Геофизические методы исследований. Учебное пособие для геофизических специальностей вузов

Геофизические методы исследований - это научно-прикладной раздел геофизики, предназначенный для изучения верхних слоев Земли, поисков и разведки полезных ископаемых, инженерно-геологических, гидрогеологических, мерзлотно-гляциологических и других изысканий и основанный на изучении естественных и искусственных полей Земли. Геофизика, находясь на стыке нескольких наук (геологии, физики, химии, математики, астрономии и географии), изучает происхождение и строение различных физических полей Земли и протекающих в ней и ближнем космосе физических процессов. Ее подразделяют на физику Земли, включающую сейсмологию, земной магнетизм, глубинную геоэлектрику, геодезическую гравиметрию, геотермию; геофизику гидросферы (физику моря); геофизику атмосферы и космоса и геофизические методы исследования, называемые также региональной, разведочной и скважин-ной геофизикой. Предметом исследования научно-прикладных разделов геофизики является осадочный чехол, кристаллический фундамент, земная кора и верхняя мантия с общей глубиной до 100 км.

Общее число геофизических методов или модификаций превышает 100 и существуют различные их классификации. По используемым физическим полям Земли их подразделяют на гравиразведку, магниторазведку, электроразведку, сейсморазведку, ядерную геофизику и терморазведку, называемые также гравиметрическими, магнитными, электромагнитными, сейсмическими, ядерно-физическими и термическими геофизическими методами исследований. В первых двух используют естественные, а в остальных - естественные и искусственные физические поля Земли. К естественным (пассивным) физическим полям Земли относят гравитационное (поле тяготения), геомагнитное, электромагнитное (разной природы), сейсмическое (поле упругих колебаний в результате землетрясений), радиоактивное и термическое. К искусственным (активным) относят следующие физические поля: электрическое, электромагнитное, сейсмическое (поле упругих колебаний, вызванных искусственным путем), вторичных ядерных излучений, термическое (поле температур).

Каждое физическое поле определяется своими параметрами. Например, гравитационное поле характеризуют ускорением свободного падения g и вторыми производными потенциала (Wxz, Wyz, Wzz и др.), геомагнитное поле - полным вектором напряженности Т и различными его элементами (вертикальным - Z, горизонтальным - Н и др.), электромагнитное - векторами магнитной Н и электрической Е компонент, упругое - временем и скоростями распространения различных упругих волн, ядерно-физические - интенсивностями естественного I γ и искусственно вызванных (I γ , I γγ и др.) излучений, термическое - распределением температур и тепловых потоков.

Принципиальная возможность проведения геологической разведки на основе изучения различных физических полей Земли определяется тем, что распределение параметров полей на поверхности или в глубине Земли, в море, океане или в воздушной оболочке зависит не только от общего строения Земли и околоземного пространства, а также происхождения или способа создания полей, т. е. от нормального поля, но также и от неоднородностей геологической среды, создающих аномальные поля. Иными словами, геофизика служит для выявления аномалий физических полей, обусловленных неоднородностями геологического строения, связанных с изменением физических свойств и геометрических параметров слоев, геологических или техногенных объектов. Геофизическая информация отражает физико-геологические неоднородности среды в плане, по глубине и во времени. При этом возникновение аномалий связано с тем, что объект поисков, называемый возмущающим, либо сам создает поля в силу естественных причин, например, повышенной намагниченности, либо искажает искусственное поле вследствие различий физических свойств, например, отражение упругих или электромагнитных волн от контактов разных толщ.

Если геологические и геохимические методы являются прямыми, методами близкого действия, основанными на непосредственном, точечном или локальном изучении минерального, петрографического или геохимического состава вскрытых выработками пород, то геофизические методы являются косвенными, дальнодействующими, обеспечивающими равномерность, объемный характер получаемой информации и практически неограниченную глубинность. При этом производительность 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 при бурении глубоких (свыше 1 км) скважин. Повышая геологическую и экономическую эффективность изучения недр, геофизические методы исследования являются важнейшим направлением современной геологии.

Выявление геофизических аномалий - сложная техническая и математическая проблема, поскольку оно проводится на фоне не всегда однородного и спокойного нормального поля, а среди разнообразных помех геологического, природного, техногенного характера (неоднородности верхней части геологической среды, неровности рельефа, космические, атмосферные, климатические, промышленные и другие помехи). Измерив те или иные физические параметры по системам обычно параллельных профилей или маршрутов и выявив аномалии, можно судить о свойствах пород и о геологическом строении района исследований.

Получаемые аномалии определяются прежде всего изменением физических свойств горных пород по площади и по глубине. Например, гравитационное поле зависит от изменения плотности пород <г; магнитное поле - магнитной восприимчивости/ и остаточной намагниченности /г; электрическое и электромагнитное поля - от удельного электрического сопротивления пород р, диэлектрической и магнитной проницаемости, электрохимической активности и поляризуемости; упругое поле - от скорости распространения различных типов волн, а последние, в свою очередь, - от плотности и упругих констант (модуль Юнга и коэффициент Пуассона и др.); ядерные - от естественной радиоактивности, гамма- и нейтронных свойств; термическое поле - от теплопроводности теплоемкости и др.

Физические свойства разных горных пород меняются иногда в небольших (например, плотность - от 1 до 6 г/см3), а иногда в очень широких пределах (например, удельное электрическое сопротивление-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 различаться по некоторым свойствам. Изучение физических свойств горных пород и их связи с минеральным и петрофизическим составом, а также водо-нефтегазонасыщенностыю является предметом исследований петрофизики. <...>