Badanie gradientu pionowego przyspieszenia siły ciężkości na terenie WAT

• Autorzy: Weis Marek , Leńczuk Artur , Mikocki Jan , Bogusz Janusz

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0054.3652

Warianty tytułu

EN

Study of a vertical gravity gradient at the MUT area

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Na każdy obiekt znajdujący się na kuli ziemskiej poza siłą grawitacyjną działa siła związana z ruchem obrotowym Ziemi, tj. siła odśrodkowa, razem definiują siłę ciężkości. Ze względu na różne czynniki, zarówno zewnętrzne (oddziaływanie innych ciał niebieskich), jak i wewnętrzne (niejednorodna budowa wewnętrzna Ziemi) przyspieszenie siły ciężkości zależy od miejsca i czasu obserwacji. Badanie zmian wartości tej siły umożliwiają niezwykle czułe urządzenia pomiarowe zwane grawimetrami. analiza i interpretacja wyników tych pomiarów to domena działu geodezji fizycznej zwanego grawimetrią geodezyjną. Ma ona szerokie zastosowanie w geodezji do badania przebiegu geoidy oraz realizacji osnów grawimetrycznych czy w geofizyce poszukiwawczej do wykrywania m.in. złóż minerałów, podziemnych cieków wodnych czy jaskiń. Jednak w celu uzyskania wiarygodnych wyników konieczny jest nie tylko precyzyjny pomiar wartości przyspieszenia siły ciężkości, lecz także odpowiednia jego redukcja. Jest to możliwe przez wyznaczenie m.in. gradientu pionowego przyspieszenia siły ciężkości, który wykorzystywany jest do zredukowania pomierzonych wartości przyspieszenia na dowolny poziom odniesienia. W badaniach skupiono się na analizie zmiany wartości gradientu pionowego na terenie zamkniętym Wojskowej Akademii Technicznej (WAT). Do pomiarów wybrano 33 punkty istniejącej sieci wysokościowej i sieci poziomej WAT. Obserwacje przeprowadzono, wykorzystując grawimetr sprężynowy firmy ZLS typu Burris model B-67 na kilku wysokościach w zakresie od 0,1 do 1,3 m przy użyciu specjalnie skonstruowanego statywu. Pokazano, że wartości gradientu pionowego wahają się na wybranym obszarze od -0,2534 do -0,3917 mGal/m. Otrzymane wyniki pokazują spójność z rozkładem przestrzennym zmian wysokości terenu, gęstości skorupy ziemskiej oraz rodzaju utworów geologicznych występujących pod powierzchnią terenu. W badaniach pokazano również istotność wykorzystania rzeczywistych wartości gradientów do analizy odstępu geoidy od quasi-geoidy. Wykazano, że przyjęcie rzeczywistych wartości gradientu zamiast ich wartości średniej powoduje odchyłki w modelowaniu przebiegu obu geodezyjnych powierzchni odniesienia nawet do 2 mm na badanym terenie.

EN

Any object on the globe, in addition to the gravitational force, is affected by the force associated with the rotation of the earth, i.e., the centrifugal force, which together define the force of gravity. Due to various factors, both external (the influence of other celestial bodies) and internal (the inhomogeneous internal structure of the earth), the gravity depends on the location and time of observation. The study on gravity is made possible by using extremely sensitive measuring devices called gravimeters, which are a branch of physical geodesy called geodetic gravimetry. Geodetic gravimetry is widely used in geodesy to study the shape of the geoid and the realisation of gravimetric control networks or in geophysics to detect mineral deposits, underground watercourses or caves. However, in order to obtain reliable results, it is necessary not only to measure the gravity accurately, but also to reduce these measurements adequately. This is possible by determining, among other things, the vertical gravity gradients (VGG), which are used to reduce the measured gravity values to any reference level. In our research, we focused on analysing the change in the value of VGGs in the closed area of the Military University of Technology (MUT). We used 33 points of the existing vertical and horizontal networks of the MUT for measurements. We performed the observations using ZLS Burris model B-67 spring gravimeter at several heights in the range of 0.1 m to 1.3 m using a specially constructed tripod. We showed that the values of the vertical gradients vary over the selected area from -0.2534 mGal/m to -0.3917 mGal/m. The obtained results show consistency with the spatial distribution of changes of the topography of the terrain, the density of the earth’s crust, and the type of geological formations present beneath the surface. In the study, we also showed the relevance of using the actual (measured) values of gradients to analyse geoid-to-quasigeoid separation. We have shown that taking the actual gradient values instead of their average (or modelled) values results in deviations in modelling the separation of both geodetic reference surfaces of up to 2 mm in the study area.

Słowa kluczowe

PL

przyspieszenie siły ciężkości; gradient pionowy; grawimetria; odstęp geoidy od quasi-geoidy

EN

gravity; vertical gravity gradient; gravimetry; geoid-quasigeoid separation

• Wydawca: Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego
• Czasopismo: Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 72, nr 2
• Strony: 15--37
• Opis fizyczny: Bibliogr. 39 poz., il., tab., wykr.

Twórcy

autor

Weis Marek

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Inżynierii Lądowej i Geodezji, Instytut Inżynierii Geoprzestrzennej i Geodezji, ul. gen. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

• https://orcid.org/0009-0006-7356-4765

autor

Leńczuk Artur

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Inżynierii Lądowej i Geodezji, Instytut Inżynierii Geoprzestrzennej i Geodezji, ul. gen. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

• https://orcid.org/0000-0002-9573-1302

autor

Mikocki Jan

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Inżynierii Lądowej i Geodezji, Instytut Inżynierii Geoprzestrzennej i Geodezji, ul. gen. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

• https://orcid.org/0000-0001-7318-7441

autor

Bogusz Janusz

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Inżynierii Lądowej i Geodezji, Instytut Inżynierii Geoprzestrzennej i Geodezji, ul. gen. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

• https://orcid.org/0000-0002-0424-7022

Bibliografia

• [1] Hansen D., Hartong J., Obers N. A., Gravity between Newton and Einstein, International Journal of Modern Physics D, 28. 14, 2019, 1944010.
• [2] Torge W., Gravimetry, Walter de Gruyter, new York - Berlin, 1989.
• [3] Persson a., How do we understand the Coriolis force?, Bulletin of the American Meteorological Society, 79, 7, 1998, 1373-1386.
• [4] Królikowski C., Sas-Uhrynowski A., Zmiany czasowe siły ciężkości i pola magnetycznego Ziemi w SE Polsce, Przegląd Geologiczny, 47, 1, 1999, 79-86.
• [5] Phillips J. D., Tools and Techniques: Gravitational Method, In treatise on Geophysics, 2015, 393-418, DOI: 10.1016/b978-0-444-53802-4.00197-4.
• [6] Melchior P., Earth tides, Geophysical Surveys, 1, 1974, 275-303, DOI: 10.1007/BF01449116.
• [7] Mikolaj M., Reich M., Güntner a., Resolving geophysical signals by terrestrial gravimetry: a time domain assessment of the correction-induced uncertainty, Journal of Geophysical research: Solid earth,124, 2, 2019, 2153-2165, DOI:10.1029/2018JB0166.
• [8] Carbone D., Cannavo F., Greco F., Reineman R., Warburton R. J., The benefits of using a net-work of superconducting gravimeters to monitor and study active volcanoes, Journal of Geophysical research: Solid earth, 124, 4, 2019, 4035-4050, DOI:10.1029/2018JB017204.
• [9] Fukuda Y., Sato T., Gravity Effects of Sea Level Variation at the Superconducting Gravimeter Sites, Estimated from ERS-1 and TOPEX/Poseidon Altimeter Data, [in:] J. Segawa, H. Fujimoto, S. Okubo (eds), Gravity, Geoid and Marine Geodesy, International association of Geodesy Symposia, vol. 117, 1997, Springer, Berlin, Heidelberg, DOI: 10.1007/978-3-662-03482-8_17.
• [10] Breili K., Rolstad C., Ground-based gravimetry for measuring small spatial-scale mass changes on glaciers, annals of Glaciology, 50, 50, 2009, 141-147
• [11] Aoyama Y., Doi K., Ikeda H., Hayakawa H., Shibuya K., Five years’ gravity observation with the superconducting gravimeter OSG#058 at Syowa Station, East Antarctica: gravitational effects of accumulated snow mass, Geophysical Journal International, 205, 2, 2016, 1290-1304, DOI: 10.1093/gji/ggw078.
• [12] Bilker-Koivula M., Mäkinen J., Ruotsalainen H., Näränen J., Saari T. Forty-three years of absolute gravity observations of the Fennoscandian postglacial rebound in Finland, Journal of Geodesy, 95, 24, 2021, DOI: 10.1007/s00190-020-01470-9.
• [13] Lambert A., Bower D. R., Constraints on the usefulness of gravimetry for detecting precursory crustal deformations, tectonophysics, 193, 4, 1991, 369-375, DOI:10.1016/0040-1951(91)90345-S.
• [14] Boy J. P., Hinderer J., Study of the seasonal gravity signal in superconducting gravimeter data. Journal of Geodynamics, 41, 1, 2006, 227-233, DOI: 10.1016/j.jog.2005.08.035.
• [15] Alvarez O., Nacif S., Spagnotto S., Folguera A., Gimenez M., Chlieh M., Braitenberg C., Gradients from GOCE reveal gravity changes before Pisagua Mw = 8.2 and Iquique Mw = 7.7 large megathrust earthquakes, Journal of South American earth Sciences, 64, 2015, 273-287, DOI: 10.1016/j.jsames.2015.09.014.
• [16] Clark R. D., Lucien LaCoste, The Leading edge, 3, 12, 1984, 24-29, Society of exploration Geophysicists, DOI: 10.1190/1.1439039.
• [17] Ander M.E., Summers T., Gruchalla M.E., LaCoste & Romberg gravity meter: System analysis and instrumental errors, Geophysics, 64, 6, 1999, 1708-1719, Society of exploration Geophysicists, DOI: 10.1190/1.1444675.
• [18] Li Y. C., Sideris M. G., Improved gravimetric terrain corrections, Geophysical Journal International, 119, 3, 1994, 740-752.
• [19] Dykowski P., Vertical gravity gradient determination for the needs of contemporary absolute gravity measurements - first results, Reports on Geodesy, 92, 1, 2012, 23-35.
• [20] Sjoberg L. E., On the geoid to quasigeoid separation, Manuscripta Geodaetica, 20, 8, 1995.
• [21] Volgyesi L., Local geoid determination based on gravity gradients, acta Geodaetica et Geophysica Hungarica, 36, 2001, 153-162, DOI: 10.1556/aGeod.36.2001.2.3.
• [22] Toth G., Foldvári L., Tziavos I.N., Adam J., Upward/downward continuation of gravity gradients for precise geoid determination, acta Geodeatica et Geophysica Hungarica, 41, 2006, 21-30, DOI:10.1556/aGeod.41.2006.1.3.
• [23] Barlik M., On the contribution of the vertical gravity gradient anomalies to the separation between the geoid and Molodenskys quasigeoid (basing on the example of the geodetic test field near Grybów), reports on Geodesy, 2/50, 2000, 37-52.
• [24] Lederer M., Accuracy of the relative gravity measurement, acta Geodynamica et Geomaterialia, 6, 3, 2009, 383-390.
• [25] ZLS Corporation, User guide: Automated Burris Gravity MeterTM and UltraGrav TM Control System, 2007, p. 67.
• [26] Kopaev A., Yushkin V., Jentzsch G., Merlet S., Pereira D. S., Laboratory and field experiences with Sodin, ZLS Burris and Scintrex CG5 gravimeters, Proc. Int. Symp. terrestrial Gravimetry - Static and Mobile Measurements, St. Petersburg, 2007.
• [27] Lederer M., Palinkas V., Thorough vertical gravity gradient determination at the Czech absolute stations, Proc. Int. Symp. terrestrial Gravimetry - Static and Mobile Measurements, St. Petersburg, 2007.
• [28] Jentzsch G., The automated Burris Gravity Meter - a new instrument using an old principle, [in:] V. G. Peshekhonov (ed.), Terrestrial Gravimetry: Static and Mobile Measurements (TG-SMM2007), Proceedings of the International Symposium, Elektropribor 2008, St. Petersburg, 21-28.
• [29] Bogusz J., Kłos A., Grzempowski P., Kontny B., Modelling the Velocity Field in a Regular Grid in the Area of Poland on the Basis of the Velocities of European Permanent Stations, Pure and applied Geophysics, 171, 6, 2014, 809-833, DOI: 10.1007/s00024-013-0645-2.
• [30] Webster r., Olivier M.a., Geostatistics for Environmental Scientist, Wiley & Son, Ltd, 2007.
• [31] Oliver M. A., Webster R., Kriging: a method of interpolation for geographical information systems, International Journal of Geographical Information System, 4, 3, 1990, 313-332.
• [32] Ince E. S., Barthelmes F., Reissland S., Elger K., Förste C., Flechtner F., Schuh H., ICGEM - 15 years of successful collection and distribution of global gravitational models, associated services and future plans, earth System Science Data, 11, 2019, 647-674, DOI: 10.5194/essd-11-647-2019.
• [33] Zingerle P., Pail r., Gruber t., Oikonomidou X., The combined global gravity field model XGM2019e, Journal of Geodesy, 94, 7, 2019, DOI: 10.1007/s00190-020-01398-0.
• [34] Kvas A., Brockmann J.M., Krauss S., Schubert T., Gruber T., Meyer U., Mayer-Gürr T., Schuh W.-D., Jäggi A., Pail R., GOCO06s - a satellite-only global gravity field model, earth Syst. Sci. Data, 13, 2021, 99-118, DOI: 10.5194/essd-13-99-2021.
• [35] Jędrzejewska M., Zagadnienie przyjęcia stałej gęstości przy opracowaniu map anomalii Bouguera, Instytut Geodezji i Kartografii, Warszawa 1996.
• [36] Barlik M., Pachuta A., Geodezja fizyczna i grawimetria geodezyjna, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2007.
• [37] Csapó G., Völgyesi L., New measurements for the determination of local vertical gradients, reports on Geodesy, 69, 2, 2004, 303-308.
• [38] Rozsa S., Toth G., Prediction of vertical gravity gradients using gravity and elevation data, [in:] F. Sanso (ed.), A Window on the Future of Geodesy, Proc. International association of Geodesy Symposia, Springer, Berlin - Heidelberg, Germany, 128, 2005, 344-349, DOI: 10.1007/3-540-27432-4_59.
• [39] Akdogan Y. A., Ahi G. O., Yildiz H., Free-air vertical gravity gradient modelling and its validation, Bulletin of Geophysics and Oceanography, 63, 2, 2022, 237-248, DOI:10.4430/bgo00385.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).