Методика гравіразведочних робіт
Гравірозвідки використовують для вирішення багатьох геологічних завдань з глубинностью досліджень від декількох метрів до декількох десятків кілометрів. У нафтогазовій галузі в задачу гравиразведки входять регіональні дослідження - трасування меж блоків і великих розломів у фундаменті, оцінка глибини залягання його поверхні і т.п. У сприятливих умовах гравірозвідки успішно застосовують при пошуках і розвідці структурних і неструктурних пасток нафти і газу (антиклінальних складок, рифогених масивів, зон литологических заміщень порід), а також при вивченні ефектів, пов'язаних з нафтогазовими покладами.
Розширюються можливості гравиразведки при вивченні важкодоступних районів і акваторій морів і океанів. З цією метою розроблена апаратура і методика вимірювань поля сила тяжіння з літаків і вертольотів (аерогравіметріческая розвідка). Новим напрямком в гравиразведки є вивчення варіацій гравітаційного поля з метою контролю експлуатації штучних газосховищ, а також природних покладів нафти і газу. Гравірозвідка також широко застосовується при пошуках інших копалин - рудних і нерудних.
Під методикою гравиразведки розуміють вибір методу і апаратури, здійснення комплексу операцій для вивчення поля сили тяжіння з такою точністю, яка забезпечила б виявлення очікуваних аномалій і рішення поставленої геологічної задачі. Основним в методиці гравиразведки є вибір апаратури; характеру, виду зйомки і системи спостережень; помилки знімання і правил обходу точок спостережень; первинної обробки матеріалу і форм його подання.
За технологією робіт і способу транспортування апаратури гравірозвідки поділяють на польові (наземні), морські, повітряні, підземні і свердловинні гравіметричні, а також варіометріческіе спостереження.
За важливість справ геологічним завданням і масштабом зйомок розрізняють регіональні зйомки, проведені на суші і морі в масштабах 1: 200 000 і дрібніше і призначені для отримання відомостей про глибинну будову великих територій, і детальні (пошуково-розвідувальні) зйомки, що виконуються в масштабах від 1: 100 000 до 1:10 000 і спрямовані на виявлення перспективних структур, а також пошук і розвідку безпосередньо самих родовищ, аж до прогнозу їх нафтогазоносності.
Наземні гравіметричні зйомки
Основним методом гравиразведки є польова (наземна) гравіметрична зйомка, проведена за допомогою гравіметрія. Польові гравіметричні зйомки бувають пішохідними та автомобільними, рідше використовується аеротранспорт. Залежно від масштабу зйомки і способу транспортування гравіметрів спостереження виконують в кількох десятках пунктів за зміну.
Вибір характеру, виду зйомки і системи спостережень. За характером розташування точок спостереження на досліджуваній площі гравіметрична зйомка може бути профільної (маршрутної) або базарною. Маршрутну зйомку виконують по окремим профілям (маршрутами), які задають хрестом передбачуваного простягання досліджуваних об'єктів. Її застосовують при рекогносцирувальна і пошукових роботах.
Основним видом гравиметрических зйомок є майданна зйомка, при якій весь район досліджень більш-менш рівномірно покривають гравіметричними спостереженнями. При цьому точки спостереження задають зазвичай по системі профілів, які намагаються вибирати прямолінійними, спрямованими хрестом передбачуваного простягання досліджуваних об'єктів, і які мають протяжність, що значно перевищує поперечні розміри цих об'єктів. Відстані між профілями повинні бути принаймні в 3 рази менше поздовжніх розмірів досліджуваних об'єктів для того, щоб аномалія гравітаційного поля від них фіксувалася не менше ніж на трьох сусідніх профілях. Це дозволяє в подальшому по аномалій встановити планове простягання шуканих об'єктів. Крок точок спостереження за профілем задають, виходячи з поперечних розмірів розвідувати структур і об'єктів, і він повинен бути менше 1/3 поперечного розміру об'єкта, що необхідно для отримання чіткого аномального ефекту не менше ніж на трьох точках кожного профілю.
Майданна зйомка може бути рівномірної (відстані між профілями і пунктами спостереження за профілем приблизно однакові), якщо досліджувані структури або об'єкти ізометрічни в плані, або нерівномірною, якщо вони витягнуті. Масштаб гравіметричної зйомки визначається, перш за все, густотою точок спостереження і граничними відстанями між ними. Максимальна відстань між пунктами спостереження, відповідне відстані між профілями, не повинно перевищувати 1 см результуючої карти, і це визначає масштаб зйомки. Наприклад, при зйомці масштабу 1: 100 000 відстані між профілями на місцевості повинні становити приблизно 1 км.
похибка зйомки
Проектну похибка зйомки (середньоквадратичне похибка визначення δg) вибирають в залежності від масштабу зйомки і інтенсивності передбачуваних аномалій δg над шуканими геологічними об'єктами. Проектна похибка при пошуково-розвідувальної зйомці не повинна перевищувати 1/5, а при регіональній - 1/3 мінімального значення інтенсивності (амплітуди) локальних аномалій δg. На окремих профілях, де передбачається детальне вивчення параметрів аномалообразующіх об'єктів, похибка робіт повинна бути ще менше. Виходячи з величини похибок зйомок, вибирають гравіметричну апаратуру, визначають похибка топогеодезической прив'язки, тобто отримання висотних відміток точок спостереження (для введення редукцій) і обчислення координат (для обліку нормального значення сили тяжіння), а також ступінь обліку зміщення нуль-пункту. Співвідношення між перерахованими параметрами системи спостережень при польових гравіметричних зйомках визначається спеціальною інструкцією.
Система обходу точок спостережень
Після проектування системи спостережень для досліджуваної площі і вибору гравіметрів з відповідною похибкою приступають до самої зйомки. Основна вимога до роботи з гравіметрами полягає в тому, що за проміжок часу, рівний 2,5-3 години, спостереження повинні проводитися на 2-3 опорних точках, тобто сукупність послідовних вимірювань, які виконуються, як правило, протягом 2,5-3 годин, повинна завершуватися або на одному і тому ж пункті або на пунктах з відомими значеннями g. Виявившись при цьому зміни відліків гравіметра відбуваються через зсув нуль-пункту приладу. Вважається, що зміщення нуль-пункту лінійно в часі за 2-3 години спостережень, і тому його розподіляють пропорційно часу спостережень за всіма пунктами даного рейсу. Оскільки гравіметр дозволяє виконувати спостереження тільки за короткий час, то необхідні точки для постійної корекції його показань. Ці точки називають опорними, а їх сукупність - опорною мережею. Опорні точки служать для прив'язки відносних спостережень до абсолютного рівня гравітаційного поля.
Таким чином, при зйомці з гравіметрами вимірюють відносні значення сили тяжіння послідовно у всіх рядових пунктах по відношенню до однієї вихідної або опорній точці району досліджень. У вихідній точці, як правило, визначають абсолютне значення сили тяжіння шляхом перенесення за допомогою високоточних гравіметрів сили тяжіння з найближчих обсерваторій і опорних пунктів регіональної зйомки країни. Абсолютні значення сили тяжіння в кожній точці виходять алгебраїчним складанням абсолютного значення сили тяжіння у вихідній точці з відносним значенням сили тяжіння в даній точці.
Практично при гравіметричної зйомці великих площ спочатку розбивають мережу польових опорних точок для створення жорсткої системи значень сили тяжіння, прив'язаною до опорних точок регіональної зйомки країни. Потім виконують спостереження у всіх рядових пунктах досліджуваного району. Опорні точки розміщують в місцях, зручних для впізнання, і більш-менш рівномірно по досліджуваної площі, а їх число повинне бути в 5-10 разів менше, ніж число пересічних пунктів спостережень. Опорна мережа повинна відрізнятися малою похибкою вимірювань значень сили тяжіння, що досягають, проводячи одночасно заміри декількома високоточними гравіметрами, збільшуючи швидкість зйомки (застосування для пересування вертольотів і автомобілів). Виконання робіт у стислі терміни сприяє малому зміщення нуль-пункту гравіметрів. При створенні опорної мережі від 50 до 100% всіх спостережень складають контрольні вимірювання. Спостереження на опорній мережі починають і закінчують у вихідній точці, по відношенню до якої розраховують приріст сили тяжіння. Після замикання полігону отримують невязку, яку розкидають також, як і при топографічних роботах з нівеліром.
Інші гравіметричні зйомки
Крім наземних гравіметричних зйомок в гравиразведки широко використовують вимірювання на акваторіях (морська гравірозвідка), в менших обсягах проводять аерогравіметріческіе, свердловини та варіометріческіе зйомки.
Морські гравіметричні зйомки в залежності від транспортного засобу і глибин моря поділяють на надводні, підводні і донні. При надводних роботах реєструє апаратура (набортні гравіметри і митників прилади) встановлюють на надводних кораблях. Зйомку за допомогою гравіметрія ведуть в русі, а реєстрацію сили тяжіння уздовж профілів здійснюють в автоматичному режимі. При цьому необхідно постійно визначати координати точок спостереження, що важливо не тільки для їх прив'язки, але і для введення поправок в спостережені значення, в тому числі і спеціальних поправок за напрямок і швидкість руху корабля. Морські гравіметричні рейси (галси), також, як і на суші, повинні починатися і закінчуватися на опорних гравіметричних пунктах, в якості яких служать або спеціальні опорні пункти в портах заходу кораблів, або точки, в яких виконані спостереження з маятниковими приладами. Похибка морських надводних вимірювань сили тяжіння становить при сприятливих умовах ± (0,5-1) мГал.
Підводні гравіметричні роботи проводять на підводних човнах. Вони відрізняються від надводних спокійнішими умовами робіт (меншою хитавицею), а значить, більшою точністю, в тому числі і при проведенні опорних маятникових спостережень. Донні вимірювання проводять за допомогою кварцових астазірованних гравіметрія, укладених в спеціальні водонепроникні контейнери. У точці спостереження з борту корабля на дно моря опускають донний гравіметр, чутлива система якого автоматично встановлюється горизонтально за допомогою карданного підвісу, а за допомогою електровимірювальної системи на борту корабля фіксують показання гравіметра. Граничні глибини моря при такій зйомці становлять 150-200 м, час спостереження на одній точці на граничних глибинах становить 1-1,5 год. Похибка донних гравиметрических робіт невелика і знаходиться на рівні наземних зйомок.
Аерогравіметріческіе зйомки
Аерогравіметріческіе зйомки проводять за допомогою спеціальних аерогравіметров. Поле сили тяжіння вимірюють в русі зі швидкістю 100-200 км / год на висоті 70-150 м. В якості опорних використовують кілька профілів, перетин яких рядовими профілями дозволяє врахувати сповзання нуль-пункту гравіметрів. Похибка визначення δg досить велика і досягає ± 1-2 мГал.
Хімічні гравіметричні спостереження
При свердловинних гравиметрических спостереженнях вимірювання сили тяжіння ведуть уздовж стовбура свердловини, для чого необхідно знати її просторове положення (нахил, азимут вибоїв на різних глибинах) для врахування впливу мас, що залягають над точкою спостереження. Хоча похибка таких робіт трохи більше, вони істотно допомагають при обробці даних наземних гравіметричних зйомок.
Варіометріческіе зйомки.
Для детальної розвідки рудних тіл, соляних куполів та інших локальних неоднорідностей застосовують варіометріческую зйомку, тобто визначення других похідних потенціалу сили тяжіння за допомогою варіометрів і градіентометр. Варіометріческая зйомка буває, як правило, базарною. Вона вимагає більш ретельної, високоточної інструментальної топогеодезической підготовки ділянки навколо пункту спостережень в радіусі до 50 м. Густота точок залежить від масштабу зйомки і розмірів розвідувати об'єктів і змінюється від 5 до 100 м. Продуктивність варіометріческой зйомки залежить від типу приладу, густоти точок, рельєфу місцевості і може змінюватися від двох до десяти пунктів спостережень за зміну. У спостережені значення других похідних потенціалів сили тяжіння W **, і інших вводять поправки за рельєф, за нормальне поле земного сфероїда і обчислюють аномальні значення. Результати варіометріческой зйомки зображують у вигляді карт і графіків других похідних потенціалу, векторів градієнта, карт кривизни рівної поверхні.
Вивчення гравітаційного поля Землі з космосу
Гравітаційне поле Землі впливає на орбіту руху балістичних ракет і штучних супутників Землі (ШСЗ). Встановлені на ШСЗ лазерні і радіолокаційні альтиметр (висотоміри) дають можливість уточнювати особливості їх орбіт. Зі збільшенням точності цих вимірів з'явилася можливість розв'язання оберненої задачі - вивчення особливостей земного гравітаційного поля.
Радіолокаційний сигнал з ШСЗ відбивається від земної поверхні і повертається до ШСЗ, що дозволяє визначати висоту орбіти по нормалі до поверхні з точністю до декількох сантиметрів. Положення ШСЗ на орбіті визначається лазерним методом мережею розташованих навколо земної кулі станцій спостереження з точністю до 2 см. Такі точності визначення висоти і положення ШСЗ дозволяють використовувати супутникову альтиметр для уточнення фігури Землі і отримання згладженого поля гравиметрических аномалій.
Траєкторія ШСЗ описує складну поверхню, геометрія якої тісно пов'язана з геометрією еквіпотенційної поверхні гравітаційного потенціалу на висоті руху супутника. У сукупності з поверхневими гравіметричними вимірами супутникова альтиметр дозволяє істотно уточнити форму геоїда (на акваторіях, де геоид збігається з рівнем моря) і побудувати його більш точну математичну модель. В основу інтерпретації поверхні гравітаційного потенціалу у вигляді поля висот супутника належить його розкладання по сферичним функціям різних порядків. При цьому гармоніки нижчих порядків можуть відображати будову внутрішніх частин Землі, починаючи з кордону ядро - мантія, більш високих порядків будова середньої та верхньої мантії, а детальні аномалії - рельєф фундаменту, морського дна, акумуляцію опадів тощо.