Гравиразведка

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
Ã
 E Ã (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