Рис. 1.1. Схема взаимодействия масс

Практикум по физике земли

Методические указания и практические занятия по дисциплине

«Физика Земли»

для студентов геолого-географического факультета, обучающихся по направлению «Экология и природопользование», профиль подготовки – «Геоэкология»

 

 

Ростов-на-Дону

2013

 

Практикум составлен сотрудниками кафедры геоэкологии и прикладной геохимии: доктором геолого-минералогических наук, профессором Н.Е. Фоменко и кандидатом геолого-минералогических наук, профессором Ю.И. Холодковым

 

Ответственный редактор доктор геол.-мин. наук, проф. В.Е. Закруткин

 

Компьютерный набор и верстка  инженера М.А. Стружанова

 

 

Печатается в соответствии с решением кафедры геоэкологии и прикладной геохимии ГГФ ЮФУ, протокол №1, от 11.09.2013 г.

 

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Предисловие.............................................................................................................3

1. Практическое занятие № 1. Вычисление нормального

значения ускорения силы тяжести и его измерение по

вертикальному профилю.........................................................................................4

2. Практическое занятие № 2. Измерение вариаций геомагнитного

поля.........................................................................................................................14

3. Практическое занятие № 3. Определение абсолютного

возраста геологических образований..................................................................19

4. Практическое занятие № 4. Тепловое поле Земли..................................30

5. Практическое занятие № 4а. Вычисление температуры для

модели земной коры..............................................................................................40

6. Практическое занятие № 5. Определение местоположения

эпицентра землетрясения способом графических построений.........................43

7.   Практическое занятие № 5а. Определение координат

эпицентра землетрясения расчетным способом.................................................52

 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Методические указания предназначены для студентов, обучающихся на геолого-географическом факультете ЮФУ. Пособие содержит практические работы, которые позволят студентам:

1) приобрести навыки решения поставленных задач на основе анализа распределений гравитационного, магнитного, сейсмического, теплового и радиационного полей; 2) ознакомиться со способами расчётов геофизических параметров и выявить их изменения; 3) освоить компьютерную обработку данных с представлением результатов в графической форме с последующим истолкованием; 4) получить представление о научно-исследовательской составляющей учебного процесса; 5) оценить роль и место дисциплины в науках о Земле.

Оформление практической работы должно включать краткое описание сущности и решение поставленной задачи с формулированием выводов.

Практическое занятие № 1

ВЫЧИСЛЕНИЕ НОРМАЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ УСКОРЕНИЯ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ и его ИЗМЕРЕНИЕ по вертикальному профилю

Цель работы: 1) вычислить по заданным формулам нормальное значение ускорения силы тяжести в зависимости от широты точки на поверхности Земли в интервале широт от 90° (полюс) до 0° (экватор); 2) измерить ускорения силы тяжести по вертикальному профилю с помощью гравиметра и вычислить нормальное значение вертикального градиента ускорения силы тяжести.

Приборы и оборудование: гравиметр типа, ГНУ-КС (КВ), батарея напряжением 3 В, мерная лента (рулетка)., микрокалькулятор или компьютер.

 

 

Пояснения к работе

 

Гравитационное поле - это поле силы тяжести, то есть поле взаимодействия механических масс в материальной среде (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема взаимодействия масс

 

В основе лежит закон Ньютона:

     (1.1),

где F - сила притяжения, f - постоянная гравитационного поля, равная

6,67*10^-8*г ^{-1 см 3} сек^-2, m₁ и m₂ - взаимодействующие массы, r - расстояние между m₁ и m₂.

Если m₁ считать точечной массой, а m₂ увеличить до массы Земли, то формула Ньютона примет вид:

  (1.2),

где q^/ - ускорение свободного падения, значение которого с учётом центробежной силы, возникающей от вращения Земли, составляет 9,81 м/с².

За единицу свободного падения принят 1мГл = 10^-3 см/с².

При проведении гравиразведочных работ измерения выполняются по параметру  - приращение силы тяжести в редукции Буге. Этот параметр является результирующим между аномальным g_аном (измеренным) и нормальным g_нор (теоретическим) значениями силы тяжести. Кроме того, в показания  вводятся поправки: 1) за свободный воздух , 2) за промежуточный слой пород (толщу пород между точкой наблюдения поверхностью геоида или за поправку Буге ), 3) за рельеф  (рис.1.2).

 

Рис 1.2. Соотношение уровненных поверхностей геоида и сфероида с поверхностью рельефа. h₁,h₂ - толщины слоев воздуха и пород, залегающих выше поверхности геоида

 

Параметр g_норм представляет собой ускорение силы тяжести Земли, как сфероида малого сжатия. Последний описывается уровенной поверхностью, близкой к геоиду, который в свою очередь является уровенной поверхностью свободной воды океанов. У поверхности Земли g_норм изменяется от 9,780 м/с² до 9,810 м/с². Наблюдаемое увеличение g_норм от экватора к полюсам объясняется, с одной стороны, изменением ускорения центробежной силы, а с другой – уменьшением радиуса Земли примерно на 21 км по оси вращения, то есть сжатием Земли. Имеется (получено) несколько вариантов аналитического расчёта значений нормального гравитационного поля, как для всей поверхности Земли, так и для территорий отдельных государств. В расчётных формулах эмпирические коэффициенты и их количество меняются, что определяется плотностью проведенных наблюдений и точностью измерений.

Показатель g_{св.возд .} или g_ф (Фая) учитывается в гравиметрических измерениях как поправка за слой воздуха находящийся между точкой наблюдения и поверхностью геоида.

g_ф = 0,3086 ^. h₁  (1.3),

где h₁ толщина слоя воздуха.

Параметр g_б  вводится в измеренные значения как поправка за промежуточный слой, который еще носит название поправки Буге. Поправка g_б необходима в том случае если измерения производятся в точке, находящейся выше поверхности геоида и, следовательно, проявляется влияние толщи пород заключенных между поверхностью геоида и поверхностью рельефа (см. рис. 1.2).

g_б = -0,418 h₂          (1.4),

где  - средняя плотность, а h₂ – толщина промежуточного слоя.

Поправка за рельеф g_р учитывается, если этот рельеф очень сложный, например в горной местности.

В конечном виде формула аномальной силы тяжести в редукции Буге включает разность значений наблюденного и теоретического полей и сумму поправок за свободный воздух, промежуточный слой и рельеф:

D g_б = g_аном - g_норм + g_ф + g_б + g_р       (1.5)

Как и любое геофизическое, гравитационное поле может быть измерено путем специальных приборов. В основу их функционирования положено физическое явление притяжения. Следовательно, измерения могут быть выполнены путем маятниковых наблюдений, процесса растягивания или кручения пружин и времени падения грузов. Эти измерения разделяются на относительные и абсолютные. Среди них преимущество получили первые, которые более легко реализуются в практике полевых гравиразведочных работ. Абсолютные же измерения требуют очень высокой точности и могут осуществляться только в специальных обсерваториях

Основной тип гравиметров - это астазированные. Общий вид и механизм их действия поясняется на рисунке 1.3.

Конструкция гравиметра находится в сосуде Дьюара, с тем, чтобы максимально снизить влияние температуры воздуха, влажности, ветровых воздействий и т.д. Работа системы осуществляется таким образом, что при размещении гравиметра в точке измерения на массу m главного рычага воздействует сила притяжения. Пропорционально ей изменяется угол j. Этот, угол тарируется (размечается) делениями микрометрического винта.