La gradiometría de la gravedad es el estudio de las variaciones ( anomalías ) en el campo gravitatorio de la Tierra a través de mediciones del gradiente espacial de la aceleración gravitatoria . El tensor del gradiente de la gravedad es un tensor 3x3 que representa las derivadas parciales, a lo largo de cada eje de coordenadas , de cada uno de los tres componentes del vector de aceleración ( ), que suman 9 cantidades escalares :
Tiene dimensión de tiempo recíproco al cuadrado , en unidades de s -2 (o m ⋅ m -1 ⋅ s -2 ).
Los buscadores de petróleo y minerales utilizan la gradiometría gravitacional para medir la densidad del subsuelo , midiendo eficazmente la tasa de cambio de la aceleración gravitacional debido a las propiedades de la roca subyacente. A partir de esta información es posible construir una imagen de las anomalías del subsuelo que luego se puede utilizar para localizar con mayor precisión los depósitos de petróleo, gas y minerales. También se utiliza para obtener imágenes de la densidad de la columna de agua , al localizar objetos sumergidos o determinar la profundidad del agua ( batimetría ). Los científicos físicos utilizan gravímetros para determinar el tamaño y la forma exactos de la Tierra y contribuyen a las compensaciones de gravedad que se aplican a los sistemas de navegación inercial.
Las mediciones de gravedad son un reflejo de la atracción gravitatoria de la Tierra, su fuerza centrípeta , las aceleraciones de marea debidas al sol, la luna y los planetas, y otras fuerzas aplicadas. Los gradiómetros de gravedad miden las derivadas espaciales del vector de gravedad. El componente más utilizado e intuitivo es el gradiente de gravedad vertical, G zz , que representa la tasa de cambio de la gravedad vertical ( g z ) con la altura ( z ). Se puede deducir diferenciando el valor de la gravedad en dos puntos separados por una pequeña distancia vertical, l, y dividiendo por esta distancia.
Las dos mediciones de gravedad se proporcionan mediante acelerómetros que están emparejados y alineados con un alto nivel de precisión.
La unidad de medida del gradiente gravitacional es el eotvos (abreviado como E), que equivale a 10 −9 s −2 (o 10 −4 m Gal /m). Una persona que pase caminando a una distancia de 2 metros emitirá una señal de gradiente gravitacional de aproximadamente un E. Las montañas pueden dar señales de varios cientos de Eotvos.
Los gradiómetros tensoriales completos miden la tasa de cambio del vector de gravedad en las tres direcciones perpendiculares, dando lugar a un tensor de gradiente de gravedad (Fig. 1).
Al ser derivadas de la gravedad, la potencia espectral de las señales del gradiente de gravedad se ve impulsada a frecuencias más altas. Esto generalmente hace que la anomalía del gradiente de gravedad esté más localizada en la fuente que la anomalía de la gravedad. La tabla (abajo) y el gráfico (Fig. 2) comparan las respuestas g z y G zz de una fuente puntual.
Por el contrario, las mediciones de gravedad tienen más potencia de señal a baja frecuencia, lo que las hace más sensibles a las señales regionales y a fuentes más profundas.
La medición derivada sacrifica la energía total de la señal, pero reduce significativamente el ruido debido a la perturbación del movimiento. En una plataforma móvil, la perturbación de aceleración medida por los dos acelerómetros es la misma, de modo que al formar la diferencia, se cancela en la medición del gradiente de gravedad. Esta es la razón principal para implementar gradiómetros en estudios aéreos y marinos donde los niveles de aceleración son órdenes de magnitud mayores que las señales de interés. La relación señal/ruido se beneficia más a alta frecuencia (por encima de 0,01 Hz), donde el ruido de aceleración aérea es mayor.
La gradiometría de gravedad se ha utilizado predominantemente para obtener imágenes de la geología del subsuelo con el fin de ayudar a la exploración de hidrocarburos y minerales. Hasta ahora se han estudiado más de 2,5 millones de kilómetros lineales utilizando esta técnica. [1] Los estudios resaltan anomalías de gravedad que pueden estar relacionadas con características geológicas como diapiros salinos , sistemas de fallas , estructuras de arrecifes , chimeneas de kimberlita , etc. Otras aplicaciones incluyen la detección de túneles y búnkeres [2] y la reciente misión GOCE que tiene como objetivo mejorar el conocimiento de la circulación oceánica.
Durante la década de 1970, como ejecutivo del Departamento de Defensa de los EE. UU., John Brett inició el desarrollo del gradiómetro de gravedad para apoyar el sistema Trident 2. Se encargó a un comité que buscara aplicaciones comerciales para el sistema Full Tensor Gradient (FTG) que fue desarrollado por Bell Aerospace (posteriormente adquirida por Lockheed Martin ) y que se estaba desplegando en los submarinos Trident de la clase Ohio de la Marina de los EE. UU . diseñados para ayudar a la navegación encubierta. Cuando la Guerra Fría estaba llegando a su fin, la Marina de los EE. UU. publicó la tecnología clasificada y abrió la puerta a la comercialización completa de la tecnología. La existencia del gradiómetro de gravedad fue expuesta en la famosa película La caza del Octubre Rojo estrenada en 1990.
Actualmente, existen dos tipos de gradiómetros de gravedad de Lockheed Martin en funcionamiento: el gradiómetro de gravedad de tensor completo 3D (FTG, desplegado en una aeronave de ala fija o en un barco) y el gradiómetro FALCON (un sistema de tensor parcial con 8 acelerómetros y desplegado en una aeronave de ala fija o en un helicóptero). El sistema 3D FTG contiene tres instrumentos de gradiometría de gravedad (GGI), cada uno de los cuales consta de dos pares opuestos de acelerómetros dispuestos en un disco giratorio con la dirección de medición en la dirección de giro.
![{\displaystyle g=[g_{x}g_{y}g_{z}]^{T}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3a93bcf2bf836f665abca50763b0f60498a1bbb0)
