Nghiên cứu - Ứng dụng TÌM HIỂU QUY TRÌNH ĐO VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU TRỌNG LỰC TUYỆT ĐỐI BẰNG MÁY FG5x - 245 NGUYỄN PHI SƠN, NGUYỄN TUẤN ANH Viện Khoa học Đo đạc Bản đồ Tóm tắt: Trọng lực chuyên ngành khoa học trái đất, nghiên cứu xác định lực hút trái đất biến thiên theo thời gian Trọng lực có ý nghĩa khoa học thực tiễn to lớn, áp dụng cho ngành khoa học như: trắc địa - đồ, địa chất - khoáng sản, tài nguyên nước, hải dương học, thiên văn học, hàng khơng, vật lý trái đất, quốc phịng , số chun ngành có nhiệm vụ địi hỏi phép đo trọng lực với độ xác cao cỡ vài microGal, như: xây dựng đo lặp mạng lưới trọng lực sở, trọng lực hạng I quốc gia, thăm dò trọng lực tỷ lệ lớn 1/500 đến 1/5000, xác định biến thiên mực nước ngầm… Cho đến năm 2012, Việt Nam chưa có máy đo trọng lực tuyệt đối mà phải hợp tác với Liên bang Nga xây dựng hoàn thiện hệ thống trọng lực quốc gia Trước yêu cầu lĩnh vực đo đạc đồ xây dựng mơ hình Quasigeoid, hồn thiện hệ độ cao đại… yêu cầu ứng dụng chuyên ngành khác, Viện Khoa học Đo đạc Bản đồ Bộ Tài nguyên Môi trường tăng cường lực nghiên cứu trắc địa cao cấp với máy đo trọng lực hệ nhất, có hệ thống máy đo trọng lực tuyệt đối FG5x Đây hệ thống thiết bị đại xác hàng đầu giới Mỹ sản xuất Trong năm qua cán Viện Khoa học Đo đạc Bản đồ nghiên cứu khai thác sử dụng, ứng dụng công tác trắc địa đồ, làm chủ hệ thống, đưa quy trình đo đạc, xử lý số liệu, đặc biệt nghiên cứu ứng dụng thăm dò trọng lực khoáng sản rắn, ứng dụng nghiên cứu động thái nước đất Trong báo xin giới thiệu máy FG5x bao gồm tính năng, quy trình đo xử lý liệu đo trọng lực tuyệt đối Giới thiệu máy đo trọng lực tuyệt đối FG5x khả ứng dụng Năm 2012, Viện Khoa học Đo đạc Bản đồ Bộ Tài nguyên Môi trường tăng cường lực nghiên cứu với máy đo trọng lực mà Việt Nam chưa có, nhằm phát triển ứng dụng thực dự án điều tra trọng lực lãnh thổ Việt Nam, hợp tác thực lãnh thổ Lào, Campuchia Dự án đầu tư với thiết bị quan trọng hệ thống đo trọng lực tuyệt đối FG5x số hiệu 245 hệ thống đo trọng lực hàng không AIR TAGS6 Bộ máy TAGS6 phục vụ đo trọng lực chi tiết cho vùng núi cao, biên giới chưa có liệu trọng lực (chiếm gần 1/3 diện tích lãnh thổ Việt Nam) Còn FG5x phục vụ đo thu nhận liệu trọng lực tuyệt độ xác cao, mốc trọng lực sở, hạng I ứng dụng khác FG5x hoạt động dựa nguyên lý giám sát vật rơi tự buồng chân khơng để xác định vị trí rơi hàm số thời gian Các quỹ đạo rơi tự tham chiếu đến hệ thống hoạt Ngày nhận bài: 21/3/2017, ngày chuyển phản biện: 22/3/2017, ngày chấp nhận phản biện: 28/3/2017, ngày chấp nhận ng: 31/3/2017 26 tạp chí khoa học đo đạc đồ số 32-6/2017 Nghiờn cu - ng dng ng ổn định gọi Superspring Superspring cách ly tác động địa chấn Quá trình rơi giám sát xác hệ thống giao thoa LaserHeNe đồng hồ nguyên tử rubidium Các thành phần hệ thống FG5x: gồm hệ thống con, hệ thống buồng rơi; hệ thống Laser (WEO100); hệ thống điều khiển (Controler); hệ thống máy tính kiểm sốt phần mềm thu nhận xử lý liệu Thông số kỹ thuật hệ thống FG5x: tổng trọng lượng 320kg hộp; tổng khối lượng 1,5m3; phạm vi không gian yêu cầu 3m2; điện áp đầu vào 110-240 VAC (switchable), 50 - 60Hz; công xuất: 500W Hiệu xuất kỹ thuật FG5x: độ xác - 2μGal; phạm vi hoạt động: WorldWide; nhiệt độ hoạt động 100C đến 300C; độ ẩm nhỏ 60% Về ứng dụng FG5x: với độ xác cao FG5x phân biệt biến thiên trường trọng lực trái đất mức độ ± 2μGal khoảng thời gian đo 6,25 Phần mềm xử lý liệu đo “g9” tích hợp mơ hình cải chính, đảm bảo loại trừ hiệu ứng cho nhu cầu ứng dụng khác 0,1μGal - Xây dựng mạng lưới tựa trọng lực phục vụ thăm dò vi trọng lực tỷ lệ 1/500, 1/1000, 1/2000, 1/5000; Nghiên cứu khảo cổ [3] - Điều tra nước ngầm đánh giá thay đổi mực nước ngầm Sự biến thiên theo mùa mực nước ngầm phép đo trọng lực theo thời gian Xác định độ ẩm đất [5] - Giám sát mực nước biển tồn cầu giám sát nóng lên tồn cầu từ phép đo chu kỳ triều nhật đầy đủ [5] - Nghiên cứu đánh giá áp lực khí lên bề mặt trái đất độ cao sóng thủy triều (ảnh hưởng áp lực khí lên bề mặt trái đất mức 0,36 µGal/1 millibar Sự biến thiên trọng trường vùng ven biển sóng thủy triều đạt tới mức 0,2 µGal sóng thủy triều thay đổi cm) [2] Quy trình đo trọng lực tuyệt đối FG5x 2.1 Công tác chuẩn bị Sau xin giới thiệu số ứng dụng đo trọng lực tuyệt đối độ xác cao mà hệ thống FG5x có khả đáp ứng: - Xây dựng mạng lưới trọng lực quốc gia cấp hạng với yêu cầu độ xác gia tốc lực trọng trường từ ± 5μGal đến ± 20μGal; - Xác định biến thiên cục trường trọng lực theo thời gian với độ xác cao ± 5Gal, thm n tạp chí khoa học đo đạc đồ số 32-6/2017 27 Nghiờn cu - Ứng dụng Chuẩn bị thiết bị đồng hệ thống FG5x (kèm theo buồng bảo ôn đảm bảo cho hệ thống FG5x trạng thái nhiệt độ thấp 300C, độ ẩm thấp 85%), danh mục thiết bị kèm theo đầy đủ trạng thái hoạt động tốt Máy phát điện dự phòng Chuẩn bị máy đo trọng lực tương đối để đo gradient đứng điểm cần đo (loại ZLS) Chuẩn bị máy đo tọa độ (GPS), độ cao thủy chuẩn Vận chuyển thiết bị đến điểm đo tơ chun dùng, có hệ thống giảm xóc; u cầu khơng gian quanh điểm đo phải đặt buồng bảo ôn khoảng 6m2 2.2 Lắp đặt máy trọng lực FG5x - Lắp đặt giá đỡ FG5x: theo trình tự catalog nhà sản xuất Đo chiều cao giá đỡ so với mặt mốc dụng cụ theo máy ghi lại giá trị đo - Lắp đặt thiết bị điện: kiểm tra lại thiết lập điện áp đầu vào phù hợp với dòng điện áp AC, từ 100-240V AC, 50-60HZ - Bơm ion trì cho buồng rơi chân không nguồn điện từ pin, gắn thêm nguồn điện AC để cung cấp cho máy bơn ion - Các thao tác ngắt, bật nguồn điện AC hệ thống con: WEO100, FG5x, Controler Hight Voltge theo catalog nhà sản xuất - Toàn hệ thống phải bật trước đo 1h đồng hồ phát laser đạt đến trạng thái cân nhiệt - Kiểm tra chỉnh: Kiểm tra chùm tia laser thẳng đứng; Chỉnh vân giao thoa (Fring Optimization); Điều chỉnh Twiddler 28 and Lower tia kiểm tra (test beam) tia tham chiếu (reference beam) chồng lên nhau; Kết nối ANALOG FRINGE SIM đến Oscilloscope, với thông số (Tỷ lệ dọc = 50 mV /div; Tỷ lệ ngang = μsec /div; Nguồn đầu vào; Tự động kích hoạt (automatic trigger) 0V; Chỉnh tín hiệu vân Osillocope cách điều chỉnh gương # - Các lưu ý: Không vận hành hệ thống máy FG5 vân giao thoa cực đại 300 mV cao 400mV Điều ảnh hưởng xấu đến giá trị đo trọng lực; Ngừng chế độ OSC cách nhấn nút DROP SIM Điều mang lại an toàn cho vật rơi vào cuối chu kỳ OSC Nhấn TRIG đặt chu trình rơi chế độ nghỉ (REST) vào cuối chu kỳ OSC Nhấn RESET lại ngừng tất lực có để thả vật rơi từ vị trí nào; Khi lượng laser lên nằm phạm vi, kiểm tra điện áp DC (nguồn điện phát laser) điều khiển WEO (thường 5- 10 V đủ); Kiểm tra lại độ thẳng đứng tia laser lọ chất lỏng lần thứ 2.3 Quá trình đo Thông qua phần mềm “g9” để khai báo thông số: - Về điểm đo: tên điểm, mã điểm, tọa độ, độ cao, gradient đứng điểm, độ cao máy (tổng độ cao đo ta lắp đặt máy FG5x), độ lệch trục quay trái đất (lấy trang Web hãng www.microglacoste.com cập nhật tuần lần), độ cao chuyển đổi (Transfer Height) đặt = 0; - Về hệ thống máy: lựa chọn loại tần số laser dạng D, E, F,G ng h o tạp chí khoa học đo đạc đồ số 32-6/2017 Nghiờn cu - ng dng dũng điện Kết nối đồng hồ đo dòng với OUTPUT, đo dịng vị trí D, E, F, G cập nhật vào “WEO 100 laser Setup” phần (V); - Về tần suất lần đo: Số lượng SETđo (thường đặt 12 sets cho điểm) Số lần rơi lầnđo Drops/Set (thường thường ta đặt 100 lần) Khoảng thời gian lần đo (thường đặt 60 phút) Thời gian lần rơi rơi (thường đặt giây) - Thông tin điều khiển, thông tin người đo Xử lý số liệu phần mềm “g9” Phần mềm “g9” đồng hệ thống FG5x hoạt động môi trường Windows™ g9 sử dụng với tất máy đo trọng lực tuyệt đối MGL hãng Micro g Lacoste, bao gồm FG-5, A10, FG-L Phần mềm “g9” xây dựng dựa thuật toán “Time Interval Analyzer (TIA)” để ghi lại thông tin liên quan đến việc kiểm sốt thời gian xác rơi (khoảng cách rơi hàm thời gian) Cơng thức xác là: - Tiến hành đo, liệu điểm đo lưu thành project.txt 2.4 Kết thúc đo tháo máy - Khi kết thúc đo cần lưu liệu nhớ khác - Tắt nguồn điện SIMx (Đưa POWER chế độ OFF SIMx), tắt nguồn điện cao áp (vặn chìa khóa), tắt nguồn điện phát laser, tắt nguồn AC (khơng tắt nguồn bơm ion ngoại trừ việc vận chuyển xa) Khóa buồng lị xo cách kéo núm khóa xoay khóa theo chiều kim đồng hồ 1800 để khóa lại Tháo tất dây cáp kết nối lắp đặt máy cất vào túi đựng dây cáp Tháo buồng rơi; tháo chân buồng rơi Tháo buồng giao thoa khỏi buồng lò xo cho vào hộp - Buồng lò xo phải thực khóa, đóng nắp chống bụi đỉnh, tháo buồng lị xo khỏi giá đỡ đưa tồn vào thùng Việc xử lý cải số liệu trọng lực tồn phần “g9” tính trực tiếp gồm: - Cải triều đại dương (Ocean Load) - Cải áp (Barometric Pressure) xuất khí - Cải triều trái đất (Earth Tide ETGTAB) - Cải chuyển động cực trái đất (Polar Motion) - Cải chuyển đổi độ cao (Transfer Height) - Cải tham chiếu (Reference Xo) Ngồi tính tốn điều chỉnh trên, phần mềm cung cấp khả xử lý thời gian thực thống kê cho người sử dụng biết chi tiết tham số khác như: - Thông tin trạm đo: tọa độ, độ cao, nhệt độ, áp xuất, gradient đứng… - Thông tin hệ thống v FG5x: thụng s tạp chí khoa học đo đạc đồ số 32-6/2017 29 Nghiờn cu - ng dụng thiết bị đồng tần số, lazer… - Thông tin tiêu chuẩn thu nhận liệu đo: yêu cầu SET đo, thời gian, độ xác, u cầu số cải chính, thơng tin điều khiển, thông tin người đo… Mỗi ca đo thường phải kéo dài nhiều SET đo, SET đo chuỗi thông số đảm bảo cho tính tốn trị trọng lực tồn phần xác định kèm theo hiệu ứng thời điểm đo Các thông số setup cho SET đo đặt tùy thuộc vào yêu cầu nhiệm vụ Kết tính tốn, xử lý phần mềm “g9” xuất dạng file txt, bao gồm cột liệu SET đo như: thời gian đo, giá trị trọng lực tồn phần, giá trị cải (triều đại dương, triều cứng trái đất, mặt trăng, mặt trời, vĩ độ, độ cao….) Tùy thuộc vào mục đích sử dụng giá trị trọng lực tuyệt đối, người sử dụng tính cải vào giá trị trọng lực toàn phần (Gravity) (xem bảng) Kết luận So với hệ thống đo tuyệt đối giới nay, FG5x thiết bị đại, đảm 30 bảo độ xác cao độ ổn định Các nước tiên tiến giới, đặc biệt nhiều nước Châu Âu sử dụng FG5x đo trọng lực tuyệt đối nhiều vùng lãnh thổ Tuy nhiên FG5x cịn hạn chế việc chưa thích nghi với khí hậu nóng ẩm Việt Nam, vấn đề khắc phục việc chế tạo thêm buồng bảo ôn, nhằm giữ điều kiện tốt nhiệt độ độ ẩm suốt thời gian đo thực địa Trong thời gian qua, cán kỹ thuật Viện tiến hành đo FG5x nhiều vùng Việt Nam, đúc kết thành quy trình đo, sử dụng bảo quản máy, làm chủ công nghệ Với khả ứng dụng nhiều lĩnh vực, cho thấy tiềm FG5x lớn Bên cạnh nhiệm vụ đo lặp hệ thống trọng lực sở quốc gia, hạng I quốc gia Việt Nam, thời gian tới FG5x tham gia đo trọng lực cở sở trọng lực hạng I cho Vương quốc Campuchia Đây lần đầu tiên, Việt Nam có thiết bị đo trọng lực tuyệt đối đại, việc nghiên cứu tìm hiểu, vận hành đặc biệt phát triển ứng dụng lĩnh vực đo đạc đồ mà lnh vc khỏc, nh tạp chí khoa học đo đạc đồ số 32-6/2017 Nghiờn cu - ng dng địa chất khoáng sản, tài nguyên nước… cần thiết Năm 2016, Viện Khoa học Đo đạc Bản đồ hoàn thành đề tài “Nghiên cứu ứng dụng đo trọng lực máy FG5x phục vụ điều tra, đánh giá nước đất số khoáng sản rắn Việt Nam” mã số TNMT 07.42, báo viết từ kết thực đề tài cấp Bộ nói trên.m Tài liệu tham khảo [1] Tơn Tích Ái 2003 “Trọng lực thăm dị trọng lực” NXB Đại học Quốc gia Hà Nội [2] Hà Minh Hòa 2014 ‘Lý thuyết thực tiễn trọng lực trắc địa” NXB Khoa học Kỹ thuật [3] Micro g Lacoste User’s Manual 2012 [4] Micro g Lacoste 2012 “g9 Absolute Gravity Data Acquisition and Processing Software” www.microglacoste,com [5] Trần Văn Nhạc 2008 “Phương pháp trọng lực địa vật lý” NXB Khoa học Kỹ thuật.m Summary Understanding and treatment process measuring gravity data with absolutely FG5x machine - 245 Nguyen Phi Son, Nguyen Tuan Anh Institute of Geodesy and Cartography Gravity is a science of the earth, researchers determined Earth's gravity and its variation over time Gravity has scientific significance and tremendous practical, applied to the walls such as basic sciences: mapping surveying, geology, water resources, oceanography, astronomy, aeronautics, earth physics, defense , among the majors has the task requires gravity measurements with very high accuracy within several microGal when building or network repeater gravity measurement basis, Grade I national gravity, gravity exploration rate of 1/500 to 1/5000 huge, determine groundwater level variation for 2012 Vietnam counted no absolute gravity meter that must cooperate with Russian Federation in developing and improving the system of national gravity Before the requirements of the field of geodesy and cartography, as well as key applications in other disciplines, the Institute is the Ministry of Natural Resources and Environment KHDDBD strengthening research on advanced geodetic gravity meters with the latest generation, including the system of absolute gravity meter FG5x, this is the system of modern equipment and the most accurate in the world today by the US producer In years the scientific staff of the Institute of surveying and mapping has researched utilization, applications in mapping surveying work, to master the system, making the process of measuring, processing data, particularly in applied research has explored the gravity of solid minerals, research applications in groundwater dynamics In this paper would like to introduce FG5x machines include features and process measurement data processing and measurement of absolute gravity.m t¹p chÝ khoa häc đo đạc đồ số 32-6/2017 31 ... Resources and Environment KHDDBD strengthening research on advanced geodetic gravity meters with the latest generation, including the system of absolute gravity meter FG 5x, this is the system of... improving the system of national gravity Before the requirements of the field of geodesy and cartography, as well as key applications in other disciplines, the Institute is the Ministry of Natural Resources... Phi Son, Nguyen Tuan Anh Institute of Geodesy and Cartography Gravity is a science of the earth, researchers determined Earth ''s gravity and its variation over time Gravity has scientific significance