Геофизические методы развед­ки

ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РАЗВЕДКИ (ГМР), методы, использующие пространственно-временные изменения геофизических полей в земной коре для поиска и разведки полезных ископаемых, контроля за эксплуатацией их месторождений. ГМР называют также разведочной или прикладной геофизикой. ГМР тесно связаны с общей геологией, геологией полезных ископаемых, геохимией, геотектоникой, стратиграфией и минералогией. В соответствии с поставленными задачами выделяют отдельные направления прикладной геофизики: глубинная, нефтегазовая, рудная и нерудная, инженерно-геологическая, гидрогеологическая, военная, мерзлотно-гляциологическая, археологическая и геоэкологическая.

По видам измеряемых полей выделяют следующие группы ГМР: гравитационная разведка (гравитационное поле); магнитная разведка (магнитное поле); терморазведка (тепловое поле); электрическая разведка и электромагнитная (радарная) съёмка (электрическое и электромагнитное поля); сейсмическая разведка и геоакустика (поле упругих волн); ядерная геофизика (поля нейтронов, гамма-квантов, нейтрино, потоки тяжёлых частиц).

ГМР используют пассивные и активные схемы измерений. Пассивные методы основаны на регистрации характеристик естественных физических полей (температуры, теплового потока, ускорения свободного падения или силы тяжести, радиоактивности, вектора индукции магнитного поля, интенсивности эмиссии сейсмической активности). Активные методы используют искусственное возбуждение массива пород с помощью источника упругих (сейсмических или акустических), электромагнитных волн, электрического тока, потоков ионизирующих излучений и регистрацию отклика геологической среды на посланное излучение.

Осуществление ГМР включает три стадии: проведение полевых наблюдений (измерений) характеристик физических полей по заданной сети профилей; компьютерная обработка результатов измерений с использованием специального программного обеспечения; геологическая интерпретация результатов измерений, заключающаяся в построении физико-геологической модели изучаемого геологического объекта.

Возможность использования ГМР для решения разнообразных геологических задач основана на конкретных функциональных либо корреляционных зависимостях между значениями геофизических параметров и искомыми свойствами геологической среды. При решении задач геофизической разведки выделяют однородные по физическим характеристикам слои, устанавливают морфологию их границ и далее, с использованием имеющейся геологической информации, отождествляют выделенные слои с определёнными типами горных пород, в том числе выявляют участки недр, предположительно содержащие те или иные виды полезных ископаемых.

Теория ГМР основана на фундаментальных представлениях механики и электродинамики сплошных сред, теории гравитационного и магнитного полей Земли, теории колебаний и волн. При решении геофизических задач нефтяной и газовой геологии важную роль играют знания физики пористых и трещиноватых флюидонасыщенных сред.

Геофизические исследования основаны на решении так называемых прямых и обратных задач геофизики. Под прямой задачей подразумевают теоретическую или экспериментальную оценку реакции среды с заранее заданными физическими свойствами и геометрическими характеристиками на посланный в неё сигнал. При решении прямых задач широко используют аппарат математической физики, численные методы математического моделирования, в том числе метод конечных разностей, конечных элементов, метод Монте-Карло и др. Решение обратной задачи геофизики состоит в определении геометрии и свойств горных пород, находящихся в пределах изучаемого объекта на основе анализа измеренного геофизического поля, т. е. по результатам эксперимента. Математический аппарат, используемый для решения обратных задач геофизики, включает теорию потенциалов, теорию волновых явлений и др. На практике обратные задачи решают, применяя специализированное программное обеспечение.

Детальность исследований недр Земли с помощью современной аппаратуры во многом зависит от используемых технологий. Так, глубина исследуемого слоя колеблется от метров до десятков километров. Полевые геофизические измерения проводят с помощью специальной аппаратуры, включающей блоки электронного управления, источники излучения сигналов, детекторы (приёмники) сигналов, бортовые вычислительные машины для предварительной обработки информации. Современная геофизическая аппаратура размещается на специальных автомобилях, научно-исследовательских морских или речных судах, вертолётах, самолётах, а также на борту обитаемых и необитаемых орбитальных космических станций.

Специальной и весьма эффективной технологией изучения Земли являются геофизические исследования скважин. Аппаратура для таких исследований включает, кроме наземных электронных блоков, специальные глубинные приборы (зонды), опускаемые на заданную глубину с помощью геофизического кабеля. При создании геофизической аппаратуры используются высокопрочные композитные материалы, легированные стали, термостойкие резины и пластики, а также программируемые логические микроэлектронные схемы.

Специальные измерительные системы создаются для полевой (наземной), морской (смотри Морская геофизическая разведка), аэрокосмической (смотри Аэрогеофизическая съёмка), скважинной геофизики и шахтно-рудничной геофизики.

ГМР являются важнейшей составной частью технологии всех стадий геологоразведочного процесса и служат информационной основой для его оптимизации. Применение тех или иных методов зависит от конкретных геологических задач. Так, при региональном изучении глубинных зон земной коры эффективно используются аэрокосмические, морские и глубинные полевые методы разведки. При поисках месторождений преобладает комплексное использование полевых методов (сейсмическая разведка, электрическая разведка и др.). Конечная цель данной стадии - определение мест заложения скважин, прогноз строения геологического разреза и контуров месторождений. На стадии оценки месторождений и подсчёта запасов широко применяются геофизические исследования скважин. Рациональным является также совместное использование ГМР и геохимических методов разведки.

Переход геологической разведки во всё более сложные геолого-геофизические условия (большие глубины, высокие температуры и давления и др.) требует создания более совершенных технологий. Разрабатываются многофункциональные комплексные и комбинированное приборы, а также принципиально новые методы геофизических исследований, основанные на эффектах преобразования различных физических полей, в том числе на нелинейных физических явлениях. Создаются новые геофизические технологии, использующие управляемое воздействие на геологическую среду и наблюдения в режиме мониторинга состояния участков недр.

Историческая справка. Первые идеи о возможности применения геофизических (сейсмических и магнитных) наблюдений для решения прикладных задач геологии были высказаны в 18 веке М. В. Ломоносовым, К. Гауссом, Ш. Кулоном и др. В конце 19 века Л. фон Этвёш изобрёл гравитационный вариометр, получивший применение в разведке полезных ископаемых. В 1906-16 годах Д. В. Голубятников впервые выполнил температурные измерения в нефтяных скважинах для решения ряда геологических и нефтепромысловых задач. В те же годы Б. Б. Голицын, один из основателей сейсмологии, сконструировал и внедрил в практику электродинамический сейсмограф. Начало широкого применения геофизических исследований скважин связано с работами французских учёных К. и М. Шлюмберже, предложивших и впервые внедривших в нефтеразведку метод электрического сопротивления (1926-28). Основная заслуга в создании современных геофизических технологий принадлежит российской, французской, американской и канадской школам разведочной геофизики.

Лит.: Кузнецов О. Л., Симкин Э. М. Преобразование и взаимодействие геофизических полей в литосфере. М., 1990; Хмелевской В. К. Геофизические методы исследования земной коры. Дубна, 1997-1999. Кн. 1-2; Бондаренко В. М., Демура Г. В., Савенко Е.И. Общий курс разведочной геофизики. М., 1998.