Gradiometria de gravidade - Gravity gradiometry

Pêndulos usados em aparelhos gravimétricos de Mendenhall , de revista científica de 1897

A gradiometria gravitacional é o estudo e medição das variações ( anomalias ) do campo gravitacional da Terra . O gradiente de gravidade é a taxa espacial de variação da aceleração gravitacional . Como a aceleração é uma grandeza vetorial , com magnitude e direção tridimensional, o gradiente de gravidade total é um tensor 3x3 .

A gradiometria gravitacional é usada por garimpeiros de petróleo e minerais para medir a densidade da subsuperfície , efetivamente medindo a taxa de variação da aceleração gravitacional devido às propriedades subjacentes da rocha. A partir dessas informações, é possível construir um quadro de anomalias de subsuperfície que pode então ser usado para visar com mais precisão os depósitos de petróleo, gás e minerais. Também é usado para obter imagens da densidade da coluna de água , ao localizar objetos submersos ou determinar a profundidade da água ( batimetria ). Os cientistas físicos usam gravímetros para determinar o tamanho e a forma exatos da Terra e contribuem para as compensações de gravidade aplicadas aos sistemas de navegação inercial.

Gradiente de gravidade

As medições de gravidade são um reflexo da atração gravitacional da Terra, sua força centrípeta , acelerações de maré devido ao sol, lua e planetas e outras forças aplicadas. Gradiômetros de gravidade medem as derivadas espaciais do vetor de gravidade. O componente mais frequentemente usado e intuitivo é o gradiente de gravidade vertical, G _zz , que representa a taxa de variação da gravidade vertical ( g _z ) com a altura ( z ). Ela pode ser deduzida diferenciando o valor da gravidade em dois pontos separados por uma pequena distância vertical, l, e dividindo por essa distância.

{\ displaystyle G_ {zz} = {\ partial g_ {z} \ over \ partial z} \ approx {g_ {z} {\ bigl (} z + {\ tfrac {\ ell} {2}} {\ bigr)} -g_ {z} {\ bigl (} z - {\ tfrac {\ ell} {2}} {\ bigr)} \ over \ ell}}

As duas medições de gravidade são fornecidas por acelerômetros que são combinados e alinhados com um alto nível de precisão.

Unidades

O gradiente da unidade de gravidade é o eotvos (abreviado como E), que é equivalente a 10 ⁻⁹ s ⁻² (ou 10 ⁻⁴ m Gal / m). Uma pessoa passando a uma distância de 2 metros forneceria um sinal de gradiente de gravidade de aproximadamente um E. As montanhas podem dar sinais de várias centenas de Eotvos.

Tensor de gradiente de gravidade

Gradiômetros de tensor completo medem a taxa de mudança do vetor de gravidade em todas as três direções perpendiculares, dando origem a um tensor de gradiente de gravidade (Fig. 1).

Fig 1. A gravidade convencional mede UM componente do campo gravitacional na direção vertical Gz (LHS), a gradiometria tensorial total da gravidade mede TODOS os componentes do campo gravitacional (RHS)

Comparação com a gravidade

Sendo os derivados da gravidade, o poder espectral dos sinais de gradiente de gravidade é empurrado para frequências mais altas. Isso geralmente torna a anomalia do gradiente de gravidade mais localizada na fonte do que a anomalia da gravidade. A tabela (abaixo) e o gráfico (Fig 2) comparam as respostas g _z e G _zz de uma fonte pontual.

	Gravidade ( g _z )	Gradiente de gravidade ( G _zz )
Sinal	${\ displaystyle {GM \, z \ over (r ^ {2} + z ^ {2}) ^ {3/2}} \ vezes 10 ^ {5} \; \ left [{\ text {mGal}} \ direito]}$	${\ displaystyle {GM (r ^ {2} -2z ^ {2}) \ over (r ^ {2} + z ^ {2}) ^ {5/2}} \ vezes 10 ^ {9} \; \ esquerda [{\ text {E}} \ direita]}$
Sinal de pico ( r = 0)	${\ displaystyle {GM \ over z ^ {2}} \ times 10 ^ {5}}$	${\ displaystyle {2GM \ over z ^ {3}} \ vezes 10 ^ {9}}$
Largura total pela metade no máximo	${\ displaystyle 1,53 \, z}$	${\ displaystyle \ approx z}$
Comprimento de onda (λ)	${\ displaystyle 3.07 \, z}$	${\ displaystyle 2 \, z}$

Fig 2. Gravidade vertical e sinais de gradiente gravitacional de uma fonte pontual enterrada a 1 km de profundidade

Por outro lado, as medições de gravidade têm mais potência de sinal em baixa frequência, portanto, tornando-as mais sensíveis a sinais regionais e fontes mais profundas.

Ambientes de pesquisa dinâmica (aerotransportados e marítimos)

A medição derivada sacrifica a energia geral do sinal, mas reduz significativamente o ruído devido à perturbação motora. Em uma plataforma móvel, o distúrbio de aceleração medido pelos dois acelerômetros é o mesmo, de forma que, ao formar a diferença, ele se cancela na medição do gradiente gravitacional. Esta é a principal razão para a implantação de gradiômetros em pesquisas aerotransportadas e marítimas, onde os níveis de aceleração são ordens de magnitude maiores do que os sinais de interesse. A relação sinal-ruído se beneficia mais em alta frequência (acima de 0,01 Hz), onde o ruído de aceleração no ar é maior.

Formulários

A gradiometria de gravidade tem sido usada predominantemente para criar imagens da geologia do subsolo para auxiliar na exploração de hidrocarbonetos e minerais. Mais de 2,5 milhões de km de linha já foram pesquisados usando a técnica. As pesquisas destacam anomalias de gravidade que podem estar relacionadas a características geológicas, como diapirs de sal , sistemas de falha , estruturas de recifes , tubos de Kimberlito , etc. Outras aplicações incluem detecção de túneis e bunker e a recente missão GOCE que visa melhorar o conhecimento da circulação oceânica.

Gradiômetros de gravidade

Gradiômetros de gravidade da Lockheed Martin

Durante a década de 1970, como executivo do Departamento de Defesa dos Estados Unidos, John Brett iniciou o desenvolvimento do gradiômetro de gravidade para dar suporte ao sistema Trident 2. Um comitê foi contratado para buscar aplicações comerciais para o sistema completa Tensor Gradiente (FTG), que foi desenvolvido pela Sino Aeroespacial (posteriormente adquirida pela Lockheed Martin ) e estava sendo implantado em US Navy Ohio de classe submarinos Trident projetados para auxiliar a navegação secreta. Quando a Guerra Fria chegou ao fim, a Marinha dos Estados Unidos lançou a tecnologia classificada e abriu as portas para a comercialização total da tecnologia. A existência do gradiômetro de gravidade foi notoriamente exposta no filme The Hunt for Red October, lançado em 1990.

Existem dois tipos de gradiômetros de gravidade Lockheed Martin atualmente em operação: o gradiômetro de gravidade 3D Full Tensor (FTG; implantado em uma aeronave de asa fixa ou em um navio) e o gradiômetro FALCON (um sistema de tensor parcial com 8 acelerômetros e implantado em um sistema fixo aeronave de asa ou um helicóptero). O sistema 3D FTG contém três instrumentos de gradiometria de gravidade (GGIs), cada um consistindo em dois pares opostos de acelerômetros dispostos em um disco giratório com direção de medição na direção de giro.

Outros gradiômetros de gravidade

Gradiômetro de gravidade eletrostática: Este é o gradiômetro de gravidade implantado na missão GOCE da Agência Espacial Europeia . É um gradiômetro diagonal de três eixos baseado em três pares de acelerômetros eletrostáticos servo-controlados.
Gradiômetro de gravidade ARKeX Exploration: Uma evolução da tecnologia originalmente desenvolvida para a Agência Espacial Européia, o Exploration Gravity Gradiometer (EGG), desenvolvido pela ARKeX (uma empresa que agora está extinta), usa dois princípios-chave de supercondutividade para fornecer seu desempenho: o efeito Meissner , que fornece levitação de as massas à prova de EGG e quantização de fluxo , o que dá ao EGG sua estabilidade inerente. O EGG foi projetado especificamente para ambientes de levantamento de alta dinâmica.
Gradiômetro de sensor de fita: O sensor de gradiômetro de gravidade Gravitec consiste em um único elemento de detecção (uma fita) que responde às forças do gradiente de gravidade. Ele é projetado para aplicações em poços.
Gradiômetro de gravidade UWA: O Gradiômetro de Gravidade da University of Western Australia (também conhecido como VK-1) é um instrumento supercondutor que usa um desenho de resposta quadrupolar ortogonal (OQR) baseado em pares de feixes de equilíbrio suportados por microflexura.
Gradiômetro de gravidade Gedex: O gradiômetro de gravidade Gedex (também conhecido como Gradiômetro de gravidade aerotransportada de alta definição, HD-AGG) também é um gradiômetro de gravidade supercondutor do tipo OQR, baseado em tecnologia desenvolvida na Universidade de Maryland.

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