По физическим свойствам геологического объекта

1 - покровные отложения, 2 – песок, 3 – глина, 4 – известняк, 5 - интрузия

Все геофизические поля характеризуются параметрами, основными из которых являются потенциал (U) и напряженность (Е). При этом U выражает концентрацию этих полей в той или иной точке исследования, а – Е особенности их распределения. В нормальном поле распределение (дифференциация) Е равномерная, а в аномальном происходит деформация поля, то есть его усиление или ослабление.

Переход от параметров поля к показателям среды, которые собственно создают геофизические поля, т.е. к значением физических свойств, осуществляется путем так называемых материальных уравнений. К ним относятся уравнения классических физических законов, например Ньютона, Ома, Био, Савара и др.

Тенденции изменения геофизических параметров изучаются в зависимости от геологических признаков. При этом горная порода, как совокупный агрегат из минералов определенного состава, рассматривается как полифазная, многокомпонентная, термодинамическая система с присущими ей количественными физическими показателями.

Типовая классификация горных пород для изучения физических показателей представлена на рис. 4.

Рис. 4. Классификация горных пород для изучения физических свойств

 

Изменение физических свойств связано с различным вещественным (петрографическим) составом и с действием таких геологических факторов как давление, температура и др. Поэтому очень важно знать тенденции этих изменений. Для магматических пород эти тенденции удобно изучать в их щелочно-земельном ряду, а для метаморфических по стадиям метаморфизма (Рис. 5).

 

Рис.5. Схема изучения тенденций изменения физических параметров

Для магматических и метаморфических пород

 

В группе осадочных пород наиболее подвержены изменениям терригенные образования. У них под действием давления и температуры происходит большая подвижность межзерновых контактов нежели в хемогенных породах.

Основные геологические факторы, влияющие на изменение осадочных пород, - это процессы окаменения (эпигенеза), которые происходят в период формирования синклинальных структур вследствие действия давления и температуры. Таким образом, на больших глубинах породы испытывают нарастающее уплотнение, притом, что этот процесс не одинаков для пород, отличающихся по литологическому составу. Поэтому тенденции изменения физических показателей следует рассматривать с одной стороны по стадиям преобразования для строго определенных литотипов, а с другой - от литологического состава для строго конкретной стадии преобразования (Рис.6).

 

А) Увеличение-уменьшение физического параметра в зависимости от литологического

состава осадочных пород

 

Б) Увеличение-уменьшение физического параметра в зависимости от стадий преобразования осадочных пород

Рис. 6 Схемы изучения тенденций изменения физических свойств осадочных пород

· Проектное задание раздела 1-А

1) Дать определение геофизики, как фундаментальной и прикладной науки.

2) Объяснить сущность возникновения естественных и создания искусственных геофизических полей.

3) Составить схему структуры разведочной геофизики.

4) Объяснить содержание полного цикла геофизических исследований.

5) Объяснить содержание прямой и обратной геофизических задач.

6) Составить логическую схему полевой геофизики, как информационно-измерительного тракта.

7) Дать определения геофизического и геологического разрезов и их трансформации.

8) Составить типовую классификацию горных пород для изучения физических показателей.

9) Перечислить и объяснить тенденции изменения геофизических параметров.

· Тесты рубежного контроля раздела 1-А

1.

Вопрос: К какой группе наук относится геофизика?

Ответ: Науки о земле. Физико-математические науки. Биологические науки. Науки историко-археологические.

2.

Вопрос: Что понимается под геофизическим полем?

Ответ: Физические явления на Земле. Материальная среда распределения физических потоков в зависимости от физических свойств геологических объектов. Поле солнечной и ветровой деятельности.

· Критерии оценки раздела 1-А

Коллоквиум.

 

· Литература к разделу 1-А

Основная:

1. Геофизика: учебник /Под ред. В.К. Хмелевского. - М.: КДУ, 2007. – С. 9-20.

2. Геофизические методы исследования. (Под редакцией В.К.Хмелевского). Учебное пособие. – М.: Недра, 1988. – С. 3-9.

3. Знаменский В.В. Общий курс полевой геофизики. Учебник. – М.: Недра, 1989. – С – 3-5.

Дополнительная:

1. Федынский В.В. Разведочная геофизика. Учебное пособие. – М.: Недра, 1967. – 6-42.

2. Огильви А.А Основы инженерной геофизики: Учеб. для вузов /Под редакцией В.А.Богословского. – М.: Недра, 1990. – С. 4-26.

 

 

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 m_i 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 аномальным g_аном (измеренным) и нормальным g_нор (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 g_аном является частной производной от потенциала гравитационного поля в точке наблюдения:

g_аном = (7)

Параметр g_норм 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 g_{св.возд .} или g_ф (Фая) учитывается в гравиметрических измерениях как поправка за слой воздуха находящийся между точкой наблюдения и поверхностью геоида.

g_ф = 0,3086 ^. h₁ (8),

где h₁ толщина слоя воздуха.

Параметр g_б вводится в измеренные значения как поправка за промежуточный слой, который еще носит название поправки Буге. Поправка g_б 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).

g_б = -0,418 h₂ (9),

где - средняя плотность, а h₂ – толщина промежуточного слоя.

Поправка за рельеф g_р 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:

g_б = g_аном - g_норм + g_ф + g_б + g_р (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 g_i по формуле:

(13),

где: (T_1/2)_o=p*√ ℓ/g_o, (T_1/2)_i= p *√ ℓ/g _i (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 j. 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 j. 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 W_xz и W_yz:

U^//_xz = ∂²U/∂x∂z = W_xz; (15)

U^//_yz = ∂²U/∂y∂z = W_yz (16)

Значения W_xz и W_yz 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 (d)это свойство природных объектов, в том числе горных пород, определяемое отношением их массы (m) к объему (V):

d = m / V, (17)

Единица измерения d в системе СИ - кг/м³*10³. Внесистемная единица - г/см³. В каждой точке геологической среды:

(18), следовательно, d = ∂m / ∂V (19)

 

Для гетерогенной среды:

(20)

 

Твердая фаза

У минералов d изменяется от 0.1 до 20 г/см³. Тенденцию изменения d твердой фазы для основных породообразующих минералов можно отобразить схематически (рис. 12).

Рис. 12. Тенденция изменения плотности твердой фазы для основных

Породообразующих минералов

Жидкая фаза

Плотность дистиллированной воды составляет 1,01г/см³, а у нефти она изменяется от 1,3 до 1,5 г/см³. При увеличении степени минерализации плотность воды возрастает.

Газовая фаза

Воздух, газо-воздушные смеси и чистые газы (метан, пентан и др.) имеют d < 0,001 г/см³.

Магматические породы

В магматических породах щелочноземельного ряда наблюдается увеличение плотности от кислых к ультраосновным породам (Рис. 13).

Рис. 13. Тенденция изменения плотности магматических пород

 

Метаморфические породы

У метаморфических пород одноименного минерального состава наблюдается увеличение d по мере усиления степени метаморфизма (Рис. 14).

Рис. 14. Тенденция изменения плотности метаморфических пород

I – диабаз, II – уплотненный диабаз, III – амфиболит, IV – филлит

 

Осадочные породы

Для осадочных пород в пределах одноименных стадий литогенеза тенденция изменения плотности определяется вещественно-петрографическим составом и соответствует изменению d твердой фазы.

Рис. 15. Тенденция изменения плотности осадочных пород при одинаковой

степени их преобразования (окаменения)

 

В пределах отдельных групп осадочных пород вторая тенденция проявляется в зависимости от стадий преобразования (литогенеза) (рис. 16).

Рис. 16. Тенденция изменения плотности осадочных пород для одноименных литологических разностей в зависимости от стадии их преобразования (окаменения)

 

ТЕМА: Методика гравиразведки и ее применение для поисков и разведки полезных ископаемых, в геоэкологии, гидрогеологии и в др. областях геологии.

Методика включает:

1) Выбор вида и характера съемки;

2) Топографическую разбивку участка работ;

3) Порядок и последовательность гравиметрических измерений;

4) Первичную обработку и последующую качественную и количественную интерпретацию исходных материалов.

Основной вид гравиметрической съемки - это полевая съемка, предусматривающая измерения на заданной площади по системе профилей. Первично производится сбор априорных данных о предполагаемом геологическом объекте, а затем уже производится ориентация геофизических профилей. Предполагаемый объект, должен пересекаться не менее чем 3-4 профилями. Расстояние между профилями и определяется масштабом съемки. Например, при расстоянии в 1 км – масштаб будет равен 1:100 000. Соответственно, расстояние между точками на профиле должно быть не меньше расстояния между профилями (рис. 17).

 

 

Рис. 17. Пример расположения геофизических профилей при гравитационной съемке

1- профили; 2-4- рядовые, опорные и контрольные точки наблюдения; 5- предполагаемое простирание искомого геологического объекта; 6- изоаномалы Dg

 

 

После разметки всех точек среди них определяются контрольные и опорные. Контрольные точки составляют ≈ 10%, а опорные ≈ 10-15 %. Их распределение должно быть равномерно по площадке. Конкретные измерения на опорных точках необходимы для характеристики процесса сползания нуля гравиметра, обусловленные кручениями кварцевой нити за счет атмосферных явлений. Размещение опорных точек должно производиться в знаковых (реперных) местах.

При топографической разбивке участка съемки осуществляется геодезическая привязка всех точек, притом, что опорные точки обязательно привязываются к государственной геодезической сети 3 или 2 класса по системе замкнутых полигонов.

Для определение методики гравиметрических измерений прежде всего составляется система обвода точек наблюдения, то есть создается опорная сеть. Далее работа предусматривает снятие показаний на полигоне от опорных точек. При этом используются наиболее точные гравиметры и измерения производятся в максимально короткий срок, что способствует малому смещению нуль-пункта приборов. Этим самым создается опорная сеть представляющая систему замкнутых полигонов, как и при геодезической съемке. Опорные точки являются реперными, т.е. служат для увязки измерений на рядовых точках. Для определении значений в опорных точках осуществляется разброс невязок по формуле:

(21)

где e - средняя квадратичная погрешность полигона опорных точек, di - разность основных контрольных измерений, m -общее количество точек, n - количество контрольных точек.

Измерения на рядовых точках осуществляются по системе ранее обустроенных (размеченных) профилей. При этом обязательны измерения на опорных точках в течение установленного с учетом сползания нуль пункта прибора времени. Общая поправка при окончании гравиметрических измерений осуществляется по формуле:

e= + Öe_опор +e_н +e_ф +e_б +e_р (22),

где:

e_{оп ор} - поправка за опорную сеть,

e_н - поправка за нормальное поле,

e_ф - поправка за свободный воздух,

e_б - поправка за промежуточный слой,

e_р - поправка за рельеф.

Результаты гравиметрических съемок представляются в виде план-графиков или карт параметров гравитационного поля. Построения производятся по показателю (приращение силы тяжести в редукции Буге). Положительная аномалия – избыточная плотность, отрицательная аномалия - пониженная плотность (Рис.18).

 

Рис 18. Форма представления результатов гравитационной съемки

в виде план – графиков

r – расстояние по профилю, – приращение силы тяжести.

 

 

Интерпретация гравиметрических данных разделяется на качественную и количественную. Последняя выполняется на основе решения прямой и обратной задач гравиразведки. Цель - установить количественные характеристики изучаемых геологических объектов, т.е. их пространственное расположение, глубину залегания и избыточную плотность.

Прямая задача для тел простой геометрической формы (шар, цилиндр и др.) решается аналитическим способом:

(23),

где Dd - избыточная плотность.

Для элементарной массы dm в гравитирующем теле Т (рис.19) будем иметь расстояние от А до М равным r:

(24),

 

Рис.19. Модель цилиндра для расчета