bài giảng địa vật lý phương pháp trọng lực

1.1 Giới thiệu• Thăm dò trọng lực dựa trên việc nghiên cứu, khảo sát sự phân bố của trường trọng lực để giải quyết các nhiệm vụ địa chất • Các đại lượng chủ yếu đặc trưng cho trường trọn

PHƯƠNG PHÁP TRỌNG LỰC

1.4.2 Biến đổi trường trọng lực

1.4.3 Giải bài toán thuận, bài toán nghịch

PP Trọng lực?

1.1 Giới thiệu

• Thăm dò trọng lực dựa trên việc nghiên cứu, khảo sát sự phân bố của trường trọng lực để giải quyết các nhiệm vụ địa chất

• Các đại lượng chủ yếu đặc trưng cho trường trọng lực là thế trọng lực , gia tốc trọng lực

và các đạo hàm của thế trọng lực

r K

F 

K - hằng số hấp dẫn; M - khối lượng Quả đất ;

r - khoảng cách từ vật thể đến yếu tố khối  vi phân khối  ;

C   - vận tốc góc; R - Khoảng cách từ m tới trục quay

Tổng hợp của 2 lực hấp dẫn và ly tâm gọi là trọng lực

C F

• Trong thực tế, lực ly tâm rất nhỏ so với lực hấp dẫn

• Xét một vật thể có khối lượng bằng 1 đơn vị khối lượng (đvkl) Khi đó lực hấp dẫn F có độ lớn bằng gia tốc hấp dẫn f, lực ly tâm C có độ lớn bằng gia tốc ly tâm c, trọng lực G có độ lớn bằng gia tốc trọng lực g.

• Trong thăm dò trọng lực người ta thường đo gía trị của gia tốc trọng lực và gọi tắt là giá trị trọng lực

288

1



F C

2

3 R

r

dM r K m

) y x

( 2

1 r

dm K

W x

W

;

g z

W

; z x

W

; z

W

; y x

W

; y

W

; x

2

2 2

2

2 2

1 E

1.2.3 Giá trị bình thường và bất thường trọng lực

• Giá trị bình thường trọng lực 0 được tính toán với điều kiện giả sử Quả đất có dạng elipxoit cấu tạo bởi những lớp vật chất đồng nhất về mật độ và sắp xếp

đồng tâm Ở Việt Nam thường dùng công thức Henmet

• Giá trị bất thường trọng lực  g tại một điểm quan sát là hiệu số giữa giá trị trọng lực đo được đã quy về mặt Geoit g0 với giá trị bình thường 0 tính theo lý thuyết tại điểm quan sát đó.

• Thành phần đất đá trong Quả đất rất đa dạng, có mật độ biến đổi rất khác nhau, cho nên các giá trị trọng lực đo được sẽ thay đổi tạo nên các bất thường trọng lực  g.

) 2 cos cos

2 sin

sin 1

(

o           



 ,  - kinh độ, vĩ độ địa lý của điểm quan sát

ge - giá trị trọng lực trung bình tại xích đạo (978,030)

 = 0,005302; 1 = 0,000007; 2 = 0

 g = g0 - 0

1.2.4 Lý thuyết đẳng tĩnh

Vỏ trái đất luôn hướng tới sự cân bằng, sự dư thừa khối lượng trên

bề mặt được bù bởi sự thiếu hụt của chúng ở dưới sâu

Đáy biển t

1.2.5 Mật độ đất đá

http://www.earthsci.unimelb.edu.au/ES304/

• Đất đá trầm tích

Mật độ đất đá trầm tích phụ thuộc chủ yếu vào thành phần

thạch học, độ rỗng, độ ẩm và điều kiện thành tạo của đất đá Khi đất đá có cùng thành phần thì đá nào cổ hơn, nằm sâu hơn thường có mật độ cao hơn đá trẻ, nằm nông

Mật độ trung bình của một số đất đá, khoáng vật, quặng

Cát kết 1,8 - 2,8

Đá vôi 2,3 - 3,0 tbQuả đất 5,52Granit 2,4 - 3,0 tbcủa nhân

Quả đất > 12,0Gơnai 2,6 - 2,8

1.3 Công tác thực địa

1.3.1 Máy trọng lực

Các hiện tượng vật lý thường được ứng dụng để chế tạo máy đo trường trọng lực bao gồm:

• Sự co dãn của lò xo hoặc dây đàn hồi treo vật nặng

• Sự dao động của con lắc dây dọi

• Sự rơi tự do

1.3.2 Các phép đo trường trọng lực

• Đo tuyệt đối  đo giá trị tuyệt đối 

đo độ lớn toàn phần của giá trị trọng lực g tại từng điểm quan sát riêng biệt.

• Đo tương đối  đo giá trị tương đối  :

đo gia số (hiệu số) các giá trị trọng lực tại hai điểm khác nhau.

1.3.3 Công tác thực địa

• Mạng lưới quan sát trọng lực

Mật độ điểm đo trọng lực của mạng lưới phụ thuộc vào tỷ lệ quan trắc

Mạng lưới các điểm tựa

– Bao gồm một số ít điểm phân bố đều trên toàn vùng nghiên cứu Mạng lưới tựa phải liên kết với các điểm tựa quốc gia và quốc tế (nếu có).

– Giá trị đo tại các điểm tựa dùng để nâng cao độ chính xác của điểm thường, để tính hiệu chỉnh dịch chuyển điểm O và để đưa các giá trị đo về cùng một mức

so sánh.

Mạng lưới điểm thường

Các điểm đo thường được bố trí theo mạng lưới tuyến hoặc theo lộ trình trên diện tích nghiên cứu Các tuyến đo trọng lực được bố trí theo phương vuông góc với đường phương dự kiến của đối tượng cần nghiên cứu

• Kỹ thuật đo

– Phải xuất phát và kết thúc chuyến đo trọng lực tại 1 hoặc 2 điểm tựa

– Phải nâng cao độ chính xác quan sát điểm thường bằng cách đọc 3 lần số đọc trọng lực và lấy trung bình cộng.

Gravity recovery and climate experiment

GRACE

Đo trọng lực vệ tinh

http://www.nasa.gov/

Satellite gravity

http://www.getech.com/data/satgrav.htm

coverage of GETECH’s ‘Ultimate’ satellite gravity data

1.4 Xử lý tài liệu

1.4.1 Hiệu chỉnh

Biện pháp đưa kết quả đo trọng lực từ mặt vật lý của Quả đất về mặt geoit gọi là phép hiệu chỉnh trọng lực

Trong thăm dò trọng lực thường dùng phép hiệu chỉnh Bughe:

• Hiệu chỉnh độ cao (hiệu chỉnh Fai)

Hiệu chỉnh độ cao

Điểm A cao hơn mặt geoit nên khi

chuyển từ A xuống A' giá trị trọng

' 2

0 )

KM g

H R

KM





Ta phải đưa vào giá trị quan sát

trọng lực một lượng hiệu chỉnh độ cao

(gH) nhằm loại bỏ ảnh hưởng độ cao

của điểm quan sát so với mặt geoit

Hiệu chỉnh lớp giữa

Trong phép hiệu chỉnh độ cao ta

mới chỉ chú ý đến độ cao của

điểm quan sát so với mặt biển mà

chưa chú ý đến lớp vật chất nằm

giữa mặt biển và mặt quan sát

Để loại bỏ ảnh hưởng của lớp vật

Hiệu chỉnh địa hình

Hiệu chỉnh địa hình

(  gđh) nhằm loại bỏ

ảnh hưởng do sự

thừa hay thiếu khối

lượng xung quanh

điểm quan sát do địa

Tổng các phép hiệu chỉnh độ cao, lớp giữa, địa hình gọi là hiệu chỉnh Bughe Bất thường

Bughe là bất thường trọng lực ứng với hiệu

chỉnh Bughe.

o đh

H

A A

g         

A o

A o

g g

g g

g       

là giá trị trọng lực đo được đã quy về xem như đo trên mặt geoit

Xử lý tài liệu, giải thích địa chất kết quả đo

trọng lực

• Giải thích định tính tài liệu trọng lực

Dựa vào các bản đồ đẳng trị hoặc đồ thị theo tuyến ta sơ bộ phân chia ra các vùng bất thường khu vực và bất thường địa phương Một trong những biện pháp tách bất thường địa

phương ra khỏi bất thường khu vực hoặc ngược lại là dùng các phép biến đổi trường như nâng trường, hạ trường, trung bình trường

• Giải thích định lượng tài liệu trọng lực

Giải thích định lượng là quá trình giải bài toán ngược trọng lực, từ các tài liệu đo được trong vùng công tác ta phải xác định hình dạng, kích thước, chiều sâu thế nằm, mật độ của đối tượng địa chất gây ra bất thường trọng lực

Biến đổi trường trọng lực

• Nâng trường

Nhằm làm nổi bật thành phần trường khu vực

• Hạ trường

Nhằm làm nổi bật thành phần trường địa phương

• Tính đạo hàm theo phương thẳng đứng

Được dùng để tách các bất thường địa phương, làm mờ các bất thường có nguồn gốc sâu

• Phân chia trường

 g

x

Bài toán thuận

dư

2

3 2 2

)

KMh g

Bài toán ngƣợc

2 max

2 1

2

max 2

1

) (

2

1 2

1

h x

KMh h

KM g

2 max .

Sự tương đương

1 Đối tượng gần mặt đất kéo rất dài

2 Đối tượng gần mặt đất kéo dài

3 Quả cầu nằm dưới sâu

cùng dị thường trọng lực có thể

giải thích bằng nhiều cách

Dị thường trọng lực đo được

3 Tìm kiếm thăm dò các loại khoáng sản có mật độ khác với đất đá vây quanh như

than, muối, sắt, dầu khí

4 Trong lĩnh vực địa chất thủy văn - công trình, chủ yếu cần phát hiện và nghiên cứu các cấu tạo liên quan với các nhiệm vụ sau:

- Làm sáng tỏ các cấu tạo liên quan đến hình dạng móng đá gốc, phân chia lớp vỏ

phong hóa và lớp phủ

- Xác định vị trí các đới phá hủy, theo dõi phương vỉa của chúng

- Tìm kiếm các lòng sông cổ, thung lũng ngầm

- Trong những năm gần đây người ta còn đo trọng lực chính xác cao để nghiên cứu đặc điểm thế nằm của các tầng đất đá, xác định mật độ trung bình giữa các điểm ở các mức khác nhau; Nghiên cứu các đới phá hủy nhỏ trong khu vực xây dựng các công trình lớn; Theo dõi các đới biến đổi trong các khu vực khai thác hầm lò, nơi xây dựng các công trình giao thông; Những vấn đề này liên quan trực tiếp đến ĐCCT và ĐCTV.

Một số ví dụ áp dụng phương pháp trọng lực giải quyết các nhiệm vụ địa chất

Bản đồ bất thường trọng lực Bughe dải than Hòn Gai

4 Gia tốc trọng lực và gia tốc hấp dẫn khác nhau như thế nào?

5 Viết biểu thức tính trọng lực bình thường, giải thích các tham số?

6 Tại sao cần hiệu chỉnh giá trị trọng lực đo được?

7 Các loại hiệu chỉnh?

8 Các bài toán cho các vật thể đơn giản?

Theo đầu bài HA=1000m, đi tìm HB?

Theo giả thiết Ery, trọng lượng khối vật chất có mật độ 2800 kg/m3được cân bằng với lực đẩy Acsimet bằng trọng lượng của khối phía dưới mức CD bị chiếm chỗ

Ta có:

(ACD+BCD)*2800=BCD*3000 (1)

Trong đó: ACD là diện tích tam giác ACD

BCD là diện tích tam giác BCD

2 Một hệ thống núi – gốc (mountain-root) lý

tưởng như hình vẽ, ở trạng thái cân bằng đẳng tĩnh viết biểu thức tính H qua biến D?  là

mật độ.

Áp dụng tương tự như bài tập 1 ta có:

Trọng lượng của khối vật chất

C D

C

E

2/

2/

D

H D H

D

2

) 2 / (

6 2 / 1 2 / 5

) (

(a) ? (b) ? (c) ?

g?

3 Giải thích công thức hiệu chỉnh độ cao

4 Giải thích công thức tính hiệu chỉnh lớp giữa

 glg = - 0,0419  H (mGal)

5 Vẽ định tính giá trọng lực đo được cắt qua tâm 2 quả cầu có mật độ lớn hơn môi trường vây

6 Vẽ định tính giá trọng lực đo được trên tuyến?

Vẽ giá trị trọng lực khi nâng trường, hạ trường, đạo hàm trọng lực theo phương thẳng đứng?

0

2 > 0

c< 1

7 Vẽ định tính giá trọng lực đo được cắt qua tâm 2 quả cầu có mật độ 1 và 2 môi trường vây

8 Vẽ bản đồ đẳng trị trọng lực và đạo hàm theo phương thẳng đứng của nó trên diện tích Giả

sử bên dưới gồm môi trường đồng nhất và quả cầu có mật độ lơn hơn môi trường vây quanh

Giá trị trọng lực  g

9) Tính  g trên tuyến

đo cắt qua tâm quả

cầu với các tham số:

R



 g

f h

dư

Bài toán quả cầu

-20 -10 0 10 20 30 40



 g

f h

dư

Bài toán trụ tròn nằm ngang

-60 -40 -20 0 20 40 60