گرانی سنجی Gravimetry

[P O U R I A]

۱-مقدمه
روش گرانی سنجی یکی از قدیمی­ ترین روش­ های ژئوفیزیکی می باشد که ابتدا برای تشخیص محل مواد معدنی و بعد از آن به عنوان یکی از روش های اصلی در اکتشاف نفت به­ کار گرفته ­شده است.

اساس این روش بر اختلاف در میدان گرانی اندازه ­گیری شده در نقاط مختلف بنا شده است. طبق قانون جاذبه­ ی نیوتن، هرگاه دو جسم با جرم های m۱ وm۲ در فاصلهر­ی r نسبت به هم قرار گیرند؛ نیرویی به یکدیگر وارد می­ کنند که برابر است با:

و اگر به جای m۲ جرم زمین (M) را در معادله قرار داد:

 

[P O U R I A]

واحد شتاب گرانی(g) به افتخار گالیله که آزمایش رها کردن اجسام از برج پیزا [Pisa] را به منظور بدست آوردن شتاب گرانی انجام داده بود، گال نامیده می­ شود.

گرانی سنج های امروزی که تغییرات بسیار کوچک این شتاب را اندازه می­ گیرند، دقتی در حدود ۰۱/۰ میلی گال دارند.
با اندازه گرفتن شتاب جاذبه در نقاط مختلف و انجام تصحیحاتی رو آن، می­توان به اختلاف شتاب جاذبه و در نتیجه به آنومالی­ های گرانی پی­ برد.


۲-وسایل و روش­ اندازه ­گیری
اساس دستگاه های گرانی سنجی، سیستم فنر و وزنه می ­باشد. بدین صورت که با قرار گرفتن وزنه در میدان جاذبه به دلیل کشیده شدن وزنه به سمت پایین، تغییری در طول فنر ایجاد می­­گردد که متناسب با نیروی جاذبه می­ باشد.

شکل زیر نمایی از سیستم فنر و وزنه را نشان می­دهد. هر دستگاه گرانی­ سنجی باید دارای سه ویژگی زیر باشد:

شکل ۱-سیستم فنر و وزنه​

 

[P O U R I A]

۱- دقت: بسته به هدف مطالعه دستگاه باید دقت مناسب داشته باشد.

۲- قابلیت حمل: برای برداشت در نقاط صعب العبور یک دستگاه باید براحتی حمل شود.

۳- زمان کم اندازه­ گیری: به دلیل اینکه میدان جاذبه تغییرات سریعی دارد و همچنین برداشت نقاط متعدد، یک دستگاه باید در کمترین زمان ممکن اندازه ­گیری نماید.

دستگاه­ های گرانی سنجی به دوصورت مطلق و نسبی میدان جاذبه را اندازه می­ گیرند. اندازه گیری مطلق شتاب توسط لیزر و پاندول و در ایستگاه­های مجهز و ثابت به­کار گرفته می­شوند. آنچه که در کارهای اکتشافی مدنظر است، اختلاف میان مقادیر گرانی می­ باشد. وسایلی که مقدار نسبی گرانی را اندازه ­گیری می ­کنند، به دو دسته­ ی پایدار و ناپایدار تقسیم می­ شوند:

۱-گرانی سنج پایدار [Stable]: مطابق شکل در این دستگاه با وارد شدن نیروی جاذبه به وزنه، تغییر طولی در فنر ایجاد می­شود و این مقدار در دستگاه ذخیره می­ شود. گرانی سنج­ های گلف [Gulf] و اسکانیا [Askania] از این دسته می­ باشند.

شکل ۲- شماتیک گرانی­ سنج پایدار​

۲-گرانی سنج ناپایدار [Unstable]: در این گرانی سنج علاوه بر سیستم فنر و وزنه موجود در گرانی سنج های پایدار یک وزنه­ی اضافی نیز وجود دارد. وجود این وزنه سبب می­شود که تغییرات ناچیز در جابجایی وزنه­ی اصلی تشدید شده و به نوعی مقادیر بسیار کم را نیز می­توان اندازه گرفت. گرانی­سنج های لاکوست-رمبرگ [Lacoste-Romberg] و تیسون [Thyssen] از نوع ناپایدار می­ باشد.

شکل ۳- شماتیک گرانی­سنج ناپایدار​

شیوه­ ی انجام برداشت های گرانی به هدف برداشت و دقت آن بستگی دارد. برداشت های بزرگ مقیاس(صدها کیلومتر مربع) برای آشکارسازی ساختارهای زیرزمینی عمده بوده و توسط برداشت های هوایی یا خودرو صورت می­ گیرد.

برداشت ها معمولا بر روی یک شبکه قرار گرفته و فاصله ایستگاه ­ها ۵۰۰تا۱۰۰۰متر است. در حالی که جهت آشکارسازی توده ­های کوچک مقیاس، از روش پیمایش انفرادی با استفاده از دستگاه­ های قابل حمل استفاده شده و فاصله ایستگاه­ ها بعضا کمتر از ۱۰۰ متر می ­باشد. از آنجایی که موقعیت و ارتفاع ایستگاه­ ها می­ بایست دقیقا معلوم باشد؛ نیاز به نقشه برداری توپوگرافی اولیه است. علاوه بر آن برخی مطالعات زمین­ شناسی و جمع­ آوری نمونه سنگ­ های غیرهوازده نیز باید در منطقه انجام گیرد.

 

[P O U R I A]

۳- تصحیح [Correction] داده های گرانی
اگر زمین به صورت کره کامل بود و هیچ گونه حرکتی نمی­ کرد، پستی و بلندی نمی­ داشت، سنگ ها­ گسترش همگنی داشتند و جذر و مد نیز اتفاق نمی­ افتاد؛ مقادیر اندازه گیری شده گرانی در تمام سطح زمین باید یکسان می­ بود. مقادیر قرائت شده، برآیند شتاب زمین و وجود توده­ های مدفون می­ باشد. با انجام تصحیح­ های مختلف می­توان اثر تمام عوامل به جز تغییر جنس سنگ­ ها را از قرائت­ ها حذف نمود.


۱-۳-تصحیح هوای آزاد [Free Air Correction]
چون گرانی با عکس مربع فاصله تغییر می­ کند، بنابراین لازم است که مقدار آن به علت تغییرات میان ایستگاه­ ها تصحیح شود، به طوریکه تمام داده ها به یک سطح مبنا برگردانده شود. چون مواد بین ایستگاه و سطح مبنا در این تصحیح در نظر گرفته نمی ­شود، این تصحیح به نام تصحیح هوای آزاد معروف است.


۲-۳-تصحیح جابجایی دستگاه [Drift Correction]
به دلیل اینکه ایستگاه ها در ساعات متفاوتی از روز اندازه گیری می­ شود، اثرات جاذبه ماه و خورشید و تغییر طول فنر و … بر مقدار اندازه ­گیری اثر می ­گذارد. برای تصحیح این عوامل بعد از اندازه­ گیری چند ایستگاه، مجدد به ایستگاه مرجع بازگشته و اندازه ­گیری را انجام می ­دهند. برای بدست آوردن این مقدار تصحیح برای هر ایستگاه، مقادیر گرانی ایستگاه مرجع را نسبت به زمان رسم کرده و اختلاف بین مقادیر اندازه ­گیری شده را نسبت به اولین برداشت بدست می­ آورند.

 

[P O U R I A]

۳-۳-تصحیح بوگه [Bouger Correction]
در تصحیح هوای آزاد، جرم میان ایستگاه و سطح مبنا در نظر گرفته نشد، تصحیح بوگه برای لحاظ کردن این جرم به کار گرفته می­ شود. اگر ایستگاه پایین تر از سطح مبنا قرار گرفته باشد، این مقدار به شتاب گرانی اضافه و در صورت بالاتر بودن از سطح مبنا، از آن کم می­ شود.

شکل ۶– تصحیح بوگه​

۴-۳-تصحیح زمینگان [Terrain Correction]
این تصحیح مربط به پستی و بلندی های اطراف ایستگاه می­ باشد. همان طور که در شکل دیده می­ شود، وجود جاذبه به سمت بالا(تپه) و نبود جاذبه به سمت پایین(دره) ، هردو باعث کاهش اندازه گیری ها می­ شوند. بنابراین این مقدار همیشه به داده ها اضافه می­ شوند.

شکل ۷– تصحیح زمینگان​

 

[P O U R I A]

۵-۳-تصحیح عرض جغرافیایی [Latitude Correction]


چرخش زمین و برآمدگی آن در استوا، هر دو باعث افزایش گرانی با عرض جغرافیایی می­ شوند. شتاب گریز از مرکز به علت چرخش زمین که در قطبین صفر و در استوا ماکزیمم است، در جهت مخالف شتاب گرانی اثر می ­کند و تخت شدگی قطبی نیز باعث افزایش گرانی در قطبین می­ شود. بنابراین با افزایش عرض جغرافیایی، این تصحیح باید از داده ها کسر شود.

شکل ۸-تصحیح عرض جغرافیایی​

از دیگر تصحیحاتی که روی داده های گرانی صورت می­ گیرد می­توان به موارد زیر اشاره کرد:

الف) تصحیح اتوش [Eötvös Correction]: زمانی که اندازه­ گیری ها در کشتی، هواپیما و یا اتومبیل انجام می­ گیرد.

ب) تصحیح جذر و مد [Tidal Correction]: با توجه به قرار گرفتن ماه و خورشید و سیارات دیگر اطراف زمین، نیروی جاذبه زمین نسبت به محل قرارگیری این کرات تغییر می­ کند که این مقدار در تصحیح دریفت درنظر گرفته می­ شود.

ج) تصحیح ایزوستازی [Isostatic Correction]: زمانی که منطقه ­ی مورد مطالعه خیلی وسیع باشد، درنظر گرفته می­ شود.


۴- تفسیر
با قرار دادن مقادیر مختلف چگالی در تصحیحات فوق، آنومالی بوگه در ایستگاه های مختلف و بازای چگالی­ های مختلف بدست می­ آید. با رسم کردن پروفیل این آنومالی ها در یک امتداد مشخص و قرار دادن آن در کنار مقطع توپوگرافی همان امتداد، چگالی پروفیلی که کمترین تطابق را با مقطع توپوگرافی داشته باشد؛ به عنوان چگالی آن امتداد در نظر گرفته می­ شود(روش نتلتون).


یکی دیگر از روش­ هایی که برای نشان دادن داده­های گرانی به کار می­ رود، نقشه­ های کنتوری آنومالی بوگه می­ باشد که با کمک این نقشه ها می­توان تغییرات گرانی را در منطقه مورد مطالعه بررسی کرد.

 

[P O U R I A]

۵- کاربردهای روش گرانی
۱-۵-کشف انواع مختلف کانسارها: از روی آنومالی­ های مربوط به چگالی می­توان به وجود توده­ های سنگی(اعم از کانسارهای فلزی و غیرفلزی) با چگالی بیشتر یا کمتر از متوسط زمین پی­برد.

۲-۵-تعیین موقعیت پی­ سنگ: پی ­سنگ هر منطقه به علت سنگ­ شناسی خاصی(سنگ­های آذرین دگرگون شده) که دارد؛ دارای چگالی بیشتری نسبت به سنگ­ های پوشش رسوبی می­ باشند. به همین دلیل هر تغییر در عمق تدفین پی ­سنگ، تغییرات واضحی در اندازه ­گیری های گرانی بوجود می­ آورد به گون ه­ای که در اثر بالا آمدگی پی­ سنگ، شتاب ثقل بیشتری تولید نموده و پایین­ افتادگی آن شتاب کمتری را در گرانی ­سنجی به نمایش می­ گذارد.

۳-۵-پی­جویی­ ها و اکتشافات نفتی: در اکتشاف نفت، بدست آوردن عمق و شکل حوضه و وضعیت ساختارهای موثر در مهاجرت و ایجاد تله­های نفتی از اهمیت بالایی برخوردار است. به کمک روش گرانی­ سنج می­توان مرز بین سنگ های رسوبی و پی­سنگ و همچنین ضخامت کل سنگ­ های رسوبی را مشخص کرد.

۱-۳-۵-آشکارسازی ساختارهای زیرزمینی: ساختارهای ثانویه بوجود آمده در توده­ های سنگی می ­تواند در قالب آنومالی­ های گرانی بروز نماید. گنبدهای نمکی، گسله ها و ساختارهای مرتبط با ریفت ها به کمک روش گرانی شناسایی می­ شوند.



۲-۳-۵-تعیین شکل و عمق حوضه: شکل و عمق حوضه معمولا با تغییرات عمق پی­ سنگ همراه بوده و به همین دلیل در اندازه­ گیری های گرانی سنجی نمود پیدا می­ نماید. علاوه بر تغییرات عمقی پی­سنگ، می­توان به تغییرات عمقی برخی لایه های رسوبی(با چگالی بیشتر و یا کمتر از سنگ­ های اطراف) اشاره نمود که با توجه به آنومالی­ هایی که به وجود می­ آورند؛ می­توان به شکل و تغییرات عمقی حوضه پی­ برد.