Геофизические методы исследования земной коры.

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.

Назад | Вперед