Геофизика – комплекс наук.

Современная геофизика представляет собой целый комплекс наук, к которым можно отнести следующие:

1.Земной магнетизм – учение о магнитном поле Земли.

2.Аэрономия– учение о высших слоях атмосферы.

3.Метеорология, которая интегрирует в себе динамическую метеорологию (приложение законов гидромеханики к атмосферным процессам), синоптическую метеорологию – учение о крупномасштабных атмосферных процессах, формирующих погоду и позволяющие прогнозировать ее, и климатологию.

4.Океанология(физика моря)

5.Гидрология суши (учение обо всех внутренних водоемах: озерах, реках и т.д.)

6.Гляциология(учение обо всех формах льда в природе).

7.Физика твердой Земли или физика земных недр, включающая в себя:

сейсмологию (науку о землетрясениях), гравиметрию (науку о тяготении, то есть о тех силах, действие которых испытывает на себе каждый человек, каждое живое и неживое существо, находящееся на Земле, геоэлектрику – науку об электрических явлениях на Земле и в ее недрах, термометрию – науки о тепловых явлениях на Земле и в ее недрах.

Все эти науки составляют так называемую общую, или большую, геофизику

Методы разведочной геофизики. Основная классификация.

Все эти методы принято определенным образом классифицировать в зависимости от того, какие полезные ископаемые являются объектом поиска, какие геологические задачи решаются, какая технология проведения работ используется и т.п.

Но главная сущностная классификация осуществляется по основному физическому параметру.

Под основным физическим параметром понимается то свойство геологических образований – горных пород, которое делает эту породу источником аномалии в распределении того или иного геофизического поля, регистрируемого на дневной поверхности (на поверхности Земли) или во внутренних точках среда (в скважине или горной выработке). Такими основными физическими свойствами являются плотность, удельное электрическое сопротивление, скорость распределения упругих волн, магнитная восприимчивость, теплопроводность и ряд других. Ведь распределение геофизических полей в Земле и на ее поверхности определяется неоднородностью внутреннего строения Земли, то есть тем, что недра ее сложены весьма различными образованиями: вещество внутреннего ядра Земли твердое, а внешнее ядро представляет собой своеобразную вязко-жидкую субстанцию; отличаются по составу и физическим свойствам верхнее- и нижнемантийные образования, а наибольшей неоднородностью характеризуется вещество земной коры – многообразные геологические тела – слои, пласты, комплексы осадочных пород, блоки кристаллического фундамента, интрузивные штоки и эффузивные покровы…. И закономерности распределения физических полей: гравитационного, магнитного, электрического и т.д. определяются совместным влиянием всех перечисленных геолого-физических факторов – как глобальных ( на уровне мантия – ядро), так и региональных( на уровне кора – мантия), а также локальных (на уровне осадочный чехол – кристаллический фундамент). Причем именно эти локальные факторы, обусловленные неоднородностью земной коры, создают относительно малоразмерные, высокочастотные возмущения на фоне плавных низкочастотных вариаций поля, обусловленных крупноразмерными глубинными факторами. Эти возмущения и называют локальными аномалиями, а выявление таких аномалий в распределении упомянутых геофизических полей составляют одну из первоочередных задач геофизиков- разведчиков. Итак, аномалии являются следствием неоднородности геологической среды, их источник – геологические тела (возмущающие объекты), отличающиеся по своим физическим свойствам от окружающих (вмещающих) пород.

А теперь вернемся к основной классификации методов разведочной геофизики, то есть к классификации по основному физическому параметру. Эту классификацию можно представить в виде такой блок-схемы.

Из этой схемы следует, что все методы разведочной геофизики можно разделить на две большие группы – методы естественных полей и методы искусственно создаваемых полей.

Естественные поля возникли в процессе рождения и развития нашей планеты самопроизвольно. Это имманентные неотъемлемые признаки бытия Земли, как физического тела. Их действие – гравитацию, магнитные бури, проявление блуждающих токов испытывает на себе любое земное существо и любая земная инстанция. Больше того, без их действия эти земные существа уже не могут, по-видимому, существовать. Например, каждому известно какие неудобства испытывают в отсутствии гравитации космонавты и к каким последствиям привело бы их длительное пребывание в состоянии невесомости без специальных тренажеров.

Самое замечательное в практике методов естественных полей состоит в том, что не надо заботиться, не надо создавать источников их возникновения – они существуют сами по себе. И задача геофизика – исследователя заключается лишь в регистрации значений поля на дневной поверхности или в скважине с тем, чтобы выявить область возмущений – индикаторов неоднородностей среды, то есть потенциальных месторождений полезных ископаемых.

Однако, сама жизнь, нужды человечества нередко ставят перед геофизиками-разведчиками такие задачи, которые невозможно решить, опираясь на естественные поля. Эти задачи в обобщенной форме можно определить как задачи выделения слабых аномалий на фоне сильных помех, как задачи разделения сложных суммарных аномалий на отдельные составляющие, связанные с конкретными небольшими геологическими телами – источниками, как задачи повышения разрешающей способности геофизических методов разведки. Ведь под разрешающей способностью как раз и понимается способность выделять слабые сигналы, раздельно регистрировать быстро следующие друг за другом сообщения и т.п. Поэтому, чтобы такие задачи решить - приходится создавать искусственные источники для возбуждения геофизических полей: волнового, электрических и т.д., располагать эти источники поближе к тем местам, где геологи рассчитывают обнаружить месторождение и т.п.

Приведем такой пример. Основным методом поиска нефтегазоперспективных объектов является сейсморазведка – метод с искусственным возбуждением упругих колебаний при помощи специальных источников – взрывных, вибрационных и т.п. Но ведь известно, что в мире происходят естественные землетрясения – до 150 000 в год. И волны от этих землетрясений распространяются на громадные расстояния, регистрируются самыми удаленными – на десятки тысяч километров сейсмостанциями. Почему же нельзя их использовать для поисков месторождений. Одна из причин состоит в ослаблении интенсивности волн, идущих от удаленных землетрясений, но главное не в этом. Допустим, что разведку мы проводим в Поволжье, а землетрясение произошло где-нибудь в Средней Азии. То есть волна должна пробежать расстояние до места регистрации в 3000км. Из источника эта волна отправилась в путешествие как короткий высокоинтенсивный импульс с преобладающим периодом Т в 0,02 сек, то есть с частотой 50 Гц. Но по мере ее распространения геологическая среда, через которую двигается волна, поглощает высокочастотные составляющие спектра, поскольку « работает» среда как ФНЧ – фильтр нижних частот - и к месту регистрации преобладающий период растянется до 0,2 сек. Таким образом, если положить скорость движения волны равной в среднем 4000м/сек, длина этой волны λ=VT увеличится от 4000·0,02=80м до 4000·0,2=800м. и если наш объект поиска(нефтегазовая структура) имеет амплитуду 200 м на глубине в 5 км, а толщина слоя – коллектора составляет 100м, что совсем не мало, то такого размера объект длинная (и вдобавок слабая) волна просто не заметит. Никакого раздельного отражения волны от кровли и подошвы такого пласта просто не будет. А если источник колебаний разместить на поверхности Земли прямо над объектом, то высокочастотный интенсивный короткий импульс длиной 30-50м «прошьет» эту толщу насквозь и доставит отраженную информацию в приемлемом для геологического прочтения виде.

Потому и приходится разрабатывать все новые и новые методы искусственных геофизических полей, что сложность геологических задач растет, а глубинность объектов поиска возрастает.

Теперь последовательно рассмотрим представленные на блок-схеме методы естественных полей.

Первой стоит здесь гравиразведка. Этим методом изучают аномалии Δg_а в распределении естественного поля силы тяжести, обусловленные плотностной неоднородностью Земной коры. То есть основным физическим параметром метода гравиразведки является плотность σ , измеряемая в кг/м³.

Диапазон изменения плотности пород земной коры – от 1,5·10³кг/м³ у самых «легких» осадочных пород - опок до 3,1-3,2·10³кг/м³ у самых «тяжелых» - ультраосновных магматических образований – габброидов и перидотитов, слагающих самую глубинную приподошвенную часть разреза кристаллического фундамента платформенных территорий. Наиболее распространенные среди осадочных образований – песчаники и известняки характеризуются значениями плотности в 2,3-2,5·10³кг/м³ и 2,5-2,7·10³кг/м³ соответственно. Кислым – гранитным – кристаллическим породам свойственны значения σ на уровне ~2,7·10³кг/м³, а основным – базальтовым – 2,9·10³кг/м³.

Основным параметром поля, то есть главной регистрируемой физической величиной является Δg – ускорение силы тяжести (свободного падения), измеряемого в миллигалах (мГал). Размерность этой величины м/сек². Один Гал – это 1·10^-2м/сек². Обычно аномалии, обусловленные гравитационным влиянием локальных нефтегазоносных структур, измеряются величинами в первые единицы - десятые доли мГал. Именно по этой причине в качестве рабочей единицы, характеризующей поле, выбрана такая маленькая величина – тысячная доля единицы ускорения свободного падения 1 мгал=1^-3Гал=1·10^-5м/сек². Единица напряженности гравитационного поля 1 Гал названа так в честь величайшего ученого всех времен и народов Галилея, с которого, можно сказать, и началась наука как самостоятельная сфера человеческой деятельности. Ведь Галилей первым создал действующую модель, объясняющую «механизм» солнечной системы и с него, таким образом, началось моделирование как универсальный способ научного познания физического мира.

Вторым в нашем списке естественных методов разведочной геофизики стоит магниторазведка, которая изучает аномалии ΔТ_а в распределении геомагнитного поля, обусловленные различной способностью горных пород намагничиваться, то есть воспринимать намагничение. То есть основным физическим параметром этого метода является магнитная восприимчивость, обозначаемая греческой буквой χ. χ – это коэффициент пропорциональности между намагниченностью и напряженностью намагничивающего поля , то есть = χ . Размерность величин J и Т одинаковая, это или А/м (ампер на метр – основная единица напряженности магнитного поля) или нТл (нанотесла – то есть 1·10^-9Тл, главная рабочая единица магнитной индукции, которую, как правило, и регистрирует прибор – магнитометр). Таким образом, сама по себе магнитная восприимчивость χ – величина безразмерная, относительная. Измеряется она в единицах СИ и не имеет какого-либо звучного собственного имени. Для большинства осадочных пород величины χ очень малы и составляют n·10^-5СИ, где n, как правило, измеряется единицами или первыми десятками. Так у известняков χ обычно не превышает 10-20·10^-5СИ, а для терригенных песчанистых пород 50-70·10^-5СИ. Для кислых кристаллических пород значения χ тоже сравнительно малы –150 -500·10^-5СИ, и только у основных и ультраосновных пород, содержащих значительное количество окислов железа χ превышает 1000, а иногда и 10000·10^-5СИ. Ведь именно окислы железа и в первую очередь магнетит – Fe₃O_4, наиболее распространенный из них, служат носителями магнетизма в горных породах. Основная единица напряженности Т магнитного поля это, как уже говорилось, А/м, но прибор магнитометр измеряет индукцию в нТл, поэтому именно магнитная индукция (нТл) выступает обычно в качестве главного параметра магнитного поля. Средний уровень значений магнитного поля на широте г. Саратова составляет ~45 000 нТл, а аномалии ΔТ, обусловленные влиянием нефтегазоперспективных структур характеризуются величинами, не превышающими первые десятки нТл или еще меньше. Тем не менее, в магнитном поле находят отображение( по данным В.Г.Мавричева,1984г.) свыше 75% всех нефтегазовых месторождений.

Третьим по списку естественных полей идут некоторые методы электроразведки. К ним относятся методы, в которых измеряются так называемые локальные поля постоянного тока, возникающие в геологической среде в связи с окислительно-восстановительными, диффузионно-адсорбционными и иными процессами, а также методы переменного тока, в которых измеряются поля, связанные с непостоянством солнечной радиации и возмущенным состоянием ионосферы – магнито-теллурические методы, в частности МТЗ – магнито-теллурическое зондирование. Основным физическим параметром этих методов является удельное электрическое сопротивление горных пород, обозначаемое греческой буквой ρ и измеряемое в ом·м (омо-метрах). ρ в горных породах изменяется в очень широких пределах: от 0 до ∞. Самые большие значения сопротивлений характерны для каменной соли – до 10⁶-10¹⁴ом·м и в кристаллических породах – более чем 10³ ом·м, а самые маленькие, измеряемые сотыми долями ом·м для водонасыщенных песчанистых образований. Основной измеряемой величиной, то есть параметром физического поля, в электроразведочных методах, служит разность потенциалов, или напряжение, определяемое в милливольтах (мв), а если в качестве измерительного элемента используется, к примеру, линейный проводник (кусок провода длиной в несколько десятков или сотен метров), то в мв/м (милливольт на метр или милливольт на километр). Так в локальных полях постоянного тока, связанных с окислительно-восстановительными процессами, происходящими в сульфидных проводящих телах ,возникают нередко аномалии интенсивностью до 500мв, по большей части эти аномалии не превышают значений порядка нескольких десятков милливольт. В основном, интенсивность аномалии обусловлена размерами возмущающих тел – источников и контрастностью их электрических свойств в сравнении с вмещающими геологическими образованиями.

Далее в перечне следуют некоторые методы ядерной геофизики. Здесь речь идет в первую очередь о полевой радиометрии, где на дневной поверхности измеряется естественная радиоактивность и выявляются тем самым месторождения урановых руд и о скважинном методе гамма-каротажа с задачей опознания в разрезе пластов с повышенной интенсивностью гамма-излучения – характерных геофизических реперов, облегчающих контроль за изменчивостью разреза в межскважинном пространстве.

Наконец, последней в нашем списке методов естественных полей стоит терморазведка, изучающая аномалии в распределении теплового поля Земли, обусловленные различной теплопроводностью (температуропроводностью) горных пород.

И полевая радиометрия, и терморазведка используются в настоящее время гораздо реже вышеперечисленных классических методов разведочной геофизики и по этой причине мы не будем останавливаться на них подробно.

Из методов искусственных полей особо выдающуюся роль играет сейсморазведка, которая является самым главным, внеконкурентным, методом в нефтегазовой геофизике. Достаточно сказать, что ни одна поисковая скважина на нефть не будет забурена, если отсутствует соответствующее сейсморазведочное обоснование, то есть если не были проведены на разведуемой площади полевые сейсморазведочные работы, не построены по их результатам необходимые структурные карты, не выделена в перспективном по оценке геологов интервале разреза структура-ловушка и не защищен на специальном заседании научно-технического совета организации, проводящей разведку, проект –«паспорт» на заложение поисковой скважины. В сейсморазведке изучаемое поле – волновое – возбуждается взрывами из неглубоких скважин или искусственными, главным образом, вибрационными источниками, а специальные приборы сейсмоприемники регистрируют волны, отраженные или преломленные на границах раздела геологических напластований, разделяющих толщи с разной скоростью распространения упругих волн, возбужденных упомянутым виброисточником или взрывом.Таким образом, основным физическим параметром метода является скорость распространений волн (преимущественно продольных), обозначаемая латинской буквой V и измеряемая в м/сек (метрах в секунду). Диапазон изменения таких скоростей от ~500м/сек в приповерхностной части разреза, именуемой зоной малых скоростей (ЗМС), до 6000-7000 м/сек в породах кристаллического фундамента. В терригенных осадочных породах скорость (в среднем) достигает 3000-4000 м/сек, а в карбонатных (известняках) доходят до 5000-5500 м/сек. Основная измеряемая величина, то есть параметр физического поля, в сейсморазведке это время прихода волн к сейсмоприемникам, измеряемое в секундах. Кроме того, в сейсморазведке изучаются и оцениваются параметры, характеризующие сам по себе волновой процесс – форма колебаний, их частотный спектр, интенсивность, длительность импульсов отражений и пр. Это так называемые динамические характеристики, содержащие сведения о составе и свойствах пород, через которые пробегает волна, в то время как кинематическая характеристика время содержит сведения о глубине залегания отражающих и преломляющих границ и об их геометрии, пространственных конфигурациях. Тем самым, именно из данных сейсморазведки извлекается информация о структурном каркасе изучаемого геологического разреза, а данными других методов, например электроразведки, этот каркас наполняется литологическими, флюидальными и иными вещественными характеристиками.

Помимо сейсморазведки, к искусственным относятся некоторые методы электроразведки, в частности, методы сопротивлений на постоянном токе, наиболее широко применяемые в инженерной геофизике, экогеофизике и пр. Когда-то эти методы, например метод вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ) были самыми главными в геофизической разведке, с них она, можно сказать, начиналась. Но в наше время, когда глубинность исследований многократно возросла, методы постоянного тока утратили свое значение, поскольку их глубинность ограничена естественными высокоомными экранами – толщами высокого сопротивления (например, галогенными), через которые постоянный ток пробиться не может. Поэтому в нефтегазовой геофизике ведущую роль играют теперь методы переменного тока – естественные (МТЗ) и, особенно, искусственные, такие как ЗСБ – зондирования становлением поля в ближней зоне. Об основных физических параметрах и измеряемых величинах в электроразведке уже говорилось выше и, поэтому, повторяться не будем.

Наконец, несколько слов необходимо сказать и об искусственных ядерно-геофизических методах. Это многочисленные методы исследования скважин, основанных на вторичном гамма - излучении, вызванном с помощью специальных источников радиоактивности, помещаемых в опускаемый в скважину прибор-зонд. К числу наиболее востребованных из них относятся ГГК (гамма-гамма-каротаж), НГК (нейтронный гамма-каротаж), ИНК (импульсный нейтронный каротаж) и др. С помощью этих методов оценивают такие характеристики пород как пористость, нефтенасыщенность и пр.

Помимо основной классификации целесообразно остановиться на двух других, с тем, чтобы ввести в оборот термины, к которым уже приходилось и еще неоднократно придется обращаться вновь.