Геофизческие методы

Геофизика - это комплекс наук, исследующих физическими методами строение Земли. Геофизика в широком смысле изучает физику твердой Земли (земную кору, мантию, жидкое внешнее и твердое внутреннее ядро), физику океанов, поверхностных вод суши (озер, рек, льдов) и подземных вод, а также физику атмосферы (метеорологию, климатологию, аэрономию). Или, говоря иначе, геофизика изучает все сферы Земли: литосферу, гидросферу, атмосферу и т.п. В последнее время принято выделять еще одну оболочку - биотехносферу. Это часть атмосферы, гидросферы, земной коры, являющаяся средой обитания человека и испытывающая антропогенно-техногенную нагрузку вследствие деятельности людей. Непрерывно возрастающая роль антропогенно-техногенной нагрузки, сравнимой с природными факторами, привела к появлению геофизики биотехносферы (ее можно назвать геофизической экологией), предназначенной для изучения влияния физических полей на экосистемы Земли.

Мы же будем рассматривать исключительно физику твердой Земли (т.е. литосферы), основными разделами которой являются сейсмология, гравиметрия, геомагнетизм, геоэлектрика, геотермия, физика минералов и горных пород, геодезия, реология. Занимая среди других наук уникальное стыковое положение, геофизика использует их данные, в первую очередь данные физики и геологии, а также математики, астрономии, кристаллографии, геохимии. Большое влияние на развитие геофизики оказали результаты космических исследований и развитие теории тектоники плит. Прикладная геофизика разрабатывает методы и теорию геофизической съемки и геофизической разведки, главным образом с целью поиска месторождений полезных ископаемых.

Зарождение геофизических методов разведки связано с началом использования магнитных компасов для поиска железных руд и электрических измерений для выявления сульфидных руд. Применение геофизических методов расширилось в 1920-х годах, когда гравиметрические и сейсмические исследования доказали свою эффективность в обнаружении соляных куполов и связанных с ними нефтяных залежей на побережье Мексиканского залива в США и Мексике.

Геофизические методы основаны на изучении физических свойств пород. Геофизическая разведка отличается от геологической разведки тем, что вся информация о поисковых объектах извлекается в результате интерпретации инструментальных измерений, а не путем непосредственных наблюдений.

Предметом исследований геофизических методов (прикладной геофизики) являются: глубинные структуры земной коры на суше и океанах (платформенные, геосинклинальные, рифтовые области, океанические впадины и др.), кристаллический фундамент, осадочный чехол, полезные ископаемые в них.

Основными задачами геофизических исследований земной коры являются следующие: изучение состава, строения и состояния пород, слагающих земную кору, а также их динамики, выявление полезных ископаемых и изучение геологической среды как основы для промышленного, сельскохозяйственного и прочив видов освоения путем косвенного изучения физических полей. Формально они сводятся к обнаружению геологических объектов, оценки их геометрии, а по физическим свойствам определение их геологической природы.

Остановимся на краткой характеристике физических полей Земли, а также физических свойствах среды, обеспечивающих возможность выявления аномальных объектов в ней.

Каждое физическое поле численно характеризуется своими параметрами. Так, гравитационное поле определяется ускорением свободного падения или силы тяжести () и его градиентами (g_x,g_y,g_z) и др.; геомагнитное поле - полным вектором напряженности и различными его элементами (вертикальным , горизонтальным и др.); электромагнитное - векторами магнитной () и электрической () составляющих; упругое - скоростями () распространения различных упругих волн; термическое - температурами (С); ядерно-физическое - интенсивностями естественного () и искусственно вызванных (, ) гамма- и нейтронных излучений.

Принципиальная возможность проведения геофизической разведки определяется тем, что распределение параметров полей зависит не только от происхождения естественных или способа создания искусственных полей, но и от литолого-петрографических и геометрических неоднородностей земной коры, создающих аномальные поля. Аномалией в геофизике считается отклонение измеренного параметра поля от нормального, за которое чаще всего принимается поле над однородным полупространством. При этом возникновение аномалий связано с тем, что объект поисков либо сам создает поле в силу естественных причин, например, возбуждается естественное постоянное электрическое поле, либо искажает поле, вследствие различий физических свойств, например, отражение сейсмических или электромагнитных волн от контактов разных толщ. Интенсивность аномалий определяется контрастностью физических свойств, относительной глубиной объекта, а также уровнем помех.

Если геологические и геохимические методы являются прямыми методами близкого действия, основанными на непосредственном изучении минерального, петрографического или геохимического состава вскрытых выработками горных пород, то геофизические методы являются косвенными, дальнего действия. Они обеспечивают равномерность, объемный, интегральный характер получаемой информации с теоретически неограниченной глубинностью. При этом производительность экспериментальных геофизических работ значительно выше, а стоимость в несколько раз меньше по сравнению с разведкой с помощью неглубоких (до 100 м) и в сотни раз меньше глубоких (свыше 1 км) скважин.

Выявление геофизических аномалий - сложная техническая и математическая проблема, поскольку оно проводится на фоне не всегда однородного и спокойного нормального поля среди разнообразных помех геологического, природного, техногенного характера (неоднородности верхней части геологической среды, неровности рельефа, космические, атмосферные, климатические, промышленные и другие помехи), т.е. всегда наблюдается интерференция полей разной природы. При этом бывает как простое наложение (суперпозиция) параметров полей, так и их сложные, нелинейные взаимодействия.

Измеряя те или иные физические параметры по системам профилей или маршрутов и выявив аномалии, можно судить как о свойствах пород, так и получить сведения о геологическом строении исследуемого массива.

Аномалии геофизических полей определяются, прежде всего, изменением физических свойств горных пород по площади и по глубине. Так, гравитационное поле зависит от изменения плотности пород (); магнитное поле - от магнитной восприимчивости () и остаточной намагниченности (); электрическое и электромагнитное поля - от удельного электрического сопротивления пород (), диэлектрической () и магнитной () проницаемостей, электрохимической активности () и поляризуемости (); упругое поле - от скорости распространения () и затухания () различных типов волн, а последние, в свою очередь, - от плотности и упругих констант (модуль Юнга () и коэффициент Пуассона () и др.; термическое поле - от тепловых свойств: теплопроводности (), теплоемкости () и др.; ядерные - от естественной радиоактивности, гамма-лучевых и нейтронных свойств. Физические свойства горных пород меняются иногда в небольших пределах (например, плотность меняется 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 физико-геологических факторов одна и та же порода может характеризоваться разными свойствами, и наоборот - разные породы могут не отличаться по некоторым свойствам.

Изучение физических свойств горных пород и связи их с минеральным и петрографическим составом, водо-, газо-, нефтенасыщенностью является предметом исследований петрофизики.

Существуют различные виды классификации геофизических методов исследования земной коры по следующим критериям:

- типу измеряемых полей - естественных – гравитационного, магнитного и электрического и искусственно создаваемых полей.

- виду используемых полей (грави-, магнито-, электро-, сейсмо-, термогеофизика и ядерная геофизика);

- технологиям и месту проведения работ (аэрокосмические, полевые, акваториальные, подземные методы и геофизические исследования скважин);

- прикладным, целевым направлениям и решаемым задачам (глубинная, региональная, разведочная, инженерная и экологическая геофизика);

- видам деятельности (теоретическая, инструментальная, экспериментальная, вычислительная и интерпретационная геофизика).

Геофизические методы дают наилучшие результаты, когда физические свойства исследуемых и картируемых пород существенно отличаются от свойств граничащих с ними пород. Геофизические исследования всех типов включают сбор первичного материала в полевых условиях, обработку и геологическую интерпретацию полученных данных.

Дата добавления: 2014-01-06