Геофизические методы исследований

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.

Геофизические методы исследований широко применяют на современном этапе геологических исследований, в обязательном порядке в комплексе с геолого-тектоническими, геохимическими, минералогическими и другими методами , особенно для изучения глубинных частей Земли, вплоть до ее ядра. Объектами геофизических исследований являются:

1. природные объекты в верхних горизонтах земной коры (горные породы и руды), в частности особенности их физических полей (гравитационных, магнитных, электрических и др.), отражающих строение и состав месторождений, залежей, пород, руд и т.д.:
2. их расположение в земной коре, мантии и определяющее геологическое строение и структуру этих блоков Земли;
3. различные физические процессы и явления, как внешние, так и внутренние, в результате которых природные объекты зарождаются, изменяются, исчезают, а также формируется внутреннее сложное строение Земли;
4. причины и закономерности возникновения и развития геологических процессов и сопровождающих их физических полей, что неизбежно приводит нас к пониманию закономерности развития Земли в целом.

↑Возникновение и развитие геофизических методов исследований

Возникновение и развитие геофизических наук значительно отставало от возникновения и развития геологических наук, при этом возникновение и развитие геофизических методов исследований естественно отставало еще значительнее. Для развития геофизических методов необходимо было не только сформировать геологию как науку в историческом масштабе времени, но необходимо было развить и формировать практически все направления естественных наук и, прежде всего, математику, физику, химию и т.д. Кроме того, должны были активно развиваться различные отрасли промышленности, экономика и другие сферы деятельности человека, что неизбежно приводило бы к созданию той или иной техники и приборов. По этой причине первые геофизические, если их так можно было назвать, исследования относились к области классической физики и были чисто теоретическими. Так, напомним, некоторые современные ученые-геофизики считают Хосе де Акосту основателем геофизики за исследования в области метеорологии и физики. В его трудах впервые появилась теория о четырёх линиях без магнитного склонения; теоретические соображения об изгибе изотермических линий, о распределении тепла в зависимости от широты, о направлении течений и многих физических явлений, о различии климатов, активности вулканов, землетрясений, типов ветров и причины их возникновений. Надо сказать, что Акоста объяснил природу этих явлений, увязав периодичность и цикличность этих явлений с фазами Луны.

Таким образом, физико-математические основы геофизики были заложены в XVII веке. Заметим, что также давно началось использование физических полей Земли для практических целей. Интересно, что магниторазведка в качестве метода возникла раннее других геофизических методов и это было связано с применением компаса для разведки магнитных руд в Швеции в 1640 г. В 1687 г. Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения и с этого началась развиваться теория гравитационного поля Земли. В 1753 г. М. В. Ломоносов сформулировал идею о связи значений силы тяжести на земной поверхности с внутренним строением Земли и разработал идею газового гравиметра. Его же работы в области сейсмологии, атмосферного электричества можно считать первыми, относящимися к геофизическим исследованиям Земли. Первыми работами по электроразведке являются проведенные в 1830 г. наблюдения Р. Фокса (Англия) за естественной электрической поляризацией сульфидных залежей.

Геофизические методы исследования недр начали активно развиваться только с 20-х гг. XX в., спустя несколько веков после первых работ Хосе де Акосты в теоретической области геофизических наук (области метеорологии и физики).

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.

Первыми систематическими разведочными работами в России и в мире были съемки Курской магнитной аномалии (КМА), начатые в 1894 г., а также магнитные съемки, проведенные на Урале и в районе Кривого Рога в конце позапрошлого века. В 1919 г. будущим профессором МГУ им. М.В. Ломоносова и основателем кафедры геофизики Геологического факультета МГУ А. И. Заборовским были начаты систематические магнитные съемки на КМА. Именно эти работы можно считать началом развития отечественной разведочной геофизики. Теоретические работы начала прошлого века Э. Вихерта (Германия) и Б. Б. Голицина (Россия) в области сейсмологии имели самое непосредственное отношение к созданию сейсморазведки.

Уже к середине XX века оформились основные прикладные методы геофизики: грави-, магнито-, электро-, сейсмо-, терморазведка, несколько позже ядерная геофизика. При этом, исходя из задач эти методы стали делиться на глубинные, разведочные, инженерные и т.д. На современном этапе это уже достаточно разветвленный и разнообразный комплекс геофизических методов, способных решать множество задач.Особо отметим геофизические исследования скважин с особой и специальной аппаратурой, технологией и обработкой.

Особое место в развитии геофизических методов, начиная со второй половины XX века, играют физические, информационные и другие модели в геофизике, а также обработка и интерпретация геофизических данных. Это особые направления развития геофизических методов, связанные с внедрением в геофизику современных компьютерных систем, без которых сегодня не мыслимо развитие геофизики, как и любой другой геологической науки

Правильная интерпретация результатов всех геофизических методов возможна лишь на хорошей геологической основе, физической базе, математических теориях. На сегодня велико значение геофизических методов для изучения геологического строения дна морей и океанов, а также глубоких недр и Земли в целом. Все это приводит к четкому пониманию, что геолог-геофизик должен обладать глубокими знаниями не только в геологической области, но и математической, физической и химической.

↑Систематизация геофизических методов исследований

Геофизическая разведка исследования земных недр основывается на ряде физических методов. Геофизическая разведка проводится при поисках нефти и газа, рудных полезных ископаемых и подземных вод. Ее принципиальное отличие, например, от геологической разведки состоит в том, что вся информация о поисковых объектах извлекается в результате интерпретации параметров инструментальных измерений, а не путём непосредственных наблюдений. Геофизические методы основаны на изучении физических полей и физических свойств пород и минералов, их слагающих. Они используются для выявления месторождений полезных ископаемых. Например, магнитные свойства исследуют для поиска железных руд, электрические свойства - при поиске сульфидных руд. Также геофизические методы используются для картографирования и расчленения геологических структур, например, соляных куполов и антиклиналей (где аккумулируется нефть), для картографирования рельефа дна океана различными сигналами (широко используется акустические методы, сейсморазведка), структуры и разрезов океанической и континентальной земной коры (сейсморазведка, гравиразведка), определения мощности рыхлых отложений, коренных пород, толщины ледниковых покровов и плавающих в океанах льдов, при археологических исследованиях и т.п.

Геофизические методы делятся на два системно образующих блока. К первому относятся методы измерения естественных земных физических полей — гравитационного, магнитного и электрического, теплового, ко второму— искусственно создаваемых физических полей. Геофизические методы дают наилучшие результаты, когда физические свойства исследуемых и картографируемых пород существенно отличаются от физических свойств граничащих с ними или вмещающих их пород. Но в настоящее время чувствительность аппаратурного комплекса и методы обработки настолько высоки технологически, что возможно расчленение толщ на тончайшие слои или выделение блоков пород с небольшими отличиями по свойствам. Геофизические методы исследования всех типов включают в себя следующие этапы: сбор первичного материала в полевых условиях, обработку и геологическую интерпретацию полученных данных или сразу же в полевых условиях или (и) в центрах по обработке геофизической информации. На всех этапах применяются современные компьютеры с большим быстродействием, с большой памятью, с большим пакетом разнообразных программ. Широко применяют космические средства передачи информации на большие расстояния.

Поэтому для изучения земной коры в первую очередь, а тем более нижележащих геосфер и оболочек, геология не может обходиться без помощи косвенных методов, разработанных другими науками, особенно без геофизических методов. Очень часто применяется комплекс геологических, геофизических, геохимических и других методов, способствующих эффективному и более быстрому решению той или иной геологической задачи.

↑Основные направления геофизических исследований

Напомним, что геофизика в своем развитии использует данные других наук, в частности физики, математики, астрономии, кристаллографии, геохимии, да и геологии. Геофизические методы основаны на использовании физических характеристик отложений (удельного сопротивления, природной радиоактивности, остаточной намагниченности горных пород и т.д.) при их расчленении на слои и сопоставлении.

Большое влияние во второй половине XX века и на развитие геофизики оказали результаты космических исследований и развитие теории тектоники плит. Направления геофизических исследований достаточно разнообразны. Так, например, сейсмология изучает землетрясения как природные так и техногенные, их механизмы возникновения и последствия, распространение сейсмических волн, все виды движений земной коры, которые регистрируются сейсмографами на суше, под землей, на дне океанов и морей. Такое направление сейсмологии, как инженерная сейсмология, занимается. выбором сейсмически безопасных мест для строительства проектируемых сейсмостойких сооружений. Особенно это актуально в России на дальнем Востоке и в Закавказье.

Сейсмические методы широко используются для изучения внутреннего строения Земли в целом и ее структуры на разных глубинах. Особо следует отметить, что на основе результатов сейсмических исследований установлено, что Земля состоит из ядра, мантии и земной коры. Использование цифровых сейсмографов сыграло огромную роль в изучении земных недр и позволило регистрировать землетрясения. По данным об изменениях скоростей волн была составлена трехмерная схема строения мантии. Морская геофизика проводит исследования в морях и океанах, решая самые разнообразные задачи.

Гравиметрия занимается изучением гравитационного поля Земли. Локальные вариации этого поля, связанные с плотностными неоднородностями в пределах земной коры, используются для определения положения рудных тел. Гравиразведка в этом отношении достаточно эффективный метод.

Геомагнетизм исследует магнитное поле Земли (его источники и изменения на протяжении геологической истории Земли), а также магнитные свойства горных пород. Принято считать, что магнитное поле Земли обусловлено электрическими токами в жидком внешнем ядре, его напряженность изменяется с периодичностью от 100 до 10 000 лет, а полярность подвержена обращениям (инверсиям). Измерения интенсивности и направления намагниченности горных пород позволяют изучать происхождение и изменения во времени геомагнитного поля и служат ключевой информацией для развития теории тектоники плит и дрейфа материков.

Магниторазведка достаточно эффективный метод как расчленения толщ, так и выделения блоков с повышенными значениями магнитных параметров, что может быть связано с теми или иными месторождениями полезных ископаемых таких как, железных и железо-титанистых руд, сульфидных, золотых и т.д. Расчленение пород в буровых скважинах на основании измерений удельного сопротивления горных пород и пористости называется электрокаротаж, на основании измерений их радиоактивности – гамма–каротаж.

Изучение остаточной намагниченности горных пород называют палеомагнитным методом; он основан на том, что магнитные минералы, выпадая в осадок, распластовываются в соответствии с магнитным полем Земли той эпохи которая, как известно, постоянно менялась в течении геологического времени. Эта ориентировка сохраняется постоянно, если порода не подвергается нагреванию выше 580 ^оС (т.н. точка Кюри) или интенсивной деформации и перекристаллизации. Следовательно, в различных слоях направление магнитного поля будет различным. Палеомагнетизм позволяет т.о. сопоставлять отложения значительно удаленные друг от друга (западное побережье Африки и восточное побережье Латинской Америки).

Геоэлектрика изучает изменяющуюся с глубиной электропроводность Земли путем наблюдений за изменениями магнитного поля. Взаимодействие вариаций магнитного и электрического полей, обусловленных как естественными, так и искусственно индуцированными токами, используется в магнитотеллурическом зондировании при разведке полезных ископаемых и для изучения строения нижней части коры и верхней мантии. Это предопределило бурное развитие электроразведки.

Геотермические исследования основаны на измерении теплового потока и теплопроводности, а также радиоактивности вблизи поверхности, которые затем экстраполируются на глубину. Тепловое излучение Солнца оказывает незначительный эффект на недра Земли. Точно так же энергия, высвобождаемая при землетрясениях и приливном трении, мала по сравнению с геотермальными потерями тепла. Предполагается, что главный источник тепла в Земле обусловлен радиоактивным распадом долгоживущих радионуклидов, а также высвобождением гравитационной энергии и распадом короткоживущих радионуклидов. Современный тепловой поток Земли подвержен большим изменениям. На материках он зависит от радиоактивности коренных пород, причем на долю мантии приходится примерно половина общего теплового потока. В океанах он вдвое больше, чем на материках, и обусловлен, главным образом, конвекцией в мантии. Реология занимается изучением остаточных деформаций и течения вязких и пластичных материалов. Применительно к Земле это обычно означает исследование вязкости внутренних слоев и ее изменений во времени, а также глубинных движений вдоль разломов, перемещений литосферы относительно астеносферы, субдукции литосферных плит, трещинообразования в горных породах, крипа и т.п.

Мы осветили только некоторые важнейшие методы геофизических исследований. Все эти направления не только развиваются самостоятельно, но и тесно переплетены друг с другом взаимно дополняя друг друга и не только дополняя, но и дополняя другие методы исследования такие как геохимические, минералогические и другие. Геофизические методы исследования важнейший блок всего комплекса методов изучения Земли, ее внутренних и внешних оболочек, планет земной группы и космического пространства

↑Геофизические методы исследований в системе геофизических наук

Геофизика, как обобщающая наука, изучающая Землю и околоземное пространство с помощью естественных и искусственных физических полей занимает среди точных и естественных наук (астрономии, физики, математики, географии, геологии, химии) уникальное стыковое положение. Она использует достижения этих фундаментальных наук или родственных им научно-прикладных дисциплин (например, космонавтики, геодинамики, информатики, электроники, автоматики и др.), ставя перед ними немало проблем теоретического и прикладного плана.

Хотя иногда геофизику отождествляют с Физикой Земли, однако последняя наука изучает лишь Землю, как планету и ее оболочки: каменную - литосферу, мощностью порядка 100 км, астеносферу, простирающуюся до глубин 400 км, мантию - до глубин 2900 км, ядро внешнее (до глубин 5100 км) и внутреннее (до центра Земли). Глобальная геофизика как обобщающая фундаментальная наука включает не только Физику Земли, но и геофизику космоса и атмосферы, гидросферы, а также науки, изучающие конкретные физические поля Земли: гравиметрию, магнитометрию, геоэлектрику, сейсмологию, сейсмометрию, термометрию, ядерную геофизику. Из этих фундаментальных геофизических наук выделяются научно-прикладные разделы. Так, геофизика воздушной оболочки включает физику космоса и атмосферы, метеорологию, климатологию и др. Геофизика водной оболочки (гидросферы) состоит из гидрофизики, океанологии, физики моря, лимнологии (изучение озер), гидрологии (изучение рек), подземной гидросферы, гляциологии (изучение ледников) и др. Из геофизики литосферы выделились разведочная или прикладная геофизика с методами, имеющими большое практическое значение при поисках и разведке полезных ископаемых и называемыми гравиразведкой, магниторазведкой, электроразведкой, сейсморазведкой, терморазведкой, ядерно-геофизической и геофизические методы исследования скважин (ГИС).

Кроме названных выше выделяют и другие оболочки (сферы) Земли: биосферу (сферу жизни), гуманитарную сферу, ноосферу (сферу разума) и др. Учитывая все возрастающую роль природных эндогенных (внутренних) факторов, таких как землетрясения и др. и экзогенных (внешних) факторов, например, выветривание и др., а также антропогенно-техногенных сил (взрывов, загрязнений окружающей среды и др.) целесообразно выделить еще одну оболочку - биотехносферу. Это часть атмосферы, гидросферы, земной коры, являющаяся средой обитания человека и испытывающая антропогенно-техногенную нагрузку вследствие деятельности людей.

Земля и все ее сферы являются открытыми, активно живущими, динамическими, нелинейными системами, тесно связанными между собой. Они окружены космическим пространством (физическим вакуумом), насыщенным высокоэнергетическими физическими полями импульсно-ритмичной формы. Эволюция Вселенной, Галактики, Солнца, Земли, Биосферы сопровождается цикличным обменом вещества (от корпускулярного излучения космоса до извержения вулканов), энергии (от слабых полей в молекулах до гравитационных полей сверхзвезд), а может быть и обменом информации между биосферой и космосом (например, через многочисленные ритмы Вселенной).

Непрерывно возрастающая роль антропогенно-техногенной нагрузки, сравнимой с природными факторами, приводит к необходимости выделения из глобальной геофизики, наряду с геофизикой космоса и атмосферы, гидросферы и литосферы, новой фундаментальной науки - геофизики биотехносферы (ее можно назвать геофизической экологией), предназначенной для изучения влияния физических полей на экосистемы Земли.

↑Предмет, цель и задачи геофизических методов исследований

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, верхняя часть земной коры, называемая геологической (геофизической) средой или верхней частью разреза.

Целью прикладной геофизики является восстановление строения, состава, истории развития этих объектов земной коры на основе косвенной информации о физических полях.

Основными задачами геофизических исследований земной коры являются следующие: изучение состава, строения и состояния пород, слагающих земную кору, а также их динамику, выявление полезных ископаемых и изучения геологической среды как основы для промышленного, сельскохозяйственного, гражданского и военного освоения и сохранения ее экологических функций, как источника жизни на Земле путем косвенного изучения физических полей. Формально они сводятся к обнаружению геологических объектов, оценки их геометрии, а по физическим свойствам определение их геологической природы.

В соответствии с решаемыми задачами основными прикладными направлениями и методами геофизических исследований земной коры являются: глубинная, региональная, разведочная (нефтегазовая, рудная, нерудная, угольная), инженерная (инженерно-геологическая, гидрогеологическая, почвенно-мелиоративная, мерзлотно-гляциологическая) и экологическая геофизика.

↑Физические поля земли и геофизические аномалии

Остановимся на краткой характеристике физических полей Земли, их параметров, 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 () составляющими; упругое - скоростями () распространения различных упругих волн; термическое - температурами (Т^оС); ядерно-физическое - интенсивностями 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 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, называемый источником аномалий, или возмущений, или аномалосоздающим объектом, 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 объективной 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. Повышая геологическую и экономическую эффективность изучения недр, геофизические методы исследования являются важнейшим направлением ускорения научно-технического прогресса в геологии и горном деле.

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 обычно параллельных профилей или маршрутов и выявив аномалии, можно судить как о свойствах пород, так и получить сведения о геологическом строении исследуемого массива.

Аномалии определяются, прежде всего, изменением физических свойств горных пород по площади и по глубине. Так, гравитационное поле зависит от изменения плотности пород (Ϭ); магнитное поле - от магнитной восприимчивости (κ) и остаточной намагниченности (); электрическое и электромагнитное поля - от удельного электрического сопротивления пород (), диэлектрической () и магнитной (μ) проницаемостей, электрохимической активности (Ϭ) и поляризуемости (η); упругое поле - от скорости распространения (V) и затухания () различных типов волн, а последние, в свою очередь, - от плотности упругих констант (модуль Юнга () и коэффициент Пуассона (δ) и др.; термическое поле - от тепловых свойств: теплопроводности (), теплоемкости (С) 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, а также водо-, газо-, нефтенасыщенностью является предметом исследований петрофизики.