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 напряженность (Е) и потенциал (U).

Напряженность характеризуется его концентрацией в той или иной точке исследования. В нормальном поле его концентрация равномерная, а в аномальном происходит деформация поля, то есть его усиление или ослабление. Соответствующим образом изменяется потенциал.

Переход от параметров поля к показателям среды т.е. значением физических свойств осуществляется путем так называемых материальных уравнений. К 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. 1.5.

Горные породы

Кристаллические породы

Осадочные породы

Р

Терригенные

Хемогенные

Метаморфические

Магматические

ис. 1. 5. 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.1. 6).

Магматические породы:

Увеличение (уменьшение) геофизического параметра

К ислые Средние Основные Ультраосновные

( гранит) (диорит) (габбро) (перидотит)

Щелочноземельный ряд

Метаморфические породы:

Увеличение (уменьшение) геофизического параметра

I Зеленосланцевая; II Гранулитовая; III Амфиболитовая; IV Эклозитовая

стадия стадия стадия стадия

Стадии метаморфизма

Рис.1. 6. 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 контактов, нежели в хемогенных породах, где преобладают известковистые разности. За счет изначальной слитности компонентного состава у этих пород изменение физических свойств происходит в значительно меньшей степени, чем у терригенных.

Один из основных геологических факторов, влияющих 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

породы породы породы породы породы

у глистой глинистой силикатной карбонатной рудной

г руппы группы группы группы группы

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

Рис. 1. 7 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.

Гравиразведка

Лекция 2. 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 строения земной коры, для решения геологических задач при поисках, оценки, разведки и эксплуатации полезного ископаемого в частности нефтегазовых месторождений.

Гравитационное поле - это поле силы тяжести, т.е. взаимодействия масс (соответственно) в материальной среде.

В основе лежит закон Ньютона

(1.1)

где F - сила притяжения, f - постоянная гравитационного поля и равняется 6,68*10⁸*2 ^-1 см ³ сек^-2, m₁ и m₂ - взаимодействующие массы, r - расстояние между m₁ и m₂.

Рис. 1. 7. Схема взаимодействия масс

Если m₁ считать точечной массой, а m₂ увеличить до массы Земли (Рис.8), то формула Ньютона примет вид:

(1.2)

Рис.1. 8 Схема взаимодействия массы Земли с точечной массой.

где q^/ - ускорение свободного падения Земли, значение которого составляет 9,81 м/с².

В гравиразведке за единицу свободного падения принят 1мГл = 10^-3 см/с². Потенциал гравитационного поля описывается формулой:

(1.3)

Этот потенциал обладает свойством аддитивности (складываемости) и для суммы дискретных масс m_i принимает вид:

(1.4)

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:

(1.5)

Поскольку в прямоугольной системе координат приращение массы является произведением плотности на объем, то есть dm = *dx*dy*dz, то

(1.6)

Из формулы (1.6) 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.1.9).

Рис 1.9. 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= (1.7)

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 (1.8), 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 (1.9), 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 (1.10)

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, наблюдение процесса растягивания или кручения пружин, времени падения грузов. Эти измерения разделяются на относительные и абсолютные, среди которых 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 определить 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:

(1.11), где

Т – период; l - длина

В методе свободного падения грузов используется формула:

, (1.12), 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) Маятниковый;

2) Астазированый (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:

(1.13), где

(T_1/2)_o=√ℓ/g_o, а (T_1/2)_i=√ℓ/g_i (1.14),

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. 1.10.

Конструкция гравиметра помещается в сосуд Дюара, 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 . Этот, угол тарируется (размечается) делениями микрометрического винта. Последний регулирует действие измерительной пружины. При этом роль главной пружины заключается в поддержании равновестности рычажной системы. Диапазонная пружина предназначена для искусственного увеличения угла . Эта операция называется астазированием, что и предопределило название гравиметров. Астазированием достигают высокой точности измерений (до 0,01 мГал). Визуализация микрометрических меток осуществляется с помощью оптической системы.

Р ис. 1.10. 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.1. 11).

Рис.1.11. 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; (1.15)

U^//_yz = ∂²U/∂y∂z = W_yz (116)

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 (δ) это свойство природных объектов, в том числе горных пород определяемое отношением их массы (m) к объему (V).

m/V, (1.17)

Плотность величина переменная. Единица измерения в системе СИ

кг/м³ *10³. Вне системы пользуются единицей г/см³. В каждой точке геологической среды (18),

следовательно, δ=∂m/∂V (1.19)

Для гетерогенной среды:

(1.20)

Твердая фаза

У минералов δ изменяется от  до 20 г/см³. Тенденцию изменения  твердой фазы для основных породообразующих минералов можно отобразить схематически (рис. 12).

Увеличение δ

минералы минералы минералы минералы

у глистой силикатной карбонатной рудной

группы группы группы группы

Рис. 1.12. Тенденция изменения плотности твердой фазы для основных