بخشی از مقاله
چكیده:
علیرغم وجود یک سیستم االستیک کوارتز بسیار پایدار در دستگاههای گرانیسنج نسبی جدید نظیر CG-5، اندازهگیری اختالف گرانی دقیق بین نقاط بدلیل تغییرات هرچند اندک خواص االستیک فنر، رانه دستگاهی بلندمدت - Long-term drift - ، تغییرات ولتاژ منبع باتری مورد استفاده و دیگر موارد نیازمند تنظیم و کالیبره کردن منظم و دورهای است. برای این منظور باید دو تست استاتیک و دینامیک قبل از اندازهگیریهای میدانی انجام شده و رفتار دستگاهها گرانیسنج نسبی به طور مرتب و دقیق بررسی گردد.
تست استاتیک معموال با انجام مشاهدات پیوسته بر روی یک ایستگاه پایدار صورت گرفته ولی در تست دینامیک دستگاهها با انتخاب ایستگاههایی با اختالف گرانی مناسب بصورت نسبی نسبت به هم و یا در صورت مشخص بودن مقدار گرانی مطلق بر روی ایستگاههای خط کالیبراسیون بصورت مطلق در بازه گرانی موردنظر کالیبره میشوند. کالیبراسیون دستگاههای گرانیسنج نسبی از این نظر حائز اهمیت است که از خطای سیستماتیک مقیاس در مشاهدات مربوطه جلوگیری مینماید.
در ایران نیز با توجه به ایجاد و گسترش شبکه و دادههای گرانیسنجی توسط سازمان نقشهبرداری کشور، رفتار دستگاههای گرانیسنج نسبی CG-3M و CG-5 مورد استفاده در جمعآوری دادهها بصورت مرتب بررسی شده که در این تحقیق نتایج مربوط به مشاهدات دوازده ساله دستگاههای اشاره شده بر روی خط کالیبراسیون ملی ارائه شده است. با بررسیهای انجام شده دقت مقادیر ضریب کالیبراسیون میانگین هر دستگاه در سالهای مختلف به روش میانگینگیری وزندار برابر 6-18 ppm تعیین میگردد. اعمال ضریب کالیبراسیون محاسبه شده در شبکه درجه یک گرانی باعث بهبود خطای بست شده است.
-1 مقدمه:
حل بسیاری از مسائل مختلف در ژئودزی، ژئوفیزیك، زمینشناسی و سایر علوم مرتبط با زمین نیازمند جمعآوری و مدلسازی میدانگرانی بر اساس دادههای شتاب گرانی زمین بوده که تا حد امکان به طور یکنواخت در سطح زمین پراکنده شده باشد .[1] روش های مختلفی برای مدلسازی میدان گرانی زمین بر اساس تلفیق دادههای ماهوارهای و زمینی وجود دارد. ماهوارهها معموال پوششی سراسری از کل کره زمین فراهم کرده و تنها میتوانند طول موجهای بلند یا متوسط سیگنال را مشخص نمایند، در حالی که دادههای جمعآوری شده به روش زمینی حاوی اطالعاتی درباره تقریبا تمام فرکانسهای سیگنال هستند. بنابراین جمعآوری دادههای زمینی از اهمیت خاصی در مدلسازی میدان گرانی زمین برخوردار است.
اندازهگیری شتاب گرانی به روش زمینی به وسیله تجهیزات و متدهای گوناگون با توجه به کاربرد و دقت شتاب گرانی مورد نیاز انجام می شود .[3] دستگاههای گرانیسنج کنونی معموال به دو صورت کلی مطلق و نسبی شتاب گرانی زمین را اندازهگیری میکنند.[9] از مشاهدات شتاب گرانی مطلق برای ایجاد نقاط مطلق در شبکههای گرانیسنجی ملی به منظور تعیین چارچوب و دیتومهای دقیق گرانی در کشور و کالیبره کردن دستگاههای گرانیسنج نسبی استفاده میشود.
[8] با توجه به اینکه عملیات گرانیسنجی مطلق با استفاده از دستگاههایی نظیر گرانیسنج FG5 با دقتهایی درحد 2-1 میکروگال، بسیار زمانبر - نیازمند حداقل 12 ساعت مشاهده - و پرهزینه است و تعداد نقاط اندازهگیری در روز با این دستگاهها محدود میباشد، معموال از دستگاههای گرانیسنج نسبی و یا دستگاههای گرانیسنج مطلق قابل حمل نظیر A10 برای تکثیر نقاط گرانی در یک کشور استفاده میگردد. در ایران نیز با توجه به تجهیز سازمان نقشهبرداری کشور به شش دستگاه گرانیسنج از انواع CG-3M و CG-5، برای جمعآوری دادههای گرانیسنجی از روش نسبی و با اتصال به نقاط شبکه گرانی درجه صفر کشور استفاده شده است .
مقادیر شتاب گرانی مطلق ایستگاههای شبکه گرانی درجه صفر و خط کالیبراسیون ملی با همکاری بینالمللی سازمان نقشهبرداری کشور و متخصصان و اساتید دانشگاههای استراسبورگ و مونتپولیه فرانسه، با استفاده از گرانیسنج مطلق FG5 از سال 2000 تا 2007 انجام گرفت. متاسفانه بدلیل تحریمهای موجود همکاریها از سال 2007تا 2017 به مدت 10 سال بطور کامل متوقف گردید، تا اینکه با تالش بسیار و از سرگیری همکاری سازمان نقشهبرداری کشور با دانشگاه استراسبورگ فرانسه امکان اندازهگیری مجدد این مشاهدات ارزشمند در سال 2017 میسر گردید.
دستگاههای گرانیسنجی نسبی در واقع اختالف شتاب گرانی را بین نقاط اندازهگیری میکنند که با معلوم بودن مقدار شتاب گرانی مطلق، حداقل در یك نقطه اصلی و انجام مشاهدات گرانی نسبی، شتاب گرانی در سایر نقاط قابل محاسبه است. مشاهدات گرانیسنجهای نسبی توسط دو عامل جدی رانه دستگاهی - drift - و تغییرات فاکتور مقیاس - Scale factor - مختل میشوند.[11,3] تعیین و کنترل تابع کالیبراسیون گرانیسنجها با زمان از مسائل مهمی است که میبایست به دقت مورد توجه قرار گیرد. توابع کالیبراسیون گرانیسنجهای Scintrex در مقایسه با LaCoste-Romberg توابع سادهتری هستند.[8]
-2 اساس کار گرانیسنجهای نسبی فنردار:
روشهای مختلفی برای اندازهگیری شتاب گرانی نسبی بین نقاط وجود دارد که معروفترین آنها استفاده از کشش فنر است که عمده گرانیسنجهای نسبی امروزی برای دستیابی به دقتی در حدود 10-5 میکروگال از این روش استفاده میکنند. اساس کار در این گرانیسنجها اندازهگیری تغییر طول فنری است که جرمی به آن متصل میباشد. در این صورت اختالف شتاب گرانی بین نقاط متناسب با تغییر طول فنر بر اساس قانون هوک خواهد بود. وقتی شتاب گرانی از یک نقطه به نقطه دیگر تغییر میکند، نیروی وارد به جرم نمونه تغییر یافته که این امر منجر به تغییر طول فنر نگهدارنده میشود.
در صورتیکه بتوان چنین تغییراتی را با دقت کافی اندازهگیری نمود، میتوان تغییرات میدان گرانی را نیز به آسانی بدست آورد. در این دستگاهها موقعیت اولیه جرم نمونه بسیار حائز اهمیت بوده و مقدار نیروی خارجی الزم برای برگرداندن این جرم به موقعیت اولیه، معرف مقدار شتاب گرانی در یك ایستگاه نسبت به ایستگاه دیگر خواهد بود.[7,1] اساس کار گرانیسنجهای فنردار به جنس فنر االستیک آن بستگی دارد و هر چه خاصیت االستیسیته فنر بیشتر باشد، اعتبار دستگاه گرانیسنج نیز بیشتر خواهد بود.
برای اندازهگیری شتاب جاذبه با دقت 1µGal باید تغییرات طول فنر با دقت 10−8 میلیمتر اندازهگیری شود. تا چند دهه پیش، در دستگاههای کوچك و سبك امکان اندازهگیری تغییر طول با این دقت میسر نبوده است. از سال 1984، کارخانة Scintrex تالش خود را برای ایجاد نسل جدیدی از گرانیسنجهای زمینی آغاز نمود. از معروفترین دستگاههای گرانیسنج نسبی دقیق این کارخانه میتوان به دستگاههای CG-3M و CG-5 اشاره کرد [4] که در شبکههای گرانی و گسترش دادههای گرانیسنجی در کشور از این دستگاهها توسط سازمان نقشهبرداری استفاده شده است. این دستگاهها دارای دقتی در حدود 10-5 میکروگال و حد تفکیك یک میکروگال هستند.
در گرانیسنجهای CG-3M و CG-5، نیروی جاذبه وارد بر جرم نمونه، بوسیلة فنری با تغییر طول صفر و نیروی برگردانندة الکتروستاتیك کوچکی خنثی شده و مکان جرم به صورت دقیق ردیابی میشود. اثراتی مانند رانه بلند - Long-term drift - ، تغییرات درجه حرارت باقیماندة سنسور، جزرومد ماه و خورشید و تلیت سنسور در این دستگاهها به صورت همزمان با استفاده از روابط مربوطه تصحیح میشوند.[7,1]
-3 تنظیم و کالیبره کردن گرانیسنجهای نسبی فنردار:
دقت دادههای شتاب گرانی حاصل از دستگاههای گرانیسنج نسبی فنردار، به عواملی متعددی نظیر دقت دستگاه، کیفیت اندازهگیریهای انجام شده، تنظیمات و تصحیحات مختلفی که باید به مشاهدات چه به صورت همزمان و یا غیرهمزمان اعمال شوند، بستگی دارد. دستگاههای گرانیسنج نسبی نیازمند تنظیم و کالیبره کردن منظم و دورهای هستند. این تنظیمات باید قبل از عملیات گرانیسنجی بطور مرتب و دقیق انجام شده و پارامترهای مدنظر به دستگاه اعمال گردد.
پارامترهایی که نیازمند بررسی دورهای هستند عبارتند از رانه دستگاهی، ثابت کالیبراسیون - فاکتور مقیاس - ، جابهجایی تیلت و حساسیت تیلت. دو عامل اصلی و جدی که مشاهدات گرانیسنجهای نسبی را مختل میکنند رانه دستگاهی و ثابت کالیبراسیون هستند که الزم است به این موارد توجه ویژه نمود. برای این منظور دو تست استاتیک و دینامیک وجود دارد که در اندازهگیریهای مربوطه قبل از عملیات میدانی باید انجام گردد.
-1-3 تست استاتیک:
اندازهگیری اختالف گرانی دقیق بین نقاط بدلیل تغییرات هرچند اندک خواص االستیک فنر دچار تغییراتی به نام رانه دستگاهی بلند مدت میشود. رانههای بلند عبارتند از تغییرات آشکار در مشاهدات شتاب گرانی در طول مدت چند روز یا بیشتر که علت آنها در مقایسه با عوامل خارجی، عوامل دستگاهی است. تمامی گرانیسنجهای نسبی که از فنر باالنس شده استفاده میکنند، رانههای بلندی را به علت تغییر حالت االستیکی فنر و فرسودگی المانهای حساس مکانیکی یا الکترونیکی نشان میدهند. علیرغم استفاده از یک سیستم االستیک - کوارتز گداخته شده - بسیار پایدار در دستگاههای گرانیسنج نسبی جدید نظیر CG-3M و CG-5، حرکت لغزشی مادة مذکور در فنر باعث تغییر حالت االستیکی فنر و ایجاد رانه بلند مدت در دستگاه میگردد.
رانه بلند مدت هر گرانیسنج مخصوص همان گرانیسنج بوده و مقدار آن زمانیکه دستگاه نو باشد، بسیار بیشتر است و به صورت تصاعدی نسبت به زمان کاهش مییابد. رانهها را میتوان بدون در نظرگرفتن عامل ایجاد آنها بوسیلة ثبت زمان قرائت و روشهای زمینی مناسب محاسبه نمود. در دستگاههای جدید، پس از تعیین و محاسبه رانه بلند، با معرفی آن به دستگاه مقدار رانه به صورت نرمافزاری به مشاهدات اعمال میگردد. با این وجود نرمافزار مورد استفاده برای اعمال رانه بلند مدت، قابلیت حذف کامل اثر رانه دستگاهی را نخواهد داشت.
الزم است رانه دستگاهی باقیمانده که به نام رانه کوتاه مدت شناخته میشود با بکارگیری مشاهدات لوپ با مشاهدات تکراری حداقل یک ایستگاه در ابتدا و انتهای هر لوپ جبران گردد. الزم به ذکر است شوكهای حرارتی خارجی - مانند تغییر درجه حرارت - ، تکانهای شدید و لرزش دستگاه در هنگام حمل و نقل، شوكهای مکانیکی و تغییرات تدریجی در ولتاژ باتری نیز باعث ایجاد رانههایی با طول مدت چند ساعت یعنی رانههای کوتاه مدت میشوند. رفتار رانه از یك دستگاه به دستگاه دیگر متفاوت است، بعبارت دیگر، یك عامل خارجی یکسان میتواند عکسالعملهای متفاوتی را برای هر یك از دستگاهها در برداشته باشد.
