Лекция № 1

Вводная: Комплексирование геофизических методов, предмет, задачи. Стадийность геолого-разведочного процесса

План лекции

1. Причины комплексирования геофизических методов

2. Основная цель комплексирования

3. Основные принципы комплексирования

4. Стадийность и задачи геолого-разведочных работ

Причины комплексирования геофизических методов

Комплексирование геофизических методов входит в состав общепрофессиональной дисциплины.

Для чего необходимо комплексирование геофизических исследований. Для этого существует как минимум две причины:

Первая причина (физико-математическая)

Неоднозначность решения обратных задач геофизики по определению природы геофизических аномалий и по оценке количественных параметров искомых объектов. То есть неоднозначность качественных заключений об объекте исследования (определение местоположения и природы) и об количественных заключений об объекте исследования (определение геометрии) по результатам одного метода.

Различные физические поля дают специфическую, одностороннюю характеристику геологических объектов (например, магниторазведка только по магнитным свойствам горных пород). Как правило, один метод дает сведения лишь о горизонтальных границах раздела, другой – о вертикальных, третий позволяет оценить свойства объекта когда известны лишь геометрические размеры и.т.д. Поэтому вторая причина

Причина вторая (геологическая)

Невозможно с помощью одного метода получить сведения об основных параметрах изучаемых объектов и вмещающей среды.

На сегодняшний день ресурс легкооткрываемых месторождений практически исчерпан. И основной тенденцией развития геологоразведочных работ является:

1. на промышленно-освоенных территориях расширение минерально-сырьевой базы за счет выявления слабопроявленных (глубокозалегающих, слепых и погребенных) залежей;

2. изучение труднодоступных малоосвоенных районов;

3. поиски и разведки месторождений с низкими концентрациями полезных компонентов, но с большими запасами руд;

4. выявление нефтегазовых залежей неструктурного типа в сложных геологических условиях, в том числе в области развития траппового магматизма.

Все это требует увеличения глубинности поисков, выявления слабоконтрастных по физическим свойствам объектов на фоне помех, поисков полезных ископаемых по косвенным признакам.

Сложность решаемых задач и неоднозначность геологической интерпретации геофизических данных приводят к необходимости комплексирования, т.е. оптимального сочетания ряда геофизических, геологических, геохимических, аэро- космических методов и горно-буровых работ.

Основная цель комплексирования геофизических методов - обеспечение надежности однозначного решения поставленных геологических задач и основных параметров исследуемых объектов и вмещающей среды.

Рассмотрим пример однозначного решения задачи распознавания пород разных типов при картировании. Пусть свойства пород шести основных типов (А,Б,В,Г,Д,Е), слагающих район исследований представлены в виде распределений свойств. Пусть значение магнитной восприимчивости опознаваемого комплекса линия (------). То к этому классу можно отнести три типа пород А,В,Е. Если определена плотность, то у нас уже два типа пород А,В. Наличие третей характеристики (сопротивление) позволяет отнести В к одному классу. Анализ показывает, что любая из шести пород по данным трех методов опознается однозначно.

Современные геологоразведочные работы представляют собой сложный процесс, который состоит из ряда последовательных стадий исследований. Каждая стадия решает определенный круг задач по изучению закономерностей размещения полезных ископаемых и выявлению промышленных месторождений.

Необходимость комплексирования геофизических методов обусловлена тем, что каждый из них, во-первых, теоретически некорректен, т.е. объектам с разными параметрами, но с определенным их сочетанием, соответствует в пределах некоторых небольших величин одинаковые поля. Закономерность эта известна как принцип эквивалентности.

Во-вторых, по мере увеличения глубинности разведки уменьшается отношение величины сигнала к уровню геологических и технических помех. Поэтому, несмотря на совершенствование методов, отношение сигнал/помеха увеличивается слабо. По этим причинам определение геометрических и физических параметров аномалосоздающих объектов оказывается неоднозначным.

Для ограничения некорректности необходима дополнительная информация:

• применение ряда методов с разными физическими основами,

• уровнем некорректности и точности разведки,

• использование параметрических скважин, с помощью которых можно определить петрофизические характеристики объектов, уточнить их геометрические размеры.

Тем не менее, повышение точности съемок, использование накопления сигналов, применение сложных компьютерных способов обработки и комплексирование методов должны обеспечить возрастание роли геофизики.

Для ряда современных геофизических методов погрешности съемок уже практически доведены до минимума. Уверенное выделение полезной информации возможно лишь тогда, когда сигнал превышает уровень помех. С помощью вероятностно-статистических методов удается выделить полезные сигналы при отношении сигнал/помеха .

Так как ни технические, ни тем более, геологические помехи, возникающие, например, за счет неоднородностей поверхностных отложений, существенно уменьшить нельзя, то отношение сигнал/помеха становится основным препятствием для дальнейшего увеличения точности решения обратной задачи геофизики. Определение физических свойств пород (например, по измерениям на образцах или по скважинным геофизическим наблюдениям), хотя и позволяет устранить или уменьшить действие принципа эквивалентности, но стоит очень дорого, снижая экономическую эффективность геофизической разведки.

Основная цель комплексирования

Целью геофизического комплексирования является выбор такого комплекса методов, который может обеспечить однозначное решение поставленной геологической задачи, т.е. получение минимальной погрешности в определении местоположения, геометрии разведываемых объектов и достоверной расшифровки их физических свойств.

Основные принципы комплексирования

При объединении методов в единый комплекс стремятся достичь двух целей:

уменьшить неоднозначность интерпретации и, по возможности, решить все задачи, возникающие на данной стадии работ.

Для этого в комплекс включают ряд методов, подобранных по следующим принципам:

а) каждый метод решает одну из задач;

б) некоторая задача решается лишь сочетанием ряда методов;

в) задача решается несколькими методами, но каждым из них недостаточно уверенно, а в результате применения

нескольких методов обеспечивается необходимая надежность ее решения.

При выборе комплекса приходится учитывать экономическую эффективность, т.е. искать такое решение геологических задач, которое, обеспечивая надежность их решения, требует минимально возможных затрат времени и средств.

При выборе комплексов следует руководствоваться определенными методологическими приемами, т.е. наиболее рациональной методикой проведения работ и интерпретацией материалов, а именно:

1. проведением работ от общего к частному;

2. от мелких масштабов к более крупным;

3. от изучения больших площадей (попланшетное картирование) к разведке перспективных участков;

4. от сравнительно быстрых (аэрокосмических, морских) к детальным полевым и подземно-скважинным методам;

5. повторением съемок более точной аппаратурой по более густой сети наблюдений;

6. переходом от интерпретации данных каждого отдельного геофизического метода к комплексной компьютерной обработке всех материалов;

7. от качественного геологического истолкования материалов - к количественному, с использованием петрофизической информации.

Стадийность и задачи геологоразведочных работ

Геофизические исследования, включенные в геологоразведочный процесс, предназначены для решения конкретных геологических задач. В большинстве случаев эти задачи так или иначе связаны с поисками и разведкой месторождений полезных ископаемых, которые осуществляют по единой последовательной схеме геологоразведочных работ. В соответствии со стадийностью работ изменяются геологические задачи, комплексы геофизических методов и характер получаемой геолого-геофизической информации.

Стадия I – региональные исследования – масштабы 1:1000000- 1:500000 –1:200000.

В региональные исследования входят несколько подстадий:

Подстадия I - региональные геофизические работы масштаба 1:200000 (1:500000).

Подстадия II – при геологической съемке масштаба 1:200000 – осуществляется среднемасштабное геофизическое картирование масштаба 1:200000 (1:100000)

Подстадия III – (при более крупномасштабном геологическом картировании 1:50000-1:25000) – крупномасштабное геофизическое картирование 1:50000 и 1:25000)

Подстадия IV (глубинное геологическое картирование) - геофизические исследования 1:100000 –1:25000.

Основной задачей является глубинное геологическое картирование (исследование земной коры, геотектоническое картирование) региональный прогноз месторождений.

Региональный прогноз базируется на изучении закономерности размещения полезных ископаемых в связи с особенностями глубинного строения.

Ведущими видами геофизических исследований являются аэрогеофизические методы и комплексное геолого-геофизическое исследование вдоль опорных геолого-геофизических профилей (геотраверсов).

При геологическом картировании осуществляются общие поиски полезных ископаемых. При этом масштабы съемок, как правило, крупнее масштабов геологических съемок.

Стадия II – поиски месторождений полезных ископаемых

Подстадия I – общие поиски масштаба 1:50000- 1:25000;

Подстадия II – детальные поиски масштаба 1:10000 –1:5000

Подстадия III – поисково0оценочные работы масштаба 1:10000-1:5000

При общих поисках наряду с поисками проявлений полезных ископаемых изучаются и другие геологические проявления (например, контактовый метаморфизм). Осуществляется локальный прогноз. При детальных поисках выделяются перспективные участки. Осуществляют поисково-оценочные работы по категории запасов C₂.

Стадия III – предварительная разведка: выделение геометрии тел полезных ископаемых.

Стадия IV – детальная разведка – определение содержания полезных ископаемых

Стадия V – эксплуатационная разведка.

Лекция № 2

Комплексирование геофизических методов, предмет, задачи.

План лекции

1. Типы классификаций геофизщических методов

2. Комплексы геофизических методов

3. Типовые и рациональные комплексы

4. Системный подход при комплексировании геофизических методов

Типы классификаций геофизических методов

Существуют различные виды классификации геофизических методов исследования земной коры по:

1. используемым полям (грави-, магнито-, электро-, сейсмо-, термогеофизика и ядерная геофизика);

Природа и типе измеряемого поля

К естественным полям Земли относят: магнитное, гравитационное (поле тяготения), электрическое, электромагнитное, сейсмическое (поле упругих колебаний, возникающих в результате землетрясений), поле ядерных излучений и термическое;

К искусственным — электрическое, электромагнитное, сейсмическое (вызванное исследователем), термическое (поле нагрева и охлаждения), поля вторичных ядерных взаимодействий с изучаемыми геологическими объектами.

Каждое геофизическое поле характеризуется своими параметрами, которые зависят от физических свойств геологической среды.

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.

2. технологиям и месту проведения работ (аэрокосмические, полевые, акваториальные, подземные методы и геофизические исследования скважин);

Особое место в геофизике занимают геофизические исследования скважин (ГИС), отличающиеся от прочих геофизических методов специальной аппаратурой, техникой проведения наблюдений и имеющие большое прикладное значение при документации разрезов скважин и их эксплуатации при добыче нефти и газа.

3. прикладным, целевым направлениям и решаемым задачам (глубинная, региональная, разведочная, инженерная и экологическая геофизика);

4. видам деятельности (теоретическая, инструментальная, экспериментальная, вычислительная и интерпретационная геофизика).

Геофизические методы имеют ряд характерных особенностей, способствующих комплексированию. К ним можно отнести высокую производительность при относительно низкой себестоимости работ и возможность выполнения измерений несколькими геофизическими методами по единой сети наблюдений, что особенно характерно при проведении работ с корабля, самолета или в скважине. Прибавление при таких работах других геофизических методов незначительно повышает стоимость работ, но может существенно увеличить их геологическую эффективность.

Комплексы геофизических методов

Существуют различные виды геофизических комплексов:

• типовые комплексы, т.е. такое сочетание избыточного числа методов, которое на данной стадии исследований обеспечивает точное решение поставленных задач;

• рациональный комплекс - это экономически обоснованный ограниченный набор типовых комплексов, обеспечивающих надежное решение поставленных задач;

• технологические комплексы, объединяющие методы по месту и уровню проведения работ: космические, аэрогеофизические, полевые, акваториальные, подземные и скважинные.

Разработка теории и методологии комплексирования (разнометодной, многоуровневой, геолого-геофизической) - проблема сложная и решается на основе разнообразных информационно-компьютерных технологий.

Типовые и рациональные комплексы

Различают типовые и рациональные комплексы.

Типовым называют комплекс геофизических методов, применение которого целесообразно на данной стадии работ при изучении объектов определенного типа. При выборе типового комплекса методов обычно используют инструкции, методические пособия, руководства, справочники, дающие общие сведения о методах без учета конкретных природных условий.

В исследуемом районе такой комплекс может оказаться избыточным.

Типовой комплекс может быть взят за основу при выборе рационального комплекса.

Рациональный комплекс — это экономически обоснованное сочетание методов, обеспечивающих надежное решение поставленных геологических задач в конкретных условиях изучаемого района.

Рациональный комплекс предусматривает выбор методики работ (сети и точности наблюдений), последовательности применения методов, способов интерпретации и дальнейшего использования получаемых данных.

Рациональный комплекс практически создается на основе аналогий или натурного моделирования.

В первом случае используют уже имеющийся опыт работы на этой же территории или в аналогичных условиях.

Во втором — проводят специальные опытно-методические работы избыточным набором методов на хорошо изученных эталонных участках.

В зависимости от решаемых задач различают комплексы широкого и узкого спектра действия или многоцелевые и специализированные.

Комплексы первого типа предназначены для решения широкого круга геологических задач при съемке, прогнозе и поисках месторождений всех видов полезных ископаемых на конкретной территории.

Комплексы второго типа используют для решения частных геологических задач, поисков месторождений определенного типа, изучения детализационных участков.

Технологические комплексы

При проведении работ с использованием самолетов, судов, иногда автомашин, при измерениях в скважинах используют технологические комплексы геофизических методов.

Они позволяют проводить одновременно измерения нескольких геофизических параметров. Технологические комплексы отличает общность технических средств измерения и методики проведения работ. Такие комплексы обеспечивают высокую производительность, точную взаимную привязку разных параметров, позволяют перейти к цифровой регистрации данных с последующей обработкой их на ЭВМ.

Например, аэрогеофизическая станция «СКАТ-77» имеет каналы для регистрации магнитного поля ДТ, естественной гамма-активности, напряженности поля СДВ- радиостанций.

Морские геофизические работы можно проводить с использованием эхолотного промера глубин, непрерывного сейсмоакустического профилирования (НСП), морской магнито- и гравиметрии и в благоприятных условиях — электроразведки.

Комплекс для работ на мелководных акваториях (реках, озерах), созданный на кафедре сейсмометрии геологического факультета МГУ, включает НСП, непрерывные электрические зондирования методом ВЭЗ, регистрацию разностей потенциалов естественного электрического поля (ЕП) по трем взаимно перпендикулярным направлениям, резистивиметрию (измерение .箐 воды) и термометрию.

Информацию записывают в цифровом коде на магнитную ленту для последующего ввода в ЭВМ и в аналоговом виде (графически) для оперативного анализа данных. При наземной съемке используют автомобильные станции, позволяющие регистрировать в движении магнитное поле, радиоактивность, параметры высокочастотного электромагнитного поля.

Наблюдения на одном уровне (горизонте) называют комплексированием по горизонтали. Сочетание наземных и подземных, или наземных, аэро- и космических наблюдений называют комплексированием по вертикали. Последний вид работ все шире используют в практике геологических исследований.

Комплексирование геофизических методов можно разделить на внутреннее и внешнее:

Внутреннее или внутриметодное комплексирование основывается на использовании различных физических полей.

Внешнее комплексирование или межметодное комплексирование основное совместное использование геофизических методов с другими геологоразведочными методами.

Системный подход при комплексировании геофизических методов

Иными словами, в связи с тем, что геологическая эффективность любого отдельно взятого геофизического метода оказывается не очень высокой, важной проблемой становится системный подход к изучению недр. Практически он сводится к внутриметодному геофизическому комплексированию, основанному на использовании различных физических полей, и межметодному комплексированию геофизических исследований совместно с другими геолого-разведочными.

Поскольку разведываемые объекты характеризуются многообразием свойств и связей, то геологическая эффективность при их изучении в общем случае станет тем выше, чем более широким будет комплекс.

В свою очередь, возрастание количества комплексируемых методов ведет к удорожанию стоимости исследований и увеличению времени на их выполнение. Проблема поиска компромисса между этими факторами - одна из сложных в теории и практике комплексирования геофизических исследований недр.

Системный подход при изучении недр Земли предполагает:

• формулировку решаемых геолого-гидрогеологических задач;

• оценку физико-геологических условий района и установление связей геолого-геофизических свойств;

• выбор рациональной методики, техники, систем наблюдения, масштаба, точности всей совокупности геолого-геофизических работ, необходимых для достижения целей и решения поставленных задач;

• разработку стадийности, последовательности как геофизических, так и проверочно-эталонных геологических работ;

построение физико-геологических моделей для изучаемого района, их последовательное уточнение в ходе интерпретации; выдачу конечных материалов с оценкой их точности, геологической и экономической эффективности и т.п.

Лекция № 3

Моделирование в геологии