MISCELLANEOUS / Geophysics / Geophysics Methods Костицын В. И

Введение

Таким образом, разведочная (прикладная) геофизика и скважинная (промысловая) геофизика – это многогранные на-

учно-прикладные дисциплины со сложной структурой. Существуют разные подходы к их классификации:

1)по геофизическим полям (гравиразведка, магниторазведка, электроразведка, сейсморазведка, терморазведка и ядерная геофизика);

2)по технологиям и месту проведения работ (аэрокосмические, полевые, акваториальные, подземные методы и геофизические исследования скважин);

3)по прикладным направлениям и решаемым задачам (глубинная, региональная, разведочная, инженерная и экологическая геофизика);

4)по видам деятельности (теоретическая, инструментальная, экспериментальная, вычислительная и интерпретационная геофизика).

История развития геофизики. В период с середины

XIX в. до 1920-х годов возникла общая геофизика. Отдельные ее отрасли зародились и развивались в пределах других дисциплин: физики, механики, астрономии, геодезии. Возникли гравиметрия, учение о земном магнетизме, сейсмология, электрометрия. Активно геофизические методы исследования недр начали развиваться с 1920-х гг. Однако ее физико-математические основы заложены значительно раньше. Так же давно началось использование физических полей Земли для практических целей.

Ранее других методов возникла магниторазведка. Первые сведения о применении компаса для разведки магнитных руд в Швеции относятся к 1640 г. Теория гравиметрии берет свое начало с 1687 г, когда Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения. В 1753 г. М.В.Ломоносов высказал мысль о связи значений силы тяжести на земной поверхности с внутренним строением Земли и разработал идею газового гравиметра. Его же работы в области сейсмологии, атмосферного электричества можно считать первыми, относящимися к геофизическим исследованиям Земли. Первыми работами по электроразведке можно считать наблюдения Р.Фокса (Англия) в 1830 г. естественной поляризации сульфидных залежей и Е.И.Рогозина (Россия), который в 1903 г. дал первое изложение основ этого метода. В

19

Введение

Б.М. Яновский; в области электроразведки: Л.М. Альпин, И.М. Блох, В.Р. Бурсиан, Л.Л. Ваньян, А.В. Вешев, В.Н. Дахнов,

Г.Н. Боганик, В.С. Воюцкий, Е.И. Гальперин, Г.А. Гамбурцев, Б.Б. Голицын, С.В. Гольдин, И.И. Гурвич, Е.В. Карус, О.К. Кондратьев, П.П. Лазарев, В.И. Мешбей, В.П. Номоконов,

В.И. Баранов, Ю.П. Булашевич, В.И. Вернадский, В.В.Ларионов,

Е.М.Филиппов; в области геофизических исследований скважин (промысловой геофизики): Л.М. Альпин, М.И. Бальзамов,

О.К. Владимиров, В.Н. Дахнов, Г.В. Горшков, А.Н. Граммаков, Д.В. Жабрев, С.С. Итенберг, С.Г. Комаров, А.М. Нечай, Н.А. Савостьянов, В.А. Сельский, А.С. Семенов, М.М. Соколов, В.А. Фок, В.В. Шаскольский, В.А. Шпак.

В настоящее время по уровню развития теории обработки и интерпретации данных геофизических методов и практическому их использованию отечественная геофизика занимает передовые позиции в мире. Ведущими учеными в этих направлениях являются по гравиразведке: Ю.Н. Авсюк, Ю.В. Антонов,

Г.И. Каратаев, А.И. Кобрунов, Ю.П. Конценебин, В.Н. Конешов, В.И. Костицын, М.И. Лапина, В.В. Ломтадзе, П.С. Мартышко, В.С. Миронов, В.Р. Мелихов, В.О. Михайлов, И.Н. Михайлов, В.А. Романюк, С.А. Серкеров, З.М. Слепак, В.И. Старостенко, В.Н. Страхов, В.Г. Филатов, М.С. Чадаев; по магниторазведке: Ю.И. Блох, Л.А. Гершанок, Ю.С. Глебовский, Ф.М. Гольцман, В.М. Гордин, А.М. Городницкий, Л.А. Золотая, Т.Б. Калинина, В.Е. Никитский, Д.К. Нургалиев, М.Г. Попов, Г.А. Трошков, В.В. Филатов; по электроразведке: М.Н. Бердичевский, В.А. Богословский, Д.С. Даев, В.П. Колесников, Б.К. Матвеев,

Гравиразведка

ГЛАВА 1. ГРАВИРАЗВЕДКА

Гравиметрическая, или гравитационная разведка (со-

кращенно гравиразведка) – это геофизический метод исследования земной коры и разведки полезных ископаемых, основанный на изучении распределения аномалий силы тяжести на земной поверхности, акваториях, в воздухе. Существование поля силы тяжести обусловлено в основном ньютоновским притяжением Землей всех тел, обладающих массой. Так как Земля сферически неоднородна, да еще вращается, то поле силы тяжести на земной поверхности непостоянно. Изменения эти малы и требуют высокочувствительных приборов для их изучения. Основными измеряемыми параметрами гравитационного поля являются ускорение силы тяжести и градиенты (изменения ускорения по разным направлениям). Величины параметров поля силы тяжести зависят, с одной стороны, от причин, обусловленных притяжением и вращением Земли (нормальное поле), а с другой стороны – от неравномерности изменения плотности пород, слагающих земную кору (аномальное поле). Эти причины изменения силы тяжести на Земле послужили основой двух на-

правлений гравиметрии: геодезической гравиметрии и грави-

тационной разведки.

От других методов разведочной геофизики гравиразведка отличается сравнительно большой производительностью полевых наблюдений и возможностью изучать горизонтальную (латеральную) неоднородность Земли. Гравиразведка применяется для решения самых различных геологических задач с глубинностью исследований от нескольких метров (например, при разведке окрестностей горных выработок) до 200 км (например при изучении мантии).

1.1. Сила тяжести

Силой тяжести (F) называют равнодействующую двух сил – силы ньютоновского притяжения всей массой Земли (Fн) и центробежной силы, возникающей вследствие суточного вращения Земли (P). Отнесенные к единице массы, эти силы харак-

23

Гравиразведка

Центробежная сила (P) направлена по радиусу, перпендикулярному оси вращения (R), и определяется формулой

где ω – угловая скорость вращения Земли.

Величина P изменяется от нуля на полюсе (R = 0) до максимума на экваторе. Отношение P/F ≤ 1/288, поэтому сила тяжести почти целиком определяется силой притяжения, а ускорение

силы тяжести практически равно ускорению притяжения g ≈ f ≈ GM/r2.

Земля в первом приближении является эллипсоидом вращения, причем экваториальный радиус = 6378 км, а полярный c = 6357 км, - c = 21км. Разная величина радиуса Земли на полюсе и экваторе наряду с изменением центробежной силы приводит к увеличению g на полюсе (gп = 983 Гал) по сравнению с g на экваторе (gэ’= 978 Гал). По известным g и r были определены масса Земли М = 5,98 1024 кг и ее средняя плотность σЗ = 5,51·103

кг/м3 (5,51 г/см3).

1.2. Потенциал силы тяжести

Потенциал силы тяжести (W) был введен в теорию гра-

виметрии для облегчения решения теоретических задач. В точке А, расположенной на расстоянии rA от центра Земли, выражение для потенциала принимается равным WA = GM/rA, а в любой

Гравиразведка

В гравиметрии кроме первых производных изучаются

вторые производные потенциала или их разности:

указывает на скорость изменения силы тяжести по оси х, т.е.

является горизонтальным градиентом силы тяжести.

Аналогичный смысл имеют вторые производные

2W/ x z и 2W/ z2.

Вторые производные 2W/ x y, 2W/ x2- 2W/ y2 харак-

теризуют форму уровенной поверхности (геоида), изучаемую в геодезической гравиметрии. Практической единицей измерения градиента силы тяжести принимается 1 этвеш (Е) = 10-9/c2, что соответствует изменению силы тяжести в 0,1 мГал на 1 км.

1.4. Нормальное значение силы тяжести

Нормальным значением силы тяжести ( 0) называется сила тяжести, обусловленная суточным вращением и притяжением Земли, в предположении, что она состоит из однородных по плотности концентрических слоев.

Принимая Землю за сфероид, Клеро получил следующую приближенную формулу:

где gэ – сила тяжести на экваторе; – географическая широта пункта наблюдения; – коэффициент, зависящий от угловой скорости вращения и сжатия сфероида.

Однако Земля соответствует по форме в большей степени геоиду, тогда нормальные значения силы тяжести для его поверхности рассчитываются по формуле

27

В.К. Хмелевской, В.И. Костицын

где – географическая долгота пункта наблюдения. Коэффициенты , 1 и 2 зависят от формы Земли, ее уг-

ловой скорости вращения, распределения масс. Наиболее широ-

ко используется нормальная формула Гельмерта

где – широта гравиметрического пункта. Имеются и другие формулы, полученные исследователями в разных странах и в разные годы.

При наличии координат пунктов нормальные значения могут быть найдены по таблицам Бурдюкова. В условиях, когда неизвестны точные географические координаты, а известна лишь некоторая средняя широта участка работ, нормальное значение для I -й точки может быть определено по формуле

стояние по широте от опорной точки до текущей в метрах. Таким образом, геоид является поверхностью относимо-

сти, по отношению к которой рассчитываются аномалии.

1.5. Редукции силы тяжести

В наблюденные значения силы тяжести вводятся поправки (редукции). Введение поправок необходимо потому, что нормальные значения относятся к поверхности геоида, которая совпадает с уровнем океана, а измеренные значения относятся к действительной (реальной) земной поверхности. Для того чтобы все наблюдения силы тяжести были сопоставимы, их приводят к одной поверхности – уровню геоида, т.е. как бы опускают точку

28