DETERMINACION DE NUEVAS ESTACIONES ABSOLUTAS DE GRAVEDAD EN COLOMBIA WILLIAM ALBERTO MARTINEZ DIAZ • JUAN ALBERTO FLOREZ MUNOZ' LAURA MARLENE SANCHEZ RODRIGUEZ' • Instituto Geografico "Agustfn Codazzi" Martinez, W.A., J.Fl6rez & L.Sanchez: Determinaci6n de Nuevas Estaciones Absolutas de Gravedad. Geoffs. Colomb. 3:81·87, 1995. ISSN 0121-2974 RESUMEN Durante el mes de mayo de 1995 se establecieron en Colombia tres nuevas estaciones con valor absoluto de la gravedad utilizando el gravrmetro AXIS FG-5. Estas mediciones fueron realizadas por Defense Mapping Agency (D. M.A.) de los Estados Unidos y ellnsttuto Geogratico "Agustfn Codazzi" (IGAC), como aporte a la actualizaoion de la Red Gravimetrica Nacional y a la deflnlelon del modelo geoidal local. ABSTRACT Three new Absolute Gravity Stations were established in Colombia in may 1995. A gravity meter AXIS FG·5 was used. These measurements were conducted by the Defense Mapping Agency (D.M.A) with the collaboration of the IGAC. They will allow to actualize the National Gravity Net and to help in defining the local geoidal model. 1. INTRODUCCION En el presente ano, el Instituto Geografico "Agustin Codazzi" ha trabajado en el desarrollo del Plan de Actualizaci6n de la Red Gravirnetrica Nacional (IGAC, 1995). Para este prop6sito la Oficina D.MA en Colombia desplaz6 al Pais un grupo de operadores, el gravimetro absolute, un equipo de posicionamiento satelitario y tres gravrmetros relativos LaCoste & Romberg (G-115, G-125 Y G-4). Este proceso obedece, principalmente, a la necesidad de incrementar la precisi6n del datum gravimetrico en Colombia, asi como proveer al usuario de informaci6n actualizada y confiable como referencia a los levantamientos e investigaciones en Geociencias que se ejecutan en el Pars. La obtenci6n de datos gravimetricos absolutos permite al IGAC determinar con mayor precisi6n el modele de geoide local necesario, de una parte, para la obtenci6n de alturas ortometncas a partir de posicionamiento satelitario y, de otra, para mejorar el conocimiento de la evoluci6n de la dinamica terrestre en el territorio colombiano. 2. GRAVrMETRIA ABSOLUTA 2.1 Esquema General del equipo En general, la gravimetrra absoluta tiene por finalidad la determinaci6n del valor de la aceleraci6n de la gravedad por medio de la medici6n de las cantidades distancia y tiempo (Torge, 1989). . Actualmente, el metoda empleado en este tipo de gravimetrraes la interferometrra optlca, principio de operaci6n de los qravfrnetros absolutos desde la decada de los 60. EI gravrmetro empleado para las ultirnas mediciones en Colombia es el Gravrmetro Absoluto FG-5. EI nombre de este instrumento se deriva de la expresi6n "Faller Gravimeter 5th Generation". En este, se mantiene el principio basico de medici6n simultansa de tiempos y distancias per medios intsrterometricos. No obstante, el aparato presenta un cambio tecnol6gico notable en la configuraci6n de sus componentes, asi como en la geometrra del conjunto, dado que este dispone el mecanisme compensador -superspring- alirreado verticalmente con ta carnara de vacio en donde la masa de prueba es Iiberada en catda libre. Esta disposici6n hace que los efectos de inclinaci6n se disminuyan en relaci6n con los modelos predecesores tipo JILA. Las caracteristicas mas notables del equipo son (AXIS Instruments Company, 1993): Desempeno: Exactitud: ± 2x10'8 m/s2 Precision: ± 1x10.8 m/s2 Tiempo de rnedicion: Menor de dos horas Rango dinarnlco: Mundial Rango de temperatura: 15-25°C Rasgos del Instrumento: Controlador de la toma automatica de datos (PC 486) Procesamiento y almacenamiento de datos en tiempo real Rata de medicion de diez segundos Super resorte de 60 s. de periodo. Medicion lnterterornstnca en linea vertical Optica de colirnacion para alineacion vertical Masa de prueba rodeada por una recamara de arrastre Cart servocontrolado para slevacion y calda de la masa de prueba Laser de Helio-Neon de frecuencia estabilizada Referencia de tiempo de Rubidio Bomba de vaclo turbomolecular Bomba de vacto lonico. Las componentes del equipo se pueden sintetizar en cuatro grupos principales (Fig.1): CAMARA DEVACio 1-----1e--------+ HAZ DE PRUEBA q..._+--l-----. FOTODIODO SISTEMA DE ENFOQUE, CORTE Y RECOMBlNACION DEL LAsER SUPER RESORTE Figura 1. Componentes principales del Gravimetro Absoluto FIG. 5 - Camara de vaclo. Es un contenedor cilfndrico de aluminio, en el cual se hace vacio medio, que aloja el ensamble de la masa de prueba, su prisma reflector y el mecanismo de desplazamiento de dicha masa. En su base existe una ventana a traves de la cual inc ide el laser proveniente de la base del interterometro y sale, una vez es reflejada por el prisma. - Super-resorte. Este mecanismo contiene un segundo prisma reflector, alineado vertical mente con el primero y suspendido de un resorte cuyo periodo (controlado electronicamente) es T=60 s. La finalidad del super-resorte es contrarestar los movimientos verticales de la corteza, reduciendo la dispersion generada en las caldas por cambios en la geometria del sistema. - Base del lnterterometro. Conjunto ubicado entre la carnara de vaclo y el super-resorte, en ella se genera una luz laser estabilizada de Hello-Neon. La base contiene el laser y la optica necesaria para enfocar, dirigir y separar la luz en dos rayos, uno hacia la carnara y otro hacia el super-resorte. Esos rayor, una vez reflejados por los respectivos prismas, son recombinados para ser enviados como haces de interferencia a un fotodiodo ubicado en la caja de etectronica. • Caja de electronica. En este sistema ocurre la rnedicion. La serial proveniente de la base del mterterometro es convertida, al pasar por un fotodiodo, en pulsos TIL que son reducidos en un factor de 4000 y son analizados junto con los pulsos provenientes de un oscilador de Rubidio (reducidos en un factor de 2000) mediante un sistema contador. As! son enviados al computador en donde el software calcula el valor de la aceleracion (g) relacionando las magnitudes tiempo (t) y distancia (A). 2.2 Obtenci6n de Registros Con base en la informacion presentada por Axis Instruments (actual mente Micro-G Solutions Inc.) la obtencion de registros ocurre como se indica a continuaclon. EI Instrumento puede operar en el modo de cafda libre 0 en el modo de Ianzarniento de la masa de prueba. En el modo de caida, una sefial proveniente del computador hace que el controlador del sistema inicie el proceso. EI carro que soporta a la masa de prueba y el ensamble del prisma reflector se acelera a mas de 1g, de modo que la masa es liberada y comienza a caer. Un sistema controlador evita que el carro toque la masa durante la catoa, a la vez que Ie permite recuperarla en la base de la carnara de vaclo y elevarla nuevamente. La luz reflejada por el prisma ensamblado a la masa de prueba genera un haz de interferencia por cad a Y2 de A (A=633 nm.) durante el movimiento del prisma. Dado que la masa se acelera, los haces ocurren cad a vez mas cercanos en el tiempo. La serial que sale del fotodiodo (Avalanche Photo Diode APD) es una onda senoidal cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del objeto en caida. Durante el curso de la medici on se genera cerca de un rnlllon de haces de interferencia. Un elemento discriminador transforma las sefiales del APD en pulses de tipo TIL (Fig.2). Estos son escalados, es decir, divididos por un factor definido por el usuario (general mente 4000) mediante un contador de escala. Un contador universal de intervalos de tiempo (UTlC) mide el intervalo de tiempo ocurrido entre cad a pulso escalado. EI programa fit se encarga de ajustar cada par de tiempo y distancia a una trayectoria parabolica para determinarel valor de g. Cuando el carro y la masa de prueba han descendido pasando el punta de rscuperacion de la masa, el controlador ordena al "cart" reducir su aceleracion y comenzar a detenerse. La masa es asl recibida y desplazada lentar iente hacia arriba a su posicion de reposo, quedando Iista para un nuevo experimento, el proceso se reinicia. La secuencia toma cerca de cinco segundos y se puede repetir seis veces por minuto. ONDA RECOMBINADA SENAL "FRINGE" FOTODIODO ----+-+-+---i----1r-+-+-+-+-+-+-+-t-H-+-+-+-t-1f-- ---+ -+:+- ::.M1 CONTADOR UNIVERSAL ~T :::' DE INTERVALOS DE --------;------t: TIEMPO --------!-------!,..-.----+--------;------:~--~---+ CHIP COMPARADOR PULSOS TTL PULSOS "FRINGE" ESCALADOS JUU~IU~UUUI..JUI..lLmJl!m PULSOS DEL RELOJ T T~i ~ ~ T ~: IACUMULADOR DE VALORES ESCALADOS DE LA SENAL DE L----~~~~~~~~~~~~~~~~~----ICOMPUTADORI IACUMULADOR DE VALORES ESCALADOS DE LA SENAL DE Figura 2. Obtenci6n de Registros en el Gravimetro Absoluto FIG.5 3. ESTACIONES GRAVIMETRICAS Las mediciones se realizaron en el lapso de una seman a por cada estaci6n, en las ciudades de Bogota, Honda y Cartagena. De esta forma, se estableci6 un circuito de calibraci6n instrumental (Bogota-Honda) y se defini6 una estaci6n para cubrimiento de la zona norte de Colombia (Cartagena). Estas mediciones se realizaron veinticuatro anos despues de las lIevadas a cabo por el Doctor James E. Faller y su equipo en 1971 en la Universidad Naclonal-Boqota (Faller, 1971, y Hammond & Faller, 1971). Los valores de gravedad obtenidos durante el proyecto sstan referidos al nivel del piso, dado que la magnitud del gradiente vertical de la gravedad para cad a sitio se incorpor6 como dato al software del FG-5. En el area inmediatamente cercana a cada estaci6n absoluta se ha establecido una estaci6n excsntnca. EI nurnero de mediciones realizadas en cad a estaci6n es de 4800 (48 sets, cada uno de 100 cafdas por hora). La Figura 3. muestra la salida final de datos obtenida para la estaci6n Bogota. En la parte superior cad a rectanqulo representa un set y cada barra indica el error en microGales de cada uno. este es el diagrama de barras de error. En la parte inferior izquierda aparece el histograma que resume la distribuci6n de los 4800 datos, cada divisi6n de la escala horizontal corresponde a 10IlGales; en la parte inferior derecha se observa el valor medio de la gravedad para las 4800 medidas y la desviaci6n standar de los 48 sets y la de las 4800 observaciones. Adicionalmente aparecen correcciones obtenidas con base en los sensores del equipo y su procesamiento en el software. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 1. Tabla 1 Valores de Gravedad y posici6n (WGS-84) de las estaciones absolutas I ESTACION I LATITUD I LONGITUD I ALTURA I GRAVEDAD I PRECISION I BOGOTA 9801-95 4.620112 285.936949 2612.48 977,374.487 ± 2.031 J,1Gal HONDA 9802-95 5.202412 280.265443 293.85 977,928.090 ± 14.900 J,1Gal CARTAGENA 9803-95 10.41970 284.474323 160.00 978,142.215 ± 33.110 J,1Gal 48 Hours Since 1995: 12522:00:00 1525 10 BOGOTA PRELIMINARY VALUE 2 HIGH ::~-r 10 IlGal/dfv Set Gravity Mean: 9.773744871 Set Std Dev (J.1Gal): 2.031 Mean Std Dev (J.1Gal): 12.13 Drift: -.219 ± .512 fJGal/day Number of sets: 48 100 Drops/Set I Set 48 of 48 Speed of Light: -10.7 Effective Heigth: -19.5 Datum Z transfer: 300.6 @ .00 em Laser Correction: .000 Barometric Prenure: 2.82 Polar Motion: -1.43 Ocean Loading: .000 STATUS: SEQUENCE COMPLETE 05/07/95 1995:127 21:52:16 -10 N = 4800 5 LOW I Figura 3. Salida final de datos en el Gravimetro Absoluto FIG.S 3.1 Descripci6n BOGOTA 9801-95/BOGOTA R1 (Fig.4) 5tun6metroa ~p'--D u 0IIl1.~ 1--------- SBagob1IR1 D- o Figura 4. Ubicaci6n estaci6n con valor absoluto de Gravedad • BogotA BOGOTA 9801-95 1) EI punto esta ubicado en la Estaci6n Sismol6gica "Jose Rafael Goberna S.J." del Instituto Geofisico de Los Andes- Universidad Javeriana. 2) Para acceder a la estaci6n, se parte de la entrada al Colegio San Bartolome La Merced en la Carrera 5 No.34-00, intersecci6n de la carrera 5 con calle 34. En la entrada al colegio. se avanza en direcci6n norte (a la izquierda) y se sigue la via interna ascendente 600 m. Durante el trayecto se alcanzan los edificios del colegio, hasta lIegar al campo deportivo y en el costado noreste del campus a la estaci6n sismol6gica. Los ultirnos 50 m. de recorrido son sobre un carreteable en hierba. La construcclon es la mas grande localizada sobre este camino. 3) La estaci6n esta localizada dentro de la edificaci6n (Ia cual esta incrustada en la ladera) en el cuarto No.2, el cual es el sal6n central y el mas amplio. Las distancias a los muros del sal6n son: AI muro suroeste en direcci6n noreste 1.07 m, al muro noroeste en direcci6n sureste 1.34 m, al costado noroeste de la pilastra en direcci6n noroeste 1.20 m, en el centro de una incrustaci6n de concreto de 0.8xO.8 m. 4) La estaci6n esta marcada por un disco de bronce estampado "DMA GRAVITY BASE 9801-95 MAY 19951GAC BOGOTA". BOGOTA R1 Los parratos 1 y 2 son los mismos de la anterior. 3) La estaci6n es exterior, ubicada en el costado noroeste de la edificaci6n. A 1,1 m. en direcci6n noreste del centro de la puerta de acceso, a 0,30 m. del muro noroeste de la construcci6n. Esta es una incrustaci6n en el piso (de baldosa) junto a un pequeno antejardln. 4) La estaci6n ssta marcada por un disco de aluminio estampado "INSTITUTO GEOGRAFICO NP-A2E1, 1954". HONDA 9802-95/HONDA R1 c a, r e r a 10 --------------Carrera 9 QUebra:G Figura 5. Ubicaci6n estaci6n con valor absoluto de Gravedad • Honda HONDA 9802-95 1) La estaci6n se ubica en la zona hist6rica de la ciudad de Honda, cerca a la confluencia del RIO Magdalena y la Quebrada Seca. 2) A partir de La Catedral Alto del Rosario se avanza hacia el este sobre la Calle 10 a la intersecci6n con la Carrera 12 A, Y de alii, aproximadamente a 150 m, a la carrera 11. Se dobla a la izquierda (norte) se avanza 10m hasta alcanzar la Calle 10 (at costado derecho). Se dobla a la derecha (este) y se recorren aproximadamente 75 m en descenso hasta la carrera 10 A. Se gira a la derecha (sur) y se recorren aproximadamente 25 m hasta la bifurcaci6n de la via. Se toma el brazo izquierdo (Calle 9) y se avanza en sentido sureste aproximadamente 75 m hasta la Carrera 10 (al costado izquierdo). Se gira a la izquierda (noreste) sobre la Carrera 10 al comienzo del puente sobre la Quebrada Seca. De aUf, se recorren aproximadamente 40 mala izquierda hasta el Museo del Rio Magdalena. 3) La estacion se halla en el laboratorio de fosiles cerca al centro de la construccion del museo. Las distancias dentro del cuarto son: al muro noroeste en direccion sureste 1.12 m, al costado noreste del meson en concreto 2.05 m, al noreste del ventanal suroeste 1.03 m. 4) La estacion esta marcada por un disco de bronce grabado "DMA GRAVITY BASE HONDA 9802·951GAC MAYO 1995". HONDA R1 Los parratos 1 y 2 son los mismos de la anterior. 3) La estacion excentrica Honda R1 se encuentra en el extremo noroeste del pasillo frontal del Museo, justo dentro de la reja de acceso. Si no es posible entrar al museo, se puede observar desde el exterior de la reja como una extension del pasillo. Las distancias correspondientes son: al muro noreste del pasillo en direccion suroeste 1.96 m, al muro suroeste del edificio en direcclon noreste 0.70 m, a la reja de acceso 0.12 m. 4) La estacion esta marcada por un disco de bronce estampado "DMA GRAVITY BASE HONDA R1 IGAC MAYO 1995". CARTAGENA 9803-95/CARTAGENA R1 Cru,@C,rt"''''R'~ __ PlItqueadero Entrada o pczo ~ Puillo (PlItio ~ IS TELECOM • a03 ·9S Cuarto de equlpo, ~~------.l-~EI Ie",- N Figura 6. Ubicaci6n estaci6n con valor absoluto de Gravedad - Cartagena CARTAGENA 9803 ·95 1) La estacion se localiza aproximadamente a 2.5 Km al oeste del centro de Cartagena. Es la cima del Cerro La Popa. 2) EI punto se halla en el cuarto de equipos al costado sur de la edificacion de Telecom, el cual se halla enseguida (al norte) del Monasterio de La Popa. 3) Las distancias dentro del cuarto son: al muro norte en direccion sur 1.05 m, al muro este en direccion oeste 2.05 m, al muro oeste en direccion este 3.40 m. 4) La estaclon esta marcada por un disco de bronce estampado "DMA GRAVITY BASE C/GENA 9803-95 IGAC MAYO 1995". CARTAGENA R1 EI parrato 1 es el mismo, que la anterior. 2) La estacion se localiza en el costado este del primer escalon del monumento hexagonal de aproximadamente 15 m de altura. EI monumento es una cruz en concreto en la zona de parqueo al norte del Monasterio aproximadamente a 35 m. de la entrada. 3) La posicion de la sstacion es: al extremo norte del escalon en dirsccion sur 1.60 m, sobre el piso de asfalto 0.37 m. 4) La estacion esta marcada con un disco de bronce estampado "DMA GRAVITY BASE C/GENA R1 IGAC MAYO 1995". CONCLUSIONES Como resultado de este trabajo, Colombia cuenta con un nuevo datum gravimetrico, referencia para las mediciones de la Red Gravimetrica Nacional, asl como de los levantamientos gravimetricos hechos en el Pais. La utilizacion de las estaciones Bogota y Honda como circuito de calibracion instrumental (con estaciones intermedias en Alban y Villeta) proporciona un standar gravimetrico de alta precision, asl como un rango amplio de' gravedad en una distancia relativamente corta y a 10 largo de una via en buen estado de transitabilidad. La existencia de estos nuevos valores en el territorio colombia no permite referir a ellos la informacion gravimetrica existente y de este modo incrementar la calidad de los resultados obtenidos en el modelamiento del geoide local. Es posible vincular las estaciones colombianas con las existentes en la Republica de Venezuela y de esta forma contribuir a la resolucion y ajuste del sistema Red Latinoamericana de Normalizacion de la Gravedad 1995- RELANG-95 (McConnell et aI., 1995) . AGRADECIMIENTOS Se agradece la colaboraclon prestada por Defense Mapping Agency, tanto a su oficina de enlace en Colombia en cabeza del Doctor Arturo Camacho, como a la oficina de Saint Louis Missouri; al Doctor Walter Spita, gravimetrista de DMA, por sus aportes en cuanto a la seleccion de los sitios y criterios para el procesamiento posterior de la informacion; al equipo de observadores, geodestas Keith Krauterbluth, David Stizza y Leonard Weingarth; al Instituto GeoHsico de los Andes-Universidad Javeriana, por la ayuda brindaba para efectuar las mediciones en la Estacion Sismol6gica "Jose Rafael Goberna S.J"; al Museo del Rio Magdalena por permitir la' realizacion del trabajo en el laboratorio de f6siles del Museo y a la Empresa Nacional de Telecomunicaciones TELECOM-Bolivar, por facilitar la utllizaclon de su estacion de comunicaciones en el Cerro La Popa-Cartagena. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS AXIS INSTRUMENTS COMPANY. 1993: FG-5 Absolute Gravimeter. AXIS. FALLER, JAMES E. 1971: Bogota-Colombia: Final Reporton absolute Gravity Determination. Interamerican Geodestic Survey. HAMMOND, JAMES A. & J.E.FALLER. 1971: Results of Absolute Gravity Determinations at a Number of Different Sites. J.G.A. Vo1.76,NO.32. INSTITUTO GEOGRAFICO "AGUSTIN CODAZZI". 1995: Actualizaci6n de la Red Gravirnetrica Nacional de Primer Orden. Santate de Bogota. MCCONNELL, R.K., I.ESCOBAR, L.SANCHEZ, M.I.PASTORINO, M.ARANEDA, M.AVENDANO & J.L.TELLERIA. 1995: Progreso reciente en el desarrollo de la Red Latinoamericana de Gravedad 1995. III Reunion Tecnica de la Cornision de Geoffsica, Instituto Panamericano de Geograffa e Historia. Mexico. TORGE, W. 1989: Absolute gravimetry in its operational phase-some results and problems. 6th International Symposium "Geodesy and Physics of the Earth", Proceedings Part II, pp.1-13. Akademie der Wissenschaften der DDR, Postdam.