MISCELLANEOUS / Geophysics / Geophysics Methods Костицын В. И
..pdf
Гравиразведка
Рис. 1.9. Графики изменения отсчета при изменении угла наклона гравиметра (вертикальный масштаб дан в делениях отсчетного устройства, горизонтальный - в делениях уровня)
Необходимо помнить, что в процессе юстировки при наклоне гравиметра в вертикальной плоскости одного уровня второй уровень должен оставаться в горизонтальном положении. Если пузырек уровня отклонится, то его нужно подправить с помощью соответствующего подъемного винта.
В случае, когда при отклонении пузырька уровня на одно деление вправо и влево блик маятника также переместился вправо и влево, имеет место нарушение юстировки.
При юстировке прибор наклоняют поочередно на несколько делений уровня в сторону увеличения силы тяжести, при этом на каждом делении снимают отсчет по счетчику оборотов до тех пор, пока по показаниям прибора не будет обнаружен экстремум. В положении экстремального отсчета исследуемый уровень с помощью юстировочных винтов приводится в горизонтальное положение. Затем необходимо убедиться, что исправление сделано верно. Для этого наклоняют гравиметр влево и вправо от исправленного положения, причем блик маятника не должен смещаться от нулевого индекса или может отклоняться незначительно. В противном случае уровень следует дополнительно подрегулировать юстировочными винтами, повторив операцию настройки.
Поперечный уровень регулируется так же, как и продольный (рис. 1.9). Разница состоит лишь в том, что при наклоне в
59
В.К. Хмелевской, В.И. Костицын
вертикальной плоскости поперечного уровня продольный держится в горизонтальном положении, а изменение отсчета практически не должно ощутиться. После регулировки поперечного уровня необходимо снова проверить правильность установки обоих уровней.
Нарушение юстировки уровней часто наблюдается при резком изменении температуры, поэтому рекомендуется их настраивать при температуре, близкой к той, которая будет при полевых наблюдениях, т.е. начинать регулировку следует не раньше, чем через час после выноса прибора из помещения.
1.15.6. Определение цены деления отсчетного устройства
Цена деления С отсчетного устройства гравиметра по-
казывает, сколько оборотов микрометренного винта нужно сделать для компенсации изменения силы тяжести в 1 миллигал. Определение цены деления (оборота) барабана микрометра проводится перед началом полевых работ, в середине сезона и по окончании работ. Исследование может выполняться тремя способами:
1)по пунктам с известными значениями силы тяжести;
2)методом наклона;
3)по пунктам с различными высотами.
1. При исследовании по пунктам с известными значе-
ниями силы тяжести необходимо иметь полигон, который, согласно инструкции, должен удовлетворять следующим требованиям: а) требуемое приращение силы тяжести между пунктами – не менее 30 мГал; б) эталонные пункты выбираются в местах, где влияние промышленных и транспортных помех несущественно и известен гидрогеологический режим подземных вод; в) для наблюдения подготавливается площадка или цементный столб, абсолютные отметки которых определяются с точностью
5 см.
Между пунктами с известными значениями силы тяжести определяют твердое приращение g в миллигалах. Выполняя наблюдения между этими же пунктами с эталонируемым гравиметром, получают приращение N в делениях отсчетного уст-
60
Гравиразведка
ройства. Отсюда цена деления гравиметра будет определяться по формуле
C |
g |
. |
(1.47) |
|
|||
|
N |
|
|
Полевые организации для исследований гравиметров пользуются в основном этим способом, хотя он и обладает двумя существенными недостатками: 1) не позволяет подробно исследовать всю шкалу гравиметра; 2) является трудоемким и дорогостоящим, особенно при перевозке гравиметра авиатранспортом.
2. Метод наклона лишен указанных недостатков первого способа, но сложность его заключается в точном измерении угла наклона гравиметра и в необходимости знать абсолютное зна-
чение силы тяжести g в пункте измерения.
При известных значениях и g приращение силы тяжести g можно получить по формуле
g |
g |
2 |
. |
(1.48) |
|
|
|||
|
2 |
|||
|
|
|
|
Ранее в производственных организациях для определения цены деления гравиметров применялись плиты-экзаменаторы. Они изготавливались из чугуна, имели базовую длину порядка полутора метров. На таких плитах устанавливался подъемный винт, шаг резьбы которого подбирался так, что один оборот винта приводил к изменению силы тяжести, измеряемой гравиметром, на заранее рассчитанную величину g, например на
1миллигал.
Внастоящее время для определения цены деления приборов с горизонтальной крутильной нитью выпускаются специальные установки эталонирования гравиметров (УЭГП), кото-
рые обеспечивают определение приращений g с точностью 0,01 мГал. Модификации установок УЭГП-2 и УЭГП-3 оснащены термостатом, что позволяет эталонировать гравиметры при
61
В.К. Хмелевской, В.И. Костицын
различных температурах и с большей точностью. Для контроля за ценой деления можно собрать установку, состоящую из теодолита или нивелира, шкалы, плиты, осветителя и зеркала, жестко крепящегося к гравиметру.
3. При исследовании по пунктам с различными высота-
ми цена деления гравиметра вычисляется также по формуле (1.47). Приращение силы тяжести (в мГал) между двумя пунктами, расположенными один под другим, определяется через поправку за высоту по формуле
g = 0,3086 H, (1.49)
где H – разность высот пунктов в метрах.
При плановом смещении пунктов относительно друг дру-
га величину g можно определить через поправку Буге |
|
g = 0,3086 H – 0,0419 H, |
(1.50) |
где – значение плотности пород, находящихся между пунктами наблюдения, которое выражается в г/см3.
Приращение силы тяжести N (в отсчетах) целесообразно находить с использованием методики измерения отдельных приращений (МИОП) на основании формулы
N |
n3 n0 3(n1 n2 ) |
, |
(1.51) |
|
4 |
||||
|
|
|
где n0 и n2 – отсчеты по гравиметру на пункте с меньшей высотой, n1 и n3 – отсчеты на пункте с большей высотой.
Тогда цена деления гравиметра будет
C |
0,3086 H |
. |
(1.52) |
|
|||
|
N |
|
|
Данный способ может применяться только для контроля за ценой деления или на учебной практике студентов, но не мо-
62
Гравиразведка
жет быть основным при выполнении производственных гравиметрических работ.
1.15.7. Определение чувствительности гравиметра
Для определения чувствительности гравиметр устанав-
ливается на прочное основание и нивелируется по уровням. Блик маятника с помощью микрометренного винта совмещают с пятым делением слева от центральной (нулевой) риски окулярной шкалы и записывают отсчет по микрометренному устройству n1, затем блик совмещают с пятым делением справа от нулевой риски и снимают отсчет n2. Тогда чувствительность q будет определяться по формуле
q |
10 |
|
, |
(1.53) |
|
|
|||
|
|
|||
|
C n2 |
n1 |
|
|
где С – цена деления 1 оборота микровинта. Чувствительность получим в делениях окулярной шкалы, отнесенных к 1 миллигалу. Полученное значение чувствительности должно быть, согласно ГОСТу, не менее 7 дел/мГал для гравиметров класса А, порядка 5 дел/мГал – для гравиметров класса В и 2,5 дел/мГал – для гравиметров класса С.
1.15.8. Определение длительности переходного процесса
В лабораторных условиях измерения проводят на вибрационном стенде. Гравиметр закрепляют на подвижной платформе вибрационного стенда в рабочем положении и совмещают индекс маятника с нулевым штрихом окулярной шкалы. Затем гравиметр подвергают вибрации с частотой 202 Гц и амплитудой 0,2 0,5 мм в течение 10 мин. После выключения вибраций по гравиметру снимают отсчеты в течение 20 мин.: в первые 5 мин. через каждую минуту, далее – не реже чем через каждые 2 мин.
Изменение наблюденного gi вычисляют по формуле
63
В.К. Хмелевской, В.И. Костицын
gi C ni n0 , |
(1.54) |
где С – цена деления гравиметра, ni – значение текущего отсчета в оборотах микрометренного винта, n0 – значение начального отсчета.
Далее строят зависимость gi от времени снятия отсчета (рис. 1.10). На графике проводят две линии параллельно оси абсцисс: линию 1 через точку графика, соответствующую измерению для времени t = 20 мин, и линию 2 – ниже линии 1 на значение, равное чистой ошибке (погрешности) гравиметра m
или m2 . Точка пересечения линии 2 с кривой gi = f (t) сответствует по оси абсцисс минимальной длительности переходного процесса – tm in . Полученное значение tm in не должно превышать 3 минут (согласно табл. 1.3).
Рис. 1.10. График стабилизации отсчета (в миллигалах)
Длительность переходного процесса или времени стабилизации отсчета определяют следующим образом. Гравиметр вводят в режим пешеходной съемки в течение 2 5 мин, что должно соответствовать времени перемещения гравиметра между пунктами в полевом рейсе. Затем прибор ставят на прочное основание, нивелируют по уровням, выводят маятник на середину окулярной шкалы и снимают отсчеты через 0,5 1 мин в течение 4 6 мин. Строят график ni = f (t) (рис. 1.11), отражающий время и характер стабилизации отсчета, которые необходимо учитывать оператору в полевых условиях (например, сни-
64
Гравиразведка
мать отсчеты в одно и то же время после постановки прибора на гравиметрическом пункте).
Рис. 1.11. График стабилизации отсчета (в оборотах микрометренного винта)
1.15.9. Определение коэффициента надежности гравиметра
Для выбора оптимальной методики полевых наблюде-
ний необходимо знать коэффициент надежности гравиметра
K, т.е. отношение количества наблюдений с ошибкой M, не превышающей заданную, к общему числу измерений N:
K M / N . |
(1.55) |
Для этого необходимо провести наблюдения по методике измерения отдельных приращений на рабочих профилях или между двумя пунктами (порядка 100–200 приращений) и найти разности:
0,5(n3 n2 n1 n0 ), |
(1.56) |
где n0 и n2 – отсчеты на одном пункте, n1 и n3 – отсчеты на другом.
При большом количестве можно построить гистограмму распределения ошибок, по ней найти вероятность ошибки заданной величины и затем – коэффициент надежности. Как известно, распределение ошибок должно подчиняться нормальному закону.
65
В.К. Хмелевской, В.И. Костицын
Чистая ошибка наблюдений m2 в миллигалах определяется по формуле
m2 |
C 2 |
2 |
, |
(1.57) |
|
|
|||
|
|
|||
|
|
r |
|
|
где r – количество разностей , С – цена деления гравиметра.
1.16. Новые типы гравиметров
Компании LaCoste & Romberg (более 60 лет на рынке производства гравиметров), Scintrex (более 40 лет), Micro-g Solutions (более 15 лет) объединились в единую LaCoste & Rom- berg-Scintrex и производят в настоящее время самое современное гравиметрическое оборудование (рис. 1.12–1.16).
Гравиметр CG-5 Scintrex – основной наземный прибор для измерения относительных значений силы тяжести, точность его составляет 1-5 мкГал, прост в работе, имеет небольшое линейное смещение нуль-пункта гравиметра, двойное термостатирование (рис. 1.12). В настоящее время является основным гравиметром, применяемым для наземной съемки в мире, в том числе в России.
Рис. 1.12. Гравиметр CG-5 |
Рис. |
1.13. Гравиметр Micro-G |
Scintrex |
FG5 |
|
66 |
|
|
Гравиразведка
Гравиметр Micro-G FG5 измеряет абсолютные значения силы тяжести, точность 1 мкГал, основан на принципе свободного падения тел, используется в стационарных условиях (рис.
1.13).
Гравиметрический комплекс морской набортный ГМН-КМ – предназначен для измерений гравитационного поля в океанах, на шельфах и в прибрежно-лиманных зонах (рис. 1.14). Высокие параметры точности, помехозащищенности, автоматизация процесса измерений, его визуализация, мобильность установки аппаратуры на борту транспортного средства, повышенная производительность и получение результатов в реальном времени выгодно отличают данный комплекс от предшествующих разработок аналогичного назначения.
Аэроморской гравиметр нового поколения Чекан-АР –
применяется для детальной морской гравиметрической съемки при поиске нефтегазоносных структур на шельфе и для региональной аэросъемки (рис 1.15). Обработка показаний гравиметра и прием данных от приемоиндикаторов спутниковых навигационных систем НАВСТАР и ГЛОНАСС осуществляются в реальном времени. Программное обеспечение позволяет проводить на борту судна полную обработку результатов съемки с оценкой точности и построение гравиметрических карт сечением 1 мГал.
Рис. 1.14. Гравиметрический ком- Рис. 1.15. Аэроморской гра-
плекс морской набортный ГМН-КМ виметр нового поколения Чекан-АР
67
В.К. Хмелевской, В.И. Костицын
Скважинный гравиметр L&R позволяет определять объемную плотность горных пород в радиусе 50 футов (15,2 м) от скважины с точностью 0,01 г/см3 (рис. 1.16).
Рис. 1.16. Скважинный гравиметр L&R
Скважинный гравиметр Scintrex – прибор очень не-
больших размеров (размером с шарик для гольфа, рис. 1.17), чувствительность 5 мкГал, немагнитный, не требует ориентации в скважине, максимальный диаметр зонда – 48 мм, максимальная длина зонда – 3, 0 м, может работать до глубины 2000 м при минимальном диаметре ствола скважины – 57,2 м, с отклонением ствола скважины от вертикали до 60°. Диапазон рабочих температур может составлять от 0 до +70° (для внутрискважинной секции) и от -40 до +50° (для секции на земной поверхности). Вертикальная координата датчика в скважине определяется с точностью 5 см.
Рис. 1.17. Скважинный гравиметр Scintrex
1.17. Вариометры и градиентометры
68