Классификация методов измерения силы тяжести

1. Классификация методов измерения силы тяжести

Гравиразведка
Лекция 2

2.

Для
измерения
силы
тяжести в принципе могут быть
использованы самые разнообразные физические явления,
связанные с действием гравитации.
Например, падение тела
под действием силы тяжести в
воздухе или жидкости, качание
маятника, поднятие жидкости в
капиллярном сосуде, колебания
струны или пружины, красное
смещение
э/м
волн
в
гравитационном поле и т.д.

3.

Все существующие методы измерения силы тяжести
могут быть поделены на динамические и статические.
Динамическими называются такие методы, в
которых наблюдается движение тела под действием
силы тяжести, при этом измеряемой величиной
является время.
Статическими называются такие методы, в
которых наблюдается изменение положения
равновесия тела под действием силы тяжести и
некоторой другой силы, которая уравновешивает силу
тяжести. При этом измеряемой величиной является
линейное либо угловое смещение тела. В качестве
уравновешивающей силы может использоваться
упругая сила твердых тел (пружин, нитей, мембран и
т.п.).

4.

Измерения силы тяжести бывают абсолютными и
относительными.
При абсолютных измерениях определяют полную
величину силы тяжести.
При относительных – определяют не полное значение,
а приращение в данном пункте относительно
некоторого другого, исходного, поле в котором обычно
известно.
✔ Динамические методы могут быть как
абсолютными, так и относительными.
Статические – только относительными.
Приборы, предназначенные для относительных
определений силы тяжести, называют
гравиметрами.

5. Гравиметры

В гравиразведке в основном применяют гравиметры с
пружинными чувствительными системами.
✔ По характеру действующих упругих сил гравиметры
с такими системами подразделяют на приборы с
поступательным движением грузика, прикрепленного
к пружине (гравиметры первого рода) и приборы с
вращательным движением рычага маятника
(гравиметры второго рода).
Наиболее широкое применение получили гравиметры
второго рода, упругая система которых изготовлена
из кварца (кварцевые гравиметры).

6. Устройство кварцевого астазированного гравиметра (ГАК)

Кварцевый гравиметр – астазированный, то есть его
чувствительная система находится в положении неустойчивого
равновесия. Небольшие изменения силы тяжести приводят к тому,
что равновесие нарушается в результате чего маятник прибора
отклоняется на достаточно большой угол.

7.

CG-5
Лазерный
баллистический
гравиметр ГАБЛ-Э
Гравиметр ГНУ-КВ наземный
узкодиапазонный с кварцевой
чувствительной системой класса В
предназначен для относительных
измерений разности ускорений силы
тяжести в полевых условиях.

8. Классификация гравиметрических съемок

Региональные съемки выполняют для изучения общего
характера гравитационного поля на обширных
территориях. По этим материалам устанавливают общие
закономерности гравитационного поля в пределах крупных
регионов, выполняют тектоническое районирование.
Поисковые съемки проводят на отдельных перспективных
площадях, установленных по региональным работам. Цель
поисковых съемок – выделение локальных структур,
которые могут содержать полезные ископаемые (нефть,
газ, и т.д.).
Детальные съемки выполняют с целью изучения отдельных
локальных структур. Данные детальной съемки могут
использоваться для расчета глубины залегания и
геометрии локальных структур.

9. Гравиметрические съемки также подразделяют на площадные и профильные.

Площадной называется съемка, в которой пункты
наблюдений достаточно равномерно заполняют
изучаемую территорию. Для площадной съемки
строят гравиметрические карты.
Профильная съемка выполняется по отдельным
маршрутам (профилям). Результат такой съемки
– графики аномалий силы тяжести.

10. Методика гравиразведочных работ

Гравиразведочные работы выполняют на опорных рядовых
пунктах. Полевую сеть опорных пунктов создают в начале полевых
работ. Полевую сеть ОП привязывают к ОП более высокого класса
(первого или второго). Точность определения силы тяжести на ОП
должна быть в 1.5 – 2 раза выше точности на пунктах рядовой сети.
Повышенная точность достигается применением более точного
гравиметра или многократными наблюдениями на одном и том же
пункте одним или несколькими гравиметрами.
ОП располагают в условиях наиболее ровного рельефа.
Наблюдения на ОП ведут по замкнутым полигонам, то есть
каждый рейс начинается и заканчивается в одном и том же пункте.
После создания опорной сети проводят наблюдения на рядовых
пунктах. Наблюдения для рядовых рейсов всегда начинаются и
заканчиваются на ОП. Методики наблюдений в рядовых рейсах
бывают различные. Наблюдения могут быть однократные, либо с
повторением.

11.

При выполнении полевых работ необходимо знать
географические координаты каждого пункта, а также
его превышение относительно уровня моря. Эти
определения составляют топографо-геодезические
работы. Точность этих работ должна быть согласована с
точностью измерений аномалий силы тяжести.
Различают несколько видов топогеодезических работ:
- инструментальная съемка (нивелир, теодолит)
- полуинструментальная съемка (нивелир, мерная
лента)
- спутниковая геодезия

12. Сеть наблюдения

Расстояния между профилями берут в 3 - 5 раз
меньше длины, а между точками съемки (шаг
наблюдений) - в 3 - 5 раз меньше ширины
предполагаемых аномалосоздающих объектов.
Для стандартизации методики рекомендуют шаг
съемки делать равным 1, 5, 20, 25, 50 или 100 м.
Расстояния между профилями, направленными
всегда вкрест предполагаемого простирания
разведываемых структур или рудных тел, могут
быть равны шагу или в 2 - 3 раза превышать его.

13. Интерпретация данных гравиразведки

Интерпретацию данных гравиразведки подразделяют на
качественную и количественную.
Качественная интерпретация заключается в анализе особенностей аномального
поля. Основа метода качественной интерпретации – метод аналогий. Данные
гравиразведки сравнивают с данными других геофизических методов, бурением, а
также с данными гравиразведки на уже изученных территориях.
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.
✔ Прямая и обратная задачи взаимосвязаны, но их решения имеют
принципиальное различие. В гравиразведке прямая задача всегда имеет устойчивое
и единственное решение. Обратные задачи, за исключением особых случаев, не
имеют единственного решения, и, как правило, неустойчивы. В математической
терминологии обратные задачи гравиразведки относятся к классу некорректно
поставленных задач; методам их решения посвящено много научных работ.

14. Качественная интерпретация гравитационных аномалий

В процессе качественной интерпретации
анализируют общий характер аномального поля,
его индивидуальные особенности: знак и степень
дифференцированности, наличие региональных и
локальных аномалий, их размеры, форму,
простирание, интенсивность и т.д.
гравитационное поле и среднее
гравитационного поля, рассчитанное в
скользящем окне.
Результаты трансформаций
гравитационных аномалий

15. Прямая и обратная задачи для шара

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 ОХ ,
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:
∆g=(G×σ×V×h)/r3=(G×M×h)/(x2+h2)3/2

16.

Из анализа уравнения можно решить обратную
задачу. Найдем абсциссу x1/2 , в которой g
достигает половины максимума:
∆gmax при (x=0)=(G×M×h)/(h2)3/2=(G×M)/h2
∆g1/2 при (x=x1/2)= (G×M×h)/(x21/2+h2)3/2=(G×M)/2h2
2h3=(x21/2+h2)3/2 или h=1.3 x1/2
g
gmax
gmax/2
Б
А
х1/2
В
х1/2
Х, м

17. Геологические задачи, решаемые гравиразведкой

Общими мелкомасштабными съемками с гравиметрами и маятниковыми
приборами покрыта с той или иной детальностью территория суши и
океанов Земли. Наибольший геологический интерес представляют
результаты общих гравиметрических съемок с точки зрения изучения
земной коры, и в частности определения ее мощности, строения,
изостазической уравновешенности, тектонического районирования.
Зависимость аномалий силы тяжести в
редукции Буге от мощности земной коры:
I, II, III - геосинклинальный,
платформенный и океанический тип
земной коры
Установлено, что в геосинклинальных областях
отмечаются интенсивные отрицательные аномалии
, платформы характеризуются небольшими
аномалиями разного знака, а на океанах положительные аномалии, причем тем большие,
чем меньше мощность земной коры.

18. Гравиразведка при региональном тектоническом районировании

Гравиразведка в полном комплексе с другими геофизическими методами широко
используется при региональном тектоническом районировании суши и акваторий.
Она дает информацию о главных структурных этажах и общем тектоническом
строении крупных регионов. С помощью гравиразведки аномалиями типа ступени
выявляются отдельные блоки земной коры и фундамента, глубинные разломы,
сбросы; отрицательными аномалиями картируются синклинории, горсты,
осадочные бассейны, прогибы фундамента, гранитные массивы среди других
изверженных пород фундамента, рифтовые и солевые бассейны, океанические
хребты и желоба в океанах и др; положительными аномалиями выделяются
антиклинории, поднятия фундамента, грабены и другие структуры.

19. Применение гравиразведки для поисков и разведки полезных ископаемых.

Гравиразведка применяется для разведки следующих нефтяных структур: соляных куполов,
антиклинальных складок, рифтовых массивов, куполовидных платформенных структур.
Наиболее благоприятны для разведки соляные купола, поскольку соль отличается низкой
плотностью по сравнению с окружающими породами и резкими крутыми склонами. Соляные
купола, находящиеся в Урало-Эмбенском районе, Днепрово-Донецкой впадине и других
районах, выделяются изометрическими интенсивными отрицательными аномалиями, по
которым можно судить не только об их местоположении и форме, но и о глубине залегания.
Антиклинальные складки выделяются вытянутыми изолиниями аномалий чаще
положительного, реже отрицательного знака в зависимости от плотности пород, залегающих в
ядре складок. Интерпретация результатов качественная, изредка количественная.
Многие месторождения нефти и газа приурочены к рифтовым массивам, но разведка
последних методом гравиразведки является задачей нелегкой. Для разведки рифтовых
известняков среди осадочных терригенных пород используется анализ как региональных, так
и локальных аномалий, причем рифтовые известняки выделяются, как правило,
положительными аномалиями.
Куполовидные платформенные поднятия, к которым нередко приурочены месторождения
нефти и газа, отличаются малой амплитудой и большой глубиной залегания и поэтому трудно
разведываемы гравиразведкой. Однако применение высокоточных гравиметров позволяет
вести разведку и этих структур, выделяемых слабыми отрицательными аномалиями за счет
разуплотнения пород над поднятиями. Высокоточная гравиразведка применяется для
изучения режима эксплуатации месторождений нефти и газа, а также подземных
газохранилищ. В связи с разведкой угольных месторождений гравиметрия применяется как
для определения границ угольного бассейна, так и для непосредственных поисков отдельных
месторождений и пластов угля, отличающихся низкой плотностью

20. Другие полезные ископаемые

Гравиразведка применяется в комплексе с другими геофизическими
методами и для разведки рудных и нерудных ископаемых, причем она
привлекается как для крупномасштабного картирования и выявления
тектонических зон и структур, благоприятных залеганию тех или иных
ископаемых, так и для непосредственных поисков и разведки
месторождений. Существенное отличие рудной гравиразведки от
нефтяной состоит в меньшей глубинности, большей детальности и
точности разведки. Классическим примером применения гравиметрии
являются поиски и разведка железорудных месторождений (особенно
КМА и Кривой Рог), где гравиразведка применяется для изучения
структуры бассейна, картирования железорудной толщи и поисков
богатых руд. На железорудных месторождениях наблюдаются локальные
положительные аномалии за счет высокой плотности железосодержащих
руд. Хромитовые, полиметаллические и другие залежи рудных и
нерудных ископаемых практически всегда отличаются от вмещающих
пород по плотности. Поэтому для их обнаружения гравиразведка с
успехом применяется.

21. Дополнительная литература

Знаменский В.В. Полевая геофизика. М., Недра,
1980.
Миронов В.С. Курс гравиразведки. Л., «Недра»,
1972.