Лекция_№_3

Лекция №3 Гравиразведка

Способы измерения силы тяжести

Величину ускорения свободного падения первым экспериментально установил Галилео Галилей, наблюдая за падением тел с верхнего этажа Пизанской башни. Этот метод вошел в гравиразведку как метод измерения поля силы тяжести с использованием падения тела под действием силы тяжести в воздухе. Если измерить время падения t и пройденный телом путь S, то значение g несложно рассчитать по известной формуле:

,

где S – путь пройденный телом, t – время падения, g – ускорение силы тяжести.

Таким образом, зная расстояние и время движения (падения) тела

можно получить ускорение свободного падения:

2

После Галилео Галилея этот способ был забыт из-за крайней низкой точности определения поля силы тяжести. Но впоследствии был воплощён в баллистическом гравиметре, где измеряется время пробега оптического уголкового отражателя. Измерение пути, пройденного падающим телом, осуществляется лазерным интерферометром.

Однако баллистические гравиметры не используются для проведения гравиметрических съемок, из дороговизны, недостаточной портативности.

Долгое время ускорение свободного падения измеряли с помощью колеблющегося маятника. Как известно, период его качаний Т связан с величиной g простым соотношением:

,

где l –длина маятника.

Перечисленные методы измерения силы тяжести называют динамическим методами, в которых наблюдается движение тела под действием силы тяжести, при этом измеряемой величиной является время. Динамические методы измерения силы тяжести позволяют измерять абсолютные значения силы тяжести. Однако надо помнить, что подобные измерения требуют большого времени. Так, например,

чтобы измерить ускорение свободного падения с точность ±1 мГал, наблюдения маятниковым прибором необходимо проводить в течение 13 часов. При этом, современные гравиметрические съемки требует точности ±0,1 мГал и выше.

В настоящее время силу тяжести измеряют гравиметрами. Они портативны, масса их не более 5 кг и позволяют получать значение свободного падения со среднеквадратической погрешностью ± 0,02 мГал, затрачивая на каждое наблюдение 1-2 мин.

Однако в гравиметрах используется относительный способ измерения силы тяжести, который предельно простой. Если на чувствительной пружине подвесить грузик массой m, то под действием силы тяжести, т.е. веса грузика (Р = mg), пружина на некоторую длину l. Если на какой-то другой тяжести возрастет, то растяжение пружины увеличится, если же сила тяжести уменьшится — растяжение сократится. Таким образом, измеряемая величина g приращения ускорения свободного падения по отношению к заранее выбранной точке в мГал пропорциональна изменению длины пружины l в см. Пружины бывают металлические, кварцевые любой формы: спиральные, ленточные, винтовые. В качестве пружины используют рабочий объем газа.

Идею использования пружинных весов для измерения ускорения свободного падения впервые высказал великий русский ученый М.В. Ломоносов. Им была предложена конструкция газового гравиметра, в котором в качестве рабочего упругого элемента использовался объем газа.

Этот метод измерения поля силы тяжести называют статическим, в котором наблюдается изменение положения равновесия тела под действием силы тяжести и некоторой другой силы, которая уравновешивает силу тяжести. При этом измеряемой величиной является линейное или угловое смещение тела. В качестве уравновешивающей силы может использоваться упругая сила твердых тел (пружин, нитей, мембран и т.п.).

Статические приборы всегда относительны.

В настоящее время статические гравиметры являются основными приборами для относительных определений силы тяжести.

Методика проведения гравиразведочных работ

Гравиметрические съемки проводят в соответствии с технической инструкцией по гравиразведке. Чаще всего применяется пешеходная съемка, реже для перемещения между пунктами используется автотранспорт.

Обычно используется площадная съемка, при которой некоторый участок покрывается сетью наблюдений.

Для привязки точек на местности, внесения редукций необходимо проведение геодезических работ, предшествующих гравиметрическим.

Привязка точек производится по аэрофотоснимкам или с помощью теодолитных работ и нивелировки местности. Сейчас на открытых пространствах используют GPS.

Так как в гравиразведке изучают относительные изменения ускорения свободного падения, то обычно необходимо привязываться к пунктам, имеющие абсолютное значение ускорения свободного падения.

Съемки проводятся рейсами, начинающимися и заканчивающимися на опорных пунктах. Часть рейса между двумя опорными пунктами называется звеном. Опорная сеть включает до 5 - 10% от общего числа точек наблюдения, равномерно распределенных по площади.

В нашей стране существует так называемая государственная сеть, включающая в себя пункты 1, 2 и 3 классов точности, на которых абсолютное значение ускорения силы тяжести измерено с высокой точностью. Расстояния между этими пунктами составляют около 10 км.

Типы гравиразведочных съемок.

Измерения поля силы тяжести могут проводиться на суше, на акваториях морей и океанов, в воздухе и в космосе.

Одно из основных направлений гравиразведки это наземная съемка. Эта съемка используется при изучении строения континентов с целью решения вопросов геологического картирования территорий и тектонического районирования, поиска и разведки месторождений полезных ископаемых. Масштаб таких съемок, в зависимости от конкретной задачи, может варьировать от 1:100000 до 1:10000. Более

крупномасштабные съемки используются для решения инженерногеологических, археологических, экологических задач.

Аэросъемки, когда измерения поля силы тяжести производятся гравиметром, расположенным в самолете или гондоле, буксируемой самолетом или вертолетом, проводятся для решения задач региональной геологии.

Гравиметрической аэросъемкой масштаба 1:200000 в 80-х годах прошлого столетия была охвачена вся территория СССР. Современные съемки отличаются не только высокой производительностью измерений, возможностью работы на труднодоступных территориях, но и высокой точностью измерений. С использованием высокоточной аппаратуры, в зависимости от цели исследования, проводятся съемки необходимой степени детальности.

Донные съемки проводятся на акваториях морей и океанов. Масштабы этих работ, в зависимости от задачи исследования меняются от региональных, используемых при изучении особенностей строения земной коры и мантии, до крупномасштабных — при решении задач геологического картирования и поиска полезных ископаемых на шельфе.

Подземная и скважинная гравиразведка производится в горных выработках и шахтах и скважинах для изучения геологического строения, особенностей разрезов и форм залегания рудных тел на стадиях разведки месторождений или «доразведки» флангов эксплуатируемых месторождений.

Каждый из перечисленных видов съемок требует специальной аппаратуры, соответствующей методики измерения, а зачастую и специальных методик обработки полученных данных.

Аппаратура для измерений на суше, в подземных выработках, на море, в воздухе и в космосе отличается и принципами измерений, и конструктивными особенностями, и точностью.

Основные требования, предъявляемые к наземным гравиметрам

— это, небольшие размеры и вес приборов, позволяющие оперативно переносить их с одной точки наблюдения на другую, а также простота установки и снятия отсчетов.

Скважинные приборы должны быть ещё меньше и обеспечивать возможность перемещения их по стволу скважины и дистанционного снятия отсчетов.

Морские и аэроприборы должны быть оснащены гироплатформами, которые позволяют автоматически стабилизировать и устанавливать ось чувствительной системы в вертикальном положении.

Масштаб и точность съемок

Общими в методике всех геофизических методов являются следующие положения:

При площадных съемках по регулярной сети точек, густота сети

— расстояние между профилями и шаг по профилю должны соответствовать требуемой детальности изучения, то есть решаемой геологической задаче.

Аномалия считается достоверной, если она отмечена не менее чем тремя точками съемки на профиле или подсечена, минимум, двумя профилями.

Вгравиметрии чаще используется съемка по «квадратной» сети, когда шаг съемки равен расстоянию между профилями.

Обработка данных гравиразведки

При первичной обработке гравиметровых съемок для каждой точки наблюдений вычисляются аномалии Фая и Буге.

Для обработки материалов гравиразведки используют программные комплексы, которые предусматривают полную обработку наблюдений.

Результаты вычисленных аномальных значений изображают графически в виде графиков карт изоаномал. Изолиниями соединяют пункты с одинаковыми значениями. Изолинии проводят через интервал, называемый сечением изоаномал. Сечение изоаномал определяется масштабом съемки, погрешностью определения аномальных значений ускорения свободного падения и быть в 2-3 раза меньше амплитуды исследуемых аномалий.

В заголовке карты указывают вид аномалий (поправки, с которыми вычислены аномалии), принятую плотность промежуточного слоя.

Физические основы интерпретации гравитационных аномалий. Прямая и обратная задачи

На картах и графиках аномалий Буге выделяются латеральные плотностные неоднородности горных пород, залегающих на разных глубинах.

Положительным аномалиям соответствуют более плотные, а отрицательным - менее плотные породы. Но всегда они представляют собой суперпозицию гравитационных полей, обусловленных аномалосоздающими объектами разных по глубине структурных этажей.

Интерпретация данных гравиразведки бывает качественной и количественной и сопровождается геологическим истолкованием результатов. При качественной интерпретации выделение аномалий ведется визуально или статистическими приемами. Дается визуальное описание характера аномалий силы тяжести. При этом отмечается форма аномалий, их простирание, примерные размеры, амплитуда. Устанавливается связь гравитационных аномалий с геологическим строением, выделяются региональные аномалии, связанные со строением земной коры, и локальные аномалии, часто представляющие большой разведочный интерес. Геологическое истолкование проводиться на основе учета всех геологических, и в частности, петроплотностных, свойств пород района. Это так называемый метод анологий.

При количественной, расчетной интерпретации определяются местоположение эпицентров (проекции на земную поверхность) аномалосоздающих объектов, глубины залегания их центров, формы, размеры, избыточные плотности. Таким образом, количественная интерпретация заключается в решении прямой и обратной задачи.

Прямая задача сводится к вычислению гравитационного эффекта тел, составляющих модель. Для этого должны быть заданы форма, размеры, глубина залегания, плотность тел. Обратная задача сводится к определению параметров аномалиеобразующих тел – формы, глубины залегания, плотности по гравитационным аномалиям.

В математической терминологии обратные задачи гравиразведки относятся к классу некорректно поставленных задач; методам их решения посвящено много научных работ.

Для повышения надежности интерпретации гравиразведку следует применять в комплексе с другими геофизическими методами, бурением, геологическими изысканиями.

Аналитические способы определения параметров тел

Аномалия силы тяжести, вызванная притяжением тел любой формы, размера и плотности, может быть вычислена на основании закона всемирного тяготения.

Пусть однородный шар радиусом R , объемом V , и плотностью σ расположен на глубине h . Решим прямую задачу, т.е. определим гравитационный эффект вдоль наземного профиля, проходящего через проекцию центра шара с началом координат над ним.

Поскольку по закону всемирного тяготения шар притягивается с такой же силой, как и точечная масса, сосредоточенная в его центре, аномалию над шаром можно получить, считая, что аномалия силы тяжести над шаром и аномалия точечной массы, помещенной в его центре, совпадают:

∆

где M=σV - избыточная масса шара.

График силы тяжести gш будет иметь максимум над центром шара

∆(при х=0)

и асимптотически стремиться к нулю при х→± ∞. Знак gш определяется знаком σ.

Методы трансформации гравитационных аномалий

Аномальное гравитационное поле в любой точке отображает воздействие всех аномальных масс Земли. Однако для решения

конкретной геологической задачи в каждом случае необходимо из этого суммарного аномального поля выделить лишь ту его составляющую, которая обусловлена воздействием интересующих нас объектов, исключить влияние всех остальных масс.

Каждая из масс создает в любой точке гравитационный эффект, величина которого зависит не только от размеров массы, но и от квадрата расстояния между ней и пунктом наблюдения. Следствием этого является одно важное свойство гравитационного поля: аномалии от далеко расположенных объектов имеют не только значительно меньшую амплитуду по сравнению с аномалями от близких, равных им по массе объектов, но и более сглаженную, расплывчатую форму.

Всоответствии с характером решаемых геологических задач можно считать, что суммарное поле состоит из региональных и локальных аномалий.

Внастоящее время разработано много способов преобразования (трансформации) гравитационных полей. Простейшим из них является графический способ. Выбирают несколько параллельных профилей и

для каждого из них строят график g. Анализируя графики, проводят усредняющую линию, или линию, совпадающую со значением гравитационного поля на большей части профиля, что и будет соответствовать величине регионального фона. Локальные аномалии получают, вычитая из общего суммарного поля региональный фон.

Для разделения гравитационных полей нередко применяют способ усреднения. Он состоит в следующем. Исследуемую площадь разбивают на равные площадки (круг, прямоугольник, квадрат). В каждой площадке из всех полученных аномальных значений определяют среднее арифметическое значение гравитационных аномалий

∑∆

∆ ср

где g— значение аномалии для каждого пункта наблюдения; n — число пунктов, попавшее на площадку.

Значение gср соответствует величине регионального поля для этой площадки, так как мелкие неоднородности поля при суммировании ослабляются.

Аномальное значение ускорения для центра площадки определяют как разность между значением суммарного поля в этой точке и среднего значения (регионального поля):

ga= g – gср

В этом способе большое значение имеет выбор размера площадки. На практике обычно размер площадки выбирают опытным путем на основании простых расчетов. Наилучшие результаты получаются тогда, когда в пределы площадки попадает достаточное и примерно одинаковое число положительных и отрицательных аномалий. По полученным значениям локальных аномалий строят карту изолиний, которую используют для качественной интерпретации в дополнение к общей карте изоаномал.

Области применения гравиразведки

Гравиразведка применяется для решения широкого круга задач, связанных с исследованием верхней мантии и земной коры, с региональным тектоническим районированием суши океанов, поисковоразведочными работами на многие полезные ископаемые, изучением геологической среды.

Границы крупных блоков земной коры с существенно различным геологическим строением, а, следовательно, с разной плотностью слагающих их пород, как правило, в поле силы тяжести отмечаются протяженными линейными зонами градиента — аномалиями типа «гравитационной ступени». Такие аномалии фиксируют крупные вертикальные и субвертикальные разрывные нарушения.

Отрицательными гравитационными аномалиями обычно картируются осадочные бассейны, массивы гранитоидов среди пород большей плотности.

Положительным аномалиям соответствуют поднятия фундамента в складчатых областях, интрузивы и мощные толщи магматитов основного состава.

Выраженность в гравитационном поле складчатых структур зависит в большей степени от плотностных параметров слагающих их пород, чем от характера структуры.

С помощью гравиразведки изучают: структуру стратифицированных и интрузивных образований, морфологию

разломов, выделяют структуры, перспективные в поисковом отношении.

При разведке нефтяных структур объектами являются соляные купола, антиклинальные складки, рифтовые массивы, куполовидные платформенные структуры.

Соляные купола наиболее благоприятны для интерпретации благодаря низкой плотности и резким крутым склонам.

Антиклинальные складки выделяются вытянутыми изолиниями аномалий силы тяжести в редукции Буге чаще положительного, реже отрицательного знака в зависимости от плотности пород, залегающих в ядре складок.

Рифовые массивы. Рифовым известнякам среди осадочных терригенных пород, как правило, соответствуют гравитационные максимумы.

При разведке угольных месторождений гравиметрия применяется для определения границ угольного бассейна, для непосредственных поисков отдельных месторождений и пластов угля, отличающихся отрицательной избыточной плотностью.

Классическими объектами гравиразведки являются железорудные месторождения (КМА, Кривом Рог), где она позволяет не только изучать отдельные структуры бассейна, но и картировать железорудные толщи, выявлять зоны богатых руд, создающие интенсивные положительные аномалии за счет высокой плотности железистых кварцитов.

Хромитовые, полиметаллические и другие залежи рудных и нерудных ископаемых практически всегда отличаются от вмещающих пород по плотности и тоже являются объектами гравиразведки.

Данные крупномасштабных гравиметрических съемок используются в качестве основы при проектировании и обработке данных комплексных исследований, применяемых для решения инженерногеологических, мерзлотно-гляциологических, гидрогеологических и экологических задач. В частности, гравиразведка информативна для выявления тектонических нарушений, расчленения рыхлых и скальных пород, определения зон трещиноватости и закарстованности, обнаружения погребенных объектов и т.п.