Предмет и методы полевой геофизики

Методы полевой геофизики относятся к разведочной геофизике, которая составляет одну из прикладных ветвей геофизики – науки, изучающей физические явления и процессы, которые протекают в оболочках Земли и в ее ядре.

Предметом геофизики является Земля с ее твердой оболочкой (литосферой), морями, океанами, наземными и подземными водами (гидросферой) и воздушной оболочкой (атмосферой). Геофизику можно разделить на две крупные ветви – физику Земли и физику оболочек Земли (рис. 1.1). Физику Земли составляют разделы:

· сейсмология, изучающая закономерности прохождения сейсмических волн внутри Земли, ее сейсмичность и причины возникновения землетрясений;

· геоэлектрика, занимающаяся изучением электрической модели Земли и закономерностей распространения электромагнитных полей внутри нее;

· геомагнетизм, изучающий магнитное поле Земли, его изменение во времени, причины полярных сияний и др.;

· геотермия, которая изучает температурный режим внутри Земли и ее температурные аномалии;

· гравиметрия, изучающая гравитационное поле, фигуру Земли (в этом задачи и методы гравиметрии и геодезии совпадают) и распределение плотности внутри нее.

Рис.1.1. Разделы геофизики

Физика оболочек Земли делится на физику атмосферы, гидросферы и литосферы (Рис. 1.2.) Наряду с другими, физические методы изучения атмосферы используются в аэрономии, метеорологии, климатологии. При изучении гидросферы также физические методы используются в океанологии, лимнологии (изучение озер), речной гидрологии и гляциологии (изучение ледников).

Физика литосферы, в свою очередь, делится на общую, изучающую региональные физические неоднородности литосферы и закономерности размещения в ней полезных ископаемых. Разведочная геофизика является частью физики литосферы и предметом ее изучения является верхняя часть земной коры, где размещены доступные для человека полезные ископаемые.

Рис.1. 2. Разделы физики оболочек Земли

Методы геофизических исследований – это способы изучения и анализа физических полей и явлений на земной поверхности, в шахтах, скважинах, на поверхности и в глубинах моря, на различных высотах в атмосфере и в окружающем Землю космическом пространстве.

По месту, технологии измерений физических полей и специфике решаемых задач выделяют технологические комплексы разведочной геофизики:

1. Спутниковый

2.Аэрогеофизика

3. Полевая (наземная) геофизика

4. Подземная

-исследования в скважинах (каротаж и скважинная геофизика),

-исследования в горных выработках (шахтно-рудничная геофизика),

5. Морская (надводная, подводная и донная).

По области применения разведочную геофизику делят на отрасли:

1. Региональную, изучающую крупные структуры земной коры и закономерности размещения полезных ископаемых.

2. Нефтегазовую, занимающуюся поиском и разведкой месторождений углеводородного сырья.

3. Рудную, целью которой являются поиски и разведка рудных месторождений различного состава.

4. Нерудную, занимающуюся поисками и разведкой месторождений строительных материалов и другого нерудного сырья.

5. Инженерную, которая занимается изысканиями под строительство различных зданий и промышленных сооружений.

6. Экологическую, образовавшуюся только в последнее десятилетие и занимающуюся вопросами оценки загрязнения (в т.ч. полевого) геологической среды и прогнозами природных и техногенных катастрофических явлений.

По характеру используемых для измерений полей геофизические методы можно разделить на активные (А), использующие для измерений искусственно создаваемые поля и пассивные (Р), измеряющие естественные поля, создаваемые геологическими неоднородностями.

Среди методов разведочной геофизики выделяют следующие (рис.1. 3):

Рис. 1.3. Классификация методов разведочной геофизики

1. Гравиразведка, изучающая аномалии поля ускорения силы тяжести над геологическими объектами и являющаяся пассивным методом. Для сокращения в гравиразведке часто поле ускорения силы тяжести называют полем силы тяжести. Аномалиеобразующим физическим свойством в гравиразведке является плотность горных пород.
2. Магниторазведка изучает магнитные аномалии, создаваемые горными породами различного состава и является также в основном пассивным методом. Однако есть некоторые модификации, использующие искусственное подмагничивание массивов горных пород. Аномалиеобразующими физическими свойствами здесь являются магнитная восприимчивость и остаточная намагниченность горных пород.
3. Электроразведка. Строго говоря, электроразведку нельзя назвать методом разведочной геофизики, поскольку она является целой группой методов (и модификаций), использующих для изучения геологического строения районов различные электрические и электромагнитные поля (от постоянного тока до радиоволновых частот) и, соответственно, различные физические свойства. Методы могут быть как активные, так и пассивные. Чаще всего в электроразведке изучается удельное электрическое сопротивление горных пород, но достаточно широко распространены методы, изучающие электрохимическую активность, поляризуемость, диэлектрическую проницаемость и другие параметры.
4. Сейсморазведка изучает физические поля упругих (сейсмических) колебаний и наиболее широко используется в нефтегазовой геологии. Поэтому по учебному плану образовательной программы «Геолого-геофизические проблемы освоения месторождений нефти и газа» она рассматривается отдельным курсом и в данном пособии не затрагивается.
5. Радиометрия и ядерная геофизика чаще всего рассматриваются вместе, хотя решаемые задачи и методические подходы здесь различаются. Радиометрия основана на изучении естественной радиоактивности горных пород и руд (пассивные методы), а ядерно-геофизические методы исследования основаны на взаимодействии источника внешнего излучения (альфа-, бета-, гамма-излучения или нейтронов) с ядрами или с электронами глубоких орбит атомов вещества, то есть являются активными методами. При этом выводы делаются на основании измерения вторичных излучений, возникающих в результате взаимодействия атомов вещества с внешним излучением.
6. Геотермические методы изучают теплопроводность, теплоемкость горных пород и преимущественно являются пассивными. При инженерно-геологических термических исследованиях используются и активные термические методы, изучающие температуропроводность среды.
7. Основой или фундаментом всех геофизических методов является петрофизика – наука о физических свойствах горных пород и закономерностях их изменения. Все геофизические поля, изучаемые геофизическими методами, определяются соответствующими физическими свойствами горных пород, которые изменяются в зависимости от условий образования горной породы и последующих физико-химических процессов.

Гравиразведка

Гравиразведка является частью науки об измерении силы тяжести – гравиметрии (от латинского gravitas – тяжесть и греческого µέτρεο – измеряю) и представляет собой сокращенное название разведочной гравиметрии или гравиметрической разведки. Она основана на изучении поля ускорения силы тяжести, источником которого являются массы горных пород. При изучении школьного курса физики обычно считают, что ускорение силы тяжести на поверхности Земли – величина постоянная, равная 9,8 м/с², однако это справедливо лишь с точностью до десятых долей м/с². В современной гравиразведке ускорение силы тяжести (часто сокращенно называют – сила тяжести) измеряют с точностью до седьмого и иногда – девятого знака после запятой (в м/с²).

Начало экспериментальному изучению силы тяжести было положено Г. Галилеем, который показал, что мерой силы тяжести является ускорение, которое сила тяжести сообщает свободно падающему телу и в 1590 году определил численное значение ускорения свободного падения.

Первое свидетельство изменения силы тяжести с широтой было получено в XVII веке французским астрономом Ж. Рише, установившим, что маятниковые часы отстают в низких широтах, однако правильное толкование этому дал Ньютон, который сформулировал закон всемирного тяготения и сделал попытку теоретически определить фигуру Земли. Этим было положено начало гравиметрии. В 1743 году А. Клеро показал возможность найти сжатие Земли по гравиметрическим данным и вывел формулу изменения силы тяжести на земной поверхности. Мысль о связи силы тяжести с внутренним строением Земли впервые высказал М.В. Ломоносов и в 1753 году он пытался построить прибор для регистрации изменений силы тяжести во времени.

С геологической целью впервые гравиметрические измерения были проведены с гравитационным вариометром венгерским физиком Р. Этвешем в 1902 -1909 годах.

В СССР внедрение гравиразведки связано с работами Особой комиссии по изучению Курской магнитной аномалии, которая объединила основоположников разведочной геофизики в СССР – П.П. Лазарева, П. М. Никифорова, А.А. Михайлова, Л.В. Сорокина, Г.А. Гамбурцева и др.

По инициативе геофизиков Ленинградского Горного института в 1923 году был организован Институт прикладной геофизики, где под руководством Б.В. Нумерова проводились работы по конструированию гравиметрической аппаратуры, по теории метода методике съемки и истолкованию результатов наблюдений.

До 50-х годов прошлого века для измерений использовались в основном маятниковые гравиметры, которые были громоздки и малопроизводительны. Создание в 50-х годах астазированных статических гравиметров (К.Е. Веселов, П.И. Лукавченко и др.) позволило резко поднять производительность и повысить точность измерений, что значительно расширило круг задач, решаемых гравиразведкой. С этого времени стала возможной планомерная гравиметрическая съемка всей территории страны.

Методы интерпретации гравимерических наблюдений изложены в работах П.М. Никифорова, А.А. Заморева, Н.Р. Малкина, Б.А. Андреева, А.К. Маловичко и др. Решение прямых и обратных задач гравиразведки для тел заданной формы рассмотрено в работахГ.А. Гамбурцева, Д.С. Микова, А. А. Непомнящих, К.Ф. Тяпкина, А.К. Маловичко и др.

В настоящее время гравиразведка применяется для решения широкого круга геологических задач, она является одним из обязательных методов при геологическом картировании различных масштабов, играет важную роль при поисках и разведке различных полезных ископаемых. Особенно велика ее роль при поисках месторождений нефти и газа и большинства рудных месторождений. В связи с появлением новых высокоточных компьютеризированных гравиметров, развитием программного обеспечения обработки и интерпретации данных возможности гравиразведки все более возрастают.