Alkalmazott földfizika GY.2. Gravitációs kutatómódszer Raáb Donát ELTE Geofizikai és Űrtudományi Tanszék, Fogadóóra: Csütörtök 12:00-14:00, D. 7.208 ashivalkoinen@gmail.com

Mit mérünk? A gravitációs mérések segítségével a nehézségi gyorsulást (abszolút mérések), illetve annak helytől és időtől függő változását (relatív mérések) mérjük. A gravitációs anomáliákat (a normálistól, átlagostól való eltéréseket) a földfelszín alatti inhomogén sűrűségeloszlás okozza. .

Nehézségi erőtér, nehézségi gyorsulás Gravitációs tömegvonzás és gyorsulás Nehézségi gyorsulás = gravitációs gyorsulás + Föld forgásából adódó gyorsulás Kérdések: Melyik nagyobb, a nehézségi vagy a gravitációs gyorsulás? A Föld mely pontján egyenlő a kettő? Nehézségi gyorsulás nagysága szferoidra SI: m/s2, de geofizikában gal egység 1 gal = 1 cm/s2 = 10-2 m/s2, 1mgal = 10-5 m/s2 g1980 = 978,0327 (1 + 0,0053024 sin2Φ − 0,0000058 sin22Φ )

Nehézségi erőtér térbeli változásai Vertikális gradiens Nehézségi erőtér sugár irányú változását „r” szerint deriválással kaphatjuk meg. [ dg(r,Φ)/dr ] Ebből megkapható, hogy méterenként 0.3086 mgal-lal csökken a nehézségi gyorsulás értéke a földfelszíntől távolodva. Mennyi a különbség a Mount Everest és a tengerszint nehézségi gyorsulásai között? Horizontális gradiens Föld lapultsága miatti változás, melyből a nehézségi erőtér „Φ” szerinti változását akarjuk megtudni. A nemzetközi képletből, „Φ” szerinti deriválásból kapható, hogy a nehézségi gyorsulás változásának értéke: dg = -0.814 mgal/km * sin 2Φ, ha Észak felől Délre haladunk. Ha Egyenlítőre vonatkoztatjuk, minden esetben kivonjuk. Választott bázispont esetén É-ra fekvő mérés eredményét csökkenti, délre fekvőét növeli.

Nehézségi erőtér mérése 1. Abszolút mérések Inga periódusideje alapján Szabadesés mérése alapján Időzítés: lézerrel. A század mgal pontosság elérhető, de földtani kutatásra nem alkalmazzuk. A mért mennyiség 8 nagyságrenddel nagyobb lenne ennél.

Nehézségi erőtér mérése 2. Relatív műszerek – Eötvös inga Torziós szálra függesztett két tömeg és a nehézségi erőtér kölcsönhatása alapján mér, az mért mennyiség a torziós szál elfordulása. Ismeretlen mennyiségek: nehézségi erőtér második deriváltjai + szál egyensúlyi helyzete → 5 mérés / mérési pont Ebből a nehézségi erőtér komponensei meghatározhatóak. Platina-iridium szál, kettős fémszekrény a hő és mágneses hatások ellen. A szögelfordulás leolvasását egy, a torziós szálra szerelt tükör és hozá tartozó fénysugár biztosítja.

Nehézségi erőtér mérése 3. Modern graviméterek Az M tömegű testre ható nehézségi gyorsulás megválto- zása kibillenti az egyensúlyi helyzetből a rendszert, a rugó megnyúlásából lehet következ- tetni a testre ható nehézségi gyorsulásra. A tömeg növelésével és a rugó hosszának csökkentésével a mérés pontossága növelhető, de belátható, hogy sem a tömeg nem növelhető a végtelenségig, sem a gyártott rugó paraméterei nem javíthatóak a végtelenségig.

Nehézségi erőtér mérése 4. LaCoste-Romberg graviméter Nulla hosszúságú fémrugó: A húzóerővel arányos a rugó hossza. Gyakorlatban ez előfeszített nyugalmi állapotot jelent. A nehézségi erőtér megváltozásával arányos az az erő, amellyel a rugón függő tömeget visszatérítjük a nulla pozícióba. Elérhető pontosság: 0.01 mgal Fémalkatrészek miatt állandó hőmérsékleti viszonyokat kell biztosítani.

Nehézségi erőtér mérése 5. Worden graviméter Kvarcrugókból álló rendszer, mely kevésbé érzékeny a hőmérséklet-változásokra, ezekből az egyik rugó „nulla”-hosszúságú. Kis tömeget használ: 5 mg Elérhető pontosság: 0.01 mgal

Nehézségi erőtér mérése 6. Scryntex graviméter Kvarcrugót használ. A tömeg elmozdulásával megváltozik a kapacitás. Visszacsatolt áramkör feszültséget ad a kondenzátor fegyverzetére, így a tömeg visszatér a nulla pozícióba. A visszacsatolt feszültségből következtetünk az elmozdulásra és a nehézségi erőtér megváltozására. Pontosság: mikrogal/sub-mikrogal.

Gravitációs mérések korrekciói 1. Időtől függő korrekciók Műszerjárás (drift) korrekciója Árapály-korrekció Helytől függő korrekciók Free-air-korrekció Szélességi korrekció Zavaró tömegek hatását kiküszöbölő korrekciók Térszín-korrekció Topográfiai korrekció Bouguer-korrekció Mozgó műszer korrekciója Eötvös-korrekció

Gravitációs mérések korrekciói 2. Időtől függő korrekciók Drift (műszerjárás): a műszer egyes alkatrészei a használat során felmelegszenek, megnyúlnak, stb. Kb. 0.1 mgal változást okoz. Árapály hatás: kb. 0.2 mgal változást okoz. Kiküszöbölés Két műszer: az egyik egyhelyen mér, a másikkal mérünk a többi pontot. Hibalehetőség: nem egyforma a két műszer driftje. Hurok-módszer: időről időre visszamérünk egy, már korábban lemért pontra.

Gravitációs mérések korrekciói 3. Free-air- és szélességi korrekciók Vertikális/horizontális gradiens alapján számíthatóak. h magasságban a referenciaellipszoid felett: Δg (h) ≅ −0,3086 mgal/m * h É-D-i irányban S távolságot megtéve: Δg (S) = 0,814 mgal/km * sin 2Φ * S Feladat: 30°É szélességen a referenciaellipszoid felett 200 m magasságban mekkora nehézségi gyorsulást mérek? Mennyivel változik a mért érték, ha ugyanilyen magasságban 10 km-rel délebbre mérek? g1980 = 978,0327 (1 + 0,0053024 sin2Φ − 0,0000058 sin22Φ )

Gravitációs mérések korrekciói 4. Bouguer-korrekció A „B” pontban mért nehézségi gyorsulási érték és az „A” ponthoz tartózó referenciaszint közötti különbséget közelítjük a két pont közötti távolsággal megegyező vastagságú, állandó sűrűségű, félvégtelen Bouguer lemez hatásával. (gz=2π*G *ρb*h) A Bouguer korrekció előjele ellentétes a magassági korrekcióval.

Gravitációs mérések korrekciói 5. Térszín- és topográfiai korrekciók A Bouguer-korrekciónál nem vettük figyelembe a hegy által okozott tömegtöbbletet, és a völgybe is anyagot tettünk, pedig ott nincs. Geodéziai eredmények alapján, cikkenként vesszük figyelembe a mérési pont körül található tömegtöbbleteket és hiányokat. A topográfiai javítás minden esetben pozitív előjelű, mivel a mérési pont síkja fölött elhelyezkedő tömegek a mért g értékét csökkentik, tehát a javítást a mért értékhez hozzá kell adni; ugyanakkor a völgyek esetében a Bouguer-korrekció elvégzésekor feltételeztük, hogy anyaggal van kitöltve és ennek az anyagnak a hatását a Bouguer-korrekcióval eltávolítottuk. A valóságban azonban itt nincsenek tömegek, tehát ezt a fölöslegesen eltávolított hatást is hozzá kell adni a mért értékhez

Gravitációs anomáliák 1. Gravitációs anomáliatérképek – Kis Károly (2007) Free-air anomália: Δgfree=gmért±gfree-air±gszélességi-greferencia Bouguer anomália: ΔgBouguer=gmért±gfree-air±gszélességi±gBouguer+gtopográfiai-greferencia

Gravitációs anomáliák 2. Eltemetett gömb gravitációs hatása - modellszámítás.

Gravitációs anomáliák 3. Eltemetett végtelen henger gravitációs hatása - modellszámítás.

Gravitációs anomáliák 4. Eltemetett félvégtelen lemez hatása - modellszámítás.

Gravitációs mérések felhasználása Mérési adatok inverziója A fenti hatómodellek segítségével megpróbáljuk előállítani a mért szelvényünkre legjobban illeszkedő hatóegyüttest. A hatóegyüttes összeállítá-sakor figyelembe vesszük a kapcsolódó információkat is (pl. geológiai ismeretek). Általában 1-1 szelvényre a változó paraméterek miatt (kiterjedés, sűrűségkülönbség) több megoldás is létezhet, ezek közül kell kiválasztanunk a valósághoz legközelebb állót. Nagyobb kutatások Kéregszerkezet vizsgálata, kéregvastagság vizsgálata. Közepes léptékű kutatások Geológiai formációk kutatása, szénhidrogén-kutatás. Kisléptékű kutatások Mikrogravitációs mérések üregkutatásban.

Példák 1. Eötvös-ingás mérés a Balaton jegén Eötvös a méréssel egy, a "víz és a fenék homokja alatt egy Kenesétől majdnem Tihanyig elhúzódó tömeg-fölhalmozódást, mondjuk egy hegygerincet" fedezett fel.

Példák 2. Eötvös-ingás mérések Egbellben 1916-ban Böckh Hugó kezdeményezésére torziós inga méréseket végeztek Egbell környékén, ahol korábban gáz- és olajnyomokat találtak. 92 állomáson végeztek méréseket annak eldöntésére, hogy hol mélyüljenek a fúrások. A gradiensek alapján szerkesztett térképen Egbelltől nyugatra gravitációs maximum van, mely a geológusok feltételezését megerősítve egy felboltozódást (antiklinális) körvonalaz. A később itt lemélyített fúrások közül több produktívnak bizonyult. Ez az eredmény bizonyította a torziós inga használhatóságát a kőolajkutatásban.

Példák 3. Óceáni kéreg gravitációs anomáliatérképe

Példák 4. Kárpát-Pannon régió Bouguer-anomáliatérképe

Példák 5. Litoszféra-lemezek vizsgálata (India)

Példák 6. Vetők azonosítása Bouguer-anomáliatérképen (Tajvan)

Példák 7. Barlangkutatás a Bahamákon (Keele University)

Példák 8. Gravitációs adatok feldolgozás előtt és után a Csajkovszkij parkban