КОМПЛЕКСИРОВАНИЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ Специальность: –6М «Геофизические методы поисков и разведки МПИ», Доктор геол.-минерал. наук Истекова С.А.

План лекций МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОМПЛЕКТИРОВАН И Я ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕОДНОЗНАЧНОСТЬ РЕШЕНИЯ ОБРАТНЫХ ЗАДАН ГЕОФИЗИКИ КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ И КОМПЛЕКСНАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ДАННЫХ ВЫБОР ГЕОФИЗИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА КОМПЛЕКСИРОВАНИЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПРИ РЕШЕНИИ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ – ГЛУБИННАЯ ГЕОФИЗИКА ГЛУБИННАЯ ГЕОФИЗИКА – РЕГИОНАЛЬНАЯ И КАРТИРОВОЧНО-ПОИСКОВАЯ ГЕОФИЗИКА – НЕФТЕГАЗОВАЯ ГЕОФИЗИКА НЕФТЕГАЗОВАЯ ГЕОФИЗИКА – РУДНАЯ, НЕРУДНАЯ И УГОЛЬНАЯ ГЕОФИЗИКА РУДНАЯ, НЕРУДНАЯ И УГОЛЬНАЯ ГЕОФИЗИКА – ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОФИЗИКА ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОФИЗИКА – ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕОФИЗИКА

Современная прикладная (разведочная) геофизика имеет большое число разнообразных методов и их рациональное комплексирование в условиях рыночной экономики приобретает особое значение при решении любой практической задачи геологоразведки.

По области применении прикладная геофизика подразделяется на глубинную; региональную поисково- разведочную -нефте­газовую, -угольную, -рудную, -нерудную -угольную; Инженерную - инженерно- геологическую, -гидрогеологическую, -мерзлотно- гляциологическую, -почвенно- мелиоративную, Археологическую, Техногенную; Экологическую.

По месту измерения физического поля, специфике технологии наблюдений и решаемых геологических задач выделяют спутниковую, воздушную (аэрогеофизика), полевую (наземную), аквальную (морскую), подземную (горную или шахтно-рудничную) геофизику и геофизические исследования и работы в скважинах (ГИРС или каротаж).

Классификация геофизических методов в зависимости от природы, типа и места измеряемых геофизических полей ( классификация В.В. Федынского).

Основные преимущества геофизических методов при производстве геологоразведочных работ состоят в: -объективности и объемности информации о физических полях, создаваемых геообъектами, -геопроцессами и явлениями; -возможности изучения объектов, не выходящих на земную поверхность, -геопроцессов и явлений, не проявляемых визуально; -относительно низкой стоимости и высокой производительности по сравнению с прямыми методами исследований (горные выработки, скважины). Недостатки методов прикладной геофизики определяются: -многозначностью (неоднозначностью) решения обратных задач по определению геологической природы, формы и геометрии изучае­мых объектов; -отсутствием., как правило, прямых сигналов от геообъектов и геопроцессов, т.е. изучение объектов, процессов и явлений проводится путем измерения косвенных признаков; -искажением, регистрируемых сигналов (аномалий) от изучаемых объектов помехами различной природы -геологического (неоднородности верхней части разреза, экраны, влияние рельефа и подстилающих пород и т.д.) и -негеологического (временные вариации полей, промышленные токи, технические сооружения, ошибки в методике и технологии наблюдений и т.п.).

Комплексирование геофизических методов Многозначность истолкования результатов геофизических исследований приводит к необходимости комплексного использования различных геофизических методов. Необходимость комплексирования определяется тем, что разные элементы геологического строения по-разному отражаются в разных геофизических методах. Горизонтально-слоистые среды находят хорошее отражение в данных сейсморазведки и методах электромагнитного зондирования, а вертикально-блочное строение более надежно картируются методами электромагнитного профилирования, гравиразведки и магниторазведки.

Основная идея и цель комплексирования геофизических методов - достижение однозначного решения поставленных задач. В связи с разнообразием геофизических методов -возникает проблема выбора наиболее информативных из них, -определения последовательности их применения, -распределения средств между методами для достижения максимального эффекта при решении поставленной практической задачи Такая эффективность достигается за счет рационального или опти­мального комплексирования методов.

Роль комплексирования геофизических методов и оптимизация комплекса приобретают все большую значимость в связи с: увеличением глубинности и разрешающей способности геологических исследований, поскольку к настоящему времени фонд залегающих на больших глубинах, т.е. сравнительно легко открываемых месторождений, практически исчерпан, а в добывающих регионах эко­номически оправдан поиск средних и мелких месторождений; решением сложных геологических задач, таких, например, как поиски месторождений под покровами траппов, представляющих помеху для всех методов прикладной геофизики, но имеющих распространение на 70% территории Восточной Сибири; появлением, новых проблем инженерно-геологического (установление мест коррозии нефтегазопроводов и т.д.) и экологического (изучение загрязненности отдельных регионов, городских агломераций, поведения ледников и т.д.) характера.

Комплекс геофизических методов определяется -постановкой конкретной геологической, инженерно геологической и т.д. задачи. Выбору комплекса способствует создание физико-геологической модели объекта, процесса, явления. На ее основе производится -выбор типового комплекса геофизических методов, их изучения, -выясняются условия применимости отдельных методов, --устанавливается возможная неоднозначность решения поставленной задачи каждым методом (качественная - по определению геологической природы геофизических аномалий и количественная по форме и геометрии объекта), -оценивается информативность методов и их сочетаний. Все это, наряду с учетом возможных денежных и временных затрат на проведение геофизических исследований, позволяет перейти к выбору рационального комплекса

История Выдающуюся роль в разработке вопросов коммлексирования геофизических методов сыграли работы О.К. Шмидта, Г.А. Гамбурцева, А.И. Заборовского, В.В. Федыиского, А.Г. Тархова, А.А. Логачева, Л.Я. Несте­рова, И.Г. Клуш и на, О.Л. Кузнецова, Н.Я. Куница, Г. С. Вахромеева, В.Н. Страхова, В.В. Бродового, А.А. Никитина, В. К. Хмелевского и др.

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ Основные объемы геофизических работ проводятся с целью поисков месторождений полезных ископаемых Весь геолого­разведочный процесс представляет определенную систему исследований, выработанную десятилетиями несколькими поколениями геологов и геофизиков и включающую конкретные стадии (этапы) от мелкомас­штабных (региональных) исследований до крупномасштабных (поисково-разведочных) работ.

Стадия регионального геологического изучения охватывает все виды провинций рудных, угольных и нефтегазовых. Определенная специфи­ка для них связана со степенью закрытости исследований территории, с наличием или отсутствием осадочного чехла и глубиной залегания изуча­емых объектов. Основными задачами комплекса геофизических методов на этой стадии являются: -изучение глубинного геологического строения, -исследование земной коры на всю ее мощность (глубинная геофизика). В последнее десятилетие с этой целью проводятся комплексные геофизические исследования по геотраверсам - региональным профилям протяженностью несколько тысяч километров.

Схема сейсмических профилей Юго-Востока Казахстана

Изучение глубинного строения региона и земной коры Включает геотектоническое районирование, т.е. выделение глубинных разломов, блоков, плутона-магматических формаций, региональный прогноз место­рождений полезных ископаемых, что в конечном итоге обеспечивает выделение рудных поясов и нефтегазоносных областей (структур перво­ го порядка).

Региональные геологические, геофизические, гидрогеологические исследования масштабов 1:200 ООО - 1:100 ООО предназначены для среднемасштабного картирования территорий (картировочной-поисковая геофизика) с изучением рудных, угольных, нефтегазовых и других облас­тей и выделением, перспективных площадей (структур второго порядка). Итогом этих исследований является подготовка геолого-геофизической основы масштаба 1: и оценка прогнозных ресурсов полезных ис­копаемых по категории Р 3.

Геолого-съемочные работы (стадия II) обеспечивают крупномасштабное геологическое картирование, которое включает -определение мощности и состава осадочного чехла, -установление гипсометрии поверхности фундамента и состава коры выветривания коренных пород, -расчлене­ние пород по литологии, -изучение состава и морфологии интрузивных массивов, -выделение наиболее важных структурных элементов и рудо контролирующих структур. Работы завершаются подготовкой геологи­ческой и геофизической основы с построением, карт локального про­гноза и оценкой прошозных ресурсов по категории Р 2.

Стадия поисковых работ масштабов 1: :5 000 уже направлена на поиски определенных видов полезных ископаемых с уточнением геолого- геофизической основы масштаба 1: и оценкой прогнозных ресур­сов по категориям Р 2 и Р3 Стадия поисково-оценочных работ решает задачу предварительной оценки месторождений с прогнозом ресурсов по категории Р 1 и запасов полезного ископаемого по категории С 2 При этом дается обоснование для проведения предварительной разведки, основной задачей которой является выделение рудных залежей с оценкой запасов полезного иско­паемого по категориям C 1 и С 2

Детальная разведка обеспечивает целесообразность эксплуатации месторождения с оценкой запасов полезно­го ископаемого по категориям А, В, С 1. Доразведка месторождения уточняет запасы полезного ископаемого по различным категориям с оценкой флангов и глубоких горизонтов месторождений, а стадия эксплуатационной разведки обеспечивает непосредственно эксплуатацию месторождения.

Геологоразведочный процесса на нефть и газ Отличие: большими глубинами залегания залежей углеводородов до 7 км, наличие мощного осадочного чехла и более крупные размеры месторождений. Стадийность включает три этапа: региональный, который совпадает со стадией 1 ; поисковый и разведочный. Поисковый этап обеспечивает выявление и подготовку нефтегазопер­ спективных объектов к поисковому бурению и непосредственно поиски залежей. Комплексные геофизические работы сосредоточены на выявлении нефтегазоперспективных объектов, представленных антиклинальными структурами 3-го и 4-го порядков, а также литолого-сгратиграфическими, тектоническими и другими ловушками. Разведочный этап в нефтегазоносных регионах не имеет подразделе­ний в отличие от разведки твердых полезных ископаемых. Основной задачей этого этапа является установление продуктивной части разреза с выделением отдельных нефтегазоносных пластов, их опробованием и оценкой запасов по категориям

Типы моделей при геофизических исследованиях Проектирование геофизических работ начинается с постановки целевого задания и выбора объекта исследований. Целевое задание определяется стадией геологоразведочного процесса. Выбор объекта и предварительная оценка его параметров основаны на априорной информации. Априорная информация извлекается из анализа результатов работ, проведенных на предшествующих стадиях (этапах). При изучении возможностей отдельного геофизического метода и комплекса методов для решения поставленной задачи исследователь абстрагируется от конкретных свойств объекта, используя некоторую обобщенную модель объекта со статистически усредненными физическими свойствами, геометрией и формой. Моделирование является единственным способом получения подобных обобщенных сведений об объекте, поскольку даже однотипные месторождения одного и того же рудного поля (нефтегазоносной области) различаются по морфологии, вещественному составу, условиям за­легания, степени изменения вмещающих пород и т.д.

Понятие о физико-геологической модели С целью обоснованного проектирования геофизических работ и выбора комплекса методов вводится понятие "физико-геологическая модель" - объект* исследований. Под физико-геологической моделью (ФГМ) (Г. С.Вахромеев) понимается возмущающее тело, обобщенные размеры, форма и контрастность физических свойств которого с той или иной степенью приближения аппроксимируют реальные объекты, подлежащие обнаружению. Основными составляющими ФГМ являются геологическая модель, астрофизическая модель и модели физических полей.

Геолого-геофизические модели.. Геологическая модель система элементов геологического строения, обобщенно описывающая состав, структуру, форму изучаемого объекта и его вмещающей среды. В задачах геологического картирования основным результатом является геологическая карта, представляющая модель геологического пространства, на которой средствами картографии (с использованием комплекса геолого-гсофизических методов) отражены состав, строение и история формирования. К этому типу модели тесно примыкают модели геологических и геолого-геофизических разрезов.

Петрофизическая модель (ПФМ ) -модель, характеризующая распределение физических свойств в плане, разрезе, пространстве. -ПФМ - это совокупность взятых в природных границах разновидностей горных пород, которая состоит из равновесных парагенетических минералов, представлена двумя координатами (состав и время) и охарактеризована статистическими распределениями физических свойств. -Выделяют петромагнитные, петроплотностные, пет- роэлектрические, радиоактивные, тепловые, сейсмические (скоростные и глубинные) модели.

Модель физических полей модель, описывающая характер физического поля в верхнем и нижнем полупространстве, в которой отражены интенсивность поля, его морфология, аномальные эффекты и различные типы помех. При формировании ФГМ целый ряд исследователей используют такие понятия, как структурно- вещественный комплекс и прогнозно-поисковая модель.

Структурно -вещественный комплекс (CBК) это совокупность квазиоднородных на данном уровне исследований геологических образований (горных пород, рудных тел), которые в физическом поле выделяют­ся как единый возмущающий объект, т.е. объединенные но одному и нескольким физическим свойствам геологические образования. СВК подразделяют на рудоконтролирующие, рудовмещающие и рудные

Прогнозно-поисковые модели (ППM) представляют собой иерархически построенный ряд моделей объектов разного ранга: рудная провинция (нефтегазоносная провинция или бассейн), рудный узел (нефтегазоносная область), рудное поле (нефтегазоносная зона), месторождение (неф­тегазовая залежь), в которой каждая последующая модель является результатом вычленения и дифференциации наиболее существенной части модели более высокого ранга.

Для задачи поисков ограничиваются построением моделей трех уровней генерализации геологической среды в масштабах 1:1 ООО ООО; 1:200 ООО и 1:50 ООО. Комплексирование спутниковых, воздушных, наземных (морских) и скважинных геофизических исследований позволяет установить при­знаки и критерии, лежащие в основе ФГМ и ППМ при разноуровневых наблюдениях

Нормальное поле, аномалии и помехи Построение физико-геологических моделей базируется на результатах анализа структуры (морфологии) физических полей и выделяемых в этих полях аномалий. Геофизическая аномалия - отклонение физического поля от его нормальных значений, в котором сосредоточена полезная информация об изучаемых объектах (процессах). По геофизическим аномалиям изучают строение земной коры, ее неоднородности в виде геологических структур, месторождений полезных ископаемых и т.д. В сейсморазведке и, частично, в электроразведке вместо аномалии упот­ребляется термин "сигнал". Под помехой понимается всякое возмущение поля, препятствующее выделению полезной информации, т.е. сигнала (аномалии).

Нормальное поле геофизическое поле, обусловленное однородными но конкретному физическому параметру горными породами. Однородность зависит от масштаба исследований. Понятие нормального поля различно для искусственно возбуждаемых (поле постоянных токов, переменные электромагнитные поля) и естест венных (магнитного, гравитационного, электро- магнитного, теплового, радиоактивного) полей. В первом случае нормальное поле определяется нолем заданного источника в однородной среде, которая отождествляется с полупространством в силу большей локальности искусственных полей. Во втором случае нормальное поле либо рассчитывается аналитичес­ки, либо данные наблюдений пересчитываются в величины, которые для однородного полупространства равны нулю или некоторой константе.

Нормальное поле силы тяжести определяется для поверхности эллипсоида вращения, аппроксимирующего поверхность воды в океане, и вычисляется обычно по формуле Гельмерта. В наблюденные значения силы тяжести вводится поправка Фая за высоту точки наблюдения над уровнем моря. После введения этой поправки и исключения нормально­го поля Земли получают аномалию Фая. Аномалия Буге получается из аномалии Фая введением поправки за действие масс, расположенных между уровнем океана и физической поверхностью Земли (плотность масс при этом обычно принимают равной 2,67 г/см 3 ). Если учитывается рельеф местности, то аномалию Буге называют иногда топографической.

Нормальное магнитное поле Земли определяется как сумма первых 10 гармоник разложения этого поля в ряд по сферическим функциям (иначе, международное аналитическое поле МАП). Это поле изменяется во вре­мени в связи с западным дрейфом магнитного полюса, поэтому МАП периодически рассчитывают для определенного года (эпохи) с введением поправок в промежуточные годы.

Типы геофизических аномалий. Различают материковые, региональные аномалии и локальные аномалии различных порядков. Региональные аномалии естественных потенциальных полей охватывают площади в тысячи квадратных километров, локальные от тысяч квадратных километров до сотых долей квадратного километра, что позволяет выделять несколько условных нормальных или фоновых уровней поля в зависимости от класса аномалий.

Главный редактор – Б.С.Ужкенов Ответственный редактор-составитель – Е.Нусипов, О.В. Игнатюк 2003 г Карта аномального магнитного поля Масштаб 1:

Схема региональных магнитных аномалий, отвечающих Балхаш-Илийскому вулканическому поясу. 1 - площадь развития вулканического пояса по данным магниторазведки; 2-изолинии региональных положительных магнитных аномалий в миллиэрстедах (пересчет исходного поля Та на высоту 20 км); 3 - наиболее крупные месторождения медно-молибден-порфировой формации. Баканасская Токрауская Илийская Коунрадская Бесшокинская Урджарская Чилик-Чунджинская Региональные аномалии отвечают вулканическим впадинам с максимальными мощностями верхнепалеозойских вулканических комплексов, а «перемычки» между аномалиями верхнепалеозойским относительным поднятиям, где мощности вулканических толщ значительно сокращены. Региональные магнитные аномалии не согласуются в плане с гравитационными. Это подтверждает, что они вызваны строением разных структурных этажей. Полоса региональных положительных аномалий первого порядка обусловлена вулканическими породами Прибалхашско-Илийского наземного вулканического пояса.

За локальную аномалию принимается такая составляющая наблюденного поля, которая по линейным или площадным размерам в пять раз и более меньше изучаемых профилей или площадей наблюдений, что в целом коррелируется с увеличением масштабов геофизических исследований от стадии (этапа) к стадии (этапу) 1:1 ООО ООО - 1:200 ООО - 1:50 ООО - 1:10 ООО. В прикладной геофизике основную роль играют региональные и локальные аномалии. Выделение региональных и локальных аномалий из суммарного наблюденного поля носит условный характер. Так, при детальных съемках круп­ного масштаба для небольших площадей, региональная аномалия, ко­торая обычно отражает эффекты от крупных структурных единиц под­земного рельефа (например, фундамента) и претерпевает небольшие изменения, может быть принята за постоянную. Однако при этом крупные локальные аномалии уже являются региональными для более мелких аномалий (например, аномалии от нефтегазовых залежей на фоне аномалии от антиклинальной структуры. Такие аномалии обычно и называют фоновыми.

Схема локальных гравитационных аномалий Δg Рудно-Алтайского полиметаллического пояса Осевая часть Рудного Алтая отмечена полосой положительных гравитационных аномалий высокой интенсивности и отвечает ядерным частям Алейского, Синюшинского, Ревнюшинского, Курчумско- Кальджирского антиклинориев В свою очередь, она состоит из совокупности большого числа локальных максимумов g, имеющих в плане форму неравносторонних треугольников, четырехугольников и более сложных фигур. Эти аномалии отображают мелкоблоковое строение осевой подзоны

По физико-геологической природе геофизические аномалии для естественных и искусственных полей делятся на три группы: глубинные, определяемые строением земной коры и литосферы в целом; структурные, характеризующие крупные геоструктуры, тектонические разломы, контакты пород; рудные, связанные с месторождениями полезных ископаемых и неоднородностями в верхних слоях земной коры, представляющими практический интерес при поисках и разведке. Наряду с этими аномалиями в физических полях фиксируется много ложных аномалий, вызванных неоднородностями в верхней части разреза (поверхностные неоднородности), рельефом местности и другими типами помех, не представляющих практического интереса при решении той или иной конкретной задачи.