Гравиметрическая, или гравитационная разведка

1. ЛЕКЦИЯ 2

ГРАВИРАЗВЕДКА

2.

Гравиметрическая, или гравитационная разведка
(сокращенно гравиразведка) – это геофизический метод
исследования земной коры, поисков и разведки полезных
ископаемых, основанный на изучении распределения
аномалий силы тяжести на земной поверхности, акваториях,
в воздухе.
Основными
измеряемыми
параметрами
гравитационного поля являются ускорение силы тяжести и
градиенты (изменения ускорения по разным направлениям).
От
других
методов
разведочной
геофизики
гравиразведка
отличается
сравнительно
большой
производительностью полевых наблюдений и возможностью
изучать горизонтальную (латеральную) неоднородность
Земли.

3.

В основе теории гравиразведки лежит закон Всемирного
тяготения Ньютона
m1 m2
Fпр G
,
2
r
2
Н
м
где G – гравитационная постоянная, равная 6,67 10-11
кг 2
Сила притяжения какой-либо массы (m) массой всей Земли (М)
m М
Fпр G
,
2
R
Сила притяжения единичной массы (m = 1) равна
направлена к центру Земли
f
и
М
f G 2 , где f - ньютоновское притяжение
R

4.

Сила тяжести и ее составляющие

5.

Кроме силы притяжения на массы, расположенные на
поверхности или в глубине Земли действует центробежная
сила (Р), обусловленная вращением Земли и направленная по
радиусу (r), перпендикулярному оси вращения:
P 2 rm,
где r – радиус вращения (м); - угловая скорость (рад/с);
Таким образом, сила тяжести (Fт) равна геометрической
(векторной) сумме силы притяжения (Fпр) и центробежной
силы (Р)
FТ Fпр P

6.

Если силу тяжести (FТ), силу притяжения (Fпр) и
центробежную силу (Р) отнести к единице массы, эти силы
характеризуются ускорениями:
-
-
силы тяжести g = FТ/m;
ньютоновское притяжение f = Fпр /m;
центробежное p = P/m.
Ускорение силы тяжести равно геометрической сумме
ускорения притяжения и центробежного ускорения.
g f p
Обычно в гравиразведке, когда говорят «сила тяжести»,
подразумевают именно ускорение силы тяжести.

7.

В системе СИ за единицу ускорения свободного падения
принимается такое ускорение, которое испытывает масса в 1 кг
по действием силы в 1 Н.
Единицей ускорения в системе СИ является м/с2. В
гравиразведке
традиционно
используют
внесистемную
единицу – Гал.
1Гал 1
см
с2
м
1мГал 10 Гал 10 2
с
3
5
1мкГал 10 6 Гал 10 8
м
с2

8.

Отношение P/FТ ≤ 1/288, поэтому сила тяжести почти целиком
определяется силой притяжения, а ускорение силы тяжести практически
равно ускорению притяжения
М
g f G 2 ,
R
Земля в первом приближении является эллипсоидом вращения, причем
экваториальный радиус = 6378 км, а полярный c = 6357 км, - c = 21 км.
Разная величина радиуса Земли на полюсе и экваторе наряду с изменением
центробежной силы приводит к увеличению g на полюсе по сравнению с g
на экваторе.
м
9,
78
(978 Гал)
FТ
с2
эк
F
полюс
Т
м
9,83 2 (983 Гал)
с
Р
Р
эк
м
0, 03 2 (3, 4 Гал)
с
полюс
0
По известным g и R были определены масса Земли М = 5,98 1024 кг и ее
средняя плотность σЗ = 5,51·103 кг/м3 (5,51 г/см3).

9. ПЛОТНОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД И СПОСОБЫ ЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Плотностью горных пород ( ) называется отношение массы
горной
породы
(m)
к
занимаемой
ей
объему
(V).
Геологической
основой
гравиразведки
является
дифференциация (различие) горных пород по плотности.
Гравитационный эффект от тела объемом V и плотностью ,
находящегося в среде с плотностью 0 определяется избыточной массой
m = ( - 0)V, где - 0 – избыточная плотность.
1. если - 0 > 0, то m > 0 g > 0 (аномалия силы тяжести
положительная);
2. если - 0 < 0, то m < 0 g < 0 (аномалия силы тяжести
отрицательная);
3. если - 0 0, то m 0 g 0 (аномалия отсутствует);

10.

Таблица значений плотности горных пород
№
Название породы
Плотность, г/см3
1
Эффузивные и интрузивные
а)основные (габбро, базальты)
б)ультраосновные (дуниты, перидотиты)
в) кислые (граниты, гранодиориты)
2,8 - 3,0
3,1 - 3,3
2,5 – 2,7
2
Метаморфические (сланцы, гнейсы, мраморы)
2,6 – 2,9
Осадочные
а) терригенные
глина
песок
песчаник
б) органогенные и гидрохимические (известняк,
доломит, ангидрит, гипс)
1,5 – 1,9
1,4 – 2,0
2,1 - 2,8
3
4
2,0 – 3,0
Некоторые полезные ископаемые
Газ
0,002
Нефть
0,7 – 1,1
Уголь (бурый, каменный, антрацит)
0,8 – 1,5

11.

№
Название породы
Торф
Плотность, г/см3
0,7
Каменная соль (галит)
2,1 – 2,2
Железные руды
3,7 – 4,3
Хромиты
3,3 – 4,4
Полиметаллические руды (свинец, цинк)
3,2 – 5,5
Разное
Снег (рыхлый) – лед – вода
Почва (рыхлая, утрамбованная)
0,12 – 0,9 – 1,0
1,12 – 2,2
Верхняя часть земной коры
2,67
Земля (среднее значение)
5,51
Ядро Земли
12

12.

Способы определения плотности горных пород
1. = m/V (для тел правильной формы);
2. гидростатическое взвешивание
М возд
жидк
М возд М жид
3. пикнометрический способ (для сыпучих горных пород)
М1 – масса пикнометра с образцом
М1 М 0
,
М0 – масса пикнометра
V
V – объем пикнометра
4. по эмпирическим зависимостям плотности с другими
физическими параметрами (например скоростью);
5. по результатам рассеяния и поглощения гамма-квантов
(ГГК-П);
6. Подземная регистрация космического излучения (ПРКИ)
(мюонный метод)

13. Прямые задачи гравиразведки

ПРЯМЫЕ ЗАДАЧИ ГРАВИРАЗВЕДКИ
Прямая
задача
гравиразведки
–
это
вычисление
гравитационного поля от известных геологических тел определенной
формы, размеров и плотности.
1. гравитационное поле над шаром
М (m 1)
M
Fпр G
G 2 ;
2
r
r
h
cos ;
r
g a Fпр cos ;
g a
GM h GMh
GMh
;
3
2
3
2
2
r
r
r
(x h ) 2
max
при x = 0 g a
GM
;
2
h
r x 2 h2 ;

14.

апроксимируются рудные залежи, куполовидные
нефтегазоносные структуры, соленые купола, карсты

15.

апроксимируются рудные залежи, куполовидные
нефтегазоносные структуры, соленые купола, карсты

16.

2. гравитационное поле над вертикальным стержнем
апроксимируются вертикальные дайки магматических тел,
кимберлитовые трубки, штоки, зоны кор выветривания

17.

3. гравитационное поле над вертикальным уступом
gmax 2 G h;
h h2 h1;
2 1;
2 1
апроксимируются сбросы, сдвиги, горсты,
грабены, тектонические контакты мульд, кальдер

18.

4. гравитационное поле над горизонтальной полуплоскостью
апроксимируются горизонтальные рудные залежи и зоны и выклинивания

19. ПРИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЙ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ

Основным
измеряемым
параметром
в
гравиразведке является ускорение силы тяжести g,
которое определяется либо абсолютно, либо
относительно.
1. При абсолютных измерениях получают полное
(наблюденное) значение ускорения gН,
2. При относительных измерениях получают
приращение ускорения силы тяжести относительно
некоторой исходной точки ΔgН.

20. Абсолютные измерения

АБСОЛЮТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
1. Маятниковый способ (основан на определении периода колебаний свободно
качающегося маятника)
T 2
l
,
g
l – длина маятника (м)
g – ускорение свободного падения (м/с2)
- необходимо очень точно измерять длину маятника (до 1 мкм на 1 м);
- для увеличения точности определения периода необходимо увеличить время
наблюдения за колебаниями маятника.
2. Метод свободного падения (основан на измерении времени свободного
падения тела и расстоянии, пройденного телом).
S – путь, пройденный телом (м)
2S
g 2 ,
t – затраченное время (с)
t
Метод был приблизительным из-за развития науки и техники, т.к. для
того, чтобы ускорение свободного падения равнялось 0,1 мГал нужно измерять
путь до 0,1 мкм на 1 м, а время до 2 10-8 с.
Сейчас измерения выполняются в обсерваториях, где точность
определения g, можно довести до 0,01 мГал.

21. ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ измерения

ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
1. Маятниковый способ (основан на определении периода колебаний
свободно качающегося маятника)
Измеряют период колебания одного и того же маятника в 2-х
пунктах при постоянной длине.
l
T0 2
,
g0
l
T1 2
,
g1
g 0T02
g1 2 ,
T1
Длину маятника определять не нужно, важно, чтобы она была
постоянной во времени (влияние температуры, влажности)

22. ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ измерения

ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
2. Статический метод (действие силы тяжести компенсируется силой
упругости пружины или силой кручения нити), а g определяется по
изменению статического положения равновесия тела).
В практике гравиразведки применяются в основном статические
гравиметры.
а) гравиметры 1-го рода
В гравиметрах 1-го рода мерой изменения ускорения силы тяжести
служит изменение длины пружины, один конец которой закреплен, а к
другому подвешен груз массой m.
Равновесие в этом случае достигается при
mg l ,
l - длина пружины, - коэффициент упругости пружины

23.

Проводя относительные измерения
на 2-х пунктах можно определить
изменение длины пружины
mg1 l1 , mg2 l2 ,
mg1 mg2 l1 l2 ,
m( g1 g2 ) (l1 l2 ),
m g l ,
g
Пружинная система гравиметров
l
m
Приращение
длины
пружины
пропорционально
изменению
силы
тяжести между пунктами наблюдения

24. ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ измерения

ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
б) гравиметры 2-го рода
В гравиметрах 2-го рода рычаг с грузиком крепится к горизонтальной упругой
нити и под воздействием силы тяжести наклоняется, закручивая нить. С
помощью измерительных пружин с микрометрическим винтом грузик выводится
в горизонтальное положение. Переходя на другую точку, под воздействием
приращения силы тяжести грузик отклоняется. Для вывода его в горизонтальное
положение вновь необходимо использовать измерительную пружину, а на
микрометрическом винте по специальной шкале взять отсчет n
g С n,
C – цена деления пружины, зависящая от конструктивных особенностей прибора
Крутильная система гравиметров

25.

Геологические объекты создают
очень
малое
относительное
изменение поля ускорения силы
тяжести g, поэтому применяют
астазирование (астазированные
системы)
искусственное
увеличение чувствительности, для
чего к массе подводят рычаг
Астазированная система гравиметров

26.

Чувствительная система гравиметра ГНУ-К. На кварцевой рамке (1) натянута тонкая кварцевая нить (2), на
которой укреплены: маятник (3), рычаг с главной астазирующей пружиной (4), диапазонный рычаг с
диапазонной пружиной (5) и винтом (6). С основной несущей нитью связаны также элементы системы
температурной компенсации - рамка (10), нить компенсации линейной составляющей температуры (11),
пружина компенсации нелинейной составляющей температуры (12), рычаг (13), укрепленный на оси (15) и
металлическая нить (14). Измерительная рамка (7) с рычагом и пружиной (8) соединяется с
микрометрическим винтом (9), на котором укреплена шестеренка счетчика оборотов.

27.

Гравиметр ГНУ-КВ (вид сверху)
Гравиметр ГНУ-КВ

28. НОВЫЕ ТИПЫ ГРАВИМЕТРОВ

Компании, производящие в настоящее время самое
современное гравиметрическое оборудование:
1. La Coste & Romberg (Техас, США) (более 60 лет на рынке
производства гравиметров),
2. Scintrex (Канада) (более 40 лет на рынке производства
гравиметров);
3. Micro-g Solutions (Денвер, США) (более 15 лет на рынке
производства гравиметров);
4. Auslog Pty Ltd (Австралия)
В 2001 году LaCoste & Romberg, Scintrex, Micro-g Solutions
и Auslog Pty, объединились в новую компанию LaCoste &
Romberg - Scintrex, Inc.

29.

Технические данные
1. Измерительная система – плавленный
кварц с электростатической компенсацией;
2. Точность измерений – 1 мкГал;
3. Рабочий диапазон – 8000 мГал без
перестройки;
4. Остаточный статический дрейф нуля –
0,02 мГал в день.
Гравиметр CG-5 Scintrex
Преимущества
1. Простота в работе;
2. Высокая точность измерений;
3. Небольшое линейное смещение нульпункта гравиметра;
4. Двойное термостатирование (поддержание
постоянной температуры);
5. Автоматическая компенсация приливных
вариаций,
наклона,
температуры,
микросейсм;

30.

Гравиметр Micro-G FG5 основан
на принципе свободного падения
тел
Преимущества
1. Измеряет абсолютные значения
силы тяжести;
2. Высокая точность 1 мкГал
Недостатки
1. Используется в стационарных
условиях
Гравиметр Micro-G FG5

31.

Гравиметрический
комплекс
морской набортный ГМН-КМ –
предназначен
для
измерений
гравитационного поля в океанах, на
шельфах и в прибрежно-лиманных
зонах
Преимущества
1. Высокая точность;
2. Помехозащищенность;
3.
Автоматизация
процесса
измерений, его визуализация;
4.
Мобильность
установки
аппаратуры на борту транспортного
Гравиметрический комплекс морской средства;
5. Повышенная производительность
набортный ГМН-КМ
и получение результатов в реальном
времени

32.

Аэроморской гравиметр нового
поколения Чекан-АР– применяется
для
детальной
морской
гравиметрической
съемки
при
поиске нефтегазоносных структур
на шельфе и для региональной
аэросъемки.
Аэроморской гравиметр нового
поколения Чекан-АР
Преимущества
1. Обработка и прием данных от
спутниковых навигационных систем
НАВСТАР и ГЛОНАСС реальном
времени;
2. Полная обработка результатов
съемки с оценкой точности и
построение гравиметрических карт
сечением 1 мГал.

33.

Скважинный гравиметр L&R позволяет определять объемную плотность горных
пород в радиусе 50 футов (15,2 м) от скважины с точностью 0,01 г/см3
Скважинный гравиметр Scintrex – прибор очень небольших размеров (размером
с шарик для гольфа), чувствительность 5 мкГал, немагнитный, не требует
ориентации в скважине

34. РЕДУКЦИИ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ

В наблюденные значения силы тяжести
вводятся поправки (редукции).
Введение поправок необходимо потому, что
нормальные значения относятся к поверхности
геоида, которая совпадает с уровнем океана, а
измеренные значения относятся к действительной
(реальной) земной поверхности. Для того чтобы все
наблюдения силы тяжести были сопоставимы, их
приводят к одной поверхности – уровню геоида, т.е.
как бы опускают точку наблюдения на этот уровень.

35.

1. Поправка за смещение нуль пункта (необходимо выполнять повторные
измерения)
g1/ g1
/
,
t1 t1
g1/ , g1 - значение ускорения силы тяжести при обратном и прямом измерении;
t1/ , t1 - время обратного и прямого измерения.
2. Поправка за смещение высоту точки наблюдения (поправка за свободный
воздух, поправка Фая) сводится к учету изменения силы тяжести с высотой (h), в
предположении, что между точкой наблюдения уровнем моря массы отсутствуют.
g h 0,3086h 10 5
м
0,3086h( мГал)
2
с
сила тяжести уменьшается на 0,3086 мГал
на 1 м высоты
.

36.

3. Поправка за промежуточный слой
После введения поправки за высоту, точки опускаются на уровень моря, тогда
вышележащие точки будут создавать силу тяжести направленную вверх.
g п.с. 0, 0419 h
Поправка вводится со знаком «-», т.к. наличие промежуточного слоя при наблюдения на
земной поверхности увеличивает силу тяжести.
4. Поправка Буге сводится к учету изменения силы тяжести с высотой (h), в предположении,
что между точкой наблюдения уровнем моря массы отсутствуют.
g Б 0,3086h 0, 0419 h
По результатам гравиметрических работ строят карты аномалий Буге для плотности 2,3 г/см3
(для платформ) и плотности 2,67 г/см3 (для геосинклинальных районов).
5. Поправка за рельеф (топографическая поправка)
Поправка за рельеф всегда положительная,
т.к. положительные формы рельефа создают
избыток масс выше точки наблюдения, а
отрицательные – недостаток масс ниже точки
наблюдения, что приводит к уменьшению
силы тяжести

37.

6. Поправка Прея (вводится при измерениях под землей или под водой)
g пр 0,3086h 2 0, 0419 h,
- плотность морской воды или вышележащей толщи
Удвоение поправки за промежуточный слой вызвано тем, что, находясь
под точкой наблюдения, этот слой увеличивает силу тяжести, а находясь
сверху, когда точка перенесена на уровень моря, уменьшает силу тяжести
на туже величину.
7. Поправка Брунса представляет собой поправку за отклонение
поверхности геоида от поверхности элипсоида. Численное значение
поправки равно 0,3086 мГал/м. Для ее вычисления необходимо знать
высоту геоида над элипсоидом в метрах.
8. Поправка за лунно-солнечные притяжения (вариации силы
тяжести) изменение величины силы тяжести в данной точке Земли с
течением времени, возникающее вследствие притяжения Луны и Солнца и
деформации формы Земли в результате такого воздействия.

38. ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ДАННЫХ ГРАВИРАЗВЕДКИ

1.
Аналитический
способ
(геологические
аппроксимировать телами правильной формы)
Определить h, M, R
М (m 1)
M
Fпр G
G 2 ;
2
r
r
g a Fпр cos ;
h
cos ;
r
r x 2 h2 ;
g a
GM h GMh
GMh
;
3
2
3
r
r
r
( x2 h2 ) 2
при x = 0
g amax
GM
;
2
h
объекты
можно

39.

g достигает половины gamax при абсциссе x0,5
GMh
g x0,5 3 0,5 g amax
r0,5
GMh
GM
2;
3
( x 2 h 2 ) 2 2h
2h ( x
3
2
0,5
3
h ) 2;
2
0,5
x0,5 0,766 h ;
h 1,31 x0,5 ;
g amax h2
M
;
G
4
M V R 3 ;
3
3M
R
;
4
3

40.

2. Способ подбора (палеточный способ) (применяют для геологических
объектов, которые нельзя аппроксимировать телами правильной формы)
Палетка Гамбурцева
g 2G z;
G – гравитационная постоянная
(G = 6,67 10-8 см3/г с2);
- избыточная (эффективная)
плотность (г/см3);
- угол в радианах (1 0,0175 радиана); z – величина масштаба
геологического разреза, который обычно совпадает с масштабом палетки
(если масштаб разреза не соответствует масштабу палетки, то
окончательный результат нужно умножить на М/М0 – где М0 – масштаб
палетки, М – масштаб разреза)
Например, если разрез построен в масштабе 1:2000, = 5
0,0873 рад, = 1 г/см3, тогда
g 2 6,67 10 8 1 0,0873 2000 0,000023Гал 0,023мГал

41. ПРИМЕНЕНИЕ ГРАВИРАЗВЕДКИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

1.
Изучение
земной
коры
и
тектоническое
районирование;
2. Региональное тектоническое районирование суши и
акваторий (дает информацию о главных структурных
этажах и общем тектоническом строении крупных регионов);
3. Поиск и разведка полезных ископаемых (нефтяные
структуры, угольные бассейны, рудные и нерудные полезные
ископаемые);
4. Изучение техногенных процессов в верхней части
геологического
разреза
(выявление
тектонических
нарушений, расчленение рыхлых и скальных пород,
определение зон трещиноватости и закарстованности,
нахождение погребенных объектов)