Тема 4. Методи геофізичних досліджень

Вимір тих чи інших параметрів природних і штучних фізичних полів стало технічною основою геофізичних досліджень Землі. Сутність методів геофізики, їхня залежність від фізичних властивостей гірських порід, техніка і технологія традиційних методів прикладної геофізики, розв'язувані геологічні екологічні задачі розглянуті нижче (Геофізичні методи дослідження, 1988; Бондаренко й ін., 1998; Хмелевськой, 1997, 1999).

4.1. Фізичні властивості гірських порід

Основи петрофізики. Розходження фізичних властивостей гірських порід (щільнісних, магнітних, електричних, пружних, теплових, ядерних), а також геометричних параметрів (глибин залягання, розмірів) різних геологічних і геоекологічних об'єктів служать причиною появи геофізичних аномалій тих чи інших параметрів фізичних полів Землі, тобто відхилень реальних спостережених (виміряних) параметрів від нормального поля. Нормальні поля залежать від природи природних чи від способів створення штучних фізичних полів і, наприклад, для наземних методів розраховуються звичайно стосовно до однорідного півпростору. На виявленні і вивченні аномальних полів засновані аерокосмічні, наземні (польові), аквальні (акваторіалъні) і свердловинні методи прикладної геофізики.

Аномалії залежать від фізичних властивостей гірських порід і руд, що вивчає петрофізика.

Петрофізика (фізика гірських порід) — це прикладний розділ наук про Землю, що знаходиться на стику геології (петрології, літології, наук про корисні копалини, гідрогеології, інженерної геології, геокріології, геоекології й ін.), прикладної геофізики (регіональної, картировочно-пошукової, розвідувальної, інженерної, екологічної), а також фізики Землі і твердого тіла. Петрофізика вивчає різні фізичні властивості гірських порід і їхнього зв'язку один з одним, а також з водно-фізичними (гідрофізичними), технофізичними (фізико-механічними і деформаційно-міцними) характеристиками.

Кожна гірська порода — це складна речовина, що складається з трьох фаз: твердої (один чи кілька мінералів), рідкої (водяний розчин, нафта чи нафтопродукти) і газоподібної ( повітря чи пальні гази). Тому фізичні властивості гірських порід визначаються насамперед властивостями самих фаз, їхнім кількісним співвідношенням у породі.

Методика вимірів фізичних властивостей гірських порід.

Фізичні властивості гірських порід визначаються шляхом прямих лабораторних вимірів на чи зразках іспитів порід на досвідчених площадках, а також непрямими способами при інтерпретації свердловинних і наземних, акваторіалъних і аерокосмічних геофізичних спостережень. Фізичні властивості порід, виміряні на зразках і в природному заляганні (у масиві), розрізняються між собою. Це пояснюється масштабним коефіцієнтом, тобто розходженням фізичних властивостей у малих об’ємах гірської породи (у зразках) і у великих об’ємах, коли властивості шарів, чи товщ інших геологічних включень виявляються осередненими. Крім того, при вилученні зразків зі свердловин чи відслонення міняється їхня пористість, флюїдонасиченність і т.п., що змінює їхні фізичні властивості.

Характеристика фізичних властивостей гірських порід. Розглянемо характеристики фізичних властивостей гірських порід і геологічні фактори, від яких вони залежать (табл. 1).

Густина (маса одиниці об'єму) різних порід  міняється від 1,2 до 3,3 г/см³ у залежності від густини мінерального кістяка , що коливається в межах 2,1—3,5 г/см³, а також від пустотності (пористості і тріщинуватості), тобто відносини об’єму пор до об’єму твердої фази породи, і флюїдонасиченість (водо-, нафто- і газонасиченість, чи ступеня заповнення пор флюїдом). У магматичних і метаморфічних гірських порід густина визначається в основному їхнім мінеральним складом і збільшується при переході від порід кислого складу до порід основного й ультраосновного складу у відповідності зі збільшенням кількості залізовмісних мінералів. В осадових породах вона залежить, перш за все, від пористості і водонасиченості.

Основним магнітним параметром гірських порід є магнітна сприйнятливість  (каппа). Цей параметр являє собою коефіцієнт пропорційності між інтенсивністю намагнічениня І_і, зразка, чи шару масиву гірських порід і напруженістю намагнічуючого геомагнітного поля Тн, де вони залягають: І_і = Тн. За одиницю  приймається 10^-5 одиниць СІ. Більшість гірських порід відносяться до парамагнетиків, намагніченість у них спрямована по вектору напруженості геомагнітного поля в місці їхнього залягання, а величина  міняється від одиниці до 10000 одиниць 10^-5 СІ. У феромагнітних порід і руд намагніченість також спрямована по Тн, а величина її залежить від наявності і кількості залізовмісних і деяких інших мінералів-феромагнетиків (магнетит, титаномагнетит і ін.). Для них значення  досягають одиниць СІ. У цілому інтервал зміни  гірських порід досить великий і залежить від їхнього мінерального складу, умов залягання, ступеня метаморфізму, тектонічної зруйнованості й інших факторів. Серед магматичних порід найбільш високі і стійкі значення  характерні для ультраосновних і основних по складу порід, трохи менші — для кислих по складу і ефузивних, а також метаморфічних. Осадові породи, за винятком деяких різновидів пісковиків і глин, практично немагнітні.

Таблиця 1

Деякі фізичні властивості гірських порід

Породи	Густина , г/см3	Порис-тість, n, %	Швидкості хвиль, км/с			Магнітна сприйнятливість , 10-5 од. СІ	Питомий електричний опір , Омм
			VP		VS
			Газонаси-ченіст	Водоноси-ченість
магматичні
1.Ультраосновні (піроксенит, перидотит, дуніт и др.)	3,2-3,3	0,1-0,5	7,5	8,5	4,5	1000-25000	105-108
2. Основні габбро діорит	2,9-3,0 2,7-2,8	0,01-1	6,0 5,6	6,6 6,3	3,8 3,5	300-1500 1000-70000	104-107 103-107
3. Кислі гранодіорит граніт	2,7 2,6	0,2-5 0,1-3	4,6 3,0	6,0 5,5	3,3 2,8	100-45000 50-40000	103-106 103-105
4. Ефузивні діабаз базальт	2,9 2,5	0,1-5 3-6	3,5 3,0	6,5 5,5	3,5 3,0	500-150000 100-15000	105-107 103-107
МЕТАМОРФІЧНІ
5. Гнейси сланці	2,7 2.5	0,01-1	3,8 3,5	5,6 4,8	3,2 3,0	100-20000 50-3000	103-105
ОСАДОВІ
6. Скельні і напівскельні вапняк доломіт мергель пісковик	2,6 2,7 2,4 2.5	2-25 2-17 5-35 2-35	2 1 1,5 1	6 5.5 4,5 4,5	3 2,5 2 1	50-2 500 50-800 10—1 000 50-5 000	100-105 100-104 10-103 100-104
7.Пісчанообло-мочні гравійно-галечні піски	3 1,3-2	2-20 2-40	0,8 0,5	2,5 2	0,5 0,2	50-5000 50-2 500	100-103 10-103
8. Пластичні (гли нисті) глина	1,2-2,4	2-4	1,5	2,5	0,4	10-3000	1-100

Другою магнітною властивістю гірських порід є залишкова намагніченість І_r, що характеризує намагніченість порід і залізовмісних руд магнітним полем, що існувало під час їхнього утворення, а також наступними його змінами. Параметр І_r, вимірюваний на зразках гірських порід різного віку, несе інформацію про історію розвитку геомагнітної обстановки в різні геологічні епохи і вивчається в науково-прикладному розділі геофізики, називаному палеомагнетизмом.

Третім магнітним параметром гірських порід є магнітна проникність  = 1 + 4, що практично у всіх гірських порід дорівнює магнітної проникності вакууму (повітря) (₀ ⁼ 410^-7 Гн/м. Тому відносна магнітна проникність _від = /_о гірських порід дорівнює 1, досягаючи 2—3 одиниць лише у феромагнітних залізних руд.

Питомий електричний опір (ПЕО)  гірських порід, вимірюваний в Омм, і питома електропровідність  = 1/, вимірювана в См/м, є основними електромагнітними параметрами гірських порід. Гірські породи і руди поділяються на провідники I роду з високою електронною провідністю внаслідок наявності в них електронопровідних мінералів (самородні метали, багато окислів, сульфіди, графіти) і провідники II роду з іонною провідністю, у яких породоутворюючі мінерали (польові шпати, алюмосилікати, слюди і багато хто інші) є практично ізоляторами, а струм проводиться іонами флюїду, що заповнює пори. До провідників II роду відносяться всі породи: магматичні, метаморфічні ( = 10³-10⁸), скельні осадові (10—10⁵), піщано-уламкові (10—10³), глинисті (1—100 Омм). Великі інтервали зміни ПЕО гірських порід обумовлені розходженням літології, порожнинності, водонасиченості, мінералізації підземних вод, температури, текстури, структури порід. Останніми двома факторами визначається анізотропія ПЕО, тобто електропровідність уздовж шаруватості більше, ніж поперек шаруватості (для сланців, наприклад, у 2—3 рази).

У деяких методах електророзвідки використовуються й інші електромагнітні властивості:

— електрохімічна активність  ( що міняється від одиниць у порід до 30 мв у руд), якою обумовлено виникнення природних електричних потенціалів (ПП);

— поляризуємість  (що міняється від 0,1% у скельних порід до 40% у руд), наявністю якої пояснюється поява викликаних потенціалів (ВП) у масивах порід при пропущенні через них електричного струму;

— діелектрична проникність  (у відн. од.), що залежить від частоти поля, складу, структури, флюїдовміщуюючої породи (мінімальна — до 7 відн. од. — у сухих, збільшується до 10 відн. од. у нафтоносних, до 40 — в обводнених гірських порід, до 80 — у води і максимальна — сотні відн. од. — у деяких мінералів);

— магнітна проникність  (у відн. од.), дорівнює 1 для всіх порід і руд, крім феромагнетиків (= 2—3).

З пружними властивостями гірських порід (модуль Юнга, коефіцієнт Пуассона), а також із щільністю зв'язані швидкості поширення подовжніх (Vр) і поперечних (Vs) хвиль, які досліджуються і в сейсмоакустичних методах. Головними факторами, що впливають на величини Vр і Vs є структурні зв'язки в породах (тверді — у скельних і напівскельних, водно-колоїдні — у глинистих) чи відсутність зв'язків (у пухких піщано-гравійних породах).

Швидкості пружних хвиль магматичних порід зростають зі збільшенням у них вмісту мінералів основного складу, тобто при переході від кислих (граніти) до основного (габро) і особливо до ультраосновного (дуніт, перидотит) породам (Vр зростає від 3 до 8,5 км/с, Vs — від 2,8 до 4,5 км/с). Вони збільшуються також зі зменшенням порожнинності (первинної пористості і вторинної тріщинуватості). Швидкості подовжніх хвиль збільшуються з ростом водонасиченості порід, а в поперечних хвилях не залежать від того, чим заповнені порожнечі: повітрям чи водою (в рідинах поперечні хвилі не поширюються). У метаморфічних породах швидкості пружних хвиль визначаються мінеральним складом і зростають при переході до більш високих ступенів метаморфізму. Відношення Vs/Vр для скельних магматичних і метаморфічних порід змінюється від 0,5 до 0,6, а для напівскельних — від 0,2 до 0,5. Для осадових порід визначальними факторами, що змінюють швидкості пружних хвиль у широких межах, є співвідношення твердої, рідкої і газоподібної фаз, що залежить від їхньої порожнинності і флюїдонасиченності. У цілому для осадових порід Vр змінюється від 0,5 до 6 км/с, Vs — від 0,2 до 3 км/с, а їхні відношення Vs/Vр — від 0,1 у пісків до 0,6 у глин і вапняків. При замерзанні будь-яких порід швидкості різко (у 1,5—10 разів) зростають. Важливим пружним параметром є акустична жорсткість  V, де  — щільність. На контактах шарів з відмінним  V утворюються відбиті хвилі.

В терморозвідці вимірюваними параметрами є температура гірських порід Т в градусах Цельсію (⁰С) чи кельвінах (К), градієнти температури Т і теплові потоки з земних надр q у Вт/м². По них розраховуються основні теплові (теплофізичні) властивості: теплопровідність  (Вт/(мК)), питома теплоємність с (Дж/(кгК)), температуропровідність а = _т/(с) (м²с), де  — щільність породи. Основний тепловий параметр —теплопровідність — змінюється в магматичних і метаморфічних породах від 0,5 до 5, а в осадових — від 0,1 до 5 Вт/(мК), зростаючи в ряді порід: торф — глина — піски — конгломерати — вапняки — кам'яна сіль. Максимальні  у поліметалевих руд (> 10) і особливо в самородних металів (до 500), а мінімальні — у нафти (0,14) і повітря (0,01—0,04). Інші теплофізичні властивості гірських порід міняються в 2—10 разів і в геофізичній практиці використовуються рідко.

Ядерно-фізичні властивості гірських порід визначаються природною і штучною (вторинною, викликаною) радіоактивністю. Серед понад чим 200 радіоактивні елементи найбільш поширені в земній корі U (~210^-4%), Тh (~710^-4%) і ⁴⁰K (~ 2,5%), що дають разом близько 99% радіогенного тепла. Кількісну оцінку радіоактивності в радіометрії прийнято давати через процентний вміст урану, що у тій чи іншій концентрації присутня у всіх гірських породах. Максимальні значення радіоактивності (понад 0,1% і) у радіоактивних мінералів і руд. У магматичних породах при переході від кислих до основних і ультраосновних радіоактивність зменшується від 510^-4 до 0,03 10^-4% U, у метаморфічних вона міняється в межах (1-3)10^-4% U. В осадових порах вона максимальна в розсипах з радіоактивними елементами (понад 0,1% U), у калійних солях, намулах, пальних сланцях (біля 10^-2% U) і глинах, піщаниках, мергелях (<10^-3% U), мінімальна в карбонатів, кварцових пісків, гіпсів, повареної солі (<10^-4% U).

Основною характеристикою гамма-випромінювання є коефіцієнт поглинання гамма-променів _, що залежить від щільності і хімічного складу гірських порід і руд. Нейтронне випромінювання характеризується довжиною уповільнення нейтронів l_s (см), часом життя теплових нейтронів  (мкс) і коефіцієнтом дифузії (чи поглинання) нейтронів _n. Аномальні значення цих параметрів спостерігаються в породах з підвищеним вмістом водню і хлору й у рудах, де є бор, літій, ртуть, марганець і деякі інші елементи.

Взаємозв'язки геолого-гідрогеологічних і фізичних властивостей гірських порід і петрофізичне картування. Зв'язки геолого-гідрогеологічних і фізичних властивостей гірських порід відносяться до класу кореляційно-статистичних. Іноді вони узагальнені у виді досить стабільних аналітичних чи емпіричних формул, а частіше міжпараметричні зв'язки встановлюються за допомогою спільних геолого-геофізичних робіт на ключових ділянках досліджуваного району. У цьому випадку, статистично обробляючи матеріали, можна одержати рівняння регресії парної чи множинної кореляції між різними геолого-гідрогеологічними властивостями, з одного боку, і фізичними — з іншого. Надалі основою для визначення геолого-гідрогеологічних властивостей може стати петрофізичне (літологічне) картування.

Петрофізичні карти фізичних властивостей гірських порід (петрогустина, петромагнітна, петроелектрична, петрошвидкісна й ін.), отримані за даними польових і лабораторних вимірів на зразках, служать також для петрофізичного (літологічного) картування досліджуваної площі і виявлення корисних.

Знання фізичних властивостей гірських порід, отримані в результаті петрофізичних досліджень з обліком даних попередніх геофізичних робіт у близькому по будові районі, дозволяють раціонально проектувати аерокосмічні, наземні, аквальні чи свердловинні роботи, здійснювати інтерпретацію отриманих матеріалів.