Геофизика_Хмелевской / Геофизические методы Введение Хмелевской

Геофизические методы

Геофизические методы - методы изучения недр Земли, основанные на том, что: - магнитное поле и поле тяготения Земли изменяются в зависимости от ее внутреннего строения; - упругие колебания и электрические токи распространяются неодинаково в разных горных породах и т.д. По результатам измерений скорости распространения упругих колебаний (сейсмических волн), электрической проводимости пород, направления и напряженности магнитного поля и поля силы тяжести делаются выводы о строении земных недр, недоступных для непосредственного наблюдения. Использование геофизических методов требует полевых работ со специальным оборудованием. Геофизические методы широко используются при поисках и разведке полезных ископаемых, особенно нефти и газа.

Геофизические методы разведки

, исследование строения земной коры физическими методами с целью поисков и разведки полезных ископаемых; разведочная геофизика - составная часть геофизики.

Г. м. р. основаны на изучении физических полей (гравитационного, магнитного, электрического, упругих колебаний, термических, ядерных излучений). Измерения параметров этих полей ведутся на поверхности Земли (суши и моря), в воздухе и под землёй (в скважинах и шахтах). 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.

Г. м. р. используют как естественные, так и искусственно создаваемые физические поля. Разрешающая способность, т. е. способность специфически выделять искомые особенности среды, как правило, значительно выше для методов искусственного поля. Средства для исследования методами естественных полей относительно дёшевы, транспортабельны и дают однородные, легко сравнимые результаты для обширных территорий. В связи с этим на рекогносцировочной стадии применяются преимущественно Г. м. р. естественного поля (например, магнитная разведка), а при более детальных работах главным образом используются искусственные физические поля (например, сейсмическая разведка). Различные физические поля дают специфическую, одностороннюю характеристику геологических объектов (например, магниторазведка только по магнитным свойствам горных пород), поэтому в большинстве случаев применяют комплекс Г. м. р. В зависимости от природы физических полей, используемых в Г. м. р., различают: гравиметрическую разведку, основанную на изучении поля силы тяжести Земли; магнитную разведку, изучающую естественное магнитное поле Земли; электрическую разведку, использующую искусственные постоянные или переменные электромагнитные поля, реже - измерение естественных земных полей; сейсморазведку, изучающую поле упругих колебаний, вызванных взрывом заряда взрывчатого вещества (тротила, пороха и т.п.) или механическими ударами и распространяющихся в земной коре; геотермическую разведку, основанную на измерении температуры в скважинах и использующую различие теплопроводности горных пород, вследствие чего близ поверхности Земли изменяется величина теплового потока, идущего из недр. Новое направление Г. м. р. - ядерная геофизика, исследующая естественное радиоактивное излучение, чаще всего гамма-излучение, горных пород и руд и их взаимодействие с элементарными частицами (нейтронами, протонами, электронами) и излучениями, источниками которых служат радиоактивные изотопы или специальные ускорители (генераторы нейтронов, см. Радиометрическая разведка).

Все виды Г. м. р. основаны на использовании физико-математических принципов для разработки их теории, высокоточной аппаратуры с элементами электроники, радиотехники, точной механики и оптики для полевых измерений, вычислительной техники, включая новейшие электронные вычислительные машины для обработки результатов.

Исследования в скважинах (см. Каротаж) ведутся всеми геофизическими методами. Геофизические измерения в скважинах производятся приборами, показания которых передаются на земную поверхность по кабелю. Наибольшее значение имеет электрический, акустический и ядерно-геофизический каротаж скважин. Бурение глубоких скважин ведётся с обязательным их каротажем, что позволяет резко ограничить отбор пород (керна) и повысить скорость проходки. Геофизические измерения в скважинах и горных выработках применяются также для поисков в пространствах между ними рудных тел (т. н. скважинная геофизика). Наконец, геофизические методы используются для изучения технического состояния скважин (определения каверн и уступов, контроля качества цементировки затрубного пространства и т.п.).

Г. м. р. быстро развиваются, успешно решая задачи поисков и разведки полезных ископаемых, особенно в районах, закрытых толщами рыхлых отложений, на больших глубинах, а также под дном морей и океанов.

Лит.: Соколов К. П., Геофизические методы разведки, М., 1966; Федынский В. В., Разведочная геофизика, М., 1967; Хмелевский В. К., Краткий курс разведочной геофизики, М., 1967.

Магнитная разведка

Магнитная разведка, магниторазведка, геофизический метод разведки, основанный на различии магнитных свойств горных пород. Применяется на всех этапах геологических исследований и включает: измерения напряжённости геомагнитного поля или его элементов (см. Земной магнетизм); построение магнитных карт; геологическое истолкование результатов измерений, опирающееся на определения магнитных характеристик горных пород.

М. р. изучает магнитные аномалии, создаваемые геологическими телами, намагниченными современным (индуцированная намагниченность) и древним (остаточная намагниченность) магнитными полями Земли. Намагниченность горных пород определяется наличием в них ферромагнитных минералов (магнетит, пирротин). Особенно интенсивные магнитные аномалии создают изверженные породы основного и ультраосновного составов, магнетитовые железные руды и др. Измерения при М. р. производятся на поверхности Земли, с самолётов или вертолётов (аэромагнитная съёмка), с движущихся судов (гидромагнитная съёмка или морская М. р.), в горных выработках (подземная М. р.), в буровых скважинах (скважинная М. р.). Для измерений применяются различные магнитометры. Чаще всего измеряются относительные значения (приращения в пространстве) вертикальной составляющей напряжённости магнитного поля Земли DZ (наземные съёмки), реже — горизонтальной составляющей DН, а при аэромагнитных и гидромагнитных съёмках — модуль вектора полной напряжённости геомагнитного поля Т: или его приращение DT. При М. р. приходится учитывать вариации магнитные. Наземные съёмки, как правило, производятся по прямолинейным профилям, при соотношении расстояний между профилями и точками наблюдений на них от 10:1 до 1:1. При аэромагнитной и гидромагнитной съёмке измерения производятся непрерывно или дискретно в движении вдоль сети прямолинейных, а иногда криволинейных (в горной местности) профилей.

В результате интерпретации данных М. р. определяют глубину и другие элементы залегания намагниченных тел в земной коре, которые служат источниками аномального магнитного поля. М. р. самостоятельно, а также в комплексе с другими геофизическими и геологическими методами, применяется для изучения регионального глубинного строения земной коры, в том числе для определения глубины залегания фундамента платформ (при поисках нефти и газа); геологического картирования поисков магнитных разновидностей железных руд, а также рудных и нерудных месторождений, связанных с основными и ультраосновными породами (никель, хром, титан, алмазы и др.); цветных, редких и благородных металлов, руды которых содержат акцессорные магнитные минералы (свинец, олово, россыпные золото и платину и др.); рудных скарновых месторождений, обогащенных, как правило, магнетитом (железо, вольфрам, молибден, медь и др.); месторождений пьезооптических минералов (пьезокварц, исландский шпат, оптический флюорит), связанных с магнетитовой минерализацией, зонами дробления и интрузиями ультраосновных пород; алюминиевых руд, если они представлены магнитными разновидностями бокситов.

При разведке железных руд М. р. в сочетании с измерениями магнитной восприимчивости пород в горных выработках и буровых скважинах позволяет уточнять положение железорудных тел, а также оценивать процентное содержание магнитного железа в рудах.

М. р. зародилась в 17 веке, когда в Швеции Д. Тиласом был изобретён прибор для поисков магнитных руд — шведский горный компас. В России первые магнитные наблюдения с компасом для поисков железных руд осуществлены в середине 18 века на Урале, где была открыта гора Магнитная. В 20-х годах 19 века в США и Канаде производились поиски сильномагнитных руд с помощью стрелочного инклинатора. По инициативе Д. И. Менделеева в 1899 на Урале проведены магниторазведочные работы, в результате которых оконтурен ряд железорудных залежей. С помощью М. р. открыты железорудные месторождения Курской магнитной аномалии. В 1922 на основе идей советского геолога А. Д. Архангельского магнитные съёмки начали применять для изучения глубинного геологического строения — фундамента платформ, перекрытого толщами осадочных пород. В 1936 советский геофизик А. А. Логачев создал (совместно с А. Т. Майбородой) первый в мире аэромагнитометр и разработал методику аэромагнитной съёмки. В 50-х и 60-х годах 20 века в Финляндии, Швеции и СССР разработаны аппаратура и методика М. р. в буровых скважинах.

Лит.: Логачев А. А., Магниторазведка, 3 изд., Л., 1968; Федынский В. В., Разведочная геофизика, 2 изд., М., 1967; Магниторазведка, М., 1969 (Справочник геофизика, т. 6).

Магнитная разведка

Магнитная разведка, магниторазведка, геофизический метод разведки, основанный на различии магнитных свойств горных пород. Применяется на всех этапах геологических исследований и включает: измерения напряжённости геомагнитного поля или его элементов (см. Земной магнетизм); построение магнитных карт; геологическое истолкование результатов измерений, опирающееся на определения магнитных характеристик горных пород.

М. р. изучает магнитные аномалии, создаваемые геологическими телами, намагниченными современным (индуцированная намагниченность) и древним (остаточная намагниченность) магнитными полями Земли. Намагниченность горных пород определяется наличием в них ферромагнитных минералов (магнетит, пирротин). Особенно интенсивные магнитные аномалии создают изверженные породы основного и ультраосновного составов, магнетитовые железные руды и др. Измерения при М. р. производятся на поверхности Земли, с самолётов или вертолётов (аэромагнитная съёмка), с движущихся судов (гидромагнитная съёмка или морская М. р.), в горных выработках (подземная М. р.), в буровых скважинах (скважинная М. р.). Для измерений применяются различные магнитометры. Чаще всего измеряются относительные значения (приращения в пространстве) вертикальной составляющей напряжённости магнитного поля Земли DZ (наземные съёмки), реже — горизонтальной составляющей DН, а при аэромагнитных и гидромагнитных съёмках — модуль вектора полной напряжённости геомагнитного поля Т: или его приращение DT. При М. р. приходится учитывать вариации магнитные. Наземные съёмки, как правило, производятся по прямолинейным профилям, при соотношении расстояний между профилями и точками наблюдений на них от 10:1 до 1:1. При аэромагнитной и гидромагнитной съёмке измерения производятся непрерывно или дискретно в движении вдоль сети прямолинейных, а иногда криволинейных (в горной местности) профилей.

В результате интерпретации данных М. р. определяют глубину и другие элементы залегания намагниченных тел в земной коре, которые служат источниками аномального магнитного поля. М. р. самостоятельно, а также в комплексе с другими геофизическими и геологическими методами, применяется для изучения регионального глубинного строения земной коры, в том числе для определения глубины залегания фундамента платформ (при поисках нефти и газа); геологического картирования поисков магнитных разновидностей железных руд, а также рудных и нерудных месторождений, связанных с основными и ультраосновными породами (никель, хром, титан, алмазы и др.); цветных, редких и благородных металлов, руды которых содержат акцессорные магнитные минералы (свинец, олово, россыпные золото и платину и др.); рудных скарновых месторождений, обогащенных, как правило, магнетитом (железо, вольфрам, молибден, медь и др.); месторождений пьезооптических минералов (пьезокварц, исландский шпат, оптический флюорит), связанных с магнетитовой минерализацией, зонами дробления и интрузиями ультраосновных пород; алюминиевых руд, если они представлены магнитными разновидностями бокситов.

При разведке железных руд М. р. в сочетании с измерениями магнитной восприимчивости пород в горных выработках и буровых скважинах позволяет уточнять положение железорудных тел, а также оценивать процентное содержание магнитного железа в рудах.

М. р. зародилась в 17 веке, когда в Швеции Д. Тиласом был изобретён прибор для поисков магнитных руд — шведский горный компас. В России первые магнитные наблюдения с компасом для поисков железных руд осуществлены в середине 18 века на Урале, где была открыта гора Магнитная. В 20-х годах 19 века в США и Канаде производились поиски сильномагнитных руд с помощью стрелочного инклинатора. По инициативе Д. И. Менделеева в 1899 на Урале проведены магниторазведочные работы, в результате которых оконтурен ряд железорудных залежей. С помощью М. р. открыты железорудные месторождения Курской магнитной аномалии. В 1922 на основе идей советского геолога А. Д. Архангельского магнитные съёмки начали применять для изучения глубинного геологического строения — фундамента платформ, перекрытого толщами осадочных пород. В 1936 советский геофизик А. А. Логачев создал (совместно с А. Т. Майбородой) первый в мире аэромагнитометр и разработал методику аэромагнитной съёмки. В 50-х и 60-х годах 20 века в Финляндии, Швеции и СССР разработаны аппаратура и методика М. р. в буровых скважинах.

Лит.: Логачев А. А., Магниторазведка, 3 изд., Л., 1968; Федынский В. В., Разведочная геофизика, 2 изд., М., 1967; Магниторазведка, М., 1969 (Справочник геофизика, т. 6).

Введение

Геофизические методы исследования земной коры (ГМИЗК), называемые по-разному: разведочная и скважинная; прикладная и промысловая; региональная, разведочная и геофизические исследования скважин (или каротаж), - это научно-прикладной раздел геофизики, предназначенный для изучения земной коры мощностью 35 - 70 км на суше и 5 - 10 км под дном акваторий океанов и морей.

Геофизика, как обобщающая наука, изучающая Землю и околоземное пространство с помощью естественных и искусственных физических полей занимает среди точных и естественных наук (астрономии, физики, математики, географии, геологии, химии) уникальное стыковое положение. Она использует достижения этих фундаментальных наук или родственных им научно-прикладных дисциплин (например, космонавтики, геодинамики, информатики, электроники, автоматики и др.), ставя перед ними немало проблем теоретического и прикладного плана.

Хотя 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 внутренне (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, климатологию и др. Геофизика водной оболочки (гидросферы) состоит из гидрофизики, океанологии, физики моря, лимнологии (изучение озер), гидрологии (изучение рек), подземной гидросферы, гляциологии (изучение ледников) и др. 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, ядерно-геофизической и геофизические методы исследования скважин (ГИС).

Кроме названных выше выделяют и другие оболочки (сферы) Земли: биосферу (сферу жизни), гуманитарную сферу, ноосферу (сферу разума) и др. Учитывая все возрастающую роль природных эндогенных (внутренних) факторов, таких как землетрясения и др. и экзогенных (внешних) факторов, например, выветривание и др., а также антропогенно-техногенных сил (взрывов, загрязнений окружающей среды и др.) целесообразно выделить еще одну оболочку - биотехносферу. Это часть атмосферы, гидросферы, земной коры, являющаяся средой обитания человека и испытывающая антропогенно-техногенную нагрузку вследствие деятельности людей.

Земля и все ее сферы являются открытыми, активно живущими, динамическими, нелинейными системами, тесно связанными между собой. Они окружены космическим пространством (физическим вакуумом), насыщенным высокоэнергетическими физическими полями импульсно-ритмичной формы. Эволюция Вселенной, Галактики, Солнца, Земли, Биосферы сопровождается цикличным обменом вещества (от корпускулярного излучения космоса до извержения вулканов), энергии (от слабых полей в молекулах до гравитационных полей сверхзвезд), а может быть и обменом информации между биосферой и космосом (например, через многочисленные ритмы Вселенной).

Непрерывно возрастающая роль антропогенно-техногенной нагрузки, сравнимой с природными факторами, приводит к необходимости выделения из глобальной геофизики, наряду с геофизикой космоса и атмосферы, гидросферы и литосферы, новой фундаментальной науки - геофизики биотехносферы (ее можно назвать геофизической экологией), предназначенной для изучения влияния физических полей на экосистемы Земли.

Предметом исследований геофизических методов (прикладной геофизики) являются: глубинные структуры земной коры на суше и океанах (платформенные, геосинклинальные, рифтовые области, океанические впадины и др.), кристаллический фундамент, осадочный чехол, полезные ископаемые в них, верхняя часть земной коры, называемая геологической (геофизической) средой или верхней частью разреза.

Целью 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 следующие: изучение состава, строения и состояния пород, слагающих земную кору, а также их динамику, выявление полезных ископаемых и изучения геологической среды как основы для промышленного, сельскохозяйственного, гражданского и военного освоения и сохранения ее экологических функций, как источника жизни на Земле путем косвенного изучения физических полей. Формально они сводятся к обнаружению геологических объектов, оценки их геометрии, а по физическим свойствам определение их геологической природы.

В соответствии с решаемыми задачами основными прикладными направлениями и методами геофизических исследований земной коры являются: глубинная, региональная, разведочная (нефтегазовая, рудная, нерудная, угольная), инженерная (инженерно-геологическая, гидрогеологическая, почвенно-мелиоративная, мерзлотно-гляциологическая) и экологическая геофизика.

Остановимся на краткой характеристике физических полей Земли, их параметров, а также физических свойствах среды, обеспечивающих возможность выявления аномальных объектов в ней.

Каждое физическое поле численно характеризуется своими параметрами. Так, гравитационное поле определяется ускорением свободного падения или силы тяжести ( ) и его градиентами (g_x,g_y,g_z) и др.; геомагнитное поле - полным вектором напряженности и различными его элементами (вертикальным , горизонтальным и др.); электромагнитное - векторами магнитной ( ) и электрической ( ) составляющими; упругое - скоростями () распространения различных упругих волн; термическое - температурами ( С); ядерно-физическое - интенсивностями естественного ( ) и искусственно вызванных ( , ) гамма- и нейтронных излучений.

Принципиальная возможность проведения геологической разведки на основе различных физических полей Земли определяется тем, что распределение параметров полей в воздушной оболочке, на поверхности акваторий или Земли, в горных выработках и скважинах зависит не только от происхождения естественных или способа создания искусственных полей, но и от литолого-петрографических и геометрических неоднородностей земной коры, создающих аномальные поля. Аномалией в геофизике считается отклонение измеренного параметра поля от нормального, за которое чаще всего принимается поле над однородным полупространством. При этом возникновение аномалий связано с тем, что объект поисков, называемый источником аномалий, или возмущений, или аномалосоздающим объектом, либо сам создает поле в силу естественных причин, например, возбуждается естественное постоянное электрическое поле, либо искажает поле, вследствие различий физических свойств, например, отражение сейсмических или электромагнитных волн от контактов разных толщ. Интенсивность аномалий определяется контрастностью физических свойств, относительной глубиной объекта, а также уровнем помех.

Если геологические и геохимические методы являются прямыми методами близкого действия, основанными на непосредственном изучении минерального, петрографического или геохимического состава вскрытых выработками горных пород, то геофизические методы являются косвенными, дальнего действия. Они обеспечивают равномерность, объемный, интегральный характер получаемой объективной информации с теоретически неограниченной глубинностью. При этом производительность экспериментальных геофизических работ значительно выше, а стоимость в несколько раз меньше по сравнению с разведкой с помощью неглубоких (до 100 м) и в сотни раз меньше глубоких (свыше 1 км) скважин. Повышая геологическую и экономическую эффективность изучения недр, геофизические методы исследования являются важнейшим направлением ускорения научно-технического прогресса в геологии и горном деле.

Выявление геофизических аномалий - сложная техническая и математическая 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.

Измеряя те или иные физические параметры по системам обычно параллельных профилей или маршрутов и выявив аномалии, можно судить как 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 ( ); магнитное поле - от магнитной восприимчивости ( ) и остаточной намагниченности ( ); электрическое и электромагнитное поля - от удельного электрического сопротивления пород ( ), диэлектрической ( ) и магнитной ( ) проницаемостей, электрохимической активности ( ) и поляризуемости ( ); упругое поле - от скорости распространения ( ) и затухания ( ) различных типов волн, а последние, в свою очередь, - от плотности упругих констант (модуль Юнга ( ) и коэффициент Пуассона ( ) и др.; термическое поле - от тепловых свойств: теплопроводности ( ), теплоемкости ( ) 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 Ом*м). 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 связи их с минеральным и петрографическим составом, а также водо-, газо-, нефтенасыщенностью является предметом исследований петрофизики.

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). Иногда дистанционные методы изучения Земли с помощью самолетов, вертолетов, искусственных спутников, пилотируемых космических кораблей и орбитальных станций не считают геофизическими, поскольку при этих работах преобладают съемки в видимом диапазоне спектра электромагнитных волн (фото- и телевизионные съемки). Однако, кроме таких визуальных наблюдений все чаще используются дистанционные методы невидимого диапазона электромагнитных волн: инфракрасные, радиолокационные (радарная и радиотепловая), радиоволновые, ядерные, магнитные и другие съемки, которые являются сугубо геофизическими.