Презентация Экологическая геофизика


Чтобы посмотреть презентацию с картинками, оформлением и слайдами, скачайте ее файл и откройте в PowerPoint на своем компьютере.
Текстовое содержимое слайдов презентации:

Презентация лекций по курсу «Экологическая геофизика» Автор – профессор Н.Е. Фоменко Лекция 1Предмет экологической геофизики. Основные понятия и определения. Структура разделов, содержательная часть модулей Цель экологической геофизики – получить над исследуемыми объектами аномалии и в последующем выполнить геоэкологическое истолкование этих аномалий. Этот процесс достаточно сложный. Поэтому система знаний экологической геофизики требуют изучения таких наук как физика, геология (литология, геохимия, структурная геология), математика, информатика, радиотехника и радиоэлектроника. Обязательное знание закономерностей изучения физических свойств пород (петрофизика). Полный цикл геофизических исследований включает:Полевые геофизические наблюдения, цель которых зарегистрировать сигналы геофизических полей с соответствующей аппаратурой;Получение сведений и проведение измерений физических свойств горных пород;Решение прямой геофизической задачи (физическое или математическое моделирование);Решение обратной геофизической задачи с целью получения геофизического разреза или геофизической карты;Трансформацию геофизического разреза в геологический посредством петрофизических связей Использование геофизических методов при охране геологической среды Задачи: районирование территорий по признаку чувствительности к различным видам загрязнения; нахождение очагов загрязнения и определение границ распространения этого загрязнения; 3) получение количественных показателей воздействия загрязнителей на геологическую среду; 4) оценка тенденций развития загрязнения с течением времени; 5) прогноз воздействия антропогенной деятельности на конкретные экосистемы. Результат решения поставленных задач - создание динамических физико-геологических моделей изучаемых территорий, удовлетворяющих требованиям геоэкологического мониторинга. Объектом экогеофизических исследований является геологическая среда в области техногенного на неё воздействия. Это сложная система, основные компоненты которой (горные породы, подземные воды, лед и газы) находятся под воздействием внутренних и внешних физических полей. Пространственно-временная изменчивость той или иной рассматриваемой области геологической среды создает большие трудности при ее изучении любыми, в том числе и геофизическими методами. Поэтому необходимо отчетливо представлять факторы, определяющие свойства вещества, слагающего объект исследования, т. е. горные породы, включая в это понятие воды, воздух и лёд. Экологическая геофизика использует все методы разведочной геофизики, являющейся совокупностью прикладных наук относящихся к изучению распределения в земной коре геофизических полей с целью поисков, оценки и разведки месторождений полезных ископаемых. Поэтому экологическая геофизика – это научно-прикладной раздел геофизики, предназначенный для решения разнообразных экологических задач. Классификационная схема разведочной геофизики Разведочная геофизика По направлению работ По видам работ По используемым геофизическим полям Полевая геофизикаСкважинная геофизика (меж и околоскваженное пространство)Подземная геофизика (шахтная)Геофизическое исследование скважин (каротаж или ГИС)АэрогеофизикаАквагеофизика Структурная геофизикаНефтяная геофизикаУгольная геофизикаРудная геофизикаИнженерно-геологическая и гидрогеологическая геофизикаЭкологическая геофизика Гравитационная разведкаСейсмоакустическая разведкаМагнитная разведкаЭлектромагнитная разведкаРадиационная разведкаТепловая разведка Все геофизические поля характеризуются параметрами, основными из которых являются потенциал (U) и напряженность (Е). При этом U выражает концентрацию этих полей в той или иной точке исследования, а – Е особенности их распределения. В нормальном поле распределение (дифференциация) Е равномерная, а в аномальном происходит деформация поля, то есть его усиление или ослабление. Переход от параметров поля к показателям среды, которые собственно создают геофизические поля, т.е. к значением физических свойств, осуществляется путем так называемых материальных уравнений. К ним относятся уравнения классических физических законов, например Ньютона, Ома, Био, Савара и др. Физические свойства горных пород, то есть их физические показатели, изучаются в зависимости от геологических признаков. При этом горная порода, как совокупный агрегат из минералов определенного состава, рассматривается как полифазная, многокомпонентная, термодинамическая система с присущими ей количественными характеристиками. Классификация горных пород при изучении физических свойств Основные геологические факторы, влияющие на изменение осадочных пород, - это процессы окаменения (эпигенеза), которые происходят под действием давления и температуры. Таким образом, на больших глубинах породы испытывают нарастающее уплотнение, при том, что этот процесс не одинаков для пород, отличающихся по литологическому составу. Поэтому тенденции изменения физических показателей следует рассматривать с одной стороны по стадиям преобразования для строго определенных литотипов, а с другой - от литологического состава для строго конкретной стадии преобразования. При этом электрические показатели зависят также от степени минерализации поровых растворов. Схема изучения физических показателей в кристаллических породах Схемы изучения физических свойств в осадочных породах Наиболее вероятные значения удельных электрических сопротивлений природных вод Поверхностные воды ρ, Ом-м Подземные воды ρ, Ом*м Воды морей и горько-соленых озер 0,1-1,0 Глубинные рассолы 0,05—0,2 Воды морей вблизи мествпадения крупных водо-токов, воды озер и рекаридных областей 1-10 Подземные воды морскихпобережий и аридных об-ластей 0,3—2,0 Воды озер и рек гумидных областей 10-60 Пресные подземные водыпустынь и полупустынь 1,0—10 Воды озер и рек районовразвития многолетнеймерзлоты, воды высоко-горных озер и рек 60-600 Подземные воды гумид-ных областей:а) в рыхлых песчано-глинистых породах б) в скальных породах 10—3020—60 Снеговая и дождевая вода 300-1000 Подземные воды в областях развития миоголет-немерзлых горных пород 40—300 Схема процесса полевых геофизических работ Полный цикл геофизических исследований включает:Полевые геофизические наблюдения, цель которых зарегистрировать сигналы геофизических полей с соответствующей аппаратурой;Получение сведений и проведения измерений физических свойств горных пород;Решение прямой геофизической задачи (физическое или математическое моделирование);Решение обратной геофизической задачи с целью получения геофизического разреза или геофизической карты;Трансформацию геофизического разреза в геологический посредством петрофизических связей. Прямая геофизическая задача - это получение теоретической кривой (графика) над объектом заданной геометрической формы с конкретными физическими параметрами. Задача решается путем математического или физического моделирования. Обратная геофизическая задача - это интерпретация результатов полевых измерений с целью получения полного представления о геологических свойствах, геометрической форме и физических параметрах изучаемого объекта. Задача решается путем сопоставления полевой (наблюдённой кривой) с теоретическими кривыми (метод подбора). При неоднозначности решения требуется привлечение дополнительных геолого-геофизических данных. Лекция 2Краткая теория гравитационного поля и его изучение в гравиметрии и гравиразведке Гравитационное поле - это поле силы тяжести, то есть поле взаимодействия механических масс в материальной среде. В основе лежит закон Ньютона: F - сила притяжения, f-постоянная гравитационного поля: 6,67*10-8*г-1см3сек-2, m1 и m2 - взаимодействующие массы, r - расстояние между m1 и m2. Если m1 считать точечной массой, а m2 увеличить до массы Земли, то формула Ньютона примет вид: где q/ - ускорение свободного падения, значение которого с учётом центробежной силы, возникающей от вращения Земли, составляет 9,81 м/с2. Схема взаимодействия масс Схема взаимодействия массы Земли с точечной массой Для любого геологического объекта потенциал гравитационного поля U может быть получен путем предельного перехода от суммы дискретных материальных точек к совокупности элементарных масс dm, из которых состоят геологические тела: Поскольку в прямоугольной системе координат приращение массы является произведением плотности на объем, то есть dm = δ*dx*dy*dz, то: Из формулы следует, что U – является функцией плотности В гравиразведке измерения выполняются по параметру ΔgБ - приращение силы тяжести в редукции Буге. Этот параметр является результирующим между аномальным Δgаном (измеренным) и нормальным gнор (теоретическим) значениями силы тяжести. Кроме того, в показания вводятся поправки: 1) за свободный воздух Δgсв.возд, 2) за промежуточный слой пород Δgб (толщу пород между точкой наблюдения поверхностью геоида или за поправку Буге), 3) за рельеф Δgр gаном = dU/drgнорм - ускорение силы тяжести Земли, как сфероида малого сжатия gсв.возд. или gф - поправка за слой воздуха находящийся между точкой наблюдения и поверхностью геоида gф = 0,3086.h1 , где h1 толщина слоя воздуха gб - поправка за промежуточный слой, который еще носит название поправки Буге: gб = -0,418δh2, где δ - средняя плотность, а h2 – толщина промежуточного слоя Δgр - поправка за рельеф если он очень сложный, например в горной местностиФормула аномальной силы тяжести в редукции Буге: ΔgБ = gаном - gнорм + gф + gб + gр Соотношение уровненных поверхностей геоида и сфероида с поверхностью рельефа Абсолютные измерения требуют очень высокой точности. В основу маятниковых приборов положена формула Гюйгенса: где Т – период; l – длина. В методе свободного падения грузов используется формула: где S – высота падения груза, t – время падения груза. Относительные измерения ведутся по отношении к одной выбранной базовой точке, обычно привязанной к какому-либо триангуляционному пункту. Приборы для таких измерений носят название гравиметров. Схема механизма действия астазированных гравиметров 1 - упругая кварцевая нить; 2 - рамка крепления нити; 3 - главный рычаг с массой m; 3’ - дополнительный рычаг, жестко связанный с главным; 4 - главная пружина; 5 - диапазонная пружина ; 6 - измерительная пружина;7 - микрометрические винты; 8 - корпус прибора Схема устройства вариометров и градиентометров 1 - корпус прибора, 2 - упругая нить,3 - ломаный рычаг, 4 - грузики массой m U//xz = ∂2U/∂x∂z = WxzU//yz = ∂2U/∂y∂z = Wyz Плотность горных породПлотность (δ) это свойство природных объектов, в том числе горных пород, определяемое отношением их массы (m) к объему (V):δ = m/VЕдиница измерения δ в системе СИ - кг/м3*103. Внесистемная единица - г/см3. В каждой точке геологической среды: δ =∂m/∂V Тенденция изменения плотности твердой фазы для основныхпородообразующих минералов Тенденция изменения плотности магматических пород Тенденция изменения плотности метаморфических пород I – диабаз, II – уплотненный диабаз, III – амфиболит, IV – филлит Тенденция изменения плотности осадочных пород при одинаковой степени их преобразования Тенденция изменения плотности осадочных пород для одноименных литологических разностей в зависимости от стадии их преобразования Лекция 3Методика гравиразведки и её применение для поисков и разведки полезных ископаемых, в геоэкологии, гидрогеологии и в других областях геологии Методика гравиразведочных работ включает: Выбор вида и характера съёмки; Топографическую разбивку участка работ; Порядок и последовательность измерений; Первичную обработку и последующую качественную и количественную интерпретацию исходных материалов. Основной вид гравиметрической съемки – это полевая съёмка. Для её проведения производится сбор априорных данных о предполагаемом геологическом объекте, намечается направление (ориентация) геофизических профилей. Пример расположения геофизических профилей при гравитационной съемке 1 - профили;2-4 - рядовые, опорные и контрольные точки наблюдения; 5 - предполагаемое простирание искомого геологического объекта; 6 - изоаномалы ∆g Опорная сеть представляет систему замкнутых полигонов. Реперные точки служат для увязки измерений на рядовых точках. Для определении значений в опорных точках осуществляется разброс невязок по формуле:  - средняя квадратичная погрешность δi - разность основных и контрольных измерений m - общее количество точек n - количество контрольных точек Форма представления результатов гравитационной съемки в виде план-графиков r – расстояние по профилю, ∆gБ– приращение силы тяжести Интерпретация гравиметрических данных разделяется на качественную и количественную. Последняя выполняется на основе решения прямой и обратной задач гравиразведки. Прямая задача для тел простой геометрической формы (шар, цилиндр и др.) решается аналитическим способом по формуле: Δδ- избыточная плотностьДля элементарной массы dm в гравитирующем теле Т будем иметь расстояние от А до М равным r: Модель объекта для расчета приращения силы тяжести в месте егорасположения от точки наблюдения Гравитационные аномалии над шаром (а) и вертикальным уступом (б) 1 – покровные отложения (δ1=2,2 г/см3) 2 – известняк (δ2=2,8 г/см3) Численный способ решения прямой задачи с помощью палетки Гамбурцева Формула цены деления каждой клетки палетки:Δg = 2f* (Δz*Δδ*φ)f = 6,67*10-82-1см3с-2  Гравитационная аномалия определяется по формуле:∆gБ = m*∆gп*k k - масштабный коэффициент Пример расчета величины гравитационных аномалий для тел неправильной формы Качественная интерпретация результатов гравиразведки Строятся план-графики или карты ΔqБ Устанавливается геологическая природа гравитационных аномалий Оценивается местоположение изучаемых объектовПредусматривается получение "чистой" аномалии: ΔqБ=Δqнабл - Δqнорм Δqнабл и Δqнорм – значения силы тяжести для наблюдённого и нормального полей Пример «снятия» регионального фона при качественной интерпретации гравитационных аномалий Количественная интерпретация гравиразведочных данных предусматривает сопоставление теоретических и наблюденных кривых. Это классический прием в разведочной геофизике. Разработаны компьютерные программы. Интерпретация носит название D-инверсия. Результатом является определение формы, размеров, глубины залегания и пространственного положения объектов. При этом обязательно определение их плотностных характеристик и геологической принадлежности. Это достигается с помощью петрофизических связей. Лекция 4Краткая теория геомагнитного поля и его изучение в магнитометрии и магниторазведке Магниторазведка - раздел разведочной геофизики, изучающий особенности распределения геомагнитного поля в земной коре с целью поисков, оценки и разведки месторождений полезных ископаемых.Геомагнитное поле - часть общего магнитного поля Земли, имеющего потенциальный характер. Взаимодействие магнитных масс подчиняется закону Кулона: F - сила взаимодействия масс m1 и m2, r - расстояние между массами, μа - абсолютная магнитная проницаемость (μа = μ0*μ)μ0 = 4π*10-7Гн/м – проницаемость вакуума μ - относительная магнитная проницаемость Если Землю представить как космическое тело, имеющую массу m2, то согласно закону Кулона она будет притягивать массу m1 с силой равнойнапряженности магнитного поля Н: Потенциал магнитного поля для элементарных магнитных масс, как и гравитационный потенциал, обладает свойством аддитивности: при условии, что, μ = 1, т.е. среда не магнитная Суммарное магнитное поле Земли складывается из: постоянного геомагнитного поля, которое представляет собой поле диполя большого намагниченного шара; 2) материкового поля, созданного породами глубинных структур; 3) переменного магнитного поля, под действиемкоторого формируются в Земле вихревые токи. Последние вызывают магнитную индукцию: магнитная индукция, напряженность магнитного поля Магнитная индукция измеряется в теслах (Тл). В магниторазведке принята дробная величина 1 нТл, которая равна 10-9 Тл Схема формирования геомагнитного поля Земли Элементы геомагнитного поля Параметры магнитного поля: D - магнитное склонениеI - магнитное наклонениеХ - северная проекцияУ - западная (восточная) проекция На полюсах Т = Z = 0,66*105 нТл при Н = 0На экваторе Т = Н = 0,33*105 нТл при Z = 0Нт = Но + Нм + На + Нвн + ΔН Нт – суммарное магнитное полеНо – поле диполя Земли Нм – поле материковоеНа – аномальное поле Нвн – внешнее поле Δ Н – поле магнитных вариаций Нормальное поле - поле диполя Земли и материковое Аномальное поле - поле от намагниченных геологических тел Внешнее поле – поле от объектов-помех Поле вариаций: вековые годовые солнечно- и лунно-суточные магнитные бури Происхождение магнитного поля Земли связывается с существованием в ядре слабых вихревых токов , которые вследствие вращения Земли и под действием гидромагнитного эффекта приводят к первоначально слабому эффекту электромагнитной индукции. Процесс "диффундирует" (последовательно передается) к поверхности Земли, , где компенсируется поверхностными токами. Магнитные свойства горных породДве группы: 1) диамагнетики (магнитная проницаемость η < 1) 2) парамагнетики (магнитная проницаемость η > 1) В группе парамагнетиков выделяются специальная группа ферро-, ферри- и антиферромагнетиков η >> 1 Природа магнетизма обусловлена структурой спин-орбитальных моментов атомов под действием магнитного поля Ферро-, ферри- и антиферромагнетики - очень сильные природные магниты, внутренняя структура которых содержит специальные области дом'ены Вода и нефть диамагнитны Газы и газовоздушные смеси также диамагнитны Тенденция изменения магнитной восприимчивости у магматических пород щелочноземельного ряда Тенденция изменения магнитной восприимчивости у метаморфических пород Стадии метаморфизма:I – зеленосланцевая, II – амфиболитовая, III – гранулитовая,IV – эклогитовая,  - (каппа) магнитная восприимчивость Тенденция изменения магнитной восприимчивости у осадочных пород для одноименных стадий их преобразования  - (каппа) магнитная восприимчивость Тенденция изменения магнитной восприимчивости у парамагнитных осадочных пород в зависимости от стадии их преобразования Лекция 5Методика магниторазведки и её применение для региональных съемок, поисков и разведки полезных ископаемых, в геоэкологии, инженерной и других областях геологии Методика и технология магниторазведочных работ 1. Выбор характера и вида съемки, включая выбор методов, аппаратуру, технологию;2. Топографическая (геодезическая) разбивка сети;3. Увязка результатов профильных (площадных) наблюдений с определением погрешностей;4. Представление результатов съемки. Приборы применяемые в магниторазведке Феррозондовые; Протонные; Оптико-механические; Квантовые. Схема устройства оптико-механического магнитометра 1 – рама, 2 – металлическая нить, 3 – постоянный магнит,4 – зеркало, 5 – диапазонный магнит, 6 – компенсационный магнит, 7 – лимб Схема феррозонда по типу второй гармоники 1,2 – пермаллоевые сердечники, Н1, Н2 – направление переменного магнитного поля частотой ω1, Н –постоянная составляющая внешнего магнитного поля, ω2 –результирующая частота Блок-схема феррозондового магнитометра 1 – феррозонд, 2 – генератор, 3 – измеритель первичного сигнала, 4 – фазовращатели (компенсаторы напряжения и фазы), 5 – сумматор, 6 – кварцевый генератор (частотомер), 7 – регистрирующее устройство Протонные магнитометры Используется физическое явление прецессии протонов, т.е. ориентации магнитных моментов протонов вдоль силовых линий магнитного поля. Датчик поля - сосуд, с водой, спиртом, бензолом или их смесью. Вокруг сосуда намотаны генераторная и измерительная катушки. Прецессия выражается формулой: Т - суммарный магнитный векторω - частота, α- коэффициент,характеризующийся отношением механического и магнитного моментов. Блок-схема протонного магнитометра Д.П. – датчик поля, Вх.У. – выходной усилитель, У – усилитель мощности, С – смеситель, УПЧ – усилитель промежуточной частоты, Д – детектор, ЭЗК – электронная записная книжка, ГПЧ – генератор промежуточной частоты, Б.П. – блок питания, П.Н. – преобразователь напряжения Квантовые магнитометрыИспользуется физическое явление Леемана. Сущность в переходе электронов на новый энергетический уровень под действием монохроматического света. Электроны атомов отдельных элементов переходят на другой энергетический уровень. После прекращения накачки (вспышки монохроматического света) электроны возвращаются на прежние уровни с частотой, пропорциональной суммарному вектору Т. Сосуд (лампа) наполнен парами или цезия, или рубидия или гелия. Блок-схема аналогична протонным магнитометрам. Магнитометрические наблюдения с квантовым магнитометром при поисках стальных труб Проведения магниторазведочных работ, как правило, сопровождается вариационными наблюдениями (непрерывные по времени измерения стационарным магнитометром, установленным на базе) с целью записи магнитных пульсаций (бурь). Погрешности результатов наблюдений вычисляются по разности измерений на контрольных точках: δ- разность основных и контрольных замеров n – общее количество контрольных точек Качественная и количественная интерпретация в магниторазведке выполняются по той же схеме что и в гравиразведке. Решение прямой задачи, в основном, производится для объектов простой геометрической формы. Используется формула: U - магнитный потенциал, I - интенсивность намагничивания, θ - угол между точкой наблюдения и изучаемым объектом, μ - магнитная проницаемость, r - расстояние между объектом и точкой наблюдения. Форма графиков Zа и Hа над крутопадающим пластом бесконечного простирания Решение обратной задачи предусматривает количественную интерпретацию с обязательным привлечением априорной информации. Для объектов простой формы определяются: 1. глубина залегания (h =1,3[X1/2z max]), 2. магнитная масса (m=Zmax*μ*h2), 3. интенсивность намагничивания (I=*z), 4. площадь верхней кромки магнитного объекта (S=m/I) Для объектов сложной геометрической формы используются численные методы решения прямой и обратной задач в рамках 1D, 2D, 3D – инверсии. Существуют специальные компьютерные программы. Лекция 6Определение предмета электроразведки Классификационные схемы Общие сведения об изучаемых полях Электроразведка – раздел разведочной геофизики, основанный на изучении распределения электромагнитных полей в земной коре с целью поисков и разведки месторождений полезных ископаемых Электромагнитное поле – сумма электрического и магнитного полей приводящих к существованию электромагнитных волнЭлектромагнитной поле описывается системойуравнений Максвелла. - напряженность электрического поля- напряженность магнитного поля- электрическая индукция- магнитная индукция- плотность тока Основные параметры поля: Электрические свойства: ρ - удельное электрическое сопротивление 1/ρ = э - удельная электропроводностьε - диэлектрическая проницаемостьη - поляризуемостьμ - магнитная проницаемость Материальные уравнения: В зависимости от используемого диапазона частот, в электроразведке условно выделяют три модели: Стационарную (постоянное электрическое поле), где f → 0 и основную роль играют токи проводимости (направленное движение электронов, ионов);Полустационарную (индукционную), где ∞ > f > 0 и в разной мере соотносятся токи проводимости и смещения; Волновую, где f → ∞ (переменное электромагнитное поле высокой частоты) и основную роль играют токи смещения (волнообразная передача энергии от одних двойных электрических слоев к другим) . Естественные электромагнитные поля: 1) Постоянное естественное электрическое поле, как поле естественных потенциалов (ЕП), возникающих в земной коре вследствие электрохимических и электрокинетических процессов ;2) Магнитотеллурическое поле, как поле космического происхождения вследствие корпускулярного излучения солнца (солнечного ветра) ;2) Поле дальних радиостанций, как поле электромагнитных излучений относительно низких (первые десятки килогерц) частот от радиовещания ;3) Поле ЕИЭМПЗ (естественное импульсное электромагнитное поле Земли), как поле механических напряжений вследствие сейсмоакустических и динамических процессов в земной коре . Искусственные электромагнитные поля: Постоянное, описываемое в рамках стационарной модели и возникающее вследствие пропускания («задавливания») постоянного электрического тока в земной коре ;Переменное, описываемое в рамках полустационарной модели и возникающее вследствие пропускания («задавливания») переменного электрического тока в земной коре; Неустановившееся, описываемое в рамках полустационарной модели и возникающее во временном промежутке между импульсным включением или выключением тока; Электроволновое, описываемое в рамках волновой модели и возникающее вследствие излучения высокочастотных импульсов (электромагнитных волн) метрового и дециметрового диапазонов в геологической среде. Геологический (А) и геоэлектрический (Б) разрезы 1 – покровные отложения, 2 – интрузия,3 – известняк, 4 – карст По электрическим свойствам все природные объекты подразделяются на: Проводники ρ→0 и ε→∞ Полупроводники 1 Ом*м>ρ> 0 и 20 отн. ед. < ε < ∞ Диэлектрики ρ→∞ и ε→1В проводниках электромагнитное поле обусловлено сквозным током электронов и ионов, в полупроводниках сквозным током ионов и дырок, в диэлектриках преобладают волновые процессы, связанные с токами смещения, т.е. передачей энергии электромагнитного поля от одних двойных электрических слоев к другим (беспроводная поляризация). Жидкая фазаНефть и дистиллированная вода относятся к диэлектрикам при ρ→∞, при этом ε→1 у нефти и ε = 80 у воды. По мере увеличения концентрации солей в природных водах и по мере окисления нефти (если она существует длительное время в виде разливов на дневной поверхности и в покровных отложениях) показатель ρ уменьшается, а показатель ε при таких же условиях практически не изменяется в природных водах и уменьшается по мере увеличения окисления нефтей. Газовая фаза Воздух и все природные газы диэлектрики, поэтому ρ→∞ и ε→1, поэтому все пористые породы заполненные газом или природной нефтью являются более высокоомными по сравнению с таковыми заполненными водой. Тенденция изменения удельного электрического сопротивления у кристаллических пород Магматические породы Стадии метаморфизма I – кислые I – зеленосланцевая II – средние II – амфиболитовая III – основные III – гранулитовая IV – ультраосновные IV – эклогитовая Тенденция изменения удельного электрического сопротивления для одноименных по степени преобразования осадочных пород Для слоистых толщ значения ρвкрест и ρвдоль неодинаковы. Такая среда называется анизотропной и характеризуется коэффициентом анизотропии :λ= √ρвкрест /ρвдоль Тенденция изменения удельного электрического сопротивления у терригенных осадочных пород в зависимости от стадий их преобразования Лекция 7Методика электроразведки и сущность её методов на основе естественных и искусственных постоянных электрических полей Электромагнитное профилирование - картирование участков геологоразведочных работ путем перемещения фиксированных по размерам электроразведочных установок или модулей по системе профилей.Электромагнитное зондирование - изучение геологических разрезов, на глубину в заданных точках, где инструментом бурения выступает электрический ток. Модификации электропрофилирования и электрозондирования реализуются применением специальной электроразведочной аппаратуры и оборудования путем возбуждения (создания) электромагнитных полей и измерения составляющих этих полей (получения значений напряженности и потенциалов). Схемы гальванического (а) и индуктивного (б) возбуждения и приема сигналов электромагнитного поля А и В - питающие электроды, M и N - измерительные электроды, Г – генератор, И – измеритель, Q – площадь генераторной петли, g – площадь измерительной рамки Типовая блок-схема электроразведочного генератора З.Г. – задающий генератор, У.М. – усилитель мощности, Ф – фильтр, У.С.Т. – устройство стабилизации тока, В.У. – выходное устройство, Б.П. – блок питания,Пр.Н. – преобразователь напряжения. Типовая блок-схема электроразведочного измерителя Д.П. – датчик поля, Д.Н. – делитель напряжения,В.У. – входное устройство (обеспечение высокоомного входа),У – усилитель, Ф – фильтр (фильтрация всевозможных помех),Д – детектор (выпрямление сигнала), Б.П. – блок питания, Э.З.К. – электрозаписная книга, П.Н. – преобразователь напряжения,О.О.С. – отрицательная обратная связь (многократное усиление) Метод естественного постоянного электрического поля (ЕП)Метод ЕП основан на изучении окислительно-восстановительных, диффузионно-адсорбционных и фильтрационных процессов в земной коре. Они создают аномалии, которые могут быть зарегистрированы микровольтметром постоянного тока с высокоомным входом. Для производства работ используются специальные неполяризующиеся электроды, так как металлические из-за окисления в грунте создают значительную (до 1 В) электродную разность потенциалов. Полевые наблюдения состоят в измерениях потенциала (UЕП) или разности потенциалов (ΔUЕП) между измерительными электродами M и N . Схема съемки потенциалов (А) и градиентов потенциала (Б) методом ЕП Форма графика ЕП над стальной трубой Методы электроразведки на основе искусственного постоянного электрического поля - методы сопротивлений (КС)Все процессы рассматриваются в рамках стационарной модели. В основе лежит теория распределения в геологической среде постоянного электрического поля, когда f→0 и основную роль играют токи проводимости. Название методов связано с понятием кажущегося сопротивления ρк, которое отличается от истинного ρП в силу того, что во всех случаях изучаемый объект является частью гетерогенной (неоднородной) геологической среды и поэтому регистрируемые параметры поля являются интегральными показателями, в которых учитывается доля каждого из присутствующих в этой среде других объектов. В электроразведке используются установки с гальваническим способом возбуждения и приёма. Параметр ρк рассчитывается по формуле: ρк=k*(∆U/I)k - коэффициент электроразведочной установки, зависящий от геометрического расположения электродов; ∆U - разность потенциалов между электродами M и N; I - сила тока в цепи AB Для гальванического заземлителя плотность тока описывается формулами:j = -(1/ρ)*(dU/dx) и j = I/(2π*x2) Приравнивая правые части уравнений имеем: dU = (I*ρ/2π)*( 1/x2)*dx.После интегрирования получаем формулу для потенциала поля в точке, удалённой от источника на расстояние х: U = (I*ρ/2π)*1/x Схема, поясняющая выводзакона Ома в дифференциальной форме dI - сила тока, dS - площадь грани,dℓ - длина грани Разность потенциалов между электродами M и N согласно формуле будет: ∆UMN = UMAB-UNAB = [(I*ρ/2π)*(1/AM-1/BM)]-[(I*ρ/2π)*(1/AN-1/BN)], следовательно: ρ = (∆U/I)* [2π/(1/AM-1/BM-1/AN-1/BN)] = (∆U/I)*k, k = 2π/(1/AM-1/BM-1/AN-1/BN )Как видно k зависит только от геометрических размеров между питающими и измерительными электродами и его сущность в компенсации уменьшения потенциала поля или его напряженности по мере удаления точек измерения от источника. Типовая 4-х электродная электроразведочная установка Роль коэффициента k при изучении показателя ρк типовой 4-х электродной электроразведочной установкой с произвольным расположением питающих (А и В) и измерительных (М и N) электродов Типы электроразведочных установок Схема электропрофилирования челночным способом Физической основой электропрофилирования является квазилинейное изменение напряженности поля E = f(∆U) в центре линии АВ в однородной изотропной среде, где ρ среды во всех направлениях одинаково. Графики изменения напряженности электрического поля в однородной изотропной среде (а) и в этой же среде с локальным высокоомным объектом (б) Чем больше длина АВ и меньше MN, тем глубинность исследований увеличивается. Мерой увеличения является коэффициент установки kAM1N1B > kAMNB. . Глубинность электроразведочной установки в зависимости от размеров приемной линии График, полученный при профилировании симметричной установкой над плохо проводящим пластом (I – III положения установки) Графики электропрофилирования, полученные установкой AA'MNB'B над синклиналью и антиклиналью Графики электропрофилирования методом СЭП с двойными разносами над геологическими разрезами различных типов 1 – увлажненные наносы, 2 – граниты, 3 – зона трещиноватости,4 – глыбовые песчаники, 5 – глины Вид установки (а) и изображение результатов наблюдений (б) электрического профилирования методом СГ Вид установки (а) и изображение результатов наблюдений (б) электрического профилирования методом КЭП Электромагнитное зондирование это вторая основная модификация электроразведки, цель которой изучение геологических разрезов на глубину в заданной точке. Другими словами это электробурение, инструментом которого служит электрический ток.. Наиболее распространены два способа: ВЭЗ - вертикальное и ДЭЗ - дипольное электрическое зондирование.ВЭЗ осуществляется путем последовательного увеличения размеров питающей линии АВ, когда каждый последующий разнос увеличивается по отношению к предыдущему в 1,5 - 2 раза, что соответствует логнормальному закону, т.е. чем больше разнос (длина линии АВ), тем больше вклад вторичных зарядов формирующихся на границах разделов сред. Схема установки вертикального электрического зондирования К1,К2 - катушки с проводом; Г – генератор; И – измеритель; A,B,M,N – питающие и измерительные электроды;пунктиром показаны токовые линии ДЭЗ основан на последовательном удалении друг от друга питающего и измерительного диполей (линий АВ и MN), линейный размер которых меньше расстояния между их центрами. При этом, линия MN последовательно удаляется с заданным шагом от АВ   Г – генератор, И - измеритель, A,B,M,N – питающие и измерительные электроды Лекция 8Методы переменных (гармонически изменяющегося, неустановившегося и магнитотеллурического) электромагнитных полей. Интерпретация результатов электроразведки, её место в комплексе работ при решении геологических задач К переменным электромагнитным полям относятся: Гармонически изменяющееся поле; Неустановившееся поле (поле переходных процессов); Магнитотеллурическое поле. В гармонически изменяющемся поле все элементы изменяются во времени по закону косинуса или синуса. Исследования выполняются преимущественно в диапазоне частот от первых сотен герц до единиц мегагерц. Электропрофилирование на основе гармонически изменяющегося поля включает методы, основанные на установках индукционного или смешанного способов возбуждения и приёма сигналов электромагнитного поля. Широко известен метод дипольного электромагнитного профилирования (ДЭМП). В качестве излучателя используется индукционная рамка, а в качестве приемника - магнитная антенна. Схема работы методом дипольного электромагнитного профилирования 1 – генератор электромагнитного поля; 2 – передающая антенна;3 – приемная антенна; 4 – измеритель электромагнитного поля. Электрозондирование на основе гармонически изменяющегося поля выполняется двумя способами: Радиально-частотного зондирование - основано по аналогии с ВЭЗ на последовательном изменении размера питающей линии на фиксированной частоте. Частотное зондирование (ЧЗ) – основано на последовательном изменении частоты поля от высоких значений до инфранизких при постоянном расстоянии между питающим и измерительным модулями. Происходит “задавливание” вихревых электрических токов вглубь земли вследствие скин-эффекта (на высоких частотах токи концентрируются у поверхности Земли, а на низких проникают на глубину). Метод относится к разряду глубинных. Исследования относят к дальной зоне, где на удалении от источника формируются плоские электромагнитные волны, проникающие в землю по вертикали. Схема установки радиально-частотного зондирования Установка частотного зондирования Неустановившееся поле – поле переходных процессов, возникающих при ступенчатом изменении силы тока в источнике. Постоянный электрический ток пропускают через линию АВ) или петлю Q. В момент включения или выключения тока резко изменяется магнитная индукция и в проводящей среде образуется вихревое переменное электромагнитное поле. Ранняя стадия – в частотном спектре высокие гармоники, вихревые токи концентрируются у поверхности. Средняя стадия – высокочастотная часть поля затухает, (энергия поглощается средой), возрастает роль низкочастотных гармоник. Поздняя стадия – поле выравнивается, токи равномерно распределяются в пространстве и их интенсивность зависит от суммарной продольной проводимости пород. Основной параметр неустановившегося электрического поля – время (t). Модификации электропрофилирования на основе неустановившихся полей носят название методов переходных процессов (МПП), основанных преимущественно на петлевых установках (индукционные рамки возбуждения и приема сигналов). Измерения выполняют на всех временных задержках. Модификации электрозондирования основаны на явлении проникновения вихревых токов во все более глубокие горизонты в течениии переходного процесса. Методы относятся к разряду глубинных и разделяются на зондирование становлением поля в дальней (ЗСД) и ближней (ЗСБ) зонах. Схема съёмки для однопетлевого варианта МПП (а) и план отработанных петель с нанесенными переходными характристиками (б) А – переходная характеристика над аномальной зоной, Г – генератор, И – измеритель ЗСД выполняют в дальней зоне. Неустановившееся поле регистрируют в режиме включения тока. Применяется экваториальная установка из питающего диполя AB (гальваническое возбуждение) и приемного контура q (индуктивный прием) при расстоянии между ними до 10-15 км. Разнос AB-q должен в два и более раз превышать глубину залегания основного опорного горизонта. Установка ЗСД (а), кривая зондирования (б)У – усилитель, Р – регистратор, q – приемная петля ЗСБ основано на изучении неустановившегося поля в ближней зоне, когда преобладают процессы поздней стадии. Поле «выравнивается» и равномерно распределяется в разрезе. Наблюдения выполняют после выключения тока. Используют различные установки. По графикам ρτ и Sτ детализируют геоэлектрический разрез. Схемы установок ЗСБ: а) диполь-петля; б) петля-петля; в) петля в петле; г) длинный кабель–петля; д),е) кривые кажущегося сопротивления ρτ и кажущейся проводимости Sτ Методы на основе магнитотеллурического поляМагнитотеллурическое поле - это естественное электромагнитное поле Земли, наблюдаемое на больших регионах в виде вариаций электрических и магнитных компонент. Источники первичного поля зарождаются в магнитосфере и ионосфере Земли под воздействием корпускулярного излучения солнца. У поверхности земли формируются на ограниченном пространстве квазиплоские волны, падающие по вертикали. Они возбуждают вихревые токи, глубина проникновения которых определяется частотой колебаний или периодом вариаций. Деформация геомагнитного поля под действием солнечного ветра и формирование переходной зоны 1 - силовые линии магнитного поля диполя; 2 - силовые линии геомагнитного поля; 3 - граница магнитосферы; 4 - переходная зона; 5 - область занятая солнечным ветром В электроразведочных методах магнитотеллурического поля (МТП) используются короткопериодные колебания (КПК). Изучают 5 компонент магнитотеллурического поля: Ex, Ey, Hx, Hy, Hz. Ось Х – вдоль простирания объектов. Об источнике поля сведений нет, поэтому используется относительный параметр – импеданс: Z=E/H. Основные импедансы: Кажущееся удельное электрическое сопротивление ρТ и фазу импедансов φТ рассчитывают по формулам: , , где, a и b коэффициенты, зависящие от геоэлектрических условий. Значения Ех, Еу, Нх, Ну, Т и ∆t снимают с графиков короткопериодных вариаций Фрагмент записи короткопериодных вариаций Магнитотеллурическое профилирование (МТП) заключается в измерении взаимно перпендикулярных составляющих Ex, Hx, Ey, Hy электрического и магнитного полей на земной поверхности. Диапазон периодов Т составляет 10–100 с, что соответствует квазигармоническим колебаниям с частотой f, равной 0.1–0.01 Гц. Глубинность оценивается по формуле: SI – расширенный диапазон S , который используют для вычисления суммарной продольной проводимости толщи пород до опорного электрического горизонта, например фундамента, при этом диапазон h используют для определения глубины горизонта с сопротивлением ρ2 Кривая рекогносцировочных магнитотеллурических измерений Магнитотеллурическое зондирование (МТЗ) заключается в одновременной регистрации компонент магнитотеллурического поля Ex, Ey, Hx, Hy, Hz в конкретных точках на поверхности земли и последующем спектральном анализе результатов измерений. Глубина проникновения тока зависит от периода вариаций Т Схема установки датчиков поля при МТЗ Обработка результатов МТЗ:Выделение гармонических составляющих Ex, Ey, Hx, Hy, Hz для заданной последовательности периодов Т;Определение сдвига фаз между взаимно перпендикулярными составляющими Ex, Hy, Ey, Hx;Вычисление кажущихся сопротивлений: Построение кривых МТЗ с последующей качественной и количественной интерпретацией. Типичные фазовые и амплитудные кривые МТЗ:1 – на склоне Московской синеклизы,2 – на склоне Воронежской антеклизы Интерпретация электроразведочных данныхРезультаты электропрофилирования подвергают преимущественно качественной интерпретации и оформляют в виде графиков характерных эффективных параметров. Графики ДЭМП над согласным тектоническим нарушением, развитым в угленосной толще1 - тектонически нарушенная зона, 2 - песчаник, 3 - покровные отложения, 4 - известняк, 5 - аргиллито-алевролитовая толща, 6 – уголь Интерпретация данных электрозондирования преимущественно количественная и включает анализ кривых зондирования, построение геоэлектрической модели (разреза) и геологическое истолкование результатов (трансформацию геоэлектрического разреза в геологический). Основной рабочей моделью служит трехслойный геоэлектрический разрез, согласно которому все кривые зондирования разделяются на четыре типа: Семейства теоретических кривых ВЭЗ, сведенные на одном бланке, называются палетками. По ним интерпретация выполняется вручную. Процесс основан на методе подбора, т.е. сравнении палеточных кривых с наблюдёнными. Имеются и компьютерные программы интерпретация данных (1D и 2D). Их использование предусматривает диалоговый (интерактивный) режим. Пример построения геоэлектрического разреза 1 — пески, 2 — песчано-глинистые отложения, 3 - глинистый конгломерат, 4 - гранит, 5 - бокситы, 6 - точки ВЭЗ Лекция 9Физические и геологические основы сейсморазведки. Сейсмоволновые характеристики горных пород Сейсморазведка – раздел разведочной геофизики, в котором изучаются поля упругих деформаций происходящих в геологических средах вследствие механических воздействий. Это взрывы, удары, техногенные вибрации, тектонические процессы, в частности землетрясения. Как и в других разделах геофизики поля разделяются на искусственные, используемые преимущественно в сейсморазведке, и естественные, которые изучают в основном в сейсмологии. Упругость - это свойство природных объектов сопротивляться изменению их объема и формы вследствие механических напряжений. Параметрами упругости являются Модуль Юнга Е и Коэффициент Пуассона ν Модуль Е измеряется в Паскалях (Па) и выражается формулой: Е=Рх/ехРх - приложенное напряжение по заданному направлению х, ех - деформация от приложенного напряжения. Коэффициент ν выражается отношением меры растяжения-сжатия геологических объектов к их удлинению при приложении растягивающей нагрузки и является безразмерной величиной: ν=еу/ех В результате упругих деформаций в природных объектах возникают упругие волны, основными из которых являются продольные υр (рис а) и поперечные υs. (рис. б) Эти волны называются объемными. Продольные волны возникают вследствие процессов расширения-сжатия поперечные - процессов сдвига. На свободной поверхности возникает особый вид колебаний, называемый поверхностными волнами (волны Релея и Лява) Продольные и поперечные волны связаны с показателями упругости следующими соотношениями: δ – плотность пород Наиболее эффективными источниками сейсмических колебаний являются взрывы, которые производятся при сейсморазведочных работах в специально пробуренных шпурах или скважинах. Взрывы выполняют под покровными отложениями, то есть ниже зоны малых скоростей (ЗМС), где сейсмические волны интенсивно затухают. К другим источниками сейсмического поля относятся удары. Разработаны специальные невзрывные источники, которые позволяют выполнять многократные возбуждения необходимые для накапливания сигналов Области распространения сейсмической волны Графики колебаний частиц среды в точках М1 и М2 (запись трассы волны) Профили волны между точками М1 и М2 в моменты времени t1 и t2 Затухание волны описывается формулой: А=А0*е-αr*f(r)А0 - начальная амплитуда волны, е - основание натурального логарифма, α - коэффициент затухания, r - расстояние между источником волны и приемником колебаний, f(r) - функция распределения волн различного типа f(r)=1/r для υр и f(r)=1/r2 для υs. Промежуток времени, разделяющий два соседних одноименных экстремума, называют видимым периодом колебаний Т, а расстояние λ между такими же экстремумами – видимой длиной волны. Показатели Т и λ связаны соотношением: где v – скорость, f – частота. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля каждая точка среды самостоятельный источник волн. Форма этих волн - вид затухающих синусоид. Вся волновая поверхность является огибающей семейства элементарных волн (сфер малых радиусов), притом что их интерференция обусловливает за пределами волнового фронта степень интенсивности (амплитуду) суммарной упругой волны. В однородной изотропной среде все лучи распространения волн прямолинейны, а в неоднородно-слоистой, в силу преломления, эти лучи криволинейны Принцип Гюйгенса для нахождения плоского волнового фронта в однородной (а) и неоднородной (б) средах Типы волн используемых в сейсморазведке Если в геологической среде создать источник упругих (сейсмических) колебаний, то от него, соответственно, по всевозможным направлениям будут расходиться сейсмические волны. Последние принято разделять на волны полезные, к которым относятся отраженные и преломленные (головные), и второстепенные: дифрагированные, интерференционные и боковые. Если выделить распространяющуюся от источника единичную, падающую под углом α продольную волну, то в среде, где есть границы раздела, между которыми находятся слои отличающиеся по акустической жесткости А (произведение скорости υ на плотность δ, то есть А= υ* δ), образуется еще четыре волны: Р1S1 – отраженная поперечная, P1P1 – отраженная продольная волна, P1P2 – проходящая продольная волна, P1S2 – проходящая поперечная волна Схема выхода лучей к земной поверхности за счет рефракции Образование различных типов волн на границе двух твердых сред α и α’- углы падения и отражения волны Если в среде существует граница (границы) раздела, где нижележащий слой имеет скорость v2 большую, чем у вышележащих слоев, скорость которых v1, то при падении лучей (сейсмических волн) на такую границу создаются головные (преломлённые) волны. Они образуются только на определенном удалении от источника, когда возникает скользящая вдоль границы волна при угле падения α, равному некоему критическому углу i: Головные волны параллельны друг другу Скорость головных волн больше, чем падающих и отраженных, поскольку υ2>υ1. Эти волны имеют и значительно бо'льшую амплитуду. Однако, приведенная картина не означает, что на рассматриваемой границе нет других волн. Соответственно присутствуют и отраженные и второстепенные волны. . Схема образования головных волн Изменения плотности и скорости распространения упругих волн в ряду силикатных и частично окисных минералов МинералыАлмазКорундТопазКварцГипсГалитГрафит V 16 11 10 9 5 4,6 4 3,83,63,32,62,32,162 МинералыПиритМагнетитЖелезоМедьСереброРтутьЗолото V 8 7,5 5 5 2,5 2,2 2 5589101420 Изменения плотности и скорости распространения упругих волн в ряду тяжелых (рудных) минералов Тенденция изменения скорости распространения упругих волн у минералов различных по химическому составу групп В жидкостях распространяются только продольные волны Показатель Vр дистиллированной воды – 1,45 км/с или 1450 м/с. Vр нефти – 1,3 км/с или 1300 м/с. Vр воды растет с увеличением давления и с увеличением минерализации и зависит от температуры t. Как и в жидкостях, в газах распространяются только продольные волны Vр.Vp воздуха – 0,33 км/с. Vp метана – 0,49 км/с. Тенденция изменения скорости распространения упругих волн у кристаллических пород Тенденция изменения скорости распространения упругих волн осадочных терригенных пород в зависимости от стадий их преобразования Графическое изображение полей сейсмических возмущенийПри сейсморазведочных работах определяют времена ti прихода волны в точки хi дневной поверхности, определяемые как расстояние между пунктами возбуждения и приема. Зависимость t от х носит название годографа. Построение таких графиков для известных моделей геологической среды составляет прямую задачу сейсмической разведки, а процесс сравнения (подбора) годографов, построенных по наблюденным значениям, с таковыми для модельных сред – суть решения обратной задачи сейсморазведки. Годограф прямой (а), отраженной (б) и преломленной (в) волн Лекция 10Технология проведения сейсморазведочных работ. Автоматизированная (цифровая) обработка данных. Применение сейсморазведки при решении структурных задач Методы, основанные на регистрации отраженных и преломленныхволн, получили название МОВ - метод отраженных волн и МПВ - метод преломленных (головных) волн.В МОВ подбирают такую мощность источника, чтобы сейсмические волны имели достаточную амплитуду. Тогда на фоне многократно отраженных волн создаются условия для преимущественного выделения однократных. Наиболее применим в МОВ способ, получивший название ОГТ - общей глубинной точки (центр между ПВ и ПП). При этом появляется возможность «привязывать» наблюдения на отражающей горизонтальной границе к каждой конкретной её точке или к площадке, образуемой вместо точки по восстанию отражающей наклонной границы . Схемы размещения ПВ и ПП в методе ОГТ Замечательная особенность ОГТ в создании перекрытий. Суть в том, что всю линию источник-приемник последовательно «сдвигают» (перемещают) по профилю с заданным шагом. При этом не охватываются только первые и последние расстановки сейсмоприемников. Преимущества технологии очевидны: осуществляется накапливание и суммирование сигналов и появляется возможность фильтровать полезные сигналы (однократные волны) на фоне волн помех. Методика работ МПВ учитывает факт возникновения преломленных волн на определенном удалении от источника Расстояние х между источником и первым сейсмоприемником оценивают по формуле: х ≥ hо·tgi,где i - критический угол, hо – толщина слоев до отражающе-преломляющей границы (кратчайшее эхо-расстояние). Величина х может составлять от первых до нескольких десятков и даже сотен метров, в зависимости от глубины залегания преломляющей границы раздела. При работах МПВ различают расстановку сейсмоприемников с расположением пунктов возбуждения на двух или одном флангах. По результатам наблюдений в первом случае строятся встречные, а во втором нагоняющие годографы. Система встречных годографов за счет их увязки во взаимных точках 01 и 02, позволяет уверенно распознавать волны от преломляющих границ и их прослеживание по площади (а), а система нагоняющих годографов, построенных по данным возбуждений в двух односторонних пунктах, дает возможность проследить непрерывность преломляющей границы по признаку параллельного смещения годографов на величину ∆t (б) Аппаратура и технология сейсморазведочных работ Для выделения полезных волн, возникает необходимость использования систем накапливания и суммирования сигналов. Разработаны разнообразные способы группирования и расстановки сейсмоприемников. Сигналы поступают на усилители и далее регистрируются в цифровом виде. Предусматривается визуализация результатов на экране дисплея. Функциональная схема сейсморазведочного канала СП – сейсмоприемник, У – усилитель, Ф – фильтр, АЦП – аналогово-цифровой, преобразователь, Э.Р. – электронный регистратор Совокупность усилительных каскадов и регистрирующих устройств составляют сейсморазведочную станцию Кодирование сигналов начинается с момента поступления сигнала синхронизации с усилителя-формирователя импульса запуска, на вход которого подключается сейсмоприемник, устанавливаемый на землю рядом с пунктом возбуждения. Технологии сейсморазведочных работ - это изучение геолого-геофизических условий, оценка местности, разбивка профилей, выбор аппаратуры и технических средств, топографическая привязка, составление и оперативная корректировка последовательности работ и.т.д. Технологии существенно отличаются при проведении сейсморазведки на суше, акваториях, в скважинах и горных выработках. Основные отличия заключаются как в специфике самих работ, так и в применяемых аппаратурных модулях и технических средствах. Используются различные сейсмостанции, сейсмические косы (многожильные сейсмические кабели) и присоединяемые к ним сейсмоприемники, буровые станки, передвижные пункты взрыва, установки невзрывного возбуждения, вспомогательный транспорт и.т.д. Общая схема сейсмических наблюдений Процесс производства сейсморазведочных работ Проведение различных видов сейсмических работ по схемам: Z-Z (ПР I, ПВ 1), X-X (ПР II, ПВ 2), Y-Y (ПР III. ПВ 3), Х-Z (ПР II, ПВ 6) и Z-Х (ПР II, ПВ 7) Устройства для возбуждения SH-волн а – скоба; б – брус (1 – груз, 2 - деревянный брус); в – бревно; г - подставка с бороной (1 - взрывная камера пневматической или газовой пушки, 2 - подставка с бороной для передачи импульса). Стрелками показано направление воздействия. Инженерная сейсмическая станция SGD-SEL Цифровой акселерометр SGD-AD Источник возбуждения колебаний Электромагнитный источник возбуждения сейсмических колебаний «ГЕОТОН-6» Группа из четырёх электромагнитных источников возбуждения сейсмических колебаний «ГЕОТОН-30» Электромагнитный импульсный источник возбуждения сейсмических колебаний «Енисей СЭМ-100» В морской сейсморазведке применяют специально оснащенные плавсредства (суда), на которых устанавливаются сейсмостанция, оборудование для буксирования источников и приемных устройств (кос), навигационная аппаратура и др. Сейсмические косы являются цифровыми (стримеры) и делятся на плавающие и донные (при работах на мелководье и малых водоемах). Сейсмическими источниками служат группы пневмо- и (или) электроискровых (спаркеры) излучателей. Все это предопределяет различные системы наблюдений методами МПВ и МОВ. Сейсморазведка 2D выполняется, как правило, в виде продольного многократного профилирования с одной косой, а сейсморазведка 3D реализуется с помощью буксируемой базы наблюдений (один источник и несколько параллельных кос). Скважинная сейсморазведка в основном состоит из сейсмокаротажа (определение средних и пластовых скоростей распространения упругих волн) и вертикального сейсмического профилирования – ВСП (изучение волновой картины в стратиграфическом разрезе). Исследования выполняются в глубоких буровых скважинах по схеме скважина-поверхность. Для выполнения работ требуется термостойкая скважинная сейсморегистрирующая аппаратура, устанавливаемая на спецавтомобиле, на котором помимо цифровой сейсмостанции находится лебедка с многожильным каротажным кабелем. Схема наблюдений методом ВСП Многоточечный двухкомпонентный зонд для скважинных сейсмических наблюдений 1 – регистратор, 2, 3 – приемники, 4 - прижимное устройство Интерпретация сейсморазведочных данныхПроцесс интерпретации многоуровневый и, как для других геофизических разделов, включает на два этапа: 1) собственно сейсмическая интерпретация (интерпретация сейсмотрасс), 2) геологическая интерпретация, то есть решение обратной задачи сейсморазведки. Сейсмическая интерпретация состоит из визуального воспроизведения записей (на бумажном носителе или на экране дисплея) с их последующим нормированием (выравниванием) и фильтрацией в различных частотных диапазонах по сейсмотрассе. Правильность ввода данных и качество первичного (полевого) материала оценивается при анализе волновой картины. Для этого все введенные данные визуализируются на дисплее ЭВМ (повальный вывод) в том порядке, в каком они были получены в поле, то есть в сортировке ОПВ без применения процедур обработки. Сейсмограмма ОПВ при расположении ПВ между ПК-44 и ПК-45 Основная задача сейсмической интерпретации - выделить однократные волны, которые несут полезную информацию на фоне многократных волн-помех. Далее производится сопоставление отфильтрованных сейсмотрасс, то есть их корреляция. В процессе фильтрации однократных волн последние уверенно выделяются когда толщина слоев сопоставима с длиной волны. Последующий процесс многоуровневой интерпретации сейсмических записей сводится к анализу годографов, то есть по сейсмотрассам в каждой точке приёма анализируются годографы, и, таким образом, прослеживается непрерывность той или иной границы. Обязателен учет влияния ЗМС, который позволяет привести сейсмотрассы к некой условной границе 1,2 - годографы, построенные по экспериментальным (1) и исправленным значениям (2) Конечным результатом сейсмической интерпретации является восстановление волновой картины. Монтаж сейсмотрасс носит название временного разреза. Временный разрез характеризует общее строение геологического разреза и не позволяет оценить глубины залегания тех или иных пластов. Поэтому производится перевод временного разреза в глубинный, на котором расстояния между точками наблюдения и отражающей границей соответствуют толщине по вертикали. Перевод временного разреза в глубинный требует машинной обработки. Используется формула: Fo(t)*t = Фо(t),где Фо(t) – функция глубинного разреза Fo – функция сейсмотрасс однократных волн. При построении глубинных разрезов обязателен учет априорных данных, к которым относятся в первую очередь результаты бурения и других геофизических методов. Временной (А) и глубинный (Б) разрезы ОГТ на оползневом участке Геологическая интерпретация заключается в переводе сейсмогеологического разреза в геологический. Предусматривается определение количественных показателей, то есть глубины залегания стратиграфических слоев, их мощности (толщины) и строения. Обязательно определение скорости распространения упругих волн для каждого интервала между отражающими границами, сопоставление данных с бурением, электроразведкой и гравиразведкой. Временные и глубинные разрезы строятся с помощью специальных компьютерных программ. Поэтому современные технологии сейсморазведки предусматривают регистрацию сейсмических данных в специальных форматах, чтобы обрабатывающие системы прежде всего могли автоматически распознавать и считывать первичную информацию, относящуюся к «описанию» всех необходимых для сейсмических трасс данных (дата, участок, профиль, регистрирующие параметры и.т.д.). Временной сейсмический и соответствующий ему геологический разрезы на участке распространения пластовых льдов (Ямал, газоконденсатное месторождение) Изображение системы наблюдений на обобщённой плоскости ПП – пункты приема (совмещенные с пунктами возбуждения – ПВ), ОПП – линии общего пункта приема, ОПВ – линии общего пункта возбуждения, ОСТ – линии общей средней (глубинной) точки Для того, чтобы показать, на каком интервале профиля расположены ПП (интервал наблюдений) при возбуждении на каком-либо определённом ПВ, на вспомогательной линии, исходящей от этого ПВ под углом 450, зачерняют тот интервал, на который проецируется линиями под углом -450 интервал расположения ПП. Следовательно, изображение на обобщённой плоскости не только однозначно определяет положение ПВ и ПП на профиле, но в случае многократных перекрытий позволяет легко формировать сейсмограммы общего пункта возбуждения (ОПВ), общего пункта приёма (ОПП), общих удалений (ОУ), общей глубинной (ОГТ) или средней (ОСТ) точки. Преимущества представления системы наблюдений на обобщённой плоскости в том, что положения ПВ и ПП для каждого отдельного наблюдения отображаются вполне однозначно. Процесс обработки данных сейсморазведки МПВ предусматривает: чтение, визуализацию и фильтрацию сейсмограмм, редактирование трасс и ввод поправок, корреляцию первых вступлений волн, построение и редактирование годографов, определение сейсмических скоростей и построение преломляющих границ. Обработка производится в интерактивном (диалоговом) режиме и при возникновении каких-либо невязок или сомнений возможен возврат на несколько шагов назад. Сейсмограмма ОГТ и частотные спектры сигнала (A) и помехи (Б) Временной разрез ОГТ после применения полосовой частотной и пространственной фильтрации Применение сейсморазведки при решении геологических задачВ наибольших объемах сейсморазведка применяется для изучения структурных форм геологических разрезов. Особое внимание уделяется геологическим структурам и зонам, где можно предполагать наличие нефти и газа. При этом, ввиду высокой стоимости сейсморазведочных работ, принято их планировать для решения только таких задач, которые не могут быть решены другими методами. При изучении глубинных геологических структур, перспективных на нефть и газ, основное значение имеет МОВ-ОГТ. Наиболее эффективны эти технологии на акваториях, где бурение скважин обходится очень дорого, а качество сейсмических данных значительно лучше, чем на суше. Применение сейсморазведки помимо структурной и нефтегазовой геологии эффективно в рудной, угольной и геоэкологии. С помощью как МПВ, так и МОВ удается регистрировать волны, возникающие в ослабленных зонах, связанных с тектоническими нарушениями. Последние важны в связи с приуроченностью к тектоническим зонам рудных скоплений, а также водо- и нефтеперетоков. В угольной геологии необходим опережающий прогноз тектонических разрывов, особенно малоамплитудных, который учитывается при проектировании строительства и в процессе эксплуатации шахт и карьеров, поскольку непредвиденная встреча тектонических нарушений резко снижает эффективность добычи углей. В геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии сейсморазведкой изучают особенности строения верхней части разреза, в связи с чем наблюдают преимущественно проходящие и преломленные волны, реже – отраженные. С помощью МПВ решаются задачи: а) определения глубин границ между покровными и коренными отложениями, б) определения положения уровня грунтовых вод, в) оценки карстово-суффузионной опасности, строения дна водоемов и т.д Лекция 11Общие сведения о радиоактивности. Радиометрические методы разведки для решения задач в геоэкологии, инженерной геологии, при поисках и разведке полезных ископаемых. Ядерная геофизика – раздел разведочной геофизики, основанный на изучении распределения в земной коре естественных и искусственно созданных радиационных полей, изучаемых двумя основными группами методов: а) радиометрическими, основанными на измерении естественных α-, β-, γ - излучений горных пород и обусловленных кларковыми или аномальными содержаниями в них радионуклидов, или концентрацией изотопов радона в почвенном воздухе, б) ядерно-физическими, предусматривающими поэлементный анализ горных пород путем изучения вызванной радиоактивности. Поле ионизирующих излучений (естественной радиоактивности) присуще Земле, как космическому объекту, и складывается из: 1) космического излучения, 2) радиоактивного распада элементов земной коры, 3) дегазации радиоактивных газов, выходящих на поверхность (радон Rn, торон Th). В результате на дневной поверхности формируется радиационный фон. В этом фоне доля космического излучения около 50% и составляет 3-6 мкР. С увеличением высоты космический радиационный фон возрастает в среднем на 1,5 мкР на каждый километр отметки рельефа местности. Остальная доля радиационного фона приходится на естественную радиоактивность горных пород. Радиоактивному распаду подвергается достаточно большое количество химических элементов, в основном с порядковым номером в таблице Менделеева большим 82. Известно более 230 радиоактивных изотопов (ядра атомов различным числом нейтронов). Однако основной вклад в естественную радиоактивность вносят три радиоактивных элемента уран (U), торий (Th) и калий (К). Они находятся в горных породах и других природных объектах в виде изоморфных примесей и самостоятельных минералов. Их вклад следующий: К 60%, U 30%, Th 10%. Интенсивность естественного -излучения (Jγ) наибольшая у К и наименьшая у Th. Излучение происходит при различных энергиях. Спектр естественного гамма-излучения Калий – его материнские породы – преимущественно силикаты магматических пород, полевые шпаты, слюды. Слюды и полевые шпаты преобразуются в различные глинистые минералы. Большая часть калия поступает в породы из водных растворов.Уран – его материнские породы – силикаты магматических пород. Высокая миграционная способность благодаря образованию хорошо растворимого урания–иона ИО .Торий – его материнские породы – силикаты магматических пород. Соединения Th нерастворимы, при выветривании они концентрируются в бокситах, тяжелых и глинистых минералах. Закон радиоактивного распада выражается формулой:где dN – число распадающихся ядер из общего количества N за время dt, λ- постоянная распада. связана с другой единицей Т1/2 – периодом полураспада соотношением:Т1/2 =Закон радиоактивного распада описывает последовательное превращение одних элементов в другие и заканчивается образованием устойчивых нерадиоактивных изотопов. Основными являются ряды U и Th. Они включают до 15–18 изотопов. Конечный продукт – радиогенный свинец. Родоначальники радиоактивных семейств (U, Th) относятся к долгоживущим элементам. У них Т1/2 > 108лет. В состав семейств урана входят радий (Ra) с Т1/2 = 1620 лет и радиоактивный газ радон (Rn) с Т1/2 = 3,82 суток.При распаде радиоактивных элементов в радиоактивных рядах возникает состояние радиоактивного равновесия: Калий ( К) относится к одиночным радионуклидам, у которых радиоактивный распад ограничивается одним актом превращений. Искусственная (наведенная) радиоактивность преимущественно связана с гамма- и нейтронным излучением.γ-кванты – электронейтральные частицы, имеющие более высокую проникающую способность, нежели заряженные α- и β-частицы. Они представляют собой поток электромагнитного излучения очень высокой частоты (f > 1018 Гц). Проникающая способность квантов в воздухе достигает нескольких сотен метров. В природных объектах, в том числе в горных породах, излучение резко ослабляется вследствие процессов фотоэффекта, комптон-эффекта, образования электрон-позитронных пар. Перечисленные процессы происходят при различных энергиях. Фотоэффект. γ–кванты взаимодействуют с электронной оболочкой атома:E = hν – E0 , где h = 6,62 Дж*с, ν – частота электромагнитных колебаний, E0 – энергия связи электрона в атоме. Процесс идет при Е< 0,5 МэВ. Сильная зависимость от Z (порядкового номера).Комптоновский эффект. γ- кванты взаимодействуют с электронами, передавая им часть энергии, а затем испытывают многократные рассеяния. Процесс идет в основном при 0,2< Е< 3 МэВПроцесс образования электронно-позитронных пар сводится к возникновению последних из фотонов в поле ядер атомов и происходит при энергии Е> 1,02 МэВ. Спектр многократно рассеянного γ- излучения Главное значение имеет комптон-эффект. В этом диапазоне энергий интенсивность рассеянного гамма-излучения (Jγγ) зависит от плотности среды. Чем больше плотность, тем меньше Jγγ. В частности, для моноэлементной среды справедлива формула: где ne – число электронов в единице объема, NA – число Авогадро, A – массовое число, Ζ – порядковый номер, δ – плотность. Единицами измерения радиоактивности являются:Беккерель (Бк), 1Бк = 1 расп/с – системная единица, Кюри (Ки) - внесистемная единица, где 1 Ки = 3,7*10 Бк, Удельная массовая активность Бк/кг – системная единица, Удельная объемная активность Бк/м3 – системная единица, Мощность экспозиционной дозы (А/кг) – системная единица, Микрорентген в час (мкр/час) - внесистемная единица. Нейтронное излучение – возникает при фотоядерных реакциях путем взаимодействия α-частиц с ядрами легких элементов (бериллий, бор и др.). Нейтроны: 1) как и γ-кванты, являются электронейтральными частицами и из всех видов излучений обладают наибольшей проникающей способностью; 2) разделяются по энергетическому спектру в диапазоне энергий Е = 107 – 10-3 эВ на быстрые, промежуточные, медленные, резонансные, надтепловые, тепловые, холодные.При взаимодействии нейтронов с природными объектами имеют место два основных, разделенных во времени, процесса: а) замедление быстрых нейтронов (t < 10-2 c), б) диффузия тепловых нейтронов (t > 1 c). Диаграмма процессов замедления быстрых и диффузии тепловых нейтронов Изменение естественной радиоактивности в щелочноземельном ряду магматических пород Изменение естественной радиоактивности в зависимости от степени метаморфизма пород По степени радиоактивности осадочные породы можно разделить на 3 группы: Низкая радиоактивность: кварцевые пески, известняки, доломиты, каменная соль, ангидриты, гипсы, угли, нефтенасыщенные породы. Повышенная радиоактивность: глинистые разности, всех терригенных пород. Высокая радиоактивность: каменные соли, моницитовые и ортитовые пески, глубоководные и красные глины. Содержание U, Th, К зависит от условий образования пород, в частности, наблюдается зависимость γ- активности от глинистости. Нейтронные свойства породСреди горных пород по воздействию на них нейтронов можно выделить 3 крупные группы: породы высокого водородосодержания, резонансные замедлители, тяжелые замедлители. Основную роль в формировании нейтронных свойств горных пород играют: 1) водород и породообразующие минералы различных классов; 2) содержание химически связанной воды. Показателями нейтронных свойств являются время жизни (τ) и длина замедления (Ls). Эти показатели имеют между собой линейную связь: чем больше τ тем больше Ls. Тенденция изменения нейтронных свойств у кристаллических пород Магматические породы Стадии метаморфизмаI – кислые I - зеленосланцевыеII – средние II - амфиболитовыеIII – основные III - гранулитовыеIV – ультраосновные IV – эклогитовые Осадочные породыCамым сильным замедлителем нейтронов в осадочных горных породах является водород и второстепенное значение имеют глинистые и совсем незначительное карбонатные и силикатные минералы. Для одноименных стадий в зависимости от вещественно-петрографического (литологического) состава тенденция изменения показателей τ и Ls для основных групп пород следующая Тенденция изменения τ и Ls в зависимости от стадий преобразования (окаменения) терригенных пород Среднее время жизни нейтронов в водо- и нефтегазонасыщенных пластах В аппаратуре для ядерно-геофизических исследований в качестве чувствительных элементов используют ионизационные камеры, счетчики Гейгера-Мюллера, полупроводниковые детекторы, сцинтилляционные счетчики, термолюминесцентные кристаллы.Приборы для ядерно-геофизических исследований кроме чувствительных элементов содержат усилители тока, индикаторы (для визуального отсчета), регистраторы (для автоматической записи) интенсивности либо естественного (Jγ) гамма-излучения, либо концентрации эманации радона, либо искусственно вызванных излучений (Jγγ). Схемы чувствительных элементов (детекторов) для приборов, используемых при ядерно-геофизических наблюдениях 1 — ионизационная камера; 2 — счетчик Гейгера — Мюллера; 3 — полупроводниковый кристалл; 4 — шинтилляционный счетчик; 5 — термолюминесцентный кристалл; СЦ— сцинтиллятор; ФЭУ — фотоэлектронный умножитель К методам радиометрии относятся воздушная, автомобильная, пешеходная (поверхностная), глубинная (шпуровая) гамма-съемки, радиометрический анализ проб горных пород, эманационная съемка, а также методы опробования, предназначенные для оценки концентрации радиоактивных элементов в обнажениях и горных выработках. В горных выработках изучают также жесткую компоненту космического излучения. Для воздушной и автомобильной гамма-съёмок используют различные аэро- и авторадиометры, отличающиеся быстродействием, т. е. малой инерционностью. Они состоят из набора сцинтилляционных счетчиков, а также усилительного и регистрирующего блоков. Питание приборов осуществляется с бортовой сети самолета (вертолета) или аккумуляторов автомобиля. Для наземной (пешеходной) гамма-съёмки используют разного рода полевые радиометры. Конструктивно прибор состоит из выносного зонда, пульта управления и питания от сухих анодных батарей. Радиометры градуируют. С этой целью используют образцовый излучатель радия, помещаемый в коллиматор для создания узкого пучка гамма-излучения, с помощью которого определяется цена деления шкалы радиометра. Для определения концентрации радиоизотопов по их энергетическому спектру используют полевые гамма-спектрометры, а для изучения концентрации радона в подпочвенном воздухе - эманометры. Последние состоят из сцинтилляционного счетчика альфа-частиц, а также насоса и набора зондов, с помощью которых ведется отбор в камеру подпочвенного воздуха с глубины до 1 м. Шкалу прибора градуируют с помощью специальных эталонов, характеризующих концентрацию радона в подпочвенном воздухе (Сэ). При применении ядерно-геофизических методов различают открытые ореолы, выходящие на поверхность и закрытые, то есть развивающиеся на некоторой глубине от поверхности. По генетическим признакам выделяют:а) Первичные ореолы, образовавшиеся одновременно с формирование рудного тела. Их элементный состав близок к составу самих руд. Формы подобны формам рудных тел, а размеры превышают размеры залежи. б) Вторичные ореолы, образующиеся при разрушении или преобразовании руд и первичных ореолов в приповерхностной части. Образование вторичных ореолов является результатом переноса радиоактивного вещества и элементов-спутников в твердой, жидкой и газообразной формах. Вокруг ореолов существуют области рассеивания, подразделяющиеся на солевую, водную, газовою. Радиометрические съёмки бывают как самостоятельными, выполняемыми при площадных поисковых исследованиях масштаба 1:10000 и крупнее (при расстояниях между профилями меньше 100 м), так и попутными, проводимыми совместно с маршрутными геологическими съемками в масштабах 1:25000 - 1: 50000. Соотношение гамма-излучения горных пород и фона Н1 < Н2, 1 > 2, Jн = J2;  = S/4H22;S – площадь аномалии Аэрогамма-съёмка является одним из наиболее быстрых и экономичных методов радиометрии, применяется обычно в комплексе с аэромагниторазведкой, а иногда и аэроэлектроразведкой. В результате рассчитывают аномалии разных энергий, позволяющие выделить урановую, ториевую и калиевую составляющие радиоактивного поля. Наибольшими значениями энергии гамма-излучения отличаются элементы ториевого ряда, меньшими — уранового, еще меньшими — калиевого. Для повышения надежности выделения аномалий используют статистические приёмы обработки с привлечением ЭВМ. Далее строят карты графиков, а иногда карты. Снижение аномальных значений гамма-интенсивности от скорости летательного аппарата   Автогамма-съёмка представляет собой скоростную наземную гамма-съёмку во время движения автомобиля с автогамма-спектрометром. Результаты автогамма-съёмки представляют в виде лент аналоговой регистрации. Выявленные аномальные участки закрепляют на местности, «привязывают» инструментальным способом и проверяют наземными гамма-спектрометрическими съемками. После первичной обработки материалов строят карты графиков и карты Jγ. На них визуально (или с помощью ЭВМ) выявляют аномалии. Сравнивая их с геологическими картами и другой информацией, оценивают перспективность территорий на радиоактивные элементы. Пешеходная (поверхностная) гамма-съёмка — один из основных поисковых и разведочных методов радиометрических исследований. Её проводят с помощью полевых радиометров и спектрометров. Рекомендуется ежедневно проверять режим работы прибора с помощью малых контрольных ториевых или радиевых источников. В результате наземной гамма-съёмки строят графики, карты графиков и карты интенсивности ∆J эквивалентные гамма-активности пород ∆J = J - Jнф. Обработка данных спектрометрической гамма-съемки сводится к вычислению концентраций (С) урана, тория и калия по J на разных энергиях. На рисунке приведен пример результатов спектрометрической гамма-съёмки в Восточной Сибири. 1 — породы песчано-сланцевой толщи; 2 — ороговико-ванные породы; 3 — диабазовые порфириты; 4 — двуслюдяные мусковитовые граниты; 5 — порфировидные мусковитовые граниты; б— амазонит-альбитовые граниты ЭМАНАЦИОННЫЙ МЕТОД (ЭМ) ЭМ основан на изучении концентрации радиоактивных эманаций в почвенном воздухе. По названиям соответствующих эманаций практическое применение в полевых условиях получили радоновый и тороновый ЭМ. Их применение используется при крупномасштабных съемках урана и тория на территориях закрытых рыхлыми отложениями, а также для прослеживания тектонических нарушений, прогноза землетрясений и др. Преимущество ЭМ в высокой глубинности исследований, а ограничения обусловлены невозможностью применения в малопроницаемых, сильно увлажненных и мёрзлых грунтах. Схема формирования газового ореола Перемещению эманации в вертикально направлении способствуют следующие процессы: диффузия за счет градиента давления в земной коре; эффузия за счет градиента давления в земной коре; тепловая конвекция за счет геотермального градиента; фильтрация восходящих воздушных потоков (гравитационное перераспределение); турбулентные эффекты в почвенном воздухе при изменении внешних условий. Схема отбора подпочвенного воздуха при ЭМ 1 —шпур; 2 —зонд-пробоотборник; 3 — резиновый шланг; 4 —пылеулавливатель; 5 — насос-держатель; 6 —сцинтилляционная камера; 7 — пульт эманометра Ядерно-физические методы разведки основаны на использовании искусственных радиоактивных источников. Изучению подвергаются горные породы посредством их облучения гамма-квантами или нейтронами. Облучать можно также с помощью специальных генераторов нейтронов. Меняя источники облучения, их энергию, длительность облучения, изучая разные ядерные реакции источников облучения с электронами и ядрами атомов облучаемых горных пород и руд, можно получить информацию о их химическом составе, физико-механических свойствах, степени насыщенности пород разными флюидами (нефть, вода). К радиоизотопным гамма-методам относятся методы изучения физико-химических свойств горных пород путем облучения их источниками гамма-квантов разных энергий: фотонейтронный анализ, или гамма-нейтрониный метод (ГНМ); плотностной гамма-гамма метод (ГГМ-П); рентгенорадиометрический метод (РРМ); радиоизотопные нейтронные методы, включающие активациопный анализ, нейтронный анализ, гамма-спектральный нейтронный анализ и др. Стадийность ядерно-геофизических исследованийРегиональные исследования в радиометрии проводятся для выделения потенциально рудоносных территорий и установления критериев рудоносности. Используются дистанционные методы исследований (космические, аэрометоды. Масштабы съёмок 1: 2 500 000 и 1: 1 000 000. Специальные геологические съемки проводятся на территориях перспективных рудных районов для оконтуривания и прогноза потенциальной рудоносности. Изучаются геологическое строение района, закономерности размещения проявлений оруденения. Масштабы съёмок 1:200 000 и 1: 50 000. Поисково-оценочные работы проводятся с целью геолого-экономической оценки перспективных объектов, оконтуривания месторождений в плане, прослеживания оруденения на глубине, прогнозной оценки запасов, оценки технологических свойств руд, условий их эксплуатации. Масштаб съёмок 1: 10 000. Предварительная разведка проводится на месторождениях, получивших положительную геолого-экономическую оценку. При детальной разведке выясняется геологическое строение месторождения, состав и техническое условие эксплуатации руд с полнотой и достоверностью, достаточной для передачи месторождения в освоение с составлением проекта строительства горнодобывающего предприятия. Лекция 12Тепловое поле Земли и его циклические изменения. Региональные, поисково-разведочные и инженерно- гидрогеологические термические исследования 갂ل(가،갂਀ѓPǯЂ襠భїƿǿ̿쎀 οПрямоугольник 1ђАᗀྡྷ֌ྟྠӶТерморазведка – раздел разведочной геофизики, основанный на изучении распределения в земной коре преимущественно естественных и реже искусственно созданных тепловых полей специальными приборами при проведении аэро-, аква- и наземных геофизических съемок в рамках региональных геотермических исследований и при поисково-разведочных геотермических работах. Тепловое поле, равно как и другие физические поля, связывают с материальной средой, в которой возникают и взаимодействуют тепловые потоки. Последние, воздействуя на материальные, в частности природные объекты, определяют их тепловой режим, обусловливая деформацию теплового поля.ྡRɼࠀcŔccċcྪɼྦǰěǔːϰԐ Терморазведка – раздел разведочной геофизики, основанный на изучении распределения в земной коре преимущественно естественных и реже искусственно созданных тепловых полей специальными приборами при проведении аэро-, аква- и наземных геофизических съемок в рамках региональных геотермических исследований и при поисково-разведочных геотермических работах. Тепловое поле, равно как и другие физические поля, связывают с материальной средой, в которой возникают и взаимодействуют тепловые потоки. Последние, воздействуя на материальные, в частности природные объекты, определяют их тепловой режим, обусловливая деформацию теплового поля. Тепловое поле Земли формируется под действием следующих энергетических процессов: Солнечная энергия (получаемая и переизлучаемая обратно); Геотермическая потеря теплоты; Энергия, теряющаяся при замедлении вращения Земли; Упругая энергия, высвобождающаяся при землетрясениях.Одним из главных источников современной тепловой энергии в земной коре является радиоактивный распад долгоживущих изотопов. Источником тепла является также процесс дифференциации вещества мантии. Есть смысл характеризовать тепловое поле посредством параметров потенциала U и напряженности Е. Однако в результате сложившихся многолетних представлений оперируют понятиями теплового потока, геотермической ступени и др. В большинстве случаев изучают тепловой поток. Он обозначается Q, единица измерения Вт/м2, формула – уравнение теплопроводности: , где λ - коэффициент теплопроводности (Вт/м*К), - вертикальный градиент изменения температуры К/м. Знак «-» указывает на убывание температуры. Зональность земных недр по распределению теплового потока изучена недостаточно в силу отсутствия инструментов проникновения вглубь геосфер. К тепловым свойством природных объектов относятся теплопроводность λ, единица измерения которой Вт/м*К и удельная теплоемкость С, измеряемая в единицах Дж/кг*К.Теплопроводность (λ)– направленный процесс распределения теплоты, приводящий к выравниванию температуры среды:, гдеq–удельный тепловой поток, grad T –градиент температуры.2) Удельная теплоёмкость С – величина характеризующая теплоёмкость тела массой m, при увеличении температуры на 1 при действии количества теплоты Q. Единица измерения Дж/кгּК., гдеm – масса тела, Q – количество теплоты, T2–T1 – изменение температуры тела. Теплопроводность минералов изменяется в пределах 0,3 (сера)420 (серебро) Вт/м·К и зависит от минерального состава, формы, размеров и пространственных ориентации кристаллов или зерен, температуры и давления. Примерный ряд убывания  для минералов:Группы минералов , Вт/мּК.Графит, алмаз 120Сульфиды 20Оксиды 10Хлориды 6Карбонаты 4 Силикаты 3,5Сульфаты 2,8Нитраты 2Сера, селен 0,8 Теплоемкость минералов изменяется в пределах 0,1254 кДж/кгּК и зависит от их химического состава и структуры. Так как плотность () также определяется составом и структурой, то наблюдается тесная связь С и  Теплопроводность нефти при t =20 0,130,14 Вт/м·К.  убывает в породах при увеличении нефтенасыщенности и увеличивается с ростом давления.Теплоемкости воды и нефти составляют:Своды= 4 кДж/кгּК, Снефти= 1,8-2,7 кДж/кгּК. Средние значения теплопроводности воздуха и природных газов :воздуха = 0,02441 Вт/м·К, метана = 0,034Вт/мּК, этана = 0,021 Вт/мּК. Эти значения возрастают с ростом температуры и давления.Теплоемкость воздуха и природных газов: Своздуха = 1 кДж/кг·К, Сметана и этана = 2,63,6 кДж/кг·К. Изменение теплопроводности в щелочноземельном ряду магматических пород Изменение теплоёмкости в щелочноземельном ряду магматических пород Теплопроводность и теплоёмкость осадочных пород характеризуются более значительными вариациями, нежели у кристаллических пород. Диапазоны этих показателей для  (0,1 7,5 кДж/кг·К) и для С (0,424,65 кДж/кг·К). Прослеживается тенденция уменьшения  и увеличения С для следующих групп осадочных пород: 1) терригенно-глинистые, 2) плотные карбонатно-солоноватые и кварцевые породы, 3) каустобиолиты (торф, угли, горючие сланцы).Для литологических разностей одноименных стадий преобразования ряд увеличения  и уменьшения С следующий: угли  глины  аргиллиты пески  алевролиты  известняки  доломиты  каменная соль. К оптическим свойствам пород относятся: альбедо, характеризующее отражательные свойства поверхности (%); коэффициент яркости, т. е. отношение яркости поверхности в рассматриваемом направлении к яркости белой идеально рассеивающей поверхности; степень черноты, показывающая, во сколько раз плотность излучения данного объекта меньше плотности излучения абсолютно черного тела при той же температуре, и др. Перечисленные свойства оказывают влияние на результаты инфракрасной съемки. . Решение прямых задач терморазведки, то есть расчёт аномалий теплового потока над нагретыми телами простой геометрической формы (шар, столб, цилиндр, пласт и др.), осуществляется по аналитическим формулам. Для более сложных физико-геологических моделей (ФГМ), например, теплового поля над реальными средами, используются программы математического моделирования геотермии (численные расчеты). При этом должны быть известны геометрические параметры и тепловые свойства как объектов поиска, так и вмещающей среды. Решение обратных задач терморазведки сводится к определению параметров объектов, создавших тепловые аномалии, путем сравнения этих параметров с теоретическими, рассчитанными в ходе математического моделирования. Параметры совпавшей модели можно перенести на изучаемый объект. При этом, как и в любом геофизическом методе, в геотермии обратная задача решается не однозначно. Поэтому при решении обратных задач может рассматриваться несколько ФГМ. В ходе геологического истолкования результатов из них можно выбрать те (или ту), которые в наибольшей степени отвечают всем известным геолого-геофизическим данным. Аппаратура для геотермических исследованийДля геотермических исследований используют разного рода тепловизоры, термометры, термоградиентометры и тепломеры.Тепловизоры используются для дистанционных аэрокосмических — радиотепловых и инфракрасных съемок (РТС и ИКС). Они работают в участках спектра длин электромагнитных волн от микрометрового до миллиметрового диапазона, где имеются так называемые окна прозрачности для разной облачности. Фоточувствителъными элементами (фотодетекторами) тепловизора служат особые кристаллы, чувствительные к электромагнитному излучению. Тепловизоры-спектрометры содержат устройства спектрального разделения принятых излучений на разных частотах. В тепловизорах аэрокосмической съёмки имеется сканирующее электронно-механическое устройство для развертки фотодетектора перпендикулярно к направлению полета носителя техники, чтобы осуществить развертку изображения по строкам и кадрам, т. е. провести обзорную площадную съемку. Обработка информации проводится с помощью ЭВМ. Термометры служат для измерения температуры пород или воды в скважинах (шпурах) или донных осадках. Чувствительным элементом таких термометров являются термочувствительные датчики, в качестве которых используются терморезисторы, полупроводниковые резисторы-термисторы, термочувствительные пъезокристаллы, включаемые в измерительные мостовые схемы с источником тока. Существуют шпуровые, скважинные и донные термометры с разной инерционностью (измерения могут длиться до 25 мин), погрешностью измерений температур (до ±0,02 °С) и с градуировочной точностью (до ±0,01 °С). Современные технологии терморазведкиВ настоящее время для исследования состояния теплового поля Земли и ее природных ресурсов применяются радиотепловые (РТС) и инфракрасные (ИКС) аэрокосмические съёмки. Ценным их преимуществом является возможность проводить измерения в темноте, а при соответствующем выборе длин волн — и практически при любой погоде. Аномалии на полученных снимках формируются за счет тепловых потоков из недр, отражения солнечной энергии и зависят от оптических, тепловых и в меньшей степени электромагнитных свойств горных пород верхней части геологической среды. Недостатком является то, что радиотепловые и инфракрасные съемки осложняются термическими помехами, связанными с неравномерным тепловым обменом земной поверхности и атмосферой, изменяющимися климатическими и метеорологическими условиями, состоянием атмосферы и другими факторами. Другой вид исследований носит название геотермических и сводится к высокоточному (погрешность не более 0,02 °С) неоднократному измерению температур, их приращений, иногда тепловых потоков в разведочных скважинах, горных выработках шахт и рудников, донных осадках озер, морей и океанов. Чтобы исключить влияние сезонных колебаний температур, замеры на суше ведут на глубинах свыше 50-100 м, а на акваториях — при толще воды свыше 100 м. Термические измерения с целью восстановления температур, нарушенных вскрытием недр, проводят через несколько месяцев после бурения глубоких скважин, через несколько недель или дней после бурения неглубоких скважин или часов после пробивки шпуров.. Поскольку в глубоких выработках, скважинах, на дне океанов температуры не меняются, то создаются банки данных температур, по которым строятся региональные термические карты больших территорий континентов и океанов.Графики и карты распределения температур и градиентов температур служат как самостоятельным источником геотермической информации, так и для расчетов тепловых потоков. Терморазведка в комплексе с другими геофизическими методами может применяться в процессе поисков и разведки нефтяных, газовых, рудных, нерудных, угольных месторождений и их эксплуатации. Чаще всего измерения температур пород проводятся в скважинах наземного и подземного бурения и донных осадках океанов, морей в установившемся (за часы, сутки, месяцы в зависимости от глубины скважин) тепловом поле. Кроме того, температуры можно измерять в шпурах, пробуриваемых на земной поверхности глубиной 0,5-2 м, где через минуты или первые часы существует неустановившееся тепловое поле. Природа термических аномалий объясняется: 1) на месторождениях нефти и газа миграцией углеводородов (УВ) к земной поверхности, особенно по субвертикальным зонам трещиноватости, окружающим нефтегазовые ловушки (антиклинальные, структурно-тектонические и др.); 2) на рудных полиметаллических месторождениях бо'льшей теплопроводностью руд по сравнению с вмещающими породами; 3) над неметаллическими полезными ископаемыми типа кимберлитовых трубок, из которых до 10 % алмазоносны, - видимо инфильтрацией к кровле трубок поверхностных вод по системам пор и трещин, а также физико-химическими процессами в теле трубок. Аэрокосмические дистанционные радиотепловые и инфракрасные съёмки дают информацию для исследования природных ресурсов Земли и, в частности, для изучения районов активного вулканизма и гидротермальной деятельности, геологического картирования и поисков некоторых полезных ископаемых, инженерно-геологических и гидрогеологических съёмок, решения задач почвоведения и мелиорации, изучения снежного, ледяного покрова и динамики ландшафтов, охраны природной среды и др. Одной из интересных практически важных проблем, решаемых региональной термометрией и терморазведкой, является изучение геотермических ресурсов, то есть источников глубинной тепловой энергии недр Земли, используемых для выработки электроэнергии, теплофикации населенных пунктов, в курортологии, парниковых хозяйствах и т. п. Они связаны либо с высокотермальными подземными водами, либо с зонами перегретых пород по сравнению с окружающими массивами. Термические исследования геологической среды могут использоваться при выделении локальных тепловых аномалий инженерно-геологической, гидрогеологической, мерзлотно-гляциологической и геоэкологической природы. В различных природных условиях получаемые геотермические профили и карты служат для оконтуривания многолетнемерзлых и талых горных пород с разными тепловыми свойствами, изучения динамики подземных вод (приток глубинных вод создает положительные аномалии температур, поверхностных — отрицательные), прогноза приближения забоя выработок к обводненным зонам и решения других задач. Особый интерес представляет определение скорости фильтрации подземных вод. Для выявления мест фильтрации вод из водохранилищ, каналов, рек и стволов скважин, а также интервалов, где утечки отсутствуют, можно использовать измерения естественных и искусственных тепловых полей. Участки сосредоточенной фильтрации в берега акваторий выделяют по температурным аномалиям, знак которых зависит от температуры вод. Более чёткие результаты получают при искусственном электрическом подогреве воды, например, в скважине. По скорости восстановления температур можно не только качественно выявить места утечек, но и оценить скорости фильтрации. В геоэкологических исследованиях шпуровую терморазведку можно использовать для изучения теплового загрязнения, выявления отходов промышленных и сельскохозяйственных предприятий в горных породах и поверхностных водах рек, озер, водохранилищ. Лекция 13Скважина как объект эколого-геофизических исследований. Краткая характеристика методов. Основы техники и технологии производства работ Геофизические методы исследования скважин (ГИС) – раздел разведочной (прикладной) геофизики, представляющий совокупность геофизических методов, предназначенных для изучения горных пород в разрезах геологоразведочных скважин и околоскважинном пространстве. К ГИС (ГИРС – геофизические исследования и работы в скважинах) также относят изучение технического состояния скважин и работы в скважинах (отбор проб из стенок скважин, перфорацию, торпедирование и др.). ГИС, согласно принятой терминологии, еще называют каротажем, а в нефтегазовых скважинах – промысловой геофизикой. Методы ГИС, служащие для изучения межскважинного пространства называются скважинной геофизикой. Методы ГИС основаны на использовании тех же физических полей, что и методы полевой геофизикиПо отношению к полевым (наземным) методам, специфика ГИС в изучении геологических разрезов геологоразведочных скважин, где скважина выступает в качестве геофизического профиля. В таких условиях технология геофизических работ приобретает самостоятельное значение. Схема работ методами ГИС 1 - cкважинныйприбор, 2 - каротажный кабель,3,4 -подвесной и наземный блок-балансы, 5 - каротажная лебедка, 6 - операторская подъемника, 7 - измерительный блок (модуль), 8 - операторская каротажной станции, 9 - соединительные провода. В скважине геофизические датчики поля, помещенные в скважинные приборы, как нигде (за исключением случаев наземных геофизических съемок на участках коренных невыветрелых пород) приближены к геологическим объектам, т.е. к пластам горных пород. И казалось бы регистрируемые параметры должны быть близкими к истинным. Однако это в большинстве случаев не так.Во-первых, влияет буровой раствор, заполняющий скважину. Во-вторых, под воздействием бурового инструмента частично изменяются физико-химические условия. В-третьих, под действием бурового инструмента и промывочной жидкости образуется каверны.В-четвертых, под действием давления, превышающим пластовое, в пористые, проницаемые породы проникает промывочная жидкость. Разрез околоскважинного пространства в месте пересечения продуктивного пласта dс – диаметр скважины,dк – диаметр каверны,dзп – диаметр зоны проникновения, dпп – диаметр промытой зоны, hгк – толщина глинистой коркиh – мощность продуктивного пласта В практике геологоразведочных работ наибольшее применение, и соответственно разработку, получили электромагнитные и радиоактивные методы ГИС, несколько в меньшей степени акустические и ещёе в меньшей степени магнито- и гравиметрические. Особое место занимают методы контроля технического состояния скважин и сопровождающие работы в скважинах. Каротаж на основе естественных и искусственно вызванных электромагнитных полейКак и в электроразведке, электрических методов ГИС очень много: десятки и даже первые сотни. Классическим электромагнитным методом, появившимся на заре каротажных работ, является электрический каротаж методом КС (кажущихся сопротивлений). Исследования выполняются с использованием искусственно созданного поля, т.е. должен быть источник поля (генератор). Одновременно с методом КС производится регистрация потенциалов постоянного естественного электрического поля, т.е. потенциалов собственной поляризации – ПС. Схема электрического каротажа КС и ПС 1 – генератор, 2,3– фильтры, А,В – питающие электроды, М,N – измерительные электроды Схемы последовательного (А) и обращенного (Б) зондов КСI, II – однополюсные и двухполюсные, реальные (а) и идеальные (б) зонды Боковой каротаж – один из основных методов исследований скважин. Достоинство метода в фокусировке тока, что достигается специальной конструкцией зондов . Сопоставление каротажных диаграмм, зарегистрированных зондом БК Участок Садкинский-Северный (Восточный Донбасс) 1 – уголь; 2 – углистый сланец; 3 – аргиллит; 4 – алевролит; 5 – песчаник; 6 – известняк Высокочастотный индукционный каротаж изопараметрических зондирований (ВИКИЗ) ВИКИЗ – современная прогрессивная технология электромагнитного каротажа, в которой измеряются относительные фазовые характеристики. Это позволяет проводить геофизические измерения в скважинах с сильнопроводящим буровым раствором (ρс<0,5 Ом·м). То есть, физические основы ВИКИЗ в том, что относительная разность фаз и амплитуд, измеренных в 2-х близрасположенных катушках, очень слабо зависит от параметров скважины в диапазоне частот 10ч15 МГц. Достигается высокий уровень сигналов в среде с удельным сопротивлением до 120 Ом*м. Схема зонда ВИКИЗ L – длина зонда, ∆L - длина базы – расстояние между измерительными катушками Метод потенциалов самопроизвольной поляризации (ПС или СП) основан на измерении естественного постоянного электрического поля Земли, которое создается в скважинах в основном вследствие диффузионно-адсорбционных процессов. Последние приводят к существованию на границах разделов сред двойных электрических слоев, суммарный потенциал которых и характеризует интенсивность поля ПС.Метод весьма эффективный, входит в обязательный комплекс ГИС нефтегазовых и др. скважин. Измерение потенциалов естественного поля (Uсп) сводится к замеру разности потенциалов между подвижным электродом М и неподвижным электродом N, находящимся на поверхности. 1 – глина, 2 – песчаник Схема измерений методом ПС Радиоактивный каротаж (РК) – совокупность методов, основанных на изучении распространения естественного или наведенного (искусственного) радиоактивного поля в разрезах скважин. На основе поля естественной радиоактивности создан метод гамма-каротажа (ГК), а на основе наведенной радиоактивности методы гамма-гамма-каротажа (ГГК) и методы нейтронного каротажа (НК).При каротаже ГК измеряют естественную радиоактивность (Jγ) в скважине. Спектрометрическая модификация ГК имеет название спектрометрического гамма-каротажа (СГК). Метод гамма-гамма каротажа (ГГК), или плотностной гамма-гамма метод (ГГК-П) создан на основе комптон-эффекта. Второй процесс взаимодействия γ-квантов с веществом – фотоэффект положен в основу метода гамма-гамма селективного каротажа (ГГК-С) Нейтронные методы каротажа (НК) НК включает: 1) нейтронный гамма-каротаж (НГК), 2) нейтрон-нейтроный каротаж по тепловым нейтронам (ННК-Т), 3) нейтрон-нейтронный каротаж по надтепловым нейтроном (ННК-НТ), 4) спектрометрический нейтронный гамма-каротаж (СНГК).Зондовое устройство скважинных приборов НК имеет конструкцию подобную таковым в методах ГГК и ГГК-С . Источник нейтронов является ампульным и во время каротажа подсоединяется к прибору вместе с хвостовиком, перевозится в специальном защитном устройстве (обязательно соблюдаются меры безопасной работы с радиоактивными веществами). Методы акустического каротажа (АК) основаны на возбуждении упругих волн в полосе частот f = 110 кГц.Наибольшее распространение получили трехэлементные зонды. И – пьезоисточник, П1,П2 – пьезоиндикаторы, LЗ-1, LЗ-2 – длины зондов, L – база измерений Трехэлектродным зондом регистрируют параметры: tp1 – время первого вступления первого приемника, tp2 – время первого вступления второго приемника, ∆t – интервальное время – разница времен прихода головной волны на второй и первый приемники, А1 – амплитуда сигнала на первом приемнике в заданной точке, А2 – амплитуда сигнала на втором приемнике в заданной точке, α – коэффициент поглощения. Наиболее информативной в АК является кривая ∆t. Базу выбирают в соответствии требуемой разрешающей способностью. Чем меньше ∆L, тем более тонкие пласты могут быть выделены. Многоэлементный зонд АК содержит минимум 2 измерителя и более 10 приемников (16, 24, 48 и т.д.). Такие зонды называют матричными. Блок волновых картин имеет вид сейсмограмм Лекция 14Геофизическая интерпретация результатов комплексных скважинных геофизических исследований Интерпретация методов ГИС состоит в: обработке диаграмм; геофизической интерпретации; геологической интерпретации.Обработка диаграмм включает: а) приведение результатов к определенным глубинам и системе отсчетов; б) учет и устранение аппаратурных и других помех; в) нахождение границ пластов и их толщин (мощности); г) снятие показаний. Далее, с целью проведения последующей количественной интерпретации, снимают (определяют) «существенные значения». Например для кривых ρк, это либо средние (ρксред), либо максимальные (ρкмах), либо оптимальные (ρкопт) значения. Определение существенных значений ρк на примере кривых КС, зарегистрированных градиент-зондом 1 – исследуемый пласт, 2 – вмещающие породы  Геофизическая интерпретация проводится с целью определения истинных параметров, например ρп, на основе решения обратной задачи, тоесть методом подбора наблюдённой кривой с одной из теоретических и привлечением априорных данных. Геологическая интерпретация заключается в определении геологических характеристик разреза, в частности при истолковании электрических методов ГИС. Электропрофилирование применяют для нахождения границ пластов, а также в благоприятных условиях для литологического расчленения разрезов, выявления целевых объектов (нефте-, газо-, водоколлекторов, пластов угля, руд и т. д.). Определения границ пластов в большинстве случаев сводится к нахождению точек, соответствующих градиентам максимального возрастания (убывания) кривых.   Пример определения границ пластов на каротажных диаграммах Литологическое расчленение разрезов скважин 1 – уголь; 2 – углистый сланец; 3 – аргиллит; 4 – алевролит; 5 – песчаник; 6 – известняк Количественная интерпретация результатов ГИС Как и в методах полевой геофизики основной приём - подбор (сравнение) наблюдённых (зарегистрированных в скважинах) кривых с теоретическими. Интерпретация может выполняться как вручную с помощью специальных палеток, так и в автоматизированном режиме с применением специальных программ. Компьютерная интерпретация основана на интерактивном (диалоговом) режиме. Как правило, в процессе интерпретации привлекается дополнительная геолого-геофизическая информация. Сопоставление каротажных диаграмм БКЗ и ВИКИЗ в разрезе нефтегазовой скважины (Западная Сибирь) Сопоставление (подбор) фактических кривых с теоретическими кривыми двухслойной палетки Сопоставление (подбор) фактических кривых с теоретическими кривыми трёхслойных палеток Лекция 15Понятие о эколого-геофизичесом комплексе и принципы его выбора. Качественная и количественная неоднозначность при решении прямых и обратных задач. Геоэкологическая интерпретация комплексных геофизических данных Комплексирование геофизических методов - это сочетание и проведение в определенной последовательности различных геофизических исследований. Необходимость его обусловлена неоднозначностью (многозначностью) истолкования результатов геофизических исследований по определению геологической природы, формы и геометрии изучаемых объектов. Кроме того, необходимость комплексирования определяется тем, что те или иные элементы геологического строения по-разному отражаются в различных геофизических полях и методах. Основная идея и цель комплексирования геофизических методов — достижение однозначного решения поставленных геологических задач, определение параметров исследуемых объектов и вмещающей среды. Для обоснованного проектирования геофизических работ и выбора комплекса методов вводится понятие «физико-геологическая модель» (ФГМ) объекта исследований. В упрощенном виде под ФГМ понимают абстрактные тела простой геометрической формы (шар, горизонтальный цилиндр, столб, пласт и др.) с заданными соотношениями физических свойств тел и окружающей среды, для которых в аналитическом виде или численно с помощью компьютеров можно решать прямые задачи, т. е. рассчитывать аномалии, и обратные задачи, т. е. проводить интерпретацию аномалий в рамках выбранной модели. ФГМ — это сочетание геологической и петрофизической моделей. Геологическая модель — система элементов геологического строения, обобщенно описывающая состав, структуру, форму (геометрию) изучаемого объекта и вмещающей среды. Петрофизическая модель — модель, характеризующая физическое поле в верхнем и нижнем полупространстве, в котором отражены интенсивность поля, его морфология, аномальные эффекты и различные типы помех. При формировании ФГМ используют понятие о прогнозно-поисковой модели, определяемой по сочетанию поисковых геофизических признаков и критериев, которыми называют характерные и устойчивые (обнаруживаемые в большинстве случаев) особенности геофизических полей над искомыми объектами. Формирование ФГМ какого-либо геологического объекта, процесса или явления предусматривает несколько последовательных операций, к которым относятся: постановка геологической задачи; выбор объекта моделирования с построением априорной геологической модели; расчет аномальных петрофизических параметров и построение петрофизической модели на основе структурно-вещественных комплексов; решение прямых задач геофизики для каждого метода; оценка, адекватности сформированной ФГМ реальному объекту на эталонах, т. е. на объектах, аналогичных исследуемому, но с известным геологическим строением. Условия эффективного применения геофизических методов: Заметная дифференциация физических свойств искомых геологических объектов и вмещающей среды; благоприятные геометрические размеры вызывающих аномалии объектов; относительно низкий уровень помех геологического и негеологического происхождения. Понятие дифференциация (контрастность) физических свойств изменяется в зависимости от метода и решаемых геологических задач. При одинаковой разнице средних значений физических свойств, представленных для двух типов пород, те породы у которых меньшая дисперсия, выделяются более надежно. Удобной количественной мерой различия признаков является надежность разделения γ = 1 – q, где q — отношение площади перекрытия вариационных кривых (Soбщ) к сумме полных площадей под вариационными кривыми (S1 + S2). Надежными для различия свойств считают значения γ от 75 до 100 %. Вариационные кривые физических свойств пород двух типов (1,2) при разной дисперсии (а, б) Геометрические соотношенияя размеров объектов и глубин их залегания определяются величинами интенсивности аномалий. Например, в электроразведке методом ВЭЗ надежное определение слоя возможно, если отношение его мощности (h) к глубине залегания (H) удовлетворяет условию h/H > 2ч10. Слой практически не выделяется, если h/H < 0,1. Предельная глубина залегания изометричных тел, определяемая разными методами геофизики, зависит от отношения радиуса тела (R) к глубине (Н). Различают «сильные» аномалии, выделенные визуально, и «слабые» аномалии, соизмеримые с уровнем помех и ниже этого уровня. Важным условием применимости геофизических методов является уровень помех. Различают помехи геологического и негеологического происхождения. К первым относят влияние перекрывающих и подстилающих пород, рельефа местности, неоднородности свойств вмещающих пород и т. д. К помехам негеологического происхождения относят временные вариации геофизических полей. В гравиразведке такие вариации вызываются относительными перемещениями Солнца и Луны и считаются предсказуемыми; в магниторазведке — солнечной активностью и ее воздействием на ионосферу Земли, здесь они непредсказуемы и требуют учёта. Неоднозначность решения обратных задач геофизики или неопределенность решения имеет две стороны: первая из них касается качественного определения геологической природы выявленных геофизических аномалий, вторая — получения количественных геометрических характеристик объектов исследований: формы, размеров, глубины и других элементов залегания. К примеру, аномалии гравитационных, магнитных, электрических и других полей, обусловленные объектами исследования, очень часто не отличаются по форме, интенсивности и размерам от аномалий, создаваемых геологическими неоднородностями верхней части разреза, рельефом местности и другими факторами. Природу аномалий (например, классификацию их на рудные и безрудные) можно иногда определять и с помощью какого-нибудь одного метода, применяя несколько его модификаций. Это будет внутриметодное комплексирование. Широко известен, например, способ разделения аномалий, выделенных электропрофилированием, на приповерхностные, связанные с неоднородностями в рыхлых отложениях, и глубинные, обусловленные коренными породами. Способ заключается в проведении работ на двух разносах питающих заземлений АВ — меньшем и АВ — большем. Графики электропрофилирования методом СЭП с двойными разносами над геологическими разрезами различных типов 1 – увлажненные наносы, 2 – граниты, 3 – зона трещиноватости,4 – глыбовые песчаники, 5 – глины При комплексной интерпретации геофизических данных различают комплексный анализ и комплексную интерпретацию полей. Под комплексным анализом понимается отработка комплекса различных признаков для решения задач геокартирования и районирования исследуемой площади (или разреза) на несколько классов, а также перспективных на полезные ископаемые участков. Комплексная интерпретация состоит в построении согласованной по всем полям комплексной физико-геологической модели, т. е. модели с оценками петрофизических свойств, формы и геометрии изучаемых объектов или геосреды. В качестве признаков для геофизических полей используются: статистические (среднее значение, дисперсия и т.д.); градиентные (горизонтальные градиенты поля, полный градиент); корреляционные (интервал корреляции) и спектральные (видимый пространственный период или видимая частота) измеряемых параметров полей. На эталонных объектах проводится оценка информативности признаков, т. е. способности признака (метода) различать сравниваемые объекты. Такая способность зависит от того, как часто определенные значения признаков поля встречаются у объектов прогнозируемого класса и как широко они распространены за их пределами. При выборе комплекса геофизических методов в зависимости от имеющейся априорной информации возможны различные варианты. Первый из них связан с привлечением всех методов, которые в принципе способствуют решению поставленной геологической задачи (типовой комплекс методов). Выбор рационального комплекса проводится тогда, когда имеются данные об информативности отдельных методов и их различных сочетаний при решении конкретной задачи, а также экономические показатели методов. Выбор геофизического комплекса :Включение методов, которые обеспечивают получение разнородной информации. Соблюдение определенной последовательности геофизических исследований. Разделение методов на основные и детализационные, когда с помощью основного (или основных) метода исследуют всю площадь по равномерной сети наблюдений, а остальные методы играют роль дополнительных. Учёт геоморфологии и других факторов, отражаемых в схемах районирования территории по условиям применения геофизических методов. Многократное чередование геологических, геофизических, геохимических и горнобуровых средств геологической разведки. Формирование геофизического комплексаТиповой комплекс, создаваемый для достаточно обобщенных геологических условий проведения работ. Рациональный комплекс - обоснованное сочетание геофизических методов с целью эффективного решения поставленной задачи. Внутриметодное комплексирование, при котором используются различные модификации одного геофизического метода.Внешнее комплексирование - сочетание геофизических методов с геохимическими и горно-геологическими исследованиями. Технологический комплекс — сочетание геофизических методов, связанных единой технологией проведения работ по месту и по уровню наблюдений ЗаключениеОтличительная особенность прочитанного курса лекций – в одинаковом структурировании всех разделов, начиная с понятия того или иного геофизического поля, далее формулировки решения геологических задач, изучения физико-геологических предпосылок, разработки, применения и экономической результативности методов, способов и приемов. Такое изложение курса, по мнению автора, способствует более глубокому усвоению достаточно сложной и емкой дисциплины, какой является разведочная геофизика, методы которой эффективно используются для решения геоэкологических задач.

Приложенные файлы

  • ppt 909880
    Размер файла: 9 MB Загрузок: 4

Добавить комментарий