Классификация геофизических методов

<10 11 121314 15 16 >

Классификацию современных геофизических методов чаще всего проводят в зависимости от природы и типа измеряемого физического поля. К естественным полям Земли относят: магнитное, гравитационное (поле тяготения), электрическое, электромагнитное, сейсмическое (поле упругих колебаний, возникающих в результате землетрясений), поле ядерных излучений и термическое; к искусственным — электрическое, электромагнитное, сейсмическое (вызванное исследователем), термическое (поле нагрева и охлаждения), поля вторичных ядерных взаимодействий с изучаемыми геологическими объектами [2]. Каждое геофизическое поле характеризуется своими параметрами, которые зависят от физических свойств геологической среды. Существуют различные виды классификации геофизических методов исследования по: используемым полям (грави-, магнито-, электро-, сейсмо-, термогеофизика и ядерная геофизика); технологиям и месту проведения работ (аэрокосмические, полевые, акваториальные, подземные методы и геофизические исследования скважин); прикладным, целевым направлениям и решаемым задачам (глубинная, региональная, разведочная, инженерная и экологическая геофизика); видам деятельности (теоретическая, инструментальная, экспериментальная, вычислительная и интерпретационная геофизика). Кроме того, геофизические методы подразделяют по способам проведения работ, масштабам (мелко-, средне-, крупномасштабные).

Гравиметрический методоснован на зависимости силы тяжести на поверхности Земли от плотности горных пород. Использует распределение силы тяжести и определяет различие в плотности горных пород. Задачей метода является определение места с аномально низкой силой тяжести.Магнитометрический метод основан на определении аномалии магнитного поля, которая вызывается различной магнитной проницаемостью горных пород. Наша планета – это огромный магнит, вокруг которого расположено магнитное поле. Он используется главным образом при поисках железных руд, для определения мест залегания основных и ультраосновных магматических пород.

Электрометрические методыоснованы на различной электропроводности (кажущегося электрического сопротивления ρ_к) горных пород с поверхности земли. Выделяют симметричное электропрофилирование (СЭП), когда профильное перемещение установки осуществляют с постоянным разносом электродов приемной цепи MN и питающей цепи AB (рис. 2.1) и вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ), когда измерения проводят по пунктам с различными размерами установок (см. рис. 2.1).

Электроды питающей цепи А и В через источник (аккумулятор, генератор) создают в среде электрическое или электромагнитное поле низкой частоты, глубина распространения которого в методе СЭП является постоянной (разнос питающей цепи АВ – const.), а в методе ВЭЗ – возрастает с увеличением разносов питающей цепи АВ. По результатам СЭП отстраивается электропрофильная кривая ρ_к, отражающая изменение геологической среды по линии профиля. По результатам ВЭЗ, в соответствии с разносами питающей цепи АВ, строят кривые ВЭЗ, интерпретация которых (расчет, палетка) позволяет стратифицировать геологический разрез по мощности и ρ_к(рис. 2.2).

Для работы в условиях болот используется облегченный вариант электроразведочной аппаратуры (рис. 2.3). Рис. 2.4, 2.5 отображают примеры результатов применения методов СЭП и ВЭЗ в определенных выше условиях [13].

Сейсмические (сейсмометрические) методы основаны на закономерностях и различии скоростей распространения упругих колебаний, проходящих через толщи горных пород, возникающих при землетрясениях или искусственно создаваемых упругих колебаний [2, 25]. Эти колебания называются сейсмическими волнами, которые расходятся от очага землетрясений. Различают 2 типа: продольные волны Vp, возникающие как реакция среды на изменения объема, распространяются в твердых и жидких телах в направлении волнового фронта и характеризуются наибольшей скоростью, и поперечные волны Vs, представляющие реакцию среды на изменение формы поперек направления волнового фронта и распространяются только в твердых телах. Скорость движения сейсмических волн в разных горных породах различна и зависит от их упругих свойств и их плотности. Чем больше упругость среды, тем быстрее распространяются волны. Изучение характера распространения сейсмических волн позволяет судить о наличии различных оболочек шара с разной упругостью и плотностью. Волны создаются одним из следующих способов: взрывом специальных зарядов в скважинах глубиной до 30 м; вибраторами; преобразователями взрывной энергии в механическую. Скорость распространения сейсмических волн в породах различнойплотности неодинакова: чем плотнее порода, тем быстрее проникают сквозь нее волны. На границе раздела двух сред с различной плотностью упругие колебания частично отражаются, возвращаясь к поверхности земли, а частично преломившись, продолжают свое движение вглубь недр до новой поверхности раздела. Отраженные сейсмические волны улавливаются сейсмоприемниками. Расшифровывая затем полученные графики колебаний земной поверхности, специалисты определяют глубину залегания пород, отразивших волны, и угол их наклона (рис. 2.6).

Ядернофизические методы применяются для решения широкого круга практических и теоретических задач геологии, геохимии, экогеологии, металлургии и многих других областей знаний на основе изучения элементного состава разнообразных веществ по естественному и искусственно созданному радиоактивному излучению от них [2, 25]. Известно несколько десятков ядернофизических методов и их модификаций, которые различаются по физической сущности, своим возможностям, областям применения, кругу решаемых задач и широте использования.

Наибольшим распространением обладают лишь три группы методов: гамма-методы, т.е. методы, основанные на взаимодействии фотонного излучения с веществом; нейтронные методы, использующие особенности взаимодействия нейтронов с веществом; радиометрические методы, дающие информацию о естественной и техногенной радиоактивности компонентов окружающей среды.

Гамма-методы основаны на облучении исследуемой среды потоком первичного излучения, в качестве которого используется, главным образом, фотонное (гамма-, флуоресцентное, тормозное), и регистрации вторичных видов излучения, которые несут информацию о составе, плотности, влажности, пористости и некоторых других свойствах пород и руд, продуктов их переработки, почв и грунтов и т.д. Среди гамма-методов наибольшее распространение получили: рентгенорадиометрический (РРМ) или рентгенофлуоресцентный (РФМ) метод; гамма-нейтронный (ГНМ) или фотонейтронный (ФНМ) метод. Примерами эффективности опробования стенок забоев и пешеходной бериллометрической съёмки могут служить результаты ГНМ, представленные на рис. 2.7; гамма-гамма-метод (ГГМ).

Эти методы пригодны для решения широкого круга задач, возникающих на всех этапах геологических и экогеологических исследований. Они весьма эффективны при анализе состава горных пород и руд, донных и техногенных отложений, продуктов переработки руд на обогатительных фабриках, в металлургической и других отраслях промышленности.

Гамма-гамма-метод предназначен для изучения элементного состава и плотности горных пород, руд и продуктов их переработки, техногенных отложений, грунтов, почв и т.д. Гамма-гамма-метод основан на использовании особенностей поглощения (фотоэффект) и рассеяния (комптонэффект) фотонов (нейтральная элементарная частица, обладающая энергией, с нулевой массой – переносчик электромагнитного взаимодействия между заряженными частицами) веществом.

Существует три модификации гамма-гамма-метода (рис. 2.8): метод просвечивания среды узким потоком фотонов; метод просвечивания среды широким потоком фотонов; метод измерения в геометрии отражения, в котором источник фотонов и детектор расположены по одну сторону от исследуемой среды.

Первые две модификации ГГМ используются для измерения плотности образцов в лабораторных условиях, а почв, грунтов, техногенных и других рыхлых отложений так же в естественном залегании. Третья модификация применяется для определения плотности и состава пород и руд в коренном залегании, в транспортных емкостях, на ленточных транспортёрах и при каротаже скважин различных типов месторождений (железорудные, угольные, нефтяные и др.).

Метод просвечивания исследуемой среды широким потоком фотонов применяется для определения плотности почв, грунтов и других рыхлых отложений в естественном залегании, а также пород и руд в горных выработках и в целиках размером до 2 м, для чего в них проходят параллельные шпуры. Схемы установок, реализующих эту модификацию ГГМ-п, представлены на рис.2.9.

Установка а применяется в тех случаях, когда необходимо измерить плотность рыхлых сред на некоторой глубине, а установка б – для определения плотности в поверхностных слоях мощностью до 40-50 см. Установки а и б либо задавливаются в рыхлые отложения, либо помещаются в шпуры, сделанные ломиком. Для установки в бурят параллельные шпуры, используя кондукторы в виде двух жёстко соединённых параллельных труб.

В полевых приборах детектор и источник располагаются по одну сторону от анализируемой среды. Поэтому детектор регистрирует только рассеянные нейтроны, поток которых определяется сечением поглощения и рассеяния нейтронов, но зависит, кроме того, от длины зонда, т.е. расстояния между источником и детектором.

Для определения физических свойств поверхностных отложений (например, плотности и влажности) применяются методы радиоактивного профилирования (рис. 2.10). При этом методе с движущегося транспорта регистрируется какой-либо вид радиоактивного излучения (гамма-профилирование ГП, гамма-гамма-профилирование ГГП, нейтронно-нейтронное профилирование ННП).

Радиолокационное профилирование.Основано на излучении зондирующих сигналов частотой от 20 до 120 МГц, приеме и измерении запаздывания. Эти сигналы отражаются от границ слоев, имеющих различные электрофизические характеристики (например, торф – грунт, мерзлые – талые породы и т. д.). На выходе приемной антенны производится обработка принятых сигналов. Обе антенны как единое целое перемещаются вместе с измерительным блоком. В качестве приборов в радиолокационном профилировании используются георадары, которые в процессе работы перемещаются вручную (пеший вариант) или с помощью автотранспортного средства (самоходный вариант – автомобиль, вездеход, снегоход) (рис. 2.11). По полученным данным решают обратную задачу радиолокационного зондирования и определяют мощности отдельных слоев исследуемых сред и скорости радиоволн в них. Профиль может быть отображен сразу на месте с помощью полевого самописца или путем обработки на ЭВМ.

Метод решает следующие задачи: обнаружение и картирование структурных неоднородностей в разрезе (карст, тектонические нарушения, контакты пород разного литологического состава, участки выклинивания пластов, включения скальных пород в рыхлой среде и т. д.); поиск песчано-гравийных отложений и определение в них уровня грунтовых вод; картирование поверхности коренных пород под рыхлыми отложениями; определение мощности сезонного промерзания и оттаивания рыхлых отложений, оконтуривание участков многолетнемерзлых и оттаивших пород; картирование и разведка торфяных месторождений (рис. 2.12) и озерных месторождений сапропеля; картирование рельефа минерального дна и донных отложений пресноводных водоемов; определение местоположения подземных коммуникаций и археологических объектов.