8.2.1. Определение физико-геологической модели
Для обоснованного проектирования геофизических работ и выбора комплекса методов вводится понятие «физико-геологическая модель» (ФГМ) объекта исследований. В упрощенном виде под ФГМ понимают абстрактные тела простой геометрической формы (шар, горизонтальный цилиндр, столб, пласт и др.) с заданными соотношениями физических свойств тел и окружающей среды, для которых в аналитическом виде или численно с помощью компьютеров можно решать прямые задачи, т. е. рассчитывать аномалии, и обратные задачи, т. е. проводить интерпретацию аномалий в рамках выбранной модели. ФГМ — это сочетание геологической, петрофизической моделей и модели физических полей. Геологическая модель — система элементов геологического строения, обобщенно описывающая состав, структуру, форму (геометрию) изучаемого объекта и вмещающей среды. Петрофизическая модель — модель, характеризующая распределение физических и геологических свойств в плане, разрезе, пространстве. Модель физических полей описывает характер физического поля в верхнем и нижнем полупространстве, в котором отражены интенсивность поля, его морфология, аномальные эффекты и различные типы помех.
При формировании ФГМ целый ряд исследователей используют такие понятия, как структурно-вещественный комплекс (СВК), т. е. совокупность квазиоднородных на данном уровне исследований геологических образований (горных пород, рудных тел), которые в физическом поле выделяются как единый возмущающий объект, и прогнозно-поисковые модели (ППМ), представляющие собой иерархически построенный ряд моделей объектов разного ранга: рудная провинция (нефтегазоносный бассейн), рудный узел (нефтегазоносная область), рудное поле (нефтегазоносная зона), месторождение (нефтегазовая залежь). Прогнозно-поисковые модели определяются по сочетанию поисковых геофизических признаков и критериев, которыми называют характерные и устойчивые (обнаруживаемые в большинстве случаев) особенности геофизических полей над искомыми объектами.
8.2.2. Формирование и типы ФГМ
Формирование ФГМ какого-либо геологического объекта, процесса или явления предусматривает несколько последовательных операций, к которым относятся:
• постановка геологической задачи;
• выбор объекта моделирования (земная кора, конкретный блок земной коры, рудная или нефтегазовая провинция, структуры, перспективные на рудные, нерудные, нефтегазовые месторождения, отдельные рудные тела, нефтегазовые залежи и т. д.) с построением априорной геологической модели;
• расчет аномальных петрофизических параметров моделируемого объекта и вмещающей среды;
• построение петрофизической модели и выделение на ее основе структурно-вещественных комплексов;
• решение прямых задач геофизики для каждого метода, т. е. построение модели физических полей;
• оценка адекватности сформированной ФГМ реальному объекту на эталонах, т. е. на объектах, аналогичных исследуемому, но с известным геологическим строением.
Требования, предъявляемые к ФГМ, изменяются в зависимости от стадийности геолого-разведочного процесса (принцип последовательных приближений). Так, например, задача поисков объекта сводится к выявлению перспективных аномалий с заданной вероятностью и минимальным числом точек наблюдений (обычно три). Густоту сети при этом рассчитывают по моделям физических полей, полученным для наименее благоприятных условий залегания моделируемого объекта. На стадии детализации перспективных аномалий уже подробно изучаются факторы, обусловливающие максимальную изменчивость физического поля, и анализируются те стороны ФГМ, которые специфичны для данного генетического типа месторождения. С этой целью особую роль играют комплексный анализ и комплексная интерпретация геофизических данных. При формировании ФГМ выделяют априорные ФГМ, используемые для выбора типового комплекса геофизических методов на стадии проектирования, и апостериорные ФГМ, являющиеся результатом комплексной интерпретации геофизических данных после проведения производственных работ.
В зависимости от характера геологических задач различают двуальтернативные ФГМ, предназначенные для решения задач типа «руда — вмещающая порода», «нефтегазоперспективная — пустая структура», и многоальтернативные ФГМ, используемые при решении задач структурно-тектонического районирования территории, геокартирования, многоцелевых поисков разных видов минерального сырья.
С учетом развития геологических процессов во времени различают статические ФГМ, фиксирующие состояние геологического объекта в определенный (исторический) момент времени, и динамические ФГМ, отражающие изменение физических полей на разных стадиях развития геологических процессов в зависимости, например, от глубины проявления рудогенеза, зон окисления, тектогенеза и т. д. Динамические ФГМ широко используются при мониторинге окружающей среды, при режимных наблюдениях над нефтегазохранилищами и крупными месторождениями углеводородов, находящимися в длительной эксплуатации, естественными фильтрационно-диффузионными процессами, при решении инженерных, гидрогеологических и геоэкологических задач.
8.2.3. Условия эффективного применения геофизических методов
При построении ФГМ объекта исследований следует учитывать необходимые и достаточные условия эффективного применения конкретного геофизического метода для решения геологической задачи. Условиями для этого являются: заметная дифференциация физических свойств искомых геологических объектов и вмещающей среды, благоприятные геометрические размеры вызывающих аномалии объектов и относительно низкий уровень помех геологического и негеологического происхождения.
Понятия о дифференциации (контрастности) физических свойств изменяются в зависимости от метода и решаемых геологических задач. Например, для гравиразведки контрастность свойств оценивают значением избыточной плотности (∆σ), а для электроразведки — соотношением удельных электрических сопротивлений (УЭС) объекта поисков (ρо) и вмещающей среды (ρср). Для поисков рудных тел гравиразведкой необходима ∆σ около 0,3–0,4 г/см3, а для решения структурных задач достаточно 0,1 г/см3, что связано с размерами разведываемых объектов. Для структурной электроразведки методом ВЭЗ удельные электрические сопротивления должны различаться как минимум в 1,2–1,5 раза. Для поисков рудных тел методом индуктивного профилирования ρо должно быть меньше ρср хотя бы в 10 раз. Кроме контрастности средних значений свойств важное значение имеет дисперсия. Ее принято определять по гистограммам, т. е. графикам зависимостей процента замеров (Р, %) с заданным значением (x) какого-нибудь физического свойства от x. При одинаковой разнице средних значений физических свойств, представленных для двух типов пород, они на рис. 8.1 а выделяются более надежно, чем на рис. 8.1 б.
Рис. 8.1. Вариационные кривые физических свойств пород двух типов (1, 2)
при разной дисперсии свойств (а, б)
Удобной количественной мерой различия каких-нибудь признаков является надежность разделения γ = 1 – q, где q — отношение площади перекрытия вариационных кривых (Sобщ) к сумме полных площадей под вариационными кривыми (S1 + S2). Надежными для различия свойств считают значения γ от 75 до 100 %.
Величины аномалий от объектов определяются геометрическими соотношениями размеров объекта и глубины его залегания. Например, в электроразведке методом ВЭЗ надежное определение слоя возможно, если отношение его мощности (h) к глубине залегания (Н) удовлетворяет условию h/Н > 2–10. Слой практически не выделяется, если h/H < 0,1. Предельная глубина залегания изометричных тел, определяемая разными методами геофизики, зависит от отношения радиуса тела (R) к глубине (H). Например, величины аномалий над сферой пропорциональны: для гравитационных — R3/H2, для магнитных — R3/HЗ, для естественного электрического поля — R2/H2, поэтому скорость убывания поля с удалением от источника, а следовательно, и глубина исследования этими методами будут различными. Различают «сильные» аномалии, выделенные визуально, и «слабые» аномалии, соизмеримые с уровнем помех и ниже этого уровня,
Еще одним важным условием применимости геофизических методов является уровень помех. Различают помехи геологического и негеологического происхождения. К первым относят влияние перекрывающих и подстилающих пород, рельефа местности, неоднородности свойств вмещающих пород и т. д. Для электроразведки наибольшее значение имеют рыхлые проводящие отложения в верхней части разреза и слои высокого электрического сопротивления (каменная соль, ангидрит, межпластовые интрузии) на глубине, так называемые экраны. Экраны высокого сопротивления являются препятствием для методов электроразведки постоянным током, но проницаемы для методов переменного тока. Подстилающие породы оказывают заметное влияние на данные грави- и магниторазведки. Рельеф влияет на результаты электроразведки и очень сильно усложняет анализ данных гравиразведки. Толщи многолетнемерзлых пород, распространенные во многих районах нашей страны, создают трудности при проведении электро- и сейсморазведки (устройство заземлений, возбуждение упругих полей).
К помехам негеологического происхождения относят временнЫе вариации геофизических полей. В гравиразведке такие вариации вызываются относительными перемещениями Солнца и Луны и считаются предсказуемыми; в магниторазведке — солнечной активностью и ее воздействием на ионосферу Земли, здесь они непредсказуемы и требуют учета. Искусственные электромагнитные поля искажаются вариациями магнитотеллурических полей, связанных с солнечной активностью, и блуждающих токов техногенного происхождения, а также вариациями полей грозовых разрядов. Для большинства методов электроразведки это — поля-помехи, которые надо подавить или учесть. Однако в некоторых методах электроразведки используют физические поля помех с целью получения полезной геологической информации. Приведенные факты подчеркивают относительность понятия помехи.
В геофизике все более заметными становятся помехи, порождаемые деятельностью человека. Сейсмическая вибрация, блуждающие электрические токи, железные предметы в земле и на ее поверхности, подземные горные выработки, техногенные температурные аномалии нередко оказывают заметное влияние на качество геофизических измерений, а в некоторых случаях делают такие работы невозможными. Борьбу с помехами ведут либо методическими приемами, либо аппаратными средствами.
К помехам также относят и погрешности измерений. Их делят на три категории: систематические, случайные и грубые (промахи). Систематические погрешности обусловлены недостатками конструкции прибора или несовершенной методикой измерений и могут быть выявлены путем периодических поверок и устранены введением поправок (например, поправкой за сползание нуль-пункта прибора в грави- и магниторазведке). На случайные погрешности влияет множество причин, учесть и устранить которые не представляется возможным. Но влияние случайных погрешностей можно уменьшить статистическими приемами обработки. Общая погрешность геофизической съемки (σс) может быть определена с помощью контрольных измерений по формуле средней квадратической погрешности:
где Аi и Аср — замер амплитуды на i-й точке и среднее арифметическое значение по n контрольным точкам соответственно.