книги из ГПНТБ / Богданов, В. И. Вычисление гравитационных аномалий от трехмерных тел (графические способы)

става (из среднего графика) разность амплитуд аномалий силы тяжести составляет примерно 22 мгл, чему на графике W, (о) при совместном рассмотрении уравнений осреднягогцих линий соот­ ветствует разница в плотности 0.15 г/см3. Это значение неплохо совпадает с известным перепадом плотности между кислыми и ос­ новными породами, равным 0.18 г/см3 (2.85—2.67=0.18) и свиде­ тельствует о том, что илотиостиая неоднородность уже заложена в зависимости W. (L). Наличие огромного числа открытых трещин различных размеров, возрастание L и соответствующее пониже-

Рпс. 26. Графики корреляции амплитуды гравитационного поля Wz, плотности образцов горных пород о и степени раздроблен­ ности поверхности земной коры L по результатам дешифрирова­ ния аэрофотоснимков.

Для зависимости W z (=): 1 — точки и осредняющая линия для всего Коль­ ского полуострова, по И. Г. Клушнну и Л. Е. Шустовой [89]; 2 — то же, для исследованной территории.

Для зависимости W z (L): 1 — кислые и щелочные породы; г — кислые н щелочные породы Хибинского, Ловозерского массивов и породы, развитые в районе продолжения Кандалакшского грабена; л — основные и ультраосновныс породы.

ние гравитационного поля в наиболее подвижных районах (про­ должение Кандалакшского грабена, Хибинские и Ловозерские тундры), а также данные о плотности образцов различных ком­ плексов горных пород — все это позволяет считать, что параметр L отражает макропористость пород, т. е. суммарные норовые про­ странства различного генезиса как небольших, так и сравнительно' крупных объемов пород.

Анализ этих материалов приводит к выводу о дополнительном разуплотнении пород и на больших территориях [85, 86].

На рис. 27 построены графики изменения плотности и пори­ стости пород в зависимости от размеров исследуемой площади по оценкам вклада, вносимого поровыми пространствами различного порядка и генезиса. На рисунке приведены средние оценки для всего региона.

СО

Степень разуплотнения отдельных участков коры может из­ меняться в значительных пределах, в зависимости от геолого­ тектонической истории их развития. С глубиной степень раздроб­ ленности должна уменьшаться, вплоть до полного закрытия щелевидных пор. Однако среди исследователей нет единого мнения о глубине закрытия поровых пространств. Геологи склонны ог­ раничивать ее сотнями метров, а тектонисты, геохроиологи и гидро­ логи допускают, что норовые пространства прослеживаются на десятки километров [91—94 и др. ]. О значительной глубине рас­ пространения их косвенным образом свидетельствуют геофизи­ ческие данные [85, 86]. Таким образом, следует считать, что плот­

ит, П,%

Рис. 27. Графики изменения поверхностной пористости и плотности горных пород в зависимости от размеров исследуемой площади.

1 — пористость; 2 — плотность пород.

ность кристаллических пород как вблизи дневной поверхности, так и на глубине определяется не только минералогическим со­ ставом и петрологическими особенностями, но и суммарными поровыми пространствами различного порядка и генезиса.

В качестве примера изучения влияния трещиноватости кристал­ лических пород на общую пористость рассмотрим район ИмандраВарзугской структурной зоны и Хибинского массива щелочных пород, пересекаемый Вековым гравиметрическим профилем [95— 97]. Для изучения плотности пород вдоль профиля проводился отбор образцов из обнажений, привязанных или к гравиметри­ ческим пунктам (ВГП), или к реперам нивелирования I класса. Среднее расстояние между реперами составляет 500 м, количество проб, отобранных в одном обнажении — порядка 100 образцов. Плотность определена гидростатическим взвешиванием на весах Т-1000 и ВНЦ-10. В последнем случае широко практиковался способ валового изучения плотности, когда измерялся «вес в воз­ духе» и «вес в воде» одновременно для нескольких образцов. По­ грешность определения плотности не превышала 0.02 г/см3. То­ чечные диаграммы распределения плотности образцов кристал­ лических пород приведены на рис. 28. Оценка трещиноватости

61

пород получена при полевых наблюдениях и при обработке фотокрок обнажений вдоль профиля. Общая обследованная площадь обнажений составила 482.9 м2. Подсчет коэффициентов поверхност­ ного Ks и объемного разуплотнения К ю(коэффициенты трещинной пустотности, по А. В. Королеву [90] и Л. И. Нейштадту [98]) проводился двумя способами.

1. При сравнительно редкой сети трещин определялись общая площадь обнажения 80йщ и площадь, занимаемая норовыми про­ странствами в плоскости обнажения s. При этом s определялась,

где L — суммарная длина трещин в обнажении, а т — среднее значение их видимой мощности. Считая, что ориентация поверх­ ностей обнажений и трещин в пространстве случайная, а удельная трещиноватость пород величина постоянная, будем иметь:

2. При очень плотной сети трещиноватости, характерной для горных районов и для карьера Хибинского массива, способ рас­ чета коэффициентов Кг следующий. Визуально оценивается ве­ личина стороны квадрата а, характеризующего средние размеры блока, на которые системами трещин рассекается площадь обна­ жения. Также визуально или непосредственными измерениями определяется средняя мощность щелевидных трещин т. Считая распределение трещин в пространстве однородным, определим об­ щий объем и объем, занимаемый норовыми пространствами:

Здесь формула для вычисления У„ор дана для случая, когда все границы iSo6w представлены плоскостями трещин. Если одна или несколько сторон обнажения не ограничены такими плоско­ стями, то объем FII0P должен быть уменьшен приблизительно на величину ?гпг8'0бщ, где п — число таких границ. Окончательно имеем

Результаты подсчета коэффициентов Кв приведены в табл. 9. Из таблицы следует, что значительные коэффициенты трещинной пустотности характерны не только для карьера, глубина которого в настоящее время превышает 100 м. Сильно раздроблены и при­ поверхностные части обнажений основных и щелочных пород.

63

Обращает внимание также постепенное возрастание трещинова­ тости Хибинского горного массива от подножья его (район ВГП-3) к вершине (ВГП-8 — карьер). По этим данным плотность основных пород Имандра-Варзугской структурной зоны уменьшена в сред­

2.44 г/см3. Таким образом, установлены существенно более низ­ кие значения плотности больших объемов горных пород по срав­ нению со значениями плотности небольших образцов.

Для согласования полученных расхождений необходимо допу­ стить существование градиентного изменения плотности кристал­ лических пород с глубиной, определяемого для каждого района

•законом закрытия трещинных пор при возрастании нормального геостатического давления-. Установление такого закона является очень сложной задачей й должно основываться на данных гео­ логии, сейсмометрии и других геофизических методов. Один из

64

Отбор проб проводился в специальные цилиндрические сталь­ ные стаканы по методике, изложенной в работе [38]. Объем ста­ канов определен двумя способами: измерением объема воды, за­ полняющей стакан, и по геометрическим размерам. Применялись стаканы двух, видов, со средними объемами 163 и 255 см3, что обес­ печивало изучение плотностных свойств мелкой и частично сред­ ней ее фракций. В дне стаканов просверливались отверстия для

Рис. 29. Точечные диаграммы распределения плотности мелкой (н частично средней) фракция морены прп различной степени увлажненности проб, коэффициента содержания валупно-галечного материала fs п разрезах карье­ ров п коэффициента открытой пористости мелкой фракции морены Л'„п.

п — чпсло проб; т — количество измерений валовым способом; М — масса проб; S — изученная площадь обнажения.

выхода воздуха при забивании их в породу. Максимальное ув­ лажнение проб проводилось в посуде с широким дном в течение 10—20 мин. Высушивались пробы на медленном огне в течение 30—60 мии. Практиковался также способ валового высушивания нескольких проб с последующим определением их суммарной массы. Расчеты К 0„и Кв выполнены для каждой пробы или группы проб отдельно.

Результаты вычислений в виде точечных диаграмм представ­ лены на рис. 29. Как видно из рисунка, средняя плотность данной фракции морены колеблется от 1.71 до 2.02 г/см3 в зависимости от степени увлажненности породы, а среднее значение коэффи­ циента открытой пористости составляет 31.6%. Диаграмма распре­ деления коэффициентов влагонасыщенности проб не приведена, поскольку их значения колеблются от 0 до 100% в зависимости от гидрометеорологической обстановки.

66

2. Ориентировочный состав моренных отложений — это мел­ кая фракция (50%), средняя фракция (30%) и валунный материал (20%). Содержание валунно-галечного материала определено по разрезам в вертикальных стенках карьеров, расположенных вблизи ВГП-1. С этими целями обработано 64 участка обнажений. Методика подсчета содержания каменного материала в морене за­ ключается в Следующем. По фотографиям участков обнажений под­ считываются площадь, занимаемая вкраплениями валунно-га­ лечного материала sk, и общая площадь обнажения &оГ)Щ. По этим данным определяется коэффициент поверхностного содержания каменного материала:

Полагая, что ориентировка стенок карьеров в пространстве неупорядочена, а содержание каменного материала в отложениях конечной морены равномерное, получим объемный коэффициент

Точечные диаграммы распределения /„ приведены на рис. 29, а результаты расчетов — в табл. 10. Данный способ не позволяет учесть полное содержание в морене средней фракции каменного материала. Плотностные свойства этой фракции были установлены приблизительно на основании полевого обследования стенок карьеров. Содержание средней фракции в морене 30% , содержание галечного материала равно содержанию каменного материала крупной фракции во всем объеме морены, коэффициент открытой пористости 30%.

3.Для определения плотности валуппо-галечного материала были отобраны образцы галек и валунов в количестве 1076 шт. Измерения выполнены валовым способом с точностью, обеспечи­ вающей получение значений плотности с ошибкой 0.02 г/см3. Среднее значение плотности 2.75 г/см3.

4.Таким образом, средневзвешенное значение плотности об­ разований конечной морены

и равно 2.06 г/см3 для сухой породы и 2.30 г/см3 для породы, мел­ кая и средняя фракция которых максимально увлажнены. При рас­ четах приняты следующие значения: для мелкой фракции морены

/„=47.5%, асух= 1 .71 г/см3, аМП1.0.^.1=2.02 г/см3; для средней фрак­ ции морены /„=30%, а0).х= 2.11 г/см3,аМЕС упл = 2.41 г/см3 и для круп­

ной фракции /„=22.5%, о=2.75 г/см3, К т= 0%.

Учитывая возможные колебания содержания отдельных ком­ понент и степень их увлажненности, получим пределы изменения плотности морены в данном районе, равные 2.00—2.50 г/см3 при изменении К ои от 10 до 50%.

Таблица 10

Результаты подсчета содержания валунно-галечного материала

вотложениях конечной морены. Район ВГП-1, карьеры в морене,

кзападу от ВГП-1 в 0.5 км — фото № 1—19, и в 0.1 км —фото № 20—64

взвешенное }в = 36.5%, f„ = (/s) /г = 22.5%. Суммарная площадь моренных образований стенок карьеров S0rm = 198.4 м’-.

Как следует из проведенных исследований, определение сред­ ней плотности такой гетерогенной среды, как морена, является довольно сложной задачей. На значение плотности в равной мере влияют содержание различных компонент морены, их плотностные параметры и гидрометеорологические условия времени измерений. Поэтому в дополнение к изложенному следует рекомендовать, вопервых, проведение более детальных и представительных опреде­ лений объемного содержания в морене каждой фракции, и, во-

68

вторых, учитывать увлажненность породы. Необходимо для этих целей планировать комплекс различных методов, включающий гравиметрические, петрофизические, электрометрические, гидро­ метеорологические и другие виды исследований.

Некоторые вопросы разделения аномалий

К. Ф. Тяпкин и Г. Я. Голиздра [100, с. 3] формулируют ос­ новной подход к проблеме разделения аномалий следующим об­ разом. В «. . . принципе нет никакой разницы между обратной за­ дачей (гравиметрии, — В. Б.) и проблемой разделения полей. . ., нельзя рассматривать проблему разделения полей как самостоя­ тельную, не связанную непосредственно с интерпретацией потен­ циального поля. В противном случае могут возникнуть поиски такого метода, который обеспечивал бы возможность строгого раз­ деления полей даже в условиях, когда решение обратной задачи заведомо невозможно. Операции по ослаблению регионального поля следует рассматривать как субъективные, независимые от того, выполняются ли эти операции графически или использу­ ется громоздкий математический аппарат, создающий видимость строгости и объективности».

Очевидно также, что остаточным аномалиям, выделенным пу­ тем сглаживания, осреднения или других трансформаций исход­ ного поля, будет соответствовать иное распределение масс, за­ висящее от способа разделения [100, 101 и др.]. При этом изменя­ ется геологический и физический смысл трансформированных полей [102]. И если при интерпретации локальных аномалий из­ менения в распределении масс крайне нежелательны, то при ин­ терпретации региональной составляющей гравитационного поля, используемой для изучения распределения средних значений плот­ ности земной коры на больших площадях, эта проблема не так существенна. В зависимости от задач, которые ставятся перед гравиметрией, разделение аномалий в условиях Кольского полу­ острова проводится с целями выделения региональной составляю­ щей и локализации аномалий от отдельных объектов или групп объектов. Широко используются способы пересчета исходного поля на вышележащий уровень, осреднения круговой или квадратной

только на некоторых из них.

Наиболее достоверные результаты дают способы, основанные на привлечении сведений по геологическому строению района и плотности горных пород. В районах, достаточно изученных гео­ логическими и геофизическими методами, где известна морфология структур, можно путем исключения гравитационных эффектов по­ верхностных масс получить надежное значение регионального фона. Эти определения являются обычно опорными [103] при

69