2-重力勘探仪器课件.ppt
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- 重力 勘探 仪器 课件
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1、重力勘探数据采集重力勘探数据采集:野外测量仪器及系统野外测量仪器及系统重力野外测量方法技术重力野外测量方法技术野外测量资料整理野外测量资料整理(重力异常计算重力异常计算,密度数据测量与分析密度数据测量与分析)第二讲 重力勘探仪器与测量技术1重力测量仪器重力测量仪器 1. 绝对重力测量仪绝对重力测量仪2. 相对重力测量仪相对重力测量仪二二. 重力测量方法重力测量方法1. 重力测量的地质任务重力测量的地质任务2. 重力测量的技术设计重力测量的技术设计第二讲 重力勘探仪器与测量技术重力野重力野外测量外测量简介简介第二讲 重力勘探仪器与测量技术重力测量的原理重力测量的原理为了发现为了发现由地下地由地下
2、地质构造质构造或矿体引或矿体引起的微小起的微小重力变重力变化,高灵化,高灵敏度的重敏度的重力仪是力仪是必不可少必不可少的测量工的测量工具。具。第二讲 重力勘探仪器与测量技术重力测量的原理重力测量的原理任何与重力有关的物理现象都可以用来测量重力任何与重力有关的物理现象都可以用来测量重力.自由落体自由落体摆的摆动摆的摆动弹簧在重荷作用下的伸长弹簧在重荷作用下的伸长物体在有阻尼液体或气体中运动物体在有阻尼液体或气体中运动液体的毛管上升液体的毛管上升第二讲 重力勘探仪器与测量技术重力测量的动力法和静力法重力测量的动力法和静力法动力法动力法:观测某种与重力现象有关的运动来测量重观测某种与重力现象有关的运
3、动来测量重力力.如自由落体法如自由落体法,振摆法振摆法.静力法静力法:利用测定某种与重力有关的重力平衡现象利用测定某种与重力有关的重力平衡现象来测量重力来测量重力.常用于重力的相对测量常用于重力的相对测量.一般一般,静力测量静力测量法测量重荷在重力作用下产生的线位移或角位移法测量重荷在重力作用下产生的线位移或角位移.重力测量的原理重力测量的原理一切与重力有关的物理一切与重力有关的物理现象都可以用其相应的现象都可以用其相应的原理来测量重力原理来测量重力其一:自由落体其一:自由落体第二讲 重力勘探仪器与测量技术重力测量的原理重力测量的原理一切与重力有关的物理一切与重力有关的物理现象都可以用其相应的
4、现象都可以用其相应的原理来测量重力原理来测量重力其二:弹簧重物平衡系统其二:弹簧重物平衡系统 mass-spring system第二讲 重力勘探仪器与测量技术重力测量的原理重力测量的原理一切与重力有关的物理一切与重力有关的物理现象都可以用其相应的现象都可以用其相应的原理来测量重力原理来测量重力其三:摆的摆动其三:摆的摆动 oscillation of a pendulum第二讲 重力勘探仪器与测量技术1重力测量仪器重力测量仪器 1. 绝对重力测量仪绝对重力测量仪1)自由下落法绝对重力仪自由下落法绝对重力仪20012123112123122112112,2(/)21212S=NTThhv tg
5、tSxx SxxTtt TttSTSTgTTSS,因此,要求精确得到 ,和 ,1重力测量仪器重力测量仪器 1. 绝对重力测量仪绝对重力测量仪1)自由下落法绝对重力仪自由下落法绝对重力仪2)上抛法绝对重力仪上抛法绝对重力仪221214123222413211(),()228()()21,2,3,41122imvmvmgHvg ttvg ttHgHNttttHti能量守恒定律,因此,要求精确得到和 ,F我国是当今少数几个能进行绝对重力测量的国家之我国是当今少数几个能进行绝对重力测量的国家之一一.F国家计量科学院从国家计量科学院从1964年开始研制下落式绝对重力年开始研制下落式绝对重力仪仪,1979
6、年制成准确度为年制成准确度为1g.u.1g.u.的固定式仪器的固定式仪器. .F19801980年制成年制成NIM-INIM-I型可移式仪器型可移式仪器, ,准确度为准确度为0.2g.u.0.2g.u.F19851985年制成年制成NIM-NIM-型型,NIM-,NIM-型可移式仪器型可移式仪器, ,准确度准确度为为0.14g.u.0.14g.u.F目前世界上最先进的可移式仪器为法国和意大利的目前世界上最先进的可移式仪器为法国和意大利的产品产品, ,均采用上抛法均采用上抛法, ,准确度为准确度为0.05g.u.0.05g.u.1. 绝对重力测量仪绝对重力测量仪2.相对重力测量仪相对重力测量仪1
7、) 工作原理工作原理基本原理:基本原理:Hookes Law组成组成:重荷和弹簧组成灵敏系统重荷和弹簧组成灵敏系统2.相对重力测量仪相对重力测量仪1) 工作原理工作原理01102202121()(),()(),SCmgk SSmgk SSmgk SSkgggSSC Smk mg 只要固定,重力差就与重物的位移差成正比,比例系 重力的格值,用它重物的位移量算成重力差。2) 重力仪构造上的要求重力仪构造上的要求重力平衡系统重力平衡系统(灵敏系统灵敏系统)- 用于感受重力的变化用于感受重力的变化;测读系统测读系统-用于观测平衡体的移动用于观测平衡体的移动;对弹簧称式重力仪的分析对弹簧称式重力仪的分析
8、:全值重力场下全值重力场下(=107g.u.)弹簧伸长弹簧伸长10cm一个半径为一个半径为50m,中心埋深中心埋深100m,剩余密度剩余密度0.5g/cm3的球的球体在中心上方的最大重力异常体在中心上方的最大重力异常2g.u.,该异常引起的该异常引起的弹簧长度变化弹簧长度变化2*10-6mm.可见重力仪要灵敏地感受这一微小变化可见重力仪要灵敏地感受这一微小变化,并测出这一变并测出这一变化需要在仪器结构上进行精心的设计化需要在仪器结构上进行精心的设计.因此因此,对仪器构造上的要求对仪器构造上的要求:a)有较高的灵敏度以感受重力的微小的变化有较高的灵敏度以感受重力的微小的变化;b)测读系统有足够放
9、大能力测读系统有足够放大能力,以分辨平衡体微小变化以分辨平衡体微小变化;c)有较大的动态范围有较大的动态范围,能测量较大的重力变化能测量较大的重力变化;d)读数与重力变化之间的换算方法简单读数与重力变化之间的换算方法简单;2.相对重力测量仪相对重力测量仪2.相对重力测量仪相对重力测量仪1) 工作原理工作原理一个有恒定质量的物体在重力场中的重量随重力一个有恒定质量的物体在重力场中的重量随重力g的变化而变的变化而变化化,若用另外一种力或力矩来平衡这种重力或重力矩的变化若用另外一种力或力矩来平衡这种重力或重力矩的变化,则通过对该物体平衡状态的观测则通过对该物体平衡状态的观测,就可能测量出重力的变化就
10、可能测量出重力的变化或两点间的重力差或两点间的重力差.用于相对重力测量的仪器就是根据物体的平衡状态的观测来测用于相对重力测量的仪器就是根据物体的平衡状态的观测来测量重力的变化量重力的变化.按物体受力产生位移的方式不同按物体受力产生位移的方式不同,重力仪可分为平移式和旋转重力仪可分为平移式和旋转式两大类式两大类.日常生活中使用的弹簧称原理上与平移式重力仪相同日常生活中使用的弹簧称原理上与平移式重力仪相同.2)平衡系统的性能平衡系统的性能下图以旋转式重力仪为例下图以旋转式重力仪为例,介绍灵介绍灵敏系统的性能敏系统的性能1带重荷带重荷m的摆杆的摆杆,3-枝杆枝杆,2-主弹簧主弹簧在平衡体静止时的平衡
11、方程在平衡体静止时的平衡方程:0( , )( )gMMgM2.相对重力测量仪相对重力测量仪( , )( , )( )0( , )( , )( )ggggMgdgMgdMdgMgdgdgMgM 利用上的基本平衡方程器的角敏度角敏度的系:因此,提高敏度的大途是:增大分子值增大分子值; 减小分母值减小分母值增大分子即增大重荷增大分子即增大重荷m及平及平衡体质量中心到转轴衡体质量中心到转轴o的距离的距离L,结果是增大仪器的重量和结果是增大仪器的重量和体积体积,也使干扰因素影响加大也使干扰因素影响加大,一般不采用一般不采用. 减小分母即减小平衡系统的减小分母即减小平衡系统的稳定性稳定性,但又要使其处于稳
12、定但又要使其处于稳定的状态的状态,即使分母趋于零即使分母趋于零,而不而不等于零等于零,则其灵敏度可达到任则其灵敏度可达到任意需要的程度意需要的程度.为实现这一要求为实现这一要求,可采用加助可采用加助动装置的办法动装置的办法, 倾斜观测法倾斜观测法,适当布置主弹簧的办法适当布置主弹簧的办法.2.相对重力测量仪相对重力测量仪3) 测读系统的性能与零点读数法测读系统的性能与零点读数法 测读系统包括放大部分和测微部分测读系统包括放大部分和测微部分放大部分放大部分:光学放大光学放大,光电放大或电容放大等装置光电放大或电容放大等装置;测微部分测微部分:测微读数器或自动记录系统测微读数器或自动记录系统;现代
13、重力测量仪都采用补偿法进行观测现代重力测量仪都采用补偿法进行观测/读数读数,即采即采用零点读数法用零点读数法.第一步第一步,选择某一平衡位置作为测量重力变化的起始位置选择某一平衡位置作为测量重力变化的起始位置;第二第二,重力变化后重力变化后,通过放大装置观测零点位置的偏离情况通过放大装置观测零点位置的偏离情况;第三第三,用另外的力补偿重力的变化使平衡体回到零位置用另外的力补偿重力的变化使平衡体回到零位置,通过测通过测微器上的读数记录重力变化微器上的读数记录重力变化;2.相对重力测量仪相对重力测量仪4) 重力仪精度的影响因素重力仪精度的影响因素温度影响温度影响:温度使仪器各部件热胀冷缩温度使仪器
14、各部件热胀冷缩,各着力点之间各着力点之间的相对位置发生变化的相对位置发生变化.弹簧的弹力系数和空气的密度也弹簧的弹力系数和空气的密度也是温度的函数是温度的函数. 以石英弹簧为例以石英弹簧为例: 弹性系数为弹性系数为12010-6,温度变化温度变化1度度,相当于重力变化相当于重力变化1200g.u.(全重力值全重力值107) 消除温度影响消除温度影响:选用受温度影响小的材料选用受温度影响小的材料;附加温度自动补偿装置附加温度自动补偿装置;采用电热恒温辅助装置使仪器温度基本不变采用电热恒温辅助装置使仪器温度基本不变;2.相对重力测量仪相对重力测量仪气压影响气压影响:气压变化使空气密度变化气压变化使
15、空气密度变化,改变平衡系统所改变平衡系统所受的浮力受的浮力,在仪器腔内形成额外的气流在仪器腔内形成额外的气流.消除方法消除方法:将弹性系统放在真空内将弹性系统放在真空内;在与平衡方向的反方向上加一个等体积矩的气压补偿装置在与平衡方向的反方向上加一个等体积矩的气压补偿装置;电磁力的影响电磁力的影响摆杆在摆动时摆杆在摆动时,与残存的空气摩擦产生静电与残存的空气摩擦产生静电,静电荷不断积累使静电荷不断积累使仪器读数发生变化仪器读数发生变化.消除方法消除方法:在平衡体附近加适量放射性物质在平衡体附近加适量放射性物质,使空气游离而将电荷放电使空气游离而将电荷放电;将弹性系统消磁将弹性系统消磁,并用磁屏蔽
16、并用磁屏蔽;2.相对重力测量仪相对重力测量仪安置状态不一致的影响安置状态不一致的影响:重力仪在各测点的安置不可能完全重力仪在各测点的安置不可能完全一致一致,因而因而,摆杆与重力的交角会变化摆杆与重力的交角会变化,从而从而,测量的重力中包含交测量的重力中包含交角变化的影响角变化的影响. 消除方法消除方法:使平衡体的质心与摆杆水平转轴所构成的平面为水平时平衡使平衡体的质心与摆杆水平转轴所构成的平面为水平时平衡体的位置作为重力的零点位置体的位置作为重力的零点位置;零点漂移的影响零点漂移的影响:弹性弹性重力仪的弹性元件重力仪的弹性元件,在重力等的长期作用在重力等的长期作用下下,会产生蠕变和弹性疲劳等现
17、象会产生蠕变和弹性疲劳等现象,使弹簧随时间产生微笑永久使弹簧随时间产生微笑永久形变形变,因此因此,会产生不可克服的零点漂移会产生不可克服的零点漂移. 消除方法消除方法:进行零点校正进行零点校正;2.相对重力测量仪相对重力测量仪6)重力仪分类重力仪分类按构造分按构造分:平移式和旋转式平移式和旋转式;按材料及工作原理上分按材料及工作原理上分:石英弹簧石英弹簧,金属金属,振弦振弦,超导超导重力仪重力仪按应用领域按应用领域:地面地面,海洋海洋,航空及井中重力仪航空及井中重力仪;3. 按应用领域分别介绍不同类型重力仪按应用领域分别介绍不同类型重力仪1) 地面重力测量仪地面重力测量仪(1) 石英弹簧重力仪
18、石英弹簧重力仪以国产以国产ZSM-V型仪器为例介绍型仪器为例介绍仪器性能指标仪器性能指标:仪器结构包括仪器结构包括:弹性系统弹性系统,光学系统光学系统,测量系统测量系统弹弹性性系系统统3. 按应用领域分别介绍不同类型重力仪按应用领域分别介绍不同类型重力仪仪器结构仪器结构3. 按应用领域分别介绍不同类型重力仪按应用领域分别介绍不同类型重力仪仪器结构仪器结构3. 按应用领域分别介绍不同类型重力仪按应用领域分别介绍不同类型重力仪仪器结构仪器结构1/2221111110,( -) -( -)()/cos ,sincos()()gA BSx xz zOABDx zxzSxrzrMmgLM 之的距离到的垂
19、直距离重力矩扭力矩3. 按应用领域分别介绍不同类型重力仪按应用领域分别介绍不同类型重力仪仪器的平衡方程仪器的平衡方程:00cos()()( cossin )0gKMMMmgLKr zx 00000:cos00:|cos()sin()( sincos )0cos|sin ifmgLKrzKrzifgmLKrdgdzmLdmgLdgmgLKr zxifdmgLdgmgLKrx 3. 按应用领域分别介绍不同类型重力仪按应用领域分别介绍不同类型重力仪仪器的平衡方程仪器的平衡方程:00:|dmgLifdgKrx3. 按应用领域分别介绍不同类型重力仪按应用领域分别介绍不同类型重力仪1) 地面重力测量仪地面
20、重力测量仪(2) 金属弹簧金属弹簧目前应用较多的金属弹簧重力仪有美国的目前应用较多的金属弹簧重力仪有美国的LaCoste-Romberg公司的公司的L-R重力仪和德国的重力仪和德国的GS型重力仪型重力仪.a) LaCoste-Romberg的的L-R重力仪重力仪该仪器是当今世界公认性能最好的该仪器是当今世界公认性能最好的,精度最高的仪器精度最高的仪器.分为分为D型型(勘探型勘探型)和和G型型(大地型大地型)两种两种.D型型(勘探型勘探型):精度高精度高; G型型(大地型大地型):测程范围大测程范围大.仪器的技术指标仪器的技术指标仪器结构和工作原理仪器结构和工作原理3. 按应用领域分别介绍不同类
21、型重力仪按应用领域分别介绍不同类型重力仪美国美国Lacoste-Romberg重力仪结构重力仪结构弹性系统构成弹性系统构成:重块重块,称臂称臂,零长弹簧零长弹簧,消消震弹簧震弹簧上下摆杆上下摆杆,连杆连杆测微螺旋测微螺旋;3. 按应用领域分别介绍不同类型重力仪按应用领域分别介绍不同类型重力仪1111111sin(0, ), ( ,)-/sin,sinmglKLdAy B x yx y xydx y LLmglKx yxb平衡方程式3. 按应用领域分别介绍不同类型重力仪按应用领域分别介绍不同类型重力仪仪器结构和工作原理仪器结构和工作原理111sinsin,sincossinsinsin/2()c
22、osmglKybmglKybdgdygymglKyxmgldmgldgKydxdxbddmlifdgmglKyb 即:由 ,读数装置的工作原理读数装置的工作原理3. 按应用领域分别介绍不同类型重力仪按应用领域分别介绍不同类型重力仪仪器结构和工作原理仪器结构和工作原理电容放大读数装置电容放大读数装置A为平衡体的负荷为平衡体的负荷,A1,A2为两块金属板为两块金属板,构成两个构成两个平行板电容器平行板电容器C1,C2. Z1和和Z2为两个电阻为两个电阻,Vi为输为输入频率稳定的电信号入频率稳定的电信号, V0为输出信号为输出信号.A为为A1,A2的正中时电桥的正中时电桥平衡平衡, V0=0由于重力
23、变化由于重力变化,A不处不处A1, A2正中时正中时,电桥不平衡电桥不平衡, V00V0b) 德国德德国德GS型重力仪型重力仪仪器结构仪器结构(前西德前西德ASKANIA仪器厂生产仪器厂生产)3. 按应用领域分别介绍不同类型重力仪按应用领域分别介绍不同类型重力仪弹性系统弹性系统:1气压补偿装置气压补偿装置;2水平悬挂的螺旋状弹簧水平悬挂的螺旋状弹簧;3-在在2腔内反绕的一组弹簧腔内反绕的一组弹簧;起温度自动补偿作用起温度自动补偿作用.4-为支架为支架.5-阻尼盒阻尼盒.6-摆杆摆杆,7-重荷重荷.8-有小球的有小球的空隙空隙,9-测程弹簧测程弹簧. 10-测微弹测微弹簧簧.00000cos()
24、0cossin0:0mgldmLgmgLifmgldmLmgLdggg 平衡方程式敏度3. 按应用领域分别介绍不同类型重力仪按应用领域分别介绍不同类型重力仪GS-11型仪器结构和工作原理型仪器结构和工作原理 超导重力仪超导重力仪1超导载流线圈超导载流线圈2-真空管真空管3-空心超导体小球空心超导体小球4-六快电容极板六快电容极板,构构成平衡电桥成平衡电桥3. 按应用领域分别介绍不同类型重力仪按应用领域分别介绍不同类型重力仪3. 按应用领域分别介绍不同类型重力仪按应用领域分别介绍不同类型重力仪2) 海洋航空和井中重力仪海洋航空和井中重力仪a)概述概述运动中测量重力的特殊问题运动中测量重力的特殊问
25、题航速变化航速变化, ,波浪及气流起伏和机器振动等造成的水波浪及气流起伏和机器振动等造成的水平和垂直加速度的影响平和垂直加速度的影响. .在水平和垂直加速度的周期相等而相位不同时出现在水平和垂直加速度的周期相等而相位不同时出现的交叉的交叉- -耦合效应耦合效应. .因载体做相对于地球的运动因载体做相对于地球的运动, ,使作用在重力仪上的使作用在重力仪上的离心力变化离心力变化, ,而改变了重力的大小而改变了重力的大小, ,这种影响称为这种影响称为厄厄- -缶效应缶效应. .消除上述影响采取的措施消除上述影响采取的措施将重力仪安置在装有陀螺的稳定平台或常平架上将重力仪安置在装有陀螺的稳定平台或常平
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