Pengenalan Kepada Graviti

Graviti yang dimaksudkan dalam konteks geodesi fizikal ialah kuasa hasil daripada

gabungan daya tarikan Bumi ( graviti jisim Bumi ) dan kuasa mengempar ( halaju

memusat ) disebabkan oleh putaran Bumi yang bertindak ke atas sesuatu jisim yang

terletak di permukaan Bumi. Nilai graviti dipengaruhi oleh susunan dan taburan jisim

dam putaran Bumi yang sentiasa berubah-ubah mengikut masa. Nilai purata graviti Bumi

( g ) ialah 980 unit gal di mana 1 gal bersamaan 1cm . Oleh kerana graviti merupakan

satu pecutan maka pengukurannya mestilah melibatkan penentuan panjang dan masa.

Walaubagaimanapun pengukuran semudah ini tidak dapat dicapai pada ketepatan dan

kejituan yang dikehendaki dalam pengukuran graviti.

Pengukuran Graviti

Pengukuran graviti dapat dibahagikan kepada 2 jenis iaitu :-

a) Graviti Mutlak

Melibatkan keseluruhan magnitud di sesuatu titik iaitu pengukuran

nilai kelajuan graviti pada satu titik secara langsung. Ianya dilakukan

tanpa membuat rujukan kepada mana-mana stesen yang lain.

Memerlukan peralatan yang canggih, kos yang mahal serta tempoh

cerapan yang lebih lama.

4 kaedah yang boleh digunakan iaitu kaedah jatuhan bebas, kaedah

naik turun, kaedah pendulum dan Sakuma.

FG-5

The FG5 has been designed in the early 90’s, as a follower of the JILAGs. It is manufactured by Micro-g Solutions in Boulder, Colorado (U.S.A.) catapult is needed for the FG5 because the reflector is only dropped and free-falling.

GA-60

In the early 70’s Prof. Sakuma designed an AG, which was operated at Sèvres (close to Paris, France), in the buildings of the Bureau International des Poids et Mesures (B.I.P.M.). Later on he also designed a transportable version of this gravimeter, belonging to the B.I.P.M. and manufactured by the Jaeger Company, in Levallois-Perret (France)

Komponen FG5

GA-60 – Gravimeter Mutlak

Absolute Gravimeters- The GA-60 and FG5 instruments are both of the “new”

generation of absolute gravimeters (AG), using the principle of a reflecting object

falling in the vacuum, by opposition to the previous absolute gravimeters which

were pendulums. This new concept has been made possible thanks to the progress of

clocks and laser interferometry in order to measure time and distances with a great

precision. The position of the reflecting object is indeed determined by counting the

interference fringes produced since one of the arms of the Michelson interferometer has a

changing length. In both instruments, the main parts are:

i) a vacuum cylinder in which a reflecting object is launched and free falling

(GA-60) or simply dropped (FG5),

ii) a helium-neon laser stabilised on iodine,

iii) an interferometer to which a seismometer is linked,

iv) a highly stable rubidium clock and

v) a computer which drives the operations, acquires the data and computes the

value of gravity.

b) Graviti Relatif

Untuk mengesan perubahan kekuatan medan graviti dari satu titik ke

titik yang lain di atas permukaan fizikal Bumi. Ianya dilakukan dengan

merujuk kepada satu titik yang dijadikan kawalan sebagai rujukan

untuk mendapatkan perbezaan gravitinya dengan titik yang lain.

Pengukuran nilai graviti relatif iaitu perbezaan graviti di antara stesen

adalah lebih mudah dan menjadi kaedah piawai dalam pengukuran

graviti. Nilai graviti mutlak pada stesen yang diukur boleh diperolehi

dengan merujuk kepada Jaringan Piawaian Graviti Antarabangsa

(IGSN) 1971 (Morelli et. al. 1971). Jaringan ini merupakan stesen-

stesen yang nilai graviti mutlaknya telah ditentukan dengan merujuk

kepada tapak pengukuran graviti mutlak. Dengan menggunakan

peralatan yang dapat memberi bacaan relatif bagi menentukan beza

graviti antara stesen IGSN dan stesen lapangan, maka nilai graviti

mutlak pada stesen lapangan boleh ditentukan.

Kaedah pengukuran terbahagi kepada 2 iaitu kaedah dinamik

(pendulum) dan kaedah statik ( LaCoste Romberg dan Worden )

ALAT GRAVIMETER

Peralatan jenis lama yang mengukur bacaan relatif adalah berdasarkan kepada pendulum.

Ia mengambil masa yang panjang untuk dibaca. Peralatan moden yang dapat mengukur

graviti dengan pantas tanpa menggunakan prinsip pendulum dikenali sebagai meter

graviti atau gravimeter. Sebuah gravimeter pada asasnya adalah satu spring seimbang

yang mempunyai jisim malar. Perubahan berat jisim tersebut kerana perubahan graviti

menyebabkan panjang spring berubah dan ini memberikan perubahan graviti.

Pemanjangan spring berkadar terus dengan penambahan daya (Hukum Hooke), oleh itu :-

mdg = kdg

dan ds = (m/k)dg 

k ialah pemalar kenyal spring 

Gravimeter awal yang kepekaannya dikawal oleh spring mempunyai dua tugas

iaitu untuk menanggung jisim dan bertindak sebagai alat pengukur yang dikenali sebagai

gravimeter stabil. Masalah ini diatasi dalam gravimeter moden (jenis tak stabil) yang

menggunakan daya tambahan yang bertindak serupa seperti pemanjangan spring dan

langsung membesarkan pergerakan spring.

GRAVIMETER JENIS STABIL

Gravimeter jenis ini menggunakan spring untuk mengimbangkan graviti dengan daya

yang berlawanan. Anjakan boleh diukur dengan bertambah atau berkurangnya graviti

yang akan memanjangkan atau memendekkan spring utama. Ianya boleh dikembalikan

pada nilai rujukan yang tetap dengan merubah ketegangan spring pelaras. Nilai pelarasan

ketegangan ini adalah fungsi secara langsung perubahan graviti dari nilai rujukan.

Contoh alat gravimeter stabil iaitu Askania Gravimeter, Scintrex CG-3, dan Boliden

Gravimeter.

Stable gravimeters consist of a mass at end of a beam, which pivots on a fulcrum, and is balanced by a tensioned spring.

Changes in gravity affect weight of mass, which is balanced by restoring force of spring.

Askania GravimeterBeam is pivoted on main spring. A beam of light is reflected from the mass to a photoelectric cell. Deflection of mass, displaces light beam and changes voltage in circuit.

Retensioning auxiliary spring restores beam to null position, i.e. same position at which all measurements made.

Boliden GravimeterMass is in form of a bobbin with two metal plates suspended between two other metal plates.

Change in gravity causes mass to move and changes capacitance between top plates -- detected by tuned circuit.

Mass returned to null position by adjusting DC current connected two lower plates—mass supported by electrostatic repulsion.

Scinntrex CG-3 Gravimeter

CG-3 operates on same principle, but uses feedback circuit to control current to plates that restores mass to null position.

GRAVIMETER JENIS TAK STABIL

Dalam gravimeter tidak stabil pula, anjakan yang disebabkan oleh graviti akan

diperbesarkan oleh daya ketiga. Sebagai contoh, gravimeter tak stabil ialah gravitimeter

LaCoste Romberg. Gravimeter ini terdiri daripada satu alang bersangga yang mempunyai

jisim dan dibantu oleh spring yang terlekat betul-betul diatas sangga. Magnitud momen

spring keatas alang bergantung kepada pemanjangan spring dan sin sudut q. Jika graviti

bertambah, alang akan lebih tertekan dan pemanjangan spring bertambah. Walaupun daya

pulih spring bertambah, sudut q menjadi lebih kecil q’. Dengan menggunakan rekaan

geometri spring dan alang yang sesuai, magnitud penambahan momen pulih oleh

kenaikan graviti boleh diperkecilkan. Spring biasa mempunyai julat pengukuran yang

agak kecil. Namun demikian, dengan menggunakan spring ‘panjang sifar’ iaitu spring

yang bertensi semasa dibina sehinggakan daya pulih berkadar terus kepada panjang

fizikal spring dan bukannya kepada pemanjangannya. Alat ini boleh ditinggikan

kepekaannya dengan julat pengukuran yang tinggi. Bacaan diambil secara

mengembalikan alang ke kedudukan mengufuk dengan mengubah kedudukan menegak

spring menggunakan skru mikrometer. Kesan terma dikawal oleh sistem termostat yang

digerakkan oleh kuasa bateri. Alat ini mempunyai julat pengukuran 5000 ug.

Gravimeter LaCoste Romberg

Gravimeter tak stabil lain yang biasa digunakan ialah gravimeter jenis Worden.

Ketakstabilan alat dihasilkan oleh sistem mekanikal yang serupa cuma alangnya dibantu

oleh dua spring. Spring pertama menjadi spring pengukur manakala spring kedua boleh

digunakan untuk menambah julat bacaan sebanyak 2000 ug lagi. Bagi sesetengah

peralatan ini yang khas, spring kedua juga dikalibrasikan sehingga julat keseluruhan

bacaan serupa dengan julat bacaan gravimeter LaCoste Romberg. Kesan terma biasanya

diminimumkan dengan menggunakan komponen kuarza dan alang dwilogam yang dapat

melakukan gantian secara automatik apabila berlaku perubahan suhu. Akibatnya alat ini

tidak memerlukan termostat dan memadai diletakkan alat dalam bekas kedap udara.

Peralatan biasa mempunyai julat pengukuran yang terhad dan tidak sesuai digunakan

untuk pengukuran graviti antara benua atau untuk kawasan graviti berjulat tinggi.

Gravimeter Worden

For thermal problem, made of quartz glass springs, rods, and fibres. (Quartz less sensitive to heat than metal).

Assembly housed inside vacuum flask with electrical thermostat. Range of instrument is 20,000 g.u. with accuracy up to 0.1 g.u., but 1 g.u. more

usual. Lower range means it is more commonly used for local surveys, over which g

changes less.

Pemalar kalibrasi gravimeter boleh berubah mengikut masa dan mesti disemak secara

berkala. Prosedur paling biasa ialah mengambil bacaan pada dua atau lebih lokasi yang

graviti mutlak atau relatifnya diketahui. Dalam membuat kalibrasi, gravimeter jenis

Worden, bacaan diambil untuk beberapa set julat skru penyelarasan supaya pemalar

kalibrasi dapat disemak untuk keseluruhan julat pengukuran meter tersebut. Bagi

sesetengah peralatan ini yang khas, spring kedua juga dikalibrasikan sehingga julat

keseluruhan bacaan serupa dengan julat bacaan gravimeter LaCoste Romberg. Prosedur

sedemikian tidak boleh digunakan untuk gravimeter LaCoste Romberg di mana setiap

julat yang berbeza mempunyai pemalar kalibrasi tersendiri. Dalam hal ini penyemakan

boleh dilakukan dengan mengambil bacaan meter pada beberapa inkliriasi meja sengget.

Prosedur ini biasanya diserahkan kepada pembuat alat.

Kelebihan gravimeter :-

Gravimeter moden dapat mengukur graviti. Bumi dengan pantas tanpa menggunakan

prinsip pendulum.Ia juga dapat memberi kejituan sehingga 0.001 mgal tetapi nilai

kejituan itu hanya boleh diperolehi di bawah keadaan cuaca yang optimal apabila

melakukan prosedur pengukuran di padang.

Gravimeter mutlak yang berkejituan tinggi dapat menyiasat pergerakan jisim skala besar

di dalam bumi.

Dengan gravimeter, perbezaan graviti di antara stesen adalah lebih mudah dan menjadi

kaedah piawai dalam pengukuran graviti.

Kelemahan gravimeter :-

Gravimeter ini mengalami fenomena rayapan berupa perubahan bacaan graviti mengikut

masa pada sesuatu lokasi. Rayapan ini dihasilkan oleh ketidaksempurnaan sifat kenyal

spring yang mengakibatkan perubahan tak kenyal mengikut masa. Rayapan juga boleh

disebabkan oleh perubahan suhu yang sekiranya tidak diatasi akan menyebabkan

perubahan bacaan yang bukan disebabkan oleh perubahan graviti. Rayapan dikesan

dengan mengambil bacaan berulangan di lokasi tertentu sepanjang hari pengukuran itu

dilakukan.

Peralatan biasa mempunyai julat pengukuran yang terhad dan tidak sesuai digunakan

untuk pengukuran graviti antara benua atau untuk kawasan graviti berjulat tinggi.

Penggunaan Pengukuran Graviti 

Kaedah graviti digunakan secara meluas dalam menentukan lembangan

pengendapan dan struktur yang boleh memberi maklumat mengenai asal

pembentukannya.

Kaedah graviti digunakan secara meluas oleh industri petroleum untuk

menentukan kemungkinan perangkap hidrokarbon.

dapat mengukur perubahan graviti sekecil satu mikrogal (=10-8ms-1). Teknik

mikrograviti digunakan dalam kajian geoteknik untuk menentukan rongga bawah

tanah dan boleh juga digunakan, misalnya, pergerakan berkala air bawah tanah di

sesuatu kawasan kajian.

reka bina alat mudah alih yang dapat mengukur graviti mutlak dengan kejituan

tinggi untuk menyiasat pergerakan jisim skala besar di dalam bumi.

penting dalam kajian geodasi iaitu kajian tentang bentuk mukabumi

kegunaan ketenteraan.

Gravity meter No. DM-2 is a demonstration model of a G-Meter (Geodetic Model), with a galvo beam reading system. G-Meters operate using a metal zero-length spring and a lever-arm system. The lever-arm (beam) provides mechanical advantage and sensitivity to accurately measure the position of the mass at the end of the spring. This mass-balance system produces relative gravity measurements on the order of 1 part in one hundred million of the earth's field. This is equivalent to a bathroom scale that is capable of weighing yourself to determine how many buttons are on your shirt!

Gravity meter model No. 70 is one of the last of the old-style (25-lb) LaCoste & Romberg meters built. The 25-lb instrument was manufactured by LaCoste & Romberg between 1941 and 1957. It had a range of 200 mGals and about 80 were sold. A few of these are still in service today. This model was superceded by the Model G meters

Worden Gravity Meter s/n 131 measures gravity differences of the earth and can detect 1 part in 100,000,000 of the normal gravity of the earth. Under ideal conditions, this meter can measure gravity differences of 0.01 milligal or 1 inch in elevation change. This particular type of Worden meter continues to be in use today for exploration. It is a very portable and accurate gravity meter. It is one of over 1500 Worden Gravity Meters that have been manufactured.

RUJUKAN

www.gga-hannover.de/.../s1/geraete/lcr.htm

www.geophysics.ou.edu/principles/grav_ex/relative.html

http://:pkukmweb.ukm.my/~rahim/gravity%20lecture(MSc).htm

http://pkukmweb.ukm.my/~rahim/Survei%20Graviti.htm

http://www.mssu.edu/seg-vm.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Gravimeter

http://olimpia.topo.auth.gr/GG2002/SESSION1/Amalvict.pdf#search=%22gravimeter%20sakuma%22

Monograf Geodesi 2 POLISAS