способ выявления горизонтов полезных ископаемых (варианты) и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ выявления горизонтов полезных ископаемых, включающий измерение величин ускорения силы тяжести в месте предполагаемого расположения горизонтов полезных ископаемых и отождествление аномалии ускорения силы тяжести (отличие измеренных величин ускорения силы тяжести от ускорения нормальной силы тяжести на уровенном эллипсоиде) с расположением горизонта полезных ископаемых, отличающийся тем, что дополнительно измеряют ускорение силы тяжести при равновесной низкотемпературной плазме, если аномалии ускорения силы тяжести не выявлено, измерение ускорения силы тяжести повторяют при пульсирующей низкотемпературной плазме.

2. Способ выявления горизонтов полезных ископаемых, включающий измерение гравиметром с чувствительным элементом ускорения силы тяжести в месте предполагаемого расположения горизонтов полезных ископаемых и отождествление аномалии ускорения силы тяжести (отличие измеренных величин ускорения силы тяжести от ускорения нормальной силы тяжести на уровенном эллипсоиде) с расположением горизонта полезных ископаемых, отличающийся тем, что дополнительно измеряют ускорение силы тяжести при равновесной низкотемпературной плазме, если аномалии ускорения силы тяжести не выявлено, измерение ускорения силы тяжести повторяют при пульсирующей низкотемпературной плазме с периодом колебаний плазмы, соответствующим периоду колебаний чувствительного элемента при равновесной низкотемпературной плазме.

3. Способ выявления горизонтов полезных ископаемых по п. 1 или 2, отличающийся тем, что измерение ускорения силы тяжести производят из одной точки места предполагаемого расположения горизонтов полезных ископаемых.

4. Гравиметр, содержащий чувствительный элемент, отличающийся тем, что в него введены устройство экранирования внешнего гравитационного поля, создаваемого удаленными геодинамическими факторами, источник питания плазменного разряда, генератор колебаний и последовательно расположенные блок измерения периода колебаний чувствительного элемента и плазменного разряда, блок управления и регистрирующее устройство, при этом устройство экранирования включает наружную и внутреннюю с чувствительным элементом камеры, образующие замкнутую двухоболочную камеру, в наружной камере предусмотрен датчик плазменного разряда, связанный с первым входом блока измерения периода колебаний чувствительного элемента и плазменного разряда, второй и третий входы которого связаны с датчиком чувствительного элемента, размещенного во внутренней камере с возможностью регистрации периода колебаний чувствительного элемента, а источник питания плазменного разряда соединен своим выходом с наружной и внутренней камерами, первым входом – с генератором колебаний, вторым входом – с блоком управления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гравиметрии и может быть использовано при проведении гравитационной разведки.

Аномалии силы тяжести, возникающие вследствие неравномерного распределения плотностей в теле Земли, отражают ее внутреннее строение и особенно строение земной коры. Поэтому они широко используются в геофизике и геологии при изучении внутреннего строения Земли и разведке полезных ископаемых. На величину силы тяжести оказывают влияние рельеф местности, толща земной коры между точкой наблюдения и поверхностью относимости, неоднородность плотности масс земной коры и др.

Известен способ выявления горизонтов полезных ископаемых, включающий измерение величин ускорения силы тяжести в месте предполагаемого расположения горизонтов полезных ископаемых и отождествление аномалии ускорения силы тяжести (отличие измеренных величин ускорения силы тяжести от ускорения нормальной силы тяжести на уровенном эллипсоиде) с расположением горизонта полезных ископаемых (1).

Известен гравиметр для измерения величины силы тяжести, используемый для разведки минералов, нефти и газа, региональных исследований гравитации, чувствительным элементом в котором является груз определенной массы, совершающий гармонические колебания в случае маятникового подвеса или уравновешенный упругой конструкцией (например, пружиной) (2).

Для определения ускорения силы тяжести используют абсолютный или относительный способ.

Обычно при абсолютном определении ускорения силы тяжести в данной точке (пункте) используется зависимость между периодом Т малых колебаний маятника (временем прохождения маятником двух крайних положений), ускорением силы тяжести g и длиной маятника 1

В случае относительных определений силы тяжести сравнивают период колебаний T_j=Т₀ в исходном пункте j=0 с периодом T_j, определенным для данного пункта j

Точность относительных измерений ускорения силы тяжести значительно выше абсолютных измерений за счет ослабления влияния ряда ошибок (например, проблема термостатирования, неточность измерения длины маятника). Однако измерения необходимо выполнять в нескольких пунктах и при одинаковых условиях, что существенно увеличивает трудоемкость измерений.

При измерении величин ускорения силы тяжести в месте предполагаемого расположения горизонтов полезных ископаемых на чувствительный элемент гравиметра оказывает влияние комплекс геодинамических возмущений: локального (например, залежи полезных ископаемых) и удаленного характера (сейсмических, приливных, залежи полезных ископаемых, значительно удаленных от места измерения ускорений силы тяжести, и т.д.).

Измерения величин ускорения силы тяжести при разведке полезных ископаемых сопряжены с большими техническими трудностями: приходится многократно измерять в ряде точек области предполагаемых залежей полезных ископаемых, часто не всегда доступных для проведения таких измерений (гористая местность, наличие лесов и водоемов и т.д.), и сравнивать измеренные величины ускорения силы тяжести с ускорением нормальной силы тяжести на уровенном эллипсоиде. Кроме того, в силу скоротечности таких геодинамических возмущений удаленного характера, как сейсмические, приливные, требуется синхронность измерения ускорения силы тяжести в различных точках области предполагаемых залежей полезных ископаемых для выявления величины изменения ускорения силы тяжести, вызванного локальным воздействием. Это приводит к увеличению трудоемкости исследований.

Задачей заявляемого технического решения является определение отклонений ускорения силы тяжести, вызванных локальным геодинамическим воздействием (предположительно, залежами полезных ископаемых) за счет экранирования воздействий удаленных внешних источников, оказывающих влияние на гравитационное поле в месте измерения гравитации, и упрощение способа измерения ускорения силы тяжести.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе выявления горизонтов полезных ископаемых, включающем измерение величин ускорения силы тяжести в месте предполагаемого расположения горизонтов полезных ископаемых и отождествление аномалии ускорения силы тяжести (отличие измеренных величин ускорения силы тяжести от ускорения нормальной силы тяжести на уровенном эллипсоиде) с расположением горизонта полезных ископаемых, дополнительно измеряют ускорение силы тяжести при равновесной низкотемпературной плазме и отождествляют аномалию силы тяжести с расположением горизонта полезных ископаемых; если аномалии ускорения силы тяжести не выявлено, то ускорение силы тяжести измеряют при пульсирующей низкотемпературной плазме и отождествляют аномалию ускорения силы тяжести с расположением горизонта полезных ископаемых.

Измерение ускорения силы тяжести при пульсирующей низкотемпературной плазме может осуществляться с периодом колебаний пульсирующей плазмы, соответствующим периоду колебаний чувствительного элемента при равновесной низкотемпературной плазме.

Измерение ускорения силы тяжести могут производить из одной точки места предполагаемого расположения горизонтов полезных ископаемых

На чертеже изображена структурно-функциональная блок-схема гравиметрического устройства.

Поставленная задача достигается также с помощью гравиметра, который содержит чувствительный элемент, устройство экранирования внешнего гравитационного поля 1, создаваемого удаленными геодинамическими факторами, источник питания плазменного разряда 7, генератор колебаний 8 и последовательно расположенные блок измерения периода колебаний чувствительного элемента и плазменного разряда 4, блок управления 5 и регистрирующее устройство 6, при этом устройство экранирования 1 включает наружную 9 и внутреннюю 10 с чувствительным элементом 11 камеры, образующие замкнутую двухоболочную камеру 12, в наружной камере 9 предусмотрен датчик плазменного разряда 3, связанный с первым входом блока измерения периода колебаний чувствительного элемента и плазменного разряда 4, второй и третий входы которого связаны с датчиком чувствительного элемента 2, размещенного во внутренней камере 10 с возможностью регистрации периода колебаний чувствительного элемента 11, а источник питания плазменного разряда 7 соединен своим выходом с наружной 9 и внутренней 10 камерой, первым входом - с генератором колебаний 8, вторым входом - с блоком управления 5.

Заявляемый способ выявления горизонтов полезных ископаемых осуществляется следующим образом.

В месте предполагаемого расположения горизонтов полезных ископаемых измеряют ускорение силы тяжести при равновесной низкотемпературной плазме и сравнивают полученную величину ускорения силы тяжести с величиной ускорения нормальной силы тяжести (на уровенном эллипсоиде). При наличии аномалии ускорения силы тяжести делают вывод о расположении горизонта полезных ископаемых.

Если аномалии силы тяжести не выявлено, производят дополнительное (контрольное) измерение ускорения силы тяжести при пульсирующей низкотемпературной плазме и сравнивают полученную величину ускорения силы тяжести с величиной ускорения нормальной силы тяжести (на уровенном эллипсоиде). При наличии аномалии ускорения силы тяжести делают вывод о расположении горизонта полезных ископаемых.

Перед началом (или в конце) измерения ускорения силы тяжести при равновесной или пульсирующей плазме измеряют ускорение силы тяжести при отсутствии указанных режимов плазмы.

С целью увеличения экранирующих свойств плазмы измерение ускорения силы тяжести при пульсирующей низкотемпературной плазме проводят с периодом колебаний (пульсации) плазмы, соответствующим периоду колебаний чувствительного элемента при равновесной низкотемпературной плазме.

В предлагаемом способе использована способность плазмы экранировать влияние удаленных геодинамических воздействий на величину ускорения силы тяжести в месте проведения гравитационного анализа.

Известно, что особые свойства плазмы определяются прежде всего взаимодействием частиц плазмы между собой, характеризующимся кулоновскими силами притяжения и отталкивания. Взаимодействие частиц в плазме является не “парным”, а “коллективным”, т.е. одновременно взаимодействует друг с другом большое число частиц.

Это проявляется, в частности, в способности плазмы отражать и поглощать часть внешнего гравитационного поля (3).

Для реализации способа используют гравиметрическое устройство (см. чертеж), которое содержит устройство экранирования внешнего гравитационного поля, создаваемого удаленными геодинамическими факторами 1. Устройство экранирования состоит из замкнутой двухоболочной камеры, образованной двумя жесткими, герметичными и электроизолированными наружной 9 и внутренней 10 камерами. Во внутренней 10 камере установлен чувствительный элемент (маятник) 11.

В межоболочной полости 12 между наружной и внутренней камерами создано газовое разряжение, достаточное для образования низкотемпературной плазмы в замкнутом объеме, или, соответственно, пульсирующей плазмы.

В наружную камеру 9 вмонтирован датчик плазменного разряда 3. Во внутренней камере 10 размещен датчик чувствительного элемента 2 с возможностью регистрации периодических колебаний Т чувствительного элемента.

В состав гравитационного устройства также входят последовательно расположенные блок измерения периода колебаний чувствительного элемента и плазменного разряда 4, блок управления (управляющая ПЭВМ) 5 и регистрирующее устройство 6 (принтер). Источник питания плазменного разряда 7 соединен своими выходами с наружной 9 и внутренней 10 камерой, первым входом - с генератором колебаний 8, а вторым входом - с блоком управления 5.

Датчик плазменного разряда 3 связан с первым входом блока измерения периода колебаний чувствительного элемента и плазменного разряда 4, второй и третий вход которого связан с датчиком чувствительного элемента 2.

Как пример реализации, датчик чувствительного элемента 2 состоит из оптоэлектронной пары светодиод-фотодиод, размещенных вблизи чувствительного элемента таким образом, чтобы регистрировать изменение светового потока светодиода, вызванное периодическими колебаниями чувствительного элемента.

Датчик плазменного разряда 3 представляет собой оптоэлектронный датчик, реагирующий на изменение освещенности в межоболочной полости 12, где инициируется плазменный разряд.

Блок измерения периода колебаний чувствительного элемента и плазменного разряда 4 может состоять, например, из последовательно соединенных компаратора, синхронного счетчика, срабатывающего при прерывании светового потока от светодиода к фотодиоду в момент прохождения чувствительным элементом нейтрального положения, а также при колебаниях освещенности от плазменного разряда в межоболочной полости, двоичного 24-разрядного счетчика, состоящего из двух синхронных 4-разрядных счетчиков и 16-разрядного счетчика контроллера, который, в свою очередь, обеспечивает согласованную работу перечисленных элементов измерителя периода колебаний.

Блок управления 5, представляющий собой, например, одну из моделей управляющей персональной ЭВМ, обеспечивает:

- регистрацию и запоминание измеряемого периода колебаний чувствительного элемента и плазменного разряда с помощью регистрирующего устройства, например принтера;

- сравнение измеряемых периодов колебаний чувствительного элемента и плазмы;

- выработку управляющего сигнала для источника питания плазменного разряда.

Генератор колебаний 8 представляет собой стандартный генератор колебаний с изменением частоты от 0 до десятка килогерц, например ГЗ-56.

Источник питания плазменного разряда 7, например блок питания ИВЭ-345, обеспечивает образование плазменного разряда в межкамерной полости и поддержание равновесного динамического состояния низкотемпературной плазмы или пульсирующего состояния плазмы с заданной частотой устойчивых колебаний.

Гравиметрическое устройство работает следующим образом.

Перед началом работы чувствительный элемент 11 (маятник) находится в исходном положении: отклонен от вертикали и зафиксирован. В межоболочной полости 12 создают газовое разряжение, достаточное для образования низкотемпературного плазменного разряда в замкнутом объеме.

Приводят в рабочее состояние блок измерения периода колебаний чувствительного элемента и плазменного разряда 4, датчик колебаний чувствительного элемента 2 и датчик плазменного разряда 3.

Маятник 11 освобождают из фиксированного положения и обеспечивают его периодические колебания относительно вертикальной оси.

С помощью датчика чувствительного элемента 2 и блока измерения периода колебаний чувствительного элемента и плазменного разряда 4 измеряют период колебаний маятника Т₀ и передают измеренные значения в блок управления 5, с помощью которого вычисляют соответствующее значение ускорения силы тяжести g₀.

Затем с помощью блока управления 5 подают сигнал на вход источника питания плазменного разряда 7 для инициирования в межоболочной полости 12 устройства экранирования 1 равновесной низкотемпературной плазмы.

Регистрируют с помощью датчика плазменного разряда 3 возникновение равновесного динамического плазменного разряда, с помощью датчика чувствительного элемента 2 и измерителя периода колебании 4 - соответствующее значение периода колебаний маятника t₁. Передают измеренные величины в блок 5, с помощью которого вычисляют величину ускорения силы тяжести g₁.

Если выявлена аномалия ускорения силы тяжести, измерение заканчивают и делают вывод о наличии, например, залежей полезных ископаемых. В том случае, когда аномалия ускорения силы тяжести не выявлена, производят измерение ускорения силы тяжести при пульсирующей низкотемпературной плазме в межоболочной полости. Для чего через блок управления 5 подают управляющий сигнал на вход источника питания плазменного разряда 7 для инициирования в межоболочной полости 12 устройства экранирования 1 пульсирующей низкотемпературной плазмы.

Пульсацию плазмы регистрируют датчиком плазменного разряда 3 и блоком измерения периода колебаний 4, а датчиком 2 и измерителем 4 определяют период колебаний Т₂. Измеренное значение периода колебаний поступает в блок управления 5 для вычисления соответствующего значения ускорения силы тяжести g₂.

Указанные действия аналогичны и при измерении ускорения силы тяжести в условиях пульсирующей плазмы, период пульсации которой соответствует периоду колебаний чувствительного элемента при равновесной низкотемпературной плазме.

Для чего через блок управления 5 подают управляющий сигнал на вход источника питания плазменного разряда 7 для инициирования в межоболочной полости 12 устройства экранирования 1 пульсирующей низкотемпературной плазмы. Пульсацию плазмы с периодом, соответствующим периоду колебаний чувствительного элемента T₁ (при равновесной низкотемпературной плазме), обеспечивают с помощью генератора колебаний 8.

Пульсацию низкотемпературной плазмы с периодом колебаний T₁ регистрируют датчиком плазменного разряда 3 и блоком измерения периода колебаний 4, а датчиком 2 и измерителем 4 определяют период колебаний Т₃. Измеренное значение периода колебаний поступает в блок управления 5 для вычисления соответствующего значения ускорения силы тяжести g₃.

По полученным значениям g₀ и g₁ и/или g_2, и/или g₃ делают заключение о наличии локальных гравитационных аномалий в данном пункте и, соответственно, о наличии залежей полезных ископаемых.

Регистрирующим устройством 6 фиксируются измеренные и вычисленные значения T и g.

Измерения ускорения силы тяжести достаточно производить из одной точки области предполагаемых залежей полезных ископаемых.

Источники информации

1. Хаимов З.С. Основы высшей геодезии. - М.: Недра. - 1984. - С. 298.

2. Хаимов З.С. Основы высшей геодезии. - М.: Недра. - 1984. - С. 303-305.

3. Журавлев В.Г. Методы развития творческих качеств реководителей и специалистов. - М.: Знание. - 1991. - С. 52-55.