2. Наземные геофизические методы
2.1. Общие принципы геофизических методов
Решение любой геологической задачи сводится к выделению того или иного геологического объекта во вмещающей среде, изучению вещественного состава и геометрической формы, структуры и возрастных взаимосвязей его с вмещающими геологическими образованиями. Выделение геологических тел базируется на том, что объекты отличаются от вмещающей среды вещественным составом или физическим состоянием. В условиях, когда геологические объекты выходят на дневную поверхность или вскрыты горными выработками (канавами, шурфами, скважинами и пр.), информацию о них получают путем визуальных геологических наблюдений. Если подобной возможности нет, а выполнение горных работ требует определенных экономических затрат, решение задачи обнаружения и определения местоположения, формы таких объектов достигается геофизическими методами разведки.
К достоинствам геофизических методов относятся: получение информации об объемах объектов, залегающих на глубине; возможность изучения геологических объектов, перекрытых наносами, экранами; объективность информации о физических полях, создаваемых геологическими объектами; относительно низкая стоимость и высокая производительность.
Основой геофизических методов является то, что геологические объекты и окружающие их горные породы, имея различные физические свойства, или сами создают вокруг себя в пространстве физические поля, отличающиеся от полей окружающей среды, или неодинаково реагируют на разнообразные, искусственно создаваемые физические воздействия.
2.2. Классификация геофизических методов
Классификацию современных геофизических методов чаще всего проводят в зависимости от природы и типа измеряемого физического поля. К естественным полям Земли относят: магнитное, гравитационное (поле тяготения), электрическое, электромагнитное, сейсмическое (поле упругих колебаний, возникающих в результате землетрясений), поле ядерных излучений и термическое; к искусственным — электрическое, электромагнитное, сейсмическое (вызванное исследователем), термическое (поле нагрева и охлаждения), поля вторичных ядерных взаимодействий с изучаемыми геологическими объектами [2]. Каждое геофизическое поле характеризуется своими параметрами, которые зависят от физических свойств геологической среды. Существуют различные виды классификации геофизических методов исследования по: используемым полям (грави-, магнито-, электро-, сейсмо-, термогеофизика и ядерная геофизика); технологиям и месту проведения работ (аэрокосмические, полевые, акваториальные, подземные методы и геофизические исследования скважин); прикладным, целевым направлениям и решаемым задачам (глубинная, региональная, разведочная, инженерная и экологическая геофизика); видам деятельности (теоретическая, инструментальная, экспериментальная, вычислительная и интерпретационная геофизика). Кроме того, геофизические методы подразделяют по способам проведения работ, масштабам (мелко-, средне-, крупномасштабные).
Гравиметрический метод основан на зависимости силы тяжести на поверхности Земли от плотности горных пород. Использует распределение силы тяжести и определяет различие в плотности горных пород. Задачей метода является определение места с аномально низкой силой тяжести.
Магнитометрический метод основан на определении аномалии магнитного поля, которая вызывается различной магнитной проницаемостью горных пород. Наша планета – это огромный магнит, вокруг которого расположено магнитное поле. Он используется главным образом при поисках железных руд, для определения мест залегания основных и ультраосновных магматических пород.
Электрометрические
методы основаны
на различной электропроводности
(кажущегося электрического сопротивления
ρк)
горных пород с поверхности земли.
Выделяют симметричное электропрофилирование
(СЭП),
когда профильное перемещение установки
осуществляют с постоянным разносом
электродов приемной цепи MN
и питающей цепи AB
(рис. 2.1) и вертикальное электрическое
зондирование (ВЭЗ),
когда измерения проводят по пунктам с
различными размерами установок (см.
рис. 2.1).
Симметричное
электропрофилирование Вертикальные
электрические зондирования
Рис.
2.1. Принципиальные схемы поверхностных
установок для изучения
электрических
свойств горных пород.
Электроды питающей цепи А и В через источник (аккумулятор, генератор) создают в среде электрическое или электромагнитное поле низкой частоты, глубина распространения которого в методе СЭП является постоянной (разнос питающей цепи АВ – const.), а в методе ВЭЗ – возрастает с увеличением разносов питающей цепи АВ. По результатам СЭП отстраивается электропрофильная кривая ρк, отражающая изменение геологической среды по линии профиля. По результатам ВЭЗ, в соответствии с разносами питающей цепи АВ, строят кривые ВЭЗ, интерпретация которых (расчет, палетка) позволяет стратифицировать геологический разрез по мощности и ρк (рис. 2.2).
Рис.
2.2. Пример использования косвенных
методов электрической разведки СЭП
и ВЭЗ
при картировании месторождений
песчано-гравийного сырья (Молоковский
район Тверской области)
Д
1
3
Конструкция
катушки-элект-
рода
питающей цепи:
1
– электрод, 2 – изолятор,
3
– стойка, 4 – ручка, 5 – ось катушки, 6 –
прижимная пластина, 7 – боковина.
Рис.
2.3. Внешний вид комплекта электроразведочной
аппаратуры ИКС для работы на болотах
на переменном токе низкой частоты
(облегченный вариант) методами
симметричного электропрофилирования
СЭП
и вертикальных электрических зондирований
ВЭЗ.
Состав: 1 – микровольтметр, 2 – генератор,
3 – стойка,
4
– катушки-электроды питающей цепи АВ,
5 – электроды приемной цепи MN.
Верховой
и смешанный тип залежи Переходный
и низинный тип залежи
Рис.
2.4. Типовые кривые кажущихся сопротивлений
ВЭЗ для участков с различным строением
торфяной залежи болот (на примере
Тверской области)
– 1
– 2 – 3 – 4
Рис.
2.5. Пример интерпретации косвенных
методов электрической разведки для
участков с простым и сложным геологическим
строением пород, подстилающих торфяную
залежь болота верхового типа.
Электропрофильные кривые симметричного
электропрофилирования (СЭП):
1
– АВ/2 = 3,0 м, MN/2
= 0,5 м; 2 – АВ/2 = 10,0 м, MN/2
= 0,5 м;
3
– АВ/2 = 10,0 м, MN/2
= 2,0 м; 4 – АВ/2 = 50,0 м, MN/2
= 2,0 м.
Сейсмические (сейсмометрические) методы основаны на закономерностях и различии скоростей распространения упругих колебаний, проходящих через толщи горных пород, возникающих при землетрясениях или искусственно создаваемых упругих колебаний [2, 25]. Эти колебания называются сейсмическими волнами, которые расходятся от очага землетрясений. Различают 2 типа: продольные волны Vp, возникающие как реакция среды на изменения объема, распространяются в твердых и жидких телах в направлении волнового фронта и характеризуются наибольшей скоростью, и поперечные волны Vs, представляющие реакцию среды на изменение формы поперек направления волнового фронта и распространяются только в твердых телах. Скорость движения сейсмических волн в разных горных породах различна и зависит от их упругих свойств и их плотности. Чем больше упругость среды, тем быстрее распространяются волны. Изучение характера распространения сейсмических волн позволяет судить о наличии различных оболочек шара с разной упругостью и плотностью. Волны создаются одним из следующих способов: взрывом специальных зарядов в скважинах глубиной до 30 м; вибраторами; преобразователями взрывной энергии в механическую.
Скорость распространения сейсмических волн в породах различной
плотности неодинакова: чем плотнее порода, тем быстрее проникают сквозь нее волны. На границе раздела двух сред с различной плотностью упругие колебания частично отражаются, возвращаясь к поверхности земли, а частично преломившись, продолжают свое движение вглубь недр до новой поверхности раздела. Отраженные сейсмические волны улавливаются сейсмоприемниками. Расшифровывая затем полученные графики колебаний земной поверхности, специалисты определяют глубину залегания пород, отразивших волны, и угол их наклона (рис. 2.6).
Ядернофизические методы применяются для решения широкого круга практических и теоретических задач геологии, геохимии, экогеологии, металлургии и многих других областей знаний на основе изучения элементного состава разнообразных веществ по естественному и искусственно созданному радиоактивному излучению от них [2, 25]. Известно несколько десятков ядернофизических методов и их модификаций, которые различаются по физической сущности, своим возможностям, областям применения, кругу решаемых задач и широте использования.
Рис.
2.6. Схема сейсморазведочных работ
методом отраженных волн (по В.Н. Дахнову)
[36].
Наибольшим распространением обладают лишь три группы методов: гамма-методы, т.е. методы, основанные на взаимодействии фотонного излучения с веществом; нейтронные методы, использующие особенности взаимодействия нейтронов с веществом; радиометрические методы, дающие информацию о естественной и техногенной радиоактивности компонентов окружающей среды.
Гамма-методы основаны на облучении исследуемой среды потоком первичного излучения, в качестве которого используется, главным образом, фотонное (гамма-, флуоресцентное, тормозное), и регистрации вторичных видов излучения, которые несут информацию о составе, плотности, влажности, пористости и некоторых других свойствах пород и руд, продуктов их переработки, почв и грунтов и т.д. Среди гамма-методов наибольшее распространение получили: рентгенорадиометрический (РРМ) или рентгенофлуоресцентный (РФМ) метод; гамма-нейтронный (ГНМ) или фотонейтронный (ФНМ) метод. Примерами эффективности опробования стенок забоев и пешеходной бериллометрической съёмки могут служить результаты ГНМ, представленные на рис. 2.7; гамма-гамма-метод (ГГМ).
Рис.
2.7. Сопоставление результатов
бериллометрического бороздового
опробования (а)
и бериллометрической съёмки (б)
с данными геологического опробования.
1 – результаты ГНМ; 2 – данные
геологического опробования; 3 – рудные
тела; 4 – граниты; 5 – элювиально-делювиальные
отложения; 6 – сланцы.
Эти методы пригодны для решения широкого круга задач, возникающих на всех этапах геологических и экогеологических исследований. Они весьма эффективны при анализе состава горных пород и руд, донных и техногенных отложений, продуктов переработки руд на обогатительных фабриках, в металлургической и других отраслях промышленности.
Гамма-гамма-метод предназначен для изучения элементного состава и плотности горных пород, руд и продуктов их переработки, техногенных отложений, грунтов, почв и т.д. Гамма-гамма-метод основан на использовании особенностей поглощения (фотоэффект) и рассеяния (комптонэффект) фотонов (нейтральная элементарная частица, обладающая энергией, с нулевой массой – переносчик электромагнитного взаимодействия между заряженными частицами) веществом.
С
уществует
три модификации гамма-гамма-метода
(рис. 2.8): метод просвечивания среды узким
потоком фотонов; метод просвечивания
среды широким потоком фотонов; метод
измерения в геометрии отражения, в
котором источник фотонов и детектор
расположены по одну сторону от исследуемой
среды.
Рис.
2.8. Схемы реализации ГГМ при просвечивании
исследуемой среды узким (а),
широким (б)
потоками и при измерениях в геометрии
отражения (в).
1
– источник фотонов; 2 – детектор; 3 –
коллиматор излучения; 4 – исследуемая
среда; 5 –траектории фотонов
Первые две модификации ГГМ используются для измерения плотности образцов в лабораторных условиях, а почв, грунтов, техногенных и других рыхлых отложений так же в естественном залегании. Третья модификация применяется для определения плотности и состава пород и руд в коренном залегании, в транспортных емкостях, на ленточных транспортёрах и при каротаже скважин различных типов месторождений (железорудные, угольные, нефтяные и др.).
Метод просвечивания исследуемой среды широким потоком фотонов применяется для определения плотности почв, грунтов и других рыхлых отложений в естественном залегании, а также пород и руд в горных выработках и в целиках размером до 2 м, для чего в них проходят параллельные шпуры. Схемы установок, реализующих эту модификацию ГГМ-п, представлены на рис.2.9.
Рис.
2.9. Схемы установок метода просвечивания
широким потоком фотонов для определения
плотности рыхлых отложений (а,
б) и пород
и руд в шпурах (в).
1– источник излучения; 2 – детектор; 3
– исследуемая среда; 4 – траектории
фотонов;
У
В полевых приборах детектор и источник располагаются по одну сторону от анализируемой среды. Поэтому детектор регистрирует только рассеянные нейтроны, поток которых определяется сечением поглощения и рассеяния нейтронов, но зависит, кроме того, от длины зонда, т.е. расстояния между источником и детектором.
Для определения физических свойств поверхностных отложений (например, плотности и влажности) применяются методы радиоактивного профилирования (рис. 2.10). При этом методе с движущегося транспорта регистрируется какой-либо вид радиоактивного излучения (гамма-профилирование ГП, гамма-гамма-профилирование ГГП, нейтронно-нейтронное профилирование ННП).
Рис.
2.10. Схема радиоактивного профилирования
поверхностных отложений с автомобиля
и характерные диаграммы гамма-гамма
профиля и нейтрон-нейтронного профиля
(по А.И. Данилину) [36].
Радиолокационное
профилирование. Основано
на излучении зондирующих сигналов
частотой от 20 до 120 МГц, приеме и измерении
запаздывания. Эти сигналы отражаются
от границ слоев, имеющих различные
электрофизические характеристики
(например, торф – грунт, мерзлые – талые
породы и т. д.). На выходе приемной антенны
производится обработка принятых
сигналов. Обе антенны как единое целое
перемещаются вместе с измерительным
блоком. В качестве приборов в
радиолокационном профилировании
используются георадары, которые в
процессе работы перемещаются вручную
(пеший вариант) или с помощью
автотранспортного средства (самоходный
вариант – автомобиль, вездеход, снегоход)
(рис. 2.11). По полученным данным решают
обратную задачу радиолокационного
зондирования и определяют мощности
отдельных слоев исследуемых сред и
скорости радиоволн в них. Профиль может
быть отображен сразу на месте с
помощью полевого самописца или путем
обработки на ЭВМ.
Рис.
2.11. Схемы проведения радиолокационного
профилирования
Самоходный
вариант
Пеший
вариант
Метод решает следующие задачи: обнаружение и картирование структурных неоднородностей в разрезе (карст, тектонические нарушения, контакты пород разного литологического состава, участки выклинивания пластов, включения скальных пород в рыхлой среде и т. д.); поиск песчано-гравийных отложений и определение в них уровня грунтовых вод; картирование поверхности коренных пород под рыхлыми отложениями; определение мощности сезонного промерзания и оттаивания рыхлых отложений, оконтуривание участков многолетнемерзлых и оттаивших пород; картирование и разведка торфяных месторождений (рис. 2.12) и озерных месторождений сапропеля; картирование рельефа минерального дна и донных отложений пресноводных водоемов; определение местоположения подземных коммуникаций и археологических объектов.
Георадиолокационный
разрез
Карта
мощностей торфяных отложений
Рис.
2.12. Пример радиолокационного
профилирования болота.
(http://intersib.pub.tyumen.ru/geo7.htm)