9.2.1. Методы региональной глубинной и структурной геофизики
9.2.2. Региональные картировочно-поисковые крупномасштабные геофизические исследования
В региональную геофизику иногда объединяют глубинные (до 100 км) и среднеглубинные (до 10 км) структурные методы геофизики, предназначенные для решения структурно-геологического объемного картирования суши и акваторий. Она находится на стыке физики Земли и прикладной геофизики, является теоретической дисциплиной для тектоники и геодинамики и практической — для прогноза размещения месторождений полезных ископаемых и очагов опасных природных явлений.
Региональные геофизические работы проводятся по отдельным профилям (геотраверсам) при внемасштабных и мелко- (1 : 500 000) или по площади при средне- (1 : 100 000–1 : 200 000) масштабных съемках. Картировочно-поисковый вариант региональной геофизики перспективных на полезные ископаемые районов сводится к сплошному (попланшетному) крупномасштабному (1 : 50 000 и крупнее) картированию. Используя разумно подобранный применительно к изучаемому району комплекс методов геофизики, можно более эффективно вести изучение литолого-петрографического состава и структурно-тектонического строения осадочных горных пород, подстилающего их кристаллического фундамента и земной коры. Для этого строятся глубинные разрезы и карты-срезы по опорным геолого-геофизическим горизонтам на разных глубинах. По мере накопления геолого-геофизической информации о районе для ее уточнения масштабы съемок укрупняются, осуществляется переход от профильных работ к площадным более крупного масштаба с повышенной густотой сети геофизических наблюдений, привлечением геофизических методов повышенной точности и стоимости.
9.2.1. Методы региональной глубинной и структурной геофизики
Региональные глубинные геофизические исследования начинаются с изучения опорной сети геотраверсов протяженностью в тысячи километров, пересекающих ряд крупных геотектонических провинций, перспективных на поиск полезных ископаемых. На геотраверсах выполняются комплексные геофизические исследования, включающие сейсморазведку, магнитотеллурические, реже другие электромагнитные зондирования, гравимагниторазведку, с использованием всей аэрокосмической и геологической информации, а желательно и данных опорного бурения глубоких скважин. В результате выясняются глубина и рельеф поверхности Мохоровичича (кровли мантии), выявляются границы раздела, блоки и глубинные разломы в верхней мантии и земной коре, изучается положение кристаллического складчатого фундамента, картируются крупные структуры в осадочном чехле, особенно благоприятные для нефтегазонакопления или образования месторождений твердых полезных ископаемых.
Региональные структурные среднемасштабные площадные геофизические исследования предназначены для изучения верхней десятикилометровой оболочки Земли. Они проводятся комплексом геофизических методов, сначала мобильных, но менее информативных, а затем более трудоемких и точных. К первой группе относятся аэрокосмические, полевые гравимагнитные, радиометрические съемки. Их выполняют по сети наблюдений с расстояниями между профилями исследований, не превышающими 1 см в масштабе выдаваемой в результате съемки карты, с таким же или меньшим шагом наблюдений. Методы второй группы, более сложные и дорогие, например, магнитотеллурические зондирования, проводятся с меньшей густотой сети (расстояния между центрами зондирований составляют несколько сантиметров в масштабе выдаваемых карт). Однако опорную (но еще более дорогую) информацию дает сейсморазведка, особенно методом общей глубинной точки (ОГТ).
Примером комплексных сейсмических и магнитотеллурических исследований с учетом бурения являются результаты работ по одному из геотраверсов через Московскую синеклизу, по профилю, пересекающему Токмовский свод и Мелекесскую впадину (рис. 9.2). По данным сейсморазведки ОГТ были с высокой детальностью прослежены границы осадочных слоев и кровля кристаллического фундамента, залегающего на глубине порядка 2 км. Информация о положении границ использовалась для интерпретации данных магнитотеллурических зондирований и позволила определить удельное электрическое сопротивление слоев. Оказалось, что сопротивление двух толщ существенно понижается с запада на восток, что объясняется, видимо, увеличением пористости и минерализации порового раствора. Таким образом, сейсморазведка позволила определить положение границ слоев, а электроразведка — оценить их свойства.
Рис. 9.2. Сейсмогеоэлектрический разрез Токмовского свода
и Мелекесской впадины (по А. Г. Яковлеву и др.)
Основными геоструктурами земной коры, изучаемыми региональными структурными геофизическими исследованиями, являются следующие.
Глубинные разломы — основные элементы земной коры, определяющие общий структурно-тектонический план крупных территорий. Разломы имеют ширину от 2–3 до 15–20 км, глубину заложения — до 100 км, протяженность — в сотни километров. К ним приурочены: очаги землетрясений, повышенные газовые и тепловые потоки, аномалии электропроводности, намагниченности, плотности, радиоактивности.
Зоны глубинных разломов выявляются с помощью следующих геофизических методов:
• гравиразведки — по высоким градиентам силы тяжести, вытянутости аномалий, перепадам глубин до верхних кромок возмущающих масс в окружающих блоках;
• магниторазведки — по высоким градиентам геомагнитного поля, линейной вытянутости аномалий разного знака, наличию цепочек аномалий, смене структуры и вида поля вкрест зон разломов;
• сейсморазведки (методами отраженных, преломленных, дифрагированных, рефрагированных волн) — по уменьшению скоростей упругих волн, увеличению их поглощения, потере корреляции волн непосредственно в зоне разломов и по ступеням в положениях опорных сейсмических горизонтов в прилегающих блоках;
• электрических и электромагнитных зондирований — по искажению и смене типов кривых ЭМЗ, наличию уступов в опорных горизонтах по сторонам от разломов;
• терморазведки — по повышенным тепловым потокам в зонах разломов;
• аэрокосмической инфракрасной съемки — по наличию линейно-вытянутых систем (линеаментов);
• газовых съемок — по наличию эманаций радона, гелия и других газов, а также повышенной гамма-активности.
Выяснение общего структурного плана геосинклинальных областей, картирование их границ и основных структурных элементов (синклинальных прогибов, межгорных впадин, антиклинальных поднятий, срединных массивов и др.) проводятся следующими геофизическими методами:
• гравиразведкой — по отрицательным, реже положительным аномалиям Буге;
• магниторазведкой — по наличию намагниченных вулканогенных пород, включенных в немагнитные осадочные;
• электромагнитными профилированиями — по аномалиям от крутозалегающих пластов;
• электромагнитными зондированиями и сейсморазведкой — по изменениям геоэлектрических и сейсмогеологических разрезов.
Платформенные области характеризуются достаточно выдержанной мощностью земной коры (около 35 км), различной мощностью осадочного чехла, пологими формами складчатости, образующими своды, впадины, поднятия, прогибы и др. Изучение платформенных областей начинают с проведения аэромагнитной съемки и гравиразведки. Чем меньше мощность осадочного чехла, тем большее влияние на характер магнитных и гравитационных аномалий оказывают состав и строение кристаллического фундамента. Для картирования структур, определения глубины фундамента и мощности чехла осадочных пород основным методом является сейсморазведка (МОВ и МПВ). Сеть дорогостоящих сейсморазведочных работ можно сделать реже, если использовать электромагнитные зондирования: магнитотеллурические (МТЗ и МТП) при больших глубинах (>1 км), вертикальные электрические (ВЭЗ) при малых глубинах (<500 м), частотные (ЧЗ) или становлением поля (ЗС) (при глубинах 0,5–3 км).
Кристаллический фундамент, располагающийся на глубинах от 0 до 15 км, а также перекрывающие его осадочные породы, резко отличающиеся по физическим свойствам слагающих их пород, являются главными объектами изучения среднемасштабной региональной структурной геофизики. При этом решаются следующие задачи:
• изучение глубины залегания поверхности кристаллического фундамента;
• выяснение состава пород и строения фундамента;
• расчленение осадочного чехла и выявление в нем структур, особенно благоприятных для нефтегазонакопления, рудонакопления.
Изучение глубины залегания поверхности фундамента — одна из хорошо решаемых задач региональной структурной геофизики. Поверхность фундамента является сложной эрозионной границей различных по составу вулканогенных и метаморфических пород, часто разбитых на отдельные блоки. Она служит опорным геофизическим горизонтом, так как основные физические свойства (плотность, намагниченность, удельное электрическое сопротивление, скорости распространения упругих волн и др.) кристаллических пород фундамента существенно отличаются от перекрывающих их осадочных пород. Наименьшую погрешность в определении глубины залегания фундамента (±1 %) дает сейсморазведка, более высокую (до ±10–20 %) — электрические и электромагнитные зондирования и еще большую (до ±30 %) — гравиметрические методы.
По региональным профилям, отстоящим друг от друга на расстоянии до 10 км, с использованием сейсморазведки (МПВ, МОВ) создают опорную сеть с высокой точностью определения глубины залегания фундамента. Данные сейсморазведки, в свою очередь, должны опираться на результаты бурения скважин. При глубине залегания фундамента до 1–2 км между профилями сейсмических работ целесообразно располагать профили электрических (ВЭЗ, ДЭЗ), а при большей глубине залегания — магнитотеллурических зондирований (МТЗ) или зондирований становлением поля (СЗП) и частотных (ЧЗ). Комплексирование сейсмо- и электроразведки снижает стоимость региональных исследований более чем в 2–3 раза по сравнению со стоимостью непрерывного сейсмического профилирования в том же масштабе.
Изучение состава пород и строения фундамента в геосинклинальных областях проводят преимущественно по данным магнитных и гравитационных съемок, а в платформенных — с помощью сейсморазведки МПВ.
Расчленение осадочного чехла, а также выявление структур в нем проводят методами электро-, гравиразведки, но главным образом сейсморазведки МОВ. Если рыхлые осадочные породы по физическим свойствам резко отличаются от пород фундамента, то у скальных (карбонатных и хемогенных) пород электрические сопротивления и скорости распространения упругих волн практически такие же, как у пород фундамента. Поэтому электрическими зондированиями (ВЭЗ, ДЭЗ) выявляют, как правило, только поверхность верхнего горизонта высокого сопротивления, приуроченного чаще всего к поверхности соленосных или карбонатных пород в осадочном чехле. С помощью электромагнитных зондирований (МТЗ, ЗС, ЧЗ) удается проводить расчленение разреза и под высокоомными экранами. Однако основным методом выявления и подготовки структур к поисковому бурению является сейсморазведка методом общей глубинной точки (МОГТ или МОВ ОГТ), проводимая на заключительных этапах региональных исследований и на перспективных на нефть и газ площадях.
В результате комплексной интерпретации данных региональных структурных среднемасштабных геолого-геофизических съемок строят региональные карты поверхности фундамента и основных (опорных) горизонтов осадочного чехла (глубинное, объемное картирование). На них выявляют и оконтуривают такие перспективные на нефть и газ структуры, как антиклинальные поднятия, брахиантиклинальные складки, валы, протяженные флексуры, локальные поднятия, рифогенные массивы, соляные купола и др.
9.2.2. Региональные картировочно-поисковые крупномасштабные геофизические исследования
Комплексное крупномасштабное геолого-геофизическое картирование (масштабы 1 : 50 000–1 : 25 000) предназначено для изучения геологического строения верхних частей земной коры до 1–5 км и выяснения перспектив на поиски полезных ископаемых и решения инженерно-гидрогеологических задач. Оно проводится с помощью геологических съемок, аэрокосмических, геофизических, геохимических исследований, проходки горных выработок, скважин и геофизических исследований в них.
Если в горных районах с хорошей обнаженностью коренных пород визуальную геологическую съемку можно проводить без геофизических методов, то в районах, закрытых четвертичными и покровными отложениями, роль геофизических методов становится ведущей. Обычно в результате геологической съемки составляют карту поверхности коренных (дочетвертичных) отложений. Однако одной такой карты недостаточно для оценки перспективности района на те или иные полезные ископаемые и тем более для их поисков. Поэтому геологические съемки являются лишь частью глубинного или объемного картирования, обеспечивающего изучение района на разных глубинах и построение структурно-геологических карт — срезов по опорным структурным этажам. Без данных геофизики такое картирование проводить практически невозможно.
Особенности и выбор рационального комплекса методов картировочно-поисковой геофизики определяются прежде всего природными геолого-геофизическими условиями, которые условно можно разделить на три типа.
Первый тип — открытые районы, поднятые и в разной степени эродированные древние щиты, древние и молодые складчатые области, характеризующиеся интенсивным проявлением магматизма и метаморфизма, крутым залеганием пород и рудных комплексов, отсутствием или наличием четвертичных отложений малой мощности. К ним можно отнести, например, Балтийский, Алданский, Анабарский и другие древние щиты, регионы палеозойской, мезозойской, кайнозойской складчатости (Урал, Казахстан, горные районы Средней Азии и Кавказа, Енисейскую, Байкальскую и другие складчатые области). Открытые районы изучают следующими методами: аэрокосмическими; аэрогеофизическими (одним методом, например, магниторазведкой, двумя — к магниторазведке добавляют гамма-спектрометрию, тремя — к указанным двум добавляют электроразведку с измерением низкочастотных естественных полей или высокочастотных полей, четырьмя — добавляют еще инфракрасную съемку); полевыми геофизическими (гамма-, эманационной и гравимагнитной съемками, электрическим и электромагнитным профилированием); геохимическими (металлометрической, литохимической, гидрохимической и биохимической съемками). Кроме того, выборочно на опорных профилях можно использовать более громоздкие методы: электрические (ВЭЗ-ВП) и электромагнитные (МТЗ, ЧЗ, ЗС) зондирования, сейсмические методы (МОВ, МПВ).
Второй тип — полузакрытые районы платформ, характеризующиеся отсутствием или слабым проявлением магматизма, наличием над складчатым основанием (фундаментом) полого залегающего чехла осадочных пород мощностью до 500 м. В районах этого типа породы залегают слабонаклонно и почти горизонтально, а месторождения твердых полезных ископаемых имеют пластовую или линзовидную форму и субгоризонтальную ориентировку. Примером таких районов служат окраины Русской и Сибирской платформ, Западно-Сибирской и Туранской плит и др. В полузакрытых районах с мощностью четвертичных и покровных отложений до 500 м применяют гравимагнитные съемки, а также электрические, электромагнитные и сейсмические зондирования.
К третьему типу относят закрытые районы платформ и геосинклинальных областей с мощностью осадочного чехла более 500 м. В районах этого типа породы чехла залегают практически горизонтально, фундамент дислоцирован. Развиты пластовые залежи полезных ископаемых, а также месторождения нефти и газа. Такими районами являются Русская платформа, Западно-Сибирская плита, предгорные котловины горных систем Кавказа, Средней Азии, Восточной Сибири и т. д. В районах закрытого типа с мощным чехлом осадочных пород используют полевые методы: гравиразведку, магниторазведку, электромагнитные зондирования и сейсморазведку.
Технология (методика) проведения геофизических работ определяется не только названными природными условиями, но и конкретным геолого-геофизическим строением изучаемых районов. Крупномасштабные картировочно-поисковые геофизические исследования начинаются с мобильных методов. Межпрофильные расстояния можно уменьшать. На перспективных участках используются специальные, более громоздкие методы. Направления профилей, как и всегда при площадных съемках, выбирают вкрест простирания геологических структур и геофизических аномалий, выявленных предыдущими геолого-геофизическими работами. Расстояния между профилями выбираются близкими к 1 см в масштабе выдаваемых карт. Шаг наблюдений на профилях обычно близок к межпрофильному расстоянию для громоздких методов или в 2–5 раз меньше — для мобильных методов.
В результате интерпретации геофизических данных строят разного рода геолого-геофизические разрезы, карты изогипс опорных геофизических горизонтов и фундамента, изоглубин перспективных или опорных толщ, петрофизических характеристик и др. Кроме того, дается «командная» информация на прекращение или продолжение исследований с указанием, где и какими методами вести дальнейшие поиски полезных ископаемых.
Примером объемного электроразведочного картирования является геологический разрез через Крымские горы (рис. 9.3). Он получен в результате постановки вдоль вершин Ялтинской и Ай-Петринской яйл (гор) двухсторонних дипольных экваториальных и осевых электрических зондирований (ДЭЗ). Это обеспечило уменьшение искажений данных ДЭЗ за счет рельефа. Точки ДЭЗ ставились и на северной, предгорной части Крыма. Через хребет для изучения трассы строившегося здесь гидротоннеля для водоснабжения г. Ялты были проведены многоразносные электропрофилирования установкой срединного градиента с АВ, равными 7, 4, 2, 1, 0,5 км, а также ВЭЗ, магниторазведка, а внутри тоннеля — подземные электрические зондирования (ПЭЗ). Такие комплексные геофизические исследования дали возможность оценить глубинное (без бурения скважин) геоэлектрическое строение юго-западной части Горного Крыма и способствовали безаварийной проходке под горами тоннеля длиной 7,2 км на глубине до 900 м.
Рис. 9.3. Геологический разрез через Качинский антиклинорий
и синклинорий юго-западной части Горного Крыма:
1 — центры двухсторонних дипольных электрических зондирований;
2 — удельное электрическое сопротивление пород, Ом ⋅ м;
3 — палеозойские отложения;
4 — песчано-сланцевые породы Таврической серии и средней юры;
5 — карбонатные отложения;
6 — линия тектонических нарушений;
7 — предполагаемые линии тектонических нарушений;
8 — граница разных геоэлектрических горизонтов;
9 — предполагаемые границы (по В. К. Хмелевскому)
Следует подчеркнуть целесообразность опережающего проведения геофизических работ с тем, чтобы геофизические аномалии можно было проверить горными выработками и скважинами. Так как целью поисково-картировочных геофизических работ является оценка перспективности района на полезные ископаемые, особое внимание следует уделить геофизическим аномалиям «рудного типа» (экстремумам на гравимагнитных и гамма-эманационных картах, зонам минимумов сопротивлений, участкам «рудных пересечений» на графиках комбинированных электропрофилирований, проводящим аномалиям индуктивных методов). Участки таких аномалий уже в ходе картировочно-поисковых работ необходимо по возможности обследовать основными методами рудной электроразведки: естественного поля (ЕП), вызванной поляризации (ВП), переходных процессов (МПП) или нефтегазовой сейсморазведки (МОВ, МОГТ).