2.2. Системный подход к геолого-геофизическим исследованиям
Системный подход к геолого-геофизическим исследованиям начинается с формулировки задач, оценки физико-геологических условий района, оценки коррелируемости методов, установления связей геолого-геофизических свойств, определения стадийности, масштабов, аппаратуры, точности.
Оценка коррелируемости методов, входящих в комплекс, как правило, осуществляется на стадии качественной интерпретации, когда построенные геофизические разрезы и карты сопоставляются с имеющимися геологическими данными.
Выявляемые геофизические аномалии почти всегда являются результатом наложение физических аномалий от разных геолого-геофизических объектов, от разных структурных этажей Земли. Для потенциальных и волновых полей «сложение» полей является линейным, а для электромагнитных – нелинейным. Для разделения аномалий широко используется принцип суперпозиции, особенно в однометодной интерпретации. При этом, аномалии, фиксируемые разными методами, свидетельствуют об отражении ими геологических неоднородностей разной природы, возраста, состава, глубины залегания.
Для оценки возможностей комплексных геофизических исследований используется физико-геологическое моделирование.
ФГМ — это сочетание геологической, петрофизической моделей и модели физических полей. Геологическая модель — система элементов геологического строения, обобщенно описывающая состав, структуру, форму (геометрию) изучаемого объекта и вмещающей среды. Петрофизическая модель — модель, характеризующая распределение физических и геологических свойств в плане, разрезе, пространстве. Модель физических полей описывает характер физического поля в верхнем и нижнем полупространстве, в котором отражены интенсивность поля, его морфология, аномальные эффекты и различные типы помех.
Построение физико-геологических и иных моделей изучаемых объектов (месторождения, бассейны подземных вод, карстовые районы и т.п.) можно осуществить только на основе современных методологических подходов. Одним из основополагающих принципов физико-геологического моделирования является системность. Для реализации системного подхода необходимо установить границы систем, исследовать связи объектов с внешней средой и между отдельными элементами, а сами элементы должны быть расположены в иерархическом порядке.
Как правило, создается несколько моделей. Особого внимания в ИГГ заслуживают физические материально-масштабные, т.н. физико-геологические модели. Они строятся на основе систематизации физических и других свойств горных пород и их массивов, их состояния и сопутствующих им физических полей.
А.А. Огильви (1990) создал серию моделей, характеризующих преимущественно ИГ особенности верхней части разреза ГС (ВЧР ГС). Среди моделей для ГГ объектов, следует отметить модели различных типов бассейнов подземных вод, а также месторождений пресных, минеральных и термальных вод. Применительно к изучению подземных вод И.М. Мелькановицкий и др. [2] выделяют несколько уровней моделирования, генерализующих природную обстановку: бассейны подземных вод; отдельные ГГ структуры, входящие в состав бассейнов; месторождения подземных вод, расположенные на площади ГГ структур; отдельные элементы месторождений.
На каждой стадии геологоразведочных работ (ГРР) ФГМ совершенствуются, уточняются. Параллельно с ГГ и ИГ результатами исследований совершенствуется и методика работ. Это итерационный процесс.
На завершающем этапе ГГ и ИГ исследований по комплексу геофизических и других данных строятся математические модели, описывающие те или иные ГГ или ИГ характеристики объектов. Таковы, например, модели фильтрационных свойств пород, минерализации, температуры подземных вод артезианских бассейнов. В области ИГ математическое моделирование менее развито, хотя создаются модели оползневых массивов, физических свойств и напряженного состояния массивов скальных пород и т.д. При интерпретации геофизической информации привлекаются разнообразные математические методы.
Начинается оценка возможностей геофизических исследований со сравнения эффективности геофизических методов выявления аномалосоздающих объектов. Эффективным средством является определение контрастности, γ, методов:
γ = (Амакс – Аср)/σфон, (2.1)
где Аср - ΣАi/n, σфон, = √Σ(Аi-Аср)2/ n. Здесь Аi , Аср и Амакс – соответственно аномалия в любой точке, средняя по участку с n точками наблюдений и максимальным значением над центром объекта, σфон, фоновое стандартное отклонение, характеризующее точность съёмки и уровень помех.
При выявлении аномалий пользуются правилом «трёх сигм»: аномалией считается надёжной, если амплитуда превышает 3σфон, а по протяженности прослеживается более чем на трёх точках профиля. Показателем надёжности аномалии является её ширина на уровне σфон,.
Более универсальной характеристикой эффективности метода является энергетическое отношение аномалия/помеха:
γэ = ΣА2i / σ2фон = А2ср n/ σ2фон, (2.2)
где σ2фон, является общей дисперсией, зависящей от уровня помех и точности съёмки.
Эффективность того или иного метода определяется природой, или способом создания поля, контрастностью физических свойств разведываемого объекта и окружающей среды, соотношением вертикальной мощности (размеров) и глубины залегания, наличием сверху экранирующих горизонтов с резкими контрастными свойствами, а также неоднородностью вмещающей среды и поверхностных отложений, в которых возникают геологические и техногенные помехи, влияющие на величину σфон,.
Физико-математическое моделирование можно проводить на проектной стадии, на основе априорных данных. Построенные ФГМ в процессе работы корректируются, а по завершении работ – превращаются в апостериорны, результативные.
Прямые и обратные задачи решаются на примере горизонтально-слоистых моделей, для линз и пластов – двумерные модели (вытянутые по оси «у»), для изометрических, сфероидальных моделей - трёхмерные ФГМ.
Основными методами изучения одномерных ФГМ являются МОВ, МПВ и электромагнитное зондирование.
Двумерные модели (наклоннослоистые пласты, среды с вытянутыми структурами, тектонические нарушения, линзообразные залежи и др.) лучше всего исследовать как теми же методами, что используются для изучения одномерных моделей, так и методами гравиразведки, магниторазведки, электромагнитного профилирования, терморазведки, ядерной геофизики.
Трехмерные модели изучаются методами гравиразведки, магниторазведки, электромагнитного профилирования,
В гидрогеологии основными моделями (ФГГМ) являются:
1) горизонтально-слоистые толщи и
2) крутозалегающие слоистые толщи с трещинно-карстовыми подземными водами.
Первые изучаются сейсморазведкой преломлённых волн, электромагнитными зондированиями (сопротивлений и ВП). Вторые разведываются различными модификациями электромагнитного профилирования, ядерными методами, реже гравиразведкой и магниторазведкой.
При формировании ФГМ используют понятие о прогнозно-поисковой модели, определяемой по сочетанию поисковых геофизических признаков и критериев, которыми называют характерные и устойчивые (обнаруживаемые в большинстве случаев) особенности геофизических полей над искомыми объектами.
Формирование ФГМ какого-либо геологического объекта, процесса или явления предусматривает несколько последовательных операций, к которым относятся:
постановка геологической задачи;
выбор объекта моделирования (земная кора, рудная или нефтегазовая провинция, верхняя часть геологического разреза – ВЧР, отдельные рудные тела, нефтегазовые залежи и т. д.) с построением априорной геологической модели;
расчет аномальных петрофизических параметров моделируемого объекта и вмещающей среды;
построение петрофизической модели и выделение на ее основе структурно-вещественных комплексов;
решение прямых задач геофизики для каждого метода, т. е. построение модели физических полей;
оценка, адекватности сформированной ФГМ реальному объекту на эталонах, т. е. на объектах, аналогичных исследуемому, но с известным геологическим строением.
Требования, предъявляемые к ФГМ, изменяются в зависимости от стадийности геологоразведочного процесса (принцип последовательных приближений). Так, например, задача поисков объекта сводится к выявлению перспективных аномалий с заданной вероятностью и минимальным числом точек наблюдений (обычно три). Густоту сети при этом рассчитывают по моделям физических полей, полученным для наименее благоприятных условий залегания моделируемого объекта.
В зависимости от характера геологических задач различают двуальтернативные ФГМ, предназначенные для решения задач типа «руда — вмещающая порода» и многоальтернативные ФГМ, используемые при решении задач структурно-тектонического районирования территории, геокартирования, многоцелевых поисков разных видов минерального сырья.
С учетом развития геологических процессов во времени различают статические ФГМ, фиксирующие состояние геологического объекта в определенный (исторический) момент времени, и динамические ФГМ, отражающие изменение физических полей на разных стадиях развития геологических процессов в зависимости, например, от глубины проявления рудогенеза, зон окисления, тектогенеза и т. д. Динамические ФГМ широко используются при мониторинге окружающей среды, при режимных наблюдениях над нефтегазохранилищами и крупными месторождениями углеводородов, находящимися в длительной эксплуатации, естественными фильтрационно-диффузионными процессами, при решении инженерных, гидрогеологических и геоэкологических задач.
Условиями эффективного применения геофизических методов являются: 1) заметная дифференциация физических свойств искомых геологических объектов и вмещающей среды, 2) благоприятные геометрические размеры вызывающих аномалии объектов, 3) относительно низкий уровень помех геологического и негеологического происхождения.
Величины аномалий от объектов определяются геометрическими соотношениями размеров объекта и глубины его залегания. Например, в электроразведке методом ВЭЗ надежное определение слоя возможно, если отношение его мощности (h) к глубине залегания (H) удовлетворяет условию h/H> 2-10. Слой практически не выделяется, если h/H < 0,1. Предельная глубина залегания изометричных тел, определяемая разными методами геофизики, зависит от отношения радиуса тела (R) к глубине (Н). Например, величины аномалий над сферой пропорциональны: для гравитационных — R3/H2, для магнитных — R3/H3, для естественного электрического поля — R2/H2, поэтому скорость убывания поля с удалением от источника, а следовательно, и глубина исследования этими методами будут различными. Различают «сильные» аномалии, выделенные визуально, и «слабые» аномалии, соизмеримые с уровнем помех и ниже этого уровня.
Еще одним важным условием применимости геофизических методов является уровень помех. Различают помехи геологического и негеологического происхождения. К первым относят влияние перекрывающих и подстилающих пород, рельефа местности, неоднородности свойств вмещающих пород и т. д. Для электроразведки наибольшее значение имеют рыхлые проводящие отложения в верхней части разреза и слои высокого электрического сопротивления (каменная соль, ангидрит, межпластовые интрузии) на глубине, так называемые экраны. Экраны высокого сопротивления являются препятствием для методов электроразведки постоянным током, но проницаемы для методов переменного тока. Подстилающие породы оказывают заметное влияние на данные грави- и магниторазведки. Рельеф влияет на результаты электроразведки и очень сильно усложняет анализ данных гравиразведки. Толщи многолетнемерзлых пород, распространенные во многих районах нашей страны, создают трудности при проведении электро- и сейсморазведки (устройство заземлений, возбуждение упругих полей).
К помехам негеологического происхождения относят временные вариации геофизических полей. Например, искусственные электромагнитные поля искажаются вариациями магнитотеллурических полей, связанных с солнечной активностью, и блуждающих токов техногенного происхождения, а также вариациями полей грозовых разрядов. Для большинства методов электроразведки это — поля-помехи, которые надо подавить или учесть. Однако в некоторых методах электроразведки используют физические поля помех с целью получения полезной геологической информации. Приведенные факты подчеркивают относительность понятия помехи.
В геофизике все более заметными становятся помехи, порождаемые деятельностью человека. Сейсмическая вибрация, блуждающие электрические токи, железные предметы в земле и на ее поверхности, подземные горные выработки, техногенные температурные аномалии нередко оказывают заметное влияние на качество геофизических измерений, а в некоторых случаях делают такие работы невозможными. Борьбу с помехами ведут либо методическими приемами, либо аппаратными средствами.
К помехам также относят и погрешности измерений. Их делят на три категории; систематические, случайные и грубые (промахи). Систематические погрешности обусловлены недостатками конструкции прибора или несовершенной методикой измерений и могут быть выявлены путем периодических поверок и устранены введением поправок (например, поправкой за сползание нуль-пункта прибора в грави- и магниторазведке). На случайные погрешности влияет множество причин, учесть и устранить которые не представляется возможным. Но влияние случайных погрешностей можно уменьшить статистическими приемами обработки.
Неоднозначность решения обратных задач геофизики или неопределенность решения имеет две стороны: одна из них касается качественного определения геологической природы выявленных геофизических аномалий, вторая — получения количественных геометрических характеристик объектов исследований: формы, размеров, глубины и других элементов залегания. К примеру, аномалии гравитационных, магнитных, электрических и других полей, обусловленные объектами исследования, очень часто не отличаются по форме, интенсивности и размерам от аномалий, создаваемых геологическими неоднородностями верхней части разреза, рельефом местности и другими факторами. Аномалии от вертикально залегающих рудных тел часто сходны с аномалиями от тектонических нарушений, по которым внедрялись гидротермальные растворы.
Неоднозначность количественного решения обратной задачи проявляется в теоретической и практической эквивалентности. Теоретическая эквивалентность состоит в том, что различные по размерам и глубинам залегания геологические объекты могут создавать одинаковые по форме, размерам и интенсивности аномалии. Практическая эквивалентность определяется совпадением аномальных эффектов от различных по размерам объектов в пределах погрешностей наблюдений и используемого метода интерпретации.
Качественная и количественная неоднозначности при решении обратной задачи геофизики проявляются обычно одновременно. И в общем случае достижение однозначности, как для определения природы геофизических аномалий, так и для количественного описания возмущающих объектов возможно лишь путем комплексирования разных методов.
Природу аномалий (точнее, классификацию их на рудные и безрудные) можно иногда определять и с помощью какого-нибудь одного метода, применяя несколько его модификаций. Это будет внутриметодное комплексирование. Широко известен, например, способ разделения аномалий, выделенных электропрофилированием, на приповерхностные, связанные с неоднородностями в рыхлых отложениях, и глубинные, обусловленные коренными породами. Способ заключается в проведении работ на двух разносах питающих заземлений АВ — меньшем и большем. Если при большем разносе аномалия рк проявляется резче, чем при меньшем, значит, она глубинного происхождения, и наоборот. Лучше для этих целей использовать графики отношения величин рк, полученных для двух разносов. Этим же способом в электропрофилировании можно разрешить неопределенность типа «синклиналь — антиклиналь». Например, понижение ρк может наблюдаться как при поднятии нижнего слоя низкого сопротивления, так и в случае погружения пласта высокого сопротивления. (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Графики электропрофилирования методом СЭП с двойными разносами над геологическими разрезами различных типов