5.2.1. Аппаратура для геотермических исследований
5.2.2. Радиотепловые и инфракрасные съемки
5.2.3. Региональные геотермические исследования
5.2.4. Поисково-разведочные геотермические работы
5.2.5. Применение терморазведки для изучения геологической среды
5.2.1. Аппаратура для геотермических исследований
Для геотермических исследований используют разного рода тепловизоры, термометры, термоградиентометры и тепломеры.
Тепловизоры используются для дистанционных аэрокосмических — радиотепловых и инфракрасных съемок (РТС и ИКС). Они работают в тех участках спектра длин электромагнитных волн от микрометрового до миллиметрового диапазона, где имеются так называемые окна прозрачности для разной облачности. Фоточувствительными элементами (фотодетекторами) тепловизора служат особые кристаллы, чувствительные к электромагнитному излучению определенных длин электромагнитных волн. Для достижения высокой чувствительности (доли градуса) и безынерционности кристаллы должны находиться при очень низких температурах (меньших –203 °С). С этой целью их помещают в охлаждающее устройство на жидком азоте или гелии. Измеренные параметры преобразуются в электрические сигналы, которые усиливаются и трансформируются в такую форму, чтобы их можно было передать на экран телевизора или на фотопленку, как при обычных фототелевизионных съемках. Существуют также портативные переносные тепловизоры, в которых интенсивность ИКС определяется визуально по цифровым индикаторам. Тепловизоры-спектрометры содержат устройства для спектрального разделения принятых излучений на разных частотах. В тепловизорах для аэрокосмической съемки имеется сканирующее электронно-механическое устройство для развертки фотодетектора перпендикулярно к направлению полета носителя техники, чтобы осуществить развертку изображения по строкам и кадрам, т. е. провести обзорную площадную съемку. Обработка информации проводится с помощью ЭВМ.
Термометры служат для измерения температуры пород или воды в скважинах (шпурах) или донных осадках. Чувствительным элементом таких термометров являются термочувствительные датчики, в качестве которых используются терморезисторы, полупроводниковые резисторы-термисторы, термочувствительные пьезокристаллы, включаемые в измерительные мостовые схемы с источником тока. Изменение температуры окружающей среды приводит к разбалансу «мостовой схемы» и появлению в ней тока, пропорционального этому изменению. Сигналы, полученные со скважинного или донного термометра, после усиления можно передать по кабелю для автоматической регистрации. Существуют шпуровые, скважинные и донные термометры с разной инерционностью (измерения могут длиться до 25 мин), с погрешностью измерений температур до ±0,02 °С и с градуировочной точностью до ±0,01 °С. В термоградиентометрах и тепломерах имеются несколько термометров и специальные схемы для измерений ∆Т и q.
5.2.2. Радиотепловые и инфракрасные съемки
Методики радиотепловых (РТС) и инфракрасных (ИКС) аэрокосмических съемок практически такие же, как и при фототелевизионных съемках. Ценным их преимуществом является возможность вести съемки в темноте, а при соответствующем выборе длин волн — и практически при любой погоде. Например, в инфракрасном диапазоне выявлен ряд «окон прозрачности» в диапазоне волн: 0,95–1,05; 1,2–1,3; 1,5–1,8; 2,1–2,4; 3,3–4,2; 4,5–5,1; 8–13 мкм и др., на которых можно вести съемки в тех или иных погодных условиях.
Аномалии на полученных снимках формируются за счет тепловых потоков из недр, отражения солнечной энергии и зависят от оптических, тепловых и в меньшей степени электромагнитных свойств горных пород верхней части геологической среды. Радиотепловые и инфракрасные съемки осложняются термическими помехами, связанными с неравномерным тепловым обменом земной поверхности и атмосферой, изменяющимися климатическими и метеорологическими условиями, состоянием атмосферы и другими факторами.
Обработка и истолкование радиотепловых и инфракрасных снимков в общем такие же, как и при дешифрировании снимков видимого диапазона (аэрокосмоснимков). Аэрокосмические дистанционные радиотепловые и инфракрасные съемки дают информацию для исследования природных ресурсов Земли и, в частности, для изучения районов активного вулканизма и гидротермальной деятельности, геологического картирования и поисков некоторых полезных ископаемых, инженерно-геологических и гидрогеологических съемок, решения задач почвоведения и мелиорации, изучения снежного, ледяного покрова и динамики ландшафтов, охраны природной среды и др.
5.2.3. Региональные геотермические исследования
Сущность региональных геотермических исследований сводится к высокоточному (погрешность не более 0,02 °С) неоднократному измерению температур, их приращений, иногда тепловых потоков в разведочных скважинах, которые бурятся при разведке и эксплуатации нефти и газа, твердых полезных ископаемых, воды и для других целей, в горных выработках шахт и рудников, в донных осадках озер, морей и океанов. Чтобы исключить влияние сезонных колебаний температур, замеры на суше ведут на глубинах свыше 50–100 м, а на акваториях — при толще воды свыше 100 м. При бурении скважин нарушается температурное равновесие, которое зависит от времени и способа бурения, условий циркуляции промывочной жидкости или продуваемого воздуха во время бурения. В среднем время восстановления температуры до первоначальных значений превышает десятикратное время бурения скважины. Поэтому термические измерения проводят после установления температур, т. е. через несколько месяцев после бурения глубоких скважин, через несколько недель или дней после бурения неглубоких скважин или часов после пробивки шпуров. Таким образом, специально для региональной геотермии глубоких скважин не делают из-за их высокой стоимости, поэтому терморазведку можно считать методом «попутных поисков» в уже имеющихся скважинах, шахтах, рудниках. Для изучения температур и тепловых потоков поверхностных отложений дна океанов и морей можно использовать регулярно проводимые гидрографическими службами измерения температур придонных слоев воды. С этой целью созданы приемы пересчета температур воды в температуры подстилающих донных осадках. Поскольку в глубоких выработках, скважинах, на дне океанов температуры не меняются, то создаются банки данных температур, по которым строятся региональные термические карты больших территорий континентов и океанов, т. е. геотермическая информация ежегодно накапливается, расширяются обследованные территории, повышается точность за счет повторных измерений.
Графики и карты распределения температур и градиентов температур служат как самостоятельным источником геотермической информации, так и для расчетов тепловых потоков.
В результате многолетних региональных тепловых измерений в Земле накоплены сведения об особенностях ее теплового поля. Геотермическая ступень (ГС), равная числу метров погружения в недра, приводящего к повышению температуры на 1 °С, составляет в м: на кристаллических щитах около 100, на платформах — около 30, в складчатых областях — 10–20, в областях новейшего вулканизма — 5–20. Минимальные тепловые потоки (0,02–0,04 Вт/м2) наблюдаются на платформах и особенно на докембрийских щитах в глубоководных впадинах, максимальные — на срединно-океанических хребтах, в рифтовых зонах и участках современного вулканизма (0,2–0,4 Вт/м2). Тепловые потоки увеличиваются в направлении от древних к молодым областям складчатости, а в каждой из них наблюдается возрастание потоков от предгорных прогибов к участкам активного орогенеза. В тектонически активных областях наблюдается резкая дифференциация тепловых потоков, например, возрастание втрое от краевых прогибов к областям кайнозойской складчатости. Несмотря на существующее примерное равенство тепловых потоков в океанических и континентальных областях, а также в регионах разновозрастной складчатости, их различия обусловливают существование не только вертикальных, но и горизонтальных градиентов температур.
Региональные термические исследования служат для выявления термического режима и состояния недр Земли, что является важным источником информации для общей (глобальной) геофизики и теоретической геологии.
Например, блок-диаграмма распределения температур (в °С), приведенная на рис. 5.2, дает представление о сейсмотемпературной структуре и тектоническом строении Баренцево-Карского региона.
Одной из интересных практически важных проблем, решаемых региональной термометрией и терморазведкой, является изучение геотермических ресурсов, т. е. источников глубинной тепловой энергии недр Земли, используемых для выработки электроэнергии, теплофикации населенных пунктов, в курортологии, парниковых хозяйствах и т. п. Они связаны либо с высокотермальными подземными водами, либо с зонами перегретых пород по сравнению с окружающими массивами. Высокотемпературные гидротермальные ресурсы приурочены к тектоническим активным зонам земной коры: окраинам континентов (Курило-Камчатская, Японская, Новозеландская, Критская и др.), платформам, где проявляется орогенез (Байкальская, Африканская и другие рифтовые системы), срединно-океаническим хребтам (Исландия, Азоры, Гавайи и др.). В таких зонах, в скважинах глубиной в первые километры, температуры вод могут достигать 300 °С. Вода с помощью тепловых насосов подается на поверхность для выработки электроэнергии и нагрева. Низкотемпературные перегретые породы встречаются в районах с повышенными тепловыми потоками (свыше 0,1 Вт/м2) и геотермическими ступенями меньше 20 м на 1 °С. Если при этом породы трещиноваты, то в них можно закачивать поверхностные воды, нагревать их там и выкачивать, а разница температур вод является источником энергии. Такие зоны, как отмечалось выше, называются «тепловыми котлами». Геотермальные ресурсы являются экологически чистыми возобновляемыми источниками энергии и разрабатываются более чем в 60 странах мира. К сожалению, коэффициент полезного действия установок для использования подземного тепла для энергоснабжения ниже других источников. Кроме того, минеральные термальные воды агрессивно ведут себя по отношению к металлу трубопроводов и аппаратуры для теплоснабжения.
5.2.4. Поисково-разведочные геотермические работы
Терморазведка в комплексе с другими геофизическими методами может применяться в ходе поисков и разведки нефтяных, газовых, рудных, нерудных, угольных месторождений и их эксплуатации. Чаще всего измерения температур пород проводятся в скважинах наземного и подземного бурения и донных осадках океанов, морей в установившемся (за часы, сутки, месяцы в зависимости от глубины скважин) тепловом поле. Кроме того, температуры можно измерять в шпурах, пробуриваемых на земной поверхности глубиной 0,5–2 м, где через минуты или первые часы существует неустановившееся тепловое поле. По замеренным естественным температурам на разных глубинах строят графики их изменения с глубиной. Из наблюденных температур желательно исключить вариации фонового теплового поля. По разноглубинным замерам температур можно получить градиенты, а зная тепловые свойства пород — и тепловые потоки. При достаточной густоте точек площадных наблюдений строят карты изотерм (постоянных температур) для одинаковых глубин, карты средних геотермических градиентов и тепловых потоков.
Интерпретация геотермических графиков и карт обычно качественная и сводится к выделению локальных аномалий термического поля и сопоставлению их с аномалиями других геофизических методов, а также с геологическими данными. При количественной интерпретации используются данные математического моделирования. Термические методы целесообразно включать в разведку месторождений нефти, газа, рудных и нерудных ископаемых, например, кимберлитов, в которых бывают алмазы.
Природа термических аномалий на месторождениях нефти и газа связана с миграцией углеводородов (УВ) к земной поверхности, особенно по субвертикальным зонам трещиноватости, окружающим нефтегазовые ловушки (антиклинальные, структурно-тектонические и др.). Кроме того, в осадочных породах могут происходить экзотермические реакции окисления УВ при их взаимодействии с сульфатными подземными водами в присутствии кислорода. В зоне аэрации окисление УВ, мигрирующих из залежи, осуществляется микроорганизмами. Величина температурной аномалии в своде продуктивных структур достигает 10–15 °С, уменьшаясь с приближением к земной поверхности до первых градусов. Над нефтегазовыми залежами иногда фиксируются кольцевые аномалии теплового потока. Они объясняются влиянием тектонической трещиноватости, а поэтому и естественной конвекции. Тепловые аномалии выше на газовых месторождениях по сравнению с нефтяными.
Интересные результаты по термозондированиям донных осадков до глубин 2 м с учетом материалов площадных гидрографических съемок придонных слоев воды, а также измерений теплового поля в скважинах получены В. Г. Левашкевичем при разведке нефтегазовых месторождений в Баренцевом море. Здесь практически все разведанные сейсморазведкой и бурением нефтегазовые структуры выделяются геотермическими аномалиями по измерениям в скважинах.
Природа термических аномалий на рудных полиметаллических месторождениях обусловлена большей теплопроводностью руд по сравнению с вмещающими породами. Такие месторождения можно изучать скважинными и шпуровыми термическими измерениями. При этом более резкие аномалии по сравнению с фоновым полем наблюдаются на картах теплового потока по сравнению с картами температур.
Природа кольцевых отрицательных аномалий температур и тепловых потоков над неметаллическими полезными ископаемыми типа кимберлитовых трубок, из которых до 10 % алмазоносны, видимо, связана с инфильтрацией к кровле трубок поверхностных вод по системам пор и трещин, а также физико-химическими процессами в теле трубок. В комплексе с магниторазведкой шпуровая и скважинная терморазведка служит для выявления контуров выходов кимберлитовых трубок под покровные образования.
На рисунке 5.3 приведен пример разведки кимберлитовой трубки «Цупер» в Архангельской кимберлитовой провинции. Эта трубка оконтуривается повышенными аномалиями геомагнитного поля. Более точное ее положение дает терморазведка в скважинах по минимумам температуры над ней и повышенным кольцевым геотермическим аномалиям над контактами ее с окружающими породами.
Рис. 5.3. Карты аномалий (в нТл) геомагнитного поля (1),
контуры выхода под наносы трубки взрыва «Цупер»
по данным мелких (до 2,5 м) скважин (2)
и терморазведки в мелких и глубоких (50–140 м) скважинах (3),
мелкие и глубокие скважины (4 и 5) (по В. Г. Левашкевичу)
5.2.5. Применение терморазведки для изучения геологической среды
Термические исследования геологической среды могут использоваться при выделении локальных аномалий инженерно-геологической, гидрогеологической, мерзлотно-гляциологической и геоэкологической природы. Измерения температур проводятся в шпурах глубиной свыше 1 м и в скважинах глубиной до 10–30 м. В различных природных условиях получаемые геотермические профили и карты служат для оконтуривания многолетнемерзлых и талых горных пород с разными тепловыми свойствами; изучения динамики подземных вод (приток глубинных вод создает положительные аномалии температур, поверхностных — отрицательные); прогноза приближения забоя выработок к обводненным зонам и решения других задач.
Особый интерес представляет определение скорости фильтрации подземных вод. Как отмечалось выше, тепловой поток в условиях заметной конвекции тепла за счет подземных вод зависит от геотермического градиента, коэффициента температуропроводности и скорости фильтрации подземных вод. Приведенные формулы (5.1) и (5.3) положены в основу практического использования терморазведки для определения скорости (vz), а затем и коэффициента фильтрации подземных вод.
Для выявления мест фильтрации вод из водохранилищ, каналов, рек и стволов скважин, а также интервалов, где утечки отсутствуют, можно использовать измерения естественных и искусственных тепловых полей. Участки сосредоточенной фильтрации в берега акваторий выделяют по температурным аномалиям, знак которых зависит от температуры вод. Более четкие результаты получают при искусственном электрическом подогреве воды, например, в скважине. По скорости восстановления температур можно не только качественно выявить места утечек, но и оценить скорости фильтрации.
В геоэкологических исследованиях шпуровую терморазведку можно использовать для изучения теплового загрязнения, выявления отходов промышленных и сельскохозяйственных предприятий в горных породах и поверхностных водах рек, озер, водохранилищ.