Гравитационные градиентометры

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

" КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"

(ФГБОУ ВПО КубГУ) Кафедра Геофизических методов поиска и разведки полезных ископаемых Реферат по Гравиразведке Гравитационные градиентометры Краснодар Содержание Введение

1. Основы теории

2. История развития

3. Описание модели ГРБМ-2

4. Работы с гравитационными градиентометрами Заключение Используемая литература Введение Цель данной работыэто описание гравитационного градиентометра, историю его развития, возможности применнеия и основы теории. Гравитационный вариометр и градиентометр применяются для детального исследования областей с большими горизонтальными градиентами силы тяжести. Обычно такие гравитационные поля обусловлены железорудными и полиметаллическими месторождениями. При разведке этих месторождений часто применяют гравитационные вариометры. Более точные работы выполняют с вариометрами, менее точные — с градиентометрами. Повышенная за счет загрубления систем производительность градиентометров, естественно, приводит к большему использованию их по сравнению с вариометрами.

1. Основы теории Приборы для определения вторых производных потенциала силы тяжести называются гравитационными вариометрами и градиентометрами. Гравитационным градиентометром измеряют вторые производные т. е. измеряют кривизны уровенной поверхности и горизонтальные градиенты () силы тяжести.

Вторые производные определяют степень неоднородности гравитационного поля. Для характеристики этой неоднородности необходимо рассматривать силы, действующие на две массы, помещенные в разных точках некоторой малой области. Поэтому чувствительная система гравитационного вариометра представляет собой равноплечее коромысло с грузами па концах, подвешенное на тонкой, вертикально расположенной нити.

Угол закручивания нитей подвеса коромысла являемся мерой разности сил, действующих на грузы. В однородном гравитационном ноле нить не будет закручиваться (угол закручивания равен пулю), так как значения вторых производных потенциала силы тяжести будут равны нулю. В неоднородном гравитационном поле на грузы будут действовать разные по величине и направлению силы. Их составляющие в горизонтальной плоскости создадут пару сил, которая будет закручивать коромысло до тех пор, пока ее действие не будет уравновешено упругим моментом нити подвеса. Непосредственно измеряемым параметром в гравитационных вариометрах и градиентометрах является угл закручивания нити подвеса коромысла. В применяемых на практике приборах используются коромысла различной формы. Гравитационные вариометры и градиентометры из-за их громоздкости, неудобств в транспортировке и необходимости высокой квалификации работающих с ними почти не применяются в настоящее время в нефтяной разведке.

2. История развития гравитационный вариометр градиентометр нефтяной В ВИРГе под руководством С. А. Поддубного был разработан градиентометр ГРБМ (градиентометр быстродействующий, модернизированный). Он представляет собой упрощенную модель вариометра.

Коромысла градиентометра устроены так, что их грузики сильно разнесены по высоте и очень мало по горизонтали. Вследствие этого момент коромысла относительно вертикальной оси вращения очень мал. Градиентометром можно определять только величины V_xz и V_yz, т. е. градиенты силы тяжести, но нельзя получить кривизны. Другая особенность—система быстро затухает. Чувствительность системы по сравнению с вариометром снижена, но производительность существенно выше.

Рисунок 1 Расположение производных потенциалов

Градиентометр предназначен для поисков и разведки рудных месторождений, а также для решения тех геологических задач, где измерения значений вторых горизонтальных производных силы тяжести V_xz и V_yz допускается с не очень высокой точностью. Основой градиентометра являются четыре крутильные системы типа Z. Они устроены следующим образом: коромысло представляет собой полую дюралевую трубку, расположенную в системе градиентометра вертикально. Эта трубка подвешивается на вольфрамовой нити длиной 22,10 см и диаметром 18 мкм, которая нижним концом скреплена с коромыслом в середине полой трубки, а верхним—с крутильной головкой. Таким образом, крутильная нить проходит внутри коромысла. К дюралевой трубке, на ее верхнем и нижнем концах, прикреплены вольфрамовые грузики, так, чтобы они располагались симметрично относительно нити по диаметру трубки. Получается система типа Z с малыми плечами верхнего и нижнего грузиков. В нижней части коромысла прикреплено зеркало. Для ускорения затухания колебаний в верхней и нижней частях коромысла имеются демпфирующие крыльчатки. Крутильная головка позволяет перемещать коромысло по высоте и поворачивать относительно вертикальной оси: таким образом, обеспечивается регулировка системы. Нижняя часть крутильной головки имеет конический выступ для арретирования коромысла. При арретировании расположенные у нижнего конца коромысла пружины поднимают коромысло и прижимают его к этому коническому выступу, чем обеспечиваются надежное закрепление системы и безопасная перевозка градиентометра.

Все четыре коромысла арретируются одновременно. В то же время каждая крутильная система отделена от других и находится в своей герметической камере. Все четыре крутильные системы собраны в дюралевом герметическом корпусе, на котором смонтирована оптическая система. Система регистрации градиентометра существенно упрощена по сравнению с вариометрами. Фоторегистрация заменена визуальным отсчетом.

Установка прибора и наблюдение с ним в полевых условиях занимают 12—15 мин.

Прибор позволяет определять горизонтальные градиенты V_xz, V_yz с погрешностью 7—10 Е. Снижение требований к точности прибора и ограничение его возможностей позволили существенно сократить время успокоения коромысла (от 20 мин у вариометра S-20 до 3 мин у ГРБМ-2) и перейти к визуальным наблюдениям. За счет этого повысилась производительность прибора в 5—8 раз.

3. Описание модели ГРБМ-2

Наибольшее распространение на практике получил гравитационный градиентометр ГРБМ-2. Этот вид приборов автоматических устройств не имеет, так как время наблюдения с ним невелико.

Горизонтальный гравитационный градиентометр ГРБМ-2. Градиентометр имеет очень короткое плечо l коромысла при значительном h, что позволяет измерять лишь горизонтальные градиенты силы тяжести.

Вследствие очень малого плеча коромысла прибор труден в настройке, требует предельно аккуратного обращения. Создание прибора оправдывается высокой производительностью, возможностью контроля работы каждой крутильной системы и получения результатов наблюдений на месте. Способ наблюдений — визуальный. Эти особенности прибора исключают брак в работе из-за неуспокоения коромысел.

Все четыре крутильные системы градиентометра заключены в одну общую массивную оболочку — корпус крутильных систем. Коромысло представляет собой тонкую трубку, на концах которой укреплены демпферные звёздочки, несущие цилиндрические вольфрамовые грузики, и демпферные крылья. Внизу трубки укреплено зеркало, имеющее две зеркальные поверхностилобовую и торцевую. Крутильная нить проходит внутри трубки по её осевой линии. Для уменьшения паразитических колебаний (дрожаний) коромысла точки его подвеса к крутильной нити и центр тяжести расположен очень близко. Демпферные звёздочки по обоим концам коромысла обеспечивают затухание движения, близкого к апериодическому. Для усиления затухания движения коромысла и уменьшения влияния конвекционных воздушных потоков, смещающих нуль-пункт коромысла, внутренняя полость оболочки прибора сделана очень тесной, близко повторяющей конфигурацию коромысла, с малыми зазорами по бокам и по торцу.

Прибор имеет четыре осветителя и сложную оптическую систему, отражающую лучи от четырёх крутильных систем в одну зрительную трубку. Здесь лучи собираются в один окуляр, в фокальной плоскости которого имеется сеткаколлиматор с четырьмя шкалами, по каждых из которых проходят индексы, изображающие риски празмы осветителя. Визуальный отчёт и короткое время экспозиции позволили исключить кассетный, контактный и ведущий механизмы. При работе с градиентометром ГРБМ-2 оператор сам включает осветители на нужное время и переводит прибор из одного азимута в другой.

Для наблюдений в двух и четырёх азимутах прибор снабжён азимутальным диском, автоматически отмечающим поворот прибора на каждые 90°. Для ориентировки прибора в нужном направлении азимутальный диск поворачивается на своей оси и стопорится винтом. С целью ориентировки прибора по заданному магнитному азимуту или в любом направлении он снабжён буссолью и диоптрами, имеющими возможность поворота на заданный угол, отсчитываемый по лимбу.

Рисунок 2 Градиентометр ГРБМ-2

4. Работы с гравитационными градиентометрами Градиентометры нуждаются в определении коэффициентов в уравнении. С достаточной точностью величины h и l? измеряются линейкой, а m определяется взвешиванием на весах. Кроме того, для грузиков следует учитывать распределение масс коромысла. Зная фокусное расстояние объектива, оптический рычаг D находится по формуле где Fфокусное расстояние объектива; K-число отражений от зеркала на коромысле. Постоянная кручения рассчитывается по формуле где Gмодуль сдвига материала нити; d, Lеё диаметр и длина.

Кроме того, t можно определить по результатам измерения угла отклонения коромысла под влиянием известного момента силы, создаваемой массой, подносимой к грузику коромысла. На практике постоянная t чаще всего находится по периоду собственных колебаний подвешенного на нити груза, момент инерции которого J известен. Период таких колебаний. Момент инерции цилиндрического грузика относительно оси его вращения можно вычислить по формуле (где mмасса цилиндрического грузика; rрадиус основания цилиндра). Постоянная t определяется и методом сравнения периодов свободных колебаний в четырёх азимутах коромысла, подвешенного на нити, для которой она известна и неизвестна. При этом одновременно можно установить момент инерции коромысла. Период колебаний коромысла, свободный от влияния затухания,

/(,

где Tпериод затухающих колебаний; - отношение предыдущей амплитуды колебания коромысла к последующей.

Постоянные градиентометров оцениваются также по результатам серии измерений в точке, где с необходимой точностью известны значения вторых производных гравитационного потенциала.

Рисунок 3 Положение градиентометра

Гравитационные градиентометры являются чрезвычайно чувствительными приборами, поэтому во время измерений их следует оберегать от толчков, резких изменений температур, действия ветра.

Наблюдения ведутся в пяти-, четырёх — и трёхазимутном циклах. Последний наиболее распространён, так как позволяет в минимальное время получать значения всех четырёх производных при совместном использовании показаний по обоим коромыслам.

Пятиазимутный цикл применяется в тех случаях, когда нужно получить все четыре значения производных для каждого коромысла отдельно. Четырёхазимутный цикл применяют тогда, когда хотят получить значения горизонтальных градиентов независимо от каждого из коромысел.

В комплекс работ с гравитационными градиетометрами для геологоразведочных целей входит:

а) определение координат и высот пунктов наблюдений и закрепление их на местности;

б) нивелировка вокруг пункта наблюдений для поправки за влияние рельефа;

в) измерения непосредственно гравитационным градиентометром;

г) обработка результатов измерений и введение необходимых поправок;

д) построение карт векторов, кривизн, карт изоаномал.

Рисунок 4 Вращающийся градиентометр

В результате измерений вводятся поправки за влияние рельефа ближних по результатам специальной нивелировки вокруг пункта и дальних зон по топографическим картам соответствующего масштаба.

Нивелировка вокруг пункта наблюдения в зависимости от принятого способа вычисления поправки делается по нескольким лучам с заданным интервалом наблюдений над ним. Густота этой нивелировочной сети зависит от сложности рельефа.

Для пунктов измерений нужно выбирать места, удалённые от крутых оврагов и холмов. В радиусе 20 м и не желательно наличие склонов с углом наклона более 6°. Однако следует помнить, что измерения, выполненные на разновысотных пунктах, несут большую информацию, чем на одновысотных.

Контроль за работой прибора ведётся по сопоставлению результатов измерения производных разными коромыслами, замеров в трёхи пятиазимутном циклах, а также путём специальных контрольных измерений.

Средняя квадратическая ошибка наблюдений вычисляется по формуле

где — отклонение от среднего значения второй производной; m — число измерений; n — число пунктов наблюдений.

По величинам производных в принятой схеме координат вычисляются модули вектора горизонтального градиента напряжённости поля по формуле Угол б находят из отношения tg б=. По значениям и вычисляют так называемый вектор кривизн и его азимут

; .

Величина является мерой уклонения уровенной поверхности от сферы в точке наблюдения (для сферы =0). В каждой точке наблюдений строят вектор и отрезок так, что эта точка совпадает с началом вектора и серединой. Угол является азимутом. При необходимости строят карты изоаномал. Для этого приращения вычисляют по известным формулам численного интегрирования, например по формулам трапеций Для определения вертикального градиента напряжённости гравитационного поля специальной аппаратуры не разработано, и для его вычисления используются результаты измерений результаты измерений гравиметром на поверхности земли и высокой треноге. При высоте последней h=300см и погрешности измерений гравиметром 0,01 мГал ошибка измерения составит 30 E. Эту ошибку уменьшают многократными повторными измерениями, увеличением чувствительности гравиметров и применением различных способов учёта измерений нуль-пункта. Точность измерения понижается не только из-за случайных погрешностей, но также из-за систематических влияний инерционных ускорений типа кросс-каплинг-эффекта в морских набортных гравиметрах. Для борьбы с этими эффектами следует применять усиленное демпфирование, проводить наблюдения двумя гравиметрами, повёрнутыми относительно друг друга на 180°. Для оценки лучше использовать гравиметры, имеющие очень малое упругое последействие. С помощью удаётся измерять с погрешностью 3−5 E.

Заключение

Гравиметры используются в гравиразведке для изучения земной коры, поисков и разведки месторождений полезных ископаемых. Специальные геодезические гравиметры обладают широким диапазоном измерения g, для них характерно линейное изменение нуль-пункта в течение больших интервалов времени. Сильно демпфированные гравиметры применяются для измерений в движении на подводных и надводных кораблях. При съемке континентальных шельфов используются донные гравиметры, дистанционно управляемые с борта судна. Съемка в движении на самолете находится в стадии успешной разработки.

Используемая литература Грушинский Н. П., Сажина Н. Б. Гравитационная разведка Изд.

" Недра" 1988

Маловичко А. К. Костицин К.Е.Гравиразведка Изд. «Недра» 1992

Серкеров С. А. Гравиразведка и магниторазведка Изд. «Недра» 1999