Научно-исследовательская работа Гравиметрическое исследование Белореченского района.

ГБОУ СПО Белореченский медицинский колледжМинистерства здравоохранения Краснодарского края
Гравиметрическое исследованиегорода Белореченска и его окрестностейНаучно-исследовательская работапо физике
Авторы: 1. Глоба Виктория Анатольевна 2. Гирченко Юрий Юрьевич 3. Медведев Сергей Николаевич студенты 1-го курса ГБОУ СПО Белореченский медицинский колледж

Научный руководитель:
Макартыч Ольга Юрьевна
преподаватель физики
Белореченскогомедколледжа
г.Белореченск
2015 г
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Гравиметрическая разведка, как один из методов
прогнозирования залежей полезных ископаемых
1.1 Сила тяжести, как проявление физических свойств вещества
1.2 Принципы гравиметрической разведки
1.3 Методика гравиразведкиГлава 2. Математический маятник, как прибор гравиметрической разведки
2.1 Физический маятник
2.2 Законы колебания маятника
2.3 Определение формулы ускорения свободного падения
2.4 Описание хода эксперимента
2.5 Сравнительный анализ результатов эксперимента
Заключение
Список литературы
Приложение 1
Приложение 2
Аннотация
Представленная работа посвящена проблеме, с которой мир столкнётся в уже обозримом будущем-это проблема пресной питьевой воды.
Актуальность настоящей работы обусловлена жизненно важной необходимостью снабжения населения чистой водой. Если раньше страны воевали за территорию, то не исключена возможность (в будущем) конфликтов из источника воды.
Цель исследования: рассмотреть альтернативные методы поиска запасов подземных вод, используя знания о том, что ускорение свободного падения в данном месте Земли напрямую зависит от средней плотности земной коры в месте его измерения.
В рамках этой работы автором были поставлены задачи:
1.Изучить историю вопроса о гравиметрических исследованиях Белореченского района.2.Найти оптимальный вариант гравиметрических измерений.
3.Используя математический аппарат исследований произвести необходимые измерения и вычисления.
4.Проанализировать результат измерений.В данной работе использовались такие методы исследования как:
1.Изучение научных статей по теме «Гравиметрические исследования».2.Ознакомление с результатами гравиметрических исследований в отдельных районах Кавказа и средней полосы России.3.Изготовление прибора для проведения гравиметрических исследований.
4.Проведение ряда экспериментов и обработка результатов экспериментов.
5.Анализ результатов и их сравнение с табличными значениями.
Предполагаемые выводы: обладая разведанными данными о состоянии подземных вод, несколько стратегических задач:
1.Обеспечение потребностей населения в воде.
2.Финансовая независимость.
3.Экономическая выгода обладания подземными водами.
Введение
Данная исследовательская работа посвящена глобальной проблеме нашей планеты, а именно тому, что на поверхности и в недрах нашей планеты Земля сокращаются запасы пресной, в частности питьевой воды.
Из курса физики мы знаем, что на каждой планете действует сила тяжести, на нашей планете соответственно тоже. Сила, с которой предмет притягивает к себе другие предметы, прямо пропорциональна плотности этого предмета, то есть чем больше плотность предмета, тем сильнее он будет притягиваться к себе. Кусок медной, свинцовой, цинковой или вольфрамовой руды примерно в два раза тяжелее, чем мрамор или гранит того же объёма. Таким образом, над залежами руды сила притяжения будет больше, чем над залегающей рядом с ней породой. А соль или гипс имеют меньшую плотность, поэтому и сила притяжения в местах залегания солей будет меньше.
Благодаря данному явлению человек может изучить строение земной коры, не прибегая к бурению, а просто проведя необходимые исследования и расчёты.Изучение земных недр производится несколькими методами. Одним из главных является гравиметрическая разведка. Как правило, она ведётся в комплексе с магниторазведкой, электроразведкой и сейсморазведкой, но может проводиться и отдельно. Гравиметрическая разведка проводится при поисках залежей плотных полезных ископаемых, а также нефти, газа, рудных полезных ископаемых и подземных вод.
На основании данных свойств различных пород литосферы мы решили провести гравиметрическую разведку Белореченского района в поисках запасов воды в недрах земли.
Гравиметрическая разведка – метод разведочной геофизики, основанный на изучении гравитационного пола Земли. Главное условие для применимости-наличие разности плотностей пород, слагающих геологические структуры, способной создать аномальность в наблюдаемой гравитационном поле Земли. По данным гравиразведки создаются гравиметрические карты.
Гравиметрическая разведка выделяет структуры, скрытые осадочными породами и поэтому недоступные излучению обычными геологическими методами. В результате проведения гравиметрической съемки, по качественными оценками гравитационного поля могут быть выделены как районы, перспективные для поисков полезных ископаемых, так и отдельные геологические структуры, в которых возможно нефтяные, газовые и различные рудные месторождения. При детальной гравиразведке тщательно изучаются локальные аномалии силы тяжести с тем, чтобы определить условия и элементы залегания аномалеобразующих объектов (глубину, форму и размеры).
Гравиметрические приборы – одни из самых точных, ими можно измерять вариации гравитационного поля с точностью до стомиллионных долей. В наиболее типичном из таких инструментов, гравиметре, используются горизонтальный балансир ( маятник), отклоняющийся от положения равновесия при малейших измерениях силы гравитации. Качество гравиметра определяется его чувствительностью и устойчивостью к влиянию всякого рода помех, из которых в первую очередь следует назвать влияние наклона, температуры и остаточных деформаций.
Глава 1. Гравиметрическая разведка, как один из принципов прогнозирования залежей полезных ископаемых.
1.1.Сила тяжести, как проявление физических свойств вещества.
Из курса физики мы знаем, что на каждой планете действует сила тяжести, на нашей планете соответственно тоже. Сила, с которой предмет притягивает к себе другие предметы, прямо пропорциональна плотности этого предмета, то есть чем больше плотность предмета, тем сильнее он будет притягиваться к себе. Кусок медной, свинцовой, цинковой или вольфрамовой руды примерно в два раза тяжелее, чем мрамор или гранит того же объёма. Таким образом, над залежами руды сила притяжения будет больше, чем над залегающей рядом с ней породой. А соль или гипс имеют меньшую плотность, поэтому и сила притяжения в местах залегания солей будет меньше. Благодаря данному явлению человек может изучить строение земной коры, не прибегая к бурению, а просто проведя необходимые исследования и расчёты.
1.2.Принципы гравиметрической разведки
Изучение земных недр производится несколькими методами. Одним из главных является гравиметрическая разведка. Как правило, она ведётся в комплексе с магниторазведкой, электроразведкой и сейсморазведкой, но может проводиться и отдельно. Гравиметрическая разведка проводится при поисках залежей плотных полезных ископаемых, а также нефти, газа, рудных полезных ископаемых и подземных вод.
При первичной обработке гравиметровых съемок для каждой точки наблюдений вычисляются аномалии . Вычисление аномалий вручную представляет трудоемкую задачу и давно не практикуется . Для этих целей эффективно используются персональные ЭВМ , поскольку за последние годы накопился большой объем соответствующего программного обеспечения .
В результате гравиметровой съемки строятся графики и карты аномалий .При построении графиков вдоль профиля в масштабе съемки представляются точки наблюдений . При построении карт аномалий на них проставляются точки наблюдения , в около точек записывается результат измерений . Далее проводятся изолинии.
1.3. Методики других видов гравиразведкиПомимо наземных гравиметровых съемок, существуют также морские ,авиационные , подземные ,скважинные, а также вариометрические и градиентометрические съемки .1. Морские гравиметрические работы делят на надводные ,подводные и донные. Надводные проводятся на кораблях и отличаются наиболее сложной используемой аппаратурой и обработкой из-за наличия ускорений ,силы тяжести ,обусловленных качкой . Приборы помещают в карданов подвес или на гироплатформы , обеспечивающие их постоянное вертикальное положение . Съемки проводятся непрерывно в движении по профилям ( галсам ) (при комплексных геофизических исследованиях ) либо по площади (когда гравитационные исследования являются основаниями). Так же ,как при наземных съемках ,используются опорные точки , на которых начинается и заканчивается каждый рейс . Они располагаются в портах и отличаются повышенной точностью проведенных измерений . Для привязки точек используется радиогеодезический способ. Более высокой точностью отличаются измерения ,проводимые на подводных лодках ,поскольку в этом случае меньше влияние возмущающих ускорений .
Принципиально отличаются от исследований в движении донные исследования. Гравиметр помещается в контейнер и опускается на дно. С помощью карданова подвеса или гироплатформ он принимает вертикальное положение. Сигнал в виде электрических импульсов поступает в корабль. Работы этим методом проводятся на глубинах до 150-200 м т.е. в области континентального шельфа, неглубоких морей и озер. На мелководье вблизи берега применяются погружаемые на дно гравиметры,по характеристикам близкие к надземным. Точность таких съемок также обычно соответствует точности наземных.
2. Иногда с помощью специальных гравиметров проводятся съемки на самолетах и вертолетах,движущихся на высотах порядка 100-150 м со скоростью 100-200 км/ ч. Эти работы осложняются наличием долгопериодных возмущающих ускорений (десятки секунд ),которые трудно устранить фильтрацией ,а также высокочастотных ускорений . Аэросъемки ,аналогично морским,проводят по субпараллельным профилям.
3. Под подземной гравиразведкойпонимаются съемки в горных выработках и шахтах. В удобных местах располагаются опорные точки ,привязанные к государственным гравиметрическим пунктам на поверхности . Расстояния между рядовыми точками при подземных съемках обычно значительно меньше,чем при наземных . Подземные работы позволяют исследовать тела с аномальной плотностью сбоку и снизу ,но требуют учета воздействия вышележащих толщ.
4. Аналогично преимуществами и недостатками обладают скважинные гравиметрические измерения. Кроме того,они должны быть устойчивы к высокому давлению,температуре, «уметь» принимать вертикальное положение в наклонной скважине. Точки наблюдений располагаются через десятки метров по стволу скважины,что связано со сравнительно невысокой точностью измерений.
5. При съемках с градиентометрами измеряются вторые производные гравитационного потенциала. Они применяются при детальных разведочных работах, причем преимущество на небольших площадях,где есть аномалии,обусловленные наличием рудных тел и др. Данные работы требуют еще более точной топогеодезической основы . Они обычно являются площадными ,причем расстояния между точками зависят от масштаба съемки и изменяются от 5 до 100 м . Если рельеф в районе работ спокойный и в радиусе 50-100 м проведена нивелировка, то можно достигнуть точности в первые этвеши. Результаты градиентометрических съемок изображают в виде карт и графиков. Применяются и подземнаявариометрическая и градиентометрическая съемки, направленные на детализацию строения шахтных и рудных полей.
Интерпретация данных гравиразведки бывает качественной и количественной и сопровождается геологическим истолкованием результатов. При качественной интерпретации выделение аномалий ведется визуально или статистическими приемами. При количественной,расчетной аномалий интерпретации определяются местоположение эпицентров (проекции на земную поверхность )аномалосоздающих объектов, глубины залегания их центов,формы, размеры, избыточные плотности.
Глава 2 . Математический маятник,как прибор гравиметрической разведки
2.1 Физический маятник
На основании данных свойств различных пород литосферы мы решили провести гравиметрическую разведку в поисках запасов воды в недрах земель Белореченского района.
Гравиметрические приборы - одни из самых точных,ими можно измерять вариации гравитационного поля с точностью до стомиллионных долей. В наиболее типичном из таких инструментов ,гравиметре, используется горизонтальны балансир (маятник ), отклоняющийся о положения равновесия при малейших измерениях силы гравитации. Качество гравиметра определяется его чувствительностью и устойчивостью к влиянию всякого рода помех, из которых в первую очередь следует назвать влияние наклона ,температуры и остаточных деформаций .
В качестве прибора, используемого в нашей работе мы решили взять маятник ,с помощью которого измеряли ускорение свободного падения на данной широте . Зная ускорение свободного падения и сравнивая его с полученными значениями gможно определить среднюю плотность пород в данном месте . Там где в недрах присутствует большие объемы жидкости ,в этом месте плотность ,а значит g будет меньше.
Существует множество способов измерения ускорения свободного падения . Лазерные (баллистические ) ,морские (трех маятниковые ),… Но мы отдали предпочтение математическому маятнику (рис.1), используя физический маятник .
Для изготовления физического маятника мы использовали : медную проволоку диаметром 0.25мм, металлический шар объемом 2,7275896467088132983 см3 весом 40 гр. При измерениях использовались:транспортир школьный (пластиковый ) ,транспортир школьный (деревянный ) ,линейка школьная (пластиковая ) ,рулетка металлическая строительная .
Для определения местонахождения использовались GPS сотового телефона NOKIANseries 82, вычисления проводились с помощью Microsoft Калькулятор плюс версии 1.0
2.2 Законы колебания маятника
Период колебаний физического маятника зависит от многих обстоятельств :от размеров и форм тела, от расстояния между центром тяжести и точкой подвеса и от распределения массы тела относительно этой точки ; поэтому вычисления периода подвешенного тела –довольно сложная задача . Проще обстоит дело для математического маятника. Из наблюдений над подобными маятниками можно установить следующие простые законы.
Если ,сохраняя одну и ту же длину (расстояние о точки подвеса до центра тяжести груза), подвешивать разные грузы, то период колебаний получится один и тот же, хотя массы грузов сильно различаются. Период математического маятника не зависит от массы груза.
Если при пуске маятника отклонять его на разные (но не слишком большие) углы, то он будет колебаться с одним и тем же периодом, хотя и с разными амплитудами. Пока не слишком велики амплитуды, колебания достаточно близки по своей форме к гармоническому и период математического маятника не зависит от амплитуды колебний.
Это свойство называется изохронизмом (от греческих слов «изос» - равный, «хронос» - время).
Впервые этот факт был установлен в 1655 г. Галилеем якобы при следующих обстоятельствах. Галилей наблюдал в Пизанском соборе качания паникадила на длинной цепи, которое толкнули при зажигании. В течение богослужения размахи качаний постепенно затухали, т.е. амплитуда колебаний уменьшалась, но период оставался одним и тем же. В качестве указателя времени Галилей пользовался собственным пульсом.
Определение формулы ускорения свободного падения
Применим формулу периода колебаний математического маятника.
T = 2πJmgd× 1+122sin2a02+ 12342sin4a02…при J=ml2,d=l, T=tNОткуда выведем формулу ускорения свободного падения
g = 4π2ml2mT2l×1+122sin2a02+ 12342sin4a02…ГдеТ - период колебания маятника,
l- длина подвеса маятника,
t–время колебаний маятника,
N–количество колебаний маятника,
m–масса шара,
g – ускорение свободного падения,
а0- угол отклонения маятника от положения равновесия.
Из формулы ускорения свободного падения при условии сокращения тех величин, которые не влияют на колебания, получаем, что:
g = 4π2lT2×1+122sin2a02+ 12342sin4a02…Описание хода эксперимента
Формула вычисления ускорения свободного падения для первого места измерения (вблизи водоёма), координаты которого:
44,7430о С.Ш. 39,8634о В.Д.
N=23, t=74c, Т≈3,(2173913043478260869565), l =2,32м
g=39,478417604 x 2,32 10,3516068x1 + 122sin210o2+12342sin4 10o2+…≈ 9,807559484065385 мс2Формула вычисления ускорения свободного падения для второго ( в колледже)
44,7629о С.Ш. 39, 8579о В.Д.
N = 40, t = 190,7cT ≈ tN = 190,740 ≈ 4,7675с, l = 5, 656м
g = 39,478417604 ×5,65622,72905625× 1+ 122sin2502+ 12342sin4502+…≈9,806140155968309 мс2Формула вычисления ускорения свободного падения для третьего места ( на холме – посёлок Южный).
44,73630 С.Ш. 39, 86900 В.Д.
N = 23, t = 72.001 T ≈ 3,173913043478261с,l = 2,4335м
g = 39,478417604 ×2,43359,7998941417769× 1+ 122sin2502+ 12342sin4502+…≈9,80790965Формула вычисления ускорения свободного падения для четвертого места ( в городе )
44,75190 С.Ш. 39,85990 В.Д.
N = 40, t = 190,4c, T ≈tN = 19140 ≈ 4,775с, l = 5,656м
g = 39,478417604 ×5,65622,800625× 1+ 122sin2702+ 12342sin4702+…≈9,802296 мс25)Формула вычисления ускорения свободного падения для пятого места ( в городе-центр ).44,73530 С.Ш. 39, 86800 В.Д.
Воспользовались формулой: g = 4π2lT2N=40, t=113,56c, T≈2,839с, l=2мg=4*9,86044*28,059921=9,7956731834мс26)Формула вычисления ускорения свободного падения для шестого места(в городе)44,73630 С.Ш. 39, 86910 В.Д.
Воспользовались формулой:g = 4π2lT2N=40, t=113,7c, T≈2,8425с, l=2мg=4*9,869044*28,07980625=9,771565005мс27) Формула вычисления ускорения свободного падения для седьмого места (в городе) 44,73620 С.Ш. 39, 86910 В.Д.
Воспользовались формулой:g = 4π2lT2N=40, t=114c, T≈2,85с,l=2мg=4*9,869044*28,1225=9,7202033857мс2Сравнительный анализ результатов эксперимента
Среднее ускорение свободного падения для города Белореченска и его окрестностей = 9.80575 мс2Среднее значение ускорение свободного падения для средних широт равно 9,80616 м/с2,что позволяет, сравнив это значение с полученным средним значением 9,7873248023 м/с2,сделать вывод о том что в нашем районе имеются запасы жидких полезных ископаемых, в частности воды.На сайте администрации Белореченского района и Краснодарского края мы узнали, что действительно мощный водяной пласт, который начинается от Краснодара (хутор Ленина) проходит через наш район по направлению к Кавказским горам. Наша работа подтвердила верность наших предположений.
Заключение
Последняя гравиметрическая разведка Белореченского района проводилась в 1965 году. А так как наш мир стремительно меняется, иссекают источники полезных ископаемых. И приходится искать новые источники полезных ископаемых. Мы считаем, что при помощи проведений гравиметрических исследований повторно во многих регионах нашей страны, возможно, найти новые залежи полезных ископаемых. Это очень актуально для регионах ,в которых наблюдается дефицит пресной воды. И главное, что провести измерения можно при помощи не сложного изобретения, такого как металлический маятник. Гравиметрическая разведка может спасти многие районы нашей планеты от переселения населения в другие районы из-за нехватки пресной воды. С помощью измерения ускорения свободного падения возможно найти не только воду, но и другие полезные ископаемые в виде жидкой фракции легче воды можно найти нефть плотность которой составляет 0,80*10кг/м3,вместо 1,0*10кг/м3 у воды. Так же если ускорение свободного падения будет больше среднего на данной широте, то можно предположить, что на этом участке находятся залежи веществ имеющих большую плотность. Мир окружающий нас исследован на небольшую часть… И нужно исследовать его дальше, что бы была возможность предотвратить многие глобальные проблемы.
Список литературы и иных источников.
Большая энциклопедия нефти и газа. Электронная библиотека Нефть – Газ ngpedia.ruБольшая Советская Энциклопедия.
История гравиметрии в мире и России. Белгородский государственный технологический университет
vak2.ed.gov.ru/idcUploadAutoref/renderFile/108676
www.nplg.gov.ge/dlibrary/collect/0002/.../Gongadze%20disertacia.pdfwww.dobi.oglib.ru/bgl/3821/382.html