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
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 Vxz
и Vyz, 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 Vxz
и Vyz 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 Vxz,
Vyz 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.
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 l̛
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;
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 α
находят из отношения tg α=
.
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.
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