MISCELLANEOUS / Geophysics / Geophysics Methods Костицын В. И

В.К. Хмелевской, В.И. Костицын

ВВЕДЕНИЕ

Геофизика – наука, изучающая строение Земли, прежде всего земной коры, с помощью исследования естественных и искусственных физических полей. Геофизика занимает уникальное положение на стыке естественных и точных наук (математики, физики, химии, географии, геологии, астрономии). Она использует достижения названных фундаментальных наук и таких научно-прикладных дисциплин, как космонавтика, геодезия, геодинамика, информатика, электроника и автоматика, ставя перед ними немало проблем теоретического и прикладного плана.

Иногда геофизику отождествляют с физикой Земли, однако последняя наука изучает лишь Землю как планету и ее оболочки: каменную – литосферу, мощностью порядка 100 км, астеносферу, простирающуюся до глубин 400 км, мантию – до глубин 2900 км, ядро внешнее (до глубин 5100 км) и внутреннее (до центра Земли).

Глобальная геофизика как обобщающая фундаментальная наука включает не только физику Земли, но и геофизику космоса и атмосферы, гидросферы, а также науки, изучающие конкретные физические поля Земли: гравиметрию, магнитометрию, геоэлектрику, сейсмологию, сейсмометрию, термометрию, ядерную геофизику. Из этих фундаментальных геофизических наук выделяются научно-прикладные разделы. Так, геофизика воздушной оболочки включает физику космоса и атмосферы, метеорологию и климатологию. Геофизика водной оболочки (гидросферы) состоит из гидрофизики, океанологии, физики моря, лимнологии (изучение озер), гидрологии (изучение рек), подземной гидросферы, гляциологии (изучение ледников).

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 гео-

физикой и методы геофизических исследований скважин (ГИС).

12

В.К. Хмелевской, В.И. Костицын

(Jγ) и искусственно вызванных (Jγγ , Jnn) гамма- и нейтронных излучений.

Выявление геофизических аномалий – сложная математическая и техническая проблема, поскольку оно проводится на фоне не всегда однородного и спокойного нормального поля среди разнообразных помех геологического, природного, техногенного характера (неоднородности верхней части геологической среды, неровности рельефа, космические, атмосферные, климатические, промышленные и другие помехи), т.е. всегда наблюдается интерференция полей разной природы. При этом бывает как простое наложение (суперпозиция) параметров полей, так и их сложные, нелинейные взаимодействия. Измерив те или иные физические параметры по системам обычно параллельных профилей или маршрутов и выявив аномалии, можно как судить о свойствах пород, так и получить сведения о геологическом строении исследуемого массива.

Аномалии определяются, прежде всего, изменением физических свойств горных пород по площади и по глубине. Так, гравитационное поле зависит от изменения плотности пород (σ); магнитное поле – от магнитной восприимчивости (k) и остаточной намагниченности (Jγ); электрическое и электромагнитное поля – от удельного электрического сопротивления пород (ρ), диэлектрической (ε) и магнитной (μ) проницаемостей, электрохимической активности (α) и поляризуемости (η); упругое поле

– от скорости распространения (V) и затухания (β) различных типов волн, а последние, в свою очередь – от плотности упругих констант (модуль Юнга (E), коэффициент Пуассона (δ) и др.); термическое поле – от тепловых свойств: теплопроводности (λT), теплоемкости (C) и др.; ядерные – от естественной радиоактивности, гамма-лучевых и нейтронных свойств.

Физические свойства горных пород меняются иногда в небольших пределах (например плотность меняется от 1 до 6 г/см3), а иногда в очень широких пределах (например, удельное электрическое сопротивление изменяется от 0,001 до 1015 Омм). В зависимости от целого ряда физико-геологических факторов одна и та же порода может характеризоваться разными свойствами, и наоборот, разные породы могут не отличаться по некоторым свойствам. Изучение физических свойств горных пород и

14

В.К. Хмелевской, В.И. Костицын

рование, т.е. решение геофизических задач с помощью математики, настолько сложно, что здесь используются передовые ее достижения и самый высокий уровень компьютеризации. При решении геофизических задач в немалой степени совершенствуется математический аппарат. Математическое решение прямых задач, т.е. определение параметров физического поля по известным физическим свойствам, размерам и форме геологических объектов однозначно, хотя иногда и очень сложно. Вместе с тем одно и то же распределение параметров физического поля может соответствовать различным соотношениям физических свойств и размеров геологических объектов. Иными словами, математическое решение обратной задачи геофизики (как и вообще математической физики), т.е. определение размеров геологических объектов и свойств слагающих их пород по наблюденному полю, не только значительно сложнее, но и, как правило, неоднозначно.

Аппаратура геофизических методов исследования основана на использовании механики, электроники, автоматики, вычислительной техники, т.е. способы измерений - физикотехнические. При этом инструментальный уровень очень высокий, а сама аппаратура через каждые 5–10 лет полностью обновляется.

Методика, т.е. способ проведения работ, сводится к профильным, а чаще площадным геофизическим съемкам. Густота сети наблюдений зависит от поставленных задач, масштабов съемки, размеров и глубины залегания разведываемых объектов.

Результатом геофизических съемок являются графики и карты наблюденных параметров поля. Их обработка состоит из трансформаций наблюденных полей, качественного (визуального) выделения аномалий, их физико-математической интерпретации, выполняемой с помощью компьютеров и геологического истолкования результатов. Физико-математическая интерпретация выполняется на основе физико-геологических моделей (ФГМ), приближенно соответствующих реальным геологическим объектам.

Сущность моделирования сводится к аппроксимации разведываемых объектов априорными (до опыта) ФГМ, т.е. телами простой геометрической формы (шар, столб, цилиндр,

16

В.К. Хмелевской, В.И. Костицын

стной работы геофизиков и геологов при интерпретации. Последнее, очевидно, нельзя выполнить, если геофизики не имеют прочных знаний по геологическим дисциплинам и слабо знакомы с изучаемым районом, а геологи не разбираются в сущности и возможностях тех или иных методов геофизической разведки.

Важнейшим методологическим принципом является комплексирование геофизических методов: межметодное геофизическое (применение хотя бы 2–3 из перечисленных методов геофизики), разноуровневое (аэрокосмические, аквальнополевые, подземно-скважинные наблюдения), междисциплинарное (использование геологической, гидрогеологической, биологической, медицинской и другой информации). Методика комплексных исследований характеризуется стадийностью (переходом от легких методов к тяжелым, от мелких масштабов к крупным), выбором типовых комплексов для определенных условий и решаемых задач, переходом к рациональным экономически обоснованным методам решения конкретных задач. Теория комплексной интерпретации на базе компьютерных технологий разрабатывается вычислительной геофизикой или геофизической информатикой. Цель комплексной интерпретации сводится к достижению однозначности геологических выводов путем выбора, анализа, оптимизации физико-геологической модели.

Возрастание роли геофизики в связи с увеличением глубин и сложности разведки месторождений ведет не к замене геологических методов геофизическими, а к рациональному их сочетанию, широкому использованию данных геофизики всеми геологами. Единство и взаимодействие геологической и геофизической информации – руководящий методологический принцип комплексирования наук о Земле. Объясняется это тем, что возможности каждого частного метода геологоразведки (геологическая съемка, бурение, проходка выработок, геофизика, геохимическая разведка и др.) ограниченны. Однако в любых условиях геофизика облегчает разведку глубокозалегающих полезных ископаемых, особенно в труднодоступных районах. Сбли-

жение и совместное использование геологической и геофизической информации – единственный разумный и экономически целесообразный путь изучения недр.

18