***
Методы фундаментальной и прикладной геофизики
Геофизика — это наука, занимающаяся общими (фундаментальными) исследованиями Земли, ее внешних и внутренних оболочек, а также прикладными (научно-ориентировочными) работами в ряде отраслей знаний путем изучения естественных физических полей космоса и Земли, искусственных физических полей.
К внешним оболочкам Земли относятся: атмосфера, включая тропосферу, стратосферу и мезосферу, которые простираются соответственно до высот около 20, 50 и 100 км, и ближний космос с ионосферой и термосферой, достигающих высот соответственно более 300 и 5000 км. Внутренними оболочками Земли являются: геолого-геофизическая среда (от земной поверхности до глубин порядка 1 км), осадочный чехол (до 15 км), кристаллический фундамент (до 10–30 км), земная кора, объединяющая все верхние оболочки Земли (до 10 км в океанах, до 70 км в горах), акватории поверхностных вод суши (океаны, моря, озера, реки) глубиной до 15 км, подземная гидросфера и литосфера, точнее, гидролитосфера (примерно до 50–100 км), астеносфера (свыше 400 км), мантия (до 2900 км) и ядро (до центра Земли).
К естественным физическим полям Земли относятся: поле силы тяжести (гравитационное), геомагнитное, электромагнитные поля космической и атмосферной природы, электрические поля электрохимического происхождения, упругие поля землетрясений, тепловое (геотермическое) поле, поля внутренних недр, ядерных излучений. Искусственными неуправляемыми считаются техногенные физические поля промышленных помех (электромагнитные, упругие, тепловые, ядерных излучений).
Искусственными управляемыми являются физические поля, специально созданные для геофизических исследований (электромагнитные, упругие, тепловые, ядерные). Геофизические методы могут использоваться для решения большого числа задач: космических (расчленения и изучения физических свойств всех оболочек Земли и других планет и изучения их физических свойств), геологических (структурно-тектонического картирования, поисков и разведки различных полезных ископаемых, гидрогеологических, инженерно-геологических, горно-технических, мерзлотных, геоэкологических), географических (ландшафтоведческих, метеорологических, океанологических, морских, озерных, речных, гляциологических), биолого-почвенных, археологических, экологических, медицинских. Перечисленные науки имеют свои прямые методы исследования. Геофизика часто позволяет решать некоторые характерные для этих наук задачи косвенными физическими методами.
В соответствии с названными физическими полями общая и прикладная геофизика подразделяются на: гравиметрию и гравиразведку, магнитометрию и магниторазведку, электрометрию (глубинную геоэлектрику) и электроразведку, сейсмологию, сейсмометрию и сейсморазведку, термометрию (геотермию) и терморазведку, ядерную геофизику и ядерно-физические исследования. Слово «метрия» в названиях геофизических методов раньше относилось к собственно инструментальным разделам этих методов. В настоящее время техника настолько тесно связана с технологией проведения работ, компьютерными способами регистрации, обработки и интерпретации материалов, основанными на выводах математической геофизики, что геофизические измерения переходят в исследования. Поэтому в название методов, предназначенных для решения общих фундаментальных физико-математических, технических и физико-геологических задач, будет входить слово «метрия». Словом «разведка» выделяются научно-прикладные методы геофизики, применяемые для решения многих задач наук о Земле и природе.
Геофизика, находясь на стыке основных естественных и точных наук (астрономии, физики, математики, геологии, географии, химии, биологии), имеет общие с этими науками объекты исследований — Землю и ее оболочки. Однако предметы исследований у них разные. Например, у геологических методов предметом исследования являются минералы, породы, толщи, структуры, полезные ископаемые, а у геофизических — параметры различных физических полей, которые или создаются этими геологическими объектами, или искажаются вследствие того, что объекты отличаются по геометрическим параметрам и физическим свойствам от вмещающих пород. Дополняя прямые подходы названных наук косвенными, геофизика повышает тем самым их информативность, наукоемкость, привнося в некоторые из них математический аппарат и физический эксперимент.
Фундаментальная, общая, глобальная, планетарная геофизика подразделяется на физику Земли, а также геофизику планет, космоса, атмосферы, поверхностной и подземной гидросферы, литосферы. Непрерывно возрастающая роль антропогенно-техногенной деятельности, по последствиям сравниваемой с природными факторами, позволяет выделить из общей геофизики еще одну, новую фундаментальную науку — геофизику биотехносферы (ее можно назвать геофизической экологией, или биогеофизикой). Она предназначена для изучения влияния природных и техногенных физических полей на биосферу (среду обитания биоты и человека). Объектом исследования биогеофизики являются части атмосферы, суши, поверхностной и глубинной гидросферы, верхние горизонты литосферы. Предметом исследований служат естественные и искусственные физические поля, их вариации во времени. Цель исследований общей геофизики — изучение изменений физических свойств оболочек Земли в плане и по глубине с помощью методов глубинной геофизики с привлечением для истолкования результатов данных астрофизики, геологии (в том числе глубинного бурения), геохимии и физики вещества при высоких давлениях и температурах.
Земля и все ее сферы являются открытыми, активно живущими, динамическими, нелинейными системами, тесно связанными между собой. Они окружены космическим пространством (физическим вакуумом), насыщенным различными неоднородными в пространстве и во времени энергоинформационными полями импульсно-ритмичной формы. Далеко не все из них известны классической науке. Эволюция Вселенной, Галактики, Солнца, Земли, биосферы сопровождается цикличным обменом вещества (от корпускулярного излучения космоса до извержения вулканов), энергии (от полей в атомах и молекулах до гравитационных полей сверхзвезд), обменом информации между биосферой и космосом (например, через многочисленные ритмы Вселенной).
Прикладная геофизика, связанная с изучением земной коры и верхней части гидролитосферы, называется геофизическими методами исследования земной коры, или региональной, разведочной и скважинной геофизикой. Объектом исследования прикладной геофизики является земная кора, а предметом исследований служат параметры разных физических полей в ней и их динамика. Целью ее исследований является изучение строения земной коры и кровли подстилающей ее мантии, кристаллического фундамента, осадочного чехла мощностью от 0 до 15 км, геолого-геофизической среды мощностью в сотни метров, верхней части разреза (ВЧР) мощностью в десятки метров.
Основными задачами, которые решает прикладная геофизика, являются: выяснение состава, структуры и состояния горных пород, слагающих земную кору; поиски и разведка полезных ископаемых; изучение геологической среды для промышленного, сельскохозяйственного, гражданского, военного освоения и сохранения ее экологических функций — источника жизни на Земле. Эти задачи решаются методами глубинной (километры), малоглубинной (сотни метров) геофизики, методами «близкого действия» (первые метры и доли метра), а также другими геологическими методами (изучение образцов горных пород из обнажений, скважин и др.). Последние являются прямыми, непосредственными, основанными на определении минерального, петрографического и геохимического состава горных пород, их флюидонасыщенности. Геофизические же методы, являясь косвенными, служат для выявления аномалии физических полей, обусловленных физическими и геометрическими неоднородностями горных пород, обеспечивая высокую плотность, объемный, часто интегральный характер получаемой объективной информации. Производительность экспериментальных (наземных и особенно морских и аэрокосмических) геофизических работ значительно выше, а стоимость меньше по сравнению с разведкой с помощью 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 основных прикладных направлений геофизических исследований земной коры прикладную геофизику можно классифицировать следующим образом: глубинная; региональная; собственно разведочная, подразделяемая на нефтегазовую, рудную, нерудную, угольную; инженерная, включающая инженерно-геологическую, горную (шахтно-рудничную), гидрогеологическую, почвенно-мелиоративную, мерзлотно-гляциологическую, техногенную (горнотехническую); археологическая; экологическая и медицинская геофизики. Формирование двух последних разделов идет за счет экологических аспектов всех направлений геофизики.
Характеристика физических полей Земли и физических свойств горных пород
Каждое физическое поле численно характеризуется своими наблюденными (наблюдаемыми, измеряемыми или регистрируемыми) физическими параметрами поля (Пн). Их получают в результате геофизических работ с помощью сложной, как правило, компьютеризированной аппаратуры. Параметрами основных геофизических полей являются: гравитационный — ускорение свободного падения, называемое сокращенно силой тяжести (g), а также его градиенты по осям координат (gx, gy, gz); геомагнитный — полный вектор напряженности T и различные его элементы (вертикальная (Z), горизонтальная (H) составляющие и др.); электромагнитный — векторы магнитной (H) и электрической (E) составляющих; упругий — амплитуда (A), время (t) и скорость (v) распространения волн различного типа; термический — температура (T °С), тепловой поток (q); ядерно-физический — интенсивности естественного (Jγ) и искусственно вызванных (Jγγ, Jnn) гамма- и нейтронных излучений (в обозначениях последних первая буква подстрочного индекса указывает на то, чем облучается горная порода, а вторая — на то, что измеряется, где γ — гамма-, n — нейтронные излучения). Отмеченные параметры называются абсолютными. Однако в геофизике чаще измеряются относительные значения (∆g, ∆Т, ∆Е и др.), т. е. определяются приращения этих физических параметров во всех пунктах измерения по отношению к одному опорному (исходному) пункту. Такие параметры измеряются, как правило, точнее и быстрее.
Принципиальная возможность проведения геологической разведки на основе изучения различных физических полей Земли определяется тем, что распределение параметров полей в воздушной оболочке, на земной поверхности, на акваториях, в горных выработках или скважинах зависит не только от особенностей происхождения естественных полей или способа создания искусственных, но и от распределения в теле Земли неоднородностей их геометрии и физических свойств. Под геометрией понимается местоположение, форма, размеры, глубина залегания геологических структур, геологических слоев разной литологии, рудных и нерудных залежей полезных ископаемых и других разведываемых объектов.
Физические свойства горных пород
Под физическим свойством горных пород понимается такой физический параметр, который, с одной стороны, зависит от их вещественного состава, условий залегания, пористости и флюидонасыщенности и других геологических факторов, а с другой стороны, сам влияет на параметры какого-нибудь физического поля. Так, гравитационное поле зависит от изменения плотности пород (σ); магнитное поле — от магнитной восприимчивости (χ) и остаточной намагниченности (Jr); электрическое и электромагнитное поля — от удельного электрического сопротивления пород (ρ), диэлектрической (ε) и магнитной (µ) проницаемостей, естественной поляризуемости или электрохимической активности (α), вызванной поляризуемости (η); упругое поле — от скорости распространения (v) и затухания (β) различных типов волн, а последние, в свою очередь, — от плотности, упругих констант (модуль Юнга (Е), коэффициент Пуассона (γ) и др.); термическое поле — от тепловых свойств: теплопроводности (λт), теплоемкости (с), температуропроводности (а) и др.; ядерные — от естественной и наведенной радиоактивности, гамма-лучевых и нейтронных свойств. Физические свойства горных пород и руд 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 геологических факторов (литологии, химического состава, текстуры, физико-механических и водных свойств) одна и та же порода может характеризоваться разными физическими свойствами, и наоборот, разные породы могут иметь одинаковые свойства.
Геометрией неоднородностей, называемых аномалосоздающими объектами или источниками аномалий (возмущений) поля, и различием их физических свойств определяются аномалии физических полей. Количественно за амплитуду аномалии принимаются различия между измеренным параметром поля (Пн) и нормальным (Пнорм), т. е. Па = Пн – Пнорм или П′а = Пн/Пнорм. За нормальное поле принимается значение измеряемого параметра над однородной вмещающей средой (или полупространством).
Особенности технологии геофизических работ
Эффективность геофизических работ определяется, прежде всего, технологией: чувствительностью метода; качеством техники, ее помехозащищенностью; методикой геофизических работ, т. е. способом проведения работ, куда входит выбор системы наблюдений, расстояний между пунктами наблюдений (шаг съемки при профильных) и между профилями (при площадных наблюдениях) и масштаба съемки. Густота сети характеризуется шагом, т. е. расстоянием между точками наблюденных полей, а определяется решаемыми задачами, масштабами проектируемых работ. Рекомендуется выбирать шаг равным примерно 1 см в масштабе выдаваемых карт и меньшим ожидаемой ширины и глубины залегания разведываемых объектов. Профили ориентируются вкрест, т. е. перпендикулярно предполагаемому простиранию изучаемых объектов, а расстояния между ними должны быть в несколько раз меньше их ожидаемых длин и глубин залегания.
В результате геофизических работ получаются: графики аномалий (по горизонтали откладываются точки записи, т. е. пункты измерений или пикеты (ПК), а по вертикали — Па, иногда Пн); карты графиков (на карте в заданном масштабе наносятся линии профилей, перпендикулярно линиям профилей откладываются Па и строятся графики); карты аномалий (на карте проставляются ПК, рядом записываются Па и вычерчиваются изолинии равных значений Па); временные разрезы (по горизонтали откладываются ПК, а по вертикали вниз — времена прихода (t) сигналов от объектов, расположенных на разных глубинах), диаграммы параметров в скважине (по горизонтали Пн, а вниз по вертикали — глубины).
Обработка и интерпретация геофизических данных
Выявление аномальных параметров физических полей — актуальная физико-математическая проблема. Аномалии приходится выявлять среди разнообразных помех геологического, природного, техногенного происхождения (неоднородности верхней части геологической среды, неровности рельефа, наличие космических, атмосферных, погодных, промышленных и других помех). В результате наблюдается интерференция полезных сигналов и помех разной природы. При этом существует как простое наложение (суперпозиция) полей, так и сложные, нелинейные их взаимодействия. Для выявления аномалий требуются помехозащищенная аппаратура и компьютерные способы обработки геофизических данных (ОГД).
Обработка и интерпретация геофизических данных проводится на так называемом камеральном этапе геофизических работ. Она начинается с преобразования аномальных параметров поля (Па) в параметры, непосредственно связанные с аномалосоздающими объектами (По). К параметрам объектов относятся их геометрические (структурные) характеристики (ГФХ) и физические (геофизические) свойства (ФС), т. е. По (ГФХ, ФС).
Определение геометрических характеристик и физических свойств объектов (По) по аномальным параметрам физических полей (Па) называется решением обратной задачи (ОЗ) геофизики (Па → По). Определение аномальных параметров физических полей по известным геометрическим характеристикам и физическим свойствам объектов составляет суть прямой задачи (ПЗ) геофизики (По → Па). Прямые и обратные задачи в каждом геофизическом методе решаются с помощью известных в теории поля интегральных и дифференциальных уравнений. Такое решение называется математическим моделированием. При этом реальные аномалосоздающие объекты аппроксимируются физико-геологическими моделями (ФГМ), т. е. набором тел сравнительно простой геометрической формы с заданными размерами и физическими свойствами или контрастностями свойств, для которых можно вести математический расчет аномальных параметров поля. В прямых задачах геофизики для простых ФГМ (одномерные среды, когда физические свойства меняются в одном направлении, например, горизонтально-слоистая среда; некоторые двумерные или трехмерные, например, длинный цилиндр или шар в однородной среде) имеются аналитические связи между Па и По. Для более сложных ФГМ, близких к реальным, определение Па по По производится приближенными численными методами с помощью компьютеров или ЭВМ.
Решение обратных задач чаще всего проводится методом сравнения. Сущность его заключается в том, что экспериментальные кривые, графики или карты аномальных параметров последовательно сравниваются с соответствующими графическими материалами, рассчитанными в ходе решения прямой задачи на компьютерах для априорных (до опыта) ФГМ, или, как говорят, в рамках определенных моделей. Они выбираются в ходе качественной (визуальной) интерпретации, когда на графически представленных результатах выявляются аномалии, которые коррелируются и сопоставляются со всей имеющейся геолого-геофизической информацией. Меняя параметры модели (физические свойства и геометрические характеристики) и проводя расчеты прямых задач в автоматическом или диалоговом режиме работы на компьютере, добиваются наилучшего совпадения экспериментальных и теоретических данных. Параметры совпадающей теоретической модели (ФС и ГФХ), называемой апостериорной (после опыта) ФГМ, считаются наиболее вероятными для аппроксимации разведываемого объекта (По).
Математическое решение прямых задач, т. е. определение параметров физического поля по известным физическим свойствам, размерам и форме геологических объектов, хотя и сложно, но однозначно. Математическое решение обратных задач геофизики, т. е. определение размеров геологических объектов и физических свойств слагающих их пород по наблюденному полю, не только значительно сложнее, но и, как правило, неоднозначно. Это объясняется некорректностью решения обратных задач математической физики, когда малым изменениям Па могут соответствовать большие изменения По.
Решение обратных задач (ОЗ) и обработка геофизических данных (ОГД) составляют самый ответственный цикл геофизических исследований — количественную, физико-математическую интерпретацию, или истолкование результатов, т. е. восстановление физико-геометрических параметров объектов (По) по создаваемым ими аномалиям (Па). Интерпретация геофизических данных проводится в рамках тех или иных ФГМ и дает некоторое эквивалентное решение, которое в неблагоприятных геолого-геофизических условиях, например, для объектов малых размеров, расположенных на большой глубине, может резко отличаться от истинного. Для повышения точности геофизической интерпретации необходимо иметь дополнительную информацию: результаты нескольких геофизических методов, опорные скважины, данные геофизических исследований в них и др., т. е. геолого-геофизические исследования должны быть комплексными.
Заключительным этапом геофизического процесса и конечной целью исследований является геологическая интерпретация (ГИ). Она сводится к переводу геометрических параметров (характеристик) аномалосоздающих геофизических объектов и физических свойств По (ФС, ГФХ) к геометрическим характеристикам и геологическим свойствам разведочных геологических объектов Пг (ГС, ГГХ). Если перевод геометрических характеристик, полученных в результате геофизических исследований, в геологические понятен, хотя и производится с разными погрешностями, то обращение физических свойств выявленных объектов в геологические — проблема очень сложная. Ее решение проводится в рамках петрофизики, т. е. научной дисциплины, находящейся на стыке петрологии и физики горных пород, предназначенной устанавливать теоретические, эвристические, или статистические связи между ФС и ГС. Трудности здесь состоят прежде всего в том, что если ФС выражается количественно (хотя и с погрешностями), то ГС далеко не всегда можно формализовать в виде чисел.
Основными геологическими свойствами являются: литология, структурно-текстурное строение, флюидонасыщенность. Они характеризуют соответственно минеральный и петрографический состав твердой фазы среды, особенности залегания слоев в массиве, относительный объем, характер строения пустот, пор, трещин и прочность пород, а также содержание в них воздуха (газа), нефти, воды. Некоторые из них можно выразить численно. Например, литология (Л) пластичных и рыхлых осадочных пород численно может быть заменена арифметическим рядом чисел: от Л = 1, 2, 3 для тяжелых, средних, легких глин, далее таких же суглинков (4, 5, 6), супесей (7, 8, 9), мелко-, средне-, крупнозернистых песков (10, 11, 12), а также галечников (13) и валунов (14). В этом ряду Л пропорциональна среднему диаметру твердых частиц (dср), который является основным диагностическим признаком пластичных и рыхлых осадочных пород. Пустотность породы может быть выражена через пористость и трещиноватость, т. е. отношения объемов пор и трещин к объемам пород (n = Vп/V). К структурно-текстурным особенностям пород относятся деформационно-прочностные свойства: модуль деформации (Едеф), предел прочности на сжатие (σсж) и др., которые также определяются численно. Флюидонасыщенность можно охарактеризовать через коэффициенты газо-, нефте-, водонасыщенности (Кг, Кн, Кв) как отношения объемов этих фаз к объему всей породы.
Физико-геологические связи многофакторны, поэтому их лучше всего устанавливать с помощью многомерной корреляции. С этой целью для любого геологического свойства изучаемого района надо получить уравнение многомерной связи, называемое уравнением регрессии, с рядом геофизических свойств. Например, коэффициент нефтенасыщенности можно определить по формуле: Кн = avр + bρ + cη, где a, b, c — коэффициенты, которые рассчитываются в результате эталонирования на участках с известными Кн, а также скоростями продольных волн (vp), удельными электрическими сопротивлениями (ρ) и поляризуемостями (η) нефтеносных пород изучаемого района. По одному геофизическому свойству можно попытаться определить ряд геологических с помощью одномерных уравнений линейной связи. Однако надежность таких расчетов невысока.
Информационная модель в геофизике
Из сказанного выше ясно, что геофизические исследования представляют собой последовательность следующих операций:
полевые (или иные) работы → обработка геофизических данных →
решение обратной задачи → геологическая интерпретация,
позволяющую получить цепочку соответствующих геолого-геофизических параметров:
наблюденных → аномальных → геофизических → геологических.
Такая последовательность геофизических исследований с получением информативных параметров разной природы называется информационной моделью геофизики.
Каждая из этих четырех операций геофизического процесса характеризуется своей погрешностью, определяющейся рядом факторов. Общая погрешность геофизических исследований зависит от погрешностей наблюдений (Δн), процедур обработки (Δогд), решения обратной задачи (Δоз) и геологической интерпретации (Δги). Погрешности наблюдений и обработки наиболее управляемы, взаимопогашаемы. Погрешности Δоз могут быть большими, даже если свести к минимуму погрешности наблюдений и обработки, так как в этом случае перед геофизиками стоит труднопреодолимая некорректность решения обратной задачи. Большие ошибки в Δги будут, если геологическое свойство определяется только по одному геофизическому параметру.
Поэтому комплексирование методов и повышение точности решения ОЗ за счет использования более точных ФГМ, все более мощных компьютеров, применения методов регуляризации некорректных задач (уменьшение неоднозначности) и других приемов являются условием повышения точности геофизических исследований. Вместе с тем лишь при максимально полном использовании всей геологической информации, когда геологическое истолкование проводится геофизиками и геологами совместно, можно ожидать наибольшего эффекта в изучении недр Земли.
Классификации геофизических методов исследования земной коры и их комплексирование
Классификации геофизических методов
Количество методов и модификаций геофизики приближается к сотне. Поэтому существуют разные подходы к их классификации и объединению в группы (табл. I).
1. Как отмечалось выше, по используемым полям прикладные методы геофизики делятся на грави-, магнито-, электро-, сейсмо-, терморазведки, ядерную геофизику.
2. По прикладным, целевым направлениям и решаемым задачам они подразделяются на глубинную, региональную, разведочную, инженерную и экологическую геофизику.
3. По видам деятельности различают теоретическую, инструментальную, экспериментальную, вычислительную, интерпретационную геофизику.
4. По месту, пространственному уровню проведения работ геофизические методы исследования подразделяются на следующие технологические комплексы: аэрокосмические (дистанционные), полевые (наземные), акваториальные (океанические, морские, речные), подземные (шахтно-рудничные) и геофизические исследования скважин (ГИС) и работы в них (ГИРС), которые назывались промысловой геофизикой, или каротажем. Иногда дистанционные методы изучения поверхности Земли с помощью самолетов, вертолетов, искусственных беспилотных спутников, пилотируемых космических кораблей не считают геофизическими, поскольку при этих работах преобладают съемки в видимом диапазоне спектра электромагнитных волн (фото- и телевизионная съемки). Однако кроме таких визуальных наблюдений все чаще используют дистанционные методы с использованием невидимого диапазона электромагнитных волн: ультрафиолетовые, инфракрасные, радиолокационные (радарные и радиотепловые), радиоволновые, ядерные, магнитные и др., которые являются сугубо геофизическими.
Особое место в геофизике занимают геофизические исследования скважин (ГИС) или работы в них (ГИРС), отличающиеся от прочих геофизических методов специальной аппаратурой, технологией проведения наблюдений и имеющие большое прикладное значение при документации разрезов скважин и их эксплуатации, особенно при добыче нефти и газа и в целях повышения отдачи скважин.
Таблица I. Классификация методов прикладной и скважинной геофизики
|
Геофизические |
Гравитационные |
Магнитные |
Электромагнитные |
Сейсмические |
Термические |
Ядерно- |
|
Аэрокосмические |
Спутниковая альтиметрия, аэрогравиразведка (гравиметрическая и градиентометрическая) |
Аэромагниторазведка, магнитные съемки со спутников |
Аэроэлектроразведка с использованием низкочастотных полей естественных или искусственных источников |
— |
Инфракрасные и радиотепловые съемки |
Аэрогаммаспектрометрические съемки |
|
Полевые |
Гравиметровые и градиентометрические съемки |
Магнитные |
Магнитотеллурические, низкочастотные и высокочастотные зондирования и профилирования, методы естественного поля, сопротивлений, вызванной поляризации |
Изучение упругих полей землетрясений и искусственных источников с регистрацией отраженных, преломленных, рефрагированных и других волн (продольных и поперечных) |
Измерение температур и тепловых потоков в шпурах, скважинах, горных выработках |
Пешеходные, автомобильные гамма-спектрометрические съемки. Эманационная съемка |
|
Акваториальные (океанические, морские, озерные, речные) |
Морские гравиметровые съемки |
Гидромагнитные съемки |
Морские электромагнитные зондирования и профилирования |
Непрерывное сейсмическое профилирование. Сейсморазведка методами отраженных и других волн |
Измерения температур и тепловых потоков в донных осадках |
Донные |
|
Горные |
Подземная гравиразведка |
Подземная |
Электромагнитной эмиссии, индукционные и радиоволновые просвечивания |
Акустической (шумовой эмиссии), сейсмоакустические просвечивания |
Измерения температур и инфракрасного излучения |
Гамма-съемки в выработках. Мюонный метод |
|
Геофизические исследования скважин (ГИС) и работы в них (ГИРС), или каротаж |
Гравитационный каротаж |
Каротаж магнитной восприимчивости или напряженности магнитного поля |
Каротаж методами: естественного поля, сопротивлений, вызванной поляризации, индукционными, высокочастотными и др. |
Сейсмоакустический каротаж по скорости и затуханию упругих волн |
Термический |
Гамма-, гамма-гамма- и нейтронные методы |
Комплексирование геофизических методов
Важнейшим методологическим принципом, под которым понимается теория рациональной деятельности для геофизической разведки, является комплексирование. Оно бывает межметодным геофизическим (применение хотя бы двух-трех методов геофизики); разноуровневым (использование хотя бы двух технологий съемок, различающихся по уровню проведения работ); междисциплинарным (включение различной геологической, географической, экологической и другой информации). Геофизические методы исследования, несмотря на то что они базируются на всех этих науках, по сути остаются геологическими. О большой роли геофизики говорит, например, такой факт: треть ассигнований и четверть специалистов в геолого-разведочных организациях связаны с геофизикой. Иногда комплексирование называют настройкой геофизических методов на решение определенных задач в заданных природных и техногенных условиях.
Комплексные геофизические исследования характеризуются стадийностью (переходом от простых методов к более трудоемким, от мелких масштабов к крупным) и выбором типовых или рациональных экономически обоснованных комплексов решения конкретных задач. Теория комплексной интерпретации разрабатывается на базе компьютерных технологий в рамках вычислительной геофизики и геофизической информатики. Цель комплексной интерпретации сводится к достижению однозначности геологических выводов путем выбора, анализа, оптимизации ФГМ.
Возрастание роли геофизики в связи с увеличением глубин и сложности разведки месторождений ведет не к замене геологических методов геофизическими, а к рациональному их сочетанию, широкому использованию всеми геологами данных геофизики. Единство и взаимодействие геологической и геофизической информации — руководящий методологический принцип комплексирования наук о Земле. Объясняется это тем, что возможности каждого частного метода геологоразведки (геологическая съемка, бурение, проходка выработок, геофизика, геохимическая разведка и др.) ограничены. В любом случае геофизика облегчает разведку глубокозалегающих полезных ископаемых, особенно в труднодоступных районах, а также изучение геологической среды с инженерными и экологическими целями. Сближение и совместное использование геологической, геофизической и геохимической информации — единственно разумный и экономически целесообразный путь изучения недр.
Из истории развития геофизики
Геофизические методы исследования недр начали развиваться с 20-х гг. ХХ в. Однако физико-математические основы геофизики были заложены значительно раньше. Так же давно началось использование физических полей Земли для практических целей. Ранее других методов возникла магниторазведка. Первые сведения о применении компаса для разведки магнитных руд в Швеции относятся к 1640 г. Теория гравитационного поля Земли берет свое начало с 1687 г., когда Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения. В 1753 г. М. В. Ломоносов высказал мысль о связи значений силы тяжести на земной поверхности с внутренним строением Земли и разработал идею газового гравиметра. Его же работы в области сейсмологии, атмосферного электричества можно считать первыми, относящимися к геофизическим исследованиям Земли. Первыми работами по электроразведке являются проведенные в 1830 г. наблюдения Р. Фокса (Англия) за естественной электрической поляризацией сульфидных залежей. В 70–90-е гг. ХIХ в. профессора Московского университета Б. Я. Швейцер и Ф. А. Слудский выявили путем экспериментальных маятниковых наблюдений и теоретических расчетов Московскую гравитационную аномалию. Наличие ее и оцененная глубина залегания возмущающих масс (около 2 км) подтверждены современными гравиметрическими съемками и бурением.
В 1913 г. К. Шлюмберже (Франция) разработал метод электроразведки постоянным током, а в 1918 г. К. Зунберг и Н. Лунберг (Швеция) предложили электроразведку переменным током.
Со времени установления Кулоном закона взаимодействия магнитных масс (1785) начинает развиваться теория земного магнетизма. Первыми систематическими разведочными работами в России и в мире были съемки Курской магнитной аномалии (КМА), начатые профессором МГУ Э. Е. Лейстом в 1894 г., а также магнитные съемки, проведенные на Урале Д. И. Менделеевым и в районе Кривого Рога И. Т. Пассальским в конце позапрошлого века. В 1919 г. будущим профессором МГУ и основателем кафедры геофизики МГУ (1944) А. И. Заборовским были начаты магнитные съемки на КМА. Именно эти работы можно считать началом развития отечественной разведочной геофизики. Теоретические работы начала прошлого века Э. Вихерта (Германия) и Б. Б. Голицина (Россия) в области сейсмологии имели самое непосредственное отношение к созданию сейсморазведки.
Среди советских ученых, заложивших основы геофизических методов исследования мирового значения, можно отметить Л. М. Альпина, В. И. Баранова, В. И. Баумана, В. Р. Бурсиана, В. Н. Дахнова, Г. А. Гамбурцева, А. И. Заборовского, А. Н. Краева, П. П. Лазарева, А. А. Логачева, А. А. Михайлова, Л. Я. Нестерова, П. П. Никифорова, А. А. Петровского, М. К. Полшкова, Е. Ф. Саваренского, А. С. Семенова, Л. В. Сорокина, Ю. В. Ризниченко, А. М. Епинатьеву, Л. А. Рябинкина, А. Г. Тархова, В. В. Федынского, О. Ю. Шмидта, Б. М. Яновского.
К началу ХХI в. по уровню теории и решаемым проблемам отечественная геофизика занимала передовые позиции в мире.