Методика гравиразведочных работ

Под методикой гравиразведки понимают выбор метода и аппаратуры, осуществление комплекса операций для изучения поля силы тяжести с такой точностью, которая обеспечила бы выявление ожидаемых аномалий и решение поставленной гео­логической задачи. Основным в методике гравиразведки является выбор аппаратуры; характера, вида съемки и системы на­блюдений; погрешности съемки и правил обхода точек наблю­дений; первичной обработки материала и форм его представления.

По технологии работ и способу транспортировки аппаратуры гравиразведку подразделяют на полевые (наземные), морские, воздушные, подземные и скважинные гравиметрические, а также вариометрические наблюдения.

По решаемым геологическим задачам и масштабу съемок различают региональные съемки, проводимые на суше и море в масштабах 1:200 ООО и мельче и предназначенные для получения сведений о глубинном строении крупных территорий, и детальные (поисково-разведочные) съемки, выполняемые в масштабах от 1:100 000 до 1:10 000 и направленные на выявление перспективных структур, а также поиск и разведку непосредственно самих месторождений, вплоть до прогноза их нефтегазоносности.

Наземные гравиметрические съемки. Основным методом гравиразведки является полевая (наземная) гравиметрическая съемка, проводимая с помощью гравиметров. Полевые гравиметрические съемки бывают пешеходными и автомобильными, реже используется аэротранспорт. В зависимости от масштаба съемки и способа транспортировки гравиметров наблюдения выполняют в нескольких десятках пунктов за смену.

Выбор характера, вида съемки и системы наблюдений. По характеру расположения точек наблюдения на исследуемой площади гравиметрическая съемка может быть профильной (маршрутной) или площадной. Маршрутную съемку выполняют по отдельным профилям (маршрутам), которые задают вкрест предполагаемого простирания изучаемых объектов. Ее применяют при рекогносцировочных и поисковых работах.

Основным видом гравиметрических съемок является площадная съемка, при которой весь район исследований более или менее равномерно покрывают гравиметрическими наблюдениями. При этом точки наблюдения задают обычно по системе профилей, которые стараются выбирать прямолинейными, направленными вкрест предполагаемого простирания изучаемых объектов, и которые имеют протяженность, значительно превышающую поперечные размеры этих объектов. Расстояния между профилями должны быть по крайней мере в 3 раза меньше продольных размеров изучаемых объектов для того, чтобы аномалия гравитационного поля от них фиксировалась не менее чем на трех соседних профилях. Это позволяет в дальнейшем по аномалиям установить плановое простирание искомых объектов. Шаг точек наблюдения по профилю задают, исходя из поперечных размеров разведываемых структур и объектов, и он должен быть менее 1/3 поперечного размера объекта, что необходимо для получения четкого аномального эффекта не менее чем на трех точках каждого профиля.

Площадная съемка может быть равномерной (расстояния между профилями и пунктами наблюдения по профилю примерно одинаковы), если изучаемые структуры или объекты изометричны в плане, или неравномерной, если они вытянуты. Масштаб гравиметрической съемки определяется, прежде всего, густотой точек наблюдения и предельными расстояниями между ними. Максимальное расстояние между пунктами наблюдения, соответствующее расстоянию между профилями, не должно превышать 1 см результирующей карты, и это определяет мас­штаб съемки. Например, при съемке масштаба 1:100 000 расстоя­ния между профилями на местности должны составлять примерно 1 км.

Погрешность съемки. Проектную погрешность съемки (среднеквадратическую погрешность определения ) выбирают в зависимости от масштаба съемки и интенсивности предполагаемых аномалий  над искомыми геологическими объектами. Проектная погрешность при поисково-разведочной съемке не должна превышать 1/5, а при региональной – 1/3 минимального значения интенсивности (амплитуды) локальных аномалий . На отдельных профилях, где предполагается детальное изучение па­раметров аномалообразующих объектов, погрешность работ должна быть еще меньше. Исходя из величины погрешностей съемок, выбирают гравиметрическую аппаратуру, определяют погрешность топогеодезической привязки, т.е. получения высотных отметок точек наблюдения (для введения редукций) и вычисления координат (для учета нормального значения силы тяжести), а также степень учета смещения нуль-пункта. Соотношение между перечисленными параметрами системы наблюдений при полевых гравиметрических съемках определяется специальной инструкцией.

Система обхода точек наблюдений. После проектирования системы наблюдений для исследуемой площади и выбора гравиметров с соответствующей погрешностью приступают к самой съемке. Основное требование к работе с гравиметрами состоит в том, что за промежуток времени, равный 2,5-3 часам, наблюдения должны проводиться на 2-3 опорных точках, т.е. совокупность последовательных измерений, выполняемых, как правило, в течение 2,5-3 часов, должна завершаться или на одном и том же пункте или на пунктах с известными значениями g. Выявившиеся при этом изменения отсчетов гра­виметра происходят из-за смещения нуль-пункта прибора. Считается, что смещение нуль-пункта линейно во времени за 2-3 часа наблюдений, и поэтому его распределяют пропорционально времени наблюдений по всем пунктам данного рейса. Поскольку гравиметр позволяет выполнять наблюдения только за короткое время, то необходимы точки для постоянной коррекции его показаний. Эти точки называют опорными, а их совокупность - опорной сетью. Опорные точки служат для привязки относительных наблюдений к абсолютному уровню гравитационного поля.

Таким образом, при съемке с гравиметрами измеряют относительные значения силы тяжести последовательно во всех рядовых пунктах по отношению к одной исходной или опорной точке района исследований. В исходной точке, как правило, определяют абсолютное значение силы тяжести путем переноса с помощью высокоточных гравиметров силы тяжести с ближайших обсерваторий и опорных пунктов региональной съемки страны. Абсолютные значения силы тяжести в каждой точке получаются алгебраическим сложением абсолютного значения силы тяжести в исходной точке с относительным значением силы тяжести в данной точке.

Практически при гравиметрической съемке больших площадей сначала разбивают сеть полевых опорных точек для создания жесткой системы значений силы тяжести, привязанной к опорным точкам региональной съемки страны. Затем выполняют наблюдения во всех рядовых пунктах изучаемого района. Опорные точки размещают в местах, удобных для опознавания, и более или менее равномерно по изучаемой площади, а их число должно быть в 5-10 раз меньше, чем число рядовых пунктов наблюдений. Опорная сеть должна отличаться малой погрешностью измерений значений силы тяжести, что достигают, проводя одновременно замеры несколькими высокоточными гравиметрами, увеличивая быстроту съемки (применение для передвижения вертолетов и автомобилей). Выполнение работ в сжатые сроки способствует малому смещению нуль-пункта гравиметров. При создании опорной сети от 50 до 100 % всех наблюдений составляют контрольные измерения. Наблюдения на опорной сети начинают и заканчивают в исходной точке, по отношению к которой рассчитывают приращение силы тя­жести. После замыкания полигона получают невязку, которую разбрасывают так же, как и при топографических работах с нивелиром.

Погрешность наблюдений по опорной сети характеризуется среднеквадратической ошибкой, которую рассчитывают по формуле:

 

                                                                      (13.6)

 

где  - погрешность силы тяжести по контрольным наблюдениям (разность между основным и контрольным замерами);  - общее число всех наблюдений (включая контрольные);  - число контрольных точек. Рядовые наблюдения выполняют обычными гравиметрами, либо по методике однократных наблюдений, либо с повторением части точек при обратном ходе. Для оценки реальной точности съемки в течение полевого сезона систематически ведут контрольные и повторные наблюдения на 5-10 % рядовых точек. Среднеквадратическую ошибку рядовой сети  рассчитывают по значениям погрешностей  также по формуле (13.6).

Обработка наблюдений и представление результатов. По результатам полевых наблюдений с гравиметрами вычисляют приращения силы тяжести согласно (13.4), которые затем перевычисляют в абсолютные наблюденные значения силы тяжести. Для этого необходимо, чтобы абсолютное значение силы тяжести было известно хотя бы в одном пункте съемки. Абсолютные значения силы тяжести на площадь съемки передаются через опорные пункты наблюдений.

В каждом пункте вычисляют аномалию силы тяжести в редукции Буге согласно формуле (12.27). Нормальное значение силы тяжести учитывают по формуле Гельмерта (12.21). Поправку Буге вычисляют согласно формуле (12.26). По результатам съемки обязательно строят карты аномалий Буге с плотностью промежуточного слоя 2,30 и
2,67 г/см³. Для правильной интерпретации строят также карты с истинной плотностью пород. При высокоточных гравиметрических съемках учитывают влияние лунно-солнечного притяжения.

Масштабы отчетных карт аномалий силы тяжести, их точность и сечение изоаномал жёстко связаны друг с другом и определяются инструкцией по гравиразведке. Если выполнялась профильная съемка, то ограничиваются построением только графиков аномалий силы тяжести по профилям.

Основным критерием оценки точности определения аномалий силы тяжести служит среднеквадратическая погрешность, вычисляемая по формуле

                                                           (13.7)

где , , ,  - среднеквадратические погрешности определения, соответственно, наблюденного значения силы тяжести по рядовой сети, опорной сети, поправки Буге и нормального значения силы тяжести. Если значение  не превышает значения проектной погрешности съемки, то работы признаются выполненными кондиционно.

Другие гравиметрические съемки. Кроме наземных гравиметрических съемок в гравиразведке широко используют измерения на акваториях (морская гравиразведка), в меньших объемах проводят аэрогравиметрические, скважинные и вариометрические съемки.

Морские гравиметрические съемки. Гравиметрические измерения на море в зависимости от транспортного средства и глубин моря подразделяют на надводные, подводные и донные. При надводных работах регистрирующая аппаратура (набортные гравиметры и маятниковые приборы) устанавливают на надводных кораблях. Съемку с помощью гравиметров ведут в движении, а регистрацию силы тяжести вдоль профилей осуществляют в автоматическом режиме. При этом необходимо постоянно определять координаты точек наблюдения, что важно не только для их привязки, но и для ввода поправок в наблюденные значения, в том числе и специальных поправок за направление и скорость движения корабля. Морские гравиметрические рейсы (галсы), так же как и на суше, должны начинаться и заканчиваться на опорных гравиметрических пунктах, в качестве которых служат либо специальные опорные пункты в портах захода кораблей, либо точки, в которых выполнены наблюдения с маятниковыми приборами. Погрешность морских надводных измерений силы тяжести составляет при благоприятных условиях ±(0,5-1) мГал.

Подводные гравиметрические работы проводят на подводных лодках. Они отличаются от надводных более спокойными условиями работ (меньшей качкой), а значит, большей точностью, в том числе и при проведении опорных маятниковых наблюдений. Донные измерения проводят с помощью кварцевых астазированных гравиметров, заключенных в специальные водонепроницаемые контейнеры. В точке наблюдения с борта корабля на дно моря опускают донный гравиметр, чувствительная система которого автоматически устанавливается горизонтально при помощи карданного подвеса, а с помощью электроизмерительной системы на борту корабля фиксируют показания гравиметра. Предельные глубины моря при такой съемке составляют
150-200 м, время наблюдения на одной точке на предельных глубинах составляет 1-1,5 ч. Погрешность донных гравиметрических работ невелика и находится на уровне наземных съемок.

Аэрогравиметрические съемки. Аэрогравиметрические съемки проводят с помощью специальных аэрогравиметров. Поле силы тяжести измеряют в движении со скоростью 100-200 км/ч на высоте 70-150 м. В качестве опорных используют несколько профилей, пересечение которых рядовыми профилями позволяет учесть сползание нуль-пункта гравиметров. Погрешность определения  довольно велика и достигает
±1-2 мГал.

Скважинные гравиметрические наблюдения. При скважинных гравиметрических наблюдениях измерения силы тяжести ведут вдоль ствола скважины, для чего необходимо знать ее пространственное положение (наклон, азимут забоев на разных глу­бинах) для учета влияния масс, залегающих над точкой наблюдения. Хотя погрешность таких работ несколько больше, они существенно помогают при обработке данных наземных гравиметрических съемок.

Вариометрические съемки. Для детальной разведки рудных тел, соляных куполов и других локальных неоднородностей применяют вариометрическую съемку, т.е. определение вторых производных потенциала силы тяжести с помощью вариометров и градиентометров. Вариометрическая съемка бывает, как правило, площадной. Она требует более тщательной, высокоточной инструментальной топогеодезической подготовки участка вокруг пункта наблюдений в радиусе до 50 м. Густота точек зависит от масштаба съемки и размеров разведываемых объектов и изменяется от 5 до 100 м. Производительность вариометрической съемки зависит от типа прибора, густоты точек, рельефа местности и может изменяться от двух до десяти пунктов наблюдений в смену. В наблюденные значения вторых производных потенциалов силы тяжести   и других вводят поправки за рельеф, за нормальное поле земного сфероида и вычисляют аномальные значения. Результаты вариометрической съемки изображают в виде карт и графиков вторых производных потенциала, векторов градиента, карт кривизны уровенной поверхности.

Изучение гравитационного поля Земли из космоса. Гравитационное поле Земли влияет на орбиту движения баллистических ракет и искусственных спутников Земли (ИСЗ). Установленные на ИСЗ лазерные и радиолокационные альтиметры (высотомеры) дают возможность уточнять особенности их орбит. С увеличением точности этих измерений появилась возможность решения обратной задачи – изучения особенностей земного гравитационного поля.

Радиолокационный сигнал с ИСЗ отражается от земной поверхности и возвращается к ИСЗ, что позволяет определять высоту орбиты по нормали к поверхности с точностью до нескольких сантиметров. Положение ИСЗ на орбите определяется лазерным методом сетью расположенных вокруг земного шара станций слежения с точностью до 2 см. Такие точности определения высоты и положения ИСЗ позволяют использовать спутниковую альтиметрию для уточнения фигуры Земли и получения сглаженного поля гравиметрических аномалий.

Траектория ИСЗ описывает сложную поверхность, геометрия которой тесным образом связана с геометрией эквипотенциальной поверхности гравитационного потенциала на высоте движения спутника. В совокупности с поверхностными гравиметрическими измерениями спутниковая альтиметрия позволяет существенно уточнить форму геоида (на акваториях, где геоид совпадает с уровнем моря) и построить его более точную математическую модель. В основу интерпретации поверхности гравитационного потенциала в виде поля высот спутника положено его разложение по сферическим функциям различных порядков. При этом гармоники низших порядков могут отображать строение внутренних частей Земли, начиная с границы ядро – мантия, более высоких порядков строение средней и верхней мантии, а детальные аномалии – рельеф фундамента, морского дна, аккумуляцию осадков и пр.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Какие динамические способы измерения силы тяжести Вы знаете?

2. Какова принципиальная схема устройства статических гравиметров?

3. Как и с какой целью осуществляется астазирование упругой системы в гравиметрах?

4. Почему происходит смещение нуль-пункта гравиметра? Как производится эталонирование гравиметра?

5. Что измеряют гравитационные вариометры и градиентометры и как они устроены?

6. Какие виды гравиметрических съемок Вы знаете?

7. Каково назначение опорной и рядовой гравиметрической сети?

 

 

Глава 14