Investigation of the location dependence of gravity tide correction in the Pannonian basin according to the requirements of high precision gravimetric field measurements
A gravitációs árapály javítás területfüggésének vizsgálata a Pannon medencében a nagy pontosságú terepi gravimetriai mérések követelményei szerint
Title in English
Investigation of the location dependence of gravity tide correction in the Pannonian basin according to the requirements of high precision gravimetric field measurements
Geodesy (Council of Complex Environmental Sciences)
80 %
Ortelius classification: Geodesy
Geophysics, Physics of the Lithosphere, Seizmology (Council of Complex Environmental Sciences)
20 %
Ortelius classification: Geophysics
Panel
Earth sciences 2
Department or equivalent
Geodetic and Geophysical Institute (Research Centre for Astronomy and Earth Sciences)
Participants
Baracza, Mátyás Krisztián Battha, László Benedek, Judit Kis, Márta Koppán, András Szűcs, Eszter
Starting date
2012-03-01
Closing date
2017-02-28
Funding (in million HUF)
17.965
FTE (full time equivalent)
10.28
state
closed project
Summary in Hungarian
A geodinamikai folyamatok következtében létrejövő tömegátrendeződések a Föld nehézségi térének megváltozását okozzák. Mivel kis intenzitású, lassú, általában szekuláris folyamatokról van szó, ezért a változások kimutatásához egyrészt szélső, néhány mikroGal (1 mikroGal=10^-8 m/s^2) pontosságú nehézségi gyorsulás mérésekre van szükség, másrészt a megfelelő javításokon keresztül a lehető legpontosabban figyelembe kell venni a mérést befolyásoló hatásokat ill. tényezőket. A korrekciók körének egyik fontos eleme az árapály javítás. Az interplanetáris tömegvonzás miatt egy időben gyorsan, elsősorban a Föld - Hold - Nap rendszer relatív helyzete által meghatározott, 100 - 200 mikroGal nagyságrendű, dominánsan napos-félnapos periódussal változó hatás jelenik meg a nehézségi gyorsulásmérések eredményeiben. Ezt a hatást el kell távolítani a mérési eredményekből, ha azokat szekuláris, nem árapály-jellegű geodinamikai okokra visszavezethető változások nyomon követésére kívánjuk felhasználni. Az árapály hatás számításához különböző globális modellek használatosak, amelyek a főbb árapály összetevők amplitúdó és fázis értékeit tartalmazzák. Azonban, ha a helyi kőzetfizikai paraméterek ill. a kéregszerkezet jelentősen eltér a globális modellekben feltételezettől (pl. az átlagosnál vékonyabb a földkéreg), akkor a direkt és indirekt hatások összességeként észlelhető nehézségi gyorsulás változás a már említett pontossági szinten eltér a modellszámítás eredményétől, mert a modellparaméterek értékét bizonyos mértékig a helyi sajátságok is befolyásolják. Pl. a tengerpartokon az ún. óceáni terhelés hatása (ocean loading effect), vagyis az óceáni víztömegeknek az árapály erők miatti átrendeződéséből adódó direkt és indirekt hatás jelentősen módosítja az elméleti adatokat. A kontinensek belsejében, a partoktól távolodva ez természetesen csökken, de mértékéről, bár ennek meghatározására is léteznek globális modellek, pl. Magyarország esetében nincsen méréssel igazolható információnk. A 25 évvel ezelőtti próbálkozásoktól eltekintve (Varga et al. 1985, Meurers, 1987) még valójában az sem volt szisztematikus vizsgálat tárgya, hogy a jelenleg világszerte alkalmazott és néhány tucat szupravezető graviméter észlelései alapján folyamatos fejlesztés alatt álló árapály modellek közül melyik illeszkedne legjobban a magyarországi észlelésekhez. Ebben az a kockázat, hogy ha az árapály redukciót nem a megfelelő/optimális paraméterezéssel számítjuk ki, akkor az ismételt mérések összehasonlítása során téves következtetésre juthatunk a g változását illetően. Ennek a bizonytalanságnak a kiküszöbölésére szeretnénk ellenőrizni, hogy a lokális földtani környezetnek van-e olyan mértékű kimutatható hatása, amelyet már nem hanyagolhatunk el a terepi mérési eredmények árapály javítása során. Ezt a kérdést hosszabb idejű, a Pannon medence területének különböző pontjain végzett folyamatos észlelésekkel lehet eldönteni. Természetesen a rendelkezésre álló technológia, amely már 2009 óta folyamatosan működik és szolgáltat adatot az MTA GGKI Sopronbánfalvi Geodinamikai Obszervatóriumából (http://www.ggki.hu/arapaly/eng_arapaly.htm) csak és kizárólag arra alkalmas, hogy kb. mikroGal értékű ill. ezt meghaladó eltéréseket mutathasson ki, de ez elegendő a Pannon medencére vonatkozó megfelelő árapály paraméterezés vizsgálatára a terepi mérések követelményei szerint. Észlelési pontokként elsősorban az MTA GGKI megfelelő infrastruktúrával (Internet kapcsolat) rendelkező szeizmológiai hálózatának állomásai jöhetnek szóba, amelyek elhelyezkedése megfelelő területi lefedést biztosít a kutatásokhoz. E mellett az ELGI által üzemeltetett Mátyáshegyi Gravitációs Obszervatórium adta lehetőségeket is szeretnénk kihasználni. Az ott működő graviméter kalibráló berendezés ugyanis kiváló lehetőséget ad a mérésekben használt LaCoste-Romberg G949 graviméter kalibrálására az árapály hatások tartományában, de e mellet akár kollokált, akár diszlokált párhuzamos mérések is végezhetők az ELGI valamelyik műszerének bevonásával.
Summary
The mass redistribution of the Earth due to geodynamical processes generates variation of its gravity field. Usually these secular processes have small intensity and speed, therefore in one hand the required accuracy of gravity measurements is high, it is in the range of a few microGal (1 microGal=10^-8 m/s^2), and on the other hand the environmental effects influencing the g measurements have to be considered with the highest precision through different corrections. One of the most important corrections is the tidal correction. Due to the interplanetary mass attraction, this effect varies quickly, dominantly with diurnal-semidiurnal periods in a range of 100 – 200 microGal according to the relative position of the Earth – Moon – Sun system and it appears both in relative and absolute gravity observations. This effect has to be removed from the measurements if those are used to monitor secular, non-tidal-related geodynamical phenomena. Different global models are used for the computation of the tidal effect. These models consist of the amplitude and phase parameters of the main tidal constituents (spherical harmonics). If the local petrophysical parameters or the crustal structure differs significantly from the one supposed in the global models (e.g. the crust is thinner then the average thickness) then the real change of gravity, which is eventually the sum of direct and indirect effects may deviate from the results of model computations far beyond the range of the required accuracy. Along the coastlines of the continents the ocean loading effect modifies the theoretical data in a great extent. Obviously it is attenuated by the distance from the coastline but its measure, although theoretical models are available, was not justified yet by real observations on the area of Hungary. In the last 25 years, except a few efforts (Varga et al. 1985, Meurers 1987), even the systematical investigation of the fit of the available and continuously developing tidal models to local observations was missing. Because of the lack of information and experimental evidence we would like to check if the local geo-environment has a traceable effect which cannot be neglected in the computation of the tidal correction. This question can be investigated by long term continuous recordings of the tidal signal in different points of the Pannonian basin. The available technology being operated continuously since 2009 in the Geodynamical Observatory of the Geodetic and Geophysical Research Institute of the Hung. Acad. Sci. (www.ggki.hu/arapaly/eng_arapaly.htm) is applicable only if the location dependence due to ocean loading effect and crustal inhomogeneities is in the order of a microGal, but this should be enough to justify the selection of a tidal model best fitted to local field observations. First of all the seismological stations of the Geodetic and Geophysical Research Institute of the Hung. Acad. Sci. can be used for this purpose because of the technical background available there (Internet connection). The areal distribution of the stations is favorable for the planned research. Furthermore we plan to use the gravimeter calibration device of the Eötvös Loránd Geophysical Institute and its observatory facilities to manage collocated and dislocated parallel measurements with one of their LCR gravity meters.
Final report
Results in Hungarian
Az OTKA programban végrehajtott, pontonként közel 1 napot igénylő abszolút g mérések igazolták a mérésekben gyakran megjelenő periodikus modulációkat, melyek nagysága meghaladja a drop set-ek (1 órányi adat) kb. ±1 microGal értékű középhibáit. Mivel a g napi változásának domináns forrása a gravitációs árapály, ennek területfüggését vizsgáltuk. Az elavult műszerparkunkat úgy fejlesztettük, hogy LCR rugós G gravimétereink folyamatos mérésre legyenek alkalmasak. Referenciaként használhattuk a GWR SG025 szupravezető gravimétert (Conrad Obsz., Ausztria), valamint időközben a Miskolci Egyetem is rendelkezésünkre bocsátotta új, Scintrex CG-5 rugós graviméterét. Így 6 műszert 5 földrajzi helyen működtettünk 3 - 14 hónapnyi időtartamban, általában kollokált konfigurációban. A műszerek skálatényező-függvényeinek meghatározására végzett nagyszámú mozgó tömeges kalibrálás és a többnyire jobb, mint 1 microGal pontosság ellenére a mérésekből levezetett árapály paraméterek közvetlen összehasonlíthatósága továbbra is kétséges. Ezért az O1 és M2 árapály összetevők delta faktorainak hányadosait vizsgáltuk a hely függvényében, kihasználva, hogy az M2 hullámcsoport amplitúdóit az óceáni terhelés nagyobb mértékben módosítja. Az O1/M2 arány kimutatott csekély, keleti irányú növekedése (<0.2%) nem mond ellent az elméletnek, bár mértéke a FES2014 modell által előre jelzett alatt van. Az eredmények megerősítéséhez az elérhető óceáni terhelési modellek részletes vizsgálata szükséges.
Results in English
Unmodelled tidal effects have been highlighted in recent, nearly one day long absolute g measurements carried out in the OTKA project resulting in a periodic modulation exceeding the typical standard deviations (±1microGal) of the drop sets. Since the most dominant source of the daily g variation is the bulk tidal effect its location dependency was investigated. Unfortunately Hungary has had no dedicated instrumentation so an effort was made to make the available LaCoste-Romberg spring G meters capable for continuous recording. As a reference instrument the GWR SG025 operated in the Conrad Obs., Austria was also used and in the mean time of the project a Scintrex CG-5 became also available. Eventually 6 instruments at 5 different locations were operated for 3 – 14 months mainly in co-located configuration. Despite many moving mass calibrations were done to determine the scale functions of the instruments the direct comparison of the tidal parameters remained questionable, although the accuracy of the observations was mostly better than the planned 1 microGal. Therefore the ratio of the delta factors of O1 and M2 tidal constituents was investigated supposing that M2 is much more influenced by the ocean loading effect than O1. The slight detected increase of O1/M2 (<0.2%) toward east does not contradict to theory, its measure, however, is less than the predicted from FES2014 model. This result has to be validated in the near future by analyzing available ocean loading models.
G Papp, J Benedek, P Varga, M Kis, A Koppán, B Meurers, R Leonhardt, M K Baracza: Feasibility study applied to mapping tidal effects in the Pannonian basin – an effort to check location dependencies at µGal level, Geodesy and Geodynamics, 2017
Papp G. Szűcs E. Battha L.: Preliminary analysis of the connection between ocean dynamics and the noise of gravity tide observed at the Sopronbánfalva Geodynamical Observatory, Hungary, Journal of Geodynamics, 61:47-56, DOI: 10.1016/j.jog.2012.07.004, 2012
Kis M., Koppán A., Merényi L.: Moving-mass gravimeter calibration facility in the Mátyáshegy Gravity and Geodynamical Observatory (Budapest) - First results after renovation and automatization, Abstract and poster for the 17th International Symposium on Earth Tides, Warsaw, 15-19 April, 2013, 2013
Koppán A., Kis M., Merényi L., Szabados L.: LaCoste&Romberg type G gravimeter tests in the Geological and Geophysical Intitute of Hungary, Abstract and poster for the 17th International Symposium on Earth Tides, Warsaw, 15-19 April, 2013, 2013
Papp G., Szűcs E., Battha L.: Preliminary analysis of the connection between ocean dynamics and the noise of gravity tide observed at the Sopronbánfalva Geodynamical Observatory, Hungary, EGU2012, G4.1 Gravity field research - data acquisition - processing and - interpretation, XL117, abstract and poster, 2012
Benedek J, Kis M, Koppán A, Meurers B, Papp G, Szűcs E, Blaumoser N: Comparative measurements of 3 relative spring gravimeters and the GWR SG025 for calibration purposes, COBS Journal, No. 3. p. 19., 2013
Papp G. Szűcs E. Battha L.: Preliminary analysis of the connection between ocean dynamics and the noise of gravity tide observed at the Sopronbánfalva Geodynamical Observatory, Hungary, Journal of Geodynamics, 61:47-56, DOI: 10.1016/j.jog.2012.07.004, 2012
Benedek J, Kis M, Koppán A, Meurers B, Papp G, Szűcs E, Blaumoser N: Comparative measurements of 3 relative spring gravimeters and the GWR SG025 for calibration purposes, COBS Journal, No. 3. p. 19., 2014
Kis M., Koppán A., Kovács P., Merényi L.: Moving-mass gravimeter calibration in the Mátyáshegy Gravity and Geodynamical Observatory (Budapest), Geophysical Research Abstracts Vol. 16, EGU2014-14816, 2014
