گرانی سنجی – Gravimetry

روش گرانی سنجی یکی از قدیمی­‌ترین روش‌­های ژئوفیزیکی می‌باشد که ابتدا برای تشخیص محل موادمعدنی و بعد از آن به عنوان یکی از روش های اصلی در اکتشاف نفت به ­کار گرفته­ شده است.

اساس این روش بر اختلاف در میدان گرانی اندازه‌­گیری شده در نقاط مختلف بنا شده است. طبق قانون جاذبه­‌ی نیوتن، هرگاه دو جسم با جرم‌های m1 و m2 در فاصله­‌ی r نسبت به هم قرار گیرند؛ نیرویی به یکدیگر وارد می­‌کنند که برابر است با:

 

 و اگر به جای m2 جرم زمین (M) را در معادله قرار داد:

واحد شتاب گرانی (g) به افتخار گالیله که آزمایش رها کردن اجسام از برج پیزا [Pisa] را به منظور بدست آوردن شتاب گرانی انجام داده بود، گال نامیده می‌شود.

گرانی سنج‌های امروزی که تغییرات بسیار کوچک این شتاب را اندازه می­‌گیرند، دقتی در حدود 0/01 میلی‌گال دارند. با اندازه گرفتن شتاب جاذبه در نقاط مختلف و انجام تصحیحاتی رو آن، می­توان به اختلاف شتاب جاذبه و در نتیجه به آنومالی­‌های گرانی پی­ برد.

 

وسایل و روش­ اندازه‌گیری

اساس دستگاه‌های گرانی سنجی، سیستم فنر و وزنه می‌­باشد. بدین صورت که با قرار گرفتن وزنه در میدان جاذبه به دلیل کشیده شدن وزنه به سمت پایین، تغییری در طول فنر ایجاد می­­‌گردد که متناسب با نیروی جاذبه می­‌باشد.

شکل زیر نمایی از سیستم فنر و وزنه را نشان می‌­دهد. هر دستگاه گرانی­‌سنجی باید دارای سه ویژگی زیر باشد:

شکل 1 – سیستم فنر و وزنه

1. دقت: بسته به هدف مطالعه دستگاه باید دقت مناسب داشته باشد.
2. قابلیت حمل: برای برداشت در نقاط صعب العبور یک دستگاه باید براحتی حمل شود.
3. زمان کم اندازه­ گیری: به دلیل اینکه میدان جاذبه تغییرات سریعی دارد و همچنین برداشت نقاط متعدد، یک دستگاه باید در کمترین زمان ممکن اندازه ­گیری نماید.

دستگاه­‌های گرانی‌سنجی به دو صورت مطلق و نسبی میدان جاذبه را اندازه می‌گیرند. اندازه‌گیری مطلق شتاب توسط لیزر و پاندول و در ایستگاه‌­های مجهز و ثابت به ­کار گرفته می­‌شوند. آنچه که در کارهای اکتشافی مدنظر است، اختلاف میان مقادیر گرانی می‌باشد. وسایلی که مقدار نسبی گرانی را اندازه‌­گیری می‌­کنند، به دو دسته­‌ی پایدار و ناپایدار تقسیم می­‌شوند:

 

1- گرانی سنج پایدار – Stable

مطابق شکل در این دستگاه با وارد شدن نیروی جاذبه به وزنه، تغییر طولی در فنر ایجاد می­‌شود و این مقدار در دستگاه ذخیره می‌شود. گرانی سنج‌های گلف [Gulf] و اسکانیا [Askania] از این دسته می­‌باشند.

شکل 2 – شماتیک گرانی­ سنج پایدار

2- گرانی سنج ناپایدار – Unstable

در این گرانی سنج علاوه بر سیستم فنر و وزنه موجود در گرانی سنج‌های پایدار یک وزنه­‌ی اضافی نیز وجود دارد. وجود این وزنه سبب می­‌شود که تغییرات ناچیز در جابجایی وزنه­‌ی اصلی تشدید شده و به نوعی مقادیر بسیار کم را نیز می­توان اندازه گرفت. گرانی­‌سنج‌های لاکوست-رمبرگ [Lacoste-Romberg] و تیسون [Thyssen] از نوع ناپایدار می‌باشد.

شکل 3 – شماتیک گرانی‌­سنج ناپایدار

شیوه­‌ی انجام برداشت‌های گرانی به هدف برداشت و دقت آن بستگی دارد. برداشت‌های بزرگ مقیاس (صدها کیلومتر مربع) برای آشکارسازی ساختارهای زیرزمینی عمده بوده و توسط برداشت‌های هوایی یا خودرو صورت می­‌گیرد.

برداشت‌ها معمولا بر روی یک شبکه قرار گرفته و فاصله ایستگاه‌­ها 500 تا 1000 متر است. در حالی که جهت آشکارسازی توده‌های کوچک مقیاس، از روش پیمایش انفرادی با استفاده از دستگاه­‌های قابل حمل استفاده شده و فاصله ایستگاه­‌ها بعضا کمتر از 100 متر می‌­باشد.

از آنجایی که موقعیت و ارتفاع ایستگاه­‌ها می­‌بایست دقیقا معلوم باشد؛ نیاز به نقشه‌برداری توپوگرافی اولیه است. علاوه بر آن برخی مطالعات زمین­ شناسی و جمع­‌آوری نمونه سنگ‌های غیرهوازده نیز باید در منطقه انجام گیرد.

 

3- تصحیح [Correction] داده‌های گرانی

اگر زمین به صورت کره کامل بود و هیچ گونه حرکتی نمی­‌کرد، پستی و بلندی نمی­‌داشت، سنگ‌ها­ گسترش همگنی داشتند و جذر و مد نیز اتفاق نمی­‌افتاد؛ مقادیر اندازه گیری شده گرانی در تمام سطح زمین باید یکسان می­‌بود. مقادیر قرائت شده، برآیند شتاب زمین و وجود توده­‌های مدفون می­ باشد. با انجام تصحیح­‌های مختلف می­توان اثر تمام عوامل به جز تغییر جنس سنگ‌ها را از قرائت­‌ها حذف نمود.

 

1-3- تصحیح هوای آزاد [Free Air Correction]

چون گرانی با عکس مربع فاصله تغییر می‌کند، بنابراین لازم است که مقدار آن به علت تغییرات میان ایستگاه­‌ها تصحیح شود، به طوری که تمام داده‌ها به یک سطح مبنا برگردانده شود. چون مواد بین ایستگاه و سطح مبنا در این تصحیح در نظر گرفته نمی‌­شود، این تصحیح به نام تصحیح هوای آزاد معروف است.

شکل 4 – تصحیح هوای آزاد

2-3-تصحیح جابجایی دستگاه [Drift Correction]

به دلیل اینکه ایستگاه‌ها در ساعات متفاوتی از روز اندازه گیری می­‌شود، اثرات جاذبه ماه و خورشید و تغییر طول فنر و… بر مقدار اندازه ­گیری اثر می‌گذارد. برای تصحیح این عوامل بعد از اندازه­‌گیری چند ایستگاه، مجدد به ایستگاه مرجع بازگشته و اندازه‌­گیری را انجام می‌دهند.

برای بدست آوردن این مقدار تصحیح برای هر ایستگاه، مقادیر گرانی ایستگاه مرجع را نسبت به زمان رسم کرده و اختلاف بین مقادیر اندازه‌­گیری شده را نسبت به اولین برداشت بدست می­‌ورند.

شکل 5 – تصحیح دریفت

3-3-تصحیح بوگه [Bouger Correction]

در تصحیح هوای آزاد، جرم میان ایستگاه و سطح مبنا در نظر گرفته نشد، تصحیح بوگه برای لحاظ کردن این جرم به کار گرفته می­‌شود. اگر ایستگاه پایین‌تر از سطح مبنا قرار گرفته باشد، این مقدار به شتاب گرانی اضافه و در صورت بالاتر بودن از سطح مبنا، از آن کم می‌شود.

شکل 6 – تصحیح بوگه

4-3-تصحیح زمینگان [Terrain Correction]

این تصحیح مرتبط به پستی و بلندی‌های اطراف ایستگاه می­‌باشد. همان طور که در شکل دیده می‌شود، وجود جاذبه به سمت بالا (تپه) و نبود جاذبه به سمت پایین (دره)، هر دو باعث کاهش اندازه گیری‌ها می­‌شوند. بنابراین این مقدار همیشه به داده‌ها اضافه می‌شوند.

شکل 7 – تصحیح زمینگان

5-3-تصحیح عرض جغرافیایی [Latitude Correction]

چرخش زمین و برآمدگی آن در استوا، هر دو باعث افزایش گرانی با عرض جغرافیایی می­‌شوند. شتاب گریز از مرکز به علت چرخش زمین که در قطبین صفر و در استوا ماکزیمم است، در جهت مخالف شتاب گرانی اثر می‌­کند و تخت شدگی قطبی نیز باعث افزایش گرانی در قطبین می‌شود. بنابراین با افزایش عرض جغرافیایی، این تصحیح باید از داده‌ها کسر شود.

شکل 8 – تصحیح عرض جغرافیایی

از دیگر تصحیحاتی که روی داده های گرانی صورت می­ گیرد می­توان به موارد زیر اشاره کرد:

• الف) تصحیح اتوش [Eötvös Correction]: زمانی که اندازه­ گیری‌ها در کشتی، هواپیما و یا اتومبیل انجام می‌گیرد.
• ب) تصحیح جذر و مد [Tidal Correction]: با توجه به قرار گرفتن ماه و خورشید و سیارات دیگر اطراف زمین، نیروی جاذبه زمین نسبت به محل قرارگیری این کرات تغییر می­‌کند که این مقدار در تصحیح دریفت درنظر گرفته می­‌شود.
• ج) تصحیح ایزوستازی [Isostatic Correction]: زمانی که منطقه‌ی مورد مطالعه خیلی وسیع باشد، درنظر گرفته می­‌شود.