ПЕРЕДМОВА

УДК 550.83(07)

Толстой М.І., Рева М.В., Степанюк В.П., Сухорада А.В., Гожик А.П.

ЗАГАЛЬНИЙ КУРС ГЕОФІЗИЧНИХ МЕТОДІВ РОЗВІДКИ

Київ 2005


УДК 550.83(07)

 

Толстой М.І., Рева М.В., Степанюк В.П., Сухорада А.В., Гожик А.П. Загальний курс геофізичних методів розвідки: Підручник для вузів.

 

У підручнику викладені основні поняття, найбільш поширені методики, основи інтерпретації матеріалів розшукової геофізики: гравірозвідки, магніторозвідки, електророзвідки, сейсморозвідки, ядерної геофізики, терморозвідки, промислової геофізики. Окремий розділ присвячений деяким важливим методам і методикам підвищення ефективності розвідувальної геофізики: петрофізичним, геохімічним, комплексуванню методів.

 

Для студентів геологічних і суміжних спеціальностей ВНЗів і середніх навчальних закладів, а також практичних працівників, які використовують або цікавляться геофізичними методами розвідки у різних галузях виробництва.


ЗМІСТ

ПЕРЕДМОВА
ВСТУП
ЧАСТИНА 1 МЕТОДИ РОЗВІДУВАЛЬНОЇ ГЕОФІЗИКИ
1 ГРАВІТАЦІЙНА РОЗВІДКА
1.1 Гравітаційне поле Землі
1.2 Редукції й аномалії сили тяжіння
1.3 Апаратура і методи вимірювання сили тяжіння
1.4 Методика гравіметричних досліджень
1.5 Інтерпретація даних гравірозвідки
Література
Питання для самоконтролю
2 МАГНІТНА РОЗВІДКА
2.1 Магнітне поле Землі і його параметри
2.2 Методи та прилади для вимірювання елементів геомагнітного поля
2.3 Методика магніторозвідувальних робіт
2.4 Інтерпретація даних магніторозвідки
Література
Питання для самоконтролю
3 ЕЛЕКТРОРОЗВІДКА
Вступ
3.1 Геоелектричний розріз
3.2 Електричні та електромагнітні поля
3.3 Класифікація методів електророзвідки
3.4 Електророзвідувальна апаратура
3.5 Методи електророзвідки на постійному струмі
3.6 Поляризаційні (електрохімічні) методи електророзвідки
3.7 Магнітотелуричні методи
3.8 Низькочастотні методи електророзвідки з контрольованими джерелами
3.9 Високочастотні методи електророзвідки
Література
Питання для самоконтролю
4 СЕЙСМІЧНА РОЗВІДКА
4.1 Фізико-геологічні основи сейсморозвідки
4.2 Сейсморозвідувальна апаратура і обладнання
4.3 Методика польових робіт
4.4 Обробка і інтерпретація сейсмічних даних
Література
Питання для самоконтролю
5 ЯДЕРНА ГЕОФІЗИКА
5.1 Фізичні основи радіометрії
5.2 Природа і властивості радіоактивних випромінювань
5.3 Радіоактивність гірських порід
5.4 Методи вимірювання радіоактивності
5.5 Польові радіометричні методи
5.6 Методи ядерної геофізики
5.7 Польові ядерно-фізичні методи пошуків
Література
Питання для самоконтролю
6 ТЕРМОРОЗВІДКА
6.1 Фізико-геологічні основи терморозвідки
6.1.1 Теплове поле Землі
6.1.2 Механізми теплопереносу
6.2 Теплові і оптичні властивості порід
6.3 Засоби вивчення теплового поля
6.4 Основні методи терморозвідки і приклади їх застосуванням
6.4.1 Радіотеплові і інфрачервоні зйомки
6.4.2 Регіональна терморозвідка
6.4.3 Терморозвідка в акваторіях
6.4.4 Локальні терморозвідувальні дослідження
Література
Питання для самоконтролю
7 ГЕОФІЗИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ СВЕРДЛОВИН
7.1 Класифікація методів
7.2 Технічні засоби
7.3 Електричні методи дослідження свердловин
7.3.1 Метод потенціалів власної поляризації (ПС)
7.3.2 Методи уявного опору (УО)
7.3.2.1 Стандартна електрометрія
7.3.2.2 Форми кривих методу опору
7.3.2.3 Бокове електричне зондування (БЕЗ)
7.3.2.4 Метод мікрозондів
7.3.2.5 Методи опору екранованого заземлення (боковий метод дослідження свердловин)
7.3.3 Індукційний метод
7.3.4 Метод потенціалів викликаної поляризації гірських порід (ВП)
7.4 Радіоактивні та ядерно-геофізичні методи
7.4.1 Методи природної гама-активності гірських порід
7.4.2 Методи розсіяного гама-випромінювання
7.4.3 Нейтронні методи
7.4.4 Метод наведеної активності (МНА)
7.5 Акустичний метод
7.6 Магнітний метод
7.7 Термічні методи дослідження свердловин
7.8 Геохімічні дослідження
7.9 Комплексування геофізичних досліджень у свердловинах
7.10 Прострілювальні та вибухові роботи у свердловинах
Література
Питання для самоконтролю
ЧАСТИНА 2 МЕТОДИ ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ГЕОФІЗИЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ
8 МЕТОДИ ПЕТРОФІЗИЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ
8.1 Петрощільнісні методи
8.1.1 Визначення щільнісних властивостей зразків
8.1.2 Густина хімічних елементів і мінералів
8.1.3 Щільнісні властивості гірських порід
8.2 Ємнісні методи
8.2.1 Визначення ємнісних властивостей зразків
8.2.2 Пористість і проникність мінералів і порід
8.3 Теплові властивості мінералів і порід
8.4 Петроакустичні методи
8.4.1 Визначення пружних властивостей зразків
8.4.2 Швидкість пружних хвиль і пружні модулі хімічних елементів та мінералів
8.4.3 Пружність гірських порід
8.5 Електричні властивості
8.5.1 Методи вивчення електричних властивостей зразків
8.5.2 Електричні властивості мінералів
8.5.3 Електричні властивості гірських порід
8.6 Петромагнітні методи
8.6.1 Визначення магнітних властивостей зразків
8.6.2 Магнітні властивості мінералів
8.6.3 Магнітні властивості гірських порід
8.7 Радіоактивність гірських порід
8.7.1 Визначення радіоактивності зразків
8.7.2 Радіоактивність мінералів і гірських порід
8.8 Відтворення палеогеодинамічних умов формування кристалічних утворень за даними аналізу їх петрофізичних характеристик
Література
Питання для самоконтролю
9 ГЕОХІМІЧНІ МЕТОДИ ПОШУКІВ КОРИСНИХ КОПАЛИН
9.1 Літогеохімічні методи
9.1.1 Розподіл хімічних елементів в гірських породах
9.1.2 Кількісні особливості розподілу хімічних елементів в породах
9.1.3 Опробування кристалічних порід
9.1.4 Первинні геохімічні ореоли
9.1.5 Пошуки вторинних ореолів і потоків розсіювання
9.1.5.1 Ландшафтно-геохімічні дослідження
9.1.5.2 Пошуки вторинних ореолів розсіювання
9.1.5.3 Пошуки потоків розсіювання
9.2 Гідрогеохімічний метод пошуків
9.3 Біогеохімічні методи пошуків
Література
Питання для самоконтролю
10 КОМПЛЕКСУВАННЯ ГЕОФІЗИЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ
10.1 Принципи комплексування геофізичних методів
10.2 Локальне прогнозування і прямі пошуки родовищ корисних копалин
10.3 Комплексування геофізичних методів при регіональних і геолого-зйомочних роботах
10.4 Комплексування геофізичних методів при пошуках і розвідці рудних родовищ
10.5 Комплексування геофізичних методів при пошуках і розвідці нерудних корисних копалин
10.6 Комплексування геофізичних методів при пошуках і розвідці твердих горючих корисних копалин
10.7 Комплексування геофізичних методів при пошуках і розвідці нафтових і газових родовищ
10.8 Локальне прогнозування покладів нафти і газу геофізичними методами
10.9 Використання геофізичних методів поза межами геології
Рекомендована література
Питання для самоконтролю

ПЕРЕДМОВА

 

Вирішення будь-якої геологічної задачі геофізичними методами засновано на відмінності досліджуваних об’єктів від вміщуючих даний об’єкт порід за фізичними властивостями. Завдяки цьому довкола цих об’єктів будуть спостерігатися зміни фізичних полів.

Під фізичними полем розуміють простір, кожна точка якого може бути охарактеризована деякими значеннями постійного чи змінного в часі параметру. Параметри можуть бути скалярними чи векторними. Відповідні їм поля також являються скалярними чи векторними. Якщо значення та напрямок фізичної величини у всіх точках деякого простору однакові, то поле називають однорідним, а при змінах значення чи напрямку поля від точки до точки – неоднорідним. Якщо значення (модуль) і напрямок поля в кожній точці простору протягом довгого часу залишаються незмінними, то таке поле називають постійним; в протилежному випадку поле буде змінним. Останнє, в залежності від закону зміни складових поля, може бути гармонійним (величина складових змінюється за законом синуса чи косинуса), імпульсно-періодичним, аперіодичним, нестаціонарним та ін. Зміни полів називають геофізичними аномаліями. Аномалії звичайно виділяються на фоні нормального поля.

Фізичне поле, особливості якого визначаються геологічною будовою земної кори, може бути названо геофізичним. Між будовою земної кори і геофізичним полем існує відповідність, тобто конкретній геологічній будові відповідає конкретне геофізичне поле. Розрахунок геофізичного поля, що відповідає геологічній будові земної кори, складає зміст так званої прямої задачі геофізики. При цьому послідовно будується ряд моделей. На першому етапі реальне середовище замінюється геологічною моделлю, яка враховує найбільш суттєві елементи геологічної будови тієї чи іншої ділянки земної кори. Дрібні, не суттєві для формування геофізичних полів елементи будови реального середовища, не враховуються (наприклад, невеликі за розмірами локальні неоднорідності тощо). На наступному етапі геологічна модель замінюється фізичною, яка наділена лише тими властивостями середовища, які відповідальні за формування даного геофізичного поля.

Фізична модель може бути відображена ще більш простою математичною моделлю за допомогою рівнянь і математичних залежностей, що описують дане геофізичне поле.

Вирішення прямої задачі геофізики, очевидно, є однозначним, а ступінь співпадання розрахованого і спостереженого геофізичних полів, для однієї і тієї ж ділянки земної кори визначається похибками у визначенні перших двох із перерахованих вище моделей (геологічною та фізичною). На відміну від математичної моделі, що виражає, як правило, досить абстрактну фізичну ситуацію, перші дві моделі характеризують досить конкретну будову і фізичні властивості порід даної ділянки земної кори. Саме такими властивостями визначаються ті чи інші характеристики фізичних полів. Так, гравітаційне поле залежить від розподілу в просторі щільності порід (s); магнітне поле – від магнітної сприйнятливості (æ) і залишкового намагнічення (Jn) ; електричне – від питомого електричного опору (r); електромагнітне – від діелектричної (e) і магнітної проникності (m); пружне (сейсмічне) – від поширення в породах різних за швидкістю повздовжніх (Vp) та поперечних (Vs) хвиль, які в свою чергу залежать від розподілу щільності (s) і пружних констант порід (модуль Юнга – Е, коефіцієнт Пуассона - n); термічне поле - від теплопровідності (l) і теплоємності порід (a); радіоактивність – від розподілу радіоактивних елементів в породах і характеру реєструючого опромінення.

Необхідно, однак, відмітити, що достатньою інформацією про ці характеристики порід ми не володіємо. По цій причині одержані вирішення прямих задач геофізики для реальних об’єктів є, як правило, наближені і притому тим більше, чим менший об’єм інформації про будову і властивості конкретного середовища. Точні вирішення прямих задач можна отримати тільки для штучних моделей.

Більш важливою є вирішення оберненої задачі геофізики, тобто визначення геологічної будови ділянки земної кори за відповідним спостереженим геофізичним полем. Це – основна задача геофізики. Вирішення оберненої задачі, здійснюється за допомогою тих же моделей, що і вирішення прямої задачі, але в оберненій послідовності, тобто спочатку за спостереженим геофізичним полем і відомою математичною моделлю (моделлю заданого класу) знаходять фізичну модель середовища, що вивчається, потім від неї переходять до геологічної моделі і до геологічної будови досліджуваної ділянки земної кори. Вирішення оберненої задачі геофізики в загальному випадку неоднозначне, тобто спостереженому геофізичному полю можуть відповідати різні варіанти геологічної будови.

Неоднозначність вирішення оберненої задачі виникає уже на першому етапі, тобто при виборі математичної моделі. На цьому етапі необхідно правильно вибрати клас математичної моделі, в рамках якої слід шукати вирішення. Якщо форма тіла відома апріорі, то тим самим визначена математична модель, за допомогою якої спостережене поле перетворюється на фізичну модель. Ця задача вирішується однозначно. Аналогічним чином для переходу від фізичної моделі до геологічної і до геологічної будови необхідно знати склад порід і їх властивості. Однак цей зв’язок неоднозначний, так як одна і та ж порода в залежності від умов залягання і ряду інших факторів може характеризуватися різними фізичними властивостями і, навпаки, різні породи можуть володіти однаковими фізичними властивостями. Це передбачає неоднозначність вирішення другого етапу оберненої задачі геофізики, тобто переходу від фізичної моделі до геологічної.

Для правильного вибору виду математичної моделі і наступного адекватного перетворення фізичної моделі в геологічну необхідно володіти конкретною апріорною геологічною інформацією, інформацією про основні типи геологічних тіл і основних фізичних властивостях порід на досліджуваній території. Для підвищення однозначності вирішення оберненої задачі геофізики в конкретному районі необхідно володіти загальними уявленнями про геологічну будову і фізичні властивості порід району.

Фізичні поля, досліджувані в геофізиці, поділяються на об’ємні і поля розподілу ознак (в просторі при даному перетині). Під об’ємним полем розуміють простір, в якому проявляється дія певних сил. Частковим випадком об’ємних полів являються так звані потенціальні поля. Під потенціалом звичайно розуміють роботу, яку необхідно затратити для переміщення одиничної маси (чи заряду) в даному полі із нескінченності в дану точку. До потенціальних полів відносять електромагнітні, гравітаційні, магнітні і теплові поля. Під полем розподілу ознак розуміють простір, в якому спостерігається розподіл відповідних незалежних один від одного ознак. Для геологічного простору – це розподіл ознак, що характеризують склад і фізичні властивості розміщених в його межах геологічних тіл. До подібних ознак відносять компоненти складу і структурно-текстурних особливостей порід, їх радіоактивність, питома і об’ємні маси, пористість тощо. У відповідності з цим, до полів розподілу відносять радіоактивні, геохімічні, поля напружень тощо.

Методи розвідувальної геофізики, що вивчають об’ємні поля, дозволяють одержати узагальнене, побічні уявлення про склад, фізичні характеристики, структуру створюючих ці поля геологічних тіл. Основною перевагою цих методів є їх дистанційність – вивчення геологічних об’єктів на конкретній відстані від вимірювальних пристроїв. До них відноситься гравірозвідка, магніторозвідка, більшість методів електророзвідки, сейсморозвідка, терморозвідка та ін.

Методи, що вивчають поля розподілу, на відміну від об’ємних, дозволяють отримати безпосередню інформацію про склад, фізичні властивості, структурно-текстурні особливості геологічних тіл, що вивчаються; вони володіють порівняно невеликою глибинністю. Основна перевага цих методів – можливість однозначного чи близького до нього вирішення цілого ряду геологічних задач. В цьому вони в ряді випадків тісно дотикаються до таких геологічних методів дослідження, як мінералого-петрографічний, мікроструктурний аналіз тощо. Особливо це стосується методів пошукової геохімії. Вони принципово не відрізняються від методів ядерної геофізики, оскільки як для тих так і для інших основним об’єктом дослідження є хімічний елемент. Крім того, і методи дослідження в них однотипні – фізичні. До методів вивчення полів розподілу відносяться методи ядерної геофізики і радіометрії, петрофізичні методи, в деяких умовах, конкретні модифікації сейсморозвідки, електророзвідки і ряд методів свердловинної геофізики.

Кожний із методів розвідувальної геофізики вивчає розподіл тільки того фізичного параметру, на якому заснований сам метод, відображаючи одну сторону геофізичної ситуації досліджуваного району. Чим більшою кількістю параметрів будуть охарактеризовані досліджувані геологічні об’єкти, тим повніше і всебічніші буде наше уявлення про особливості цих об’єктів. Тому для вирішення геологічних задач часто застосовують не один, а ряд геофізичних методів дослідження. Вони часто об’єднуються з іншими методами – геохімічними, геолого-зйомочними тощо.

При проведенні таких комплексних геофізичних досліджень проводиться всебічна інтерпретація результатів кожного методу окремо, а потім здійснюється уточнення результатів інтерпретації з врахуванням одержаних даних за іншими методами. Комплексне використання всіх геофізичних, геохімічних і інших даних дозволяє більш широко і різнобічно оцінити геологічну ситуацію, ніж це вдається зробити окремими методами. Це досягається в тих випадках, коли різні методи комплексу є незалежними і взаємодіють один з одним в процесі інтерпретації.


ВСТУП

 

Геофізика являє собою комплекс наук, які вивчають фізичні процеси і явища, які проходять в надрах Землі, на її поверхні і навколоземного простору. Вона включає ряд фундаментальних дисциплін: гравіметрію (науку про гравітаційне поле Землі), геомагнетизм (вчення про земне магнітне поле), сейсмологію (науку про землетруси), ядерну геофізику (науку про радіоактивність гірських порід), геотермію (вчення про теплове поле Землі) та ін.

Розвідувальна геофізика (геофізичні методи розвідки) представляє розділ геофізики, яка займається вивченням будови земної кори, пошуками та розвідкою корисних копалин, інженерно-геологічними, гідрогеологічними вишукуваннями. Вирішення цих задач здійснюється шляхом вивчення природних і штучно створених фізичних полів в земній корі.

Природними полями є магнітні, гравітаційні (сили тяжіння), звичайне електричне, електромагнітне і теплове поля, радіоактивність, поле пружних коливань, що викликається землетрусами. Більшість природних фізичних полів можна вважати статичними, тобто такими, що не змінюються чи практично не змінюються в часі. Це може стосуватися не всього поля, а тільки деяких його компонент. Для прикладу, магнітне поле Землі складається з двох компонент: постійної та змінної. В розвідувальній геофізиці використовується тільки постійна складова магнітного поля.

Штучно створюються за допомогою відповідних джерел електричне, електромагнітне, сейсмічне, термічне (за рахунок штучного нагрівання чи охолодження), радіоактивне (наведені) поля. Штучно створювані фізичні поля можуть бути як статичними, так і динамічними, що змінюються в часі.

За видами фізичних полів, що вивчаються, розвідувальна геофізика підрозділяється на:

а) гравіметричну розвідку (гравірозвідку), засновану на вивченні поля сили тяжіння Землі і його градієнтів, які відображають щільнісні неоднорідності речовини;

б) магніторозвідку, яка вивчає особливості розподілу магнітного поля, викликаного гірськими породами, які володіють різною намагніченістю;

в) електророзвідку, яка вивчає процеси, що відбуваються в гірських породах при проходженні через них електричних і електромагнітних полів;

г) сейсморозвідку, яка вивчає структуру середовища і швидкість поширення пружних хвиль в ній;

д) радіометрію та ядерну геофізику, яка вивчає природну і штучно створену радіоактивність;

е) термічну розвідку, яка вивчає розподіл теплового поля в земній корі.

За умовами проведення, розвідувальну геофізику підрозділяють на наземну, морську, повітряну, підземну і свердловинну. Свердловинну геофізику часто називають геофізичними методами дослідження свердловин, промисловою геофізикою або каротажем. Враховуючи специфіку дослідження, особливості апаратури, що використовується, промислову геофізику виділяють в самостійну галузь розвідувальної геофізики.

У відповідності із задачами, що вирішуються, розвідувальну геофізику підрозділяють на глибинну, структурну чи нафтову, рудну, інженерно-геологічну та гідрогеологічну.

Відомості про фізичні властивості порід і мінералів, про фізичні поля людству відомі із стародавніх часів, але їх використання для геологічних цілей розпочалось в кінці XIX століття, коли в Швеції Тібергом і Таленом у 1879 р. був створений перший магнітометр, а в 1881 р. Штернеком маятниковий прилад вимірювання сили тяжіння. У 1896 р. угорський геофізик Етвеш створив гравітаційний варіометр; в 1914 р. німецький геофізик Шмідт створив магнітометр для вимірювання вертикальної складової магнітного поля. До середини XIX століття відносяться перші спостереження із застосуванням електричних вимірів. Так, в 1829 р. А. Фокс спостерігав природні електричні поля над мідно-колчеданними родовищами Корнуельса в Англії, а в 1882 р. при пошуках сульфідних руд в Америці подібні спостереження були зафіксовані Барусом. У 1912 р. французький вчений К. Шлюмберже започаткував метод постійного струму, а в 1918 р. Н. Зундберг і К. Лундберг в Швеції застосували метод змінного струму. У 1896 р. французьким фізиком Бекерелем була відкрита природна радіоактивність, але практичне застосування цього явища було розпочато на початку 30-х років XX століття.

В Росії перші магнітометричні дослідження були виконані Д.І.Менделєєвим на Уралі у 1899 р., а в Курській губернії Н.Д.Пільчиковим (1888 р.) і Е.Є.Лейстом (1894 р.). Великий вклад в теорію сейсморозвідки і створення сейсмічної апаратури зробив Б.Б Голіцин. У 1902-1916 рр. він створив сейсмограф і організував на території Росії (головним чином в її південній частині) мережу сейсмічних станцій. В 1923 р. В.С.Воюцький запропонував використовувати для дослідження будови земної кори відбиті сейсмічні хвилі. Теорію і методичні основи сейсморозвідки розробили П.П.Лазарєв, О.І.Заборовський, Г.А.Гамбурцев, Ю.В.Різниченко і ін. З 1928 р. починаються роботи по практичному використанні каротажу. У розвиток його теорії і методи великий вклад внесли С.Г. Комаров, В.М.Дахнов, В.О.Шпак, Г.В.Горшков, О.М.Граммаков і ін. В 1936 р. О.О.Логачов створив перший в країні аеромагнітометр.

Методи розвідувальної геофізики сьогодні використовуються на всіх стадіях геологорозвідувального виробництва, все ширше застосовуються при вирішенні найрізноманітніших задач в геології, інженерній геології, гідрогеології, географії, будівництві та ін. В зв’язку з цим вивчення теорії і практики методів розвідувальної геофізики різними спеціалістами, в тому числі тими з них, які використовують ці методи як засіб вирішення відповідних задач, буде сприяти підвищенню ефективності виробництва.

Підручник в своїй основі складений за матеріалами виданого у 1985 р. навчального посібника “Основы геофизических методов разведки”. Відповідно вимогам сучасного стану геофізичних методів розвідки та особливостям підготовки кадрів, зокрема кадрів-геологів і суміжних наук, які використовують у своїй практичній роботі геофізичні методи, матеріал підручника отримав певне оновлення і доповнення. При цьому до деякої міри змінився і авторський колектив. Зокрема, глава “Електророзвідка” був складений доцентом Ревою М.В., “Промислова геофізика” – професором Степанюком В.П., “Терморозвідка” і “Петрофізика” – доцентом Гожиком А.П. У створенні глави “Сейсморозвідка” приймали участь, крім професора Тімошина Ю.В. (у 1985 р.) – доцент Лісний Г.Ф., професор Трипільський О.А., доцент Коровніченко Е.Г.; глави “Комплексування геофізичних робіт”, “Магніторозвідка”, “Гравірозвідка” - доцентом Сухорадою А.В. (з участю професора Орлюка М.І.). Загальне редагування, складання глав “Ядерна геофізика”, “Геохімічні методи пошуків корисних копалин” та вступ - професор Толстой М.І.

У підготовці підручника значну технічну допомогу здійснили Жукова С.В., Єгорова Н.С., технічне редагування – кандидат геологічних наук Шабатура О.В., яким автори висловлюють щиру подяку.