ГРАВИРАЗВЕДКА
-
Геологические задачи, решаемые гравиразведкой.
Гравиразведка - это геофизический метод исследования земной коры и разведки полезных ископаемых, основанный на изучении распределения аномалий поля силы тяжести Земли вблизи земной поверхности, акваториях, в воздухе. Поле 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 две основные причины изменения силы тяжести на Земле послужили основой двух направлений гравиметрии: геодезической гравиметрии и гравитационной разведки.
От других методов разведочной геофизики гравиразведка отличается сравнительно большой производительностью полевых наблюдений и возможностью изучать горизонтальную (латеральную) неоднородность Земли. Гравитационная разведка используется для изучения глубинного строения земной коры; тектонического и петрографического районирования крупных регионов; геологического картирования закрытых территорий; поисков месторождений нефти и газа; прогнозирования залежей нефти и газа; поисков и разведки твердых полезных ископаемых: угля, руд и нерудного сырья.
Гравиразведка используется также при решении некоторых задач инженерной геологии, геодезических задач - изучения фигуры Земли.
2. Принцип действия и устройство гравиметра (гак).
2.1. Устройство гравиметра
Вся чувствительная система гравиметра изготовлена из кварца и заключена в сосуд Дюара.
Приращение силы тяжести между двумя точками определяют компенсационным способом.
В кварцевом астазированном гравиметре (рис.1) чувствительный элемент системы, диапазонное и измерительное устройство, а также приспособление для температурной компенсации смонтированы на основной монтажной рамке 7.
Рисунок 1 - Схема устройства гравиметра.
Чувствительный элемент системы - астазированный вертикальный сейсмограф Голицина состоит из маятника 1, удерживаемого в равновесии упругой силой главной пружины 3 и силой закручивания нитей подвеса 4. Движение маятника ограничено в пределах нескольких десятых миллиметра ограничителем. Маятник изготовлен из кварцевого стержня. На него надета платиновая цилиндрическая навеска 2, служащая для увеличения момента масс, а также для уменьшения момента действия электрических зарядов и прилипания маятника к ограничителям. Главная пружина верхним концом прикрепляется неподвижно к основному каркасу системы, нижним концом - к отростку маятника. Она навита на нить диаметром в 80-100 мк, имеет отрицательную начальную длину порядка 15 мм и изготовляется из обыкновенной пружины выворачиванием ее.
Измерительное устройство системы состоит из рамки 5, которая вращается на нитях 6. К этой рамке прикреплены нити подвеса маятника 4. Рамка 5 имеет два стержня, к которым прикреплены диапазонная 10 и измерительная 9 пружины. Верхних концы пружины 10 и 9 прикрепляются к подвижным штокам измерительного и диапазонного устройств.
Приспособление для температурной компенсации состоит из металлической нити 11, прикрепленной верхним концом к основному каркасу системы, а нижним концом - к рычагу 12, который может вращаться на нитях 15. Второй конец рычага 12 соединяется тонкой кварцевой нитью 16 с подвижной рамкой температурного компенсатора 13. нити подвеса обеих рамок 13 и 5 и маятника 4 должны располагаться на одной прямой линии.
Принцип действия чувствительного элемента системы заключается в следующем: при изменении силы тяжести (например, при ее увеличении) маятник 1 будет отклоняться от первоначального положения равновесия до тех пор, пока силы, вызванные деформацией главной пружины 3 и нитей подвеса маятника 4, не уравновесят изменение силы тяжести. Главная пружина 3 соединена с маятником таким образом, что при изменении силы тяжести возникает дополнительный упругий момент сил главной пружины, знак которого совпадает со знаком изменения силы тяжести, этот дополнительный момент возникает вследствие того, что при увеличении силы тяжести плечо упругой силы уменьшается, и, наоборот, при уменьшении силы тяжести плечо упругой силы возрастает.
Силу тяжести вначале определяют в делениях шкалы микрометра прибора. Затем взятые отсчёты переводят в приращения силы тяжести между двумя пунктами в миллигалах. Для этого используют переводной коэффициент (С), называемый ценой деления гравиметра:
где (n2-n1) - отсчёты по микрометру гравиметра соответственно в первом и втором пунктах наблюдений.
Определение цены деления гравиметра можно выполнять разными способами. В одном из них производят измерения в двух пунктах с известными значениями (приращениями) силы тяжести. Если в первом пункте наблюдений значение силы тяжести было g1 и взятый по гравиметру отсчёт n1, а во втором - значение g2 и отсчёт n2, то цена деления согласно выражению (в мГл на одно деление шкалы)
Если в одном и том же пункте наблюдений выполнять повторные измерение в течение продолжительного времени (часа или нескольких часов) то можно заметить что отсчёты, взятые по микрометру гравиметра, будут различаться, причём изменения отсчётов, пересчитанные в миллигалы, могут значительно превышать изучаемые изменения силы тяжести. Это явление называется смещением нуль-пункта гравиметра. Оно обусловлено неидеальной упругостью измерительной системы: под нагрузкой упругие свойства кварца, из которого изготовлен чувствительный элемент гравиметра, изменяются во времени. В процессе полевых работ смещение нуль-пункта гравиметра тщательно изучают для последующего введения поправок в отсчёты гравиметра.
Современные гравиметры имеют диапазон измерений от нескольких десятков до нескольких сотен миллигал и обеспечивают проведение съемок с погрешностями от десятых долей миллигала до нескольких микрогал. Повышение точности съемки достигается за счет многократности измерений и учета смещения нуль-пункта.
Устройство ГАК.
Кварцевые анизотропные гравиметры, построенные по принципу вертикального сейсмографа Голицина, имеет примерно одинаковые функциональные узлы и различаются между собой конструкции этих узлов. Важнейшими узлами каждого гравиметра являются: упругая система, отсчетная и диапазонное устройства, приспособление для температурной компенсации.
Кварцевая система монтируется в специальном корпусе. Конструкция корпуса обеспечивает герметизацию и теплоизоляцию системы. В корпусе монтируется осветитель, микроскоп, механизм для изменения диапазона измерений и измерительное микрометрическое устройство.
Упругая система гравиметров сделана из чистого кварцевого стекла, за исключением платинового грузика на маятнике и медной нити температурного компенсатора.
Кварцевое стекло обладает необходимой упругостью, малым коэффициентом линейного расширения и большой прочностью. Тонкие стержни, нити и пружины, изготовлены из прозрачного кварцевого стекла, не разрушаются при сильной вибрации и резких толчках, и почти не имеют остаточных деформаций. Относительная величина ползучести плавленого кварца при комнатной температуре, не превышая 10-6 в сутки и изменения силы тяжести, не будет превышать одного мГл в сутки.
Однако кварцевое стекло обладает очень неприятным свойством: с изменением температуры очень сильно изменяется его упругость. Причем величина изменения упругости не пропорциональна величине изменения температуры. Если для сплавов типа «элинавр» температурный коэффициент упругости составляет в худшем случае несколько единиц шестого знака, то у плавленого кварца эта величина равна 110-120 единиц того же знака. Поэтому, используя хорошие механические свойства кварца, приходится бороться с температурными помехами. Все кварцевые гравиметры имеют сложные температурные компенсаторы и хорошую мощную теплоизолцию. Сложная температурная компенсация упругих систем кварцевых гравиметров существенно отличает их от металлических гравиметров, построенных по принципу вертикально сейсмографа Голицина.
Устройство упругой системы
В кварцевом астазированном гравиметре чувствительные элементы системы, диапазонное и измерительно устройства, а также приспособления для температурной компенсации, смонтированной на основной монтажной рамке.
Чувствительный элемент системы – астазированным вертикальный сейсмограф Голицина состоит из маятника, удерживаемого равновесием упругой силой главной пружины и силой закручивания нитей подвеска. Движение маятника ограничено в пределах нескольких десятых миллиметра ограничителем. Маятник изготовлен из кварцевого стержня. На него надета платиновая цилиндрическая навеска, служащая для увеличения момента масс, а также для уменьшения действия электрических зарядов и прилипания маятника к ограничителям. Главная пружина верхним концом прикрепляется неподвижно к основному каркасу системы, нижним концом к отростку маятника. Она навита на нити диаметром в 80-100 мк., имеет отрицательную начальную длину порядка 15 мм и изготавливается из обыкновенной пружины выворачиванием.
Измерительное устройство системы состоит из рамки, которая вращается на нитях. К этой рамке прикреплены нити подвеса маятника. Рамка имеет два стержня, к которым прикреплены диапазонная и измерительная пружины. Верхние концы пружины прикрепляются к подвижным штокам измерительного и диапазонного устройств.
Приспособление для температурных компенсаций состоит из металлической нити, прикрепленной верхним концом к основному каркасу системы, а нижним концом – к рычагу, который может вращаться на нитях. Второй конец рычага соединяется тонкой кварцевой нитью с подвижной рамкой температурного компенсатора. Нити подвеса обеих рамок и маятника должны располагаться на одной прямой линии.
Принцип действия чувствительного элемента системы заключается в следующем: при изменении силы тяжести маятник будет отклоняться от первоначального положения равновесия до тех пор, пока силы, вызванные деформацией главной пружины и нитей подвеса маятника, не уравновесят изменение силы тяжести. Главная пружина соединена с маятником таким образом, что при изменении силы тяжести возникает дополнительный упругий момент сил главной пружины, знак которого совпадает со знаком изменения силы тяжести. Это дополнительный момент возникает вследствие того, что при увеличении силы тяжести плечо упругой силы уменьшается, и, при уменьшении силы тяжести плечо упругой силы возрастает.
Основные свойства астазированной упругой системы
Перечислим важнейшие из них. Маятник Голицина имеет большой период собственных колебаний. Чем больше период колебания маятника, тем выше чувствительность гравиметра. Связь чувствительности гравиметра с периодом колебания маятника выражается приближенной формулой C=kT2, где С – чувствительность системы в делениях шкалы на мГл, k – коэффициент пропорциональности для ГАК-4М, ГАК-3М и ГАК-2ПТ k -0,04, КВГ-1М k - 0,14, Т – период колебаний маятника.
При изменения наклона всей системы изменяется ее чувствительность. Если гравиметр наклоняется так, что маятник поднимается относительно горизонта, то чувствительность системы возрастает. При наклоне в обратную сторону чувствительность системы возрастает. Нормальное рабочее положение системы соответствует такому наклону всего прибора, при котором ось вращения системы и центр тяжести груза лежат в одной горизонтальной плоскости. Это положение соответствует минимальной чувствительности системы к наклону.
Компенсация изменения силы тяжести осуществляется путем изменения крутильного момента нитей подвеса маятника, угол закручивания которых изменяется при повороте рамки. Последняя поворачивается благодаря изменению растяжения пружин посредством соответствующих микрометрических устройств, при помощи которых можно изменять длину пружин.
Меры удлинения пружины является угол поворота микрометрического винта, который измеряется специальным счетчиком – редуктором, на котором можно считать угол поворота с точностью до 0,001 доли оборота. Диапазонная пружина имеет линейную жесткость в 50-100 раз большую, чем измерительная пружина, и служит не для точной компенсации приращения силы тяжести, а только для изменения диапазона измерения. Связь между показаниями отсчетного устройства и изменением силы тяжести практически прямая, т.е. имеет место соотношение: ∆g=k∆n, где k – цена деления отчетного устройства, ∆n – изменение отчета в оборотах. Величину k делают равной 3-10 мГл на оборот.
При изменении температуры изменяется упругость кварца, вследствие чего изменяется момент упругих сил главной пружины и нитей подвеса маятника, таки образом, независимо от изменения силы тяжести будет изменяться положение равновесия маятника. Компенсация влияния температуры осуществляется путем изменения угла закручивания нитей подвеса маятника. Изменение температуры вызывает изменение длины металлической нити, вследствие чего рычаг, находящийся под действием сил закручивания нитей подвеса, поворачивается в ту или другую сторону. Движения рычага посредством тонкой кварцевой нити передается рамке и вызывает ее поворот. При изменении температуры изменяется момент сил кручения нитей подвеса маятника на величину, приблизительно равную и противоположную по закону изменения упругих сил главной пружины и нитей подвеса маятника, вызванных тем же изменением температуры. Т. к. упругость плавленого кварца изменяется непропорционально изменению температуры, а термокомпенсирующий момент описанного температурного компенсатора практически пропорционален изменению, то полная температурная компенсация будет осуществляться только для одной температуры. Зависимость между изменениями отсчета и температуры близка к параболической.