Геофизические методы исследования земной коры.

1.4.3. Методика измерений физических свойств горных пород.

Физические свойства горных пород определяются путем прямых лабораторных измерений на образцах и испытаний пород на опытных площадках, а также косвенным путем в результате интерпретации скважинных и полевых, акваториальных и воздушных геофизических наблюдений.

Большинство геолого-гидрогеологических (литология, механический состав, глинистость, пористость, статические деформационно-прочностные, некоторые водные свойства), а также физических (плотность, магнитные, электрические, упругие, тепловые, ядерные) свойств горных пород определяются в лабораторных условиях на образцах, взятых из обнажений, горных выработок и скважин (керн). Физические свойства, измеренные на образцах и в естественном залегании, отличаются. Это принято объяснять масштабным коэффициентом, т.е. несовпадением малых объемов изучаемых образцов (истинные свойства) и больших объемов массивов (пластовые и осредненные свойства толщ горных пород). Методика и техника измерений физических свойств хорошо разработаны и изложены в учебниках и руководствах [Вахромеев Г.С. и др., 1997; Комплексные инженерно-геофизические исследования при строительстве гидротехнических сооружений, 1990]. Некоторые свойства, например, деформационно-прочностные (применения штампов и прессов), магнитные (каппа-метрия), упругие (ультразвуковые) и др., определяются на опытных площадках, где коренные породы выходят на поверхность. Водные свойства изучаются с помощью специальных гидрогеологических исследований (наливы воды в шурфы, откачки ее из скважины). Скважинные наблюдения (геофизические исследования скважин - ГИС) - основной источник информации о линейном распределении геофизических свойств горных пород в естественном залегании по глубине в цилиндрическом объеме радиусом порядка метра вокруг скважины [Горбачев Ю.И., 1990]. Аэро-, наземные, акваториальные геофизические съемки позволяют получать информацию об осредненных физических свойствах отдельных пластов, толщ, объектов в естественном залегании. Для объективности определения физических свойств необходимы массовые (свыше 20) измерения.

Полученные физические свойства должны быть подвергнуты статистической обработке. Сначала выявляется закон распределения, рассчитываются средние значения, среднеквадратические отклонения (дисперсии). Далее устанавливаются корреляционные связи между некоторыми свойствами с определением коэффициентов корреляции и получением уравнений регрессии. Существует множество способов и программ статистической обработки данных на ЭВМ [Кузнецов О.Л., Никитин А.А., 1992].

1.4.4. Характеристика геофизических свойств горных пород.

Свойства горных пород, получаемые в результате интерпретации данных геофизических методов исследования, необходимы как для петрофизического и геологического истолкования результатов, так и для косвенного определения геолого-гидрогеологических свойств, обычно сложно поддающихся измерениям прямыми методами. Остановимся на краткой характеристике основных из этих свойств [Горбачев Ю.И., 1990].

Латеральные (плановые) изменения плотности горных пород приводят к появлению гравитационных аномалий, или аномалий приращения силы тяжести . Плотность разных пород меняется от 1 до 3,5 г/см³ в зависимости от плотности минерального скелета ( ), которая изменяется от 2,1 до 3,5 г/см³ , а также от пустотности (пористости и трещиноватости) и водогазонасыщенности (см. рис. 1.1).

Рис. 1.1. Графики зависимости плотности ( ) от пористости ( ) газонасыщенных (1) и водонасыщенных (2 и 3) осадочных горных пород при разной минеральной плотности скелета ( ): 1 и 2 - расчетные данные М.Л. Озерской, 3 - экспериментальные данные И.Х. Юдборовского для песчано-глинистых пород

У магматических и метаморфических горных пород плотность определяется в основном их минеральным составом и увеличивается при переходе от пород кислых к основным и ультраосновным в соответствии с увеличением количества плотных железосодержащих минералов. Для осадочных пород она зависит в основном от пористости и водонасыщенности (см. табл. 1.1).

Основным магнитным параметром горных пород является магнитная восприимчивость (каппа), представляющая собой коэффициент пропорциональности между интенсивностью намагничивания ( ) и напряженностью намагничивающего геомагнитного поля ( ), т.е.. За единицу принимается 10^-5 ед. СИ. В практике магниторазведки измеряется не только (в эрстедах), но и магнитная индукция (в теслах), где - магнитная проницаемость воздуха и большинства немагнитных пород. По сравнению с абсолютными значениями ( или ) точнее определяются их относительные величины ( или ), т.е. приращения поля по отношению к какому-то опорному (исходному) пункту. Большинство горных пород относятся к парамагнетикам: намагниченность этих пород направлена по вектору напряженности геомагнитного поля в месте, где порода залегает, а меняется от единицы до 100000 единиц 10^-5 СИ (см. табл. 1.1). У ферромагнитных пород и руд намагниченность зависит от наличия и количества железосодержащих и некоторых других минералов - ферромагнетиков при значениях до единицы СИ. В целом интервал изменения у горных пород достаточно велик и зависит от их минерального состава, условий залегания и множества других факторов. Среди магматических пород наиболее высокие и устойчивые значения у ультраосновных и основных пород, несколько меньшие у кислых, эффузивных и метаморфических. Осадочные породы за исключением некоторых разновидностей песчаников и глин практически не магнитные.

Большинство методов электроразведки основаны на определении удельного электрического сопротивления (УЭС или ), измеряемого в Ом*м, или обратного ему параметра ( ) - электропроводности, измеряемой в сименсах (См). В практике электроразведки \rho часто определяют по кажущемуся сопротивлению (КС или ), являющемуся сложной функцией параметров геологического разреза. По электрическому сопротивлению все горные породы и руды делятся на породы-проводники I рода с высокой электронной проводимостью за счет электропроводящих минералов (самородные металлы, многие окислы, сульфиды, графит) и породы-проводники II рода с ионной проводимостью, в которых породообразующие минералы (полевые шпаты, алюмосиликаты, слюды и многие другие) являются практически изоляторами, а ток проводится ионами заполняющего поры флюида. Проводниками II рода являются все породы: магматические, метаморфические (УЭС 10³ - 10⁷ Ом*м), скальные, осадочные (10 - 10⁵ Ом*м), песчано-обломочные (10 - 10⁴), глинистые (1-100 Ом*м). Большие интервалы изменения УЭС горных пород обусловлены литологией, разными величинами пустотности, водонасыщенности, минерализации подземных вод, температуры и других факторов (см. табл. 1.1).

Кроме УЭС в электроразведке используется электрохимическая активность ( в мВ), которой обусловлены естественные электрические потенциалы (ЕП), поляризуемость ( в %), приводящая к появлению вызванных потенциалов (ВП). ЕП связаны с существованием естественных зарядов на контакте твердой и жидкой фаз горной породы, а ВП - с появлением их при пропускании через породу электрического тока.

Физическим свойством, на котором основываются сейсмоакустические методы, является упругость горных пород, выражающаяся через скорости распространения продольных ( ) и поперечных ( ) волн, аналитически связанные с модулем Юнга, коэффициентом Пуассона и плотностью горных пород (см. (1.6)). и определяются путем измерения времени ( ) прихода упругих волн к сейсмоприемникам при известных расстояниях от них до пунктов возбуждения ( ).

Главными факторами, влияющими на величины и , являются: наличие структурных связей в породах (жестких - в скальных и полускальных, водно-коллоидных в глинистых) и отсутствие связей в рыхлых песчано-гравийных породах (см. табл. 1.1). Скорости упругих волн магматических пород возрастают с увеличением в них содержания минералов основного состава, т.е. при переходе от кислых (граниты) к основным (габбро) и особенно ультраосновным (дунит, перидотит) породам ( возрастает с 3 до 8,5 км/с, - с 2,8 до 4,5 км/с). Скорости увеличиваются также с уменьшением пустотности (первичной пористости и вторичной трещиноватости), а для продольных волн - и водонасыщенности. Скорости поперечных волн не зависят от того, чем заполнены пустоты: воздухом или водой, а в жидкостях они не распространяются.

У метаморфических пород скорости упругих волн определяются минеральным составом и возрастают при переходе к более высоким степеням метаморфизма. Отношение для скальных магматических и метаморфических пород меняется от 0,5 до 0,6, а для полускальных - от 0,2 до 0,5. Для осадочных пород определяющими факторами, изменяющими скорости упругих волн в широких пределах, являются соотношения твердой, жидкой и газообразной фаз, что зависит от их пустотности и водонасыщенности. Связь скоростей упругих волн с литологией более сложная и часто неоднозначная. В целом для осадочных пород меняется от 0,5 до 6 км/с, а - от 0,2 до 3 км/с. Отношение меняется от 0,1 у песков до 0,6 у глин и известняков. При замерзании любых пород скорости резко возрастают.

В терморазведке измеряемыми параметрами являются температура горных пород ( ) в градусах Цельсия (С) или кельвинах (К), градиенты температуры ( ) и величины теплового потока из земных недр ( ) в Вт/м² . По ним рассчитываются основные тепловые (теплофизические) свойства: теплопроводность (в Вт/К*м), теплоемкость ), где - количество теплоты, подводимой к массе тела (в Дж/кг*К), температуропроводность , где - плотность (в м²/с). Тепловые свойства пород определяются тепловыми свойствами и соотношениями составляющих их фаз. Основной тепловой параметр (теплопроводность) изменяется у магматических и метаморфических пород от 0,5 до 5 Вт/К*м, а у осадочных - от 0,1 до 5 Вт/К*м, возрастая в ряду пород: торф - глина - пески - конгломераты - известняки - каменная соль. Самая высокая - в полиметаллических рудах (~10 Вт/К*м) и особенно у самородных минералов (до 500 Вт/К*м), а самая низкая - у воздуха, нефти и воды, соответственно равная 0,01 - 0,04, 0,14, 0,6 - 0,7 Вт/К*м. Остальные теплофизические свойства горных пород меняются в 2-10 раз и практически используются редко.

Назад| Вперед