Методика гравиметрической съемки

Общие положения

Гравиметрическую съемку проводят для решения разнообразных геологических задач – от изучения глубинного строения земной коры до поисков отдельных рудных тел. В зависимости от поставленных геологических задач съемку подразделяют на общую (региональную) и детальную.

Региональная съемка позволяет получить обзорную картину гравитационного поля на обширной территории, выявить общие закономерности изменений поля и связи его с региональными геологическими структурами, а также выделить наиболее перспективные участки для последующего более детального обследования.

Детальная съемка служит для поисков месторождений полезных ископаемых, изучения отдельных структур и рудных тел. Кроме того, гравиразведка входит в обязательный комплекс геокартировочных работ на территории России, поэтому в помощь геокартированию выполняется планомерно специализированными организациями по всей территории РФ.

По расположению пунктов наблюдений гравиметрические съемки могут быть профильными или площадными.

При профильной съемке наблюдения проводятся на отдельных профилях, не связанных или слабо связанных между собой. В этом случае строятся только графики изменений поля вдоль этих профилей, а карту поля силы тяжести построить нельзя из-за относительно большой удаленности профилей друг от друга и невозможности межпрофильной корреляции аномалий. Такую съемку применяют для предварительного обследования труднодоступных районов, изучения сильно вытянутых структур и т. д.

Площадной называется такая съемка, при которой пункты наблюдений расположены по равномерной сети профилей и все увязаны между собой в единую систему, позволяющую построить карту аномалий силы тяжести по всей площади. При площадной съемке густота сети должна быть такой, чтобы в среднем в масштабе построения карты на каждый квадратный сантиметр карты попадало не менее одной точки наблюдений. Густота сети определяется требованиями инструкции по гравиметрической съемке.

Для проведения площадной съемки вначале разбивается топосеть – сеть профилей, опирающихся на перпендикулярные им магистрали. Основными параметрами топосети являются межпрофильное расстояние и шаг по профилю. Масштаб съемки (т. е. масштаб построения отчетной карты) должен быть таким, чтобы расстояние между профилями на карте не превышало 1 см. Из всех геофизических методов в гравиразведке к топосети предъявляются самые жесткие требования (причины этого будут изложены ниже).

Под методикой гравиметрических работ понимают общую совокупность технических приемов, обеспечивающих выполнение проектируемого задания. Методика полевых (и камеральных) работ определяется целевым заданием работ с учетом всех физико-геологических условий района работ. Применительно к полевым гравиметрическим работам это означает выполнение гравиметрических наблюдений с заданными параметрами.

Методика полевых измерений с гравиметрами определяется особенностями работы гравиметра, отмеченными ранее – измерение приращений силы тяжести Δg, смещение нуля и ограниченный диапазон измерений, для большинства разведочных гравиметров составляющий 100 -120 мГл без перестройки. С учетом этих особенностей гравиметрическая съемка обычно проводится в два этапа: сначала разбивается сеть опорных точек (опорная сеть), а затем на ее основе проводятся рядовые наблюдения.

Сами наблюдения проводятся рейсами. Рейсом называется совокупность последовательных наблюдений на опорных и рядовых пунктах, объединенная непрерывной кривой смещения нуль-пункта (в дальнейшем будем говорить – смещение нуля). Часть рейса между последовательными наблюдениями на опорных пунктах, в промежутке между которыми смещение нуля считается линейным, называется звеном рейса. Таким образом, для последующего определения полного значения силы тяжести g и учета смещения нуля каждое звено рейса должно начинаться и заканчиваться на опорном пункте.

Любые измерения, в том числе и гравиметрические, характеризуются погрешностями. Погрешности могут быть систематическими, полусистематическими и случайными.

Систематическими называют погрешности, имеющие закономерный характер и являющиеся общими для всей съемки. Например, недостаточно точное определение цены деления гравиметра ведет к систематическому занижению или увеличению измеренных значений силы тяжести относительно истинных значений.

Полусистематическими называют погрешности, являющиеся систематическими для конкретного прибора, рейса, оператора, но изменяющиеся случайным образом для различных приборов, рейсов, операторов. Влияние полусистематических погрешностей ослабляется применением соответствующей методики съемки – проведением независимых наблюдений, т.е. наблюдений, выполненных в различное время, разными операторами и разными гравиметрами.

Случайными называют погрешности, имеющие случайный характер. Для них характерно, что среднее арифметическое отклонений измеренных значений от истинных при многократных наблюдениях равно нулю. Их влияние ослабляют проведением многократных наблюдений.

При проектировании гравиметрических работ устанавливают допустимые погрешности наблюдений в соответствии с инструкцией по проведению гравиметрической съемки. Для оценки реально получившихся погрешностей при проведении съемки проводят независимые контрольные наблюдения.

Опорная сеть

Чтобы обеспечить определение абсолютных значений силы тяжести во всех пунктах гравиметрических наблюдений и привести их к единому общегосударственному уровню, на всей территории России и стран бывшего СССР создана сеть высокоточных государственных опорных пунктов I класса с расстоянием между ними 200 – 500 км. (Аэрогравиметрическая экспедиция АН РФ). Средняя квадратическая погрешность приращения силы тяжести между двумя пунктами I класса составляет 0,1 – 0,15 мГл. За исходный пункт этой сети принят пункт «Москва ГАИШ», связанный с пунктом абсолютных определений силы тяжести в Потсдаме.

Между пунктами I класса специализированными организациями создается сеть опорных пунктов II класса с расстоянием между ними 100 – 300 км и погрешностью связи с пунктами I класса не более 0,2 мГл. Опорная сеть I и II классов является основой для дальнейшего сгущения опорной сети при различных гравиметрических съемках.

Полевую опорную сеть привязывают к государственной гравиметрической сети. Проведение съемки в условном уровне разрешено инструкцией только для отдельных профилей длиной менее 20 км, а также площадных съемок масштабов 1:25 000 и крупнее на площадях менее 70 км² без перспектив их наращивания.

Точность определения силы тяжести на опорных пунктах должна быть в 1,5 – 2 раза выше, чем на рядовых пунктах. Повышение точности наблюдений достигается применением более точных гравиметров, многократными измерениями группой гравиметров, сокращением длительности звеньев за счет транспортировки гравиметров на автотранспорте или на вертолете.

Основной методикой наблюдений в рейсе является методика однократных наблюдений по схеме 1 – 2 – 3 - ….- n - … - 3 – 2 – 1. Число пунктов, включаемых в рейс или звено определяется допустимой продолжительностью рейса, которая должна обеспечить линейное смещение нуля с требуемой точностью. Каждый опорный пункт наблюдается не менее, чем в двух независимых рейсах и должен иметь не менее трех приборо-связей с исходным опорным пунктом. Инструкцией в качестве основной рекомендуется методика измерений по центральной системе, при которой каждый опорный пункт имеет связь с пунктом, принятым за центральный в звене (рейсе). Каждое звено при этом начинается и заканчивается на одном и том же центральном пункте (рис. 2.20). За центральный пункт принимают обычно государственный опорный пункт I или II классов. Если этот пункт расположен далеко от площади работ, от него выставляют центральный пункт опорной сети III класса, располагая его на площади работ.

Приращения силы тяжести между опорными и центральным пунктом определяют при равноточных измерениях как средние арифметические из наблюденных приращений, при неравноточных измерениях усреднение выполняют с учетом весов измерений.

При невозможности измерений на всех точках опорной сети по центральной системе (например, в горно-таежной местности) создается двухступенчатая система опорных пунктов, включающая каркасные опорные пункты и пункты заполняющей опорной сети (рис. 2.21). Каркасные пункты создают по центральной системе, а заполняющие опорные пункты создают от пунктов каркасной сети. Каждый рейс при создании заполняющей опорной сети должен начинаться и заканчиваться на каркасном пункте, причем не обязательно на одном и том же.

В том случае, если невозможно создать опорную сеть по центральной ли двухступенчатой системам, применяют полигональную систему измерений (рис. 2.22). Это система, при которой опорная сеть образуется из совокупности полигонов со сторонами, каждая из которых определена в независимых рейсах по схеме 1 – 2 – 1, при этом предпочтительны полигоны с наименьшим числом сторон. Применение этой схемы предполагает последующее уравнивание полигонов.

Число наблюдений на пунктах опорной сети зависит от точности аппаратуры (средней квадратической погрешности единичного наблюдения) и проектной точности определения значений поля на пунктах опорной сети. На каждом опорном пункте должно быть выполнено не менее 3 независимых наблюдений.

После измерений на опорной сети проводится оценка точности создания опорной сети. Погрешность единичного наблюдения на одноступенчатой опорной сети

Рис. 2.20. Варианты создания опорной сети по центральной системе: А – с прямой независимой связью, В – с прямой зависимой связью.

Рис.2.21. Схема создания двухступенчатой опорной сети

Рис. 2.22. Полигональная система создания опорной сети.

рассчитывается по формуле:

, (2.56)

где δ_i – разности между средними и i –тыми значениями на всех опорных точках, N – число наблюдений на всех опорных точках, n – число опорных точек.

Погрешность создания опорной сети определяется по формуле:

, (2.57)

где N_ср – среднее количество наблюдений на точках опорной сети, т.е N/n.

При двухступенчатой системе погрешность оценивается следующим образом:

, (2.58)

где n_к и n_з - число соответственно каркасных и заполняющих опорных точек, ε_к и ε_з – погрешности создания каркасной и заполняющей опорной сети, рассчитанные по формуле (2.56).

Густота опорной сети определяется исходя из требования, чтобы в рядовом рейсе оператор успевал провести измерения на профиле (начиная их и заканчивая на опорном пункте) в течение времени линейного смещения нуля гравиметра.

При полигональной системе наблюдений на опорных пунктах оценка качества полигонов проводится по их невязкам. Допустимая невязка в полигоне определяется по формуле

Wg = 2 , (2.59)

где - СКП определения единичного приращения g;

К – число сторон в полигоне; m – среднее для данного полигона число наблюдений g между двумя смежными пунктами. Значение вычисляется по формуле:

= (2.60)

где S – число сторон полигонов опорной сети.

Погрешность определения силы тяжести на опорных пунктах полигональной системы вычисления по формуле.

= , (2.61)

где М средняя удаленность опорных пунктов от ближайших исходных пунктов, выраженная в числе приращений.

Рядовая сеть

Основными формами сети рядовых пунктов при площадной съемке являются квадратная и прямоугольная. В практике работ чаще используют прямоугольную сеть, что связано как с необходимостью интерпретации данных по профилям, так и с целью наиболее эффективного использования вырубок в залесенных районах. При площадных съемках отношение межпрофильного расстояния к шагу съемки по профилю не должно превышать 5.

Густота сети зависит от задач съемки и геологических условий. Ожидаемые аномалии силы тяжести должны обнаруживаться не менее, чем двумя –тремя точками на профиле и не менее, чем на двух профилях. По амплитуде достаточно надежными считаются аномалии, значения поля в которых относительно соседних точек превышают утроенную погрешность измерений. Подробнее эти вопросы изложены в методических указаниях по курсовому проектированию. Здесь же рассмотрим методику наблюдений при рядовой съемке.

1.Методика однократных наблюдений – наиболее распространенная методика полевых наблюдений. Учет линейного смещения нуля проводится по каждому звену рейса. Смещение определяют по сопоставлению разностей значений силы тяжести между опорными пунктами, полученных в рядовом рейсе с разностью жестких значений силы тяжести на опорных пунктах.

2.Методика с повторениями в обратном ходе. В обратном ходе проводят повторные измерения на ряде точек или на всех точках. По двум наблюдениям на каждой точке строят прямые смещения нуля. Недостатком методики является увеличение продолжительности рейса, что повышает вероятность нелинейного смещения нуля.

3.Методика с повторением в прямом ходе (цикловая). Измерения выполняют по схеме 1 – 2 - 3 – 1 – 2 – 3 – 1 - … При этом также возможен случай невыявления нелинейного смещения нуля, но он менее вероятен.

4.Методика разностного нуль-пункта. Между пунктами каркасной сети проводят одновременные измерения двумя гравиметрами. По результатам измерений вычисляют разность отсчетов гравиметров на каждой точке и строят график разностного нуль-пункта. Точках излома или перегиба разностного нуль-пункта выставляют опорные пункты заполняющей опорной сети. После проведения измерений на этих пунктах заполняющей опорной сети рядовые рейсы переобрабатывают.

В процессе проведения рядовой съемки обязательно выполнение независимых контрольных наблюдений. Эти наблюдения выполняются в другой день, другим оператором и другим прибором. Объем контрольных наблюдений обычно составляет 5 – 10 % от всего объема работ (при двухприборной съемке допускается 3 %), но не менее 50 пунктов. При камеральной обработке подсчитывается погрешность, полученная при съемке и сравнивается с проектной.

Оценка точности рядовой съемки проводится по формуле:

(2.62)

где под понимаются отклонения значений g, полученных в рядовых рейсах, от контрольных, n- число проконтролированных точек.