Приращения силы тяжести в месте его

Расположения от точки наблюдения.

На рис 20 приведены примеры гравитационных аномалий над объектами правильной геометрической формы.

а) б)

 

Рис.20. Гравитационные аномалии над шаром (а) и вертикальным уступом (б)

1. покровные отложения (d₁=2,2 г/см³), 2 – известняк (d₂=2,8 г/см³)

 

Для объектов (тел) сложной геометрической формы существуют численные методы решения прямой задачи, а также методы физического моделирования.

Один из распространенных численных способов решения прямой задачи гравиразведки – применение палетки Гамбурцева. Палетка представляет собой систему параллельных горизонтальных линий, проведенных через равные промежутки в заданном масштабе. На первой линии из точки О проведена система лучей под углом j. Плоскость оказывается разбитой на ячейки ABCD, которые представляют собой неправильные призмы. Эти призмы, если смотреть перпендикулярно на палетку, в точке О имеют одинаковый гравитационный эффект (рис. 21).

Рис.21. Палетка Гамбурцева

 

Следовательно, можно вычислить цену деления каждой клетки, то есть цену деления палетки:

Dg = 2f* (Dz*Dd*j) (25),

где f - гравитационная постоянная, равная 6,67*10^-82^-1см³с^-2.

С помощью палетки Гамбурцева можно выполнять расчет гравитационных аномалий над объектами любой геометрической формы и с любой избыточной плотностью. Для этого строится разрез, на котором в масштабе отображается предполагаемый объект. Далее в каждую из точек профиля, например О₁, О₂, О₃, О₄, и.т.д. помещается центр палетки и производится подсчет количества ячеек пришедшихся на заданный объект (рис.22). Гравитационная аномалия над объектами избыточной плотности определяется по формуле:

∆g_б = m*∆g_п*k (26),

где k - масштабный коэффициент:

(27)

 

Рис. 22. Пример расчета величины

Гравитационных аномалий для тел

Неправильой формы

 

Качественная интерпретация предусматривает выявление общей геологической ситуации, в результате которой геологам даются сведения о месте положении, приблизительных геометрических параметрах и природе геологических образований. То есть, по построенным план-графикам или картам установливается геологическая природа гравитационных аномалий, оценивается местоположение изучаемых объектов. Предусматривается получение "чистой" аномалии т.е.:

Dq_б=Dq_набл - Dq_норм (28),

где Dq_набл и Dq_норм – значения силы тяжести для наблюденного и нормального полей.

Пример получения "чистой" аномалии приведен на рис. 23.

 

Рис.23. Пример «снятия» регионального фона при качественной интерпретации

Гравитационных аномалий

 

 

В зависимости от положительного или отрицательного характера аномалии, оценивается избыточная плотность (повышенная или пониженная). Величина аномалии может служить признаком размеров объектов, степени отличия их от вмещающих пород по плотности и соответственно литологической принадлежности. Например, рудное тело характеризуется очень большой избыточной плотностью, а нефтяной или угольный пласт имеет пониженную плотность. Резко пониженную плотность имеют соляные купола. При качественной интерпретации обязательно привлечение априорных данных, т.е. сведений об изучаемом объекте по другим геолого-геофизическим методам.

Количественная интерпретация есть суть решения обратных задач гравиметрии. Используются варианты решения прямых задач с привлечением априорных геолого-геофизических данных. Это необходимо в виду того, что решение обратных задач может быть неоднозначно, поскольку разные по литологическому составу породы могут иметь одинаковую плотность. В тоже время, одинаковые по величине гравитационные аномалии могут быть получены от геологических образований, расположенных на различных глубинах, если объекты имеют неодинаковую плотность.

Количественная интерпретация предусматривает сопоставление теоретических и наблюденных кривых. Этот классический прием в разведочной геофизике носит название способа подбора. Он осуществляется как в ручном, так и в автоматизированном режимах. Разработаны программы для 1D, 2D, 3D моделей геологической среды. Интерпретация носит название D-инверсии.

Конечным результатом количественной интерпретации является определение формы, размеров, глубины залегания и пространственного положения объектов. При этом обязательно определение их плотностных характеристик и геологической принадлежности. Это достигается с помощью петрофизических связей, т.е. связей между плотностью и геологической характеристикой объекта.

 

· Проектное задание раздела 1-Б

1) Объяснить гравитационную постоянную – физическую константу в формуле закона Ньютона.

2) Дать толкование Земному сфероиду.

3) Дать определение эквипотенциальной или уровенной поверхности.

4) Объяснить значимость вторых производных потенциала силы тяжести.

5) Составить картину нормального гравитационного поля и объяснить необходимость его учета при анализе аномального поля.

6) Объяснить с какой целью вводятся поправки за высоту и за плотность промежуточного слоя и с какой знак при этом имеет поправка за рельеф местности.

7) Предложить методику наблюдений для обнаружения геологических объектов правильной геометрической формы - последовательность и порядок измерения силы тяжести на пунктах (рядовых и опорных) гравиметрической сети, позволяющей учитывать смещение нуль-пункта гравиметра.

8) Выполнить построениие палетки Гамбурцева – графического чертежа для вычисления притяжения двухмерных тел произвольной формы. Показать применение палетки для решения прямых задач и пути компьютерного решения задания.

9) Составить типовые модели геологических сред с включением натурных и техногенных объектов, характеризующихся избыточной плотностью, как разностью плотностей вмещающих пород и пород структуры, создающих гравитационную аномалию.

10) Написать реферат о принципах» работы» гравиметров, их типах и конструктивных особенностях, включая современные разработки.

 

· Тесты рубежного контроля раздела 1-Б

1.

Вопрос: Что такое эквипотенциальная или уровенная поверхность?

Ответ: Поверхность рельефа Земли. Поверхность мирового океана. Поверхность, где сила тяжести в любой ее точке направлена перпендикулярна ей.

2.

Вопрос: Что такое нормальное гравитационное поле?

Ответ: Поле земного шара. Поле геоида. Поле сфероида малого сжатия. Поле воздействия солнца и луны.

3.

Вопрос: Почему происходит смещение нуль-пункта гравиметра?

Ответ: Под воздействием атмосферных факторов. Вследствие неидеальной упругости измерительной системы. Из-за влияния рельефа.

 

4.

Вопрос: Как определяется точность аномальных значений силы тяжести?

Ответ: Путем вычисления средней квадратической погрешности. Путем сравнения показаний двух независимых гравиметров. Путем введения поправки за температуру.

5.

Вопрос: В чем заключается решение обратной задачи гравиметрии?

Ответ: В автоматизированной обработке данных. В подборе (сопоставлении) расчетного и наблюденного графиков. В выводе формул для заданного геологического объекта.

 

· Критерии оценки раздела 1-Б

Контрольная работа.

 

· Литература к разделу 1-Б

Основная:

1. Геофизика: учебник /Под ред. В.К. Хмелевского. - М.: КДУ, 2007. – С. 20-41.

2. Геофизические методы исследования. (Под редакцией В.К.Хмелевского). Учебное пособие. – М.: Недра, 1988. – С. 6-28.

3. Знаменский В.В. Общий курс полевой геофизики. Учебник. – М.: Недра, 1989. – С – 6-79.

Дополнительная:

1. Федынский В.В. Разведочная геофизика. Учебное пособие. – М.: Недра, 1967. – 98-123.

2. Вахромеев В.С. и др. Петрофизика: Учебник для вузов. – Томск: Из-во Том. Ун-та, 1997. - С. 10-28.

3. Богословский В.А., Жигалин А.Д., Хмелевской В.К. Экологическая геофизика: Учеб. Пособие. – М.: Изд-во МГУ, 2000. – С. 83-84.

 

Раздел 1-В - Магниторазведка

 

ТЕМА: Краткая теория геомагнитного поля и его изучение в магнитометрии и магниторазведке.

 

Магниторазведка - это раздел разведочной (полевой геофизики) изучающий особенности распределения геомагнитного поля в земной коре с целью поисков, оценки и разведки месторождений полезных ископаемых.

Геомагнитное поле -это часть общего магнитного поля Земли, имеющего потенциальный характер. Основой является закон Кулона, описывающий взаимодействие магнитных масс (элементарных дипольных масс):

(29),

где F - сила взаимодействия магнитных масс m₁ и m₂, r - расстояние между взаимодействующими массами, m_а - абсолютная магнитная проницаемость, равная:

m_а= m₀*m, (30),

где m ₀ = 4 p *10^-7 Гн/м – проницаемость вакуума а m - относительная магнитная проницаемость.

Если Землю представить как космическое тело, имеющую массу m₂, то согласно закону Кулона она будет притягивать массу m₁, с силой равной напряженности магнитного поля Н:

(31),

при условии, что, m = 1 т.е. среда не магнитная. Потенциал магнитного поля для элементарных магнитных масс, как и гравиметрический потенциал, обладает свойством аддитивности:

(32)

Суммарное магнитное поле Земли складывается из: 1) постоянного геомагнитного поля, которое представляет собой поле диполя большого намагниченного шара (рис. 24), 2) материкового поля, созданного породами глубинных структур, 3) переменного магнитного поля, под действием которого формируются в Земле вихревые токи. Последние вызывают магнитную индукцию:

, (33),

где - магнитная индукция, - напряженность магнитного поля.

Магнитная индукция измеряется в теслах (Тл). В магниторазведке принята дробная величина 1 нТл, которая равна 10^-9 Тл.

Схематически геомагнитное поле Земли можно представить в форме намагниченного шара, который представляет собой диполь, изображенный на рис.24.

 

 

Рис. 24. Схема формирования геомагнитного

Поля Земли

 

 

Магнитная ось Земли наклонена по отношению к оси вращения под углом 11⁰. При этом, северный магнитный полюс находится с противоположной стороны северного географического полюса, но условно его принимают со стороны северного. Существует инверсия полюсов, которая происходит в период более 0,5 млн. лет.

Основной параметр магнитного поля, суммарный магнитный вектор Т и его вертикальная проекция Z (рис.25).

Рис. 25. Элементы геомагнитного поля

 

Другими параметрами являются магнитное склонение - D, магнитное наклонение - I, северная проекция Х, западная (восточная) проекция У. На полюсах Т = Z = 0,66*10⁵ нТл при Н = 0. На экваторе Т = Н = 0,33*10⁵ нТл при Z = 0

Н_т = Н_о + Н_м + Н_а + Н_вн + dН (34),

где Н_т – суммарное магнитное поле, Н_о – поле диполя Земли, Н_м – поле материковое,

Н_а – аномальное поле, Н_вн – внешнее поле, dН – поле магнитных вариаций.

 

Нормальное поле - это совокупное поле Земли (поле диполя и материковое), которое формирует картину силовых линий от северного к южному магнитному полюсу.

Аномальное поле - это локальное поле от намагниченных геологических тел.

Внешнее поле – полеот объектов помех, например: всевозможных металлических сооружений.

Поле вариаций - это вариации:

1) вековые;

2) годовые;

3) суточные (солнечно-суточные и лунно-суточные);

4) магнитные бури.

Происхождение магнитного поля Земли связывается с существованием в ядре слабых вихревых токов, которые вследствие вращения Земли и под действием гидромагнитного эффекта приводят к первоначально слабому эффекту электромагнитной индукции. Процесс "диффундирует" (последовательно передается) к поверхности Земли, где компенсируется поверхностными токами. В результате на земной поверхности постоянно существуют геомагнитное поле, которое в разной степени деформировано в зависимости от намагниченности тех или иных геологических тел.

Магнитные свойства горных пород

Все природные объекты в том числе горные породы делятся на две группы: 1) диамагнетики (магнитная проницаемость m < 1), 2) парамагнетики (магнитная проницаемость m > 1). В группе парамагнетиков выделяются специальная группа ферро-, ферри- и антиферромагнетиков m >> 1. Природа магнетизма обусловлена структурой спин-орбитальных моментов атомов под действием магнитного поля (рис. 26-28).

 

Рис. 26. Структура спин-орбитальных моментов атомов под действием