Геофизические методы исследования земной коры.

Введение

Учитывая все возрастающую роль природных эндогенных (внутренних) факторов, таких как землетрясения, медленные подъемы и опускания суши и др., и экзогенных (внешних) факторов, например, выветривания, оползнепроявления и др., а также антропогенно-техногенных сил (взрывов, загрязнений окружающей среды и др.), целесообразно выделить еще одну оболочку - биотехносферу. В нее следует включить части атмосферы, гидросферы, земной коры, являющиеся средой обитания человека и испытывающие антропогенно-техногенную нагрузку. Раздел геофизики, предназначенный для изучения этой оболочки Земли, можно назвать геофизикой биотехносферы или геофизической экологией [Хмелевской В.К., 1997].

Из фундаментальных геофизических наук, предназначенных для исследования Земли и ее оболочек, выделяются научно-прикладные разделы. Так, геофизика воздушной оболочки включает физику космоса и атмосферы, метеорологию, климатологию и др. Геофизика гидросферы состоит из гидрофизики, океанологии, физики моря, лимнологии (изучение озер), гидрологии (изучение рек), гидрогеологии (изучение подземной гидросферы), гляциологии (изучение ледников) и др. Из геофизики литосферы выделились прикладная и промысловая геофизика, содержащие методы: гравиразведку, магниторазведку, электроразведку, сейсморазведку, терморазведку, ядерную геофизику и геофизические исследования скважин (ГИС). Научно-прикладным разделом геофизики биотехносферы становится экологическая геофизика.

Предметом исследований прикладной и промысловой геофизики является земная кора, т.е. часть литосферы мощностью до 70 км на суше и до 10 км в океанах. Целью этих научно-прикладных дисциплин являются исследования глубинного строения земной коры, кристаллического фундамента, осадочного чехла, поиск и разведка полезных ископаемых, изучение геологической или геофизической среды мощностью в первые сотни метров, верхней части разреза земной коры (ВЧР) мощностью порядка 100 м и окрестностей скважин на основе косвенной информации об интенсивности и структуре различных физических полей.

Основными задачами геофизических исследований земной коры являются следующие: выяснение состава, структуры и состояния горных пород, слагающих земную кору, выявление полезных ископаемых, изучение геологической среды как основы для промышленного, сельскохозяйственного, гражданского, военного освоения и сохранения ее экологических функций, как источника жизни на Земле.

Эти же задачи решаются другими геолого-геохимическими методами. 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 методами как "ближнего" (до 1 м), так и "дальнего" (до тысяч километров) действия. Они обеспечивают равномерность, объемный, интегральный характер получаемой объективной информации. 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, чем глубоких (свыше 1 км) скважин. Повышая геологическую и экономическую эффективность изучения недр, геофизические методы исследования являются важнейшим фактором ускорения научно-технического прогресса в геологии и горном деле.

В соответствии с решаемыми задачами основными прикладными направлениями геофизических исследований земной коры являются: глубинная; региональная; разведочная, подразделяемая на нефтегазовую, рудную, нерудную, угольную; инженерная, включающая инженерно-геологическую, гидрогеологическую, почвенно-мелиоративную, мерзлотно-гляциологическую, археологическую и техническую; экологическая геофизика. Формирование последней идет за счет экологических аспектов всех перечисленных прикладных направлений геофизики.

Остановимся на краткой характеристике физических полей Земли, их параметров, физических свойствах среды, обеспечивающих возможность выявления различных объектов в ней, последовательности процесса геофизических исследований. Этим проблемам была посвящена кн. 1 настоящей работы. Однако краткое их повторение в кн. 2 придаст ей определенную самостоятельность.

Каждое физическое поле численно характеризуется своими наблюденными (наблюдаемыми, измеряемыми или регистрируемыми) физическими параметрами поля (П_н). Их получают в результате геофизических работ (Г_р) с помощью сложной, как правило, компьютеризированной аппаратуры. Так, гравитационное поле определяется ускорением свободного падения или силой тяжести ( ) и ее градиентами по осям координат ( ), геомагнитное поле - полным вектором напряженности и различными его элементами (вертикальной , горизонтальной составляющими и др.), электромагнитное - векторами магнитной ( ) и электрической ( ) составляющих, упругое - амплитудой ( ) и временем ( ) распространения упругих волн различного вида, термическое - температурой ( ), ядерно-физическое - интенсивностью 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 распределения в Земле геометрических и литолого-петрографических неоднородностей. Эти неоднородности отличаются по физическим свойствам от вмещающей среды, и в результате создаются аномальные физические поля. Аномалией, или полезным сигналом, 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 (возмущений) или аномалосоздающим объектом, либо сам создает поле в силу естественных причин, например, естественное постоянное электрическое поле вокруг рудных залежей, либо искажает искусственно созданное поле вследствие различия физических свойств, например, за счет отражения сейсмических или электромагнитных волн от контактов разных толщ.

Эффективность выделения аномалий во многом определяется методикой (способом) проведения работ, куда входит система наблюдений, т.е. выбор расстояний между пунктами наблюдений (шаг съемки при профильных наблюдениях) и между профилями (при площадной съемке). Густота сети наблюдений зависит от решаемых задач, масштабов съемок, простирания, размеров и глубины залегания разведываемых объектов, в крест предполагаемого простирания которых профили обычно и ориентируются.

Аномалии приходится выявлять на фоне не всегда однородного и спокойного поля среди разнообразных помех геологического, природного, техногенного характера (неоднородности верхней части геологической среды, неровности рельефа, наличие космических, атмосферных, климатических, промышленных и других помех). В результате наблюдается интерференция полезных сигналов и помех разной природы. При этом наблюдается как простое наложение (суперпозиция) полей, так и сложные, нелинейные их взаимодействия.

Выявление аномальных параметров физических полей (П_а) - актуальная физико-математическая проблема, которая решается путем применения, как правило, компьютерных способов обработки геофизических данных (ОГД). Она сводится или к аппаратурно-калибровочным преобразованиям, или к введению поправок в наблюденное поле с учетом нормального поля, или разного рода трансформаций П_н в П_а, или специальных способов компьютерной обработки и перехода от реальных, наблюденных, к информационным параметрам поля в виде цифровых данных, в которых уменьшен уровень тех или иных помех. В результате получаются: графики аномалий (по горизонтали откладываются точки записи, т.е. пункты измерений или пикеты (ПК), а по вертикали П_а), карты графиков (на карте в заданном масштабе наносятся линии профилей, а перпендикулярно линиям профилей откладываются П_а и строятся графики); карты аномалий (на карте проставляются ПК, рядом записываются П_а и вычерчиваются изолинии равных значений П_а); временные разрезы (по горизонтали откладываются ПК, а по вертикали вниз времена прихода ( ) сигналов от объектов, расположенных на разных глубинах).

Следующим этапом геофизического процесса является преобразование аномальных (информационных) параметров поля (П_а ) в реальные, непосредственно связанные с параметрами разведываемых аномалосоздающих объектов (П_о ). К параметрам объектов относятся их физические (геофизические) свойства (ФС) и геометрические (структурные) характеристики (ГФХ), т.е. П_о = ФС + ГФХ.

Каждое физическое поле определяется соответствующими физическими свойствами разведываемых объектов и вмещающей среды. 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, естественной поляризуемости, или электрохимической активности ( ), и вызванной поляризуемости ( ); упругое поле - от скорости распространения ( ) и затухания ( ) различных типов волн, а последние, в свою очередь, - от плотности, упругих констант (модуль Юнга ( ), коэффициент Пуассона ( ) и др.); термическое поле - от тепловых свойств: теплопроводности ( ), теплоемкости ( ), температуропроводности ( ) и др.; ядерные - от естественной и наведенной радиоактивности, гамма-лучевых и нейтронных свойств. Физические свойства горных пород изменяются иногда в небольших пределах (например, плотность изменяется 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 иметь одинаковые свойства.

Геометрическими характеристиками аномалосоздающих объектов являются: глубина, размеры, особенности физических границ, на которых физические свойства могут изменяться резко (контрастно) или плавно (градиентно).

Определение геометрических и физических параметров объектов (П_о ) по аномальным параметрам физических полей (П_а ) называется решением обратной задачи (ОЗ) геофизики (П_а П_о). Определение аномальных параметров физических полей по известным геофизическим и физическим параметрам объектов составляет суть прямой задачи (ПЗ) геофизики (П_о П_а). Решение прямых и обратных задач в каждом геофизическом методе основано на известных в теории поля интегральных и дифференциальных уравнениях связи П_а и П_о. Такое решение называется математическим моделированием. При этом реальные аномалосоздающие объекты аппроксимируются физико-геологическими моделями (ФГМ), т.е. телами сравнительно простой геометрической формы с заданными размерами и физическими свойствами или контрастностями свойств.

Назад| Вперед