- •Предисловие редактора перевода
- •Предисловие к русскому изданию
- •1. Введение
- •1.1. Задачи гравиметрии
- •1.2. Историческое развитие
- •1.3. Национальные и международные организации
- •2. Теория поля силы тяжести
- •2.2. Основные соотношения в поле силы тяжести
- •2.3. Геометрия поля силы тяжести
- •2.4. Модели поля силы тяжести
- •2.5. Системы высот
- •2.6. Возмущения поля силы тяжести
- •2.7. Статистическое описание гравитационного поля
- •3.1. Нормальное поле силы тяжести Земли
- •3.2. Аномалии в свободном воздухе
- •3.5. Гравитационные поля Луны и планет
- •4.1. Сила тяжести в физике
- •4.2. Поле силы тяжести и геодезия
- •4.3. Поле силы тяжести и геофизика
- •5. Абсолютные измерения силы тяжести
- •5.3. Маятниковый метод
- •6. Относительные измерения силы тяжести
- •6.1. Динамический метод
- •6.4. Калибровка относительных гравиметров
- •6.5. Статические пружинные гравиметры
- •6.6. Источники ошибок и точность измерений
- •7.2. Измерения силы тяжести на подвижном основании
- •7.3. Морские и аэрогравиметрические системы
- •7.4. Источники ошибок и точность измерений
- •7.5. Инерциальная гравиметрия
- •8. Гравитационная градиентометрия
- •8.1. Теоретические основы
- •8.2. Стационарная гравитационная градиентометрия
- •9.2. Гравиметрические сети
- •9.4. Хранение результатов измерений
- •10.1. Приборы и методы измерений
- •Литература
- •Предметный указатель
- •Содержание
Вольфганг Торге
rравиметрия
Перевод с английского канд. техн. наук Г. А. Шанурова
под редакцией канд. техн. наук А. П. Юзефовича
Москва «Мир» 1999
УДК528.2
ББК26.11
Т59
Topre В.
Т59 Гравиметрия: Пер. с англ.- М., Мир, 1999.- 429 с., ил.
ISBN 5-03-002809-9
В книге известиого немецкого специалиста, основанной на курсе лекций в Уннверсиrете Ганновера, рассматрнваются все основные разделы гравиметрии: теория гравитационного поля Земли и его пространствеино-временная
стр}'К'I)'Ра, измерения силы тяжести и вгорых производных гравИ13ЦИонного
потенциала, гравиметрические С'ЬСМЮI и изучение изменений силы тяж:еС'ПI во
времени. Отличается ЭIЩИКЛопедической ПОJПfОТОЙ охвата материала и отра
жает новеЙIШiе направления (ннерциальную гравиметрию, градиен-тометрию
на подвижном основании и др.). Может служшь справочным руководством и учебным пособием.
Для специалистов по геодезии и геофизике, С'l)'дентов и аспирантов,
специалиэирующихся в указанных областях, преподавателей вузов.
ББК26.11
Федеральная целевая программа книгоиздания России
Данное издание осуществлено при участии
Московского аэрогеодезического предприятия, МИИГАиК, Боенно-топографической службы и Институrа физики Земли РАН.
Реда~Сционная группа по выпус1Сулитературы по геологии
|
|
© Copyrigt 1989 Ьу Walter de Gruyter & Со., |
|
|
Bedin |
ISBN S-03-002809-9 |
(руссх.) |
©перевод на русский язык, Шануров Г. А., 1999 |
ISBN 3-11-010702-3 |
(8JП'л.) |
©оформление, сМир•, 1999 |
От Федеральной службы геодезии и картографии России
Гравиметрия, родившаяся в 17 веке как раздел геодезии, развивается в последние
десятилетия быстрыми темпами. Успехи теоретических разделов геодезии и гео физики, совершенствование методов изучения гравитационного поля и обработки
измерений, новые виды гравиметрической аппаратуры повлекли резкое повыше
ние точности и детальности гравиметрических данных и значительно расширили
области практического применения гравиметрии. Наряду с трациционными гео дезическими и геофизическими Приложениями современные методы гравиметрии
позволяют выполнять исследования геодинамических явлений, исследования для
целей инженерной геологии, археологии, прогноза землетрясений и т.д.
ВРоссии первые измерения силы тяжести были сделаны еще в 18 веке; во второй половине 19 века начались систематические работы, к середине нашего столетия гравиметрическая съемка, проводившаяся геодезической службой, стала наиболее значительным сплошным массивом мировой съемки.
Вгеодезическое приложение гравиметрии значительный вклад внес Ф.Н. Кра
совский, выдвинувший идею о совместном использовании астрономо-геодезиче
ских и гравиметрических данных. И.А. Казанский в ЦНИИГАиК впервые в исто
рии геодезии получил высоты геоида и уклонения отвеса по измерениям силы
тяжести. Фундаментальное значение в геодезической гравиметрии имеют работы М.С. Молоденского, обосновавшего строгую теорию определения поверхности и
внешнего гравитационного поля Земли, которая получила всеобщее признание в
мире. Теория Молоденекого развита в трудах Л.П. Пеллинена, В.Ф. Еремеева,
М.И. Юркиной, В.В. Бровара.
Более полувека геодезическая служба страны занимается разработкой грави
метрической аппаратуры и методик измерений. В 1938 г. М.С. Молоденекий по строил первый отечественный статический гравиметр, модификации которого вы
пускались серийно. Создано несколько покол~ний маятниковых приборов для морских и сухопутных работ (М.Е. Хейфец).
Федеральная служба геодезии и картографии России постоянно совершенству
ет опорную гравиметрическую сеть страны, которая теперь содержит фундамен
тальные пункты и строится сочетанием трех независимых методов измерения си
лы тяжести, исключительно с отечественными приборами. НаЦиональная опор
ная сеть является од.ной из лучших в мире и превосходит по точности мировую
сеть. Проводятся значительные работы по созданию гравиметрических полиго
нов, исследования неприливных изменений силы тяжести; съемки на суше, в от
крытом море и на шельфе по программам национальной и мировой гравиметри
ческих съемок в геодезических целях и для изучения внутреннего строения Земли
и процессов в ее недрах.
6 |
Предисловие редактора nеревода |
Успешное решение многих научных проблем, связанных с использованием данных гравиметрии и осуществлением больших исследовательских программ,
возможно только при тесном международном сотрудничестве. Обсуждение ре
зультатов, достигнутых в разных странах, обмен идеями и накопленным опы том, разработка согласованных рекомендаций характерны для современного эта
па развития гравиметрии.
Углублению международного сотрудничества и знакомству с мировым опы том исследований гравитационного поля, несомненно, будет способствовать рус
ское издание книги известного немецкого геодезиста, президента Международной
ассоциации геодезии профессора Вольфганга Торге «Гравиметрия». В книге изло
жены основные разделы гравиметрии, включая теорию гравитационного поля и
его пространствеино-временную структуру, методы измерения силы тяжести и
вторьtх производных ее потенциала, гравиметрические съемки на суше, на море
и в воздухе. Однако от известных отечественных и зарубежных изданий книгу отличает большое внимание к современным задачам гравиметрии, связанным с интересами развития различных областей знаний, к геодинамическим приложенн
ям (для которых автор приводит многочисленные примеры), а также к новым
еенаправлениям, ранее не освещенным в систематическом изложении.
Книга будет способствовать широкому участию российских геодезистов и гео физиков в международных программах в рамках МАГ и поможет вузам России
готовить исследовател~й, владеющих современными методами изучения гравита
ционного поля Земли.
Предисловие редактора перевода
Изучение гравитационного полРЗемли - интереснейшая и быстро развивающая ся область геодезии, геофизики и геодинамики, которой посвящена предлагаемая
книга Вольфганга Торге, профессора геодезии Ганноверского университета, прези
дента Международной ассоциации геодезии. Известны многочисленные работы
автора по созданию высокоточных методик в гравиметрии, построению грави
метрических сетей, аппроксимации результатов съемок, изучению локальных гео
динамических явлений.
Для книги характерна энциклопедичность, она содержит все основные разде
лы гравиметрии, причем изложение каждый раз начинается с теоретических
основ и завершается практическими результатами. Впервые в книге по гравимет рии читатель найдет описание баллистических гравиметров разных конструкций, зарубежных методов эталонирования пружинных гравиметров с помощью кали
бровочной системы и системы обратной связи, методик прецизионных съемок,
разделы с основами инерциальной гравиметрии и градиентомеТрии на подвиж ном основании, вопросы оптимизации сетей, современную постановку редукцион ной задачи на гравиметрическом пункте и ее решение с учетом вариаций атмос
ферного давления и гидрологического режима, движения полюса, результаты изучения техногеиных изменений силы тяжести. От прежних публикаций на рус ском языке книгу также отличают подробные сведения о применении методов гравиметрии для локальных геодинамических исследований. Автор привел и под-
Предисловие редактора перевода |
7 |
робный исторический обзор развития гравиметрии, содержащий малоизвестные факты.
Книга основана на лекциях В. Торге в Ганноверском университете, что сказа лось на удачном отборе и систематизации материала, последовательности изло жения. Она может быть хорошим справочным руководством дл.я специалистов
и учебным пособием дл.я студентов-геодезистов и геофизиков, а также аспи
рантов.
Автор привел сведения о состоянии гравиметрических исследований в нашей
стране, однако почти исключительно по публикациям на английском .языке. Поэ тому в примечани.ях даны наиболее важные дополнения.
Появление книги на русском .языке стало возможным благодаря поддержке
Московского аэрогеодезического предприятия, МИИГАиК, Боенно-топографиче
ской службы и Федеральной службы геодезии и картографии России, Института
фнзикн Земли РАН. Руководителям этих ведомств редактор и переводчик выра
жают признательность.
А. П. Юзефович
Январь 1993 г.
Предисловие к русскому изданию
Монография «Гравиметрия)) была опубликована в 1989 г. в серии книг по геоде зии и топографии на английском языке, выпускаемых издательством Walter de Gruyter. Эта монография, задуманная как подробное справочное руководство по наземным измерениям силы тяжести, была хорошо принята как геодезистами,
так и геофизиками, осознавшими определенный пробел в этой области. Я был
очень рад, когда доцент МИИГАиК А.П. Юзефович обратился ко мне в 1991 г. и сообшил о намерении перевести книгу на русский язык и согласии издательства «Мир)) осуШествить русское издание. Высоко оценивая работы русских ученых и инженеров и их широкое применение в геодезической и геофизической грави
метрии, я искренне рад возможности присоединить к числу читателей своей кни
ги гравиметристов России. Благодарю доцента Г.А. Шанурова за перевод книги
на русский язык и доцента А.П. Юзефовича за инициативу и редактирование пе ревода. Надеюсь, что русское издание «Гравиметрии)) принесет пользу междуна родному сотрудничеству в науках о Земле.
Вольфганг Торге
Ганновер, март 1993
Пре~исловие
История изучения гравитационного поля по измерениям силы тяжести, начиная с открытий Галилео Галилея, насчитывает более 300 лет; при этом методы изме
рений и обработки разультатов непрерывно совершенствуются. Накопленные к
нынешнему времени гравиметрические данные и увеличение на пять порядков
точности измерений сделали весьма совершенным наше представление о про
странетвенно-временной структуре гравитационного поля Земли. Особо важное
значение имеют данные, полученные за последние 30 лет. Наряду с гравиметрами
с чувствительной системой на упругой пружине сейчас применяются баллистиче ские приборы, а также приборы, используюшие эффект сверхпроводимости.
Весьма перспективно использование гравиметров, устанавливаемых на подвиж
ном основании, и градиентометров. Одновременно с совершенствованием изме рительной техники увеличивается объем гравиметрических работ на суше, на мо ре и в воздухе. Использование новых математических моделей и методов анализа результатов позволяет успешно решать геодинамические проблемы.
В данной монографии дан полный обзор современного состояния Гравиметри
ческих измерительных систем, их применения, а также методов обработки и
Предисловие |
9 |
оценки. Кроме того, подробно описаны источники ошибок и оценивается воз
можная точность измерений. Книга строится на хорошо изложенной теории гра
витационного поля и современных данных о гравитационных полях Земли, Луны
и планет. Междисциплинарный аспект гравиметрии подчеркивается всесторонним рассмотрением использования гравиметрических данных в различных областях. Книга содержит практические рекомендации о том, как создавать гравиметриче ские сети и выполнять гравиметрические съемки. Особое внимание уделено иссле дованию и интерпретации временн:Ьrх вариаций силы тяжести; это вызвано тем,
что методы изучения современных геодинамических явлений и мониторинга дви
жений близповерхностных слоев Земли пока еще разработаны не полностью. Ис торический обзор и описание классических работ позволяют увидеть, как сочета
ние исследовательских идей с имевшейся измерительной техникой вывело грави
метрию на ее теперешний уровень. Многочисленные примеры отдельных
исследований, измерительных систем, гравиметрических съемок, моделей и мето
дов интерпретации, а также обширный список литературы позволяют судить как
о современном состоянии, так и о перешеиных проблемах гравиметрии.
Итак, данная книга создавалась как современное стандартное справочное ру
ководство для ученых и инЖенеров, работающих в области измерений силы тя
жести и обработки результатов, а также для специалистов по геодезии, геофизи ке, физике и, кроме того, по космической и наземной навигации. Студенты осво
ят основы гравиметрии и моделирования поля силы тяжести; для специалистов,
занимающихся историческим аспектом наук о Земле, будут интересны историче
ские тенденции и выдающиеся достижения в данных областях.
Книга написана на основе курса, читаемого в Ганноверском университете. В ней представлены самые современные разработки и данные исследований рабо чей группы «Гравиметрия» Института геодезии Ганноверского университета. Я
признателен моим многочисленным коллегам за их вклад, а также благодарю
специалистов и организации, предоставившие мне иллюстративный материал.
Особую благодарность я выражаю Немецкому исследовательскому обществу,
щедро субсидирующему большинство исследовательских программ.
Хочу выразить глубокую призиателъностъ профессору Делъфу Эгrе [Delf Egge], который перевел эту книгу на английский язык, и благодарю сотруднJП(ОВ Института геодезии за подготовку рукописи к изданию. И наконец, благодарю
издательство Walter de Gruyter & Со. за плодотворную совместную работу.
Эта книга посвящается памяти моих преподавателей по геодезии и |
гравимет |
рии профессоров Вальтера Гроссмана [Walter Grossmaп (1897-1980)] и |
Альфреда |
Шлезенера [Alfred Schleuseпer (1898-1978)], которые ввели меня в эту волную
щую область наук о Земле.
ВольФганг Торге
Ганновер, май 1989 г.