Конспект лекций по дисциплине «Прикладная гравиметрия»

Конспект лекций по дисциплине «Прикладная гравиметрия» (специальность 120103 – Космическая геодезия) Гравиметрия как наука об измерении силы тяжести начала применяться, получив фундаментальное развитие, в физической геодезии. Большой вклад при этом внесли М.С. Молоденский, Ф.Н. Красовский, А.А. Изотов, Л.П. Пеллинен, М.И. Юркина, В.Ф. Еремеев, М.Д. Жонголович, В.В. Бровар, В.В. Бузук, В.А. Магницкий, В.В. Федынский, О.М. Остач и другие ученые. Как прикладной геофизический метод исследований гравиметрия нашла наибольшее применение в геологии получив название гравиразведки. Начало развития отечественной гравиразведки связывается с первыми исследованиями в районе Курской магнитной аномалии (П.П.  Лазарев, П.М. Никифоров, А.А. Михайлов, Л.В. Сорокин, Г.А. Гамбурцев, О.Ю. Шмидт и др.) и поисками соляно-купольных структур (Б.П. Нумеров, Н.Н. Михайлов, Н.Н. Самсонов, Н.Н. Черепанов, Э.Э. Фотиади и др.). Была создана и развивалась научная и образовательная база фундаментальной гравиметрии и гравиразведки. Большой вклад в развитие теории, методики и приборного оснащения детальной гравиразведки внесли Б.А. Андреев, В.М. Березкин, К.Е. Веселов, И.Г. Клушин, П.И. Лукавченко, А.К. Маловичко, Е.А. Мудрецова, В.Н. Страхов, К.Ф. Тяпкин, В.В. Федынский, А.Я. Ярош, В.И. Аронов, А.С. Варламов, В.М. Гордин, Н.П. Грушинский, Г.Г. Ремпель, А.Б. Поляков, В.Г. Филатов, И.Н. Михайлов и другие отечественные ученые. В результате гравиразведка, в том числе высокоточная, стала одним из ведущих геофизических методов при крупномасштабном геологическом картировании и структурно-тектоническом районировании исследуемых территорий, поисках и разведке месторождений нефти и газа, железа и полиметаллов, угля и апатитов и других полезных ископаемых. Накопление положительного опыта детальной гравиразведки открыло перспективы расширения области применения высокоточной гравиметрии в других отраслях. Так, включение метода в комплекс инженерно-геодезических исследований в качестве инженерной гравиметрии в строительстве, позволяет прогнозировать возможность перехода от аномалий силы тяжести к геолого-плотностным, а затем - к прочностным характеристикам строительных площадок и сооружений. Эффективность высокоточной гравиразведки и инженерной гравиметрии, представляющими более общее направление - прикладную высокоточную гравиметрию, изначально зависит от степени надежности разделения исходного гравитационного поля на нормальную и аномальную составляющие, в дальнейшем на этапе интерпретации определяющим является выделение из аномальной составляющей локальных аномалий, в том числе малоинтенсивных. Количественная интерпретация локальных аномалий при этом становится возможной, если они сопоставимы с модельным гравитационным эффектом объекта исследований. 1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РЕДУЦИРОВАНИЯ ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ В качестве одного из основных понятий при определении аномалий силы тяжести (АСТ) о разделении гравитационного поля на составляющие стало редуцирование. Под редуцированием, как правило, подразумевается упрощение поля силы тяжести посредством введения различного рода поправок. Последние часто стали называться также редукциями как в гравиразведке, так и в физической геодезии (Б.А. Андреев, И.Г. Клушин, 1905, Б.П. Шимбирев, 1975 и др.). Отождествление редукций с поправками привело в дальнейшем к некоторым неопределенностям в истолковании аномалий силы тяжести, связанным с их получением. Возникло неоднозначное представление о самих редукциях. Например, существует редукция и поправка за свободный воздух, редукция и поправка Буге, но есть поправка за рельеф, а редукции такой нет. Имеется топографическая редукция, но она разными авторами понимается неодинаково (А.А. Михайлов, 1939, Е.Н. Люстих, 1948, А.В. Сорокин, 1986). 1.1. Основные понятия и термины Понятийная неоднозначность, обусловила возможность проведения в процессе редуцирования некорректных операций, осложнивших процедуру выделения аномалий. Основная причина осложнений связана с внесением элементов интерпретации в процесс редуцирования исходного гравитационного поля. В итоге возникла необходимость в разработке различных способов и методик по ослаблению в аномалиях влияния помех, часто не связанных с физико-геологическими причинами (В.К. Орлов, 1983, В.П. Ким, 1984). В связи с различием мнений о понятиях и терминах требовалось привести их в определенное соответствие. Приведем основные. Редуцирование гравитационного поля (или силы тяжести) - это разделение силы тяжести на этапе обработки результатов гравиметровых измерений. Основная цель редуцирования гравитационного поля состоит в определении его аномальных значений (аномалий) посредством вычитания из измеренной силы тяжести некоторой нормальной величины, представляющей гравитационный эффект теоретической модели Земли. Редуцирование гравитационного поля предполагает получение нормального и аномального значений в точке измерения силы тяжести. Редуцирование гравитационных аномалий - это трансформация, разделение, преобразование аномалий на этапе их интерпретации. Цель редуцирования гравитационных аномалий состоит в выделении полезного гравитационного влияния (эффекта) объектов картирования, районирования, поисков и разведки, на основе редуцирования аномалий осуществляется качественная или количественная оценка их параметров. Сферический параллельный слой это материальный сферический слой постоянной толщины (по аналогии с таким общеупотребляемым термином как плоско-параллельный слой). Промежуточный слой - слой переменной толщины, ограниченный сверху физической поверхностью Земли, снизу - уровнем относимости нормального поля. Он может считаться сферическим - в топографической редукции, или плоским - в редукции Буге. Заполняют промежуточный слой топографические массы. Редукция Буге предполагает выделение одноименных аномалий силы тяжести в физической точке измерения при условии дополнительного учета в нормальном поле притяжения плоского промежуточного слоя. Топографическая редукция аналогична редукции Буге. Отличается тем, что в нормальном поле учитывается притяжение сферического промежуточного слоя. Аномалии силы тяжести могут определяться или в полной, или неполной топографической редукции, когда в каждой физической точке учитывается гравитационное влияние промежуточного слоя (топографических масс) соответственно всей Земли или только в пределах ограниченной области. 1. 2. Основные редукции, возможности их применения в прикладной высокоточной гравиметрии Аномалии силы тяжести в редукции за свободный воздух являются смешанными, недоучитывающими высоту квазигеоида над эллипсоидом. Изменение последней носит планетарный характер. Поэтому на участках детальных гравиметровых работ она исключается при выделении локальных аномалий. Аналогичный характер имеют изостатические редукции, которые находят применение в геодезии и при региональных геолого-геофизических исследованиях. Таким образом, для прикладной высокоточной гравиметрии оказались приемлемыми три известные редукции: 1 - за свободный воздух: 2 - Буге; 3 - топографическая. Требовалось только уточнить некоторые параметры редукций. Прежде, чем рассмотреть эти уточнения, отметим, что исходя из сложившейся практики в гравиразведке, за единицу силы тяжести будем использовать миллигал (мГл), равный 110-5м/с2, а за единицу плотности - 1 г/см3 = 1103кг/м3 Исходным для вычисления аномалий является известное выражение , (1) где g и  - соответственно измеренное и нормальное значения гравитационного поля в гравиметрической точке. Нормальное поле в произвольной точке на высоте (Hц) относительно эллипсоида, на поверхности которого известно распределение исходного нормального поля (0) в редукции за свободный воздух определяется выражением , (2) где - нормальный вертикальный градиент силы тяжести. При высокоточных работах требуется учитывать связь его величины с широтой (В) и высотой (Шимбирев, 1975): , (3) где величина Нц задается в метрах. Запишем выражения для определения нормального гравитационного поля в произвольной точке пространства соответственно в редукциях Буге и топографической , (4) , (5) где gПЛ.ПР.С.(0) и gСФ.ПР.С.( 0) - гравитационное влияние промежуточного слоя с постоянным значением плотности (0) соответственно в плоском и сферическом вариантах. В соответствии со сложившейся практикой, расчеты по вычислению влияния промежуточного слоя обычно производятся в два этапа. На первом этапе оно полагается равным притяжению плоско-параллельного слоя толщиной Нц. Второй этап расчетов связан с определением поправок (g) за гравитационное влияние рельефа местности. Физический смысл этих поправок однозначен - уточнение редукции Буге в результате замены гравитационного эффекта плоско-параллельного слоя на эффект плоского промежуточного слоя, когда уровенная поверхность относимости нормального поля (0) считается плоскостью. Если обозначить через rВ радиус области учета гравитационного влияния промежуточного слоя, то при условии НцВ для АСТ в уточненной для высокоточной гравиметрии редукции Буге получаем . (6) По аналогии, с учетом (5) можем записать выражения для аномалии в топографической редукции. Простота в отличии указанных двух редукций является кажущейся. Именно этот вопрос породил больше всего неясностей и неопределенностей в практической реализации редукции Буге при высокоточных гравиметровых исследованиях, особенно в горных условиях. 1. 3. Выявление особенностей отражения сферичности Земли в гравитационном эффекте промежуточного слоя Показания гравиметра отражают в числе прочих и влияние топографических масс именно сферической Земли. Поэтому некоторые разработчики методики определения поправок за рельеф стремились в любом случае учесть сферичность земной поверхности, независимо от вида используемой редукции поля силы тяжести, это отразилось в названиях редукций, смешивании их физического и геометрического смысла. Требовалось оценить возникшие неопределенности и выявить особенности "плоской" редукции Буге и "сферической" топографической. Рекуррентная формула определения в произвольной точке пространства притяжения сферического параллельного слоя толщиной Нц (Г. Г. Ремпель, 1980) в явном виде не выражает соотношения между притяжением сферического и плоского промежуточных слоев. Но она позволяет оценить точность любой приближенной формулы, в которой эти соотношения будут представлены. Был получен (Каленицкий А.И., Смирнов В.П.) ряд очень простых, но весьма точных приближенных формул для определения притяжения сферического слоя с конкретными параметрами. Например, при r1 = 0, r2  3000 км для слоя толщиной Нц высокую точность обеспечивает формула , (7) Где R - среднее значение радиуса Земли, равное 6371 км; - выражение притяжения плоско-параллельного слоя; величина коэффициента 0.00012 при Нц соответствует выражению его в километрах; величина знака при единице в квадратных скобках правой части формулы соответствует положению результативной точки на слое или уровне его основания. Имея в виду малость величины отношения r/2R то, что сферичность Земли начинает проявляться при r  5-10 км, когда можно считать малой величиной и отношение в результате несложных преобразований формулы (7), получаем , (8) где В этой формуле уже в явном виде отражается сферическая составляющая. Формулы (7) и (8) обеспечивают высокую точность получения результатов - с погрешностью, не превышающей 0.01%. При учете влияния промежуточного слоя в целом эта погрешность уменьшается. Представим, что учитываемая область вокруг результативной точки разделена на n круговые зон, а зоны – на m секторов. Тогда, согласно (8), выражение гравитационного эффекта промежуточного слоя будет иметь вид , (9) где - вертикальная составляющая притяжения "плоских" топографических масс в j-ом секторе i-ой зоны учитываемой области; и - величины внутреннего и внешнего радиусов i-ой зоны; - высота рельефа в j-ом секторе i-ой зоны; - размеры внутреннего и внешнего радиуса всей учитываемой области. Можно заметить, что здесь в отличие от (8) сферическая составляющая не зависит от величины (или ). В случае, когда , получаем , (10) где ; По аналогии, для поправок за рельеф имеем . (11) Для параллельного сферического слоя . (12) Нетрудно заметить, что (10) получается вычитанием (11) из (12). Это подтверждает физический и геометрический смысл неполной топографической редукции. Правая часть всех трех выражений содержит две составляющие - плоскую и сферическую. Главное заключается в том, что если в выражениях для определения поправки за рельеф и влияния параллельного слоя сферическая составляющая зависит от величины Нц, то согласно (9) и (10) ее зависимость от Нц в эффекте промежуточного слоя уже отсутствует. А для прикладной гравиметрии в конечном итоге важно знать и исключать влияние именно промежуточного слоя топографических масс. 1.4. Факторы обусловливающие корреляцию аномалий силы тяжести с высотами рельефа местности Осложнения из-за введения элементов интерпретации при редуцировании гравитационного поля проявляются, как правило, корреляцией аномалий с рельефом местности. Однако такое же отражение в аномалиях может иметь и гравитационный эффект различных геоструктур. А это - полезная информация. Отсюда следует, что повышение качества редуцирования гравитационного поля может и должно быть обеспечено за счет упрощения технологии с целью исключения влияния мешающих факторов негеологического характера, вызывающих корреляционную связь аномалий с рельефом. В связи с этим проанализируем реальные (физико-геологические) и фиктивные факторы, обусловливающие корреляционную связь аномалий с рельефом и обоснуем возможность исключения последних при редуцировании гравитационного поля. 1.4.1. Физико - геологические факторы Глобальные плотностные неоднородности за пределами гравиметровой съемки обусловливают локальную корреляционную связь аномалий (

Похожие:

	Конспект лекций для студентов специальности Прикладная информатика (в экономике) Отличительные признаки высокоэффективных технологий и основные принципы их проектирования		Конспект лекций Специальность 080801 Прикладная информатика в экономике Конспект обычно оформляется на отдельных листах бумаги формата А4 (гарнитура шрифта – Times New Roman, кегль шрифта – 14 пт, межстрочный...
	Конспект лекций для направления подготовки бакалавров «Прикладная информатика» Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования		Конспект лекций по дисциплине правовое регулирование маркетинговой деятельности Опорный конспект лекций по дисциплине правовое регулирование маркетинговой деятельности
	Рабочая учебная программа по дисциплине конспект лекций по дисциплине Дисциплина входит в федеральный компонент общепрофессионального цикла и является обязательной для изучения		Конспект лекций Рабочая программа предназначена для преподавания дисциплины «Основы электронной коммерции» студентам очной полной формы обучения...
	Рабочая учебная программа по дисциплине конспект лекций по дисциплине Организация перевозок и управление на транспорте. Дисциплина входит в цикл общепрофессиональных дисциплин специальности и является...		Конспект лекций Системы автоматизации документооборота Рабочая программа предназначена для преподавания дисциплины «Основы электронной коммерции» студентам очной полной формы обучения...
	Конспект лекций по дисциплине методика самостоятельной работы студента... Отсутствие таких навыков приводит к тому, что учащиеся чувствуют беспомощность и растерянность при необходимости самостоятельно подготовить...		С. П. Филин Концепции современного естествознания: конспект лекций Конспект лекций соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования РФ и...
	Конспект лекций раскрывает содержание и структуру учебной дисциплины... Налоговое право : конспект лекций / сост доцент Р. В. Бобринев; Кузбасский институт экономики и права. – Кемерово, 2011 – 144 с		Конспект лекций по дисциплине «Менеджмент». Перечень качеств личности Учебная практика оформляется в тетради или на листах формата А4 в соответствии с заданиями
	Конспект лекций по дисциплине «История США и Канады» Составитель: Козлов Л. Е., канд пол наук, доцент кафедры международных отношений и американистики		Конспект лекций по дисциплине «Финансы предприятия» Содержание Оборудование: плакаты, карточки со словами, ящик для жетонов, жетоны с изображением клоунов
	Рабочая учебная программа по дисциплине конспект лекций по дисциплине Дисциплина входит в федеральный компонент профессионального цикла дисциплин специальности и является обязательной для изучения. Данный...		Рабочая учебная программа по дисциплине конспект лекций по дисциплине Дисциплина входит в цикл общих математических и естественнонаучных дисциплин специальности и является дисциплиной по выбору студента....