نقشه برداران دانشکده سازمان نقشه برداری کشور

ثقل سنجی چیست ؟

ثقل‌سنجی به عملیات اندازه‌گیری ثقل یا گرانش گفته می‌شود. در این روش اندازه‌گیری تغییرات میدان جاذبه زمین در نقاط مختلف آن انجام می‌شود. با توجه به وابستگی میان میدان جاذبه و چگالی توده‌های مختلف زیرسطحی، با ثبت میدان جاذبه می‌توان مواد معدنی با چگالی بیشتر یا کمتر از سنگهای درونگیر آنها را کشف نمود.

تاریخچه : 

در حدود سال ۱۵۸۹ میلادی گالیله اولین بار تاثیر شتاب جاذبه زمین بر روی اجسام با وزنهای مختلف را کشف نمود و بعدا کپلر قوانین حرکت سیارات را اثبات کرد و در سال ۱۶۸۵ میلادی نیوتن قوانین عمومی جاذبه زمین را معرفی کرد. طی سال‌های ۱۷۳۵-۱۷۴۵ پییر بوگر بسیاری از روابط ثقل‌سنجی از جمله تغییرات شتاب جاذبه با ارتفاع، عرض جغرافیایی را معرفی کرد.

در سال ۱۸۱۷ آونگ مرکب اولین دستگاه اندازه‌گیری میدان جاذبه بود که توسط کاپیتان هنری کیتر اختراع شد. در سال ۱۹۰۱ رونالدفون اوتوس اولین برداشت ثقل سنجی توسط روی دریاچه یخی والاتون انجام شد و به تدریج این روش مطالعاتی گسترش یافت. اولین اکتشاف ژئوفیزیکی نفت در دسامبر سال ۱۹۲۲ با اندازه‌گیریهای ثقل سنجی در میدان نفتی اسپین دلتا اجرا شد.

گرانش

گرانش یا جاذبه، پدیده‌ای است که در آن همهٔ اجسام جرم‌مند یکدیگر را جذب می‌کنند. تأثیر گرانش بر این اجسام، یعنی تأثیر جذب یک جسم جرم‌مند، جسم جرم‌مند دیگر را، به صورت وزن رخ می‌نماید. از آشناترین نمودهای گرانش فروافتادن سیب از درخت است. پدیدهٔ گرانش معمولاً در مقیاس‌های بزرگ یا خیلی بزرگ هنگامی که جرمِ دست‌کم یکی از اجسام درگیر خیلی زیاد است رخ می‌نماید. بنابراین نمودهای گرانش در حرکت اجسام آسمانی و مسیر سیاره‌ها به گرد خورشید دیده می‌شود.

به‌طور کلاسیک، گرانش یکی از چهارنیروی اصلی طبیعت (سه نیروی دیگر: الکترومغناطیس، نیروی هسته‌ای ضعیف و نیروی هسته‌ای قوی) شمرده می‌شود. از میان این نیروها، گرانش از همه ضعیف‌تر است از این رو در فرایندهای ریز-مقیاس که نیروهای دیگر حضور فعال دارند، اثر گرانش کاملاً قابل چشم‌پوشی‌است. در فیزیک معاصر نظریه نسبیت عام برای توضیح این پدیده بکار می‌رود، اما توضیح کمتر دقیق ولی ساده‌تر آن در قانون جهانی گرانش نیوتون یافت می‌شود. در اکثر فعالیت‌های روزمره، از جمله فرستادن موشک به فضا قانون جاذبه عمومی نیوتن کاملاً کارآمد است. هرجرم ذره‌ای جرم ذره‌ای دیگر را درراستای تقاطع آن‌ها با نیرویی جذب می‌کنداین نیرو با حاصلضرب جرم‌ها متناسب است وبامربع فاصله آن‌ها رابطه عکس دارد. این قانون از قوانین بنیادی فیزیک است.

برای اندازه‌گیری شتاب ثقل از ابزاری به نام گرانش‌سنج استفاده می‌شود.

نگاهی جدید به منشأ گرانش :

گرانش، نیروی مرموزی است که هرچند نظریه نسبیت عام انیشتین، آن‌را به خوبی توصیف می‌کند؛ اما منشا آن کماکان ناشناخته است. آیا می‌توان جهت‌گیری آرایش اطلاعات اجسام مادی را در فضا عامل گرانش دانست؟

اگرچه نیروی جاذبه ابتدا توسط قوانین نیوتن و سپس نسبیت عام انیشتین به خوبی توصیف شد، با این وجود ما هنوز نمی‌دانیم چگونه خواص بنیادین جهان با هم ترکیب می‌شوند و این پدیده را ایجاد می‌کنند. قوانین نیوتن و انیشتن به ما می‌گویند که گرانش چگونه عمل می‌کند اما از منشأ پیدایش آن چیزی بیان نمی‌کنند.

اریک ورلیند از دانشگاه آمستردام هلند، رویکرد جدیدی را برای توصیف نیروی جاذبه پیشنهاد کرده است. این فیزیکدان نظری و از تئوریسین‌های برجسته نظریه ریسمان، استدلال می‌کند که جاذبه گرانشی ممکن است ناشی از جهت آرایش اطّلاعات اجسام مادی در فضا باشد.

قانون جهانی گرانش نیوتن

بنا به قانون گرانشی نیوتون هر دو جرم همواره یکدیگر را می‌ربایند(به سمت یکدیگر جذب می‌کنند). بیان این قانون به صورت زیر است:

«نیروی گرانشی میان دو ذره با حاصل ضرب جرم دو ذره نسبت مستقیم و با مجذور فاصله آن‌ها از یکدیگر نسبت وارون دارد.»

F = G \frac{m_1 m_2}{r^2}
در این معادله G ثابت جهانی گرانش است که مقدار آن در دستگاه SI برابر است با: G = ۶/۶۷ ´ ۱۰ -۱۱ N.M۲/Kg۲

در این رابطه F نیروی گرانش بین دو جرم، m۱ و m۲ مقدار مواد دو جرم و r فاصله بین دو جرم است.

نیروی گرانشی میان جسم‌های با جرم کوچک، قابل چشم‌پوشی است.

قانون گرانش نیوتون می‌گوید که نیروی گرانش بین دو جسم، ارتباط مستقیم با جرم آن دو دارد. یعنی هر چه جرم آن‌ها بیشتر باشد، نیروی گرانش بین آن دو بیشتر است. این قانون هم‌چنین می‌گوید که نیروی گرانش میان دو جسم ارتباط وارون با فاصله میان دو جسم به توان دو دارد.

به دلیل وجود گرانش، جسمی که در نزدیک زمین قرار گیرد به سمت سطح این سیاره سقوط می‌کند. جسمی که در سطح زمین است نیز نیرویی به سمت پائین را به دلیل گرانش تجربه می‌کند. ما این نیرو را در بدن خود به شکل وزن تجربه می‌کنیم.

پیرو این قانون اگر پرتابه‌ای با سرعت زیاد از بالای یک قله پرتاب شود، تحت تاثیر گرانش مسیری منحنی را طی خواهد کرد. اگر سرعت این پرتابه به‌اندازهٔ کافی باشد، می‌تواند یک دایرهٔ کامل را گرد زمین بپیماید و همواره دور زمین بچرخد.

قانون گرانشی نیوتون به ما می‌گوید که هرچه اجسام از یکدیگر دورتر باشند، مقدار این نیرو کوچکتر است. این قانون هم‌چنین می‌گوید که کشش گرانشی یک ستاره درست یک‌چهارم کشش گرانشی ستاره مشابه‌ای است که در نصف فاصله آن قرار گرفته‌ باشد. این قانون شکل مداری زمین، ماه و سیارات را با دقت زیادی پیشگویی می‌کند.

پیشینه :

در سال ۱۶۶۵، زمانیکه نیوتون ۲۳ ساله بود، سقوط یک سیب این پرسش را در اندیشهٔ او ایجاد کرد که نیروی گرانش زمین تا چه فاصله‌ای تاثیرگذار است. نیوتون کشف خود را در سال ۱۶۸۷ به نام «ریشه‌های ریاضی در فلسفه طبیعت» بازشکافی کرد.

روش ثقل سنجی

در کاوش به روش گرانی سنجی تغییرات بسیار جزئی جاذبه ئ ناشی از سنگها وکانی هااندازه گیری می شود
اساس روش گرانی سنجی بر پایه رابطه مشهور قانون جاذبه نیوتن است.طبق این قانون هر جسمی به جرم M ميتواند به هر جرم ديگري كه از آن فاصله معيني دارد نيرويي به نام نيروي جاذبه يا گراني اعمال كند.
روشن است سياره زمين نيز مشابه يك جرمي بزرگ ميتواند به هر جسم ديگري كه روي سطح آن است و يا در فاصله اي از آن قرار دارد نيروي جاذبه يا گراني اعمال كند.طبيعي است كه هر چه جرم جسم بزرگتر و يا چگالي آن بيشتر باشد مقدار اين نيرو نيز بيشتر است.
به بيان ديگر سنگها و كاني هايي كه چگالي بيشتر دارند ميزان كشش گراني آن ها زيادتر است.سنگهايي كه در مقايسه با سنگهاي اطراف خود چگالي

بيشتري دارند ميدان گراني زمين روي آنها بيشتر است در حالي كه بر روي توده سنگهايي كه چگالي كمتري دارند كمبود گراني قابل تشخيص و ثبت است.اين تغييرات ميدان گراني زمين در اثر وجود بي هنجاريها ي محيطي را آنومالي يا بي هنجاري گرانشي گويند.اين بي هنجاري ها براي تشخيص منابع زير زميني از قبيل مخازن نفتي –منابع كارستي – حفره هاي زير زميني و تغييرات سنگ شناسي ناشي از ناپيوستگي هايي مانند گسلها وسيله مناسبي اند.
همان طور كه ميدانيد اعمال نيروي گراني از سوي زمين بر جسمي كه روي سطح آن يا بالاي آن قرار دارد به آن جسم شتابي مي دهد كه به آن شتاب سقوط آزاد يا شتاب گراني گويند. تغييرات شتاب گراني با نيروي گراني متناسب است .اندازه گيريي همين تغييرات شتاب گراني در كاوش هاي ژئو فيزيكي از اهمييت بسزايي برخوردارند.

واحد اندازه گيري گراني سنجي معمولا بر حسب ميلي گال يا ميكرو گال بيان مي شود. علاوه بر تغييرات چگالي تغييرات ارتفاع نيز مي تواند بر ميزان گراني تاثير بگذارد به گونه اي كه افزييش ارتفاع نيز ميتواند موجب كاهش مقدار گراني شود.
بنا بر اين انجام دادن عمليات تراز يابي يا ارتفاع سنجي نقاط اندازه گيري قبل از شروع عمليات گراني سنجي ضروري است.

كاربرد روش ثقل سنجي :

در اين روش اندازه گيري تغييرات ميدان جاذبه زمين در نقاط مختلف آن انجام مي شود. با توجه به وابستگي ميان ميدان جاذبه و چگالي توده هاي مختلف زيرسطحي، با ثبت ميدان جاذبه مي توان مواد معدني با چگالي بيشتر يا كمتر از سنگهاي درونگير آنها را كشف نمود. اين روش را مي توان در سطح زمين يا در داخل تونلهاي زيرزميني اجرا نمود. در اكتشافات هيدروكربوري اين روش به همراه روش مغناطيس سنجي به عنوان يك ابزار شناسايي كاربرد دارد. اجراي اين روش ارزان تر از روشهاي لرزه نگاري و گران قيمت تر از ساير روشهاي ژئوفيزيكي است. در مطالعات مهندسي و باستان شناسي خصوصاً براي كشف حفره هاي زيرزمين كاربرد ويژه دارد. ژئوفيزيک دانان بوسيله گراني سنج تفاوت هاي اندک سنگ هاي زيرين زمين را بر اساس وزن آنها مشخص مي کنند .

توسعه و كاربرد گراني سنج براي اندازه گيري صحرايي به اوايل دهه 1930 مربوط است

در روش ثقل سنجي، همانند روشهاي مغناطيس سنجي، راديومتري و برخي روشهاي الكتريكي، اندازه گيري ميدان با چشمه طبيعي زميني انجام مي شود. 
اولين بار گاليله در حدود سال 1589 تاثير شتاب جاذبه زمين بر روي اجسام با وزنهاي مختلف را كشف نمود. پس از او نيز كپلر قوانين حركت سيارات را اثبات كرد و بدنبال او نيوتن قوانين عمومي جاذبه زمين را در سال 1685 گزارش نمود.
پيير بوگر طي سالهاي 45-1735 بسياري از روابط اساسي ثقل سنجي از جمله تغييرات شتاب جاذبه با ارتفاع، عرض جغرافيايي و ... را بدست آورد. 
در سال 1901 اولين برداشت ثقل سنجي توسط رونالدفون اوتوس روي درياچه يخي والاتون انجام شد و به تدريج اين روش مطالعاتي گسترش يافت. اولين اكتشاف ژئوفيزيكي نفت در دسامبر سال 1922 با اندازه گيريهاي ثقل سنجي در ميدان نفتي اسپين دلتا اجرا شد.

دستگاههاي گراني سنجي :

. اولين دستگاه اندازه گيري ميدان جاذبه (آونگ مركب) در سال 1817 توسط كاپيتان هنري كِيتِر ابداع شد.

دستگاه هاي اوليه از نوع پايدار بوده اند اين دستگاه ها به طور كلي توسط نوع حساستر ناپايدار جايگزين شده اند و فقط از لحاظ تاريخي اهميت دارند .
تمام گراني سنج ها ، اساسا" ترازوهاي مكانيكي بسيار حساسند كه در آنها جرمي توسط يك فنر نگهداري مي شود . تغييرات جزئي گراني سبب حركت وزنه در مقابل نيروي بازگرداننده فنر مي شود . در نوع پايدار نياز به تقويت قابل ملاحظه تغييرات بسيار كوچك فنر وجود دارد .عمل تقويت ممكن است مكانيكي ، نوري ، الكتريكي يا تركيبي از آنها باشد .

گراني سنج ها :

گراني سنج هاي ناپايدار كه به ناپايا ، يا نا ايستا هم معروفند داراي يك نيروي بازگرداننده منفي هستند كه نظير نيروي گرانشي در مقابل فنر بازگرداننده عمل مي كند . اين دستگاهها اصولا" در حالتي از تعادل ناپايدارند و لذا حساستر از انواع پايدارند .
مزايا : قابليت حمل ، استحكام ، سرعت در قرائت
معايب : حجيم و سنگين بودن ، حساسيت به تغييرات دما ، فشار ، تغييرات كوچك مغناطيسي و لرزه اي

هدف این شاخه بررسی و بدست آوردن شتاب جاذبه زمین و همچنین بحث درباره ی شکل میدان جاذبه زمین در نقاط مختلف است. با توجه به اینکه میدان جاذبه بستگی به جنس لایه‌ها دارد با این روش می‌توان به تحلیل و بررسی مسائل زمین ساختی مثل تاقدیس‌های زیر زمینی، گنبدها، گسل‌ها و توده‌های نفوذی پرداخت. این روش در بررسی‌های مهندسی جهت تعیین محل حفره‌ها و غارهای انحلالی داخل سنگ‌های آهکی استفاده می شود. این روش مطمئن ترین روش برای اکتشافات نفتی است.

روش گرانی سنجی یکی از قدیمی­ترین روش­های ژئوفیزیکی است که ابتدا برای تشخیص محل مواد معدنی 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 اندازه ­گیری شده در نقاط مختلف بنا شده است.

ثقل‌سنجي روشي است كه در آن يكي از ميدانهاي طبيعي كره زمين را اندازه‌گيري مي نمايند. اين ميدان همان ميدان گرانشي يا جاذبه زمين است.

بطور کلی مطالعات گراني سنجي در دو نوع مقیاس انجام ميشود.

الف) مطالعات کوچک مقیاس: که به منظور مطالعات زمين شناختي در ابعاد وسيع برای تعيين شکل و موقعیت طاقديسها و ناوديسهاي بزرگ، شكل و ضخامت پوسته كره زمين و اين قبيل مطالعات است كه معمولا مقياس چنين مطالعاتي از 1:50000 به كوچك مقياستر خواهد بود. در اين نوع مطالعات ميبايست تقريبا تمامي اثر نيروهاي ياد شده را محاسبه نمود. اکتشاف میادین نفتی، تعیین سطح ایزوستازی، مطالعات تکتونیکی و تعیین ضخامت پوسته زمین هدف اصلی این مطالعات است.

ب) مطالعات بزرگ مقیاس: که به منظور اكتشاف مواد معدني صورت ميگيرد، در اين قبيل مطالعات مقياس از 1:50000 بزرگتر و معمولا 1:20000 ، 1:5000 ، 1:1000 و گاه 1:500 ميباشد. از این روش برای اکتشاف مواد معدنی که یا دارای چگالی زیادتر نسبت به سایر کانیها هستند استفاده میشود و یا برعکس برای اکتشاف کانیهائی که دارای چگالی کمتری نسبت به سایر کانیها هستند استفاده میشود. کانیهای چگالتر مانند کرومیت، اورانیوم، سرب، زونهای مسیو سولفات، باریت، هماتیت و کانیهای کم چگالتر مثل نمک و پتاس و پیکرومریت.

اصول كار در مطالعات گراني سنجي به منظور اكتشافات معدني تعيين مناطقي با چگالي كم يا زياد نسبت به يكديگر در منطقه مورد مطالعه است. براي حصول چنين امري ميبايست اثر كليه نيروهاي موثر بر دستگاه را محاسبه و تفكيك نمود، اين كار كه به تصحيحات گراني سنجي موسوم است ميبايست براي هر يك از ايستگاهها جداگانه محاسبه گردد. با حذف نيروهاي مزاحم و يا اضافه نمودن نيروهاي لازم بر حسب ميلي گال به اعداد اندازه‌گيري شده در هر ايستگاه سرانجام تغييرات نيروي جاذبه بر اثر تغييرات چگالي تشكيلات زمين شناسي در منطقه بدست ميايد.

اصول كار دستگاه گراني سنج يا به بياني گراويمتر بر اصل قانون جاذبه نيوتن استوار است. بطور اختصار ساختمان دستگاه گرانيسنج از يك فنر حساس و يك وزنه كه مجموعا در محفظه اي خالي از هوا و در محيط خلاء قرار گرفته تشكيل شده است. هنگامیکه دستگاه بر روی یک ایستگاه مستقر میشود، وزنه در محیط خلاء در درون دستگاه رها میگردد. در این لحظه تمام اجرام پيرامون وزنه دستگاه طبق قانون نيوتن نيروي جاذبه اي مطابق با فرمول زير بر آن وارد ميسازد:

F=K.m/r2

كه در آن F نيروي جاذبه بر حسب نيوتن، m جرم بر حسب كيلو گرم، r فاصله جرم با مركز كره زمين و K ضريب ثابت است.

با اين ترتيب هنگام اندازه‌گيري يك ايستگاه توسط گرانيسنج در واقع برآيند نيروهاي بسياري از قبيل جرم موجود در زير دستگاه، جرم موجود در اطراف ايستگاه و حتي اثر جاذبه كره ماه بر دستگاه (اثر جذر و مد) را اندازه‌گيري مينمائيم. با استفاده از محاسبات رياضي ميتوان اثر هر يك از نيروها را بر وزنه دستگاه گراويمتر محاسبه نمود.

مهمترين نيروهاي موثر بر دستگاه گراويمتر عبارتند از:

1- اثر نيروي جاذبه كره ماه (اثر جذر ومد)

2- فاصله ارتفاعي دستگاه گراويمتر از سطح ژئوئيد يا سطح دريا يا يك ايستگاه مبنا (اثر هواي آزاد)

3- اثر برايند نيروي گريز از مركز و جاذبة زمين (اثر عرض جغرافيايي)

4- اثر جرم موجود يا غير موجود در زير دستگاه (اثر بوگر)

5- اثر ايزوستازي

6- اثر جرم كوهها و نبود جرم كوهها (دره ها) در اطراف دستگاه گراويمتر (اثر توپوگرافي يا ترين)

7- اثر خطاي فيزيكي داخل دستگاه مربوط به كشش فنر (اثر دريفت)

به همین منظور روش گرویمتری یکی از ظریفترین، مشکل ترین، حساسترین و چنانچه تمامی پارامترهای مؤثر که در بالا ذکر شد بطور دقیق رعایت گردد، دقیقترین روش ژئوفیزیکی به شمار میرود.

لازم به توضیح است در عملیات گرویمتری نیاز به نقشه برداری دقیق از توپوگرافی و نیز ارتفاع نقاط اندازه گیری در حد کمتر از یک سانتیمتر داریم. امروزه استفاده از GPS های دو فرکانسه میتواند در دقت نقشه برداری عوارض و ایستگاههای گراویتری کمک به سزائی نماید.

نتایج حاصله بصورت نقشه های همتراز چگالی میتواند موقعیت ماده معدنی با وزن مخصوص بالاتر از زمینه و یا برعکس، کمتر از زمینه را نشان دهد.

لطفا بر روی آیکن گوگل پلاس (g+1) کلیک نمایید و  ما را در گوگل محبوب کنید .

:: برچسب‌ها: