Лабораторные методы изучения физических свойств Методы гравиметрических измерений
Гравиметрия направлена на изучение изменений силы тяжести, связанных с неравномерностью плотности горных пород, распределением масс внутри Земли и структурными неоднородностями. Лабораторные методы позволяют воспроизводить геофизические условия в контролируемой среде, обеспечивая высокоточные измерения физических свойств веществ, влияющих на гравитационное поле. Эти данные необходимы для интерпретации полевых гравиметрических наблюдений.
Плотность (ρ) — один из ключевых параметров, от которого зависит локальное значение ускорения свободного падения. Измерение плотности твердых образцов осуществляется с использованием следующих методик:
Используется принцип вытеснения жидкости, чаще всего — дистиллированной воды или толуола. Измеряется масса сухого образца в воздухе (m₁) и его кажущаяся масса в жидкости (m₂), что позволяет вычислить объем вытесненной жидкости, а затем и объем самого образца:
$$ V = \frac{m_1 - m_2}{\rho_{\text{жидкости}}} $$
$$ \rho = \frac{m_1}{V} $$
Метод позволяет получить плотность с точностью до ±0.01 г/см³, что вполне достаточно для интерпретации гравиметрических аномалий.
Применяется для измельчённых образцов. В пикнометр добавляется порошок породы и жидкость известной плотности. Путём точного измерения массы и объёма можно определить истинную плотность, не включая пористость.
Пористость влияет на эффективную плотность пород. В лаборатории она определяется как отношение объёма пор к общему объёму образца:
$$ \phi = \frac{V_{\text{пор}}}{V_{\text{общий}}} $$
Для оценки объёма пор применяют методы насыщения жидкостью или газом под давлением с последующим измерением массы или объёма вытесненного вещества.
Водонасыщенность (Sᵥ) измеряется по соотношению массы воды в порах к полной поровой ёмкости. Она критически важна при моделировании гравитационного отклика водонасыщенных толщ.
Для имитации подповерхностных структур создаются трёхмерные модели из материалов с известной плотностью (например, пластик, парафин, металл). Измерения гравитационного отклика проводятся с помощью мини-гравиметров в лабораторной установке, оборудованной платформой с датчиками.
Это позволяет оценить влияние параметров (глубина залегания, размеры, плотность тел) на гравиметрические аномалии.
Проводятся с использованием стратифицированных контейнеров, наполненных материалами различной плотности. Измерения градиентов гравитационного поля позволяют получить чувствительность гравиметрической аппаратуры и откалибровать методику интерпретации.
В лабораторной практике применяются абсолютные и относительные гравиметры:
Современные абсолютные гравиметры, такие как FG5 и A10, обладают точностью порядка ±1 µGal. Это особенно важно при калибровке полевых приборов и лабораторных эталонных измерениях.
Температура оказывает влияние на объём и плотность пород. В лабораторных условиях, путём нагревания образцов и одновременного контроля их массы и объёма, фиксируются температурные коэффициенты плотности:
$$ \alpha = \frac{1}{\rho} \cdot \frac{d\rho}{dT} $$
Эти данные необходимы для температурной коррекции гравиметрических данных, особенно при исследованиях вблизи термальных источников или в зонах активного магматизма.
Под действием давления горные породы уплотняются, уменьшая объём пор. В лаборатории используются автоклавные камеры, позволяющие воспроизводить давление до нескольких сотен мегапаскалей. Измерение изменения объема образца при различном давлении позволяет определить коэффициенты сжимаемости и упругости.
Это особенно важно для интерпретации глубоких структур в гравиметрии, поскольку плотность пород на больших глубинах существенно отличается от поверхностной.
Во многих кристаллических и метаморфических породах плотность может различаться в зависимости от направления, что обусловлено текстурой или ориентацией зерен. Лабораторные методы, такие как рентгеновская томография или 3D-сканирование плотности, позволяют выявить такие анизотропные характеристики и использовать их в построении более точных моделей подповерхностной структуры.
Перед полевыми работами все гравиметры проходят обязательную калибровку. В лаборатории для этого создаются эталонные гравитационные градиенты с помощью точных масс и известного расстояния между ними. Гравиметр устанавливается последовательно в различных точках и фиксирует изменение силы тяжести, что позволяет определить коэффициент чувствительности и корректирующие параметры.
Лабораторно полученные значения плотности, пористости, анизотропии и температурных коэффициентов используются при построении гравиметрических моделей:
Лабораторные исследования позволяют существенно повысить точность интерпретации гравитационных аномалий, обеспечивают основу для моделирования подповерхностных структур и способствуют развитию новых методик обработки и анализа данных. Сочетание полевых и лабораторных измерений позволяет достигать наивысшей надёжности при решении задач региональной и инженерной геофизики, а также при глубинном зондировании Земли.