Гравиразветка

ГРАВИРАЗВЕДКА

 

Гравиразведка является классическим и часто используемым методом полевой геофизики [5]. При относительно невысокой стоимости полевых наблюдений она обеспечивает достаточно высокую геологическую резуль- тативность и особенно эффективна при поисках рудных объектов, а также при структурных исследованиях осадочных толщ.

 

3.1. Сущность и задачи метода гравиразведки

Гравиразведка − геофизический метод изучения земных недр, имеющий в своей основе закон всемирного тяготения. Основным измеряемым параметром этого метода является ускорение свободного падения, котороеможно выразить формулой

^{dG(x, y, z ) = γ dm(ξ, η, ζ) ,}

^{r 2}

 

где dG(x, y, z) − ускорение в точке с координа-

тами (x, y, z); dm(ξ, η, ζ) − элемент массы в точ-

ке с координатами (ξ, η, ζ); r − расстояние меж-

ду этими точками; γ = 66,73⋅10-9 см3⋅г-1⋅с2 − гра-

витационная постоянная. Ускорение − вектор-

ная величина, направление ускорения совпадает

с направлением отрезка [(x, y, z) − (ξ, η, ζ)] (рис. 3.1).

  ^z 

 

 

 

 

r

^dm(ξ,η,ζ) 

y

 

(x,y,z)

 

 

Рис. 3.1. Система координат

 

При выполнении гравиметрических исследований, как правило, измеряется только вертикальная компонента вектора  ускорения, которую часто обозначают как Gz или Δg. Размерность единиц измерения ускорения (гравитационного поля)

в СИ − м/с2 или cм/с2, причем последняя единица носит специальное на-

звание гал. Одна тысячная доля гала, миллигал, обозначается мгл.

При наличии петрофизических  предпосылок, метод гравиразведки

применяют для решения  многих задач геологических исследований [5]: ре-

гиональное и детальное картирование, поиски и разведка месторождений

полезных ископаемых, инженерные и эксплуатационные изыскания. Суть

гравиразведочных исследований заключается в измерении величин уско-

рения силы тяжести (g) и последующем использовании их для определения

положения, плотности и  размеров геологических объектов.

 

 

 

 

Результаты полевых гравиметрических наблюдений в точке с координатами (ϕ, λ, H) представляются в виде аномалий гравитационного поля

Δg(ϕ, λ, H). Для вычисления этих аномалий необходимо вычесть из измеренных значений ускорения силы тяжести g(ϕ, λ, H) влияние нормальной Земли и масс промежуточного слоя. Промежуточным слоем называется слой с заданной плотностью σ, расположенный между уровнем моря и рельефом земной поверхности. Влияние нормальной Земли (нормальное поле ускорения силы тяжести) в точке с широтой ϕ и высотой H вычисляется по формуле

^{g N (ϕ, H ) = 978049 (1 + 0,0052884 sin2 ϕ − 0,0000059 sin2 2ϕ)− 0,3086 H .}

Последний член в этой формуле  называется поправкой Файя. Влияние

масс промежуточного слоя (так называемую поправку Буге) вычисляют по формуле

^{δg з (σ, H ) = 0,0419 σ H .}

В приведенных формулах H − высота точки измерений, м; σ = 2,67 г/см3;

значения всех полей выражаются в миллигалах.

После вычитания указанных  поправок получается поле, которое  назы-

вается аномалией Буге::

^{Δg з (ϕ, λ , H ) = g (ϕ, λ , H ) − g N (ϕ, H ) − δg з (σ, H )}

и отражает гравитационное влияние плотностных неоднородностей  в земных недрах. Источником аномалий Буге является аномальная (или избыточная) плотность σа, которая определяется как разность между реальной(абсолютной) плотностью горных пород σр и некоторой средней (нормальной) плотностью σн, определенной для соответствующей оболочки в планетарной плотностной модели Земли: σа = (σр − σн). Из последнего определения следует, что аномальная плотность может иметь как отрицательные,

так и положительные значения. На Земле амплитуды аномалий Буге составляют от −200 до 400 мгл для глобальных структур и единицы миллигалов для локальных геологических объектов.

Краткая техническая характеристика аппаратуры

 

Гравиметрические измерения  выполняются с помощью гравиметров,

которые бывают двух типов: абсолютные и относительные. При абсолют-

ных измерениях определяется ускорение силы тяжести g в точке наблюде-

ния с использованием баллистических или маятниковых гравиметров. Та-

кие измерения сопряжены с большими сложностями и проводятся только

в некоторых пунктах Земли. Данные абсолютных измерений необходимы

21

для сопоставления результатов  относительных измерений с абсолютным

уровнем поля Земли. Гравиметры последнего типа можно использовать

при массовых наблюдениях (гравиметрической съемке): в пешеходном,

морском, воздушном и скважинном вариантах.

Кварцевые астазированные (высокочувствительные) гравиметры,

сконструированные по принципу вертикального сейсмографа Голицына,

в настоящее время являются наиболее распространенными приборами  для

гравиметрических исследований. Различные типы этих приборов имеют

одинаковые рабочие узлы и различаются в основном только их конструк-

цией. Упругую систему кварцевых гравиметров изготовляют из плавлено-

го кварца, за исключением  платинового груза на конце рычага и металлической нити температурного компенсатора.

Кварцевая упругая система  заключена в металлический корпус, обеспечивающий ее герметизацию. Корпус кварцевой системы вставлен в  со-

суд Дьюара, который, в свою очередь, помещен в теплоизолирующий кон-

тейнер, представляющий собой легкий металлический цилиндр с нивелировочными винтами. В корпусе гравиметра располагаются осветитель,микроскоп регистрирующей системы и измерительное микрометрическое устройство. Наружный контейнер, в котором прибор транспортируется,

обеспечивает необходимую  теплоизоляцию и предохраняет прибор от рез-

ких толчков и ударов. Все кварцевые гравиметры имеют довольно сложные системы температурной компенсации.

Первый отечественный  кварцевый астазированный гравиметр был

создан в 1953 г. К.Е. Веселовым  во ВНИИ геофизики. В дальнейшем были

разработаны и в настоящее  время выпускаются гравиметры типа ГАК:

ГАК-ПТ, ГАК-ПТМ, ГАК-7Т, "Worden", "La-Costa", "Sharp" и другие. Гра-

виметры этого типа являются малогабаритными приборами, обеспечи-

вающими точность наблюдений порядка 0,02−0,08 мгл. Гравиметр

ГАК-7Т, принципиальная схема  которого приведена на рис. 3.2, широко

применяется на практике [5].

Горизонтально расположенный  маятник 13 с платиновым грузом на

конце удерживается в равновесии силой упругости главной пружины 18,

диапазонной пружины 2 и силой  закручивания нити подвеса 21 маятника.

Главная пружина верхним  концом неподвижно прикреплена к  основной

раме 3 системы, нижним − к отростку 19 маятника. Нижний конец диапа-

зонной пружины 2 также  прикреплен к отростку 20 маятника, а верхний −к диапазонному микровинту 1.21

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.2. Принципиальная схема

_{гравиметра ГАК-7Т}

 

Измерительная система гравиметра имеет рамку 17, вращающуюся на

нитях. К рамке крепятся оси подвеса маятника. Измерительная рамка име-

ет стержень 16, к которому приварен нижний конец измерительной пру-

жины 4, верхний ее конец соединен с измерительным микровинтом 5. Си-

лу тяжести измеряют компенсационным способом, дополнительно закру-

чивая оси подвеса маятника. При изменении силы тяжести маятник откло-

няется от горизонтального положения на некоторый угол. Вращением

микрометрического винта 5 изменяют натяжение измерительной пружины

4 и тем самым поворачивают  измерительную рамку 17, которая,  в свою

очередь, изменяет угол закручивания нитей подвеса 21 маятника, приводя

его в исходное положение. Мерой приращения силы тяжести являются

обороты счетчика микрометрического  устройства с точностью 0,001 обо-

рота. Для каждого гравиметра экспериментально определяется цена деле-

ния С, устанавливающая, сколько миллигалов компенсируется одним обо-

ротом винта. Процедура определения цены деления называется эталони-

рованием. Обычно цена деления гравиметра составляет величину порядка

5,0−7,0 мгл/деление. Диапазон измерений − 60−150 мгл. Перестраивают

диапазон измерений, изменяя  натяжение диапазонной пружины 2. Регист-

рация положения маятника − оптическая. На конце маятника находится

тонкий кварцевый стерженек (индекс) 11, расположенный между призма-

ми 10 и 12. Изображение индекса  рассматривают в микроскоп 9. В  фокаль-

Рис. 3.2. Принципиальная схема

гравиметра ГАК-7Т

23

ной плоскости окуляра 8 микроскопа имеется шкала

7, позволяющая определять характер изменения силы тяжести.

В устройство для температурной  компенсации гравиметра входит ме-

таллическая нить 6, верхний конец которой прикреплен к основной раме

системы, а нижний − к рычагу 15, который может вращаться на нитях 14.

Второй конец рычага соединен тонкой кварцевой нитью 22 с подвижной

рамкой 23 температурного компенсатора. Нить 22 изогнута и оттягивается

пружинкой 24. Нити подвеса  измерительной рамки, рамки температурного

компенсатора и маятника расположены соосно. При изменении температу-

ры металлическая нить 6 поворачивает рычаг 15, который, находясь все

время под действием силы закручивания нитей подвеса, натягивает или

отпускает изогнутую кварцевую  нить 22. В результате рамка 23 поворачи-

вается и тем самым закручивает нити подвеса маятника, возвращая его

в исходное положение.

Аппаратурная компенсация  температуры и давления не позволяет

устранить их влияние в  полной мере. Кроме того, возможны небольшие

колебания упругих свойств  пружин, вызванные тряской прибора  при

транспортировке. Все эти  обстоятельства приводят к изменению  нулевого

отсчета (дрейфу нуль-пункта) прибора во времени до 0,1−0,2 мгл/ч. При

выполнении наблюдений необходимо определять дрейф нуль-пункта

и вносить в результаты измерений соответствующую поправку.__