Физический и геологический смысл основы гравиразведки

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА (НИУ) ИМЕНИ И.М.ГУБКИНА

Факультет разработки нефтяных и газовых месторождений

Кафедра освоения морских нефтегазовых месторождений

Реферат на тему:

«Физический и геологический смысл основы гравиразведки»

гравиразведка ископаемое полезный

Выполнил:

студент группы РНМ 17-02

Волков А.А.

Москва-2018

Оглавление

Введение

1.Физические основы гравиразведки

1.1 Закон всемирного тяготения

1.2 Потенциал силы тяжести и его производные

2. Геологические основы гравиразведки

3. Аппаратура и принцип её действия

3.1 Наземные гравиметрические съёмки

3.1.1 Абсолютные гравиметры

3.1.2 Кварцевые гравиметры

Список литературы

Введение

Гравиразведка - это геофизический метод исследования земной коры и разведки полезных ископаемых, основанный на изучении распределения аномалий поля силы тяжести Земли. 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 для двух направлений гравиметрии: геодезической гравиметрии и гравитационной разведки.

Гравиразведка отличается возможностью изучать горизонтальную (латеральную) неоднородность Земли и характеризуется сравнительно большой производительностью полевых наблюдений. Гравиразведка применяется для решения самых различных геологических задач с глубинностью исследований от нескольких метров (например, при разведке окрестностей горных выработок) до 200 километров (например, при изучении мантии).

1. Физические основы гравиразведки

Физической основой гравиразведки является дифференциация горных пород по плотности, теоретической основой является закон всемирного тяготения Ньютона. Присутствие в земной коре более тяжелых пород по сравнению с окружающими породами приводит к увеличению силы тяжести в этой зоне, т. е., создает положительные аномалии силы тяжести, относительно легкие породы - наоборот, характеризуются отрицательными аномалиями. Простейшим прибором для измерения силы тяжести является вертикальная пружина с грузиком постоянной массы на конце. Растяжение пружины зависит от наличия в земной коре пород различной плотности. Так, например, если кристаллический фундамент, состоящий, как правило, из пород более высокой плотности по сравнению с осадочными породами, образует рельеф, засыпанный осадочными породами, то сила притяжения над ним будет больше, чем на участке, где находится депрессия (рис. 1). Таким образом, если горные породы земной коры дифференцированы по плотности и границы раздела пород с различными плотностями не горизонтальны, то имеет место образование гравитационных аномалий и гравитационная разведка может быть использована с целью изучения геологического строения земной коры в данном районе.

Рис.1. Физические основы гравиразведки. Депрессии характеризуются отрицательными аномалиями силы тяжести, выступы кристаллического фундамента, состоящего из более плотных пород, вызывают положительные аномалии

При горизонтальном же залегании пород, даже сильно дифференцированных по плотности, образование аномалий не происходит. Величина и характер аномалий зависит от объема и плотности аномалиеобразующих тел (от их массы), от глубины и формы их залегания, а также от присутствия других объектов, создающих гравитационные поля, так как измеряемое гравитационное поле аддитивно. В гравиразведке измеряется суммарный гравитационный эффект, от всех объектов, находящихся вокруг пункта измерения, который в ряде случаев может и отсутствовать по причине наложения отрицательных и положительных аномалий. По мере повышения точности измерения гравитационного поля расширяется круг решаемых гравиразведкой задач и область ее применения. В настоящее время измерения гравитационного поля производятся на поверхности Земли, в скважинах и шахтах, под водой, на кораблях, самолетах и вертолетах.

1.1 Закон всемирного тяготения

Начало экспериментальному изучению силы притяжения Земли, или силы тяжести, было положено Г. Галилеем в конце 16-го века. В 1590 г. он показал, что мерой силы тяжести является ускорение и численно определил эту величину. Гравитационный метод разведки основывается на законе всемирного тяготения И.Ньютона, который был сформулирован в 1687 г. Согласно этому закону все материальные тела в виде материальных точек притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Гравитационное взаимодействие существует между всеми материальными телами и к настоящему времени не обнаружено препятствий (экранов) такому взаимодействию. Между двумя точечными массами m1 и m 2 , расположенными на расстоянии r друг от друга закон всемирного тяготения Ньютона выражается формулой:

где: k- всемирная гравитационная постоянная. Единица измерения силы в системе СИ - ньютон. В качестве единицы ускорения в системе СИ принимается такое ускорение, которое получает масса 1кг под действием силы в 1 ньютон, т.е. - 1м/с2 . В гравиметрии широко используется внесистемная единица измерения ускорения (из системы СГС) - Гал. Это ускорение, развиваемое массой в 1 г под действием силы в 1 дину, т.е. 1 Гал = 1см/с2 (обозначается Гал). В гравиразведке 1 Гал является очень крупной единицей. В настоящее время при измерениях гравитационных полей широко используются производные единицы от Гала:

1мГал = 10-3 Гал = 10-5 м/с2

1 мкГал = 10-6 Гал = 10-8 м/с2

Округляя значение ускорения свободного падения на поверхности Земли G до 10 м/с 2 , единица в 1 мкГал соответствует 1 наноG.

Полезно знать следующие соотношения:

1 мкм/с2 = 10-6 м/с2 = 0.1 мГал

1нм/с2 = 10-9 м/с2 = 0.1 мкГал.

В англо-американской литературе 1мкм/с2 часто называют единицей силы тяжести. Численное значение постоянной тяготения k определяется экспериментально. Впервые k была определена английским физиков Генри Кавендишом с помощью крутильных весов Кулона в 1798 году. В настоящее время гравитационная постоянная равна:

k = 6.673 . 10-11 м 3 кг-1 с -2

1.2 Потенциал силы тяжести и его производные

Каждая точка на земной поверхности находится под влиянием не только ньютоновской силы притяжения, но и под влиянием центробежной силы С, возникающей вследствие вращения Земли. Величина центробежной силы зависит только от расстояния рассматриваемой точки до оси вращения (рис.2). Таким образом, сила тяжести есть векторная сумма ньютоновской силы притяжения F и центробежной силы С

Рис. 5. Сила тяжести g равна векторной сумме ньютоновской силы притяжения F и центробежной силы С.

Центробежная сила уменьшает ньютоновскую силу притяжения. На полюсах Земли, где центробежная сила отсутствует, сила тяжести g максимальна. Увеличение силы тяжести на полюсах вызвано также уменьшением полярного радиуса Земли, примерно на 21 км вследствие ее сжатия, вызванного вращением последней, и равного примерно 1/298.24, что приводит к дополнительному увеличению силы тяжести еще примерно на 1,8 Гал.

Максимальное значение центробежной силы будет на экваторе, где она равна примерно 3,4 Гал. Сила тяжести на поверхности Земли меняется в пределах от 978 до 983,2 Гал.

Потенциал центробежной силы равен:

где щ - угловая скорость вращения Земли;

с - расстояние точки наблюдения от оси вращения

по нормали к ней.

Значение центробежной силы равно производной от потенциала V по с:

По известной величине географической широты точки наблюдения центробежная сила может быть вычислена с довольно высокой точностью. Но она никак не связана с распределением масс, т.е. с геологическими неоднородностями внутри земной коры и поэтому не несет в себе геологической информации.

Потенциал силы тяжести (или ускорения силы тяжести) равен сумме потенциалов ньютоновской силы притяжения и центробежной силы

Потенциал W в отличии от потенциала U на бесконечности стремится к бесконечности а не к нулю, как потенциал притяжения, за счет центробежной силы. Но, учитывая, что гравиразведка изучает гравитационное поле на поверхности Земли, т.е. на конечном расстоянии от центра Земли, влияние этой составляющей силы тяжести учитывается при вычитании из наблюденных значений силы тяжести так называемого нормального поля, о чем будет сказано ниже.

Земля имеет сложную форму, которая определяется не только распределением масс в земной коре, но главным образом, распределением масс внутри мантии и астеносферы. При первом приближении Земля имеет форму шара. Но вследствие вращения, Земля имеет сжатие и сравнима с эллипсоидом (или сфероидом). Но и сжатие не полностью характеризует форму Земли. В1872 г. немецкий геодезист Листинг предложил за форму Земли принимать уровенную поверхность потенциала силы тяжести, совпадающую с поверхностью воды в океанах и открытых морях, которую он назвал геоидом. Геоид - это фигура, образуемая поверхностью морей и океанов в невозмущенном состоянии, а на континентах она определялась бы уровнем воды в системе соединяющихся между собой и с открытыми морями и океанами каналов. На практике, высоты земной поверхности определяются относительно уровня моря, т.е. геоида. Фигура геоида зависит от распределения масс внутри Земли, закон которого нам не известен, поэтому ее невозможно описать точной математической формулой. Но геоид может быть достаточно близко представлен в виде простой модели - сфероидом (или референц- эллипсоидом) для описания которого можно вывести точную математическую формулу. Значения силы тяжести, вычисленные для модели Земли (т.е. для земного сфероида), называются нормальными. Возможное взаимное расположение физической поверхности Земли, уровня геоида и теоретической Земли дано на нижерасположенном рисунке 3.

Рис.3. Возможное взаимное расположение поверхностей: 1 - физической Земли; 2 - геоида; 3 - теоретической Земли.

Плотность пород изменяется от поверхности к центру и в горизонтальном направлении. Вследствие этого и гравитационное поле Земли имеет сложный характер; его можно представить состоящим из двух частей: нормальной и аномальной. Нормальное поле соответствует модели Земли. В гравиразведке за модель Земли принимают двухосный эллипсоид вращения с параметрами, максимально соответствующими реальной Земле. Для задания потенциала гравитационного поля такой модели необходимо задать сжатие, величину экваториального радиуса, значение силы тяжести на экваторе и угловую скорость вращения Земли. Производная по нормали к поверхности референц-эллипсоида от его потенциала притяжения и представляет собой нормальное значение силы тяжести г0 . В зависимости от исходных параметров земного сфероида получают различные числовые коэффициенты формулы нормального значения силы тяжести. В России принята формула Гельмерта, выведенная в 1901-1909 гг., для модели Земли в виде двухосного эллипсоида со сжатием 1/298,2 и с учетом результатов измерения силы тяжести на 1603 пунктах. Коэффициенты формулы были уточнены в 1978 году и в настоящее время формула Гельмерта имеет вид:

По этой формуле для любой точки поверхности модели Земли в зависимости от заданной географической широты пункта можно вычислить теоретическое значение силы тяжести. В мире существует несколько формул нормального значения силы тяжести (Сомильяна, Ф.Н.Красовского, Н.П.Грушинского, У.Уотиллы, У.Хейсканена и др.).

Введение понятия нормального значения силы тяжести необходимо для изучения внутреннего строения Земли с помощью гравиразведки. Алгоритм изучения Земли следующий. Производя измерения силы тяжести на физической поверхности Земли, сравнивая полученные результаты с теоретическими и интерпретируя отклонения силы тяжести мы можем уточнять строение модели. По мере увеличения детальности и точности измерений силы тяжести увеличивается детальность строения Земли. Измерения силы тяжести обычно производят на поверхности реальной, физической Земли. Высоты (альтитуды) пунктов измерения отсчитывают от поверхности уровня моря.

2.Геологические основы гравиразведки

Гравитационная разведка применяется для решения многих геологических, инженерно-геологических, гидрогеологических, экологических и инженерно-технических задач. Как известно, физической основой гравиразведки является дифференциация пород по плотности. Ориентировочные значения плотности горных пород даны в нижеследующей таблице (рис.4). Среднее значение плотности осадочных пород равно 2,3 г/см3 ., кристаллических пород - 2,67 г/см3 . Практически во всех геологических регионах имеется контраст плотности между осадочным комплексом и кристаллическим фундаментом. Осадочные породы гидрохимического происхождения (доломиты, ангидриты, долериты и др.) имеют повышенную плотность, такую же как и у кристаллических пород. Железорудные, медно-колчеданные, свинцово-цинковые, хромитовые объекты имеют высокую плотность, доходящую до 4 - 4,5 г/см3 . и эти залежи характеризуются положительными аномалиями, интенсивность которых зависит от объема залежей и глубины их залегания.

Если плотность изучаемого геологического объекта больше плотности вмещающих пород, то он характеризуется избыточной плотностью, равной разности плотности объекта и плотности вмещающих пород. Объем всего объекта, умноженный на его избыточную плотность, представляет собой избыточную массу. В противном случае геологический объект характеризуется дефектом плотности и дефектом массы. Именно от избытка или дефекта масс, а также от глубины их залегания и их формы зависит знак, величина и характер аномалии силы тяжести.

Результаты гравиметрической съемки подлежат интерпретации, которая заключается в геологическом истолковании построенного гравитационного поля. Различают качественную и количественную интерпретацию. Качественная интерпретация носит описательный характер и заключается в определении гипотетических причин обнаруженных аномалий. Она проводится на основании анализа и сравнении всех имеющихся априорных геолого- геофизических данных по изучаемому району с полученными результатами съемки. Результатом качественной интерпретации являются схематические карты и разрезы. При количественной интерпретации определяются числовые характеристики аномалиеобразующих объектов. Количественная интерпретация проводится в рамках модельных представлений о строении изучаемых объедков, она заканчивается построением согласованного геолого-геофизического разреза строения исследуемой площади работ с привлечением всех априорных данных.

Определение плотности пород производится по образцам современными петрофизическими методами.

Рис.4. Таблица значений плотности горных пород

Реальные геологические разрезы характеризуются сложным распределением плотностных свойств горных пород, и поскольку гравитационное поле аддитивно, то наблюдаемые аномалии отражают суммарное гравитационное поле от всех плотностных неоднородностей геологического разреза. Можно привести много примеров распределения плотности пород в геологическом разрезе, которые в сумме не создают гравитационные аномалии. Поэтому интерпретация гравитационных аномалий, которая заключается в геологическом истолковании аномалий, не является однозначной задачей. Степень неоднозначности уменьшается с привлечением данных других геофизических методов и использования априорной информации. Более полное изложение вопросов интерпретации в данной брошюре не предусмотрено.

Геологические задачи, решаемые гравиразведкой, можно разделить условно на три класса: структурные, или нефтегазовые, рудные и инженерно-геологические. Каждая из этих классов задач имеет свои особенности и требует проведение гравиметрических съемок разной точности и детальности.

Рассмотрим первый класс задач - поиск и разведка нефтегазовых залежей. Эти задачи характеризуются большой глубиной изучаемого объекта (1,5 - 2, 5 км), незначительными перепадами значений плотности, но выдержанностью по физическим свойствам и глубине залегания геологических объектов. Месторождения нефти и газа могут находится в различных типах ловушек. Чаще всего они связаны с антиклинальными структурами, соляными куполами, рифогенными массивами, тектоническими нарушениями, стратиграфическими несогласиями и т.д. Условием образования залежей нефти или газа является наличие в геологическом разрезе пород-коллекторов (пористых песчаников, известняков, трещиноватых пород и т.д.) и непроницаемых пород- покрышек (глинистых сланцев, аргиллитов, доломитов и т.д.). Залежи нефти или газа, связанные с антиклинальными структурами часто имеют унаследованный характер с рельефом фундамента, гравитационный эффект которого является доминирующим в суммарной положительной аномалии величиной в первые единицы мГал, а присутствие в породах газа или нефти, характеризующихся дефектом плотности величиной 0.05-0.12 г/см.куб., создает небольшой отрицательный гравитационный эффект в несколько десятых долей мГал. Поэтому гравитационные аномалии от антиклинальных залежей имеют сглаженные, или слегка отрицательные значения максимумов аномалий. Структуры, не содержащие залежей углеводородов, имеют неискаженные выпуклые максимумы аномалий. Примеры типичных аномалий силы тяжести над газовыми месторождениями, приуроченных к антиклинальной ловушке и над нефтяным месторождением показаны на ниже расположенных рисунках.

Рис. 5. Кривые Дg и Wzzz на Северо-Ставропольском газовом месторождении (по В.М.Березкину): 1 - кривая Дg; 2 - кривая Wzzz; 3 - газовая залежь; 4 - водоносный слой; 5 - скважины.

4. Аппаратура и принцип её действия

4.1 Наземные гравиметрические съемки

Собственно гравиметрическая съемка заключается в получение данных о значениях силы тяжести на площади (или профиле) и построения карты поля силы тяжести с достаточной детальностью которая определяется геологическими задачами, поставленными перед гравиметрической съемкой. Естественно, детальность поля определяется густотой сети наблюдений и точностью получения аномальных значений силы тяжести в пунктах измерений. При составлении проекта гравиметрической съемки проводится анализ плотностных свойств геологического объекта и вмещающих пород, обосновывается строение геоплотностной модели, рассчитываются ожидаемые гравитационные аномалии для различных моделей, аппроксимирующих предполагаемые геологические структуры. На основании анализа ожидаемых гравитационных аномалий обосновываются параметры сети (плотность сети точек наблюдений, направление профилей, расположение опорных гравиметрических пунктов), точность измерения силы тяжести, параметры сопровождающих топографических работ.

Рис.6. Таблица соотношения параметров гравиметрических съемок в зависимости от масштаба

4.1.1 Абсолютные гравиметры

Измерение абсолютного значения силы тяжести основаны на том, что период колебаний T у маятника зависит от величины поля, в котором совершаются эти колебания. Математическим аппаратом, описывающим данную зависимость, является формула:

Для более точного вычисления можно воспользоваться более сложной моделью:

alpha - максимальный угол отклонения маятника от вертикали

Однако на точность вычислений силы тяжести, в результате, будут оказывать влияние точность измерения длины маятника, а также масса груза.Для решения этой проблемы Ф.В.Бессель предложил измерять периоды колебаний Т1 и Т2 одного и того же маятника при разной длине нити l1 и l2. Для расчётов необходимо использовать формулу:

Преимущество данного подхода заключается в том, что измерить разность длин маятников можно значительно точнее и проще, чем сами длины маятников. Точность измерения может составить 0,3мГал.

4.1.2 Кварцевые гравиметры

Данный тип гравиметров, пожалуй, самый распространённый. Несмотря на кажущуюся грубоватость конструкции, именно кварцевые гравиметры (из кварца делают основной чувствительный элемент системы-- сейсмограф Голицына) имеют оптимальное соотношение доступности и функционала. Чаще всего это относительно недорогие приборы небольшого веса и габаритов при хорошей точности измерений. Таковы, например, популярные канадские гравиметры CG-5 и отечественные ГНУ-К (ГНУ-КС, ГНУ-КВ).

Прообраз конструкции разработан великим отечественным геофизиком Б.Б.Голицыным.

Её основу составляет каркас чувствительного элемента в виде перевёрнутой П-образной рамки из кварца. Между верхними концами рамки натянута кварцевая нить, закрученная в двойную спираль. В середине спирали между витками вставлено тонкое кварцевое коромысло с платиновым грузом на конце. Груз на коромысле уравновешивает усилие раскручивания кварцевой нити.

Мерой силы тяжести в таком гравиметре является угол отклонения коромысла от положения при калибровке прибора. Угол измеряется оптической системой (визуально), впрочем, встречаются и другие схемы. Вся кварцевая конструкция с платиновым грузом помещается в термостат.

Отдельной ветвью эволюции кварцевых гравиметров являются гравиметры La Coste&Romberg аналогичного устройства, но чувствительная часть этих гравиметров выполнена не из кварца, а из металла. Стабильность системы так же обеспечивается термостатированием датчика.

Принцип работы кварцевых гравиметров рассмотрим на примере канадского аппарата CG-5 :

Принцип действия гравиметра основан на преобразовании чувствительным элементом разности значений ускорения свободного падения в электрическое напряжение.

Основу чувствительного элемента составляет упругая система (пружина) из плавленого кварца. Гравитационная сила, действующая на контрольную массу, уравновешивается пружиной и сравнительно небольшой электростатической восстанавливающей силой. Положение массы, которое воспринимается емкостным датчиком смещения, изменяется под действием силы тяжести. Автоматическая цепь обратной связи подает напряжение постоянного тока на обкладки конденсатора, в результате чего создается электростатическая сила, воздействующая на массу и возвращающая её обратно в нейтральное положение. Напряжение обратной связи, которое является мерой проекции разности значений ускорения свободного падения на ось чувствительности, преобразуется в цифровой сигнал и передаётся в систему сбора данных для последующей обработки, сохранения и отображения. Для защиты от изменений температуры внешней среды и атмосферного давления чувствительный элемент гравиметра расположен в вакуумной камере с температурной стабилизацией. Гравиметр снабжен приемником GPS, позволяющим определять координаты пункта наблюдения (измерения) по космической навигационной системе, а также выполнять установку показаний часов реального времени гравиметра по всемирному координированному времени - шкале UTC. Электропитание гравиметра осуществляется либо от встроенной аккумуляторной батареи напряжением 11,1 В, либо от внешнего источника постоянного тока напряжением 15 В. Все узлы гравиметра смонтированы в едином корпусе, в верхней части которого расположена панель управления, включающая в себя графический дисплей и клавиши управления. На объекте съёмки гравиметр устанавливается при помощи треноги, снабженной регулировочными винтами.

Рис. 7. Внешний вид гравиметра CG-5 Autograv

Метрологические и технические характеристики

Список литературы

1. Веселов К.Е., Сагитов М.У. Гравиметрическая разведка. - М.: Недра, 1968. - 512 с.

2. Веселов К.Е. Гравиметрическая съемка. - М.: Недра, 1986. - 312с.

3. Маловичко А.К., Костицын В.И. Гравиразведка. - М.: Недра, 1992

4. Миронов В.С. Курс гравиразведки - Л.: Недра, 1980

5. Серкеров С.А. Гравиразведка и магниторазведка.- М.: Недра, 1999 6. Вольфганг Торге. Гравиметрия. М.Мир, 1999.

Размещено на Allbest.ru