Лекция № 1 Введение в геофизику

Предмет геофизики

Геофизика – (Ге «ge» – Земля и «physike» физика – основы естествознания)

-это комплекс наук, которые исследуют физическими методами строение Земли, ее физические свойства и процессы, происходящие в ее оболочках.

Разделы геофизики

Геофизика как обобщающая фундаментальная наука включает:

1)Физику так называемой твердой Земли. Физика Земли изучает лишь Землю, как планету и ее оболочки:

•литосферу, мощностью порядка 100 км;

•астеносферу, простирающуюся до глубин 400 км;

•мантию - до глубин 2900 км;

•ядро внешнее (до глубин 5100 км);

•внутренне ядро (до центра Земли).

2)геофизику воздушной оболочки, включающую прикладные разделы:

•физику космоса;

•физику атмосферы;

•метеорологию;

•климатологию;

3)геофизику водной оболочки (гидросферы), включающие прикладные разделы:

•гидрофизики,

•океанологии,

•физики моря,

•лимнологии (изучение озер),

•гидрологии (изучение рек),

•подземной гидросферы,

•гляциологии (изучение ледников) и др.

4)науки, изучающие конкретные физические поля Земли:

•магнитометрию;

•гравиметрию;

•геоэлектрику;

•геотермия;

•сейсмологию;

•поле ядерных сил.

Из геофизики литосферы выделились разведочная или прикладная геофизика с методами, имеющими большое практическое значение при поисках и разведке полезных ископаемых и называемыми гравиразведкой, магниторазведкой, электроразведкой, сейсморазведкой, терморазведкой, ядерной геофизикой и геофизические методы исследования скважин (ГИС).

Предмет, методы и задачи разведочной геофизики

Разведочная геофизика - это составная часть геофизики, которая изучает физические поля (гравитационного, магнитного, электрического, упругих колебаний, термических, ядерных излучений) с целью исследования строения земной коры, поисков и разведки полезных ископаемых. Получаемая информация используется для определения местонахождения геологических структур, рудных тел и т.п. и их основных характеристик. Это позволяет выбрать наиболее правильное направление дорогостоящих буровых и горных работ и тем самым повысить их эффективность.

В разведочной геофизике, в зависимости от природы физических полей, различают:

•магниторазведку;

•гравиразведка;

•электроразведка;

•сейсморазведка;

•радиометрия;

•термометрия.

Магниторазведка изучает особенности магнитного поля, вызванного горными породами и рудами различной намагниченности.

Гравиразведка основана на различии в плотности пород, влияющих на величину и направление ускорения свободного падения тела на поверхности Земли.

Электроразведка изучает процессы, происходящие в горных породах при прохождении через них электрического тока.

Сейсморазведка исследует особенности распространения упругих колебаний в горных породах.

Ядерная геофизическая разведка включает в себя группу методов, основанных на изучении естественной и искусственной радиоактивности пород.

Предметом исследований геофизических методов (прикладной геофизики) являются:

•глубинные структуры земной коры на суше и океанах (платформенные, складчатые, рифтовые области, океанические впадины и др.);

•кристаллический фундамент;

•осадочный чехол

•полезные ископаемые в них.

Целью разведочной (прикладной) геофизики является восстановление строения, состава, истории развития этих объектов земной коры на основе косвенной информации о физических полях.

Основными задачами геофизических исследований земной коры являются следующее:

•изучение состава, строения и состояния пород, слагающих земную кору, а также их динамику;

•выявление полезных ископаемых;

•изучения геологической среды как основы для промышленного, сельскохозяйственного, гражданского и военного освоения

•сохранения экологических функций среды, как источника жизни на Земле.

Эти задачи решаются путем косвенного изучения физических полей.

В соответствии с решаемыми задачами основными прикладными направлениями и методами геофизических исследований земной коры являются:

•глубинная геофизика;

•региональная геофизика;

•разведочная геофизика, делящаяся на нефтегазовую, рудную, нерудную.

•инженерная геофизика;

• экологическая геофизика.

По способу проведения работ геофизические исследования подразделяются на следующие технологические комплексы: аэрокосмические (дистанционные),

•полевые (наземные),

•акваториальные (или аквальные, океанические, морские, речные),

•подземные (шахтно-рудничные),

•геофизические исследования скважин (ГИС).

Особое место в геофизике занимают геофизические исследования скважин (ГИС), отличающиеся от прочих геофизических методов специальной аппаратурой и техникой наблюдений и имеющие большое прикладное значение при документации разрезов скважин. Эти методы называют также буровой, промысловой геофизикой или каротаж.

Физические поля и аномалии

Физическое поле – особая форма материи; система с бесконечным числом степеней свободы. Физическое поле связывают составные части вещества в единые системы и передают с конечной скоростью действия одних частиц на другие. К физическим полям относятся электромагнитное поле и гравитационное поле (электромагнитное поле было изучено физикой первым), поле ядерных сил, а также волновые (квантовые) поля, соответствующие различным частицам (например, электрон-позитронное поле).

Источником физических полей являются частицы (например, для электромагнитного поля – заряженные частицы).

Каждая частица физического поля характеризуется определенной величиной. Эти величины могут быть скалярными и векторными, а следовательно, и физические поля могут быть соответственно скалярными и векторными.

Каждое физическое поле численно характеризуется своими параметрами:

Гравитационное поле определяется ускорением свободного падения или силы тяжести g;

Геомагнитное поле - полным вектором напряженности T и различными его элементами (вертикальной составляющей Z, горизонтальной составляющей H и др.);

Упругое поле – характеризуется скоростями распространения различных упругих волн;

Термическое поле - температурами; Ядерно-физическое поле - интенсивностями естественного и

искусственно вызванных гамма- и нейтронных излучений. Геофизические методы изучают как естественные поля, так и

искусственно создаваемые.

Кестественным полям относятся магнитное и гравитационное поля Земли, некоторые виды электрических полей, поле распределения радиоактивности. В создании этих полей человек не принимает участие, они обусловлены самой природой.

Кискусственным полям относятся электромагнитное поле, поле распространения упругих колебаний, поле искусственной радиоактивности.

Понятия о геофизических аномалиях

Различают:

•Наблюденное поле;

•Нормальное поле;

•Аномальное поле;

•Трансформированное поле.

Наблюденное поле – это поле непосредственно измеренных величин. Нормальное геофизическое поле получают в результате усреднения измеренных величин на какой-то территории.

Аномальное геофизическое поле – поле отклонения наблюденных величин от значений нормального поля.

Трансформированное геофизическое поле – поле величин,

полученных в результате каких-то преобразований наблюденных значений (например, поле пересчитанное на другую высоту, и т. п.).

Аномалией в геофизике считается отклонение измеренного параметра поля от нормального. При этом возникновение аномалий связано с тем, что объект поисков либо искажает поле, либо сам создает поле, либо искажает поле, вследствие различий физических свойств.

Интенсивность аномалий определяется контрастностью физических свойств, относительной глубиной объекта, а также уровнем помех. Аномалии определяются, прежде всего, изменением физических свойств горных пород по площади и по глубине.

Изучение физических свойств горных пород и связи их с минеральным и петрографическим составом является предметом исследований петрофизики.

Обязательной причиной появления геофизической аномалии является разница в физических свойствах возмущающего объекта и вмещающих его пород.

Чем больше разница в физических свойствах возмущающего объекта и вмещающей его среды, тем более интенсивной будет наблюдаемая над ним геофизическая аномалия.

Понятия об интерпретации в геофизике

По результатам геофизических наблюдений после их обработки и введения в них необходимых поправок строят графики изменения измеренного показателя по профилю, план графиков или план изолиний.

Для получения геологических выводов (по проведенным геофизическим работам) построенные геофизические графики, планы изолиний, диаграммы и т.п. необходимо расшифровать, или, как говорят геофизики, проинтерпретировать. Процесс интерпретации геофизических материалов является самостоятельным, сложным и весьма специфическим. Глубокий качественный анализ геофизических данных сопровождается количественной интерпретацией, т.е. математическими расчетами на ЭВМ:

•размеров, формы и вещественных характеристик аномалиеобразующих объектов;

•глубины залегания верхней и нижней кромок;

•размеров, формы и вещественных характеристик аномалиеобразующих объектов;

•глубины залегания верхней и нижней кромок;

•горизонтальной мощности, протяженности в длину, или по простиранию;

•глубины до центра тяжести, эффективных физических свойств объекта, его избыточной массы и т. п.

Очень важными в разведочной геофизике являются понятия о прямой и обратной задачах геофизики.

Прямая задача геофизики сводится к расчету аномального физического поля по известным параметрам возмущающего объекта. Параметрами объекта являются: мощность, глубина залегания верхней и нижней кромок, угол падения, намагниченность, плотность и т.п. Прямую задачу геофизики обычно решают на стадии проектирования геофизических работ. Получаемая при этом ожидаемая геофизическая аномалия помогают выбирать соответствующую измерительную аппаратуру и методику наблюдений.

Обратная задача геофизики заключается в расчетах параметров и условий залегания аномалиеобразующего объекта по геофизической аномалии, полученной в результате полевых измерений.

Обратную задачу геофизики решают на этапе интерпретации геофизических данных. К сожалению, нередко она может иметь несколько возможных вариантов решения, так как одному заданному распределению физического поля теоретически может отвечать множество так называемых эквивалентных геологических разрезов. В этом проявляется многозначность интерпретации геофизических данных. Ее устраняют привлечением независимых результатов других геологических или геофизических методов.

Лекция №2 Гравиразведка

Гравиметрическая или гравитационная разведка (сокращенно гравиразведка) - это геофизический метод исследования земной коры и разведки полезных ископаемых, основанный на изучении распределения аномалий поля силы тяжести Земли.

Сила тяжести

Физической основой гравиразведки является закон всемирного тяготения.

Согласно закону всемирного тяготения, открытому И. Ньютоном в 1687году, две точечные m1 и m2 притягивают друг к другу с силой (сила притяжения), прямо пропорциональной этим массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними r:

F = −G mr1m2 2 , где G – гравитационная постоянная, равная 6,670·10-11

H кгм22 , или в Международной системе единиц (СИ) G=66,73·10-12 кгм3с2 ;

Формула Ньютона определяет силу притяжения какой-либо массы на поверхности, всей массы Земли М в случае аппроксимации Земли неподвижным шаром:

F = G MmR2 , M – масса Земли; R – радиус Земли.

Таким образом, гравитационное поле в каждой точке Земли характеризуется силой притяжения, действующей на единицу массы.

Примем m2=1, m1=m. Рассмотрим силу притяжения, воздействующую на единичную массу со стороны массы m:

F = −G rm2

Знак минус в этой формуле указывает на то, что сила направлена в сторону массы m, а за положительное направление радиуса-вектора r принято противоположное направление – в сторону единичной массы.

Эта величина силы притяжения, отнесенная к единичной массе, является напряженностью поля силы притяжения в данной точке, кроме того, как видно из этой формулы она численно равна ускорению силы притяжения.

Если рассмотреть сумму притяжений масс (а общая масса тела: m = ∫σdv ) заключенных в объеме Земли v, то получим:

v

F= −G∫dmr2 = −G∫σdvr2 ,

vv

где r – расстояние от притягиваемой точки до массы dm, заключенной в элементе объема dv; σ – плотность распределения масс (σ = dmdv ).

Не надо забывать, что Земля вращается вокруг своей оси. Поэтому, кроме силы притяжения, на каждое тело, находящееся на земной поверхности действует еще центробежная сила P, возникающая вследствие суточного вращения Земли вокруг своей оси.

Сила притяжения направлена к центру Земли, а центробежная сила действует в плоскости, перпендикулярной к оси вращения Земли.

Равноденствие этих двух сил называется силой тяжести и обозначается g.

Равнодействующей обеих названных сил является сила тяжести, выражаемая в ускорении, которое приобретает каждое тело, находящееся у поверхности Земли.

Центробежная сила на полюсах равна нулю, а на экваторе – максимальна, но и здесь она в 288 раз меньше силы притяжения.

Поэтому сила тяжести в основном определяется силой притяжения.

Поле сил притяжения Земли называют гравитационным полем. Если в формуле силы притяжения одну массу принять за единичную, то полученная величина соответствует напряженности гравитационного поля или напряженности силы тяжести, называемой для краткости силой тяжести.

g = −G Mr 2 , где M – масса Земли; r – Радиус Земли

Кроме того, сила тяжести численно равна ускорению свободного падения.

Единица измерений

В международной системе единиц ускорение свободного падения выражается в м/с2, на практике часто используют 10-2м/с2 или называют

их галлы в честь знаменитого итальянского ученого Галилео Галилея

(1564-1642).

Таким образом единицей измерения ускорения силы тяжести в гравиметрии – Галл (1 Гал=1 см/ с2).

В практике гравиметрических работ обычно используют более мелкую единицу – миллигал (мГал): 1мГал= 10-5 м/с2.

Среднее значение ускорения свободного падения на Земле составляет 9,81м/с2.

Гравитационное поле Земли

Структура гравитационного поля Земли в значительной степени определяется ее формой. Земля в первом приближении является двухосным эллипсоидом вращения, экваториальный радиус которого 6378 км, а полярный 6357 км. Эта разница в 21 км и увеличение на экваторе центробежной силы, приводит к тому, что на полюсе g=983 Гал, на экваторе g=978 Гал.

Нормальное значение поля силы тяжести.

Нормальным значением силы тяжести (γ0) называется силы тяжести, обусловленная суточным вращением и притяжением Земли, если предположить, что она состоит из однородных по плотности концентрических слоев.

Расчет нормального поля в гравиразведке необходим для последующего учета его при интерпретации.

Аномальное значение силы тяжести g

Верхняя оболочка – представлена различными по плотности геологическими образованиями, за счет чего на поверхности Земли наблюдается гравитационные аномалии.

Для выделения аномалий силы тяжести, необходимо исключить нормальное поле силы тяжести, обусловленное притяжением Земли, как планеты.

Разность измеренного (или наблюденного) значение поля силы тяжести gн и нормального поля (γ0) называется аномальным значением поля силы тяжести g:

g=gн-γ0

Аномалии ускорения свободного падения называют отклонение измеренного значения от вычисленного нормального значения.