Общие сведения о важнейших методах разведочной геофизики Гравиметрические методы исследования земной кры

Вводные замечания. Методом, основаннным на изучении поля силы тяжести Земли является гравиразведка. Это геофизический метод исследования литосферы, ее настоящего напряженного состояния, поисков и разведки полезных ископаемых. Он базируется на изучении гравитационного поля Земли. Основным измеряемым параметром этого метода является ускорение свободного падения.

При измерении параметров гравитационного поля в воздухе, на земной поверхности, акватории морей и океанов наблюдают их изменения, обусловленные двумя главными причинами: общепланетарными и внутренними. Планетарными особенностями Земли являются а) скорость вращения (Рис 1,2,3), б) масса, в) форма поверхности, г) внутреннее строение. Они создают плавно изменяющееся поле. Его называют нормальным. Вторая причина связана с региональными особенностями различием плотностными неоднородностями среды, образующими аномальное поле силы тяжести.

В задачу метода гравиразведки входит следующее компоненты: а) измерение значений параметров поля силы тяжести, б) выделение аномальных составляющих гравитационного поля и в) их геологическая интерпретация. Исходные данные получают в результате полевых работ при работе на местности с гравиметрами. Методы выделения и интерпретации аномалий опираются на достижения физико-математических наук, важнейшим из которых является теория поля, а по отношению к гравиметрии – сила тяжести и ускорение свободного падения. Более подробно с этим вопросом можно ознакомиться в книге «Гравитационная разведка» (Грушинский Н.П., Сажина Н.Б., М., Недра, 1981).

Аномалии и редукции силы тяжести. Отклонение наблюденного значения g набл от нормального поля, теоретически расчитанного для той же точки, называют аномалией силы тяжести и обозначают символом дельта g. Оно равно разности между наблюдённым и теоретически расчитанным значениями поля.

Для соблюдения корректности этой операции необходимо, чтобы нормальное поле соответствовало высоте над уровнем моря и условиям наблюдения. Поэтому в наблюдение значения силы тяжести вводят поправки, называемые редукциями. Их целью является приведение наблюденные и теоретические значения к одной поверхности.

Существует три основных редукции. Поправка за свободный воздух или высоту учитывает разницу в уровне наблюдения и уровне геоида. Поправка получила название редукции Фая. Она вычисляется в милигаллах (мГал) по формуде:

дельта g своб. возд. = 0,3086h, где h – расстояние от точки наблюдения до уровня моря в м.

Поправка за свободный воздух вводится в наблюденные значения поля силы тяжести со знаком плюс, если наблюдения проводят выше уровня моря, и со знаком минус, если они проводятся ниже уровня моря. Эту поправку используют в геодезической гравиметрии, а также при оценке геодинамического состояния земной коры и литосферы в научных, производственных нуждах или при предупреждении землетрясений и вулканических извержений.

Второй поправкой является поправка Буге. При наземных съемках на участках приподнятых, по отношению к уровню геоида, между поверхностями наблюдения и геоида наблюдаются массы горных пород, которые при введении поправки за свободный воздух смещаются на величину h и накладываются на нижележащие массы, создавая двойной плотностной эффект. Для исключения влияния масс, заключенных между поверхностями наблюдения и геоида вводят поправку за промежуточный слой или поправку Буге. Она вычисляется по формуле в милигаллах (мГал):

дельта gБ = - 0,0418 оh, где о – средняя плотность промежуточного слоя. При превышении высоты точки наблюдения над уровнем моря поправка берется со знаком минус. В сложных горно-геологических условиях, когда рельеф весьма расчлененный, вводят еще поправку за рельеф – дельта g р. При этом полная поправка за промежуточный слой будет иметь нижеследующий вид:

дельта gБ = -0,0418 оh + дельта g р.

Аномалии в редукции Буге представляют собой первичный гравиметрический материал при геологическом истолковании поля силы тяжести Земли. Они отражают влияние плотностных неоднородностях литосферы.

Методика гравиразведки. Под методикой гравиразведки понимают выбор метода и аппаратуры, осуществления комплекса мер и операций для получения значений поля силы тяжести такой кондиции, которая обеспечила бы выявление ожидаемых аномалий и решение поставленных задач. Основными в методике гравиразведки является следующие мероприятия:

1. выбор метода и аппаратного обеспечения,

2. выбор характера, вида съемки и системы наблюдений,

3. вычисление погрешностей съемки и правила обхода точек наблюдения,

4. выбор правил первичной обработки информации и форм ее представления.

По технологии работ и типу носителя аппаратуры гравиразведку подразделяют на наземные, воздушные, морские, подземные и скважинные наблюдения.

При решении геологических и географических задач и по масштабу съемок различают следующие виды работ:

1. региональную гравиразведку, проводимую на суше и море в масштабах, обеспечивающих геологосъемочные работы в масштабах 1:1000.000 – 1:200.000, и

2. детальную – поисково-разведочную, выполняемую в масштабах 1:100.000-1:10.000, направленную на выделение неоднородностей, перспективных на те, или иные полезные ископаемые, поиски и разведку минеральных месторождений.

Полевая гравиметрическая съемка. Она проводится с помощью разного рода гравиметров, вариометров и градиентометров. Полевые гравиметрические съемки бывают пешеходными, автомобильными и самолетными.

По характеру расположения точек наблюдения на исследуемой площади гравиметрические съемки могут быть профильными и площадными.

Маршрутную съёмку выполняют по отдельным прфилям, которые задают в крест простирания основных геологических образований. Её применяют при рекогносцировочных, поисковых работах и при отработке интерпретационных профилей.

Основным видом гравиметрических работ являются площадные съемки. Точки наблюдений задаются по системе прямолинейных профилей, ориентированных в крест проститрания пород. Протяженность должна в 5-10 раз превышать поперечные размеры интересуемых объектов. Расстояние между профилями должны быть в 3 раза больше продольных размеров разведываемых объектов. Это делается для того, чтобы аномалия гравитационного поля фиксировалась минимум на трех соседних профилях. Расстояние меду точками по профилю (или шаг) задают, исходя из поперечных размеров разведываемых объектов, таким образом, чтобы получить четкость аномального эффекта не менее, чем на трех точках каждого профиля. Например, при масштабе 1:100000 расстояние медлу точками должно составлять около 1 км. Для масштаба 1:10000 эта величина не должна быть более100м.

Погрешность съемки определяют, в зависимости от масштаба съемки и интенсивности ожидаемых аномалий. Проектная погрешность при поисково-разведочной съемки не должна превышать 1/5, а при региональных работах 1/3 минимального значения интенсивности локальных аномалий поля силы тяжести. На интерпретационных профилях она должна быть еще меньше. Исходя из величины погрешности, выбирают тип съемочной гравиметрической аппаратуры.

При гравиметрической съемке измеряют относительные значения силы тяжести последовательно во всех пунктах по отношению к одной исходной или опорной точке района исследований. В исходной точке определяют абсолютное значение силы тяжести путем переноса с ближайших абсерваторий и опорных пунктов региональной съемки страны с помощью высокоточных гравиметров. Абсолютные значения силы тяжести в каждой точке могут быть получены путем алгебраического сложения абсолютного значения силы тяжести в исходной точке с относительным значением силы тяжести в данной точке.

Представление результатов гравиметрической съемки заключается в получении графиков аномалий Буге в виде кривых, по которым строятся гравиметрические изолинейные карты, согласно общим правилам картографии.

Морские гравиметрические съемки. Гравиметрические работы на море, в зависимости от носителя и глубины моря подразделяются на надводные, подводные и донные.

При надводных работах регистрирующая аппаратура устанавливается на надводных кораблях. Съемку с помощью гравиметра ведут в движении, а регистрацию силы тяжести вдоль профилей осуществляют в автоматическом режиме. При этом необходима постоянная привязка координат точек наблюдения, что важно не только для их привязки, нои для ввода попревок в наблюденные значения поля силы тяжести наблюденного. Морские гравиметрические рейсы или галсы, так же как и на суше, должны начинаться и заканчиваться тоже на опорных гравиметрических пунктах. Ими могут быть точки, в которых выполнены наблюдения с маятниковыми приборами. Такие точки есть в каждом серьезном порту. Погрешность морских надводных измерений силы тяжести составляет при благоприятных условиях плюс или минус 1-2 мГал.

Подводные гравиметрические работы. Подводные гравиметрические работы проводят с помощью подводных лодок. Они отличаются от надводных более спокойными условиями работы. При отсутствии качки повышается точность работ, в том числе и при проведении опорных маятниковых наблюдений. Донные измерения проводят с помощью кварцевых астазированных гравиметров, заключенных в водонепроницаемые скафандры. В точке наблюдения с борта корабля на дно моря опускают донный гравиметр, чувствительная система которого устанавливается автоматически горизонтально с помощью подвеса Кардана. Измерительные сиситемы на борту корабля фиксируют показания гравиметраТакже автоматически на борту корабля фиксируют показания гравиметра. Предельные глубины при такой съемке составляют 150-200 м. Время отработки точки составляет 1-1,5 часа. Погрешность донных гравиметров невелика и соответствует таковой при полевых наземных съемках, что обеспечивает высокое пространственное разрешение.

Подземные гравиметрические наблюдения. Они проводятся в подземных горных выработках с помощью кварцевых астезированных гравиметров, вариометров и градиентометров с целью учета протяжения залегающих выше толщ горных пород и изменения объема выработки. Они помогают уточнить конфигурацию подсеченных выработкой геологических образований и изучению пространства около выработки.

Аэрогравиметровые съемки. Их проводят с помощью специальных аэрогравиметров. Поле силы тяжести измеряют со скоростью 100-200 км/час на высоте 70-150 м. В качестве опорных используют несколько профилей, пересечение которых рядовыми профилями позволяют учесть сползание 0-пункта гравиметров. Погрешность определения дельта g велика и достигает плюс- минус 10 мГал. Но в комплексе с наземными съемками аэрогравиметрические дают непложхой результат.

Скважинные гравиметрические наблюдения. При скважинных гравиметрических наблюдениях на суше и при морских работах измерение силы тяжести ведут вдоль ствола скважины. При этом необходимо знать наклон и азимуты забоев на всех глубинах. Все это необходимо для учета влияния масс, залегающих над точкой наблюдения. Несмотря на то, что точность этих работ невелика (плюс, минус10мГал), они оказывают существенную помощь при обработке данных наземных гравиметрических съемок.

Вариометрические съемки. Они предназначены для детальных работ при разведке рудных тел, соляных куполов, погребенных русел и других локальных неоднородностей. При вариационной съемке производится определение вторых производных потенциала силы тяжески. Для решения таких задач используются вариометры и градиентометры. Съемки этих параметров обычно бывают площадными, где требуется более тщательная нивелирная топогеодезическая подготовка участка. Они лаколизуются вокруг пункта наблюдений в радиусе до 50 м.. Густота точек наблюдения зависиит от масштаба съемки и размеров разведуемых тел и изменяется от 5 до 100м.

В наблюденные значения вторых производных потенциала силы тяжести W xy, W xz и других вводят поправки за рельеф, за нормальное поле земного сфероида и вычисляют аномальные значения. Результаты съемок представляют в виде карт и графиков вторых производных потенциала, векторов градиента, карт кривизны уровенной поверхности.

Интерпретация данных гравиразведки. Основой интерпретации данных гравиразведки является решение прямой и обратной задач. Пряиая задача гравиразведки состоит в определении элементов поля силы тяжескти по заданному распределению его источников, когда известны форма, размеры, глубина залегания и величина избыточной плотности. Обратная задача гравиразведки ставит противоположную цель – нахождение параметров объекта по известному распределению на профиле или на местности элементов силы тяжести. Иными словами, она заключается в интерпаляции данных измерений при составлении гравиметрических карт. Прямая задача, связанная с изучением аномалии силы тяжески, вызванной притяжением тел известной формы, размера и избыточной плотности, расчитывается на основе закона всемирного тяготения или закона Ньютона. Анализ решения прямых задач служит основой при разработке приёмов решения обратных задач. Анализ решения прямых задач гравиразведки позволяет сделать следующие важные выводы.

1. Знак аномалии Δg определяется законом избыточной плотности. Над относительно «легкими» объектами фиксируются отрицательные аномалии, а над более плотными – положительные.

2. Экстремальные значения Δg наблюдаются над центрами тяжести этих объектов.

3. Форма аномалий Δg в редукции Буге на картах и графиках тесно связаны с пространственным положением избыточных масс. Над вытянутыми телами в земной коре располагаются вытянутые контуры на карте. Над округлыми – округлые в объеме объекты.

4. Чем глубже залегает тот или иной гравитирующий объект, тем более широкую и расплывчатую аномалию создает он на земной поверхности.

В практике геологической интерпретации результатов гравиразведки различают две стадии анализа: качественную и количественную. При качественной интерпретации выделяют гравитационные аномалии, то есть отклонения дельта g от фона. По форме изолиний на карте и графиках можно судить о местоположении, примерных размерах и форме тех или иных геологических тел. Количественная интерпретация заключается в определении формы, размеров, глубины залегания тел и их избыточной плотности, то есть в решении прямой гравиразведочной задачи. Решение обратной гравиразведочной задачи (обобщение материала) сопряжено со значительнвми трудностями и не всегда может быть проведено однозначно.

Геологическое истолкование данных гравиразведки. Важнейшим этапом количественной и качественной интерпретации данных гравиразведки является геологическое истолкование. Оно сводится к сопоставлению плотностных неоднородностей с определенной геологической информацией и данными о плотностных особенностях горных пород и руд изучаемого района. Такое сопоставление обычно проводят на эталонных участках, где есть данные и геологии, и геофизики. Затем поученные закономерности и выводы о геологической природе соответствующих аномалий гравитационного поля распространают на весь район.

Область применения гравиразведки. Гравиразведка находит широкое применение при изучении глубинных неоднородностей земной коры, рекогносцировочно-поисковых работах, поиске и разведке различных полезных ископаемых: нефти, газа, рудных и нерудных минеральных месторождений. Она широко применяется и при инженерно-геологических и гидрогеологических изысканиях: инженерно и при гидро-геологическом картировании, изучении карстовых и трещинных зон, определении мощности ледниковых покровов и для многих других задач, связанных с длительно существующими и кратковременными аномалиями поля силы тяжести.