9.3.1. Физико-геологические модели объектов поисков как основа геофизических поисков и разведки твердых полезных ископаемых
Полезные ископаемые: углеводородное сырье (нефть, газ), металлические (рудные), неметаллические (нерудные) и твердые горючие (угли, сланцы) являются объектами поисков и разведки соответственно нефтегазовой, рудной, нерудной и угольной геофизики. Месторождения полезных ископаемых — это прежде всего благоприятная геотектоническая структура. Она вмещает (контролирует) форму и положение аномально высоких концентраций одного или нескольких полезных ископаемых. Структурный контроль месторождения означает закономерную приуроченность полезного ископаемого к определенным типам, формам залегания полезного ископаемого, водовмещающих горных пород. Поиски и разведка полезных ископаемых (собственно разведочная геофизика) — важнейший прикладной раздел геофизики. Основные ассигнования на геофизические исследования идут от нефтяных и газовых корпораций, для которых геофизика на суше и в акваториях дает наибольший экономический эффект. Реже геофизика применяется при поисках и разведке рудных, нерудных и угольных месторождений.
Месторождения нефти и газа могут располагаться вдалеке от мест своего органического или неорганического происхождения за счет миграции нефти и газа по пористым породам до попадания в ловушки. Этим термином обозначаются структурно-тектонические и литологические комплексы, сложенные пористыми породами (пески, песчаники, карбонатные и другие трещиноватые породы), называемые также коллекторами. Чтобы в них скопились нефть или газ, коллекторы должны быть окружены и обязательно перекрыты слабопроницаемыми породами (глины, массивные скальные породы), которые называются покрышками или экранами.
Твердые полезные ископаемые бывают первичными, эндогенными, возникающими в силу различных пластичных или хрупких деформаций (лавовые потоки, штоки, купола, складки, антиклинали, синклинали, зоны разломов и т. п.), и вторичными, обусловленными экзогенными процессами (зоны трещиноватости, закарстованности, разрушенности, механических смещений и т. п.). С точки зрения геофизики геотектонические структуры, содержащие твердые полезные ископаемые или иные объекты, характеризуются прежде всего геометрией объекта исследований, т. е. его местоположением, глубиной залегания, формой, часто с нечеткими контурами и размерами.
Наряду с геометрией, второй характеристикой месторождения является его содержание, т. е. литолого-петрографический и геохимический состав вмещающих пород и полезного ископаемого, геодинамическое состояние массива, его физическая анизотропия, а также свойства: структурно-текстурные, физико-механические (твердость, прочность, пластичность и др.) и водно-физические (пористость, проницаемость, коэффициенты водонасыщенности, фильтрации и др.). С точки зрения геофизики этими природными факторами определяются геофизические свойства окружающих горных пород и самих полезных ископаемых (плотность, намагниченность, электропроводность, упругие, тепловые, ядерно-физические и др.).
Относительные контрастности или абсолютные значения физических свойств полезных ископаемых и вмещающих пород, наряду с геометрией структур, содержащих полезные ископаемые, являются причиной появления аномалий геофизических полей. Это и обеспечивает возможность поисков и разведки полезных ископаемых, как и выявления других объектов в геологической среде геофизическими методами.
Реализация этих возможностей построена на физико-геологическом моделировании. Под физико-геологической моделью (ФГМ) понимается абстрактное тело или набор тел правильной геометрической формы известных размеров с отличающимися от окружающей среды физическими свойствами, которыми можно аппроксимировать (заменить) реальные полезные ископаемые. Тела правильной геометрической формы (шар, цилиндр, эллипсоид, пласт и другие и их комбинации) с разными геометрическими параметрами (ГП), например, глубиной, размерами и т. п., нужны для того, чтобы залежи или скопления полезных ископаемых с отличающимися физическими свойствами (ФС) можно было описать математически, количественно. В математической геофизике с помощью персональных компьютеров или электронных вычислительных машин решаются задачи: прямые, т. е. рассчитываются аномалии параметров того или иного физического поля (АФП) по известным ГП и ФС, и обратные, т. е. проводится интерпретация и определяются ГП и ФС по имеющимся АФП в рамках заданных ФГМ. Например, структуры типа крутых и глыбовых складок, штоки, лакколиты, кимберлитовые трубки взрыва, вулканогенные, гранитогнейсовые, рифовые или соленосные купола и другие можно заменить вертикальным цилиндром (столбом); зоны разломов, к которым часто приурочены твердые полезные ископаемые, крутозалегающие пластовые залежи и другие — пластом; изометрические залежи рудных полезных ископаемых, гранитные куполовидные интрузии, карстовые полости с осадочными полезными ископаемыми и другие — шаром; полезные ископаемые в ядрах синклиналей, антиклиналей, трещинные и кливажные структуры в кристаллических породах и другие — горизонтальным цилиндром; пластовые залежи среди осадочных или в коре выветривания магматических пород — горизонтальным пластом; впадины, поднятия, линзы и пологие трещинные зоны с рудными и нерудными полезными ископаемыми и другие — горизонтальным эллипсоидом. В качестве ФГМ можно взять также комбинации этих и других геометрических тел (кубов, параллелепипедов).
Таким образом, эффективные геофизические поиски и разведка различных геологических и иных объектов возможны лишь тогда, когда их форму (геометрию) можно представить в виде тела или комбинации тел сравнительно простой геометрической формы, а содержание (качественный состав) выразить через контрастность их физических свойств по отношению к окружающей среде. Это один из путей введения в геологию математического аппарата благодаря замене качественных геологических понятий, а иногда и количественных геометрических и геологических характеристик, количественными (цифровыми) геофизическими параметрами (ГП и ФС), для которых можно решать прямые и обратные задачи с помощью ЭВМ.
Если геолого-геохимические методы поисков и разведки месторождений (дешифрирование аэрокосмоснимков, структурно-геологическое и минерало-геохимическое картирование, специальные методы изучения трещиноватости и физико-механических свойств пород, проведение горно-буровых работ, исследования образцов горных пород, а также их минерало-петрографические и геохимические анализы и др.) дают прямую, часто описательную в геолого-геохимических терминах информацию, то геофизические методы дают чаще косвенную количественную цифровую информацию.
В ходе физико-математической количественной интерпретации геофизических материалов (решения обратных задач) априорные ФГМ (до опыта), используемые при проектировании работ, переводятся в апостериорные (после опыта) ФГМ. В результате геологического истолкования геофизических данных геометрические параметры, рассчитанные по геофизическим данным, сопоставляются со структурными, полученными с помощью геологической разведки (местоположение объектов поисков, их форма, размеры, глубина залегания).
Выявление структур, благоприятных для залегания полезных ископаемых, является наиболее точно решаемой геофизической задачей. Сложнее осуществляется перевод геофизических свойств объектов, полученных геофизическими методами, в геолого-геохимическую (петрофизическую) информацию (прямые поиски). Некоторые геологические свойства разведываемых объектов (процентное содержание полезных минералов, руд, пористость, нефтегазоводосодержание и др.) можно также описать количественно, а далее получить уравнения регрессии, устанавливающие корреляционные связи между найденными свойствами и ФС. Для этого используются эталонные (ключевые) разведочные участки, изученные геологическими, гидрогеологическими, петрофизическими и другими методами, где проведены геофизические работы, имеются скважины, в которых выполнены геофизические исследования (ГИС) и работы (ГИРС), а также проведен и изучен керновый материал (петрофизическая информация). Весь процесс геофизических поисков и разведки должен быть пронизан петрофизической настройкой с учетом масштаба объекта изучения: образцов руды или породы с нефтью, газом или водой; пласта в скважине, выявленного методами ГИС; залежи, разведанной в ходе прямых поисков комплексом геофизических методов; структур, благоприятных залеганию полезного ископаемого, закартированных в ходе картировочно-поисковых геофизических работ, и т. п.
Использование всей геолого-геохимической информации для истолкования комплексных апостериорных ФГМ является обязательным условием для поисков и особенно разведки полезных ископаемых. Иными словами, геофизические методы быстро и сравнительно недорого предоставляют объективную массовую информацию о строении недр, истолкование которой должно выполняться геофизиками и геологами совместно.
Поиски нефти и газа с помощью бурения скважин на суше и особенно на акваториях на глубинах 1–6 км, где они обычно залегают, стоят очень дорого. Поэтому нефтегазовая, точнее, нефтяная и газовая геофизика, в которой основным методом является сейсморазведка, становится обязательной в нефтегазовой отрасли. Детальная сейсморазведка на таких сравнительно больших глубинах обходится в 3–10 раз дешевле и осуществляется во столько же раз быстрее, чем разведка месторождений только бурением. Комплексирование сейсморазведки с другими геофизическими методами может дать еще больший геологический и экономический эффект. При разведке месторождений нефти и газа широко применяют геофизические исследования и работы в скважинах (ГИС или ГИРС). Они допускают проходку скважин с минимальным отбором керна, что сокращает время и стоимость работ и повышает информативность бурения.
Таким образом, основными направлениями нефтегазовой геофизики являются:
• поисковые геофизические работы, в основном сейсморазведка методом отраженных волн (МОВ), с помощью которых выявляются структурно-литологические ловушки, где могут находиться (а может быть и нет!) нефть и газ;
• разведочные работы на выявленных детальной сейсморазведкой МОВ ловушках, предназначенные для оценки параметров месторождений (залежей);
• проведение разведочного бурения и геофизических исследований скважин для получения петрофизической информации с помощью отбора керна горных пород с отдельных интервалов скважин и сплошных комплексных геофизических исследований в них;
• постановка вертикального сейсмического профилирования (ВСП) по скважине с источником возбуждения на земной поверхности для получения величин скоростей и затуханий упругих волн в породах на разных глубинах;
• сопоставление данных полевой сейсморазведки, ВСП, ГИС, ГИРС и петрофизических исследований для построения геолого-геофизической модели месторождения, с оценкой пористости, гидродинамики, нефтегазонасыщенности и подсчетом запасов углеводородов;
• математическое моделирование резервуаров нефти и газа для рациональной организации их добычи;
• проведение ГИРС в ходе эксплуатации скважин для повышения отдачи нефти и газа.
В целом геофизические исследования лежат в основе сложного геологического, бурового, эксплуатационного процесса разведки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений.
Поисковые геофизические работы на нефть и газ сводятся прежде всего к выявлению структурных ловушек для нефти и газа, которыми являются:
• крупные (размером в десятки километров и амплитудой свыше 1 % от глубины залегания) антиклинальные и сводовые поднятия;
• локальные поднятия небольших размеров (единицы километров в поперечнике и амплитудой менее 0,1 % от глубины залегания);
• структурно-литологические (комбинированные) ловушки, связанные с погребенными рифами, соляными куполами и тектоническими нарушениями;
• неантиклинальные ловушки в терригенных отложениях (зоны выклинивания слоев, фациальных замещений, стратиграфических несогласий, эрозионно-аккумулятивных древних долин, дельт и т. п.).
В зависимости от природной обстановки эти структуры в разной степени отличаются по физическим свойствам от окружающих пород. Поэтому они могут выделяться по аномалиям при использовании тех или иных геофизических методов. Такие аномалии называют аномалиями типа залежей (АТЗ). Подтвержденная и оконтуренная по данным нескольких методов, в том числе обязательно сейсморазведкой и желательно поисковым бурением, АТЗ становится нефтегазоперспективной структурой (НГПС). Если она расположена в нефтегазовой провинции, то на ней закладываются поисковые скважины. Однако лишь до трети подобных структур, выделенных геофизиками, содержат промышленные запасы нефти и газа. В связи с этим геофизические методы все еще остаются косвенными методами поисков и разведки нефти и газа.
Поиски НГПС на суше и акваториях проводятся в основном сейсморазведкой методом отраженных волн (МОВ). На акваториях вспомогательную роль играет непрерывное сейсмическое профилирование (НСП). Подчиненное значение имеют электрическое и электромагнитное зондирования, гравиразведка и магниторазведка. Площадная, трехмерная (3D) и объемная сейсморазведка разными вариантами (МОВ) обладают наибольшей разрешающей способностью, так как позволяют выделять поднятия по нескольким структурным горизонтам с амплитудой 30–100 м, или с погрешностью менее 1 % от глубины залегания. Электрические и электромагнитные зондирования применяют лишь при разведке крупных структур (с поперечным размером больше их глубины залегания и амплитудой не менее 10 % от этой глубины). С помощью высокоточной гравиметрической съемки в случае унаследованных по всем структурным этажам положительных аномалий могут выделяться антиклинали, имеющие амплитуду до 10–30 % от глубины залегания.
Разведка нефтяных и газовых месторождений, выявленных в ходе поисковых геолого-геофизических работ, сводится к детальному изучению объекта. Целью разведки является уточнение геометрии нефтегазоперспективных структур (положения кровли и подошвы продуктивных пластов); определение коллекторских свойств пород; выявление положения в залежах нефти и газа водонефтяного, газонефтяного и газоводяного контактов; подсчет запасов нефти и газа.
На стадии разведки месторождений нефти и газа применяют метод общей глубинной точки (МОВ-ОГТ или МОГТ), в котором применяются системы наблюдений с многократным (до 20 раз) прослеживанием отраженных и других волн из разных пунктов возбуждения по одним и тем же профилям или всей изучаемой площади (трехмерная (3D) и объемная сейсморазведка, или сейсмическая томография). Это обеспечивает накопление информации, а в результате — повышение отношения «сигнал — помеха», что способствует более четкому выделению полезных волн и построению временнЫх разрезов.
На рисунке 9.4 приведены результаты сейсморазведки МОГТ на одном из нефтяных месторождений Западной Сибири.
Рис. 9.4. ВременнОй разрез МОГТ и результаты его обработки
(Восточно-Тарасовское месторождение нефти, по Е. А. Галаган):
а — участок временнОго разреза МОГТ; б — результат динамической
обработки материала; 1 — глина; 2 — песчаник; 3 — песчано-глинистые отложения;
4 — границы песчаников продуктивного пласта
Для превращения временнЫх разрезов в глубинные необходимо определение скоростей упругих волн с малой погрешностью (до 1 %). С этой целью желательно иметь структурные скважины и данные измерения сейсмических скоростей в них как методом ГИС, так и с помощью вертикального сейсмического профилирования (ВСП). В результате автоматизированной обработки материалов с помощью ЭВМ строятся глубинные разрезы и структурные карты. Проверка выявленных структур-ловушек осуществляется бурением параметрических и поисково-разведочных скважин и проведением в них геофизических исследований. В результате комплексных геолого-геофизических исследований строятся сейсмостратиграфические карты и разрезы.
Прямые геофизические поиски нефти и газа становятся крайне важными, поскольку косвенные геофизические поиски нефти и газа и прежде всего выявление ловушек являются необходимым, но недостаточным этапом разведки. Объясняется это тем, что, как показывает практика, лишь треть ловушек являются промышленно нефтегазоносными. Поэтому иногда используются прямые поиски (ПП) или оценка нефтегазоносности выявленных структур до вскрытия их скважинами. На разных этапах поисково-разведочных работ на нефть и газ с использованием самых совершенных техники, методики проведения и интерпретации результатов геофизических исследований при обязательном комплексировании сейсмо-, грави-, электро-, терморазведки (в скважинах и донных осадках), радиометрии и геохимических методов проблема прямых поисков, в принципе, может быть решена.
Моделирование резервуаров нефти и газа становится необходимым этапом их детальной разведки. Идея прямых поисков не получила развития из-за увеличения глубин залегания нефтегазовых залежей, малых размеров и сложного строения ловушек, а также перехода на новую технологию подготовки месторождений к промышленной эксплуатации, называемую моделированием резервуаров нефти и газа. Целью моделирования является компьютерное построение цифровой объемной ФГМ месторождения в виде пространственной сетки, узлы которой содержат информацию о геометрии продуктивных пластов (положение кровли и подошвы коллекторов, их мощностей) и физико-геологических свойствах пород (пористость, глинистость, свойства флюида, фильтрационно-емкостные параметры и др.). Для этого необходимо использовать результаты: 1) сверхдетальной (2D и 3D) сейсморазведки и вертикального сейсмического профилирования в скважинах; 2) комплексных геофизических исследований скважин (ГИС), или каротажа методами: естественных электрического (ЕП) и радиационного (гамма-метод — ГМ) полей, кажущихся электрических сопротивлений (КС), акустических (АК), различных ядерно-физических (нейтронных и гамма-гамма-лучевых и др.), а также работ в скважинах (ГИРС) методами кавернометрии, инклинометрии и др.; 3) петрофизических анализов керна из скважин.
Все исходные данные представляются в цифровом виде и обрабатываются с помощью разнообразных компьютерных технологий для построения модели резервуара. Программы содержат следующие блоки: 1) привязки продуктивных пластов и геологических границ к сейсмическому волновому полю и превращения временнЫх сейсмических разрезов в глубинные; 2) сопоставления разномасштабных данных полевой или аквальной сейсморазведки, ГИС и ГИРС, петрофизических исследований керна; 3) геологического истолкования результатов (стратиграфическая корреляция, изучение седиментационных циклов, фациальный анализ, выяснение природы коллекторов и др.); 4) подготовки параметров для определения запасов нефти и газа. В результате компьютерной обработки представляются модели резервуара, строятся карты, разрезы, таблицы и т. п.
В целом поиски и разведка нефти и газа на суше и в акваториях морей и океанов методами нефтяной и газовой геофизики являются сложным, высококомпьютеризированным, дорогим направлением геофизики, требующим выбора для каждого района своих комплексов геолого-геофизических методов и технологий совместной интерпретации данных с помощью ЭВМ.
Особый раздел нефтегазовой геофизики представляют геофизические работы в скважинах (ГИРС), направленные на повышение нефтегазоотдачи в ходе эксплуатации месторождений. К ним относятся разнообразные способы возбуждения механических (упругих) и электромагнитных колебаний в скважинах, повышающих пористость, трещиноватость окружающих пород и, в конечном счете, их нефтегазоотдачу.
К рудным (металлическим) полезным ископаемым относят различные типы минерального сырья, из которого технологически возможно и экономически целесообразно извлекать в промышленных масштабах металлы или получать на их основе другие материалы, используемые в народном хозяйстве. Рудная геофизика применяется на всех стадиях геологоразведочных работ: от региональных исследований до обслуживания рудничной геологии во время эксплуатации месторождений.
Поиски рудных ископаемых начинаются с анализа данных уже имеющихся среднемасштабных (1 : 200 000) геофизических съемок (см. 9.2.2), а иногда — с целевой переинтерпретации этих данных. По результатам аэрокосмических съемок в видимом и инфракрасном диапазонах частот, аэромагнитных и аэрогамма-спектрометрических, полевых гравимагнитных, электромагнитных и сейсмических исследований устанавливают основные закономерности в распределении месторождений полезных ископаемых, связи между положением рудных поясов, полей и месторождений, рудовмещающих и рудоконтролирующих структур с глубинным строением земной коры, т. е. изучается, прежде всего, наличие, местоположение и геометрия месторождений.
Картировочно-поисковые крупномасштабные (1 : 50 000) геофизические исследования перечисленными выше методами обеспечивают уточнение и выделение перспективных на поиск полезных ископаемых площадей, давая информацию о форме и содержании рудных залежей (см. 9.2.3).
Поисково-разведочные работы на рудных месторождениях начинаются с поисков в первую очередь крупных или средних рудопроявлений. Из числа наземных геофизических методов для решения поисковых и особенно разведочных задач в зависимости от природных геолого-геофизических условий и вида полезных ископаемых выбирают электроразведку методами естественного электрического поля (ЕП или ПС), профилирования и зондирования с использованием вызванной поляризации (ВП), индуктивного низкочастотного (НЧМ), высокочастотного (ВЧМ), переходных процессов (МПП)); высокоточную гравиразведку и магниторазведку; сейсморазведку методом преломленных волн (МПВ); радиометрию (гамма- и эманационные съемки).
Если по данным поисково-оценочных работ и предварительной разведки прогнозные запасы полезного ископаемого на выявленном месторождении достаточны, а предполагаемые горнотехнические условия его добычи благоприятны, то разрабатывают технико-экономическое обоснование (ТЭО) на детальную разведку месторождений.
Целью детальной разведки является изучение особенностей морфологии и внутреннего строения отдельных рудных тел, что необходимо для подсчета запасов, оценки горнотехнических и гидрогеологических условий проведения эксплуатационных работ. Детальную разведку осуществляют главным образом с помощью скважин и горных выработок. На этом этапе применяют геофизические исследования скважин с использованием электрических, ядерных, магнитных, термических, сейсмоакустических методов, геоэлектрохимические методы и межскважинные просвечивания. В результате составляется геолого-геофизическая документация в масштабе 1 : 5000, 1 : 2000, 1 : 1000 для подсчета запасов и представления материалов в Государственную комиссию по запасам полезных ископаемых.
В случаях, когда доразведка и эксплуатация месторождений сопровождаются проходкой вертикальных и горизонтальных подземных горных выработок, иногда применяют комплекс методов шахтно-рудничной геофизики (методы радиоволнового и сейсмоакустического просвечивания, ядерно-физические методы и др.).
При поисках и разведке черных металлов используют комплекс геофизических методов, среди которых основными являются методы магнито- и гравиразведки, электро- и сейсморазведки. Месторождения черных металлов по условиям образования весьма разнообразны, а слагающие их руды обладают различными физическими свойствами. Магнетитовые рудные тела характеризуются высокими значениями магнитной восприимчивости, плотности и электропроводности. Поэтому прежде всего для их поисков и разведки применяют магниторазведку, гравиразведку и электроразведку. Значение методов электроразведки повышается при поисках слабомагнитных буро-железистых руд в осадочных породах и коре выветривания, отличающихся повышенной электропроводностью. Сейсморазведку при поисках и разведке черных металлов применяют в основном для изучения рельефа поверхности кристаллического фундамента и определения мощности покровных отложений над рудными залежами.
На рисунке 9.5 в качестве примера приведены аномалии магниторазведки (Zа) и электроразведки методами сопротивлений (ρk) и вызванной поляризации (ηk) на контактово-метасоматическом месторождении в Горной Шории.
Рис. 9.5. Графики Za, ηk и ρk на железорудном месторождении (по А. З. Горину):
1 — сланцевая толща; 2 — порфириты; 3 — сиениты; 4 — магнетитовая руда
Поиски месторождений цветных и особенно редких металлов затруднены тем, что они содержатся в руде в малых концентрациях и слабо проявляются в физических полях на дневной поверхности. Однако применение сейсморазведки (МПВ) и электромагнитных зондирований позволяет выявлять структуры, благоприятные для накопления цветных и редких металлов. Для прямых поисков руд выбирают комплекс 2–4 методов из следующих: электроразведки методами ЕП, КС, ВП, МПП, магниторазведки, гравиразведки, радиометрии, металлометрической и газовой съемок. На этапе разведки месторождений бурением можно применять геоэлектрохимические методы, а в ходе эксплуатации — методы геофизических просвечиваний.
На месторождениях радиоактивного сырья, разнообразных по генетическим признакам и условиям залегания, основными поисковыми методами являются радиометрические (ядерно-геофизические). При этом измеряется интенсивность естественной радиоактивности (J) горных пород и руд (пешеходная, автомобильная и аэрогамма-съемки, эманационная съемка, радиоактивный каротаж скважин). Иногда используется магниторазведка (∆Z) и электропрофилирование (ρk) (рис. 9.6).
Рис. 9.6. Графики J, ∆Z и ρk над ураноносными тектоническими зонами дробления в эффузивах:
1 — элювий-делювий; 2 — трахилипариты; 3 — трахидациты и их туфы; 4 — разрывные нарушения
9.3.4. Нерудная и угольная геофизика
К нерудным (неметаллическим) полезным ископаемым относятся свыше 200 минералов и горных пород, которые могут служить сырьем: индустриальным (алмаз, пьезокварц, слюда, корунд, графит, барит, флюорит, боксит и др.); химическим и агрохимическим (соли натрия, калия, апатит, фосфорит и др.); строительным минеральным, в том числе керамическим (глина, полевой шпат, кварцевый песок и др.), огнеупорным (магнезит, песчаники, кварциты и др.) и строительным (известняк, песок, гравий, изверженные и метаморфические породы и др.).
Объемы и стоимость разработки нерудных полезных ископаемых больше, чем рудных, а удельные затраты на геофизические методы среди других геолого-разведочных работ меньше. Вместе с тем рациональный комплекс из нескольких (двух-четырех) геофизических методов может, как показывает практика нерудной геофизики, более чем на треть сократить расходы и время на разведку этих полезных ископаемых по сравнению с разведкой только бурением скважин.
Основными задачами нерудной геофизики являются: выявление особенностей геологического строения, установление прогнозно-поисковых признаков, выделение перспективных площадей и, наконец, поиски и разведка сырья. Решение первых трех задач можно проводить в ходе целенаправленной переинтерпретации материалов крупномасштабных картировочных работ с применением геофизических методов (см. 9.2.2). На перспективных площадях следует применять более детальные комплексные поисково-разведочные геолого-геофизические исследования. Выбор того или иного комплекса методов геофизики (электрические зондирования, гравиразведка, сейсморазведка МПВ) определяется контрастностью физических свойств объектов исследований и вмещающих пород и их геометрией.
Алмазы являются одним из наиболее ценных видов индустриального сырья. Коренные месторождения алмазов приурочены к кимберлитам, а вторичные — к осадочным россыпям речных долин. Кимберлитовые, вертикально залегающие, столбообразные тела диаметром от 10 до 800 м, уходящие на большую глубину, сложены ультраосновной брекчированной породой с многочисленными включениями ксенолитов (обломков окружающих пород и фундамента). ФГМ для кимберлитовых трубок служит вертикальный цилиндр (столб) с отличающимися от вмещающей среды плотностью, магнитной восприимчивостью, удельным электрическим сопротивлением. Сами же алмазы, занимая малый объем в кимберлите, редко служат объектом геофизических поисков. Ведущими методами поисково-разведочных работ на кимберлитовые трубки являются аэромагниторазведка и наземная магнитная съемка. Однако узкими локальными аномалиями на графиках магнитной съемки выделяются не только кимберлитовые трубки, но и многочисленные дайки пород основного состава, траппов и т. п. Поэтому для разбраковки полученных магнитных аномалий применяют гравиразведку и какой-нибудь метод электромагнитного профилирования и терморазведку в шпурах.
Местоположение россыпных месторождений алмаза изучают с помощью электропрофилирований, электрозондирований, сейсморазведки МПВ.
Пьезоэлектрическое минеральное сырье (пьезокварц, оптический флюорит), слюды, а также некоторые редкие и благородные металлы (вольфрам, молибден, золото и др.), приуроченные к кварцевым и пегматитовым жилам, отличаются от вмещающих интрузивных, а иногда осадочных пород низкими величинами магнитной восприимчивости и гамма-активности. Они характеризуются высоким удельным электрическим сопротивлением и плотностью для ненарушенных, массивных жил и пониженными — у разрушенных, трещиноватых жил; повышенной теплопроводностью, а главное — очень высокими (в 10–100 раз больше, чем во вмещающих породах) пьезоэлектрическими модулями.
Для поиска таких жил используют обычно от одного до трех из следующих методов: магнитная, тепловая (шпуровая) и гамма-съемки, электромагнитные профилирование и зондирование; высокоточная гравиразведка, сейсморазведка. Разведка кварцевых и пегматитовых жил (в наземном, скважинном и шахтном вариантах) проводится пьезоэлектрическим методом.
Минеральные соли (простые и сложные хлориды и сульфаты натрия, калия, магния и ряд других соединений) и агрохимическое сырье (апатиты, фосфориты) разрабатываются часто открытым способом. Месторождения представлены в виде пластовых, штокообразных, куполообразных залежей. От вмещающих терригенных и изверженно-метаморфических пород они отличаются пониженными плотностью и магнитной восприимчивостью, повышенными удельным электрическим сопротивлением, скоростью распространения упругих волн и теплопроводностью, а также пониженной для солей натрия и магния и повышенной для солей калия и фосфора гамма-активностью.
Поиск и разведку минеральных солей можно проводить гравимагнитными и разными радиометрическими съемками, электромагнитными профилированиями и зондированиями. Разведку минеральных солей проводят с помощью полевых электромагнитных и сейсмических зондирований и геофизических исследований скважин (электрическими, ядерными методами).
Месторождения строительного минерального сырья (глинистые, песчанистые, песчано-гравийные, гравийно-галечниковые, галечно-валунные материалы), широко применяемые в строительстве, связаны, главным образом, с четвертичными отложениями и добываются как на суше, так и на дне акваторий (рек, озер, на шельфе морей).
В ряду рыхлых осадочных пород (глины — пески — гравий — галька — валуны) физические свойства увеличиваются следующим образом: от 0,01 до 100 мм — средний диаметр твердых частиц, от единиц до тысячи ом-метров — удельное электрическое сопротивление (при заполнении пресными водами), незначительно меняется плотность, уменьшаются естественная, иногда вызванная поляризуемость, гамма-активность, скорость распространения упругих волн, магнитная восприимчивость.
Для расчленения перечисленных рыхлых пород, поисков и разведки тех или иных из них можно использовать электромагнитные профилирование и зондирование, сейсморазведку МПВ, гамма-съемку, иногда гравимагниторазведку. Обычно применяют одновременно не более двух методов.
Скальные строительные материалы: изверженные (граниты, гранодиориты, габбро, диабазы, базальты и др.), метаморфические (гнейсы, кварциты, песчаники, мрамор и др.) и осадочные (известняки, доломиты, мел и др.) породы широко используются в строительстве. Для изверженных и метаморфических пород характерны высокие плотности, скорости распространения упругих волн, удельные электрические сопротивления, хотя разрушенные разности этих пород могут отличаться пониженными значениями перечисленных параметров. Магнитная восприимчивость у них изменяется в зависимости от петрографо-тектонических особенностей. Радиоактивность возрастает от метаморфических, ультраосновных, основных к кислым породам, от песчано-известковых — к глинистым.
Пластовые крутослоистые залежи строительных материалов изучаются гравимагниторазведкой, электромагнитными профилированиями, гамма- и эманационной съемкой, а пологозалегающие — методами гравимагниторазведки, электромагнитными зондированиями, сейсморазведкой МПВ.
Поиск и разведка угольных месторождений осуществляются полевыми и скважинными геофизическими методами: электрометрическими и сейсмоакустическими. Это объясняется тем, что угли отличаются от вмещающих пород удельным электрическим сопротивлением, естественной и вызванной электрохимической активностями и скоростью распространения упругих волн. Значения этих параметров зависят от химико-технологических характеристик угля, качественного (химического) и количественного состава органической массы (углерод, водород, кислород, азот и др.), количества твердой негорючей массы, называемой золой, а также степени углефикации и обводненности углей.
В зависимости от структурных и генетических особенностей угольных месторождений их изучение проводят разными комплексами геофизических методов. Например, на месторождениях платформенного типа с горизонтальным и пологим залеганием угленосных толщ на глубинах во многие сотни метров применяют электромагнитное зондирование, сейсморазведку МОВ, гравиразведку. На месторождениях геосинклинального типа с крутым залеганием неглубоко расположенных угольных толщ используют чаще всего электромагнитное профилирование, радиометрию. Важную роль при изучении мощности и качества угля в разрезах скважин играют методы ГИС (электрические, ядерные, сейсмоакустические).
В ходе добычи угля шахтным способом возникает ряд проблем, связанных с выклиниваниями или увеличениями мощностей угольных пластов, изменением прочностных свойств массивов пород и горных давлений (вплоть до горных ударов), появлением горючих газов и подземных вод в выработках. Опережающая разведка проходки подземных выработок для добычи угля ведется с помощью бурения горизонтальных скважин и шпуров. Она должна сопровождаться применением шахтных подземных геофизических методов. К ним относятся: изучение эмиссии массивов горных пород, т. е. нарастаний естественных упругих шумов и электромагнитных сигналов перед авариями, использование акустических и радиоволновых просвечиваний, выполнение микросейсмических и микроэлектромагнитных зондирований вдоль подошвы и стенок выработки, проведение радиометрических и газовых съемок.
Горючие сланцы отличаются от окружающих осадочных пород пониженными значениями плотности, удельного электрического сопротивления, скоростей распространения упругих волн. Поскольку они залегают вблизи поверхности и их разработка проводится открытым способом, то для определения их местоположения, глубины залегания кровли пластов и их мощностей, литологии окружающих пород и их обводненности используются методы малоглубинной геофизики (электромагнитные зондирования, сейсморазведка МПВ). При наличии скважин целесообразно вести их каротаж электрическими, сейсмоакустическими и ядерными методами.