bài giảng địa vật lý phương pháp trọng lực

PHƢƠNG PHÁP TRỌNG LỰC
Nội dung
1.1Giới thiệu
1.2 Cơ sở vật lý địa chất
1.2.1 Trường trọng lực
1.2.2 Thế trọng lực và các đạo hàm của thế trọng lực
1.2.3 Giá trị bình thường và bất thường trọng lực
1.2.4 Lý thuyết đẳng tĩnh
1.2.5 Mật độ đất đá
1.3 Công tác thực địa
1.3.1 Máy trọng lực
1.3.2 Các phép đo trọng lực
1.3.3 Công tác thực địa
1.4 Xử lý tài liệu
1.4.1 Hiệu chỉnh
1.4.2 Biến đổi trường trọng lực
1.4.3 Giải bài toán thuận, bài toán nghịch
1.5 Ứng dụng
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.
1.2 Cơ sở vật lý - địa chất
1.2.1 Trường trọng lực
Lực hấp dẫn



M
r
dMmr
KF
3
.

2
.
q
R
mM
KF 
K - hằng số hấp dẫn; M - khối lượng Quả đất ;
r - khoảng cách từ vật thể đến yếu tố khối vi phân khối;
R
q
- bán kính Quả đất
Lực ly tâm
2

mRC 
- 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
CFG 
R

C
G
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
dMr
K
m
G
g 


(Gal ) 1Gal=1cm/s
2
. 1mGal=10
-3
Gal
1.2.2 Thế trọng lực, các đạo hàm của thế trọng lực
• Trường trọng lực của Quả đất được đặc trưng bằng thế trọng

lực W
• Tính chất của thế trọng lực:
– W là một đại lượng vô hướng, luôn dương tại mọi điểm trong
không gian.
– W đơn trị, tại mỗi điểm chỉ có 1 giá trị của thế trọng lực
222
)yx(
2
1
r
dm
KW 

O
r
g
r
W



Về mặt toán học, có thể coi thế trọng lực W là một hàm mà đạo hàm của nó
theo r hướng r nào đó chính bằng giá trị trọng lực theo hướng đó

cos
W
g
r




Nếu ta xét trong một hệ tọa độ Đề các Oxyz
0
y
W
x
W
;g
z
W









Các đạo hàm bậc 2
zy
W
;
zx
W
;
z
W
;
yx

W
;
y
W
;
x
W
22
2
22
2
2
2
2












Đơn vị đo đạo hàm bậc 2 thế trọng lực là Etssvet (E).
2
9
s

1
10.1E1


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 g
0
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.
)2coscos2sinsin1(g
2
2
2
1
2
eo

,  - kinh độ, vĩ độ địa lý của điểm quan sát
g

e
- giá trị trọng lực trung bình tại xích đạo (978,030)
 = 0,005302; 
1
= 0,000007; 
2
= 0
g = g
0
- 
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.
h
Mặt biển
Đáy biển
t
T

1

0

2
Mô hình Prat
Mặt S
1
B
h

H

0
=2,67
Mô hình Ery
S
D
H
1
D D
0
A
C
D
1
2

m
=3,27

0
T
=

1
(T+h) 
m
D
=


0
H
1.2.5 Mật độ đất đá
/>• 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.
• Đá magma
Mật độ đá magma phụ thuộc chủ yếu vào thành phần khoáng
vật, thành phần thạch học và nguồn gốc của đá. Nói chung mật
độ tăng dần khi chuyển từ đá phun trào axít sang mafic và siêu
mafic. Đá magma xâm nhập có mật độ lớn hơn đá phun trào.
• Đá biến chất
Mật độ đá biến chất phụ thuộc chủ yếu vào thành phần thạch
học và mức độ biến chất.
Mật độ trung bình của một số đất đá, khoáng vật, quặng
Đất đá,
khoáng vật
 (g/cm
3
)
Đất đá, khoáng vật
 (g/cm
3
)
Dầu mỏ
0,8 - 1,0
Gabro

2,8 - 3,1
Nước
1,0
Bazan
2,7 - 3,2
Than
1,1 - 1,4
Peridotit
2,8 - 3,4
Đất
1,13 - 2,0
Quặng đồng
4,1 - 4,3
Cát
1,4 - 1,7
Manhetit, hematit
4,9 - 5,2
Sét
2,0 - 2,2

tb
phần trên vỏ
Quả đất
2,67
Cát kết
1,8 - 2,8
Đá vôi
2,3 - 3,0

tb

Quả đất
5,52
Granit
2,4 - 3,0

tb
của nhân
Quả đất
> 12,0
Gơnai
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
/>Satellite gravity
/>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 lớp giữa
• Hiệu chỉnh địa hình
A
A’ Geoit
Hiệu chỉnh trọng lực
H
Hiệu chỉnh độ cao

Điểm A cao hơn mặt geoit nên khi
chuyển từ A xuống A' giá trị trọng
lực tăng lên.
A
A’ Geoit
Hiệu chỉnh trọng lực
H
2
0
'
2
0
)( R
KM
g
HR
KM
g
AA



Ta phải đưa vào giá trị quan sát
trọng lực một lượng hiệu chỉnh độ cao
(g
H
) nhằm loại bỏ ảnh hưởng độ cao
của điểm quan sát so với mặt geoit.
g
H

= 0,3086.H (mGal)
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
chất nằm giữa mặt geoit và mặt
quan sát ta đưa vào giá trị quan
sát trọng lực một lượng hiệu
chỉnh lớp giữa g
lg
.
A
A’ Geoit
Hiệu chỉnh trọng lực
H
g
lg
= - 0,0419H (mGal)
Hiệu chỉnh địa hình
Hiệu chỉnh địa hình
(g
đh
) nhằm loại bỏ
ảnh hưởng do sự
thừa hay thiếu khối
lượng xung quanh
điểm quan sát do địa

hình không bằng
phẳng gây ra.
A
A’ Geoit
Hiệu chỉnh trọng lực
H
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.
 
A
ođhH
AA
Bg
ggggg

 )(
lg
A
o
A
o
A
Bg
gg


 
)(

lg0 đhH
AA
ggggg 
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.