Физические основы применения гравиметрии в геологии
Гравиразведочный метод (гравиразведка) основан на изучении поля силы тяжести, аномалии которого связаны с изменением плотности пород. Отличительная особенность метода при инженерно-геологических изысканиях заключается в производстве наземных наблюдений на ограниченных площадках с целью поиска грунтовых неоднородностей. Гравиразведка используется для решения следующих основных задач: - инженерно-геологические изыскания - разведка минералов - геологическое картирование - вулканология - разведка нефти и газа - региональные исследования гравитации Гравиметрическая разведка основана на изучении чрезвычайно малых возмущений (аномалий) поля силы тяжести на поверхности Земли, обусловленных особенностями распределения внутри Земли масс с различной плотностью. Наблюдаемые гравитационные аномалии в большинстве очень малы и редко превышают 10-4—10-5 части от полного значения измеряемой величины силы тяжести. Поэтому для их обнаружения требуется очень высокая точность полевых измерений. В гравиразведке измерения производят высокоточными приборами, которые позволяют выявлять аномалии, составляющие всего n*10-8 от полного значения силы тяжести. Гравиразведку широко используют для решения многих задач региональных исследований: трассирования границ блоков и крупных разломов в фундаменте, изучения глубины залегания его поверхности и т. д. В благоприятных условиях ее успешно применяют при поисках и разведке структурных и неструктурных ловушек нефти и газа и других полезных ископаемых (антиклинальных складок, рифогенных массивов, зон литологических замещений пород и т. п.), а также при изучении эффектов, связанных с нефтегазовыми залежами (прямые поиски).Расширяются возможности гравиразведки при изучении труднодоступных районов и акваторий морей и океанов. С этой целью разработана аппаратура и методика измерений поля сила тяжести с самолетов и вертолетов (аэрогравиметрическая разведка). Новым направлением в гравиразведке является изучение вариаций гравитационного поля с целью контроля за эксплуатацией искусственных газохранилищ, а также природных залежей нефти и газа. Действие силы тяжести проявляется в том, что тело любой массы т притягивается Землей с силой P = mg, где g — ускорение свободного падения. Сила Р представляет равнодействующую силы притяжения Fn и центробежной силы Fц, т. е. Р =Fц + Fn (рисунок …).
Рисунок … – Сила тяжести и её составляющие Сила притяжения, определяемая законом гравитационного притяжения Ньютона, направлена приблизительно к центру Земли. Центробежная сила, возникающая вследствие вращения Земли вокруг своей оси, действует по перпендикуляру к оси вращения. Как видно на рисунке, в общем случае сила тяжести не направлена точно к центру Земли, отклонение зависит прежде всего от величины центробежной силы.В гравиразведке действие силы тяжести обычно относят к единичной массе, т. е. притягиваемую массу в точке Q следует принять равной единице. В таком случае значение силы тяжести в точке Q численно равно значению ускорения свободного падения g в этой точке. Ускорение свободного падения — основная измеряемая величина в гравиразведке и для краткости его часто называют силой тяжести. Этим термином мы и будем пользоваться в дальнейшем. Сила, действующая на единичную массу, называется напряженностью поля. Таким образом, ускорение свободного падения можно рассматривать в качестве напряженности гравитационного поля. Единица измерения ускорения свободного падения метр на секунду в квадрате (м/с2). Величина, равная 1 см/с2, называется Галом — в честь итальянского ученого Галилея, впервые измерившего ускорение свободного падения. Изучаемые при геологической разведке аномалии силы тяжести в тысячи раз меньше гала и поэтому основной единицей в гравиразведке принято считать миллиГал (1 мГал = 1 • 10-3Гал). Ускорение свободного падения g является вектором, который можно разложить на составляющие по осям х, у, г. Компоненты gx и gy называются горизонтальными составляющими силы тяжести, a gz — вертикальной. По своему смыслу гравитационная постоянная – это сила, действующая между единичными массами на единичном (в соответствующей системе) расстоянии. Векторное поле ускорения силы тяжести может быть выражено через скалярную функцию Wx, y, z с помощью оператора градиента:
Функция Wx, y, z называется потенциалом притяжения или гравитационным потенциалом. В геологии за теоретическую поверхность Земли принята более сложная фигура, чем земной сфероид, названная геоидом. Геоид представляет собой одну из уровенных поверхностей, которая совпадает с невозмущенной поверхностью воды в океане. В любой точке этой поверхности сила тяжести направлена к ней по нормали. Поверхность геоида имеет сложную конфигурацию в пределах суши: мысленно ее можно представить как поверхность уровня воды, который установился бы в бесчисленных тонких каналах, прорытых под сушей и сообщающихся с океанами. Поверхность земного сфероида незначительно отклоняется от поверхности геоида на морях и океанах; большие отклонения (до 100 м) наблюдаются на суше. Средняя величина отклонения поверхности земного сфероида от поверхности геоида составляет около ±50 м. Для удобства представления, не зависящего от локального распределения масс, силу тяжести делят на два компонента: нормальную часть Чтобы сравнить аномалию силы тяжести, нужно сравнить наблюдаемое поле с нормальным полем. Однако силу тяжести обычно наблюдают на физической поверхности Земли, а нормальное поле определено для поверхности сфероида, которая близка к уровню моря. Поэтому для решения этой проблемы прибегают к процедуре, которая называется редуцированием силы тяжести. Эта процедура включает в себя введение поправок за высоту, за притяжение промежуточным слоем и некоторых других поправок, в случае, если необходимо получить высокую точность измерений (поправки за рельеф, за лунные солнечные приливы). Поправки за высоту δgh вводят для того, чтобы учесть разницу высот между точкой наблюдений и уровнем моря. Обычно говорят, что нужно привести значения силы тяжести к их значениям на уровне моря, то есть нужно получить такие значения поля, которые бы мы имели на уровне моря. Данную поправку еще называют поправкой за свободный воздух, или поправкой Фая. Название «за свободный воздух» поправка получила за то, что в ней не учитывается влияние масс, расположенных между точкой наблюдений и уровнем моря, то есть точки наблюдений как бы «висят в воздухе». Для учета масс, расположенных в слое между физической поверхностью и уровнем моря, используют специальную поправку, которая называется поправкой за промежуточный слой (δgσ),чтобы учесть влияние масс в этом слое, нужно было бы учитывать и то, какую форму имеет физическая поверхность(рельеф), и то, как распределена плотность в этом слое. В такой постановке это не разрешимая задача, поскольку распределение плотности в слое заранее неизвестна. На практике, однако, пользуются допущениями, которые значительно упрощают проблему. Такая поправка называется топографической или за окружающий рельеф. Гравитационные аномалии возникают только в том случае, если горные породы, слагающие земную кору, имеют неоднородности. В гравиметрических задачах часто используется понятие избыточной плотности: это разность между плотностью вмещающих пород и плотностью структур, создающих аномалию. Избыточная плотность может быть как положительной так и отрицательной. В общем случае горные породы состоят из вещества, находящегося в трех фазах: твердой, жидкой и газообразной. Плотность определяется соотношением этих трех фаз, а также состоянием физических характеристик естественного залегания: давление, температура, влажность и т.п. Плотность горной породы зависит от вещественного состава ее скелета, пористости, влажности и других факторов. Например, магматические и метаморфические породы имеют малую пористость (1-2%), и их плотность в основном определяется химико-минеральным составом породообразующих минералов. Осадочные породы, как правило, характеризуются большим диапазоном изменения пористости, поэтому их плотность также меняется в широких пределах. Средняя плотность земной коры составляет 2.67 г/см Достоверные значения плотности можно получить только при ее измерении в условиях естественного залегания пород. Чаще всего плотность пород определяют по извлеченным на поверхность образцам. При этом нужно вводить поправки, приводящие значения плотности к тем физическим условиям, в которых залегают горные породы (таблица …). Таблица … – Плотность наиболее распространенных горных пород
|
, представляющую силу тяжести однородного эллипсоида вращения с массой и скоростью вращения, равным земным и максимально соответствующей геоиду, и аномальную ∆g, равную разнице между наблюдаемой g и нормальной силами тяжести ∆g=g - γ;.
. В целом Земли –5.52 г/см 
