Лекция 1. ВВЕДЕНИЕ. ГЕОФИЗИКА ЕЁ ПРЕДМЕТ И МЕТОДЫ.
Геофизика – есть учение о физических явлениях на Земле.
Предметом геофизики – является наша планета с её твердой оболочкой (литосфера), морями, океанами, наземными и подземными водами (гидросфера) и воздушной оболочкой (атмосфера).
Цель геофизических исследований – состоит в получении сведений о строении недр Земли, её водной и воздушной оболочек, в изучении происхождения и развития нашей планеты.
Геофизика близка ряду других естественных наук, прежде всего наукам о Земле – геологии, геодезии, географии, а так же геохимии, физике и астрономии.
Геофизика литосферы распадается на две части:
а) общую геофизику – изучает твердую оболочку Земли в целом, её внутреннее строение и развитие.
б) разведочную геофизику – изучает строение земной коры в зоне, доступной для практической деятельности человека, и имеет своей основной задачей поиски и разведку полезных ископаемых (нефть, газ, уголь, металлы, вода), а также используется для решения различных практических задач из области инженерной геологии.
Решение любой геологической задачи сводится к выделению того или иного геологического объекта среди вмещающей среды, изучению вещественного состава и геометрической формы изучаемого объекта, его структурно-вещественных взаимоотношений с вмещающими геологическими образованиями.
Если геологические и геохимические методы являются прямыми методами близкого действия, основанными на непосредственном изучении минерального, петрографического или геохимического состава вскрытых выработками горных пород, то геофизические методы являются косвенными, дальнего действия. Они обеспечивают равномерность, объемный, интегральный характер получаемой объективной информации с теоретически неограниченной глубинностью. При этом производительность экспериментальных геофизических работ значительно выше, а стоимость в несколько раз меньше по сравнению с разведкой с помощью неглубоких (до 100 м) и в сотни раз меньше глубоких (свыше 1 км) скважин. Повышая геологическую и экономическую эффективность изучения недр, геофизические методы исследования являются важнейшим направлением ускорения научно-технического прогресса в геологии и горном деле.
Выделение геологических тел среди вмещающих пород основано на том, что объекты отличаются от среды вещественным составом или физическим состоянием.
При решении задачи геологическими методами изучаются такие характеристики объекта и среды, которые могут быть обнаружены лишь при непосредственном обследовании пород: минеральный состав, структурно-текстурные особенности, цвет, запах, удельный вес и т. п. Для изучения этих характеристик необходимо, чтобы объект был вскрыт эрозией или горными выработками.
При решении задачи геофизическими методами используется отличие объекта от вмещающей среды по физическим свойствам (плотностным, магнитным, электрическим, упругим и т. д.). Если объект со свойствами, отличными от свойств вмещающей среды, находится в физическом поле, то вокруг него будет наблюдаться перераспределение поля.
Нарушение в распределение физических полей, связанные с наличием геологических объектов – называется геофизическими аномалиями.
Выявление геофизических аномалий - сложная техническая и математическая проблема, поскольку оно проводится на фоне не всегда однородного и спокойного нормального поля, среди разнообразных помех геологического, природного, техногенного характера (неоднородности верхней части геологической среды, неровности рельефа, космические, атмосферные, климатические, промышленные и другие помехи), т. е. всегда наблюдается интерференция полей разной природы. При этом бывает как простое наложение (суперпозиция) параметров полей, так и их сложные, нелинейные взаимодействия.
Измеряя те или иные физические параметры по системам обычно параллельных профилей или маршрутов и выявив аномалии, можно судить как о свойствах пород, так и получить сведения о геологическом строении исследуемого массива.
Нормальное поле – физическое поле, которое отмечалось бы в данной точке пространства, если бы не существовало объекта создающего изучаемую аномалию.
Аномальное поле может быть:
· материковое;
· региональное;
· локальное.
Физическое поле разделяются на методы:
а) естественное поле – представляет собой результат явлений, происходящих в Земле и земной коре независимо от воздействия на них человека. К ним относят: магнитное, гравитационное (поле тяготения), электрическое, электромагнитное, сейсмическое (поле упругих колебаний, возникающих в результате землетрясений), поле ядерных излучений и термическое;
б) искусственное поле – возбуждается по заданию экспериментатора. К ним относят: электрическое, электромагнитное, сейсмическое (вызванное исследователем), термическое (поле нагрева и охлаждения и. т.п.).
При геофизических исследованиях решение геологической задачи начинают с решения физической задачи. Изучают распределение физического поля в пространстве и из наблюденного поля выделяют аномалии. Затем проводят геологическое объяснение наблюденного физического поля и выделенных аномалий и таким образом выделяют возмущающие объекты, определяют их геометрическую форму и геологическую сущность (интерпретация аномалий).
Геофизическая аномалия зависит от многих факторов:
а) отличие физических свойств объекта от свойств вмещающих пород;
б) размеры, глубина залегания, форма и другие геометрические характеристики целевого геологического объекта.
Зная эти параметры, можно рассчитать физическое поле, решить прямую задачу геофизики.
Вместе с тем одно и то же распределение параметров физического поля может соответствовать различным соотношениям физических свойств, а также размерам геологических объектов.
Определение размеров геологических объектов и свойств слагающих их пород по измеренным параметрам поля – обратная задача геофизики. Решение обратных задач. или интерпретация данных разведочной геофизики, довольно точно может быть выполнено лишь тогда, когда кроме наблюдаемого поля, априорно получены сведения о геометрии возмущающих объектов или о свойствах пород. залегающих на глубине.
Геологические задачи решаемые с применением геофизических методов
Геофизические работы проводятся главным образом с целью поисков и разведки полезных ископаемых
При решении этих задач выделяются:
1) прогнозные исследования;
2) геологическое картирование;
3) поисковые работы: а) поиски; б) поисково-оценочные работы.
Основные методы разведочной геофизики и способы проведения работ.
К основным методам разведочной геофизики относят:
1) Магнитная разведка (магниторазведка);
2) Гравиметрическая разведка (гравиразведка);
3) Электрическая разведка (электроразведка);
4) Сейсмическая разведка (сейсморазведка);
5) Радиометрия и ядерная геофизика;
6) Геофизические исследования скважин (каротаж скважин).
Особое место в геофизике занимают геофизические исследования скважин (ГИС), отличающиеся от прочих геофизических методов специальной аппаратурой и техникой наблюдений и имеющие большое прикладное значение при документации разрезов скважин. Эти исследования называют также буровой, промысловой геофизикой или каротажом.
При разведке месторождений геофизические методы применяют для выделения рудных тел и изучения условий залегания, морфологии, строения, качественной и количественной оценки оруденения в естественных условиях, гидрогеологических условий месторождения.
Теория геофизических методов исследований - физико-математическая, а сама эта прикладная отрасль геофизики и геологии относится скорее к точным наукам в отличие от описательной, какой все еще является геология. Математическое моделирование, т. е. решение геофизических задач с помощью математики, настолько сложно, что здесь используются передовые ее достижения и самый высокий уровень компьютеризации. На геофизических задачах в немалой степени совершенствуется математический аппарат. Математическое решение прямых задач, т. е. определение параметров физического поля по известным физическим свойствам, размерам и форме геологических объектов, хотя иногда очень сложно, но однозначно. Вместе с тем, одно и то же распределение параметров физического поля может соответствовать различным соотношениям физических свойств и размеров геологических объектов. Иными словами, математическое решение обратной задачи геофизики (как и вообще математической физики), не только значительно сложнее, но и, как правило, неоднозначно.
Физические свойства горных пород и руд.
Исследование распределения в пространстве физических полей должно сопровождаться изучением физических свойств горных пород, слагающих объект и вмещающую его среду. Чем детальнее они изучены, тем полнее и достовернее можно объяснить наблюденную над этим объектом аномалию.
Физические свойства определяются либо в условиях естественного залегания пород, либо по отобранным образцам.
Основные физические свойства горных пород:
1) Плотность σ;
2) Пористость Кп;
3) Магнитная восприимчивость æ;
4) Остаточное намагничивание Jr;
5) Электрическое сопротивление ρ;
6) Теплопроводность λ;
7) Радиоактивность.
Физические свойства горных пород меняются иногда в небольших пределах (например, плотность меняется от 1 до 6 г/см3), а иногда в очень широких пределах (например, удельное электрическое сопротивление изменяется от 0,001 до 1015 Ом*м). В зависимости от целого ряда физико-геологических факторов одна и та же порода может характеризоваться разными свойствами, и наоборот - разные породы могут не отличаться по некоторым свойствам.
Изучение физических свойств горных пород и связи их с минеральным и петрографическим составом, а также водо-, газо-, нефтенасыщенностью является предметом исследований петрофизики.
Таким образом, обобщая сказанное выше, следует повторить, что исследования земной коры (прикладная геофизика) - это многогранная научно-прикладная дисциплина со сложной структурой и разными подходами к классификациям по:
- используемым полям (грави-, магнито-, электро-, сейсмо-, терморазведка и ядерная геофизика), технологиям и месту проведения работ (аэрокосмические, полевые, акваториальные, подземные методы и геофизические исследования скважин), прикладным направлениям и решаемым задачам (глубинная, региональная, разведочная, инженерная и экологическая геофизика), видам деятельности (теоретическая, инструментальная, экспериментальная, вычислительная и интерпретационная геофизика).
