- •Федеральное агентство по образованию
- •Модуль 1. Введение в экологическую геофизику. Грави-, магнито-, электро- и сесморазведка
- •Раздел 1-а – Введение в геофизику
- •По физическим свойствам геологического объекта
- •Для магматических и метаморфических пород
- •Раздел 1-б - Гравиразведка
- •Породообразующих минералов
- •В виде план – графиков
- •Раздел 1-в - Магниторазведка
- •Магнитного поля у диамагнетиков
- •Магнитного поля у парамагнетиков
- •Магнитного поля у ферро-, ферри- и антиферромагнетиков
- •Магниторазведочная аппаратура
- •Раздел 1-г- Электроразведка
- •Характеристика электрических свойств горных пород
- •И диэлектрической проницаемости (ε) у минералов групп различной литологической принадлежности
- •У кристаллических пород
- •Для одноименных по степени преобразования осадочных пород
- •Метод естественного постоянного электрического поля (еп)
- •Над стальной трубой Методы электроразведки на основе искусственного постоянного электрического поля
- •Электроразведочная установка
- •Электропрофилирование (эп)
- •Приемной линии
- •Над синклиналью и антиклиналью
- •Методы на основе неустановившегося электрического поля
- •Раздел 1-д - Сейсморазведка.
- •У кристаллических пород
- •Осадочных терригенных породах, в зависимости от стадий их преобразования
- •Дования скважин и комплексирование геофизических методов
- •Раздел 2-а - Ядерная геофизика
- •1) Слаборадиоактивные кварц, калиевые полевые шпаты,
- •2) Нормальная и биотит,
- •4) Высокорадиоактивные сфен, ортит, монацит,
- •Раздел 2-б - Терморазведка
- •Породообразующих минералов
- •Современные технологии терморазведки
- •Поисково-разведочные геотермические работы
- •Области применения терморазведки
- •Раздел 2-в- Геофизические исследования скважин
- •Каротаж на основе естественных и искусственно вызванных электромагнитных полей
- •Каротаж на основе полей естественной и наведенной (искусственной) радиоактивности
- •Каротаж на основе сейсмоакустических полей
- •В нефтяной скважине (Западная Сибирь)
- •В разрезе нефтегазовой скважины (Западная Сибирь)
- •Данные для построения фактических кривых зондирования
- •Результаты количественной интерпретации данных бкз
- •Раздел 2-г – Комплексирование геофизических методов
- •1 Увлажненные наносы, 2 – граниты, 3 – зона трещиноватости, 4 – глыбовые песчаники, 5 – глины
Раздел 1-б - Гравиразведка
ТЕМА:Краткая теория гравитационного поля и его изучение в гравиметрии и гравиразведке.
Гравиразведка один из основных разделов разведочной (полевой) геофизики, основанный на распределении в земной коре гравитационного поля с целью изучения её строения, а также для решения геологических задач при поисках, оценке, разведке и эксплуатации месторождений полезных ископаемых.
Гравитационное поле - это поле силы тяжести, то есть поле взаимодействия механических масс в материальной среде (рис. 7). В основе лежит закон Ньютона:
(1),
где F - сила притяжения, f - постоянная гравитационного поля и равняется
6,67*10-8*г -1 см 3 сек-2, m1 и m2 - взаимодействующие массы, r - расстояние между m1 и m2.
Рис. 7. Схема взаимодействия масс
Если m1 считать точечной массой, а m2 увеличить до массы Земли (Рис.8), то формула Ньютона примет вид:
(2),
где q/ - ускорение свободного падения, значение которого с учётом центробежной силы, возникающей от вращения Земли, составляет 9,81 м/с2.
Рис. 8 Схема взаимодействия массы Земли с точечной массой
В гравиразведке за единицу свободного падения принят 1мГл = 10-3 см/с2.
Основной параметр гравитационного поля, его потенциал, описывается формулой:
(3)
Этот потенциал обладает свойством аддитивности (складываемости) и для суммы дискретных масс mi принимает вид:
(4)
Следовательно, для любого геологического объекта U может быть получен путем предельного перехода от суммы дискретных материальных точек к совокупности элементарных масс dm, из которых состоят геологические тела:
(5)
Поскольку в прямоугольной системе координат приращение массы является произведением плотности на объем, то есть dm =*dx*dy*dz, то
(6)
Из формулы (6) следует, что U – является функцией плотности.
В гравиразведке измерения выполняются по параметру - приращение силы тяжести в редукции Буге. Этот параметр является результирующим между аномальнымgаном (измеренным) и нормальным gнор (теоретическим) значениями силы тяжести. Кроме того, в показания вводятся поправки: 1) за свободный воздух , 2) за промежуточный слой пород (толщу пород между точкой наблюдения поверхностью геоида или за поправку Буге), 3) за рельеф(рис.9).
Рис 9. Соотношение уровненных поверхностей геоида и сфероида с поверхностью
рельефа
h1,h2 - толщины слоев воздуха и пород, залегающих выше поверхности геоида
Измеренное значение силы тяжести gаном является частной производной от потенциала гравитационного поля в точке наблюдения:
gаном=(7)
Параметр gнорм представляет собой ускорение силы тяжести Земли, как сфероида малого сжатия. Последний описывается уровенной поверхностью, близкой к геоиду, который в свою очередь также является уровенной поверхностью свободной воды океанов.
Показатель gсв.возд. или gф (Фая) учитывается в гравиметрических измерениях как поправка за слой воздуха находящийся между точкой наблюдения и поверхностью геоида.
gф = 0,3086.h1 (8),
где h1 толщина слоя воздуха.
Параметр gб вводится в измеренные значения как поправка за промежуточный слой, который еще носит название поправки Буге. Поправка gб необходима в том случае если измерения производятся в точке, находящейся выше поверхности геоида и, следовательно, проявляется влияние толщи пород заключенных между поверхностью геоида и поверхностью рельефа (см. рис. 9).
gб = -0,418h2 (9),
где - средняя плотность, аh2 – толщина промежуточного слоя.
Поправка за рельефgр учитывается, если этот рельеф очень сложный, например в горной местности.
В конечном виде формула аномальной силы тяжести в редукции Буге включает разность значений наблюденного и теоретического полей и сумму поправок за свободный воздух, промежуточный слой и рельеф:
gб = gаном - gнорм + gф + gб + gр (10)
Как и любое геофизическое, гравитационное поле может быть измерено путем специальных приборов. В основу их функционирования положено физическое явление притяжения. Следовательно, измерения могут быть выполнены путем маятниковых наблюдений, процесса растягивания или кручения пружин и времени падения грузов. Эти измерения разделяются на относительные и абсолютные. Среди них преимущество получили первые, которые более легко реализуются в практике полевых гравиразведочных работ. Абсолютные же измерения требуют очень высокой точности и могут осуществляться только в специальных обсерваториях. Достаточно сказать, что для достижения точности в 0,1 мГал в маятниковых приборах необходимо определять длину маятника с точностью < 0,7 мкм, а время измерять с точностью сотых долей наносекунд (10-7с). Кроме того следует вводить поправки за свободный воздух, температуру и ход хронометра (колебания маятника).
В основу маятниковых приборов положена формула Гюйгенса:
(11),
где Т – период; l – длина.
В методе свободного падения грузов используется формула:
, (12),
где S – высота падения груза, t – время падения груза.
Относительные измерения характеризуются тем, что ведутся по отношении к одной выбранной базовой точке, обычно привязанной к какому-либо триангуляционному пункту. Приборы для таких измерений носят название гравиметров. В отечественной практике их два основных вида:
1) Маятниковые;
2) Астазированные (на основе кручения упругой нити).
В основу маятниковых приборов положена та же формула, что и для абсолютных измерений. Отличие в том, что эти приборы используют в совокупном виде от двух до шести и более маятников. Этим за счет разностных колебаний каждой пары маятников, исключается необходимость учета длины этих маятников. То есть, при расчетах gi по формуле:
(13),
где: (T1/2)o=√ℓ/go, (T1/2)i=√ℓ/gi (14).
Следовательно, показатель ℓ уничтожается.
Маятниковые гравиметры эффективны при измерениях в движении, в частности на морских суднах.
Основной тип гравиметров - это астазированные. Механизм их действия поясняется схемой на рис. 10.
Конструкция гравиметра помещается в сосуд Дьюара, с тем, чтобы максимально снизить влияние температуры воздуха, влажности, ветровых воздействий и т.д. Работа системы осуществляется таким образом, что при размещении гравиметра в точке измерения на массу m главного рычага воздействует сила притяжения. Пропорционально ей изменяется угол . Этот, угол тарируется (размечается) делениями микрометрического винта. Последний регулирует действие измерительной пружины. При этом роль главной пружины заключается в поддержании равновесности рычажной системы. Диапазонная пружина предназначена для искусственного увеличения угла . Эта операция называется астазированием, что и предопределяет название гравиметров. Астазированием достигают высокой точности измерений (до 0,01 мГал). Визуализация микрометрических меток осуществляется с помощью оптической системы.
Рис. 10. Схема механизма действия астазированных гравиметров
1 - упругая кварцевая нить, 2 - рамка крепления нити, 3 - главный рычаг с массой m, 3’ - дополнительный рычаг, жестко связанный с главным, 4 - главная пружина, 5 - диапазонная пружина -, 6 - измерительная пружина, 7 - микрометрические винты, 8 - корпус прибора
К другим типам гравиметрических приборов относятся вариометры и градиентометры. Они измеряют вторые производные гравитационного потенциала. Их основа - крутильные весы (рис. 11).
Рис. 11. Схема устройства вариометров и градиентометров
1 - корпус прибора, 2 - упругая нить, 3 - ломаный рычаг,
4 - грузики массой m
Основные производные гравитационного потенциала Wxz и Wyz:
U//xz = ∂2U/∂x∂z = Wxz; (15)
U//yz = ∂2U/∂y∂z = Wyz (16)
Значения Wxz и Wyz позволяют определить пространственное расположение объектов с повышенной или пониженной избыточной плотностью.
Градиентометры отличаются от вариометров тем, что, во-первых, для них предусматривается жесткая фиксация, а во-вторых - непрерывное наблюдение во времени.
Плотность горных пород
Плотность () это свойство природных объектов, в том числе горных пород, определяемое отношением их массы (m) к объему (V):
m/V, (17)
Единица измерения в системе СИ - кг/м3*103. Внесистемная единица - г/см3. В каждой точке геологической среды:
(18), следовательно, =∂m/∂V (19)
Для гетерогенной среды:
(20)
Твердая фаза
У минералов изменяется от до 20 г/см3. Тенденцию изменения твердой фазы для основных породообразующих минералов можно отобразить схематически (рис. 12).
Рис. 12. Тенденция изменения плотности твердой фазы для основных