Гравиразведка

Шаблон:Универсальная карточка Гравиразве́дка — метод разведочной геофизики, основанный на изучении строения Земли при помощи измерения ускорения силы тяжести и его первых и вторых производных— градиентов . Изменение силы тяжести в пространстве возникает из-за неоднородности геологических тел по плотности.

Применяется при изучении формы ЗемлиШаблон:Sfn, поисках месторождений полезных ископаемых (нефти и газаШаблон:Sfn, угляШаблон:Sfn, рудыШаблон:Sfn, и другихШаблон:Sfn), картирования земной коры и верхней части мантииШаблон:Sfn, выделении глубинных разломов и глобальных тектонических структур. Гравиразведка существует в наземном и скважинном (подземном) вариантеШаблон:Sfn.

Прибор для измерения ускорения силы тяжести называется гравиметром, единицей измерения — Гал (по имени Галилео Галилея), равный 1 см/c².

Описание

Карта измеренного гравитационного поля

Cила тяжести

Сила тяжести(притяжения) — сила, создаваемая всей массой Земли и действующая на единичную массу, образуют напряжённость поля силы тяжести. Сила тяжести

$F_t$

- это векторная сумма ньютоновской силы тяготения

$F$

и инерционной центробежной силы

$C$

, создаваемой вращением Земли вокруг собственной оси. Напряжённость силы тяжести, таким образом,

$g=-G\frac{M}{R^2}+{\omega }^{2}a$

$g$ - ускорение силы тяжести или напряжённость поля сила тяжести,$M$—масса Земли, $R$ - радиус Земли, $\omega$ - угловая скорость вращения Земли, $a$ - расстояние от точки измерения поля силы тяжести до оси вращения Земли.

Приведённая формула справедлива, если Земля представляет собой однородный по плотности шар, однако геологические тела в коре и верхней мантии различаются по плотности и с разной силой притягивают объект в точке наблюдения. Поэтому над достаточно большим телом с повышенной или пониженной плотностью ускорение силы тяжести будет отличаться.

Сила тяготения всегда направлена к центру Земли, а центробежная сила по нормали к оси вращения Земли. На полюсе, где величина $a$ равна 0, центробежная сила отсутствует и ускорение силы тяжести равно 983 Гал, на экваторе центробежная сила максимальна и $g$ = 978 Гал.

Нормальное поле

Гравитационное поле относится к потенциальным полям, значение потенциала $W$ равно

$W=-G\frac{M}{R}+\frac{{\omega }^2}{2}a$

Поверхность равного потенциала (эквипотенциальная), примерно совпадающая с уровнем моря называется геоидом. Вектор силы тяжести всюду направлен по нормали к поверхности геоида. Для однородной Земли, представляемой в виде сфероида в каждой точке вычисляются нормальные значения ускорения силы тяжести ${\gamma }_0$

${\gamma }_0=-\frac{\partial W}{\partial n}$

Гравиметр ГНУ КС

Для расчёта нормального поля сила тяжести применяется формула Клеро:

${\gamma }_0=g_e(1+\beta \cdot si{n}^2\varphi -{\beta }_1\cdot si{n}^{2}2\varphi )$

В советской и российской гравиразведке используется для расчёта нормального поля силы тяжести применяется формула Гельмерта.

${\gamma }_0=978031(1+0,005302\cdot si{n}^2\varphi -0,000007\cdot si{n}^{2}2\varphi )-14$

За рубежом распространена формула Кассиниса(версия 1980 года)

${\gamma }_0=978032,7(1+0,0053024\cdot si{n}^2\varphi -0,0000058\cdot si{n}^{2}2\varphi )-14$

Во всех формулах ускорение силы тяжести вычисляется в миллигалах.

Градиенты гравитационного поля

В гравиразведке используется система координат, в которой ось $z$ ориентирована вниз по нормали к геоиду, ось $x$—на север, ось $y$ — на восток. Соответственно, градиенты силы тяжести $W_{xz}$, $W_{yz}$,$W_{zz}$ - это вторые частные производные потенциала силы тяжести, тогда как ускорение силы тяжести — первая частная производная потенциала по $z$.

$W_z=\frac{\partial W}{\partial z}=g$

$W_{xz}=\frac{\partial W_z}{\partial x}$

$W_{yz}=\frac{\partial W_z}{\partial y}$

$W_{zz}=\frac{\partial W_z}{\partial z}$

Градиенты поля сила тяжести показывают как быстро изменяется поле в горизонтальных ($x,y$) и вертикальном направлениях. Единица измерения градиентов — этвеш, 1 Э = 10^-9 с^-2 = 0,1 мГал/км.

Аномалии и редукции

Гравитационной аномалией называется разность значений измеренного и нормального значений ускорения силы

$\delta g_a=g-{\gamma }_0$

Из-за того, что точка измерения не находится на геоиде, в измеренные значения ускорения силы тяжести вносятся поправки, то есть они редуцируются. Существует несколько видов поправок

• Поправка за свободный воздух - редукция Фая ($H$, м — альтитуда точки измерения поля)

$\delta g_a=g-{\gamma }_0+0.3086H$

• Поправка за свободный воздух и промежуточный слой — редукция Буге ($\sigma$ — средняя плотность горных пород между геоидом и точкой измерения, г/см³)

$\delta g_a=g-{\gamma }_0+(0.3086-0.0419\sigma )H$

• Поправка за рельеф

Плотность горных пород и руд

Плотность горных пород зависит от их состава, пористости, влажности и плотности наполнителя пор. Плотность породообразующих минералов изменяется от 2,5 до 3,2 г/см³, к ней близка плотность пород с низкой пористостью

Литература

• Шаблон:Книга
• Блох Ю. И., Калинин Д. Ф., Михайлов В. О., Цирель В. С. Репрессированный учебник по гравиразведке // Геофизический вестник. 2015. № 2. С. 37-41.

Ссылки

• Шаблон:Citation Шаблон:Wayback