при использовании альтиметрических данных, по-прежнему сохраняется

Выполнен анализ данных, полученных в 753 экспедициях разных стран в период 1960-1982 гг. - 2.4 млн. и хранящихся в Ламонтской обсерватории. Оценка точности съемок произведена с выделением систематической и случайной погрешностей каждой конкретной экспедиции. Оценка делалась на основе анализа разностей, полученных на пересечениях галсов рассматриваемой экспедиции со всеми остальными (внешний контроль) и собственными галсами (внутренний контроль). Сравнивались аномалии в свободном воздухе.

Общий уровень качества мировой гравиметрической съемки оценивается по следующим значениям: колебания систематического уровня ± 16.8 мГал, среднеквадратические расхождения ± 20.9 мГал.

После отбраковки данных экспедиций, содержащих систематические ошибки более 10 мГал, для оставшихся 82.2% наблюдений эти цифры соответственно равны 4.4 мГал и 17.1 мГал. Количество данных с систематическими ошибками менее 4 мГал составляет 54.7% при колебаниях их уровня ±2.2 Мгал и случайных расхождениях 15.4 мГал.

В целях использования полученных данных целесообразно создать банк по рейсам, имеющим высокую точность соответствующих уровню систематических погрешностей в 2-4 мГал.

Характеристики гравиметрических данных, приведенных в картографических издания, выполнены в [5].

В прошедшие десятилетия для оценки аномалий гравитационного поля использовались разные методы.

Исследования гравитационного поля высоких широт выполнялись, прежде всего, при помощи набортной гравиметрической съемки в пределах открытой воды. Были выполнены съемки участков северной части Атлантического океана и окраинных морей Северного Ледовитого океана. Основная нагрузка в изучении Арктики легла на ледовую десантную гравиметрическую съемку, что для своего времени было большим научно-техническим достижением. Однако современные задачи и их актуальность требуют знаний аномалий гравитационного поля с более высокой точностью и разрешающей способностью.

Расчет уклонений отвесной линии (УОЛ) и превышений геоида актуален для всех регионов планеты, но вызывает особый интерес для полярных районов, и для Арктики особенно. Здесь исходными данными могут быть только аномалии гравитационного поля, так как нет возможности определить превышения геоида по данным спутниковой альтиметрии. Ниже описана уточненная методика для вычисления УОЛ и превышений геоида с учетом современных возможностей вычислительной математики и необходимой точности расчетов, в частности, для определения УОЛ с погрешностью 0.5-1".

Современные гравиметры позволяют измерить модуль вектора силы тяжести g с погрешностью не хуже 0.2 мГал даже на поверхности океана. В большинстве расчетов вертикальную компоненту вектора g можно считать равной измеренному модулю | g \ - относительное различие между ними нигде на Земле не превышает МО"7. В труднодоступных районах, в том числе в Арктике, в изучении гравитационного поля основную роль играют спутниковые методы и аэрогравиметрические измерения. Таким образом, аномальное поле силы тяжести Земли известно достаточно детально.

С определением уклонений отвесной линии дело обстоит значительно хуже. Уже с тридцатых годов прошлого века триангуляция в СССР включала в себя пункты Лапласа, где измерены координаты: геодезические В и L, относящиеся к некоторому референц-эллипсоиду, и астрономические ср и Л, которые привязаны к отвесной линии в данном пункте. Но такие астрономо-геодезические пункты располагаются только на суше, и их настолько мало, что они не позволяют получить подробные карты уклонений отвесной линии, тем более, в Арктике.

Для определения УОЛ в Германии и в Швейцарии сравнительно недавно были разработаны транспортабельные зенит-камеры [6], которые объединяют в себе зенит-телескоп и GPS-приемник. Первые измерения этими приборами сделаны в 2003 г. и оказались исключительно успешными. За полчаса наблюдений зенит-камера определяет УОЛ на пункте с погрешностью около 0.1". Но пока это лишь несколько приборов для измерений на суше. В Арктике их применение проблематично, так как там мало участков суши, а кроме того, измерениям препятствуют в летние месяцы свет, а зимой сильный мороз и частая облачность.

В свете сказанного единственный путь для определения УОЛ и превышений геоида в Арктике — это вычисления.

Таким образом, под сбором и обобщением комплексной гравиметрической информации в арктических областях понимается новые методические приемы уточнения данных как об аномалиях силы тяжести, так и об уклонениях отвесной линии. Поэтому диссертационная работа посвящена уточнениям особенностей методик получения аномалий гравитационного поля и уклонений отвесной линии в высоких широтах.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Рожков, Юрий Евгеньевич

4.3. Выводы по материалам главы 4.

1. Проведенные опытно-методические аэрогравиметрические съемки показали возможность получения гравиметрических карт масштаба 1:200 ООО и 1:100 ООО. Результаты этих съемок могут быть использованы при расчете уклонений отвесной линии с необходимой погрешностью, а также эти результаты сопоставимы с результатами наземных гравиметрических съемок.

2. Выполнены в высоких широтах аэрогравиметрические съемки, построены по их результатам гравиметрические карты аномалий в свободном воздухе масштаба 1:200 ООО. Общая площадь, покрытая съемками, составляет 140 000 квадратных километров. Результаты аэрогравиметрических съемок приняты Заказчиком.

3. Приведенные в настоящем разделе результаты проведенных аэрогравиметрических работ в высоких широтах показывают, что необходимые требования получения карт гравиметрических аномалий, уклонений отвесной линии и превышений геоида выполняются, следовательно основные задачи, которые ставились для достижения цели данной диссертационной работы, решены.

Заключение

Данная диссертационная работа рассмотрела пути более детального изучения аномалий гравитационного поля Северного Ледовитого океана. Этот регион в целом относится к малоизученным районам Мирового океана. Сбор и обобщение комплексной гравиметрической информации в арктических областях, выполнение аэрогравиметрической съемки для районов расчета уклонений отвесной линии позволяют получить региональные гравиметрические карты. Эти карты могут быть использованы при решение разных задач народного хозяйства и прикладных специальных исследований.

В диссертационной работе показано, что для подготовки данных для вычисления уклонений отвесной линии в центральной и ближней зоне необходимо использовать результаты высокоточной аэрогравиметрической или морской набортной гравиметрической съемки. Учитывая тяжелые природные условия проведения гравиметрических съемок в Арктике, это, прежде всего наличие постоянного ледового покрова, можно сделать вывод, что основным методом получения гравиметрической информации в арктических условиях является метод аэрогравиметрической съемки.

При уточнении методики аэрогравиметрической съемки для районов Арктики в диссертационной работе решен ряд прикладных задач, который позволяет обеспечить в этом регионе получение региональных гравиметрических карт масштаба 1:200 ООО и крупнее. Оказалось, что каждый из них в той или иной степени влияет на конечный результат — точности съемки в высоких широтах. К этим задачам относятся:

- выбор аэрогравиметрических комплексов, методика их совместной эксплуатации в высоких широтах на борту самолета;

- создание самолета-лаборатории, на борту которого решены вопросы тепло и вибрационной защиты аэрогравиметрических комплексов, резервирования и электробезопасности как на аэродроме, так и в условиях длительного полета, электромагнитной совместимости антенн GPS и самолетных систем, совершенствования систем самолетовождения и связи;

- уточнение условий установки и проведения наблюдений на базовых станциях GPS;

- разработка варианта экспресс-оценки, позволяющего уменьшить процент «брака» при выполнении аэрогравиметрической съемки в высоких широтах; уточнение операций камеральной обработки результатов аэрогравиметрической съемки, позволяющих построить гравиметрические карты аномалий в свободном воздухе необходимого масштаба на эллипсоиде и геоиде.

Помимо этого разработаны предложения путей совершенствования аппаратуры и методических приемов для повышения точности аэрогравиметрической съемки в Арктике.

В диссертационной работе предложены два варианта алгоритмов расчета УОЛ, которые более соответствуют современным возможностям вычислительной техники и прошли проверку на материалах гравиметрических съемок. Результаты вычислений УОЛ показали хорошую сходимость вычислений традиционным методом и предлагаемыми вариантами алгоритмов. Задачи расчета УОЛ могут решаться с необходимой точностью путем использования результатов аэрогравиметрических съемок. Этот результат весьма актуален для районов полярных шапок Земли.

В диссертационной работе приведены результаты выполненных аэрогравиметрических работ в высоких широтах. Полученные результаты наглядно показывают, что необходимые требования получения региональных карт гравиметрических аномалий, уклонений отвесной линии и превышений геоида выполняются. Общая площадь, покрытая съемками, составляет 140 ООО квадратных километров. Результаты аэрогравиметрических съемок приняты Заказчиком.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Рожков, Юрий Евгеньевич, Москва

1. MarineGeophysical Data (GEODAS), National Geophysical Data Center, Boulder USA, 1998

2. Строев П.А. Гравитационное поле Атлантического океана// Сб. статей «Результаты исследований по международным геофизическим проектам». Рос.АН Нац. Геофизич. комитет, Гос. Астрон. Ин-т им. Штернберга, МГУ Отв. ред. Строев П.А. М.: 1993, с. 68-77

3. Молоденский М.С., Еремеев В.Ф. и др. Методы изучения внешнего гравитационного поля и фигуры Земли// М., Геодезиздат. Труды ЦНИИГАиК, 1960, вып. 131

4. Бровар В.В., Магницкий В. и др. Теория фигуры Земли. М.: Изд. геодезической литер., 1961

5. Тирон И.М. Исследование точности формул Стокса и Венинг-Мейнеса// М., Геодезиздат. Труды ЦНИИГАиК.- I960.- вып. 1

6. Железняк JI.K. Площадная съёмка в океане гравиметрами различных типов / Физика Земли, N 3, 1992, с.50-55.

7. Делинджер П. Морская гравиметрия. М., Недра, 1982, 312 с.

8. Железняк Л.К., Конешов В.Н. Площадная крупномасштабная морская гравиметрическая съемка / Физика Земли, N11, 1992, с.64-68

9. Железняк Л.К., Конешов В.Н. и др. Применение высокоточных морских гравиметрических съемок для поиска нефтегазоносных структур / Физика Земли, N9, 2001, с. 62-68

10. Mara М. Yale, David Т. Sandvell, 1999, Stacked global satellite gravity profiles, Geophysics, vol. 64,1.6, pages 1748 — 1755, September 1999.

11. David T. Sandwell. Bathymetry from Space: White paper in support of a high-resolution, ocean altimeter mission.// Intl. Geophys. Series., vol 69, Academic Press, New York, 2001.

12. Sandwell D.T. and Smith W.H.F. Marine gravity anomaly from Geosat and ERS 1 satellite altimetry//JGR. 1997. V. 102. 10 May. P. 10039-10054.17. Наша стать в ДАН

13. Rapp R.H. Gravity field products from ocean altimeter data// Journal of Geophysical Resarch.- 1983.- v.88.- N C3.- p. 1552-1562

14. Brammer R.F. Estimation of the ocean geoid near the Blake escarpment using Geos 3 satellite altimetry data// Journal of Geophysical Resarch.-1979.- v.84.- N B8.- p. 3843-3851.

15. Плешаков Д.Н., Крюков С.В. Анализ альтиметрических измерений высот поверхности моря при определении градиента геопотенциала// Геодезия и картография. 2001. - № 5. - стр. 6-10

16. Knudsen P., Angersen О. Improved recovery of the msrine graviti field from combininy the ERS-1 with the Geosat geogetic mission altimetry// 3rd ERS Symp, Space Serv. Our Environ, Fkjrence, 14-21 marcy, 1997.- v. 3.-Noordwijk, 1997.-p. 1559-1562

17. Железняк JI.K. Отечественные аэрогравиметрические комплексы.//Разведка и охрана недр, № 12, 2002, с. 20-24.

18. Волнянский В.Н., Ильин В.Н., Смоллер Ю.Л., Юрист С.Ш. Малогабаритный морской гравиметр. // Материалы 2-й Международной конференции «Морская и аэрогравиметрия 94». СПБ, 1994.

19. Афанасьева Л.В., Боярский Э.А., Дробышев Н.В., Конешов В.Н. О погрешностях «портретов» гравиметрических аномалий, полученным по измерениям с воздуха/Геофизический вестник, N 4, 2002, с. 13-15.

20. Афанасьева Л.В., Боярский Э.А., Конешов В.Н. Аэрогравиметрические измерения на метрологическом полигоне / Физика Земли, N 4, 2000, с. 76-81.

21. Страхов В.Н., Степанова И.Э. Метод S-аппроксимаций и его использование при решении задач гравиметрии (локальный вариант) // Физика Земли, № 2, 2002, С. 3-19.

22. Л.В. Афанасьева, Э.А.Боярский, В.Н.Конешов, И.Э.Степанова Аналитическое продолжение гравитационного поля вверх и вниз приобработке и анализе гравиметрических измерений/Гироскопия и навигация. №3, 2006.

23. Железняк Л.К., Конешов В.Н. и др. Применение высокоточных морских гравиметрических съемок для поиска нефтегазоносных структур / Физика Земли, № 9, 2001, с. 62-68.

24. Рожков Ю.Е., Дробышев Н.В., Конешов В.Н., Погорелов В.В., Соловьев В.Н. Особенности методики аэрогравиметрической съемки, проводимой в высоких широтах. РАН, Физика Земли, М., №8, 2009, с. 36-41.

25. Система геодезических параметров Земли «Параметры Земли 1990 года (ПЗ-90)». Справочный документ. КНИЦ, М., 1998.

26. Практическое пособие по преобразованию геодезических координат из зарубежных систем в систему координат 1942г. РИО ВТС, М., 1987.

27. ТЕХНИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по созданию цифровых карт уклонения отвесных линий со средней квадратической погрешностью 0.5" гравиметрическим методом. Москва: ВТУ ГШ ВС РФ, 2002

28. Рожков Ю.Е., Дробышев Н.В., Клевцов В.В., Конешов В.Н. О возможности применения результатов аэрогравиметрических измерений для вычисления уклонений отвесной линии в труднодоступных районах, РАН, Физика Земли, № 2, М., 2005, с.84-87.

29. Параметры общего земного эллипсоида и гравитационного поля Земли (Параметры Земли 1990 года). М., РИО ТС ВС, 1991. 68 с.

30. Мориц Г. Современная физическая геодезия. Пер. с англ. М., Недра,1983. -392 с.

31. Yu. М. Neyman, J.Li, and Q.Liu Modification of Stokes and Vening-Meinesz formulas for the inner zone of arbitrary shape by minimization of upper bound truncation errors // Journal of Geodesy (1996), 70; 410-418.

32. Z.Chuanding, L.Zhonglian, W.Xiaoping Truncation error formulae for the disturbing gravity vector // Journal of Geodesy (1998), 72; 119-123.

33. Нейман Ю.М., Руденя H.P. Учет влияния дальней зоны при вычислении гравиметрических уклонений отвеса в области прямоугольной формы // Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка. -1994—№ 1.-С. 55-67.

34. Соловьев Г.Т. Егорова B.C. Вычисление на ЭВМ уклонений отвесных линий на море// Записки по гидрографии.- 1971.- № 3.- с. 50-54

35. Рожков Ю.Е., Боярский Э.А., Афанасьева Л.В., Конешов В.Н. К вычислению уклонений отвесной линии и превышений геоида по гравитационным аномалиям. РАН, Физика Земли, М., (принята в печать).

36. Шимбирев Б.П. Теория фигуры Земли. М.: Недра, 1975. 432 с.

37. Гравиразведка: справочник геофизика; под ред. Е.А. Мудрецовой, К.Е. Веселова 2-е изд.-М.: Недра, 1990. - 607 с.

38. Стокт. Д. О силе тяжести на земной поверхности// Пнр. С англ// Сб. научн. Тр/ Статьи о силе тяжести и фигуре Земли. — М.: Геодезиздат, 1961-С. 9-44.

39. Мориц Г. Современная физическая геодезия / Пер. с англ. М.: Недра. 1983.

40. Параметры Земли 1990. Проект Военно-топографического управления Генерального штаба.-М., 2005.

41. Торге В. Гравиметрия /Пер. с англ. Москва: Мир, 1999 - 429 с.

42. Tscherning, С.С. Closed covariance expressions for gravity anomalies, geoid undulations, and deflections of the vertical implied by anomaly degree variance models / C.C.Tscherning, R.H. Rapp // OSU Rep. 1974. -N 208.

43. DMA: Department of Defense World Geodetic System 1984. DMA Techn. Rep. 8350.2, 1987.

44. Amin, M.M. A precise geoidal map of the southern part of Egypt by collocation toschka geoid / M.M.Amin, S.M.El-Fatairy, R.M. // Hassouna Symposia «From Pharaohs to Geoinformatics», Cairo, Egypt. 2005, April 16-21.

45. Дмитриев С.П. Инерциальные методы в инженерной геодезии -СПб. ЦНИИ «Электроприбор»,!997. -С.

46. Корреляцилнные связи геофизических полей/ В.Н. Конешов и др.. — М.: Наука, 1984.

47. Геофизическое районирование акватории Мирового океана/ В.Н. Конешов и др.. -М.: изд. ИФЗ РАН. 1987.

48. Гругиинский Н.П. Основы гравиметрии. М.: Наука, 1983. 351 с.