- •1. Предмет и методы полевой геофизики
- •2. Гравиразведка
- •2.1. Сила притяжения и ее потенциал
- •2.2. Сила тяжести на поверхности Земли
- •Практическое задание № 1
- •2.3. Вторые производные потенциала силы тяжести и их физический смысл
- •Единицы измерения в гравиразведке
- •2.4. Изменение силы тяжести внутри Земли
- •2.5. Изменения гравитационного поля во времени
- •2.6. Нормальное поле силы тяжести
- •Нормальные значения вторых производных потенциала.
- •2.7. Методы измерений ускорения силы тяжести и устройство гравиметров
- •2.7.1. Классификация методов измерений
- •2.7.2. Динамические методы измерений силы тяжести
- •2.7.3. Статические методы измерений силы тяжести
- •Общее устройство кварцевых астазированных гравиметров.
- •Чувствительная система гравиметра.
- •Подготовка гравиметров к работе
- •2.8. Методика гравиметрической съемки
- •2.8.1. Общие положения
- •2.8.2. Опорная сеть
- •2.8.3. Рядовая сеть
- •2.8.4. Методика топо-геодезического обеспечения гравиметрических работ
- •2.9. Камеральная обработка данных съемки
- •2.9.1. Первичная обработка данных
- •9.2.2. Окончательная обработка
- •1. Поправка за высоту точки стояния прибора.
- •3. Поправка за влияние окружающего рельефа
- •2.10. Решение прямой и обратной задач гравиразведки
- •2.10.1. Способы решения прямой задачи.
- •2.10.2. Способы решения обратной задачи.
- •Практическое задание № 3
- •2.10.3. Построение контактной поверхности
- •Практическое задание № 4
- •Контрольные вопросы
- •3. Магниторазведка
- •3.1. Магнитное поле земли
- •3.1.1. Дипольное поле Земли и элементы вектора геомагнитного поля
- •3.1.2. Магнитосфера и радиационные пояса Земли
- •3.1.3. Структура геомагнитного поля
- •3.1.4. Вариации геомагнитного поля
- •3.1.5. Нормальное магнитное поле
- •3.1.6. Генеральная магнитная съемка и магнитные карты
- •Практическое задание № 5
- •3.1.7. Природа магнитного поля Земли
- •3.1.8. Элементы вектора Та
- •3.1.10. Условия и область применения магниторазведки
- •3.2. Магнетизм горных пород
- •3.2.1. Магнитные свойства минералов
- •3.2.2. Магнитные свойства горных пород
- •3.2.3. Палеомагнетизм и археомагнетизм
- •3.3. Способы измерения магнитногополя
- •3.3.1. Классификация способов измерений магнитного поля
- •3.3.2. Оптико-механические магнитометры.
- •3.3.3. Феррозондовые магнитометры.
- •Протонные магнитометры.
- •Квантовые магнитометры.
- •3.3.6. Индукционные и криогенные магнитометры.
- •3.4. Методика полевых работ и обработка полевых данных
- •3.4.1. Методика полевых магнитных съемок
- •3.4.2. Обработка данных магнитной съемки
- •3.5. Различие и взаимосвязь гравитационных и магнитных аномалий
- •3.5.1. Особенности гравитационных и магнитных аномалий
- •3.5.2. Определение величины и направления вектора намагничения геологических тел по наблюденным гравимагнитным аномалиям
- •Практическое задание № 6
- •Контрольные вопросы
- •4. Электрические методы разведки
- •4.1. Физико-геологические основы и классификация методов электроразведки
- •Метод сопротивлений
- •4.2.1. Нормальные поля точечных и дипольных источников
- •4.2.2. Электрическое профилирование (эп).
- •Над вертикальным пластом. Установка (в см) а2в6m2n.
- •4.2.3.Вертикальные электрические зондирования
- •Практическое задание № 7
- •Факторы, определяющие электрические свойства горных пород
- •Методы электрохимической поляризации
- •Метод естественного электрического поля
- •- Медный стержень; 2 – пробка; 3 – резиновая прокладка; 4 – пластмассовый корпус; 5 – пористый сосуд.
- •Практическое задание № 8
- •4.3.2. Метод вызванной поляризации
- •Электромагнитные и магнитотеллурические методы
- •Общие принципы электромагнитных зондирований.
- •Дистанционные и частотные зондирования
- •Магнитотеллурическое зондирование
- •Контрольные вопросы.
- •5.1.2. Устойчивое и подвижное радиоактивное равновесие
- •5.1.3. Единицы измерения радиоактивных величин.
- •5.2. Способы регистрации радиоактивных излучений
- •5.2.1. Газонаполненные детекторы излучения
- •5.2.2. Сцинтилляционные счетчики
- •5.2.3. Полупроводниковые счетчики
- •5.3. Основы полевой гамма-спектрометрии
- •5.3.1. Принцип раздельного определения u(Rа), Тh, к.
- •5.3.2. Факторы, влияющие на результаты γ-спектрометрии
- •5.3.3. Обработка и интерпретация материалов аэрогамма-съемки
- •5.3.4. Характеристика аэрогамма-спектральных аномалий
- •Контрольные вопросы.
- •6. ТерМические методы разведки
- •6.1. Физико-геологические основы терморазведки
- •6.1.1. Тепловые и оптические свойства горных пород.
- •6.1.2. Принципы теории терморазведки
- •6.1.3. Тепловое поле Земли
- •6.2. Аппаратура для геотермических исследований
- •6.3. Методика работ и области применения терморазведки
- •Контрольные вопросы
- •7. Возможности методов полевой геофизики при поисках нефтегазовых месторождений
- •7.1. Применение гравиразведки
- •1.Локальные структуры тектонического типа.
- •2.Локальные структуры аккумулятивного типа
- •7.2. Применение магниторазведки
- •7.2.1. Отражение месторождений углеводородов в региональном магнитом поле
- •7.2.2. Возможности магниторазведки при поисках залежей углеводородов.
- •Применение электроразведки для поисков нефтеперспективных объектов
- •7.3.1. Геоэлектрическая модель залежи углеводородов
- •7.3.2. Применение методов электроразведки для поисков нефтегазовых структур
- •Комплексирование методов полевой геофизики для поисков нефтеперспективных объектов
- •7.4.1. Физико-геологические модели залежей углеводородов
- •7.4.2. Комплексирование геофизических методов при нефтегазопоисковых работах.
- •Практическое задание № 9
- •Справочные сведения к выполнению работы.
- •4. Контрольные вопросы.
- •Литература
2.7.2. Динамические методы измерений силы тяжести
1. Маятниковый метод получил наиболее широкое распространение среди других динамических методов, применялся на практике в течение почти двух столетий и был доведен до высокой степени совершенства.
Маятником можно считать любое твердое тело, совершающее свободные колебания относительно горизонтальной оси. В теории метода рассматривают математический и физический маятники. Математический маятник представляет собой материальную точку с массой m , подвешенную на абсолютно нерастяжимой и невесомой нити длиной ℓ (рис. 2.10). Угол φо соответствует максимальному отклонению маятника от положения равновесия и называется амплитудой колебаний. Время, необходимое маятнику для прохождения от одного крайнего положения +φо до другого крайнего положения -φо, называется периодом колебаний Т маятника. Дифференциальное уравнение движения математического маятника имеет вид:
d2φ/dt2 = - (g/ℓ) sin φ (2.36)
Рис. 2.10. Математический и физический маятники.
Решение этого уравнения дается в виде:
(2.37)
Как видно из последнего равенства, период зависит от амплитуды. При малых амплитудах, когда можно считать sin φ = φ, период колебаний маятника не зависит от амплитуды (это свойство маятника называется изохронностью) и равенство (2.37) приобретает вид формулы Гюйгенса:
, (2.38)
Обычно при гравиметрических измерениях амплитуда колебаний маятника не превышает 1о, поэтому условие sin φ = φ практически выполняется и из формулы (2.38) получим:
. (2.39)
На практике осуществить математический маятник с необходимой степенью точности невозможно. Поэтому при измерениях силы тяжести используют физический маятник, который, имея определенные размеры, не является точечным и нить подвеса не является абсолютно нерастяжимой и невесомой. Уравнение движения физического маятника можно записать так:
, (2.40)
где JX и MX – соответственно момент инерции и момент сил относительно оси вращения Х.
Поскольку сумма моментов действующих сил:
, где М – масса тела, то уравнение движения принимает вид:
(2.41)
или
, (2.42)
где
(2.43)
Выражение (2.42) совпадает с дифференциальным уравнением колебания математического маятника, т. е. физический маятник колеблется по тем же законам, что и математический, но роль длины l для него играет величина JX/(aM), называемая приведенной длиной физического маятника.
Обычно приведенную длину физического маятника трудно определить с достаточной точностью, например, для маятника с приведенной длиной l = 100 см (Т ≈ 1с) при заданной погрешности измерения ускорения силы тяжести 0,1 мГл период колебаний и длину надо измерять с допустимыми погрешностями соответственно 3,5 10-8 с и 0,07 мкм (Огородова, Шимбирев, Юзефович, 1978). Поэтому для определения абсолютных значений g использовали специальные оборотные маятники. Абсолютное значение силы тяжести необходимо знать хотя бы в одной точке. В настоящее время таким пунктом является Потсдамский геодезический институт, к которому отнесены все гравиметрические съемки мира. Здесь определение абсолютного значения силы тяжести было проведено под руководством Гельмерта в 1898 -1904 г.г. На основании 192 определений получено абсолютное значение силы тяжести 981 274 ±3 мГл.
При современном состоянии техники точность этого метода не может быть повышена из-за ряда трудно учитываемых факторов: удлинения маятника под действием собственного веса, деформации опор, неточности измерения приведенной длины и др.
Маятниковым методом проводили и относительные измерения (если в одном из пунктов известно полное значение силы тяжести g1). В последнем случае, если измерить периоды качания маятника в двух пунктах Т1 и Т2 , то, учитывая формулу (2.38):
, откуда следует (2.44)
Гравиметры для относительных измерений силы тяжести применялись для создания опорных гравиметрических сетей и обеспечивали погрешности определения относительных значений силы тяжести около 0,1 мГл при весе порядка 90 кг и цикле одного измерения 15 – 20 мин. Однако в последнее время они были вытеснены приборами, основанными на баллистическом способе измерений.
2. Баллистический метод основан на зависимости времени падения тел в вакууме (t) от значения силы тяжести (g):
, откуда , (2.45)
где h - высота, с которой падает объект при нулевой начальной скорости.
Из-за требований высокой точности определения величин h и t , только в 60-х годах 20 века, с применением лазерной техники, появилась возможность конструировать приборы для измерения силы тяжести этим методом. Кроме того, как было установлено, величины h и t нельзя отсчитывать от начала падения, так как при освобождении тело может получить дополнительное ускорение. Наиболее приемлемым оказалось бросать тело вверх и измерять время, за которое тело проходит определенный участок пути при подъеме и падении.
Рис. 2.11. Схема баллистического интерферометра для определения
абсолютных значений силы тяжести.
В этом случае формула для расчета значения g достаточно проста:
, (2.46)
где t1 и t2 - промежутки времени между пересечениями телом специальных щелей при движении его вверх и вниз.
В различных странах за рубежом разработаны и применяются несколько типов баллистических гравиметров. Почти все они представляют собой экспериментальные образцы. В Сибирском отделении АН РФ разработан баллистический гравиметр, в котором применяется интерферометр Майкельсона с газовым лазером (рис. 2.11). В вакуумной камере 1 падает уголковый отражатель 2, ориентируемый по вертикали в крайнем верхнем положении при помощи агатовой опоры. Оптическая система интерферометра содержит стабилизированный лазер 3, коллиматор 4. полупрозрачные зеркала 5, делящие луч на две части, и фотоумножитель 6. В счетном блоке осуществляется измерение пути и времени. Величина h определяется по числу интерференционных полос, образованных при наложении прямого и обратного луча лазера от падающего уголкового отражателя. Для обработки результатов используется компьютер.
Один цикл измерения – подъем и падение уголкового отражателя, а также обработка результата – занимает около 12 с. За один час, включая паузы, можно сделать около 200 циклов. За несколько часов может быть достигнута точность в несколько сотых мГл. Для достижения точности выше 0,01 мГл наблюдения ведутся сутками (Огородова, Шимбирев, Юзефович, 1978). Полный комплект установки имеет массу в несколько сотен килограммов, но разделяется на отдельные транспортабельные части. Баллистические гравиметры-интерферометры используются сейчас для геодезических измерений и для создания опорных гравиметрических сетей.
3. Струнный метод основан на измерениях собственных поперечных колебаний струны, натянутой грузом. Если подвесить массу на тонкой металлической нити (струне), то натяжение струны и соответственно период колебаний будут зависеть от веса массы, длины и веса струны. При постоянных параметрах струны и груза изменения силы тяжести проявляются в изменении частоты колебаний струны.
Частота колебаний (f) идеально гибкой струны определяется:
, (2.47)
где L - длина струны, M - масса груза, подвешенного на струне, - линейная плотность струны (г/см). Отсюда:
Рис. 2.12. Общая схема устройства струнного гравиметра
. (2.48)
Этот принцип в абсолютных измерениях не используется из-за сложностей определения эффективной длины реальной струны.
Для относительных измерений используется схема, приведенная на рис. 2.12. Груз 1 подвешен на струне 2, проходящей между полюсами постоянного магнита 3, поэтому колебания струны приводят к возникновению в ней переменного тока. Чтобы ток не затухал, струна включена в контур с положительной обратной связью, образуя струнный генератор.
Частота струнного генератора умножается и сравнивается с частотой эталонного генератора. Для устранения продольных колебаний струны применяется электромагнитное демпфирование при помощи постоянных магнитов 4, возможность маятниковых колебаний ограничивают плоские горизонтальные пружины.
Изменение напряженности поля Δg связано с изменением частоты колебаний струны Δf квадратичной зависимостью:
, (2.49)
где
, (2.50)
, (2.51)
M - масса груза, l – длина струны, σ – плотность материала струны, S – площадь поперечного сечения струны, R – величина, зависящая от параметров вспомогательных пружин.
Поскольку точное измерение величин, определяющих коэффициент С, является сложной задачей, здесь применяют способы градуирования, которые используются в статических гравиметрах (см. ниже).
Достоинства струнного гравиметра – практически неограниченный диапазон измерения и малая зависимость частоты колебаний струны от температуры, а также простота измерений и цифровой регистрации. Недостатки струнного гравиметра – слабая устойчивость к влиянию вибраций и других инерционных помех, а также нелинейная зависимость между Δg и f.
Струнные гравиметры применяют для измерений в скважинах и иногда – на самолетах и морских судах.