Слайд 1 Дисциплина «Полевая геофизика». ГРАВИРАЗВЕДКА лекция 4 Гравиразведка - основана на изучении особенностей распределения гравитационного поля Земли • Эти особенности обусловлены различием плотности горных пород, слагающих геологический разрез. • Особенности распределения гравитационного поля обусловлены так же формой геологических тел. • Многие геологические тела – антиклинальные складки, интрузии, зоны разломов, залежи полезных ископаемых, находят отражение в измеренном на поверхности Земли гравитационном поле. • Эти тела создают положительные и отрицательные аномалии. • Выявляя аномалии, изучая их размеры и интенсивность, можно определять местоположение и параметры геологических тел. • Аномалии геологических тел очень малы и составляют часто только 1/1 000 000 долю от полного значения гравитационного поля Земли. Плотность горных пород (1) =2,0 г/см3 =2,6 г/см3 где - объемная плотность горной породы M –масса образца V- объем образца Размерность: СГС- г/см3 СИ- кг/м3 Слайд 2 Плотность горных пород Плотность магматических горных пород, г/см3 Гранит -2,6 Габбро -2,9 Базальт -3,0 Пироксенит -3,2 Плотность осадочных горных пород, г/см3 Песок -2,1 Песчаник -2,3 Известняк -2,5 Соль- 2,15 Глина -2,3 Слайд 3 м –kп е (- k t H) (2) • Н- глубина • м - минеральная плотность • kп –коэффициент, пропорциональный пористости неуплотненных осадков • kt – коэффициент, учитывающий фактор геологического времени • е→1 при Н=0 , тогда (Н) = неуплотненных осадков • е→0 Н→∞ , тогда (Н)→ м Слайд 4 Сила тяжести и ее составляющие Отклонение направления силы тяжести от направления к центру Земли P mg (3) P =Fп + Fц (4) географическая широта Слайд 5 УРОВЕННЫЕ ПОВЕРХНОСТИ. ГЕОИД. поверхность геоида (уровень моря) физическая поверхность Земли поверхность сфероида Слайд 6 (5) G = 6,67 * 10-11 (м3/кг с2) -гравитационная постоянная M = 5,974 x 10 24 кг – масса Земли R=6371 км- средний радиус Земли (6) r- расстояние от т. Р до оси вращения Земли v –линейная скорость вращения Земли, зависит от φ (на экваторе = 460 м/с, на географических полюсах = 0) Тогда, согласно (4) (7) Слайд 7 Напряженность гравитационного поля g= F m à E à (8) Единицы измерения в СИ- м/с2 1мГл = 10-3Гл = 10-5 м/с2 Если Землю считать шаром и пренебречь Fц, то (9) В гравиразведке g – сила тяжести (ускорение свободного падения, напряженность) Слайд 8 Потенциал гравитационного поля (W) (10) потенциал силы тяжести уровенная поверхность Земли (эквипотенциальная) Слайд 9 УРОВЕННЫЕ ПОВЕРХНОСТИ. ГЕОИД. поверхность геоида физическая поверхность Земли поверхность сфероида Слайд 10 (11) потенциал силы тяжести идеальной Земли Продифференцируем по направлению Z =R (радиус Земли) (12) Слайд11 Слайд 12 горизонтальные градиенты силы тяжести полный горизонтальный градиент силы тяжести вертикальный градиент Внесистемная единица- Этвеш (Е) 1 Е соответствует изменению g=0,1мГал на расстоянии 1 км 1Е = 10-9 с-2 Нормальное значение силы тяжести ý (1 1 sin 2 sin 2 ) 2 2 Формула Кассиниса, Гельмерта и др. - нормальное значение силы тяжести э- значение силы тяжести на экваторе 1 и 2 -коэффициенты, учитывающие влияние центробежной силы и сжатия сфероида Формула Гельмерта (мГл): 978030 1 0,005302sin 2 0,000007sin 2 2 14 Слайд 13 РЕДУКЦИИ И АНОМАЛИИ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ Определение поправок силы тяжести Нормальное значение силы тяжести GM / R 2 1. Поправка высоту Значение поля силы тяжести в т. Р 1 GM / ( R h) 2 Тогда поправка за высоту будет равна разности значений силы тяжести между точками P и P': 2 2 gh GM 1/ R 1/ R h 2GMh / R2 2 h / R. Здесь учтено, что R>>h gà -поправка Фая (поправка за g h 0.3086h свободный воздух) аномалия в редукции Фая gí g h (gн- наблюденное поле) РЕДУКЦИИ И АНОМАЛИИ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ Определение поправок силы тяжести 2.Поправка за промежуточный слой σп - gï 0,0419 ï h Суммарная поправка за высоту и промежуточный слой g Á gh gï (0,3086 0,0419 )h поправка Буге 3. Поправка за рельеф (топографическая) gð 4. Поправка за притяжение Луны – max= 0,25 мГл поправка за притяжение Солнца – max= 0,1 мГл РЕДУКЦИИ И АНОМАЛИИ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ gà gí ga –аномалия силы тяжести gн -наблюденное (измеренное) значение силы тяжести –нормальное значение силы тяжести (рассчитано по формуле Гельмерта) gàÁ gí (0,3086 0,0419 )h Аномалия в редукции Буге • Методы измерения силы тяжести и аппаратура Гравиметрическая аппаратура по назначению разделяется: 1) Для измерения абсолютных значений силы тяжести; 2) Для измерения относительных изменений силы тяжести; 3) Для измерений градиентов силы тяжести. • Измерения абсолютных значений выполняется в редких случаях (в лабораториях). Аппаратура громоздкая (сотни кг) и в практике гравиразведки не используется. • Для измерений используют маятниковые приборы. • Относительные измерения силы тяжести – производится определение приращения Δg по отношению к какому-то известному значению. • Для измерений используются маятниковые приборы и гравиметры. Измерения выполняются динамическими и статическими методами. При динамических методах наблюдается движение тела под действием силы тяжести, при этом измеряемой величиной является время. (Измерения могут быть и абсолютные и относительные). При статических методах наблюдается изменение положения равновесия тела под действием силы тяжести и некоторой другой силой, уравновешивающей силу тяжести. (Измерения могут быть только относительными). СИСТЕМА КВАРЦЕВОГО АСТАЗИРОВАННОГО ГРАВИМЕТРА Интерпретация гравитационных аномалий • Качественная интерпретация – установление взаимосвязей гравитационных аномалий с индикаторными комплексами пород или структурно-тектоническими элементами, которым аномалии обязаны своим происхождением (выполняется в условиях ограниченной априорной информации). Принципы - привлечение априорной информации (геологическое картирование, тектоника, геодинамика и др). - комплексирование с данными других геофизических методов, Результаты - установление геологических факторов, определяющих формирование аномалий, - выделение аномалий для количественной интерпретации, - определение мест постановки дополнительных работ, - геологическое картографирование. Приемы качественной интерпретации гравитационного поля • Как объяснить изменение формы гравитационных аномалий от профиля к профилю? • Следует оценить площадь аномалии (между кривой наблюденного поля и осью абсцисс) – она не изменяется. • Следует оценить расстояния между точками Uz1/2 (половина высоты аномалии) - они не изменяются. • Аномальный источник не изменяется по массе и глубине заложения. Происходит изменение угла падения пласта от профиля к профилю. а) б) Как объяснить изменение формы гравитационных аномалий от профиля к профилю? Следует оценить площадь аномалии (между кривой наблюденного поля и осью абсцисс). Если площади примерно равны происходит изменение глубины залегания аномального источника. Как объяснить смещение гравитационных аномалий по системе профилей? • • • • Следует оценить площадь аномалии (между кривой наблюденного поля и осью абсцисс) – она не изменяется. Следует оценить расстояния между точками Uz1/2 – они не изменяются. Следует провести линеаментный анализ аномалий. Если площади аномалий примерно равны, их морфология не изменяется, а линеаментный анализ указывает на смещение аномальной зоны, можно предполагать наличие разрывного нарушения вкрест простирания аномалии. Как объяснить следующую картину распределения гравитационных аномалий по системе профилей? • Следует оценить площадь аномалии (между кривой наблюденного поля и осью абсцисс) – она не изменяется. • Следует оценить расстояния между точками Uz1/2 – они не изменяются. • Следует провести линеаментный анализ аномалий. • Если площади аномалий примерно равны, их морфология не изменяется, а линеаментный анализ отрисовывает дугообразную структуру можно говорить об изменении направления простирания аномального источника. Интерпретация гравитационных аномалий •Количественная интерпретация – определение структурных и вещественных параметров геологических объектов (глубина залегания, морфология, избыточная плотность, эффективная масса) на основе специализированных математических алгоритмов. Обратная задача – вычисление по распределению гравитационного поля параметров геологического объекта) Прямая задача – вычисление гравитационной аномалии по заданному распределению аномальных масс (предполагается, что известны избыт. плотность, форма, размер тела). Обратная задача Задано аномалия Найти – параметры аномального объекта Прямая задача Вычислить гравитационную аномалию Заданы – параметры аномальных объектов Примеры качественной интерпретации аномальных значений силы тяжести ∆gБ Пески,глины–2,1-2.3 Пески,глины -2,1-2,3 Гипс-ангидрит -2,4-2,5 Известняк -2,5 Песчаник -2,55 фундамент -2,65-2,75 Глина -2,3 фундамент -2,65-2,75 Соль- 2,15 Известняк -2,5 ТРАНСФОРМАЦИИ. ВЫДЕЛЕНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ АНОМАЛИЙ. C C g g Ë A A g g g Ë Rлок< a< Rрег A ñð g g C g R g 2 -значение силы тяжести в т.С -значение силы тяжести , R R на концах радиуса R g R=(0,7-1,0)L, L-ширина локальной аномалии на половине ее амплитуды R КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ. СПОСОБ ПОДБОРА. • Палетка Гамбурцева (а) и пример ее использования для решения прямой и обратной задач гравиразведки (б). • Графики : • 1- расчетный, полученный с использованием палетки Гамбурцева; • 2- наблюденный g Z 0.1 èçá N M M Ï Ð 0,1- цена деления палетки+0,1 мГл σизб – избыточная плотность аномалеобразующего тела; N- число трапеций палетки, попавших в контур тела; Мп –масштаб палетки; Мр- масштаб в котором изображено тело Количественная интерпретация (решение прямой и обратной задачи). Простейшие тела. Залежь магнетита в виде шара h g fM 3 r М - избыточная масса тела; h- глубина залегания центра залежи (шара); f – гравитационная постоянная r Габбро -2,9 Магнетит – 4,7 Графики (кривые) ∆g и Wxz h x 3 M 4 / 3 R 2 2 x- абсцисса точки наблюдения на профиле (на оси x) КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ. ПРОСТЕЙШИЕ ТЕЛА. Кривые ∆g и Wxz над: б) вертикальным уступом При решении обратной задачи пользуются соотношением g=0 при x→-∞, g =fσπ(h2- h1) при x=0; и g =2fσπ(h2- h1) при x→+∞ Тогда амплитуда сброса: h2-h1= g max/2f σπ Положение проекции вертикальной плоскости сброса соответствует абсциссе точки, в которой g= g max/2 По кривой Wxz можно определить глубину залегания верхней и нижней кромок уступа и избыточную плотность: h 1 m m x 0.5 2 2 2 m m x 0.5 h2 2 x m 2 x 0.5 2 0.25 2 x0.5 где x0.5 и x0.25 –абсциссы точек наблюдения, в которых Wxz достигает 0,5 и 0,25 своего максимального значения 1-изогипсы отражающего горизонта; 2- контур положительной гравитационной аномалии; 3- контур отрицательной гравитационной аномалии; 4- скважины предшествующего бурения; 5- скважины последующего бурения Пример выявления «ложной» структуры Пример сопоставления данных высокоточной гравиразведки, сейсморазведки и результатов бурения (скв. 3 не вскрыла продуктивный горизонт). Фрагменты отображения залежей УВ и "пустых" структур в гравитационном поле: 1-2 - ловушки и залежи антиклинального типа; 3 - залежь УВ комбинированного типа; 4 - рифы; 5-7, 10 - залежи неантиклинального типа; 8-9 - "пустые" ловушки; 10 - непромышленная залежь УВ; 11 - сложнопостроенная и многоэтажная залежь. Условные обозначения: 1 – скважины с притоком УВ: а -промышленным; b –непромышленным; с - "пустые"; поле силы тяжести: 2 - наблюденное (Dgан); 3 - восстановленное сверху (Fсв); 4 - восстановленное снизу (Fcн) – региональный фон; 5 - контур залежи УВ по гравиметрическим данным; 6 - залежи нефти; 7 – геологические границы; 8 - глубина залегания залежей УВ в метрах. ПОИСКИ РУДНЫХ ТЕЛ Гравитационная аномалия над сульфидным телом (по С. Вернеру): 1- изоаномалы ∆ 10-5 м/с2 2- сплошные сульфидные руды 3- вкрапленные сульфидные руды ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ УГЛЕНОСНОЙ ТОЛЩИ График поля силы тяжести над угленосной депрессией • 1- угленосные отложения • 2- отложения палеозоя ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ МЕЗОЗОЙСКО-КАЙНОЗОЙСКИХ ОТЛОЖЕНИЙ Геологический разрез и кривая ∆ g по профилю через северную часть гряды Чернышова и Роговское поднятие в Печерском угленосном бассейне (по Б.Д. Полетаеву) ПЛОТНОСТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕФТЯНОЙ ЗАЛЕЖИ • Кривые g(x,0),GH (x,0) и поле GH (x,z) в вертикальной плоскости для однородного по плотности тела, представляющего нефтегазовое месторождение (б). • Выделенная часть тела имеет пониженную плотность. ОЦЕНКА ПРОДУКТИВНОСТИ ЛОВУШЕК НЕФТИ И ГАЗА • Кривая ∆g и поле GH (x,z) для профиля в центральной части (а) и поле GH (x,z) для профиля в законтурной части (б) Степновского месторождения нефти и газа ( по Ю.П. Конценебину) • 1- изолинии GH (x,z) • 2- схематическое положение залежи нефти и газа