EKSAMENSOPPGAVE. Geo-2006, Innføring i anvendt geofysikk

Transkript

1 Fakultet for naturvitenskap og teknologi EKSAMENSOPPGAVE Eksamen i: Geo-006, Innføring i anvendt geofysikk Dato: Fredag 6. mai 017 Klokkeslett: Kl 09:00 13:00 Sted: Åsgårdvegen 9 Tillatte hjelpemidler: linjal og kalkulator Type innføringsark (rute/linje): Antall sider inkl. forside: 16 sider inklusiv forside plus 3 vedlegg Oppgavesett bokmål på side 3-8. Oppgavesett nynorsk på side 9-14 Kontaktperson under eksamen: Stefan Bünz Telefon/mobil: / NB! Det er ikke tillatt å levere inn kladdepapir som del av eksamensbesvarelsen. Hvis det likevel leveres inn, vil kladdepapiret bli holdt tilbake og ikke bli sendt til sensur. Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no

2 BOKMÅL Oppgavesett i Bokmål er på side 3-8, Husk å bruke korrekte enheter! Vennligst vis utregningen av formlene siden poenger vil bli gitt for metoden liksom sluttresultatet. Siste to sidene av oppgavesett inneholder en samling av ligninger som kan være behjelpelig. Figurene er samlet som 3 vedlegg til oppgavesettet. Du kan tegne og merke på figurene, og levere disse sammen med besvarelsene! NYNORSK Oppgåvesett i Nynorsk er på side Hugs å bruka korrekte einingar! Vennlegast vis utregningen av formlane sidan poeng vil gjevast for metoden liksom sluttresultatet. Siste to sidene av oppgåvesett inneheld ei samling av likningar som kan vera behjelpelig. Figurane er samla som 3 vedlegg til oppgåvesettet. Du kan teikna og merka på figurane, og levera desse saman med besvarelsene! Lykke til! UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no

3 BOKMÅL DEL A: anvendt geofysikk generell 1. For alle de anvendelsene oppført nede, indiker (1) den primære geofysiske metoden som bør bli brukt, () hvorfor denne metoden er spesielt godt egnet, og (3) en eller to av de limitasjonene for denne metoden. 6 poeng a. Hydrocarbon leting; b. Kartlegging av strukturen og tykkelsen til jorden s skorpe over kontinentalmarginer; c. Malm leting;. Hva er de største diskontinuitetene i jordens indre struktur? Hvordan er de kjent?.. 4 poeng 3. Multiple Choice Vennligst skriv bare stor bokstav for spørsmålet og liten bokstav for svaret i besvarelsen (for eksempel: Aa eller Cd). 10 poeng A. If an S wave were to go from a solid to a liquid - what would happen to its velocity?: a. stay the same b. increase c. decrease to 0.0 d. decrease B. If a continental area is in perfect isostatic equilibrium, which of the following are true? a. A Bouguer anomaly map would show no variations b. There are lateral variations of density below the surface c. No uplift or subsidence is occurring C. How do rock particles move during the passage of an S wave through the rock? a. back and forth parallel to the direction of wave travel b. perpendicular to the direction of wave travel c. in a rolling elliptical motion d. in a rolling circular motion D. Where is the Earth's magnetic field generated? a. in the crust b. in the mantle c. in the outer core d. in the inner core E. The factor(s) that most affect the gravitational force between two objects are a. size and distance b. mass and size c. density and distance d. mass and distance UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 3

4 BOKMÅL F. What is the declination of Earth's magnetic field? a. Angle between magnetic north pole and geographic north pole b. Angle between vertical and horizontal component of the field c. The deviation of the magnetic field of old rocks from the field G. How would the gravitational force between Earth and Moon differ if Moon were twice as far as now a. Would decrease by less than two times b. Would decrease by exactly two times c. Would decrease by more than two times. d. Would increase H. What does a seismograph measure? a. Ground acceleration b. Elastic vibrations c. acoustic sound waves d. all of the above I. Which of the following is not true? The value of g varies over the surface of the earth a. Because the density of the rocks varies laterally b. Because the surface is not flat c. With longitude d. With the distance from the poles J. No P-waves or S-waves are received in the shadow zone because a. P-waves are absorbed and S-waves refracted by Earth outer core b. P-waves are refracted and S-waves absorbed by Earth outer core c. both the P-waves and S-waves are refracted by Earth outer core d. both the P-waves and S-waves are absorbed by Earth outer core UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 4

5 BOKMÅL DEL B: Tyngdekraft 1. Gitt verdien av lille-g ved ekvator er 9,78031 m/s, hva er verdien av tyngdekraften på Nordpolen eller Sydpolen?...(3 poeng). Hvorfor varierer tyngdekraften med breddegrad? Gjør det klar om tyngdekraften er sterkere på Nordpolen eller Equator. (3 poeng) 3. Hva er isostasi? Hva er en isostatisk tyngdekraftsanomali? (4 poeng) 4. Hva er free-air tyngdekraftsanomali? Hvordan skiller det seg fra en Bouguer anomali? (4 poeng) 5. Figuren (Figur 1 i vedlegg) nede viser et kort av Bouguer tyngdekrafts anomalien over en velkjent massiv sulfitt forekomst i Kanada. Konturintervall er 0.6 mgal. (6 poeng) a) Hva antyder den positive Bouguer anomalien over tettheten av malm strukturen? b) Bruk profil A-B. Hva er half width (x½ ) av Bouguer anomalien? c) Antar at malm strukturen er en sfære. Beregn dybden av malm strukturen! a) Hva er overskuddmassen av strukturen? UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 5

6 BOKMÅL DEL C: Magnetisme 1. Hva forårsaker at Jordens magnetfelt varierer over tidsskaler av timer til dager? Hvorfor er dette et problem for magnetisk kartlegging? Hvilke korreksjoner er vanligvis gjort med innsamlete magnetiske data? (6 poeng). Forklar hva er ment med indusert magnetisasjon og remanent magnetisasjon. Utkast den fysikalske grunnlag for hver type magnetisasjon. (8 poeng) 3. Skisser den magnetiske anomalien av en underjordisk sfære med indusert magnetisasjon på den magnetiske sørpolen og ved ekvator. Er det noen forskjell mellom den magnetiske anomalien ved Nord- eller Sørpolen? (6 poeng) UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 6

7 BOKMÅL DEL D: Seismologi / Refraksjonsseismikk 1. En bølge har en frekvens av 10 Hz. Hva er dennes periode? Hva er bølgelengden hvis bølgen sprer seg gjennom en medium med en hastighet av,4 km/s? Gjenta samme beregning for en bølge med en frekvens av 180 Hz. ( poeng). En strål går gjennom et lag med en seismisk hastighet av 3 km/s, og treffer en laggrense til en annen lag med hastighet 4 km/s hastighet i en vinkel av 45. I betraktning av transmisjon, i hvilken vinkel forlater strålen denne laggrensen? Er 45 en pre-critical eller post-critical innfallsvinkel? (3 poeng) 3. Sammenlign og kontrast seismisk refraksjon og seismisk refleksjon. (6 poeng) 4. Hva er den kritiske distansen i refraksjonsseismiske undersøkelser? Hva er crossover distansen? Hva er en «head wave»? Bruk gjerne en tegning (4 poeng) 5. Figur i vedlegg viser geometrien av en refraksjonsseismisk kartlegging. 1 skudd (S) ble avfyrt og registrert på geofonene (inverterte trekanter). Skisser ankomsttidene som vil bli observert på vedlagte tid-distanse diagram (bruk eventuell eget ark). Inkluder både direkte bølger, refraksjoner og refleksjoner for skuddet. Indiker den relative stigningen for hver kurve der det er relevant. Også indiker relative ankomsttidene der det er relevant. (5 poeng) UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 7

8 BOKMÅL DEL E: Refleksjonsseismikk 1. Universitetet i Tromsø s marine mini-gi luftkanon system gir frekvenser opp til 400 Hz. (6 poeng) a) Hva bør du bruke som minimums samplings rate i feltet? Forklar ditt svar! b) Hovedfrekvensen av dette system er omtrent 180 Hz. Hva er den beste vertikale oppløsningen du kan oppnå med denne frekvensen når du antar at bølgen sprer seg gjennom et materiale med en hastighet av 1800 m/s? c) Havbunnen ligger i en vanndybde av 000 m. Hva er den optimale horisontale oppløsningen du kan oppnå i denne dybden?. Beskriv / forklar følgende begrep i seismisk terminologi (bruk en tegning hvis relevant): akustisk impedans, impedanse log, reflectivity function. (3 poeng) 3. Er dip av en reflektor i en ikke-migrert seismisk seksjon mer eller mindre enn den faktiske dip av reflektoren? Forklar ved hjelp av en skisse. (3 poeng) 4. Figur 3 i vedlegg viser en Common Mid-point (CMP) gather (seismogram) over en undergrunnsmodell med horisontale lagpakker. Noen travel times (ankomsttider) for reflekterte stråler vises i tabellen under Figur 4. (8 poeng) a) Identifiser og merk hver eneste seismiske signal som vises i seismogram. b) Skisser en enkel hastighetsmodell for undergrunnen som kan forklare dataene. c) Beregn hastighet (v 1 ) og tykkelse (z 1 ) i det øverste laget. d) Bekreft svaret ditt for v 1 ved å bruke en annen signal i seismogram. e) Beregn RMS hastighet (V rms, ) for andre reflection (ref ). f) Beregn hastighet (v ) og tykkelse (z ) i andre laget. UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 8

9 NYNORSK DEL A: anvendt geofysikk generell 1. For alle dei anvendelsene oppførd nede, indiker (1) den primære *geofysiske metoden som bør brukast, () kvifor denne metoden er spesielt godt eigna, og (3) ein eller to av dei limitasjonene for denne metoden. 6 poeng a. Hydrocarbon leting; b. Kartlegging av strukturen og tykkelsen til jorden s skorpe over kontinentalmarginer; c. Malm leting;. Kva er dei største diskontinuitetane i den indre strukturen til jorda? Korleis er dei kjent?.. 4 poeng 3. Multiple Choice Vennligst skriv bare stor bokstav for spørsmålet og liten bokstav for svaret i besvarelsen (for eksempel: Aa eller Cd). 10 poeng A. If an S wave were to go from a solid to a liquid - what would happen to its velocity?: a. stay the same b. increase c. decrease to 0.0 d. decrease B. If a continental area is in perfect isostatic equilibrium, which of the following are true? a. A Bouguer anomaly map would show no variations b. There are lateral variations of density below the surface c. No uplift or subsidence is occurring C. How do rock particles move during the passage of an S wave through the rock? a. back and forth parallel to the direction of wave travel b. perpendicular to the direction of wave travel c. in a rolling elliptical motion d. in a rolling circular motion D. Where is the Earth's magnetic field generated? a. in the crust b. in the mantle c. in the outer core d. in the inner core E. The factor(s) that most affect the gravitational force between two objects are a. size and distance b. mass and size c. density and distance d. mass and distance UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 9

10 NYNORSK F. What is the declination of Earth's magnetic field? a. Angle between magnetic north pole and geographic north pole b. Angle between vertical and horizontal component of the field c. The deviation of the magnetic field of old rocks from the field G. How would the gravitational force between Earth and Moon differ if Moon were twice as far as now a. Would decrease by less than two times b. Would decrease by exactly two times c. Would decrease by more than two times. d. Would increase H. What does a seismograph measure? a. Ground acceleration b. Elastic vibrations c. acoustic sound waves d. all of the above I. Which of the following is not true? The value of g varies over the surface of the earth a. Because the density of the rocks varies laterally b. Because the surface is not flat c. With longitude d. With the distance from the poles J. No P-waves or S-waves are received in the shadow zone because a. P-waves are absorbed and S-waves refracted by Earth outer core b. P-waves are refracted and S-waves absorbed by Earth outer core c. both the P-waves and S-waves are refracted by Earth outer core d. both the P-waves and S-waves are absorbed by Earth outer core UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 10

11 NYNORSK DEL B: Tyngdekraft 1. Gjeve verdien av lille-g ved ekvator er 9,78031 m/s, kva er verdien av tyngdekrafta på Nordpolen eller Sørpolen??...(3 poeng). Kvifor varierer tyngdekrafta med breiddegrad? Gjer det klår om tyngdekrafta er sterkare på Nordpolen eller ekvator. (3 poeng) 3. Kva er isostasi? Kva er ein isostatisk tyngdekraftsanomali? (4 poeng) 4. Kva er free-air tyngdekraftsanomali? Kvorleis skil det seg frå en Bouguer anomali? (4 poeng) 5. Figuren (Figur 1 i vedlegg) nede viser eit kort av Bouguer tyngdekrafts anomalien over en velkjent massiv sulfitt førekomst i Kanada. Konturintervall er 0.6 mgal. (6 poeng) a) Kva antyder den positive Bouguer anomalien over tettheten av malm strukturen? b) Bruk profil A-B. Kva er half-width (x½ ) av Bouguer anomalien? c) Antar at malm strukturen er ein sfære. Berekn djupna av malm strukturen! d) Kva er overskotmassen av strukturen? UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 11

12 NYNORSK DEL C: Magnetisme 1. Kva forårsakar at magnetfeltet til jorda varierer over tidsskaler av timar til dagar? Kvifor er dette eit problem for magnetisk kartlegging? Kva for korreksjonar er vanlegvis gjord med innsamla magnetiske data? (6 poeng). Forklar kva er meint med indusert magnetisasjon og *remanent magnetisasjon. Utkast den fysikalske grunnlag for kvar type magnetisasjon. (8 poeng) 3. Skisser den magnetiske anomalien av ein underjordisk sfære med indusert magnetisasjon på den magnetiske sørpolen og ved ekvator. Er det nokon skilnad mellom den magnetiske anomalien ved Nord- eller Sørpolen? (6 poeng) UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 1

13 NYNORSK DEL D: Seismologi / Refraksjonsseismikk 1. Ei bølgje har ein frekvens av 10 Hz. Kva er denne sin periode? Kva er bølgjelengda viss bølgja spreier seg gjennom eit medium med ein fart av,4 km/s? Gjenta same berekning for ei bølgje med ein frekvens av 180 *Hz. ( poeng). Ein strål går gjennom eit lag med ein seismisk fart av 3 km/s, og treffer ein laggrense til ein annan lag med fart 4 km/s fart i ein vinkel av 45. I betraktning av transmisjon, i kva for ein vinkel forlèt strålen denne laggrensen? Er 45 eit pre-critical eller post-critical innfallsvinkel? (3 poeng) 3. Samanlikn og kontrast seismisk refraksjon og seismisk refleksjon. (6 poeng) 4. Kva er den kritiske distansen i refraksjonsseismiske undersøkingar? Kva er crossover distansen? Kva er ein «head wave»? Bruk gjerne ein teikning.. (4 poeng) 5. Figur i vedlegg viser geometrien av ein refraksjonsseismisk kartlegging. 1 skot (S) vart avfyrd og registrert på geofonene (inverterte trekantar). Skisser ankomsttidene som vil observerast på vedlagde tid-distanse diagram (bruk eventuell eige ark). Inkluder både direkte bølgjer, refraksjonar og refleksjonar for skotet. Indiker den relative stigninga for kvar kurva der det er relevant. Òg indiker relative ankomsttidene der det er relevant. (5 poeng) UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 13

14 NYNORSK DEL E: Refleksjonsseismikk 1. Universitetet i Tromsø s marine mini-gi luftkanon system gjev frekvensar opp til 400 Hz. (6 poeng) a) Kva bør du bruka som minimum sitt samplings rate i feltet? Forklar svaret ditt!! b) Hovudfrekvensen av dette system er omtrent 180 Hz. Kva er den beste vertikale oppløysinga du kan oppnå med denne frekvensen når du antek at bølgja spreier seg gjennom eit materiale med ein fart av 1800 m/s? c) Havbunnen ligg i ei vassdjupn av 000 m. Kva er den optimale horisontale oppløysinga du kan oppnå i denne djupna?. Skildre / forklar følgjande begreip i seismisk terminologi (bruk ei teikning viss relevant): akustisk impedans, impedanse log, reflectivity *function. (3 poeng) 3. Er dip av ein reflektor i ein ikkje-migrert seismisk seksjon meir eller mindre enn den faktiske dip av reflektoren? Forklar ved hjelp av ein skisse. (3 poeng) 4. Figur 3 i vedlegg viser en Common Mid-point (CMP) gather (seismogram) over ein undergrunnsmodell med horisontale lagpakker. Nokre travel times (ankomsttider) for reflekterte strålar visast i tabellen under Figur 3. (8 poeng) g) Identifiser og merk kvar einaste seismiske signal som vert vist i seismogram. h) Skisser ein enkel fartsmodell for undergrunnen som kan forklara dataa. i) Berekn fart (v 1 ) og tykkelse (z 1 ) i det øvste laga. j) Stadfest svaret ditt for v 1 ved å bruka ein anna signal i seismogram. k) Berekn RMS fart (V rms, ) for andre refleksjon (ref ). l) Berekn fart (v ) og tykkelse (z ) i andre laga. UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 14

15 Ligninger og formler som kan være behjelpelig Tyngdekraft (Gravity) a = radius of sphere or cylinder Δρ = density contrast z = depth of the sphere or cylinder x = horizontal distance from sphere/cylinder G = 6.67 x N m kg - 1 milligal = 10-5 ms - M S = excess mass x½ = half width Cylinder Sphere Gπa z ρ max Gπa ρ g z = x½ = z g z = ( x + z ) z GM S z max GM g z = x½ = 0.766z g 3 z = z ( x + z ) S Gravitational attraction of slab with thickness Δh (m) and density contrast Δ ρ (kg m -3 ) Δg z = πgδh Δ ρ (ms - ) Change in g z when elevation changes by Δz (m) Δg z = 0.3 Δz (milligals) φ : latitude α : azimuth V : vehicle speed h : elevation over sealevel ρ : density Eötvös correction: Latitude corrections: Free-air correction: Bouguer correction: Alle er gitt i gu! δg EC = V cosφ sinα V δg L = sin φ δg F = h δ g B = ρ h IGF (Internation Gravity Reference) Teoretisk gravitasjon g base = g 0 ( sin ø sin 4 ø) [m/s ] Seismisk kartlegging (seismic surveying) UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 15

16 Snell s law: sin i1 sin i = v v 1 Horizontal resolution (width of the Fresnel zone): Seismic impedance, Z = ρv Seismic Wave Speeds and Rock Properties: v p = 4μ k + 3 ρ = λ + μ ρ vs = μ ρ Seismic wave travelling from layer 1 to layer, at normal incidence Energy reflected: Er = R Energy transmitted Et = T Amplitude reflection coefficient, R = Amplitude transmission coefficient, T = Z Z Z + Z Z Z Z 1 Refraction seismology: Layer thickness h: h x v v v v t = c h = v + v 1 v v1 Reflection seismology: Travel time equation: t 0 intercept time at zero offset: t = t t = Normal moveout equation: n Dix equation: v n V = rms, n n t V t t n rms, n 1 n 1 t n 1 x t nvrms, n where v n = interval velocity of n th layer and V rms,n = r.m.s velocity of n th reflector t n = normal incidence travel time for n th reflector 1 UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 16

17 Figur 1 Se oppgave B5! UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 17

18 Figur Se oppgave D5! S 1000 m/s 500 m/s Time Distance UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 18

19 Figur 3 Se oppgave E4! x(m) ref 1 (ms) ref (ms) UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 19