Роль гравиразведки в изучении геологической среды.

Непосредственно для изучения геологической среды, т.е. верхней части (100 - 200 м) оболочки Земли, где интенсивно идут экзогенные и техногенные процессы, гравиразведка применяется редко. Однако крупномасштабные гравиметрические карты вместе с картами дешифрирования аэрокосмических снимков являются основой для проектирования и обработки результатов любых геофизических методов, применяемых для инженерно-геологических, мерзлотно-гляциологических, гидрогеологических и экологических исследований. При этом главное, что дает гравиразведка, - это выявление тектонических нарушений, расчленение рыхлых и скальных пород, определение зон трещиноватости и закарстованности, нахождение погребенных объектов и т.п.

Глава 1. Гравірозвідка
• 1. Основи теорії гравітаційного поля Землі і гравиразведки
o 1.1. Сила тяжіння, її потенціал і похідні потенціалу
1.1.1.§ Сила тяжіння
1.1.2.§ Потенціал сили тяжіння
1.1.3.§ Похідні потенціалу сили тяжіння
o 1.2. Нормальне значення сили тяжіння, редукції, аномалії сили тяжіння і щільність гірських порід
1.2.1.§ Нормальне значення сили тяжіння
1.2.2.§ Редукції сили тяжіння
1.2.3.§ Аномалії сили тяжіння
1.2.4.§ Щільність гірських порід
o 1.3. Принципи рішення прямих і обернених задач гравиразведки
1.3.1.§ Аналітичні способи розв'язання прямих задач гравиразведки
1.3.2.§ Пряма і зворотна задачі над кулею
1.3.3.§ Пряма і зворотна задачі над горизонтальним нескінченно довгим круговим циліндром
1.3.4.§ Пряма і обернена задача над вертикальним уступом (скиданням)
1.3.5.§ Графічне визначення аномалії сили тяжіння двомірних тіл за допомогою палетки Гамбурцева
1.3.6.§ Чисельні методи рішення прямих і обернених задач гравиразведки
• 2. Апаратура, методика і обробка даних гравиразведки
o 2.1. Принципи вимірювань сили тяжіння і апаратура для гравиразведки
2.1.1.§ Вимірювані в гравиразведки параметри
2.1.2.§ Динамічні методи
2.1.3.§ Статистичні гравіметри
2.1.4.§ Варіометр і градієнтометри
o 2.2. Методика гравіметричних зйомок
2.2.1.§ Загальна характеристика методики гравиразведки
2.2.2.§ Наземна гравіметровая зйомка
2.2.3.§ Обробка даних гравіметрових зйомок
o 2.3. Методики інших видів гравиразведки
• 3. Інтерпретація і завдання, які вирішуються гравиразведки
o 3.1. Якісна і кількісна інтерпретація даних гравиразведки
3.1.1.§ Якісна інтерпретація
3.1.2.§ Кількісна інтерпретація
3.1.3.§ Геологічна тлумачення гравітаційних аномалій
o 3.2. Геологічні завдання, які вирішуються гравиразведки
3.2.1.§ Використання загальних гравіметричних зйомок
3.2.2.§ Гравірозвідка при регіональному тектонічному районуванні
3.2.3.§ Застосування гравиразведки для пошуків і розвідки корисних копалин
3.2.4.§ Роль гравиразведки у вивченні геологічного середовища
Гравіметрична або гравітаційна розвідка (скорочено гравірозвідка) - це геофізичний метод дослідження земної кори і розвідки корисних копалин, заснований на вивченні розподілу аномалій поля сили тяжіння Землі поблизу земної поверхні, акваторіях, в повітрі. Полі сили тяжіння обумовлено в основному ньютоновского тяжіння Землею усіх тіл, що мають масу. Так як Земля сферично неоднорідна, та ще обертається, то поле сили тяжіння на земній поверхні не постійно. Зміни ці малі і вимагають високо-чутливих приладів для їх вивчення. Основними вимірюваними параметрами гравітаційного поля є прискорення сили тяжіння і градієнти (зміни прискорення з різних напрямів). Величини параметрів поля сили тяжіння залежать, з одного боку, від причин, обумовлених притяганням і обертанням Землі (нормальне поле), а з іншого боку - від нерівномірності зміни щільності порід, що складають земну кору (аномальне поле). Ці дві основні причини зміни сили тяжіння на Землі послужили основою двох напрямків гравіметрії: геодезичної гравіметрії і гравітаційної розвідки.
Від інших методів розвідувальної геофізики гравірозвідка відрізняється порівняно великою продуктивністю польових спостережень і можливістю вивчати горизонтальну (латеральну) неоднорідність Землі. Гравірозвідка застосовується для вирішення самих різних геологічних завдань з глубинностью досліджень від декількох метрів (наприклад, при розвідці околиць гірських виробок) до 200 кілометрів (наприклад, при вивченні мантії).
1. Основи теорії гравітаційного поля Землі і гравиразведки
1.1. Сила тяжіння, її потенціал і похідні потенціалу
1.1.1. Сила тяжіння.
Силою тяжкості () називають рівнодіючу двох сил - сили ньютонівського тяжіння всієї масою Землі () і відцентрової сили, що виникає внаслідок добового обертання Землі (). Віднесені до одиниці маси, ці сили характеризуються прискореннями сили тяжіння g = F / m, ньютонівського тяжіння f = Fн / m і відцентровим P = P / m. Прискорення сили тяжіння одно геометричній сумі прискорення тяжіння і відцентрового прискорення (рис. 1.1). Зазвичай в гравіметрії, коли говорять "сила тяжіння", мають на увазі саме прискорення сили тяжіння.

Рис. 1.1 Прискорення сили тяжіння і його складові
Одиницею прискорення в системі СІ є м/с2. У гравіметрії традиційно використовують більш дрібну одиницю - Гал, рівний 1 см/с2. У середньому на Землі g = 981 Гал. У практиці гравиразведки застосовується величина в 1000 разів менша, отримала назву миллигал (мГал).
Сила тяжіння будь-якої маси () всією масою Землі () визначається законом всесвітнього тяжіння Ньютона:

(1.1)

де - відстань між центрами мас і, тобто радіус Землі; - гравітаційна постійна, рівна G = 6,67 * 10-11 м3/кг * с2. Сила тяжіння одиничної маси (m = 1) дорівнює і спрямована до центру Землі.
Відцентрова сила () спрямована по радіусу, перпендикулярному осі обертання (), і визначається формулою

(1.2)

де - кутова швидкість обертання Землі.
Величина коливається від нуля на полюсі (R = 0) до максимуму на екваторі. Ставлення, тому сила тяжіння майже повністю визначається силою тяжіння, а прискорення сили тяжіння практично дорівнює прискоренню тяжіння.
Земля в першому наближенні є еліпсоїдом обертання, причому екваторіальний радіус, а полярний, ac = 21 км. Різна величина радіусу Землі на полюсі і екваторі поряд зі зміною відцентрової сили приводить до збільшення на полюсі (gп = 983 Гал) в порівнянні з на екваторі (gе = 978 Гал). За відомим і були визначені маса Землі М = 5,98 * 1024 кг і її середня щільність.
1.1.2. Потенціал сили тяжіння.
Потенціал сили тяжіння () був введений в теорію гравіметрії для полегшення вирішення теоретичних завдань. У точці А, розташованої на відстані rA від центру Землі, вираз для потенціалу приймається рівним: WA = GM / rA, а в будь-якій точці B, розташованої на продовженні радіуса,. Тому різниця потенціалів буде дорівнює:

У межі при малому маємо:

звідси g =- dW / dr, тобто сила тяжіння є похідна потенціалу сили тяжіння у напрямку до центру Землі.
З іншого боку, робота, яка може бути зроблена при русі притягиваемой точки на відрізку, дорівнює. Тому, або робота сили тяжіння по переміщенню одиничної маси на відрізку дорівнює різниці значень потенціалу на кінцях цього відрізка.
При переміщенні точки в напрямку, перпендикулярному силі тяжіння, dW = 0. Це означає, що W = const. Тому гравітаційне поле можна представити у вигляді набору нескінченного числа поверхонь, на яких потенціал залишається постійним, а прискорення сили тяжіння спрямовано перпендикулярно цій поверхні. Такі поверхні називають еквіпотенціальними або рівень. Зокрема, поверхню рідини на Землі, наприклад, моря, збігається з уровенной поверхнею. У Землі є одна унікальна уровенная поверхню, яка збігається з невозмущенной заворушеннями поверхнею океанів. Вона називається геоидом.
Таким чином, геоїд - це умовна уровенная поверхню, яка збігається із середнім рівнем океанів і відкритих морів, проходить під сушею і за визначенням скрізь горизонтальна, а прискорення сили тяжіння до неї перпендикулярно.
1.1.3. Похідні потенціалу сили тяжіння.
Похідні потенціалу сили тяжіння за трьома координатним осям,, однозначно визначають його повний вектор.
Зокрема, якщо вісь z направити до центру Землі, то, а
У гравіметрії крім перших похідних вивчаються другу похідні потенціалу або їх різниці:

(1.3)

Фізичний сенс цих виразів легко отримати, якщо мати на увазі, що. Так, наприклад, друга похідна вказує на швидкість зміни сили тяжіння по осі х, тобто є горизонтальним градієнтом сили тяжіння.
Аналогічний сенс мають другі похідні та.
Другі похідні, характеризують форму рівневої поверхні (геоїда), досліджувану в геодезичній гравіметрії. Практичної одиницею вимірювання градієнта сили тяжіння приймається 1 Етвеша (Е) = 10-9/c2, що відповідає зміні сили тяжіння в 0,1 мГал на 1 км.
.2. Нормальне значення сили тяжіння, редукції, аномалії сили тяжіння і щільність гірських порід
1.2.1. Нормальне значення сили тяжіння.
Нормальним значенням сили тяжіння () називається сила тяжіння, обумовлена добовим обертанням і тяжінням Землі, в припущенні, що вона складається з однорідних по щільності концентричних шарів.
Приймаючи Землю за сфероїд, Клеро отримав наступну наближену формулу для її розрахунку:

де - сила тяжіння на екваторі; - географічна широта пункту спостереження; - коефіцієнт, що залежить від кутової швидкості обертання і стиснення сфероида.
Проте Земля - геоїд, і нормальні значення сили тяжіння для його поверхні розраховуються за формулою:

(1.4)

де - географічна довгота точки спостереження.
Коефіцієнти, і залежать від форми Землі, її кутової швидкості обертання, розподілу мас. На численні вимірам можна визначити ці невідомі коефіцієнти. В даний час використовується формула, в якій коефіцієнти рівні:,, і g_е = 978,013 Гал.
Складено спеціальні таблиці, за якими легко визначити величину для будь-якої точки земної поверхні. Вимірявши g_н в якійсь точці і віднявши, отримаємо аномалію сили тяжіння.
Таким чином, геоїд є поверхнею относимости, по відношенню до якої розраховуються аномалії.
1.2.2. Редукції сили тяжіння.
У спостережені значення сили тяжіння вводяться поправки (редукції). Введення поправок необхідно тому, що нормальні значення відносяться до поверхні геоїда, яка збігається з рівнем океану, а виміряні значення відносяться до дійсної (реальної) земної поверхні. Для того, щоб всі спостереження сили тяжкості були порівнянні, їх приводять до однієї поверхні - рівню геоїда, тобто як би опускають точку спостереження на цей рівень. Це здійснюється шляхом введення поправок за висоту, за тяжіння проміжного шару і навколишній рельєф. Поправки називаються редукції.
Основними з них є: поправка за висоту, за тяжіння проміжного шару, за рельєф.
Для приведення виміряного значення до рівня океану вводять поправку за висоту (). Цю поправку називають поправкою за "вільний повітря" або поправкою Фая. Формула для розрахунку поправки за висоту має вигляд:, де в мгал, а (висота над рівнем моря) в метрах. Ця поправка повинна додаватися до виміряної силі тяжіння, якщо точка спостережень перебуває вище рівня геоїда, і відніматися, якщо нижче.
При введенні поправки за тяжіння проміжного шару () обчислюється тяжіння мас шаром між рівнем океану і цією точкою. Для розрахунку цієї поправки використовують формулу тяжіння плоскопараллельной пластини, яка має вигляд:, де - абсолютна висота точки спостереження в м, а - середня щільність порід у цьому шарі в г/см3. Поправка має знак, протилежний знаку поправки за вільний повітря.
Для обліку бічного тяжіння рельєфу місцевості, що оточує пункт спостереження, при зйомці в гірських районах вводяться топографічні поправки (). Є декілька способів обліку таких поправок, які завжди позитивні.
При регіональних дослідженнях суші і океанів іноді використовують спеціально розраховуються ізостатичні редукції, які характеризують відхилення від існуючого у цілому гідростатичної рівноваги Землі. Вважається, що у верхній оболонці, яку називають літосферою потужністю 100-200 км, така рівновага досягається в основному за допомогою пружного вигину. Глибше, в так званій астеносфері з більш низькою в'язкістю, рівновага досягається горизонтальними течіями. Від цих факторів залежить гідростатичний рівновагу. У ряді районів з інтенсивними ізостатичним аномаліями воно порушене.
1.2.3. Аномалії сили тяжіння.
Аномалії сили тяжіння розраховуються за різними формулами. У геодезичної гравіметрії під аномалією сили тяжіння розуміють різницю між наблюденним значенням ($) і нормальним () з урахуванням поправки Фая, вона розраховується за формулою і називається аномалією Фая. Основний аномалією в гравиразведки є аномалія Бузі:

(1.5)

в яку вводяться всі поправки. Під розуміється сумарна поправка в спостережені значення, яка може бути визначена до проведення робіт, оскільки в ній є лише топографічні координати точок спостереження (). Її розраховують за допомогою ЕОМ.
1.2.4. Щільність гірських порід.
Для постановки гравиразведки і особливо тлумачення результатів необхідно знати щільність гірських порід -, бо це єдиний фізичний параметр, на якому базується гравірозвідка.
Щільністю породи (або об'ємною вагою) називається маса () одиниці об'єму породи (). Щільність вимірюють у г/см3. Зазвичай щільність визначається для зразків, узятих з природних відслонень, шпар і гірських вироблень. Найбільш простим способом визначення щільності зразка є зважування зразка в повітрі (), і у воді () і потім розрахунок. На цьому принципі побудований найбільш поширений і простий прилад для вимірювання густини - денситометр, що дозволяє визначати з точністю до 0,01 г/см3.
Для достовірності та презентабельності вимірювання слід проводити на великій кількості зразків (до 50 штук). За багаторазовим вимірюванням щільності зразків одного і того ж літологічного комплексу будуються варіаційна крива або графік залежності значень від кількості зразків, що володіють даної щільністю. Максимум цієї кривої характеризує найбільш ймовірне значення щільності для даної породи. Існують гравіметричні та інші геофізичні способи польових і свердловинних визначень щільності.
Щільність гірських порід і руд залежить від хіміко-мінералогічного складу, тобто об'ємної щільності твердих зерен, пористості і складу заповнювача пір (вода, розчини, нафта, газ). Щільність вивержених і метаморфічних порід визначається в основному мінералогічним складом і збільшується при переході від порід кислих до основних і ультраосновних. Для осадових порід щільність визначається насамперед пористістю, водонасичення і у меншій мірі складом. Проте вона дуже залежить від консолідації опадів, від їх віку та глибини залягання, зі збільшенням яких вона росте. Приклади щільності дані в таблиці 1.1.
Т а б л і ц а 1.1
Порода Щільність (г/см3)
Нафта 0,8 -1,0
Вугілля 1,0
Вода 1,1 - 2
Грунт 1,13 - 2,0
Пісок 1,4 - 2
Глина 2 - 2,2
Піщаник 1,8 - 2,8
Вапняк 2,3 - 3,0
Сіль 2,1 - 2,4
Граніт 2,4 - 2,9
Гнейси 2,6 - 2,9
Габро 2,8 - 3,1
Базальт 2,7 - 3,3
Перідотіт 2,8 - 3,4
Мідний колчедан 4,1 - 4,3
Магнетит, гематит 4,9 - 5,2
Щільність верхніх частин земної кори (середня) 2,67
Середня щільність Землі 5,52
Щільність ядра Землі 12
1.3. Принципи рішення прямих і обернених задач гравиразведки
У результаті гравиразведки розраховуються аномалії сили тяжіння, обумовлені тими чи іншими плотностном неоднорідностями, а вплив тяжіння всієї Землі і навколишнього рельєфу виключається вирахуванням нормального поля і введенням редукцій (див. 1.2.3). Тому в математичній теорії гравиразведки расcчітиваются аномалії від тіл простих форм: кулі, горизонтального циліндра, вертикального уступу, вертикального циліндра і т.д. без урахування тяжіння всієї Землею.
Знаходження аномалій сили тяжіння і других похідних потенціалу від тіл відомої форми, глибини залягання, розміру і щільності носить назву прямої задачі гравиразведки. Визначення місця розташування, форми, глибини залягання, розмірів і щільності тіл по відомим аномалій або других похідних потенціалу сили тяжіння називається зворотним завданням гравиразведки.
1.3.1. Аналітичні способи розв'язання прямих задач гравиразведки.
Аномалія сили тяжіння, викликана тяжінням тел відомої форми, розміру і щільності, може бути обчислено на підставі закону всесвітнього тяжіння (закон Ньютона).
Нехай в координатній системі xyz вісь z спрямована вниз до центру Землі. Ставиться завдання визначити в точці спостереження А (x, y, z) аномальну силу тяжіння (), тобто вертикальну складову сили тяжіння Землею одиниці маси () елементарної масою dm, що знаходиться в точці M (x ', y', z ') (рис. 1.2).

Рис.1.2 До визначення аномалій сили тяжіння від елементарної маси
За законом Ньютона тяжіння одиничної маси одно:
f = Gdm/r2,

де - гравітаційна стала, - відстань між точками (див. 1.4).
Аномалія є проекцією вектора f на вісь z:

(1.6)

де з трикутника ABM. Це ж вираз можна отримати за допомогою потенціалу W = Gdm / r. Справді:

(1.7)

Позначивши щільність притягальнішою маси через, а її обсяг через dV, можна записати

(1.8)

Така буде аномалія сили тяжіння, обумовлена масою, розташованої в порожнечі. У природних умовах аномальні включення розташовані у вміщає середовищі з деякою щільністю, тому під масою dm треба розуміти надлишкову масу.
Звідси

(1.9)

де - надлишкова щільність.
При має позитивний знак, тобто спостерігається збільшення тяжіння і позитивні аномалії. При має негативний знак, тобто спостерігається зменшення тяжіння і негативні аномалії.
У принципі аномалія, створена будь-яким тілом, може бути визначена інтегралом за обсягом тіла:

(1.10)

тобто сумою тяжінь всіх елементарних об'ємів, з яких складається тіло.
Розглянемо кілька прямих і обернених задач для тіл простої геометричної форми.
1.3.2. Пряма і зворотна задачі над кулею.
1. Пряма задача. Нехай однорідну кулю радіуса і щільності розташований на глибині в середовищі з щільністю (для простоти центр знаходиться на осі z, а спостереження проводяться по осі x в точці P) (рис. 1.3).

Рис.1.3 Гравітаційне поле кулі

2. Звідси

1. 1.6.

На рис.
2. Апаратура, методика і обробка даних гравиразведки
2.1. Принципи вимірювань сили тяжіння і апаратура для гравиразведки
2.1.1. Вимірювані в гравиразведки параметри.
Основним вимірюваним параметром в гравиразведки є прискорення сили тяжіння, яке визначається або абсолютно, або відносно. При абсолютних вимірах отримують повне (наблюденное) значення прискорення, при відносних - його приріст відносно деякої вихідної точки
Методи вимірювання прискорення сили тяжіння і його збільшення діляться на динамічні і статичні. Під динамічними розуміються такі методи, в яких спостерігається рух тіла під дією сили тяжіння (гойдання маятника, вільне падіння тіл і ін) У цьому випадку g визначається через параметри руху тіла і параметри установки. У статичних методах дію сили тяжіння компенс \-ється (наприклад, силою пружності пружини), а g визначається по зміні статичного положення рівноваги тіла.
Рідше в гравиразведки вимірюються другу похідні гравітації \-ційного потенціалу
2.1.2. Динамічні методи.
а). Найбільш використовуваний динамічний метод - маятниковий. Для абстрактного об'єкта - математичного маятника - період коливань

де - довжина маятника, - прискорення сили тяжіння, - максимальне значення кута відхилення маятника від вертикалі. Ця формула залишається справедливою і для реального об'єкта - фізичного маятника, якщо як взяти так звану наведену довжину де - момент інерції маятника, - маса, - відстань від центру ваги до осі обертання. При малих формула для періоду приймає вигляд Точність визначення періоду зростає при збільшенні часу спостереження за коливаннями маятника. Для абсолютних вимірювань прискорення сили тяжіння необхідно вимірювати довжину маятника. Знаючи і на вихідній точці, а також на i-тій точці, можна виконати відносні вимірювання у двох точках: за формулою тобто у відносних вимірах довжину визначати не треба.
Хоча маятникові прилади і схильні до дії температури, вологості та інших чинників, вони характеризуються дуже повільним і плавним сповзанням нуль-пункту (зміною залежності показань в одній і тій же точці від часу, викликаним старінням системи).
При вимірах маятниковими приладами в русі, наприклад, при морських зйомках, вплив хитавиці можна істотно знизити, якщо застосовувати кілька маятників, закріплених на одній підставі. У цьому випадку їх коливання звичайно зводять до коливань одного емпіричного маятника, використовуючи складний математичний апарат.
Похибка абсолютних вимірювань прискорення сили тяжіння маятниковими приладами можна довести до 1 - 3 мГал, а відносних - при наземних дослідженнях - до 0.1 мГал, при морських зйомках - до 5 - 10 мГал.
б). Визначення абсолютного значення прискорення сили тяжіння можна проводити методом вільного падіння, коли вимірюється час вільного падіння тіла і відстань, пройдена тілом. Вимірювання відрізняються великою трудомісткістю і виконуються на обсерваторіях, де точність у визначенні можна довести до 0,01 мГал.
в). В даний час відомі методи абсолютних і відносних вимірювань сили тяжіння, засновані на вивченні коливань струн. У них вимірюється частота коливань струни, її довжина і маса. У результаті можна розрахувати або.
2.1.3. Статистичні гравіметри.
У практиці гравиразведки застосовуються в основному статичні гравіметри. Вони засновані на компенсації сили тяжіння силою пружності пружини чи силою кручення нитки. Гравіметри служать лише для відносних вимірювань прискорення сили тяжіння. Абсолютне значення в i-тій точці отримують, підсумовуючи відоме на вихідній точці і обмірюване прирощення прискорення сили тяжіння між i-тої та вихідної точками.
У гравіметра 1-го роду мірою зміни прискорення сили тяжіння служить зміна довжини пружини, один кінець якої закріплений, а до іншого підвішений вантаж масою m (рис. 1.8, а). Рівновага в цьому випадку досягається при, де - довжина пружини, - коефіцієнт пружності пружини. Провівши вимірювання на опорній точці, отримаємо Аналогічно в i-тій точці будемо мати. Тоді приріст сили тяжіння між цими точками можна розрахувати за формулою

а б
Рис.1.8 Пружинна (а) і крутильних (б) системи гравіметрів

Схема чутливої системи гравіметра 2-го роду представлена на рис. 1.8, б. Тут важіль з грузиком кріпиться до горизонтальної пружною нитки і під впливом сили тяжіння нахиляється, закручуючи нитку. За допомогою вимірювальних пружин з мікрометричним гвинтом грузик виводиться в горизонтальне положення. Переходячи на іншу точку, під впливом збільшення сили тяжіння грузик відхиляється. Для виведення його в горизонтальне положення знову необхідно використовувати вимірювальну пружину, а на мікрометричної гвинті за спеціальною шкалою взяти відлік Звідси де - ціна поділки приладу, що залежить від його конструктивних особливостей.
Для підвищення точності гравіметрів застосовується астазірованіе, тобто штучне збільшення чутливості. Це досягається за рахунок того, що пружна система встановлюється в положення, близьке до нестійкого, завдяки чому, невеликі зміни прискорення сили тяжіння викликають великі зміни відліку за шкалою приладу.
На практиці зазвичай використовуються гравіметри другого роду. Залежно від матеріалу, з якого виготовлена чутлива система приладу, їх ділять на кварцові, металеві та кварцево-металеві. Найбільшого поширення набули кварцові гравіметри, наприклад, вітчизняні ДАК-4М, ГАГ-2, ГНУ-КС і ін вагою до 5 - 6 кг. Оскільки властивості кварцу залежать від температури, чутливі системи поміщають в термостатированной судини. Однак гравіметри володіють істотним недоліком - сповзанням нуль-пункту, яке необхідно враховувати.
При морських зйомках використовуються гравіметри, чутлива система яких перебуває не у вакуумі, а в в'язкої рідини, щоб уникнути впливу прискорень, викликаних хитавицею. Високочастотні зміни, пов'язані з хитанням рухомої основи, фільтруються шляхом взяття середнього відліку за інтервал часу. Поблизу берега використовуються опускаються для вимірювань на дно донні гравіметри. Використовуються також цифрові гравіметри, наприклад, СІНТ-РЕКС, що випускаються в Канаді.
Точність вимірювань з різними типами гравіметрів на суші складає 0,01 - 0,5 мГал, при вимірах на морі і в повітрі точність досягає 1 мГал.
2.1.4. Варіометр і градієнтометри.
Для вимірювання других похідних потенціалу сили тяжіння застосовують варіометра і градієнтометри. Гравітаційні варіометра 1-го роду вимірюють і 2-го роду - і Для вимірювання вертикального градієнта сили тяжіння використовуються спостереження гравіметрами на двох висотах. Гравітаційні горизонтальні градієнтометри вимірюють і
Чутливим елементом даних приладів є крутильні ваги, що представляють собою коромисло з двома грузиками рівної маси на кінцях, закріплені на вертикальної нитки. Один грузик розпорядженні вище іншого, внаслідок чого крутильні ваги мають вигляд, показаний на рис. 1.9.

Рис.1.9 Чутлива система варіометра: 1 - корпус приладу, 2 - пружна нитка, 3 - коромисло, 4 - важки
Неоднорідності поля сили тяжіння викликають поворот коромисла на певний кут, що дозволяє судити про їх величиною. Для визначення різних других похідних гравітаційного потенціалу чутливу систему встановлюють з кількох (трьох - п'яти) азимутами. У градіентометра відліки беруться візуально, а в варіометра фіксуються на фотопластинках. Обмежене застосування даних приладів обумовлено громіздкістю установки і низькою продуктивністю.
У різних країнах виготовлялися різні варіометра і градієнтометри, у тому числі цифрові.
2.2. Методика гравіметричних зйомок
2.2.1. Загальна характеристика методики гравиразведки.
Методика гравиразведки - це ціла сукупність тісно пов'язаних принципів, що пояснюють вибір тих чи інших рішень при проведенні робіт в залежності від геологічної задачі, наявних матеріальних і людських ресурсів. Ці рішення стосуються вибору конкретної апаратури, проектної точності зйомки, густоти мережі спостережень, напрями профілів, способу обробки даних і представлення результатів досліджень.
Перш за все слід розрізняти види робіт за місцем їх проведення. Тут виділяють наземну, морську, повітряну, підземну і свердловину зйомки. Не менш важливо поділ за масштабом робіт. Зйомки, що проводяться для виявлення регіональних аномалій і найбільш загальних закономірностей структури поля в масштабах 1: 200 000 і дрібніше, називають регіональними. Вони дають конкретні відомості лише про глибинний будову літосфери. Однак за результатами регіональних зйомок можна виділити окремі великі аномальні зони, де потім виробляються так звані пошукові зйомки. Вони виконуються в масштабах 1: 100 000 - 1: 50 000 і зазвичай спрямовані, як і випливає з їх назви, на пошук родовищ корисних копалин. Якщо вони дають позитивний результат, то це і є підставою припускати перспективність даного регіону і проведення розвідувальних зйомок в масштабі більше 1: 10 000.
2.2.2. Наземна гравіметровая зйомка.
Наземна зйомка з гравіметрами іноді називається гравіметровой. Найчастіше застосовується пішохідна зйомка, рідше для переміщення між пунктами використовується автотранспорт. Його застосування дозволяє скоротити проміжки часу між спостереженнями на різних точках, що підвищує продуктивність робіт, а також їх точність, оскільки дозволяє знижувати вплив сповзання нуль-пункту. Проте використання автотранспорту підвищує вартість робіт і часто нездійсненно через відсутність доріг. Епізодично (як правило, при дрібномасштабних зйомках) застосовується авіатранспорт.
Зазвичай використовується майданна зйомка, при якій деякий ділянку покривається мережею спостережень. Маршрутна зйомка проводиться за окремим профілю і не дає достатньої інформації про структуру поля. Вона застосовується лише при рекогносцирувальних і пошукових роботах.
Одним з найважливіших етапів методики є вибір масштабу знімання. Від нього залежить і густота мережі, оскільки відстань між профілями на підсумковій карті не повинен перевищувати 1 см в масштабі зйомки. Наприклад, при проведенні розвідувальної зйомки в масштабі 1: 10 000 відстань між профілями має становити не більше 100 м. Крок за профілем (тобто відстань між точками профілю) або дорівнює відстані між профілями (при квадратної зйомці), або менше нього, але не більше ніж у 5 разів (при прямокутній зйомці). Профілі розташовуються хрестом очікуваного прости \-згоряння об'єктів аномальної густини. Довжина профілю повинна в 5 - 10 разів перевищувати ширину шуканих тел.
Для прив'язки точок на місцевості, внесення редукцій необхідне проведення геодезичних робіт, що передують гравіметричним. Наявність заздалегідь підготовлених топографічних карт і карт редукцій істотно полегшує роботу. Прив'язка точок виробляється за аерофотознімки або за допомогою теодолітних робіт і нівелювання місцевості. Однак найбільш високу точність забезпечує прив'язка за допомогою супутників. Для цього є спеціальна апаратура, наприклад, GPS.
Методичними інструкціями рекомендується виконувати певні співвідношення між масштабами зйомок, похибкою топопрівязок, густотою мережі спостереження та проектної точністю.
Зйомки проводяться рейсами, що починаються і закінчуються на опорних пунктах. Частина рейсу між двома опорними пунктами називається ланкою. Опорна мережа розбивається для обліку сповзання нуль-пункту і знаходження абсолютних значень прискорення сили тяжіння. Вона включає до 5 - 10% від загального числа точок спостереження, рівномірно розподілених по площі. Точність визначення прискорення сили тяжіння на опорних точках повинна в 1,5 - 2 рази перевищувати точність рядових спостережень. Це досягається використанням більш високоточних приладів, багаторазовими вимірюваннями на опорних точках, скорочення проміжку часу між вимірюваннями на сусідніх точках шляхом використання транспорту. При створенні опорної мережі від 50 до 100% всіх спостережень повинні складати повторні (контрольні). Існує кілька способів розбиття опорної мережі. Широко поширені вимірювання по центральній системі, коли один з опорних пунктів (центральний) має зв'язки з усіма іншими, тобто з'єднаний з кожним з них однією ланкою. Іноді розбивка мережі здійснюється за системами, які не передбачають наявності центральної точки.
У нашій країні існує так звана державна мережа, що включає в себе пункти 1, 2 і 3 класів точності, на яких прискорення сили тяжіння виміряна з високою точністю. Відстані між цими пунктами становлять близько 10 км, що не дозволяє використовувати їх для виявлення аномальних значень поля сили тяжіння. Проте, оскільки на них відомі абсолютні значення прискорення сили тяжіння, до них здійснюється прив'язка опорних мереж.
Необхідно визначати точність опорної мережі, що характеризується середньою квадратичною помилкою. Вона виходить з контрольним спостереженнями і розраховується за формулою:

де - похибки прискорення сили тяжіння по контрольних спостереженнями (різниця між основним і контрольним виміром), - загальне число всіх спостережень, включаючи контрольні, - число контролььних точок.
Під час зйомок на рядовий мережі передує дослідження гравіметрів, що включає в себе визначення сповзання нуль-пункту. За цими даними виділяють проміжок часу, протягом якого сповзання нуль-пункту можна вважати лінійно залежних від часу. При рядовий зйомці після закінчення цього проміжку (1 - 2 години) необхідно брати завмер на одному з опорних пунктів. Зйомка на рядових пунктах ведеться як шляхом одноразових спостережень, так і з повтореннями при зворотному ході, що дозволяє більш гнучко враховувати сповзання нуль-пункту. Для контролю точності рядовий зйомки використовуються повторні спостереження на контрольних точках, які становлять не менше 5 - 10% від загального числа точок. За ним розраховується середньоквадратична помилка рядовий мережі за формулою:

де - число контрольних точок.
.2.3. Обробка даних гравіметрових зйомок.
При первинній обробці гравіметрових зйомок для кожної точки спостережень обчислюються аномалії Фая і Бузі (див. 1.2.2). Аномалія Фая обчислюється за формулою: де - спостережене значення прискорення сили тяжіння на найближчому опорному пункті, - нормальне значення прискорення сили тяжіння в рядовий точці, - приріст прискорення сили тяжіння по відношенню до опорного пункту (при розрахунку аномалії на опорній точці - редукція за висоту. Аномалія Бузі в точці обчислюється за формулою, де - значення аномалії Фая в цій точці, - редукція за проміжний шар, - редукція за топографію. Обчислення аномалій вручну представляє трудомістку задачу і давно не практикується. Для цих цілей ефективно використовуються персональні ЕОМ, оскільки за останні роки накопичився великий обсяг відповідного програмного забезпечення. Далі розраховується загальна похибка виконаних зйомок за формулою

де - середньоквадратична помилка опорної мережі, - похибка введення редукції Фая, - похибка введення редукції Бузі, - похибка розрахунку нормального поля, - похибка введення редукції за топографію. Роботи вважаються успішними лише тоді, коли менше проектної точності зйомки.
У результаті гравіметровой зйомки будуються графіки і карти аномалій Бузі. При побудові графіків вздовж профілю в масштабі зйомки проставляються точки спостережень, вгору відкладаються вниз - При побудові карт аномалій Бузі на них проставляються точки спостереження, а близько точок записується Далі проводяться ізолінії. Перетин ізоліній не повинно бути менше
2.3. Методики інших видів гравиразведки
Крім наземних гравіметрових зйомок, існують також морські, авіаційні, підземні, свердловини, а також варіометріческіе і Градієнтометричні зйомки.
1. Морські гравіметричні роботи ділять на надводні, підводні і донні. Надводні проводяться на кораблях і відрізняються найбільш складною використовуваної апаратурою та обробкою через наявність прискорень, сили тяжіння, обумовлених хитавицею. Прилади поміщають в карданів підвіс або на гіроплатформи, що забезпечують їх постійне вертикальне положення. Зйомки проводяться безперервно в русі за профілями (галсами) (при комплексних геофізичних дослідженнях) або за площею (коли гравітаційні дослідження є основними). Спостереження проводяться за системою субпараллельно профілів, які перетнув кількома контрольними. Так само, як при наземних зйомках, використовуються опорні точки, на яких починається і закінчується кожен рейс. Вони розташовуються в портах і відрізняються підвищеною точністю проведених вимірювань. Для прив'язки точок використовується радіогеодезіческій спосіб. Точність визначення збільшень сили тяжіння при надводних зйомках досягає 1 мГал. Більш високою точністю відрізняються вимірювання, що проводяться на підводних човнах, оскільки в цьому випадку менше вплив збурюючих прискорень.
Принципово відрізняються від досліджень в русі донні дослідження. Гравіметр поміщається в контейнер і опускається на дно. За допомогою карданова підвісу або гіроплатформ він приймає вертикальне положення. Сигнал у вигляді електричних імпульсів надходить на корабель. Роботи цим методом проводяться на глибинах до 150 - 200 м, тобто в області континентального шельфу, неглибоких морів і озер. На мілководді поблизу берега застосовуються зануренням на дно гравіметри, за характеристиками близькі до наземних. Точність таких зйомок також звичайно відповідає точності наземних.
2. Іноді за допомогою спеціальних гравіметрів проводяться зйомки на літаках і вертольотах, які рухались на висотах близько 100 - 150 м зі швидкістю 100 - 200 км / ч. Ці роботи ускладнюються наявністю довгоперіодних збурюючих прискорень (десятки секунд), які важко усунути фільтрацією, а також високочастотних прискорень. Аерозйомки, аналогічно морським, проводять за субпараллельно профілів, які пересічені кількома опорними, що дозволяє врахувати сповзання нуль-пункту.
3. Під підземної гравиразведки розуміються зйомки в гірських виробках і шахтах. У зручних місцях розташовуються опорні точки, прив'язані до державних гравіметричним пунктам на поверхні. Відстані між рядовими точками при підземних зйомках зазвичай значно менше, ніж при наземних. Підземні роботи дозволяють дослідити тіла з аномальною щільністю збоку і знизу, але вимагають урахування впливу верхніх товщ.
4. Аналогічними перевагами і недоліками володіють свердловинні гравіметричні вимірювання. Крім того, вони повинні бути стійкі до високого тиску, температурі, "вміти" приймати вертикальне положення в похилій свердловині. Точки спостережень розташовуються через десятки метрів по стовбуру свердловини, що пов'язано з порівняно невисокою точністю вимірювань.
5. При зйомках з варіометра і градіентометра вимірюються друга похідні гравітаційного потенціалу. Вони застосовуються при детальних розвідувальних роботах, причому переважно на невеликих площах, де є аномалії, які обумовлені наявністю рудних тіл і ін Дані роботи вимагають ще більш точної топогеодезичної основи, ніж зйомки з гравіметрами. Вони звичайно є майданними, причому відстані між точками залежать від масштабу зйомки і змінюються від 5 до 100 м. Якщо рельєф в районі робіт спокійний і в радіусі 50 - 100 м проведена нівелювання, то можна досягти точності в перші Етвеша. Результати варіометріческіх і Градієнтометричні зйомок зображують у вигляді карт і графіків других похідних потенціалу, векторів градієнта, карт кривих рівної поверхні. Застосовується і підземна варіометріческая і Градієнтометричні зйомки, спрямовані на деталізацію будови шахтних і рудних полів.
3.
3.1.

3.1.1.

1. Загальні положення.

3.1.3.

3.2.

3.2.1.

3.2.2.

⇐ Предыдущая 1 23