56 Â

WIAT

N

AUKI

Sierpieƒ 1998

W

czasie zimnej wojny za∏ogi
∏odzi podwodnych po obu
stronach ˝elaznej kurtyny

stan´∏y wobec problemu przeprowadza-
nia okr´tów przez ciemne odm´ty oce-
anu. Choç zawsze mog∏y w∏àczyç sona-
ry, aby wykryç przeszkody lub okreÊliç
g∏´bokoÊç wody pod kilem, wiàza∏o si´
to z wysy∏aniem „pingów” – charakte-
rystycznych sygna∏ów akustycznych,
które zdradza∏y wrogom ich obecnoÊç;
zawaha si´ przed tym ka˝dy zdrowo
myÊlàcy marynarz floty podwodnej.

W poszukiwaniu bardziej dyskret-

nych metod wspomagania podwodnej
nawigacji, marynarki Stanów Zjedno-
czonych i Zwiàzku Radzieckiego za-
projektowa∏y czu∏e instrumenty, które
mog∏y mierzyç subtelne ró˝nice przy-
ciàgania ziemskiego tam, gdzie wyst´-
powa∏y podwodne grzbiety lub góry.
Jednak z wyjàtkiem fikcyjnego Czerwo-
nego Paêdziernika z powieÊci Toma Clan-
cy ˝aden okr´t radziecki nie zosta∏ wy-
posa˝ony w tak wymyÊlny sprz´t. Ze
skomplikowanych urzàdzeƒ zwanych
gradientometrami grawitacyjnymi ko-
rzysta∏y tylko amerykaƒskie okr´ty pod-
wodne z pociskami balistycznymi. Przez
wiele lat gradientometry stanowi∏y pil-
nie strze˝onà tajemnic´ wojskowà – te-
raz geolodzy cywilni, tak˝e ja, u˝ywajà
podobnych instrumentów do precyzyj-
nej lokalizacji ukrytych g∏´boko pod zie-
mià z∏ó˝ ropy i gazu.

Co ciekawe, usi∏owania wspó∏cze-

snych geologów zmierzajàce do wyko-
rzystania tej niegdyÊ zastrze˝onej dla
wojska techniki nawiàzujà do pierw-
szych pomiarów si∏y ci´˝koÊci. W 1890
roku w´gierski fizyk, baron Roland von
Eötvös, dokona∏ tych pomiarów w no-
watorski sposób, pos∏ugujàc si´ prostym
urzàdzeniem. Inni dziewi´tnastowieczni
fizycy wykorzystywali zmiany w okre-
sach wychylenia wahad∏a do pomiaru
niewielkich zmian si∏y ci´˝koÊci powo-
dowanych p∏ywami ksi´˝ycowymi i s∏o-
necznymi. Przyrzàd Eötvösa by∏ jed-
nak bardziej czu∏y: pozwala∏ mierzyç

niewielkie zmiany si∏y ci´˝koÊci w jed-
nym miejscu (czyli gradient si∏y ci´˝ko-
Êci) wywo∏ane bliskoÊcià masywnych
obiektów.

Instrument sk∏ada∏ si´ z metalowe-

go pr´ta z ci´˝arkami na obu koƒcach.
Gdy si∏a ci´˝koÊci zmienia∏a si´ wraz
z po∏o˝eniem, si∏a wywierana na ci´˝a-
rek przymocowany z jednej strony pr´-
ta nie by∏a identyczna z si∏à oddzia∏u-
jàcà na ci´˝arek po stronie przeciwnej.
Ró˝nica powodowa∏a powstanie si∏y
skr´cajàcej pr´t podwieszony w Êrodku
na cienkim drucie. Mierzàc wielkoÊç od-
chylenia, Eötvös okreÊla∏ zmiany si∏y
ci´˝koÊci wraz z po∏o˝eniem. Urzà-
dzenie w´gierskiego badacza, zwane
wagà skr´ceƒ, by∏o pierwszym instru-
mentem skutecznie mierzàcym gradient
si∏y ci´˝koÊci.

Poczynania Eötvösa Êledzi∏ kierow-

nik w´gierskiej s∏u˝by geologicznej
Hugo de Boeckh. Zdawa∏ sobie spra-
w´, ˝e jeÊli uda mu si´ namówiç Eöt-
vösa do wyjÊcia z jego delikatnà wagà
z laboratorium w teren, mogliby zasto-
sowaç pomiary gradientu si∏y ci´˝koÊci
do wykrywania interesujàcych struk-
tur geologicznych pod powierzchnià
ziemi. Plan si´ powiód∏: Eötvös i de
Boeckh wykonali w 1901 roku seri´
doÊwiadczeƒ.

Z poczàtku najwa˝niejsze by∏o stwier-

dzenie, czy naturalny gradient si∏y ci´˝-
koÊci b´dzie wystarczajàco du˝y, aby
oddzia∏ywaç na wag´ skr´ceƒ. Do
pierwszych testów wybrali zamarzni´-
te jezioro. Rozumowali, ˝e jeÊli instru-
ment dzia∏a∏by prawid∏owo, otrzymana
mapa geologiczna powinna odwzoro-
wywaç ukszta∏towanie dna jeziora do-
brze znane z sondowaƒ wykonanych
latem poprzedniego roku za pomocà
zawieszonego na linie próbnika. Gdy
wyniki otrzymane z pomiarów wagà
skr´ceƒ naniesiono na map´, geolodzy
i geofizycy z radoÊcià stwierdzili, ˝e
otrzymany zarys dna jeziora odpowia-
da rzeczywistoÊci. Przystàpili wi´c do
trudniejszych badaƒ geologicznych

w tym rejonie i wkrótce Êciàgn´li na sie-
bie uwag´ poszukiwaczy ropy z ca∏e-
go Êwiata.

Apetyt na sól

Po d∏ugiej przerwie spowodowanej

I wojnà Êwiatowà geolodzy amerykaƒ-
scy postanowili wypróbowaç instrument
Eötvösa w poszukiwaniach ropy. Przede
wszystkim mieli nadziej´, ˝e pozwoli on
dotrzeç do najbardziej poszukiwanych
celów – struktur geologicznych zwanych
wysadami solnymi. Te podpowierzch-
niowe cia∏a o mià˝szoÊci przekraczajà-
cej niekiedy 1 km, przypominajàce kszta∏-
tem grzyby, kryjà zwykle na swoich
obrze˝ach du˝e z∏o˝a ropy i gazu. Po-
niewa˝ jednak sól nie zawsze wychodzi
na powierzchni´, wysady bywajà trudne
do znalezienia. Sól ma mniejszà g´stoÊç
ni˝ wi´kszoÊç ska∏, jej wp∏yw na si∏´ ci´˝-
koÊci jest wi´c równie˝ mniejszy. Zmia-
ny tej si∏y w kierunku anomalnie niskich
wartoÊci, czyli odpowiednie gradienty
grawitacyjne, mogà okonturowaç zarys
zalegajàcego g∏´biej cia∏a solnego.

W 1924 roku geolodzy z Amerada

Hess Corporation dokonali pierwszego
historycznego odkrycia: pomiary gra-
dientów grawitacyjnych za pomocà wa-
gi skr´ceƒ Eötvösa wykaza∏y obecnoÊç
cia∏a solnego pod powierzchnià ziemi.
Potem przysz∏a ca∏a seria odkryç, szyb-
ko nast´pujàcych jedno po drugim. Geo-
lodzy zacz´li stosowaç gradientometry
grawitacyjne do kartowania bardziej
skomplikowanych podziemnych utwo-
rów. Waga skr´ceƒ pos∏u˝y∏a najpierw
do skartowania struktury geologicznej
zapadajàcych si´ ska∏ osadowych zde-
formowanych przesuni´ciami formacji
solnych i poprzecinanych uskokami, na
której zbudowane jest obecnie miasto
Houston. Do 1935 roku badanie pod∏o-
˝a za pomocà gradientów grawitacyj-
nych sta∏o si´ w poszukiwaniach ropy
naftowej rutynowà praktykà.

Mimo poczàtkowych sukcesów czas

chwa∏y gradientometrii grawitacyjnej

Gradientometria grawitacyjna

NiegdyÊ obj´ta tajemnicà wojskowà metoda wspomagajàca sterowanie okr´tami

podwodnymi wyposa˝onymi w pociski balistyczne – dziÊ s∏u˝y geologom

do poszukiwania surowców ukrytych pod powierzchnià ziemi

Robin E. Bell

Za zgodà Magyar Állami Eötvös Loránd Geofizikoi Intézet

Â

WIAT

N

AUKI

Sierpieƒ 1998 57

PIERWSZY GRADIENTOMETR (z lewej) typu zna-
nego jako waga skr´ceƒ zosta∏ zaprojektowany
przez w´gierskiego fizyka, barona Rolanda von
Eötvösa, pod koniec XIX wieku. Przetestowa∏ on
ten instrument zimà 1901 roku, badajàc wraz ze
wspó∏pracownikami rozk∏ad masy w skorupie ziem-
skiej na zamarzni´tym Balatonie (powy˝ej).

LUNETKA DO ODCZYTU

OBUDOWA DRUTU
SKR¢CAJÑCEGO

POZYCJA
DOLNEGO CI¢˚ARKA

POZYCJA
GÓRNEGO CI¢˚ARKA

OBUDOWA RAMIENIA WAGI

Za zgodà Magyar Állami Eötvös Loránd Geofizikoi Intézet

okaza∏ si´ krótki. Problem polega∏ na tym,
˝e pomiary by∏y niezwykle trudne do wy-
konania. Za∏ogi obs∏ugujàce wag´ skr´-
ceƒ musia∏y równaç z ziemià uprawy na
stumetrowych odcinkach biegnàcych
w oÊmiu ró˝nych kierunkach. W samym
Êrodku powsta∏ej gwiazdy wznoszono
ma∏y budynek, w którym umieszczano
instrument – chroniony w ten sposób
przed zak∏óceniami powodowanymi wia-
trem lub zmianami temperatury. Inne
êród∏a zak∏óceƒ to ci´˝kie sprzàczki u pa-
sków od spodni, nisko zwisajàce druty
telefoniczne i pobliskie piwnice. W prze-
ciwieƒstwie do gradientometrów instru-
menty rejestrujàce jedynie nat´˝enie si∏y
ci´˝koÊci (przyrzàdy, które wesz∏y w mo-
d´ w latach trzydziestych wraz z geologià
naftowà) okaza∏y si´ znacznie mniej
wra˝liwe na bliskoÊç ró˝nych obiektów,
a ponadto nie wymaga∏y ani Êcinania
drzew, ani stawiania budynków.

PopularnoÊç badaƒ za pomocà gra-

dientów grawitacyjnych spada∏a rów-
nie˝ dlatego, ˝e geolodzy mieli cz´sto
k∏opoty z interpretacjà uzyskanych wy-
ników. Wi´kszoÊç badaczy wola∏a praco-
waç na prostych izoliniowych mapach
si∏y ci´˝koÊci ni˝ na szczegó∏owych pla-
nach gradientometrycznych, upstrzo-
nych enigmatycznymi liniami i strza∏-
kami. Upodobanie geologów do pro-
stych map izoliniowych w po∏àczeniu z
∏atwoÊcià wykonania pomiarów si∏y
ci´˝koÊci szybko doprowadzi∏o do ca∏-
kowitego zaniechania pracy z gradienta-
mi grawitacyjnymi.

Dawniej i dziÊ

Podobnie jak wiedza wielu wspó∏cze-

snych geofizyków o gradientometrii gra-
witacyjnej tak˝e i moja ogranicza∏a si´
poczàtkowo do informacji zaczerpni´-
tych z podr´czników, z przeglàdowych

rozdzia∏ów dotyczàcych historii i geofi-
zyki. Mimo to by∏am dobrze zoriento-
wana w pomiarach si∏y ci´˝koÊci. Zain-
stalowa∏am na przyk∏ad na pok∏adzie
samolotu doÊç skomplikowany elektro-
niczny grawimetr i przelecia∏am z nim
nad zachodnià Antarktykà, aby zbadaç
budow´ geologicznà obszaru pokrytego
grubà pokrywà lodowà. Gradientome-
trià grawimetrycznà zainteresowa∏am si´
jednak ca∏kiem przypadkowo.

Cztery lata temu pali∏am si´ do no-

wych zadaƒ. W paêdzierniku, na po-
czàtku letniego antarktycznego sezonu
terenowego, mia∏am urodziç drugie
dziecko, rozglàda∏am si´ wi´c za czymÊ,
co nie wymaga∏oby d∏u˝szego pobytu
w terenie. Szukajàc porady, zajrza∏am
do biura mojego wspó∏pracownika, Ro-
gera N. Andersona, który bada∏ p∏asko
zalegajàce cia∏a solne w Zatoce Meksy-
kaƒskiej, czasami tworzàce rozleg∏e po-
krywy. Te przypominajàce puszyste ko∏-
dry puchowe warstwy cz´sto maskujà
ni˝ej le˝àce struktury – obiekt zaintere-
sowania geologów naftowych, usi∏ujà-
cych je kartowaç standardowymi me-
todami sejsmicznymi. (W metodach
sejsmicznych, podobnie jak w badaniach
morza echosondami, wykorzystuje si´
penetrujàce fale dêwi´kowe.) Anderson
zapyta∏, czy mog∏abym przelecieç z mo-
im grawimetrem nad obszarem jego ba-
daƒ i porównaç wyniki z pomiarami si-

∏y ci´˝koÊci wykonanymi ze statku. Za-
danie polega∏o na stwierdzeniu, jak si∏a
ci´˝koÊci zmienia si´ wraz z wysoko-
Êcià; by∏ to wi´c rodzaj gradientometrii
grawitacyjnej.

Chocia˝ takie podejÊcie teoretycznie

wydawa∏o si´ poprawne, wiedzia∏am
z praktyki, jak trudno b´dzie wykonaç
z samolotu pomiary z wymaganà do-
k∏adnoÊcià. Nawet podczas najspokoj-
niejszego lotu pomiary si∏y ci´˝koÊci
z powietrza nie sà ca∏kiem wiarygodne,
poniewa˝ samolot zawsze podlega pew-
nym pionowym drganiom. Szybko wi´c
wyt∏umaczy∏am koledze, ˝e ustalenie
gradientów na podstawie pomiarów
o tak wysokim poziomie szumu b´dzie
najprawdopodobniej niemo˝liwe. Jed-
nak jeszcze tego samego wieczoru przy-
sz∏o mi do g∏owy, ˝e problem mogà roz-
wiàzaç gradientometry grawitacyjne
u˝ywane na okr´tach podwodnych. Do-
wiedzia∏am si´ o tych instrumentach od
producenta grawimetru, którego u˝y-
wa∏am nad Antarktykà. Nowoczesne in-
strumenty wojskowe majà po szeÊç par
wirujàcych czujników grawitacyjnych
mierzàcych ca∏kowity gradient si∏y ci´˝-
koÊci (trójwymiarowà wielkoÊç z pi´cio-
ma niezale˝nymi sk∏adowymi).

Zasadniczà sprawà by∏o to, czy kilku

zapalonym geologom uda si´ dotrzeç do
otoczonej tajemnicà wojskowà techno-
logii. Przed up∏ywem tygodnia nasza

grupa polecia∏a do Buffalo (stan Nowy
Jork) i odwiedzi∏a zak∏ady, w których
Bell Aerospace (obecnie cz´Êç Lockheed
Martin) produkowa∏a gradientometry do
okr´tów podwodnych. W poprzednich
latach ich produkcja musia∏a byç o wie-
le wi´ksza, w tym czasie jednak za∏oga
liczy∏a mniej ni˝ 100 pracowników i w
ogromnym budynku zdawa∏y si´ roz-
brzmiewaç tylko nasze kroki. Wyglàda∏o
na to, ˝e bez sta∏ego dop∏ywu zamówieƒ
z wojska produkuje si´ tam urzàdzenia
tylko po to, aby pokrywa∏y si´ warstwà
kurzu. Niektórzy z zatrudnionych in˝y-
nierów proponowali u˝ycie czu∏ych in-
strumentów do pomiaru ∏adunku prze-
je˝d˝ajàcych ci´˝arówek, nie uda∏o im
si´ jednak sprzedaç tego pomys∏u. Tak
wi´c nasz zamiar zastosowania tych
urzàdzeƒ do poszukiwaƒ ropy wzbudzi∏
nie ma∏e zainteresowanie.

Z pomocà Johna J. Bretta (wówczas

emerytowanego in˝yniera dobrze zorien-
towanego w tajnych wojskowych projek-
tach badawczych) namówiliÊmy wkrótce
kierownictwo Bell Aerospace, U.S. Navy
i kilka firm naftowych, aby pomog∏y nam
stwierdziç, czy gradientometry grawita-
cyjne dostarczy∏yby nowych informacji
o roponoÊnych formacjach geologicznych
pod Zatokà Meksykaƒskà. Do testowa-
nia wybraliÊmy obszar znajdujàcy si´
w odleg∏oÊci oko∏o 130 km na po∏udnio-
wy wschód od Nowego Orleanu – wy-
st´powa∏o tam wielkie cia∏o solne kszta∏-
tem przypominajàce but. Geolodzy z
firmy Texaco dostarczyli map ukrytych
struktur geologicznych sporzàdzonych
na podstawie wyników badaƒ sejsmicz-
nych przeprowadzonych w tym rejonie,
a U.S. Navy zgodzi∏a si´ zmierzyç gra-
dienty si∏y ci´˝koÊci na tym obszarze za
pomocà wojskowego gradientometru za-
instalowanego na jednym ze swoich stat-
ków badawczych. Jakakolwiek ró˝nica
mi´dzy anomaliami grawimetrycznymi
wynikajàcymi z danych sejsmicznych
a wynikami nowych badaƒ gradientome-
trycznych stanowi∏aby wa˝ne odkrycie
geologiczne w tym rejonie.

Póêniej nastàpi∏a najtrudniejsza cz´Êç

eksperymentu. Poniewa˝ stosowany na
okr´tach podwodnych system gradien-
tometryczny ciàgle jeszcze by∏ tajnà
technologià wojskowà, zarówno du˝a

ZDJ¢CIE GEOFIZYCZNE wykonane w 1917
roku gradientometrem typu wagi skr´ceƒ
w pobli˝u Hanoweru (Niemcy) wykaza∏o,
˝e pomiary gradientu si∏y ci´˝koÊci pozwa-
lajà na okonturowanie podpowierzchnio-
wego cia∏a solnego o g´stoÊci mniejszej od
otaczajàcych je ska∏. Istnienie takich cia∏ za-
burza sàsiednie warstwy ska∏ osadowych,
u∏atwiajàc gromadzenie si´ ropy i gazu w po-
bliskich z∏o˝ach (obszary zaszrafowane).

MARK GERBER

Kierunek gradientów grawitacyjnych
Granice z∏o˝a solnego potwierdzone
wierceniami
Przypuszczalna granica z∏o˝a solnego
Z∏o˝a ropy naftowej

Kilometry

(Z¸O˚E SOLNE)

(stosunkowo lekkie)

cz´Êç prac nad planowaniem ekspery-
mentu, jak i ocena surowych danych od-
by∏y si´ za zamkni´tymi drzwiami i cy-
wilni geolodzy nie mogli braç w nich
udzia∏u. Wobec tego zaj´liÊmy si´ opra-
cowaniem metody, która pozwoli∏aby
nam interpretowaç gradienty grawita-
cyjne. W pewnym sensie musieliÊmy si´
czasem borykaç z tymi samymi k∏opo-
tami, które napotykali nasi poprzedni-
cy w latach trzydziestych. Na szcz´Êcie
mieliÊmy komputery osobiste pomoc-
ne w rozwiàzywaniu zadaƒ i w ciàgu
nast´pnych kilku miesi´cy, w miar´ jak
„oczyszczone” pakiety danych (które
wyklucza∏y odkrycie tajemnic wojsko-
wych) wy∏ania∏y si´ zza zamkni´tych
drzwi, du˝e mo˝liwoÊci gradientome-
trii grawitacyjnej stawa∏y si´ coraz bar-
dziej oczywiste.

Nasze pierwsze wyniki wykaza∏y, ˝e

gradienty si∏y ci´˝koÊci zmierzone przez
okr´ty wojenne by∏y zbli˝one do obli-
czonych na podstawie danych sejsmicz-
nych, póêniejsza analiza ujawni∏a jed-
nak osobliwe ró˝nice. Chocia˝ na mapie
niezgodnoÊç nat´˝enia si∏y ci´˝koÊci by-
∏a doÊç subtelna, sta∏a si´ ona zadziwia-
jàco oczywista, gdy przyjrzeliÊmy si´
rozk∏adowi gradientów. Pomiary Êwiad-
czy∏y, ˝e w badanym rejonie wyst´puje
wi´ksza masa, ni˝ mo˝na by∏o wnosiç
na podstawie badaƒ sejsmicznych. Gra-

dienty dok∏adnie wskaza∏y po∏o˝enie tej
masy i nadzwyczaj szczegó∏owo okre-
Êli∏y jej kszta∏t. Nowo odkryty obiekt by∏
jednostkà skalnà o du˝ej g´stoÊci i kszta∏-
tem przypomina∏ kapelusz.

Gdy tylko si´ upewniliÊmy, ˝e inter-

pretacja gradientów by∏a prawid∏owa,
postanowiliÊmy zweryfikowaç nasze
wnioski. BezpoÊrednie badania nie
wchodzi∏y w rachub´, gdy˝ rozwierce-
nie ukrytych formacji solnych koszto-
wa∏oby miliony dolarów. Skontaktowa-
liÊmy si´ wi´c z Bryantem E. Kornem,
geofizykiem pracujàcym w Texaco, aby
sprawdziç, czy nasze wyniki sà zgodne
z jego ostatnimi koncepcjami na temat
budowy geologicznej tego obszaru. In-
terpretowa∏ on nowe wyniki badaƒ sej-
smicznych, które w∏aÊnie wykona∏a je-
go firma. Choç nie sugerowaliÊmy, aby
zwróci∏ szczególnà uwag´ na jakikol-
wiek rejon, zidentyfikowa∏ uprzednio
przeoczonà struktur´ geologicznà
w miejscu, na które wskazywa∏y rów-
nie˝ rezultaty naszych pomiarów gra-
dientu grawimetrycznego. Wynik jego
niezale˝nej analizy tak˝e Êwiadczy∏, ˝e
nowo odkryta struktura przypomina
kszta∏tem kapelusz. Pokazanie, ˝e za
pomocà pomiarów gradientu grawita-
cyjnego mo˝na skartowaç podpo-
wierzchniowe cia∏a solne równie sku-
tecznie jak na podstawie szczegó∏owego

zdj´cia sejsmicznego, nadspodziewanie
dobrze wró˝y∏o zastosowaniu metod
u˝ywanych w marynarce podwodnej
do poszukiwaƒ z∏ó˝ ropy.

Supermiecze na lemiesze

Zgodnie z panujàcym po zakoƒczeniu

zimnej wojny trendem do komercjaliza-
cji technik badawczych opracowanych
w celach obronnych rzàd Stanów Zjedno-
czonych odtajni∏ informacje o wojsko-
wym gradientometrze grawitacyjnym.
Firmy naftowe mogà obecnie bez ograni-
czeƒ stosowaç t´ metod´ jako uzupe∏nie-
nie sondowaƒ sejsmicznych. Dotychczas
siedem z nich u˝y∏o gradientometrów
grawitacyjnych do badaƒ struktur pod
Zatokà Meksykaƒskà, które mogà oka-
zaç si´ naturalnymi zbiornikami ropy.
Na przyk∏ad Edward K. Biegert, geolog
z firmy Shell, stwierdzi∏, ˝e kartujàc gra-
dienty grawitacyjne wokó∏ wysadu sol-
nego, mo˝e lepiej okreÊliç g∏´bokie struk-
tury. Na sporzàdzonych przez niego
wczeÊniej planach pod∏o˝a wokó∏ pew-
nego wysadu spàg soli by∏ zamazany
i ma∏o wyraêny. Ale dzi´ki informacjom
uzyskanym z gradientów grawitacyjnych
spodnià powierzchni´ cia∏a solnego da-
∏o si´ wyraênie okreÊliç.

Równie˝ przemys∏ górniczy jest ˝ywo

zainteresowany sprawdzeniem, czy gra-

Â

WIAT

N

AUKI

Sierpieƒ 1998 59

WSPÓ¸CZESNY GRADIENTOMETR (z prawej) u˝y-
wany przez niektóre amerykaƒskie okr´ty podwodne
wyposa˝one w pociski balistyczne (poni˝ej) ma szeÊç
par elektromechanicznych czujników grawitacyjnych
zwanych akcelerometrami. Ró˝nica odczytów z nie-
co przesuni´tych wzgl´dem siebie akcelerometrów
odzwierciedla lokalny gradient grawitacyjny. Jednak
wartoÊci otrzymane z takich czujników wykazujà
z czasem tendencje do b∏´dnych odchyleƒ. Aby wi´c
uzyskaç prawdziwy gradient grawitacyjny, zamienia
si´ wcià˝ pozycje zestawionych w pary czujników za
pomocà wirujàcych platform.

MARK RANKIN A

rms

C

ommunications

ZA ZGODÑ LOCKHEED MARTIN FEDERAL SYSTEMS

60 Â

WIAT

N

AUKI

Sierpieƒ 1998

W poszukiwaniu

ostrzejszego obrazu

P

omiar gradientów grawitacyjnych, a nie tylko nat´˝enia po-
la grawitacyjnego, pozwala geologom uzyskaç wi´cej in-

formacji o cia∏ach skalnych ukrytych pod powierzchnià. Podczas
gdy si∏a ci´˝koÊci (G) jest opisana matematycznie tylko przez
trzy elementy (reprezentujàce sk∏adowe ci´˝koÊci w kierun-
kach x, y i z), gradient wymaga dziewi´ciu odr´bnych wielko-
Êci. Tworzà one macierz kwadratowà przedstawiajàcà pole
grawimetryczne w tzw. postaci tensorowej (z prawej).

Element G

xy

na przyk∏ad jest miarà tego, jak szybko zmienia

si´ sk∏adowa si∏y ci´˝koÊci o kierunku x (G

x

) w miar´ przesu-

wania si´ w kierunku y. Element G

yz

odpowiada zmianie sk∏a-

dowej si∏y ci´˝koÊci o kierunku y (G

y

) w kierunku z itd. Ponie-

wa˝ suma G

xx

, G

yy

i G

zz

musi byç równa zeru, a pozosta∏e

elementy majà odpowiednio do siebie pasowaç (np. G

xy

rów-

na si´ G

yx

), do okreÊlenia ca∏kowitego tensora gradientu wystar-

czy tylko pi´ç pomiarów.

Kartowanie gradientów grawitacyjnych podnosi jakoÊç kon-

wencjonalnych badaƒ grawitacyjnych, dajàc bardziej szcze-
gó∏owy obraz powierzchni strukturalnej. Przelatujàc na przy-
k∏ad odpowiednio wyposa˝onym samolotem nad górà
(nadwy˝ka masy) lub nad wyst´pujàcym pod powierzchnià
cia∏em solnym o niskiej g´stoÊci (z powodu niedoboru masy),
mo˝emy zarejestrowaç tylko ledwo uchwytne zmiany nat´˝e-
nia pola grawitacyjnego. Przeprowadzone w tych samych wa-
runkach pomiary gradientu natychmiast wyka˝à obecnoÊç
wspomnianych struktur (poni˝ej). Niekontrolowane ruchy samo-
lotu powodujà powstanie znacznych zak∏óceƒ w ka˝dym poje-
dynczym profilu grawimetrycznym. Podczas okreÊlania gra-
dientu otrzymywanego z ró˝nicy przebiegów z dwóch czujników
to êród∏o b∏´du jest automatycznie eliminowane.

GÓRA

(NADMIAR MASY)

CIA¸O SOLNE

O MA¸EJ G¢STOÂCI

(NIEDOBÓR MASY)

MARK GERBER

TRZY SK¸ADOWE WEKTORA

SI¸Y CI¢˚KOÂCI

DZIEWI¢å SK¸ADOWYCH

TENSORA GRAWITACYJNEGO

SI¸A CI¢˚KOÂCI Z DOLNEGO CZUJNIKA

RÓ˚NICA (GRADIENT SI¸Y CI¢˚KOÂCI)

SI¸A CI¢˚KOÂCI Z GÓRNEGO CZUJNIKA

KIERUNEK X

KIERUNEK Y

KIERUNEK Z

Gxy

Gyx

Gxz

Gzx

Gzy

Gyz

MARK GERBER

G

x

G

y

G

z

G

xx

G

yx

G

zx

G

xy

G

yy

G

zy

G

xz

G

yz

G

zz

dientometry grawitacyjne mogà przy-
czyniç si´ do odkrycia ma∏ych cia∏ rud-
nych ukrytych pod powierzchnià trudno
dost´pnych lub zdradliwych terenów.
Dotychczas wydawano miliony dolarów
na grawimetry zainstalowane na pok∏a-
dach samolotów w nadziei, ˝e pozwolà
one precyzyjnie zlokalizowaç cia∏a rud-
ne z powietrza, ale drgania latajàcych
maszyn niweczy∏y nawet najwi´ksze wy-
si∏ki. Pomiary gradientów grawitacyj-
nych sà sposobem na obejÊcie tych trud-
noÊci: przyspieszenia spowodowane
przez turbulencje powietrza mogà przy-
pominaç przyciàganie ziemskie, nie
uwidaczniajà si´ jednak w pomiarach
gradientów grawitacyjnych.

Fakt ten mo˝e otworzyç nowe per-

spektywy przed badaniami stosowany-
mi. In˝ynierowie australijscy zaprojek-
towali ju˝ nadprzewodzàcà wersj´ wagi
skr´ceƒ Eötvösa przystosowanà do po-
miarów z powietrza. Bell Geospace, fir-
ma za∏o˝ona w 1994 roku z mojà i An-
dersona pomocà, stosuje technologi´
opracowanà na potrzeby okr´tów pod-
wodnych do konstrukcji gradientome-
trów grawitacyjnych, które mogà byç
u˝ywane w samolocie.

Dzi´ki tym wysi∏kom gradientometria

grawitacyjna stanie si´ prawdopodobnie
równie atrakcyjna dla niektórych geolo-
gów jak kiedyÊ dla kapitanów okr´tów
podwodnych. Podczas gdy pomiary pro-

wadzone dawnymi metodami grozi∏y
zniszczeniem znacznych powierzchni
upraw, poniewa˝ grupy geologów prze-
mierza∏y teren wzd∏u˝ i wszerz ci´˝arów-
kami i buldo˝erami, gradientometria gra-
wimetryczna dokonywana z samolotów
w ˝aden sposób nie niszczy badanego ob-
szaru. A wi´c podobnie jak okr´t pod-
wodny Czerwony Paêdziernik, który dzi´-
ki gradientometrowi grawitacyjnemu mia∏
byç niewykrywalny, tak i geologowie
prawdopodobnie b´dà wkrótce dyspo-
nowaç nowym przyrzàdem do poszuki-
wania rzadkich surowców, pozwalajà-
cym na badania nie niszczàce Êrodowiska.

T∏umaczy∏a

Gra˝yna Burchart

Â

WIAT

N

AUKI

Sierpieƒ 1998 61

Informacje o autorce

ROBIN E. BELL zainteresowa∏a si´ grawimetrià w 1980 roku po tym, jak w zbudowanej

domowym sposobem ∏odzi po˝eglowa∏a z Middlebury College w Vermont, aby podjàç

pierwszà prac´ w U.S. Geological Survey w Woods Hole (Massachusetts). Przez kilka lat

wykonywa∏a pomiary grawimetryczne z okr´tów p∏ywajàcych wzd∏u˝ brzegów Stanów

Zjednoczonych, po czym przenios∏a si´ do Lamont-Doherty Earth Observatory w Colum-

bia University, aby zajàç si´ doktoratem. Tematem pracy obronionej w 1989 roku by∏y ba-

dania metodami grawimetrycznymi zatopionych kraw´dzi kontynentalnych. Obecnie

Bell jest pracownikiem naukowym w Lamont-Doherty i wspó∏dyrektorem instytucji wspo-

magajàcej badania aerogeofizyczne w Austin (Teksas). Zajmowa∏a si´ m.in. kolapsem po-

krywy lodowej zachodniej Antarktyki oraz zastosowaniem grawimetrii do kartowania

ropo- i gazonoÊnych struktur geologicznych. Podró˝owa∏a po wszystkich siedmiu konty-

nentach, kierujàc lub wspó∏kierujàc naukowo oÊmioma ekspedycjami badawczymi. Na-

dal ˝egluje, choç ju˝ nie na swojej pierwszej ∏odzi, którà zaw∏adn´∏y jej dzieci.

Literatura uzupe∏niajàca

GRAVITY GRADIOMETRY RESURFACES

. Robin E. Bell,

Roger N. Anderson i Lincoln F. Pratson, Leading

Edge (Society of Exploration Geophysicists), vol.

16, nr 1, ss. 55–60, I/1997.

THE RISE AND FALL OF EARLY OIL FIELD TECHNOLOGY:

THE TORSION BALANCE GRADIOMETER

. Robin E. Bell

i R. O. Hansen, Leading Edge, vol. 17, nr 1, ss.

81–83, I/1998.

Strona domowa Bell Geospace dost´pna w WWW

pod adresem http://www.bellgeo.com

Eötvös Virtual Museum dost´pne w WWW pod

adresem http://www.elgi.hu/museum/index.

htm

MAPY GRAWIMETRYCZNE pomagajà geologom naftowym w poszukiwaniach g∏´boko ukrytych z∏ó˝ ropy i gazu pod powierzchnià
ziemi. Na przyk∏ad pomiary sk∏adowej G

zz

gradientu si∏y ci´˝koÊci wykonane w cz´Êci Zatoki Meksykaƒskiej dostarczy∏y dok∏adnego

obrazu podpowierzchniowych formacji solnych (z lewej). Natomiast konwencjonalne pomiary si∏y ci´˝koÊci na tym samym obszarze
pokazujà tylko niewyraêny zarys podpowierzchniowej warstwy soli (z prawej). Zdj´cie zosta∏o wykonane w 1995 roku na wysokoÊci
delty rzeki Missisipi (lewy górny róg).

LUIZJANA

BADANY OBSZAR

èród¸o: ROBIN E. BELL

– 40

–32

–24

–16

0

8

16

24

32

MILIGALE

NAT¢˚ENIE SI¸Y CI¢˚KOÂCI

–8

–40

–30

–20

–10

0

10

20

30

40

ETWESZE

SK¸ADOWA Gzz GRADIENTU GRAWITACYJNEGO