Гравиразведку используют для решения многих геологических задач с глубинностью исследований от нескольких метров до нескольких десятков километров. В нефтегазовой отрасли в задачу гравиразведки входят региональные исследования - трассирование границ блоков и крупных разломов в фундаменте, оценка глубины залегания его поверхности и т.п. В благоприятных условиях гравиразведку успешно применяют при поисках и разведке структурных и неструктурных ловушек нефти и газа (антиклинальных складок, рифогенных массивов, зон литологических замещений пород), а также при изучении эффектов, связанных с нефтегазовыми залежами.
Расширяются возможности гравиразведки при изучении труднодоступных районов и акваторий морей и океанов. С этой целью разработана аппаратура и методика измерений поля сила тяжести с самолетов и вертолетов (аэрогравиметрическая разведка). Новым направлением в гравиразведке является изучение вариаций гравитационного поля с целью контроля эксплуатации искусственных газохранилищ, а также природных залежей нефти и газа. Гравиразведка также широко применяется при поисках других ископаемых — рудных и нерудных.
Под методикой гравиразведки понимают выбор метода и аппаратуры, осуществление комплекса операций для изучения поля силы тяжести с такой точностью, которая обеспечила бы выявление ожидаемых аномалий и решение поставленной геологической задачи. Основным в методике гравиразведки является выбор аппаратуры; характера, вида съемки и системы наблюдений; погрешности съемки и правил обхода точек наблюдений; первичной обработки материала и форм его представления.
По технологии работ и способу транспортировки аппаратуры гравиразведку подразделяют на полевые (наземные), морские, воздушные, подземные и скважинные гравиметрические, а также вариометрические наблюдения.
По решаемым геологическим задачам и масштабу съемок различают региональные съемки, проводимые на суше и море в масштабах 1:200 000 и мельче и предназначенные для получения сведений о глубинном строении крупных территорий, и детальные (поисково-разведочные) съемки, выполняемые в масштабах от 1:100 000 до 1:10 000 и направленные на выявление перспективных структур, а также поиск и разведку непосредственно самих месторождений, вплоть до прогноза их нефтегазоносности.
Наземные гравиметрические съемки
Основным методом гравиразведки является полевая (наземная) гравиметрическая съемка, проводимая с помощью гравиметров. Полевые гравиметрические съемки бывают пешеходными и автомобильными, реже используется аэротранспорт. В зависимости от масштаба съемки и способа транспортировки гравиметров наблюдения выполняют в нескольких десятках пунктов за смену.
Выбор характера, вида съемки и системы наблюдений. По характеру расположения точек наблюдения на исследуемой площади гравиметрическая съемка может быть профильной (маршрутной) или площадной. Маршрутную съемку выполняют по отдельным профилям (маршрутам), которые задают вкрест предполагаемого простирания изучаемых объектов. Ее применяют при рекогносцировочных и поисковых работах.
Основным видом гравиметрических съемок является площадная съемка, при которой весь район исследований более или менее равномерно покрывают гравиметрическими наблюдениями. При этом точки наблюдения задают обычно по системе профилей, которые стараются выбирать прямолинейными, направленными вкрест предполагаемого простирания изучаемых объектов, и которые имеют протяженность, значительно превышающую поперечные размеры этих объектов. Расстояния между профилями должны быть по крайней мере в 3 раза меньше продольных размеров изучаемых объектов для того, чтобы аномалия гравитационного поля от них фиксировалась не менее чем на трех соседних профилях. Это позволяет в дальнейшем по аномалиям установить плановое простирание искомых объектов. Шаг точек наблюдения по профилю задают, исходя из поперечных размеров разведываемых структур и объектов, и он должен быть менее 1/3 поперечного размера объекта, что необходимо для получения четкого аномального эффекта не менее чем на трех точках каждого профиля.
Площадная съемка может быть равномерной (расстояния между профилями и пунктами наблюдения по профилю примерно одинаковы), если изучаемые структуры или объекты изометричны в плане, или неравномерной, если они вытянуты. Масштаб гравиметрической съемки определяется, прежде всего, густотой точек наблюдения и предельными расстояниями между ними. Максимальное расстояние между пунктами наблюдения, соответствующее расстоянию между профилями, не должно превышать 1 см результирующей карты, и это определяет масштаб съемки. Например, при съемке масштаба 1:100 000 расстояния между профилями на местности должны составлять примерно 1 км.
Погрешность съемки
Проектную погрешность съемки (среднеквадратическую погрешность определения Δg) выбирают в зависимости от масштаба съемки и интенсивности предполагаемых аномалий Δg над искомыми геологическими объектами. Проектная погрешность при поисково-разведочной съемке не должна превышать 1/5, а при региональной — 1/3 минимального значения интенсивности (амплитуды) локальных аномалий Δg. На отдельных профилях, где предполагается детальное изучение параметров аномалообразующих объектов, погрешность работ должна быть еще меньше. Исходя из величины погрешностей съемок, выбирают гравиметрическую аппаратуру, определяют погрешность топогеодезической привязки, т.е. получения высотных отметок точек наблюдения (для введения редукций) и вычисления координат (для учета нормального значения силы тяжести), а также степень учета смещения нуль-пункта. Соотношение между перечисленными параметрами системы наблюдений при полевых гравиметрических съемках определяется специальной инструкцией.
Система обхода точек наблюдений
После проектирования системы наблюдений для исследуемой площади и выбора гравиметров с соответствующей погрешностью приступают к самой съемке. Основное требование к работе с гравиметрами состоит в том, что за промежуток времени, равный 2,5-3 часам, наблюдения должны проводиться на 2-3 опорных точках, т.е. совокупность последовательных измерений, выполняемых, как правило, в течение 2,5-3 часов, должна завершаться или на одном и том же пункте или на пунктах с известными значениями g. Выявившиеся при этом изменения отсчетов гравиметра происходят из-за смещения нуль-пункта прибора. Считается, что смещение нуль-пункта линейно во времени за 2-3 часа наблюдений, и поэтому его распределяют пропорционально времени наблюдений по всем пунктам данного рейса. Поскольку гравиметр позволяет выполнять наблюдения только за короткое время, то необходимы точки для постоянной коррекции его показаний. Эти точки называют опорными, а их совокупность — опорной сетью. Опорные точки служат для привязки относительных наблюдений к абсолютному уровню гравитационного поля.
Таким образом, при съемке с гравиметрами измеряют относительные значения силы тяжести последовательно во всех рядовых пунктах по отношению к одной исходной или опорной точке района исследований. В исходной точке, как правило, определяют абсолютное значение силы тяжести путем переноса с помощью высокоточных гравиметров силы тяжести с ближайших обсерваторий и опорных пунктов региональной съемки страны. Абсолютные значения силы тяжести в каждой точке получаются алгебраическим сложением абсолютного значения силы тяжести в исходной точке с относительным значением силы тяжести в данной точке.
Практически при гравиметрической съемке больших площадей сначала разбивают сеть полевых опорных точек для создания жесткой системы значений силы тяжести, привязанной к опорным точкам региональной съемки страны. Затем выполняют наблюдения во всех рядовых пунктах изучаемого района. Опорные точки размещают в местах, удобных для опознавания, и более или менее равномерно по изучаемой площади, а их число должно быть в 5-10 раз меньше, чем число рядовых пунктов наблюдений. Опорная сеть должна отличаться малой погрешностью измерений значений силы тяжести, что достигают, проводя одновременно замеры несколькими высокоточными гравиметрами, увеличивая быстроту съемки (применение для передвижения вертолетов и автомобилей). Выполнение работ в сжатые сроки способствует малому смещению нуль-пункта гравиметров. При создании опорной сети от 50 до 100 % всех наблюдений составляют контрольные измерения. Наблюдения на опорной сети начинают и заканчивают в исходной точке, по отношению к которой рассчитывают приращение силы тяжести. После замыкания полигона получают невязку, которую разбрасывают также, как и при топографических работах с нивелиром.
Другие гравиметрические съемки
Кроме наземных гравиметрических съемок в гравиразведке широко используют измерения на акваториях (морская гравиразведка), в меньших объемах проводят аэрогравиметрические, скважинные и вариометрические съемки.
Морские гравиметрические съемки в зависимости от транспортного средства и глубин моря подразделяют на надводные, подводные и донные. При надводных работах регистрирующая аппаратура (набортные гравиметры и маятниковые приборы) устанавливают на надводных кораблях. Съемку с помощью гравиметров ведут в движении, а регистрацию силы тяжести вдоль профилей осуществляют в автоматическом режиме. При этом необходимо постоянно определять координаты точек наблюдения, что важно не только для их привязки, но и для ввода поправок в наблюденные значения, в том числе и специальных поправок за направление и скорость движения корабля. Морские гравиметрические рейсы (галсы), также, как и на суше, должны начинаться и заканчиваться на опорных гравиметрических пунктах, в качестве которых служат либо специальные опорные пункты в портах захода кораблей, либо точки, в которых выполнены наблюдения с маятниковыми приборами. Погрешность морских надводных измерений силы тяжести составляет при благоприятных условиях ±(0,5-1) мГал.
Подводные гравиметрические работы проводят на подводных лодках. Они отличаются от надводных более спокойными условиями работ (меньшей качкой), а значит, большей точностью, в том числе и при проведении опорных маятниковых наблюдений. Донные измерения проводят с помощью кварцевых астазированных гравиметров, заключенных в специальные водонепроницаемые контейнеры. В точке наблюдения с борта корабля на дно моря опускают донный гравиметр, чувствительная система которого автоматически устанавливается горизонтально при помощи карданного подвеса, а с помощью электроизмерительной системы на борту корабля фиксируют показания гравиметра. Предельные глубины моря при такой съемке составляют 150-200 м, время наблюдения на одной точке на предельных глубинах составляет 1-1,5 ч. Погрешность донных гравиметрических работ невелика и находится на уровне наземных съемок.
Аэрогравиметрические съемки
Аэрогравиметрические съемки проводят с помощью специальных аэрогравиметров. Поле силы тяжести измеряют в движении со скоростью 100-200 км/ч на высоте 70-150 м. В качестве опорных используют несколько профилей, пересечение которых рядовыми профилями позволяет учесть сползание нуль-пункта гравиметров. Погрешность определения Δg довольно велика и достигает ±1-2 мГал.
Скважинные гравиметрические наблюдения
При скважинных гравиметрических наблюдениях измерения силы тяжести ведут вдоль ствола скважины, для чего необходимо знать ее пространственное положение (наклон, азимут забоев на разных глубинах) для учета влияния масс, залегающих над точкой наблюдения. Хотя погрешность таких работ несколько больше, они существенно помогают при обработке данных наземных гравиметрических съемок.
Вариометрические съемки.
Для детальной разведки рудных тел, соляных куполов и других локальных неоднородностей применяют вариометрическую съемку, т.е. определение вторых производных потенциала силы тяжести с помощью вариометров и градиентометров. Вариометрическая съемка бывает, как правило, площадной. Она требует более тщательной, высокоточной инструментальной топогеодезической подготовки участка вокруг пункта наблюдений в радиусе до 50 м. Густота точек зависит от масштаба съемки и размеров разведываемых объектов и изменяется от 5 до 100 м. Производительность вариометрической съемки зависит от типа прибора, густоты точек, рельефа местности и может изменяться от двух до десяти пунктов наблюдений в смену. В наблюденные значения вторых производных потенциалов силы тяжести W**, и других вводят поправки за рельеф, за нормальное поле земного сфероида и вычисляют аномальные значения. Результаты вариометрической съемки изображают в виде карт и графиков вторых производных потенциала, векторов градиента, карт кривизны уровенной поверхности.
Изучение гравитационного поля Земли из космоса
Гравитационное поле Земли влияет на орбиту движения баллистических ракет и искусственных спутников Земли (ИСЗ). Установленные на ИСЗ лазерные и радиолокационные альтиметры (высотомеры) дают возможность уточнять особенности их орбит. С увеличением точности этих измерений появилась возможность решения обратной задачи — изучения особенностей земного гравитационного поля.
Радиолокационный сигнал с ИСЗ отражается от земной поверхности и возвращается к ИСЗ, что позволяет определять высоту орбиты по нормали к поверхности с точностью до нескольких сантиметров. Положение ИСЗ на орбите определяется лазерным методом сетью расположенных вокруг земного шара станций слежения с точностью до 2 см. Такие точности определения высоты и положения ИСЗ позволяют использовать спутниковую альтиметрию для уточнения фигуры Земли и получения сглаженного поля гравиметрических аномалий.
Траектория ИСЗ описывает сложную поверхность, геометрия которой тесным образом связана с геометрией эквипотенциальной поверхности гравитационного потенциала на высоте движения спутника. В совокупности с поверхностными гравиметрическими измерениями спутниковая альтиметрия позволяет существенно уточнить форму геоида (на акваториях, где геоид совпадает с уровнем моря) и построить его более точную математическую модель. В основу интерпретации поверхности гравитационного потенциала в виде поля высот спутника положено его разложение по сферическим функциям различных порядков. При этом гармоники низших порядков могут отображать строение внутренних частей Земли, начиная с границы ядро — мантия, более высоких порядков строение средней и верхней мантии, а детальные аномалии — рельеф фундамента, морского дна, аккумуляцию осадков и пр.