Гравитационные градиентометры

Размещено на http://www.allbest.ru/

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 работы- это 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 поверхности- лобовую 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 сетка- коллиматор 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 F- фокусное расстояние объектива; K-число отражений от зеркала на коромысле. Постоянная кручения рассчитывается по формуле

где G- модуль сдвига материала нити; d,L- её 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 m- масса цилиндрического грузика; r- радиус 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 T- период 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 трёх- и 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

Размещено на Allbest.ru