1.2. Задачи инженерной геофизики: Поиск близповерхностных разуплотнений в городских условиях.
Микрогравиметрический метод в инженерной геофизики заключается в измерении очень малых вариаций гравитационного поля Земли и интерпретации их как проявлений малых подземных разуплотнений или пустот. Гравитационные аномалии, создаваемые такими объектами, не обнаружимы при помощи обычных гравиметрических съемок, поскольку они практически незаметны на фоне больших аномалий, вызванных изменением высот, плановых координат, притяжением разнообразных крупных геологических объектов и рельефа, а также в изменениях притяжения Земли из-за лунно-солнечных приливов. Однако за последние 2-3 десятилетия технология микрогравиметрии достигла существенного прогресса как ввиду появления новейшей высокоточной техники, так и благодаря разработке соответствующих методик измерений, обработки и анализа данных. В результате эти слабые аномалии могут быть измерены и в большинстве случаев успешно интерпретированы. Могут быть обнаружены не только плановые координаты предполагаемых разуплотнений, но и их приблизительные размеры и глубины залегания. Этот метод успешно применяется в Европе, США и Китае в инженерной геофизике в городских условиях, особенно благодаря его «неразрушающему» характеру, т.е. отсутствию каких-либо активных воздействий на грунт.
Такие полости и разуплотнения создают серьезные проблемы при строительстве и эксплуатации зданий и различных объектов городского хозяйства. Обычной практикой при выявлении опасных близповерхностных разуплотнений является бурение серии скважин на площади, предназначенной под строительство. Использование непрямых и неразрушающих геофизических методов, например, микрогравиметрии и георадара обходится намного дешевле, бурение используется лишь для подтверждения обнаруженных потенциально опасных объектов.
Таким образом, микрогравиметрия является перспективным методом инженерной геофизики, весьма эффективным для поиска близповерхностных разуплотнений, таких как - ослабленные зоны, полости, микроразломы. Во всем мире она широко используется в комплексе с традиционными методами инженерной геофизики, такими как сейсморазведка, электроразведка и георадар, имея ряд достоинств по сравнению с ними (относительно низкая стоимость, отсутствие активных воздействий на грунт и нечувствительность к электромагнитным и микросейсмическим помехам). У этого метода есть и определенные недостатки - необходимость дополнительных геодезических измерений (нивелирование, GPS), и специальных методов интерпретации.
Лабораторные инструментальные исследования.
Цель лабораторных исследований.
а. Подготовить гравиметр к полевым измерениям, познакомится с устройством гравиметров, изучить их основные характеристики.
б. Получить общие сведения о методике выполнения и проведения гравиметрических наблюдений в лабораторных условиях.
в. Обработка полученных материалов.
Общие сведения о типах и устройстве статических гравиметров для измерения силы тяжести.
По характеру действия упругих сил статические гравиметры разделяются на системы с поступательным движением пробной массы грузика, подвешенного на упругой пружине (так называемые гравиметры 1-го рода), и на системы с вращательным движением массы грузика, прикрепленного к рычагу маятника и совершающего вращательное движение вокруг оси, совпадающей с крутильной нитью или осью спиральной пружины (так называемые гравиметры 2-го рода).
Рис.4. Пружинная (А) и крутильная (Б) системы гравиметров.
В гравиметрах 1-го рода равновесие грузика определяется условием равенства нулю всех действующих сил, и мерой изменения ускорения силы тяжести служит изменение длины пружины, один конец которой закреплен, а к другому подвешен груз массой m (рис. 4, А). Равновесие в этом случае достигается при условии, что сила тяжести груза mg уравновешивается силой натяжения пружины kl: mg = kl, где l – длина пружины, k – коэффициент упругости пружины, g – значение силы тяжести. Проведя измерения на точке со значение силы тяжести g0, получим mg0 = kl0. На другом пункте измерений, где значение силы тяжести равно gi, будем иметь mgi = kli. Тогда приращение силы тяжести между этими точками можно рассчитать по формуле: Δg = gi – g0 = k(li-l0)/m = CΔl, где С – коэффициент пропорциональности, переводящий значения удлинения пружины в значения силы тяжести.
В гравиметрах 2-го рода, при вращательном движении системы вокруг горизонтальной оси, равновесие определяется равенством нулю суммы всех моментов сил, действующих на измерительную систему. Для случая, представленного на рис. 4, Б, уравнение равновесия будет иметь вид: τφ = mgl, где τ – крутильная жесткость нити, к которой прикреплен маятник с грузом массой m, τφ - угол закручивания нити, l - длина маятника. Предположим, что в точке наблюдения со значением силы тяжести равным g0, маятник находится в горизонтальном положении. В этом случае уравнение равновесия будет иметь вид: τφ0 = mg0l . В пункте, где значение силы тяжести равно gi = g0 + Δg, уравнение равновесия приобретет вид: τ(φ0 + Δφ) = m(g0 + Δg)lcos(Δφ). Поскольку угол Δφ очень мал, то cos(Δφ) ≈ 1, и для уравнения равновесия можно записать τ(φ0 + Δφ) ≈ m(g0 + Δg)l. Отсюда значение приращения силы тяжести между пунктами наблюдений Δg = τ Δφ/ml = C Δφ, то есть прямо пропорционально углу наклона маятника системы.
В отличие от гравиметров 1-го рода, гравиметры 2-го рода обладают большей чувствительностью. В гравиметрах 2-го рода можно еще больше повысить чувствительность, используя принцип астазирования (астазирование – искусственное повышение чувствительности), который был предложен Б.Б. Голициным для повышения чувствительности вертикального сейсмографа. В астазированных гравиметрах чувствительная система находится в положении, близком к положению неустойчивого равновесия, и небольшие изменения силы тяжести создают непропорционально большие углы поворота системы. Это приводит к тому, что между значениями Δg и Δφ не будет прямой пропорциональной зависимости. И для определения значения приращения силы тяжести необходимо использовать другой принцип измерения, в частности компенсационный, когда маятник с помощью специальной измерительной пружины приводится в точках наблюдения в горизонтальное положение, а величину Δg определяют по изменению натяжения этой пружины. (более подробно об астазированных и неастазированнных гравиметрах можно прочитать в дополнительной литературе, которая указана в конце описания).