Привет! Меня зовут Мария, я геофизик и этим летом делала гравиразведку на Юконе. Признаюсь, раньше не выполняла этот метод. Пришлось вспоминать, чему учили в университете и осваивать современные гравиметры. Предлагаю в этой статье вместе со мной разобраться, что гравиразведка изучает, чем она полезна геологу и как выполняются полевые измерения.

Что и где мы ищем

Участок, на котором я работала, располагается в восточной части Юкона. Здесь недавно запустили масштабные региональные работы, чтобы найти и потом добывать ─ цинк, свинец, серебро и золото.

До места работы мы с коллегами добирались вот так: из столицы Юкона Уайтхорса летели на небольшом самолете до аэродрома рядом с участком. Это просто взлетная полоса среди гор без привычного здания аэропорта рядом. Дальше мы пересаживались на вертолет и вылетали в небольшой палаточный лагерь, где жили и откуда выезжали на гравиразведочные профили.

Что изучает гравиразведка

В основе гравиразведки лежит закон всемирного тяготения — все тела притягиваются к друг другу. Притяжение между обычными предметами, например, между мной и столом, ноутбуком или ручкой очень мало, едва его можно учитывать. А если взять тело побольше, скажем, всю Землю? Тогда силу притяжения уже не проигнорируешь — как высоко не прыгай, сбежать не получится.

Как изменится формула, если один из параметров — Земля? Массу знаем, расстояние знаем и получаем, что первая часть формулы — это константа, знакомое нам ускорение свободного падения g=9,8 м/с². И вроде бы g — неизменная величина, и в школьных задачах по физике оно так и было, но в гравиразведке нам приходится учитывать, что на величину свободного падения все-таки влияют:

• форма Земли,
• способ измерения: статично или в движении,
• притяжение Луны и Солнца (приливы),
• высота измерения — берем ли мы отчет на берегу моря или на вершине Эвереста.

Хорошо, влияют и влияют. Ты мне руду покажи!

Зачем геологу знать про ускорение свободного падения

Все дело в том, что геологические тела, в том числе рудные, тоже влияют на ускорение свободного падения, но когда их плотность сильно отличается от вмещающих пород. Влияние это намного слабее факторов, перечисленных выше, поэтому нам нужно провести максимально точные полевые измерения, вычесть из полученных значений все лишнее и оставить только геологическую информацию. Это как взять кусок мрамора и отсечь все ненужное, тогда гравитационные аномалии и укажут нам на руду.

Однако такие аномалии слабые, поэтому нам требуется высокая точность полевых измерений порядка 1 мкГал или 0,000001 см/с². Ее дает только наземная гравиразведка.

Теперь представьте геофизика, который тащится среди кустарника или по каменистой осыпи с прибором лабораторной точности. И нести гравиметр надо предельно нежно как ребенка, иначе растрясешь кварцевые пружины в приборе, и измерение не удастся. Так, где-то в зарослях кустарника или после разбитой дороги мы и получаем высокоточные значения гравитационного поля. Как этого мы добиваемся, узнаем дальше.

Как проходят полевые измерения

Дальше опишу, как проходит рабочий день, и объясню теорию, которая стоит за нашими действиями. В конце вас ждет бонус — фильм про полевую работу, который сделали мои коллеги. Творческие люди все-таки в геологии.

Утренние сборы

Рабочий день начинается рано — будильник звенит в 5:20 утра, а в шесть надо быть уже на завтраке. После завтрака и до начала инструктажа по технике безопасности я обычно успевала сделать гравиметрические измерения на базовой станции, которая находилась тут же в полевом лагере. Если утром или вечером их пропустить, то все измерения за день можно считать недействительными. Обычно люди нервно вспоминают, выключили ли газ или утюг перед работой, я же боялась забыть сделать измерения на базе. Почему это так важно, поговорим дальше.

После инструктажа мы готовились к работе. Складывали в рюкзаки аппаратуру: гравиметры и RTK, рации, GPS-навигаторы, и не забывали про обед. Работало на участке пять геофизических отрядов по два человека в каждом. Один из них делал измерения силы тяжести, другой брал точные координаты.

На работу на вертолете

В 8 утра мы собирались на вертолетной площадке и дальше вылетали по одному из двух маршрутов. Первый — если работали рядом с лагерем. Тогда мы сразу летели на профиль. А если мы отрабатывали дальние профили, то нужно было взять измерения на промежуточной базовой станции, которая находилась между основной базой и профилем, и только потом лететь на профиль. Второй вариант живописнее, но дольше, так как рейсов на вертолете было не два, а четыре.

Я была удивлена, когда узнала, что в поле мы будем летать на вертолете каждый день, а не как это было в России, когда нас в начале сезона закидывали на участок и только в конце забирали обратно. Здесь, в Канаде, вертолет используется каждый день и людей развести, и воду привезти, и продукты.

Давайте пока мы добираемся до профилей, я расскажу, как гравиметр измеряет ускорение свободного падения, или силу тяжести.

Как измеряют силу тяжести

Есть два типа измерений: динамические и статические. Динамические — это методы, в которых наблюдают, как под действием силы тяжести тело движется, а измеряют время. Так получают абсолютные значения силы тяжести.

В статистических методах наблюдается изменение положения равновесия тела под действием силы тяжести и некоторой силы, уравновешивающей ее. Измеряемой величиной является линейное или угловое смещение тела с постоянной массой. Уравновешивающей силой может быть упругая сила твердых тел, например, пружины.

При относительных измерениях определяют не полное значение силы тяжести, а приращение в данном пункте относительно базовой станции, где значение силы тяжести известны. Так измеряют гравиметры, которые используются в геологоразведке.

Мы работали с гравиметром Scintrex CG-6, вот как он устроен: пружина под действием силы тяжести растягивается, но это растяжение компенсируется электростатическим конденсатором и поддерживается на постоянном уровне. Мера изменения силы тяжести — напряжение ΔV, которое записывается в память гравиметра.

Гравитация в цифрах

Вертолет высаживал нас иногда в паре сотен метров от профиля, но бывало, что приходилось пройти и километр с лишним. Наверное, вы сейчас подумали, что это смешные цифры, но я вас уверяю — когда шагаешь через бурелом, густой кустарник или вдоль крутого склона по камням, расстояния воспринимаются совсем по-другому. Хорошо, что зачастую начинали с пикетов в верхней части склона и постепенно, по мере отработки профиля спускались вниз.

На пикете мы искали удобную площадку для взятия замера. Это должна была быть каменистая поверхность, на которой можно ровно поставить гравиметр. С идеальной поверхностью везло не всегда, и часто приходилось выкапывать небольшие ямки во влажном мху или находить хоть какую-то почву посреди болота или ручья. В таком месте гравиметр стоял неустойчиво, и его микродвижения на мягкой поверхности сильно затрудняли измерение. Оператор во время измерения сидел неподвижно, боясь лишний раз шевельнуться и испортить измерение.
Основной критерий качества — три подряд взятые измерения не должны отличаться друг от друга больше, чем на 15 мкГал. Если разница была больше, мы проводили повторные измерения или искали рядом другую, более удобную площадку.

Узнать местоположение до сантиметра

Вместе с измерением силы тяжести мы записывали координаты пикета. для каждого пикета нам нужно было знать местоположение и высоту над уровнем моря с точностью до 1 сантиметра, чтобы верно внести поправки в наблюденное поле. Обычный GPS-навигатор этим похвастаться не может, ведь его абсолютная точность составляет около 2 метров. Что же делать, как добиться нужной точности?

Если взять два приемника GNSS (спутниковая система навигации) и разместить их рядом друг с другом, то оба приемника будут иметь ту же ошибку в 2 метра в одном направлении, о которой говорилось выше. Это стандартная ошибка GNSS. Благодаря этой особенности можно с точностью до 1 сантиметра вычислить относительное расстояние между приемниками. Таким образом, у нас все еще есть абсолютная ошибка в 2 метра, но относительная точность всего в 1 сантиметр.

Дальше устанавливаем один из двух приемников GNSS в фиксированном месте, где координаты известны с точностью до сантиметра, например, на геодезическом пункте. Теперь у нас есть и абсолютная, и относительная точность в 1 см. Эта технология называется RTK GNSS (кинематика в реальном времени), где статический блок называется «Базовая станция», а движущийся — «Rover».

Там же, где измеряли силу тяжести на базовой станции, мы устанавливали и базовую станцию RTK. Когда не хватало сигнала до дальних профилей, к базовой станции, на соседних хребтах мы ставили дополнительные ретрансляторы.

Домой

В среднем мы успевали сделать за день от 16 до 35 измерений. Обычно заканчивали измерять в три часа дня и выходили до ближайшего места, где мог приземлиться вертолет — это открытые участки в долине реки, поляны или склоны гор. Бывало, что и вырубали кустарник под вертолетную площадку, для этого у нас в рюкзаках лежали пилы или мачете.

Затем мы возвращались в лагерь, но на этом работа не заканчивалась — нужно взять вечерние измерения гравиметра на базовой станции. Зачем, разве одного измерения недостаточно, чтобы соотнести значения гравиметра с абсолютными значениями силы тяжести?

Дело в том, что показания гравиметра постоянно меняются во времени и утренние значения не будут равны вечерним. Эта особеность прибора называется смещением нуль-пункта гравиметра или дрейф нуля. Так происходит потому, что под действием силы тяжести пружина внутри гравиметра растягивается и показания «плывут» до 0,1–0,2 мГал в сутки. Если не ввести поправки, можно пропустить аномалию силы тяжести, значения которой меньше, чем дрейф.

Рабочий день заканчивался после того, как мы скачали данные с гравиметра и RTK и загрузили текстовые файлы на сервер для геофизиков, которые обрабатывают их в офисе. Осталось поставить на зарядку гравиметр, рацию, аккумуляторы RTK и батарейки GPS и наконец-то можно заняться личными делами, например, позвонить родным или посмотреть ютуб.

Гранд Геофизика

Спасибо, что вместе со мной разобрались с гравиразведкой и узнали, как проходит обычный полевой день. Одним словом — скучная рутина. А вот теперь обещанный бонус: предлагаю посмотреть на нашу работу глазами художника. Если бы геофизические работы были бы фильмом Уэса Андерсона создателя «Гранд Будапешт»? Мои коллеги Зак и Тейлор вдохновились великим режиссёром и сняли «Гранд Геофизика».