Введение. Геофизические методы исследования земной коры (их называют также прикладной и

Геофизические методы исследования земной коры (их называют также прикладной и промысловой или региональной, разведочной и скважинной геофизикой) - это научно-прикладной раздел геофизики - фундаментальной науки, изучающей Землю и околоземное пространство с помощью естественных и искусственно создаваемых (управляемых) физических полей. Геофизика подразделяется на физику Земли, изучающую Землю как планету и содержащую такие разделы, как гравиметрия, магнитометрия, геоэлектрика, сейсмология, сейсмометрия, термометрия, ядерная геофизика, и геофизику ее оболочек: воздушной (атмосфера), водной (гидросфера) и каменной (литосфера).

Учитывая все возрастающую роль природных эндогенных (внутренних) факторов, таких как землетрясения, медленные подъемы и опускания суши и др., и экзогенных (внешних) факторов, например, выветривания, оползнепроявления и др., а также антропогенно-техногенных сил (взрывов, загрязнений окружающей среды и др.), целесообразно выделить еще одну оболочку - биотехносферу. В нее следует включить части атмосферы, гидросферы, земной коры, являющиеся средой обитания человека и испытывающие антропогенно-техногенную нагрузку. Раздел геофизики, предназначенный для изучения этой оболочки Земли, можно назвать геофизикой биотехносферы или геофизической экологией [Хмелевской В.К., 1997].

Из фундаментальных геофизических наук, предназначенных для исследования Земли и ее оболочек, выделяются научно-прикладные разделы. Так, геофизика воздушной оболочки включает физику космоса и атмосферы, метеорологию, климатологию и др. Геофизика гидросферы состоит из гидрофизики, океанологии, физики моря, лимнологии (изучение озер), гидрологии (изучение рек), гидрогеологии (изучение подземной гидросферы), гляциологии (изучение ледников) и др. Из геофизики литосферы выделились прикладная и промысловая геофизика, содержащие методы: гравиразведку, магниторазведку, электроразведку, сейсморазведку, терморазведку, ядерную геофизику и геофизические исследования скважин (ГИС). Научно-прикладным разделом геофизики биотехносферы становится экологическая геофизика.

Предметом исследований прикладной и промысловой геофизики является земная кора, т.е. часть литосферы мощностью до 70 км на суше и до 10 км в океанах. Целью этих научно-прикладных дисциплин являются исследования глубинного строения земной коры, кристаллического фундамента, осадочного чехла, поиск и разведка полезных ископаемых, изучение геологической или геофизической среды мощностью в первые сотни метров, верхней части разреза земной коры (ВЧР) мощностью порядка 100 м и окрестностей скважин на основе косвенной информации об интенсивности и структуре различных физических полей.

Основными задачами геофизических исследований земной коры являются следующие: выяснение состава, структуры и состояния горных пород, слагающих земную кору, выявление полезных ископаемых, изучение геологической среды как основы для промышленного, сельскохозяйственного, гражданского, военного освоения и сохранения ее экологических функций, как источника жизни на Земле.

Эти же задачи решаются другими геолого-геохимическими методами. 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 методами как "ближнего" (до 1 м), так и "дальнего" (до тысяч километров) действия. Они обеспечивают равномерность, объемный, интегральный характер получаемой объективной информации. 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, чем глубоких (свыше 1 км) скважин. Повышая геологическую и экономическую эффективность изучения недр, геофизические методы исследования являются важнейшим фактором ускорения научно-технического прогресса в геологии и горном деле.

В соответствии с решаемыми задачами основными прикладными направлениями геофизических исследований земной коры являются: глубинная; региональная; разведочная, подразделяемая на нефтегазовую, рудную, нерудную, угольную; инженерная, включающая инженерно-геологическую, гидрогеологическую, почвенно-мелиоративную, мерзлотно-гляциологическую, археологическую и техническую; экологическая геофизика. Формирование последней идет за счет экологических аспектов всех перечисленных прикладных направлений геофизики.

Остановимся на краткой характеристике физических полей Земли, их параметров, физических свойствах среды, обеспечивающих возможность выявления различных объектов в ней, последовательности процесса геофизических исследований. Этим проблемам была посвящена кн. 1 настоящей работы. Однако краткое их повторение в кн. 2 придаст ей определенную самостоятельность.

Каждое физическое поле численно характеризуется своими наблюденными (наблюдаемыми, измеряемыми или регистрируемыми) физическими параметрами поля (П_н). Их получают в результате геофизических работ (Г_р) с помощью сложной, как правило, компьютеризированной аппаратуры. Так, гравитационное поле определяется ускорением свободного падения или силой тяжести () и ее градиентами по осям координат (), геомагнитное поле - полным вектором напряженности и различными его элементами (вертикальной , горизонтальной составляющими и др.), электромагнитное - векторами магнитной () и электрической () составляющих, упругое - амплитудой () и временем () распространения упругих волн различного вида, термическое - температурой (), ядерно-физическое - интенсивностью естественного () и искусственно вызванных () гамма- и нейтронных излучений.

Принципиальная возможность проведения геологической разведки на основе различных физических полей Земли определяется тем, что распределение параметров полей в воздушной оболочке, на поверхности акваторий или земли, в горных выработках и скважинах зависит не только от происхождения естественных или способа создания искусственных полей, но и распределения в Земле геометрических и литолого-петрографических неоднородностей. Эти неоднородности отличаются по физическим свойствам от вмещающей среды, и в результате создаются аномальные физические поля. Аномалией, или полезным сигналом, 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, называемый источником аномалий (возмущений) или аномалосоздающим объектом, либо сам создает поле в силу естественных причин, например, естественное постоянное электрическое поле вокруг рудных залежей, либо искажает искусственно созданное поле вследствие различия физических свойств, например, за счет отражения сейсмических или электромагнитных волн от контактов разных толщ.

Эффективность выделения аномалий во многом определяется методикой (способом) проведения работ, куда входит система наблюдений, т.е. выбор расстояний между пунктами наблюдений (шаг съемки при профильных наблюдениях) и между профилями (при площадной съемке). Густота сети наблюдений зависит от решаемых задач, масштабов съемок, простирания, размеров и глубины залегания разведываемых объектов, в крест предполагаемого простирания которых профили обычно и ориентируются.

Аномалии приходится выявлять на фоне не всегда однородного и спокойного поля среди разнообразных помех геологического, природного, техногенного характера (неоднородности верхней части геологической среды, неровности рельефа, наличие космических, атмосферных, климатических, промышленных и других помех). В результате наблюдается интерференция полезных сигналов и помех разной природы. При этом наблюдается как простое наложение (суперпозиция) полей, так и сложные, нелинейные их взаимодействия.

Выявление аномальных параметров физических полей (П_а) - актуальная физико-математическая проблема, которая решается путем применения, как правило, компьютерных способов обработки геофизических данных (ОГД). Она сводится или к аппаратурно-калибровочным преобразованиям, или к введению поправок в наблюденное поле с учетом нормального поля, или разного рода трансформаций П_н в П_а, или специальных способов компьютерной обработки и перехода от реальных, наблюденных, к информационным параметрам поля в виде цифровых данных, в которых уменьшен уровень тех или иных помех. В результате получаются: графики аномалий (по горизонтали откладываются точки записи, т.е. пункты измерений или пикеты (ПК), а по вертикали П_а), карты графиков (на карте в заданном масштабе наносятся линии профилей, а перпендикулярно линиям профилей откладываются П_а и строятся графики); карты аномалий (на карте проставляются ПК, рядом записываются П_а и вычерчиваются изолинии равных значений П_а); временные разрезы (по горизонтали откладываются ПК, а по вертикали вниз времена прихода () сигналов от объектов, расположенных на разных глубинах).

Следующим этапом геофизического процесса является преобразование аномальных (информационных) параметров поля (П_а) в реальные, непосредственно связанные с параметрами разведываемых аномалосоздающих объектов (П_о). К параметрам объектов относятся их физические (геофизические) свойства (ФС) и геометрические (структурные) характеристики (ГФХ), т.е. П_о = ФС + ГФХ.

Каждое физическое поле определяется соответствующими физическими свойствами разведываемых объектов и вмещающей среды. 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, естественной поляризуемости, или электрохимической активности (), и вызванной поляризуемости (); упругое поле - от скорости распространения () и затухания () различных типов волн, а последние, в свою очередь, - от плотности, упругих констант (модуль Юнга (), коэффициент Пуассона () и др.); термическое поле - от тепловых свойств: теплопроводности (), теплоемкости (), температуропроводности () и др.; ядерные - от естественной и наведенной радиоактивности, гамма-лучевых и нейтронных свойств. Физические свойства горных пород изменяются иногда в небольших пределах (например, плотность изменяется 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 иметь одинаковые свойства.

Геометрическими характеристиками аномалосоздающих объектов являются: глубина, размеры, особенности физических границ, на которых физические свойства могут изменяться резко (контрастно) или плавно (градиентно).

Определение геометрических и физических параметров объектов (П_о) по аномальным параметрам физических полей (П_а) называется решением обратной задачи (ОЗ) геофизики (П_а П_о). Определение аномальных параметров физических полей по известным геофизическим и физическим параметрам объектов составляет суть прямой задачи (ПЗ) геофизики (П_о П_а). Решение прямых и обратных задач в каждом геофизическом методе основано на известных в теории поля интегральных и дифференциальных уравнениях связи П_а и П_о. Такое решение называется математическим моделированием. При этом реальные аномалосоздающие объекты аппроксимируются физико-геологическими моделями (ФГМ), т.е. телами сравнительно простой геометрической формы с заданными размерами и физическими свойствами или контрастностями свойств.

прямых задачах геофизики для простых ФГМ (одномерные среды, когда физические свойства меняются в одном направлении, например, горизонтально-слоистая среда, некоторые двумерные или трехмерные, например, длинный цилиндр или шар в однородной среде) имеются аналитические связи между П_а и П_о. Для более сложных ФГМ, близких к реальным, определение П_а по П_о производится приближенными численными методами. Однако практически все решения настолько сложны, что даже с помощью компьютеров можно получить их далеко не для всех ФГМ.

Решение обратных задач чаще всего проводится методом сравнения. Сущность его заключается в том, что экспериментальные кривые, графики или карты аномальных параметров последовательно сравниваются с соответствующими графическими материалами, рассчитанными в ходе решения прямой задачи на компьютерах для априорных (до опыта) ФГМ. Они выбираются в ходе ОГД и качественной (визуальной) интерпретации, когда на графически представленных аномальных полях выявляются аномалии, коррелируются аномалии и сопоставляются со всей имеющейся геолого-геофизической информацией. Меняя параметры модели (физические свойства и геометрические характеристики) и проводя расчеты прямых задач в автоматическом или диалоговом режиме работы на компьютере, добиваются наилучшего совпадения экспериментальных и теоретических данных. Параметры совпадающей теоретической модели (ФС и ГФХ), называемой апостериорной (после опыта) ФГМ, считаются наиболее вероятными для аппроксимации разведываемого объекта (П_о).

Математическое решение прямых задач, т.е. определение параметров физического поля по известным физическим свойствам, размерам и форме геологических объектов, хотя и сложно, но однозначно. Вместе с тем одно и то же распределение параметров физического поля может соответствовать различным соотношениям физических свойств и размеров геологических объектов. Иными словами, математическое решение обратной задачи геофизики, т.е. определение размеров геологических объектов и свойств слагающих их пород по наблюденному полю, не только значительно сложнее, но и, как правило, неоднозначно. Это объясняется некорректностью обратных задач математической физики, когда малым изменениям П_а могут соответствовать большие изменения П_о.

Решение обратных задач (ОЗ) и обработка геофизических данных (ОГД) составляют самый ответственный цикл геофизических исследований - интерпретацию, или истолкование, результатов, т.е. восстановление физико-геометрических параметров объектов (П_о) по создаваемым ими аномалиям (П_а). Интерпретация геофизических данных проводится в рамках ФГМ и дает некоторое эквивалентное решение, которое в неблагоприятных геолого-геофизических условиях, например, для объектов малых размеров, расположенных на большой глубине, может резко отличаться от истинного. Для повышения точности геофизической интерпретации необходимо иметь дополнительную информацию: результаты нескольких геофизических методов, опорные скважины, данные ГИС в них и др.

Наконец, заключительным этапом геофизического процесса, конечной целью исследований является геологическая интерпретация (ГИ) или обращение физико-геометрических параметров объекта (П_о = ФС + ГФХ) в геолого-геометрические (П_г = ГС + ГГХ). Если перевод геометрических характеристик, полученных в результате геофизических исследований (ГФХ), в геологические (ГГХ) понятен, хотя и производится с разными погрешностями, то обращение физических свойств (ФС) выявленных объектов в геологические (ГС) - проблема очень сложная. Ее решение проводится в рамках петрофизики, т.е. научной дисциплины, находящейся на стыке петрологии и физики горных пород, предназначенной устанавливать теоретические, эвристические и статистические связи между ФС и ГС. Трудности здесь прежде всего в том, что если ФС выражается количественно (хотя и с погрешностями), то ГС далеко не всегда можно формализовать в виде чисел.

Основными геологическими свойствами являются: литология (Л), структурно-текстурное строение (С-Т), флюидонасыщенность (Ф), характеризующие соответственно минеральный и петрографический состав твердой среды, объем, характер строения пустот, пор, трещин и прочность пород; содержание в них воздуха (газа), нефти, воды.

Литология пластичных и рыхлых осадочных пород численно может быть выражена, например, в виде арифметического ряда чисел: от Л = 1, 2, 3 для тяжелых, средних, легких глин, далее таких же суглинков (4, 5, 6), супесей (7, 8, 9), песков (10, 11, 12), а также галечников (13) и валунов (14). В этом ряду Л пропорциональна среднему диаметру твердых частиц (), который является основным диагностическим признаком пластичных и рыхлых осадочных пород.

Пустотность породы может быть выражена через пористость и трещиноватость, т.е. отношение объема пор и трещин к объему твердой фазы ().

К структурно-текстурным особенностям породы относятся деформационно-прочностные свойства: модуль деформации (), предел прочности на сжатие () и др.

Флюидонасыщенность можно охарактеризовать через коэффициенты газо-, нефте-, водонасыщенности, или отношения объемов этих фаз к объему всей породы (), коэффициенты фильтрации (), проницаемости () и др.

Физико-геологические связи многофакторны, поэтому их лучше всего определять с помощью многомерной корреляции. С этой целью для любого геологического свойства изучаемого района надо получать уравнение многомерной связи, называемое уравнением регрессии, с рядом геофизических свойств. Например, коэффициент нефтенасыщенности можно определить по формуле: , где - коэффициенты, которые находятся в ходе эталонирования (обучения) на участках с известными , скоростями продольных волн (), удельными электрическими сопротивлениями () и поляризуемостями () нефтеносных пород изучаемого района. По одному геофизическому свойству можно пытаться определить ряд геологических с помощью одномерных уравнений линейной связи. Однако надежность таких расчетов невысока.

Таким образом, геофизические исследования представляют собой последовательность операций:

позволяющую получить цепочку соответствующих параметров:

Такая последовательность геофизических исследований с набором информативных параметров разной природы называется информационной моделью геофизики.

Каждая из четырех операций геофизического процесса характеризуется своей погрешностью, зависящей от ряда факторов. Общая погрешность наблюдений равна сумме погрешностей, т.е. складывается из погрешностей наблюдений (), процедур обработки (), решения обратной задачи () и геологической интерпретации (). Погрешности наблюдений и обработки наиболее управляемы, взаимопогашаемы. Погрешности останутся большими, даже если свести к минимуму погрешности наблюдений и обработки, так как в этом случае перед геофизиками стоит труднопреодолимая некорректность решения обратной задачи. Большие ошибки в будут, если геологическое свойство определяется только по одному геофизическому параметру.

Поэтому комплексирование методов и повышение точности решения ОЗ за счет использования более точных ФГМ, все более мощных компьютеров, использования методов регуляризации некорректных задач (уменьшение неоднозначности) и других приемов является условием повышения точности геофизических исследований. Вместе с тем лишь при полнейшем использовании всей геологической информации, когда геологическое истолкование проводится геофизиками и геологами совместно, можно ожидать наибольшего эффекта в изучении недр Земли.

Существуют различные виды классификации геофизических методов исследования земной коры по:

· используемым полям (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). Особое место в геофизике занимают геофизические исследования скважин (ГИС), отличающиеся от прочих геофизических методов специальной аппаратурой, техникой проведения наблюдений и имеющие большое прикладное значение при документации разрезов скважин и их эксплуатации при добыче нефти и газа.

Как отмечалось выше, верхние оболочки Земли являются предметом исследования не только геофизики, но и других наук: геологии со всеми разделами, геохимии, географии и др. Геофизические методы исследования, базируясь на этих науках, являются, прежде всего, геологическими. Вместе с тем, давая другим наукам о Земле всевозможную информацию, они изменяют сам характер геолого-разведочных работ. О большой роли геофизики говорит, например, такой факт: треть ассигнований и четверть специалистов в геолого-разведочных организациях связаны с геофизикой. Вместе с тем важнейшим методологическим принципом, под которым понимается теория рациональной деятельности, для геофизической разведки является комплексирование: межметодное геофизическое (применение хотя бы двух-трех из перечисленных методов геофизики), разноуровневое (аэрокосмические, аквально-полевые, подземно-скважинные наблюдения), междисциплинарное (использование геологической, гидрогеологической, биологической, экологической, медицинской и другой информации). Методика комплексных исследований характеризуется стадийностью (переходом от простых методов к более трудоемким, от мелких масштабов к крупным), выбором типовых комплексов для определенных условий и решаемых задач, переходом к рациональным, экономически обоснованным методам решения конкретных задач. Теория комплексной интерпретации на базе компьютерных технологий разрабатывается в рамках вычислительной геофизики или геофизической информатики. Цель комплексной интерпретации сводится к достижению однозначности геологических выводов путем выбора, анализа, оптимизации ФГМ.

Возрастание роли геофизики в связи с увеличением глубин и сложности разведки месторождений ведет не к замене геологических методов геофизическими, а к рациональному их сочетанию, широкому использованию всеми геологами данных геофизики. Единство и взаимодействие геологической и геофизической информации - руководящий методологический принцип комплексирования наук о Земле. Объясняется это тем, что возможности каждого частного метода геологоразведки (геологическая съемка, бурение, проходка выработок, геофизика, геохимическая разведка и др.) ограничены. В любом случае геофизика облегчает разведку глубокозалегающих полезных ископаемых, особенно в труднодоступных районах, а также изучение геологической среды с инженерными и экологическими целями. Сближение и совместное использование геологической, геофизической и геохимической информации - единственно разумный и экономически целесообразный путь изучения недр.

В настоящей работе рассмотрены особенности геолого-геофизического комплексирования как в общем случае, так и применительно к таким видам прикладной геофизики, как глубинная, региональная, разведочная, инженерная и экологическая. Первые четыре вида прикладной геофизики существуют давно, достаточно хорошо разработаны и неоднократно рассматривались в учебниках и учебных пособиях. Экологическая же геофизика, предназначенная для изучения структурных нарушений, химического и физического загрязнения природной среды, представляет собой новый научно-прикладной раздел геофизики. Основы экологической геофизики заложены в сформировавшихся методах прикладной геофизики, поскольку экологические аспекты присутствуют в глубинной, региональной, разведочной и особенно инженерной геофизике. В главе 6 настоящей работы они выделены в виде нового геофизического направления - экологической геофизики.

Дата добавления: 2015-08-26