Геофізичні методи розвідки

Геофізичні методи розвідки засновані на вивченні фізичних явищ і процесів, що зумовлені будовою Землі і земної кори. Вивченням відмінностей у електропровідності гірських порід займається електророзвідка, магнітній проникності – магніторозвідка, щільності – гравірозвідка, пружності – сейсморозвідка. Цими методами розвідки встановлюють глибинну геологічну будову Землі, проводять її регіональне вивчення, вишукувально-знімальні і вишукувально-розвідувальні роботи. Геофізичні методи розвідки скорочують об'єм трудомістких і вартісних гірських і бурових робіт.

Електророзвідка базується на вивченні природних і штучних електромагнітних полів, що виникають в земній корі під впливом джерел постійного і змінного струму. Гірські породи володіють різними електричними властивостями, що в основному визначаються їх питомим опором. Осадові породи характеризуються низьким опором, магматичні – найбільш високим, а метаморфічні – проміжним. Опірність залежить від геометричних параметрів (потужності пластів, глибини їх залягання, кута падіння тощо). При електророзвідці використовують електричне поле двох живлячих заземлень A і B, через які у землю вводиться постійний струм певної сили, що розповсюджується від одного заземлення до іншого на великій глибині. Чим ближче до електродів, тим щільність електричного поля більша. Вимірявши силу струму в ланцюгу і різницю потенціалів між приймальними електродами, визначають питомий опір середовища. Оскільки мікроструктура гірських порід неоднакова, то цей опір буде «несправжнім».

Є декілька способів електророзвідки. При способі природного поля використовують електрорушійну силу хімічного, фільтраційного і дифузійного походження. При способі телуричного поля, що базується на варіаціях магнітного поля Землі, регіональних, фільтраційних і інших процесах в грунті, використовують дві електричні вимірювальні установки. Одна знаходиться на опорному пункті, а друга переміщується по точках спостереження, що розміщуються вздовж профілів або маршрутів поперек простягання структур або порід. Застосовують цей метод для тектонічного районування і пошуків локальних структур. При першому способі джерелом природного електромагнітного поля є постійний струм, а при другому – низькочастотний змінний струм частотою10-200 Гц.

При застосуванні деяких способів використовують штучне електромагнітне поле, що виникає під впливом постійного струму. До них відносять електропрофілювання, коли «несправжній» опір вивчають вздовж профілів, вертикальне електричне зондування, коли вимірювання виконують за допомогою установки зі змінною відстанню між електродами, спосіб зарядженого тіла, коли один з полюсів розміщується у досліджуваному тілі, а інший – за його межами, на такій відстані, щоб впливом його поля можна було знехтувати, і спосіб викликаної поляризації, який базується на тому, що поляризація рудного тіла після виключення струму в ланцюзі між електродами, що розміщені поблизу досліджуваного рудного тіла певний час залишається. На принципі застосування штучного електромагнітного поля, що виникає під впливом низькочастотного джерела струму частотою 10–10 000 Гц, побудована електророзвідка, яка використовує спосіб низькочастотної індукції, що не вимагає заземлень. При цьому способі застосовується переносний передавач і високочутливий приймальний пристрій для спостережень у вершинах прямокутної сітки.

На цьому ж принципі заснована аероелектророзвідка, при якій, застосовуючи метод нескінченно довгого кабелю, з повітря вивчають електромагнітне поле, що збуджується у тілі землі електромагнітними хвилями за допомогою заземленого на кінцях довгого кабелю. Вимірювальний пристрій встановлюють на вертольоті. Існують також індукційні методи аероелектророзвідки, коли як збудник первинного поля використовується магнітний диполь — генераторна рамка, що живиться змінним струмом.

Крім того, електророзвідка може виконуватися способом петлі. Електроди живлення при цьому способі розташовують вздовж простягання порід. Симетрично їм розміщують замкнуту петлю з ізольованого дроту, через яку пропускають змінний струм, що входить через заземлювачі у землю.

При розвідці способом петлі розбивають мережі квадратів або восьмикутників. Штучне змінне електромагнітне поле середніх частот (10–60 кГц) використовують і в інших методах електророзвідки.

Для способів радіопросвічування, радіолокації використовують високочастотне поле (0,1–10МГц). Існують також і інші способи електророзвідки.

Магніторозвідка базується на вивченні особливостей магнітного поля Землі, що намагнічує гірські породи, особливо феромагнітні сполуки, і викликає інші електромагнітні явища. Напруженість магнітногополя представляється у вигляді вектора. Елементами напруженості є проекції цього вектора на осі прямокутної системи координат. Розподіл таких елементів геомагнітного поля зображують на карті ізолініями. Будують ізолінії магнітних схилень –ізогони, ізолінії нахилів – ізоклини, ізолінії горизонтальної і вертикальної складових – ізодинами.

Нормальне магнітне поле Землі в першому наближенні розглядається як поле однорідно намагніченої кулі. У ньому вертикальна складова змінюється від максимуму на полюсах до нуля на екваторі, а горизонтальна складова – від максимуму на екваторі до нуля на полюсах. Магніторозвідка виконується у вигляді магнітного або магнітометричного знімання, що визначає аномалії магнітного поля. Напруженість магнітного поля вимірюють в амперах на метр і гаммах. При нормальній зміні магнітного поля приріст вертикальної складової на 1 км. приблизно дорівнює , а горизонтальної складової – . При спостереженнях враховують, що з часом в одній і тій же точці відбуваються зміни напруженості магнітного поля – добові, річні, вікові і магнітні бурі. Аномалії утворюються внаслідок того, що гірські породи мають різні магнітні властивості. Іх інтенсивність зумовлюється магнітною чутливістю порід, їх формою та положенням в просторі.

Розрізняють площинне і маршрутне (профільне) магнітне знімання. При площинному зніманні в районах аномалій будується густа мережа квадратів або прямокутників. При маршрутному зніманні відстань в метрах між маршрутами повинна дорівнювати 0.01 знаменника масштабу знімання (250 м в масштабі 1:25 000), а точки спостережень розміщують на профілях на відстанях 0.1-0.2 цієї величини. Крім наземного магнітного знімання, що виконується при вишукувально-знімальних, вишукувально-розвідувальних і розвідувальних роботах, проводять повітряне магнітне знімання, тобто аеромагнітне знімання (регіональне, геокартувальне і пошукове). У польоті вимірюють елементи магнітного поля Землі. При повітряному зніманні застосовують ферозондові і ядерні аеромагнітометри. При аеромагнітному зніманні маршрути прокладає штурман, який фіксує на магнітограмі орієнтири. Планове положення маршрутів знаходять шляхом фотограмметричної прив'язки або радіогеодезичними методами.

Виявивши аномалії магнітного поля, визначають елементи залягання і намагніченість геологічних тіл. Існують різні методи інтерпретації аномалій (аналітичний, графічний, похідних, прямої, перетворення і перерахунку аномалій).

Магнітне знімання здійснюється у комплексі з іншими методами геофізичної розвідки.

Гравірозвідка використовується для тектонічного районування великих територій, виявлення і локалізації геологічних структур. Результати цієї розвідки використовуються для вивчення форми Землі, її надр, виконання геодезичних робіт і вирішення інших практичних задач. Гравірозвідка базується на визначенні розподілу сили тяжіння на поверхні Землі. Окрім нормальних значень сили тяжіння, що залежать від широти точки спостереження, розрізняють дійсні значення сили тяжіння, що відрізняються від нормальних і залежать від щільності складових гірських порід. Гравіметричні роботи проводяться для визначення аномалій сили тяжіння. При цьому для дійсних значень сили тяжіння вводять поправку (за висоту у вільному повітрі і за проміжний шар) – 0.2125Н мгал, де Н – висота точки спостереження, м. У результаті складають карту ізоаномал з висотою січення від 0.1 до 10 мгал залежно від масштабу гравіметричного знімання, від якого залежить щільність точок спостережень, точність спостережень – від 0.03 до 0.3 мгал, допустима похибка визначення висоти – від 0.15 до 10 м. Крім робочої мережі пунктів спостережень, створюється опорна мережа. Гравіметричне знімання при гравірозвідці виконується гравіметрами, варіометрами і градієнтометрами.

Геодезичні роботи при гравіметричному зніманні полягають у визначенні координат і висот пунктів спостережень, врахуванні впливу рельєфу місцевості і підготовці топографічної основи для складання гравіметричних карт. Для введення поправки за рельєф на майданчику навколо гравіметричного пункту виконують нівелювання (радіус майданчика повинен дорівнювати 0.5 кроку спостереження).

Останніми роками проводяться пошуки інших методів реєстрації гравітаційного поля, що базуються на поляризації іонізованого газу і вимірюванні частоти електромагнітних коливань.

Сейсморозвідка застосовується для вивчення будови земної кори, пошуків і підготовки до розвідувального буріння нафтогазоносних структур тощо. При сейсмічній розвідці використовуються спостереження над процесами розповсюдження у гірських породах пружних хвиль, що штучно збурені вибухами (у неглибоких свердловинах), а також ударними або вібраційними генераторами. Вибухи призводять до утворення подовжніх і поперечних хвиль, які зустрічаючи на своєму шляху в товщі землі поверхні розділу порід, заломлюються або відбиваються і повертаються до поверхні землі, де реєструються за допомогою спеціальної апаратури. Сейсморозвідка виконується методом відбитих хвиль або кореляційним методом заломлених хвиль. Час розповсюдження пружних хвиль вимірюють з похибкою до 0.0015 с. Спостереження на місцевості проводять вздовж профілів (прямих і ламаних ліній). При цьому визначають координати і відмітки пунктів вибуху, сейсмоприймачів і сейсмостанцій. Якщо пункти вибуху і сейсмопримачі розміщені на одній прямій, то профіль називають поздовжнім. При іншому розташуванні цих пунктів профіль називають непоздовжнім. При розташуванні по дузі кола профіль буде дуговим. До складу геодезичних робіт входить розбивка сейсмічних профілів, прив'язка профілів в плані до існуючої геодезичної мережі і постійних об'єктів та визначення відміток точок за профілями.

При сейсмічній розвідці проводять сейсмічне зондування за допомогою каротажних зондів – системи сейсмоприймачів, що опускаються у свердловину на кабелі.

У процесі сейсмічного зондування проводять прив'язку зондів, а також визначення напрямку кожного зонда відносно пунктів вибуху, їх відміток і характерних точок зондів, відстаней між зондами і пунктами вибуху. Крім лінійного сейсмозондування, коли сейсмоприймачі розміщують вздовж короткого профілю, застосовують хрестові сейсмозондування, коли сейсмоприймачі розміщують на пересічних поздовжніх і непоздовжніх профілях. Залежно від швидкості розповсюдження пружних хвиль (200-5 000 м/с) відстані між пунктами вибуху і сейсмоприймачами визначають з похибкою 0.3-7.5 м, а їх відмітки – 0.02-1 м. Сейсмічний каротаж може бути одинарним, при якому визначають відстань між центрами каротованої і вибухової свердловин, перевищення між ними і азимут з каротованої на вибухову свердловини, або просторовим, при якому зонди складають на місцевості фігури з розташованими вздовж їх сторін сейсмографами.

В даний час при інженерно-геологічних вишукуваннях для геофізичної розвідки застосовують методи ядерної фізики, зокрема методи поглинання гамма-випромінювань і нейтронний. Вони застосовуються, головним чином, для визначення вологості і щільності порід, їх мінералогічного складу, рівня підземних вод тощо. Такі методи базуються на зміні інтенсивності випромінювання радіоактивних речовин, що проходить через гірські породи.

Метод гамма-випромінювання, або гамма-метод, базується на здатності порід поглинати гамма-промені. Інтенсивність поглинання залежить від щільності і товщини просвічуваного матеріалу. При енергії гамма-випромінювання 0.5-1.5 МеВ цей метод забезпечує визначення щільності породи з точністю до 1.5-2%. Для вирішення такого завдання використовують портативні гамма-щільноміри різних конструкцій. Найчастіше застосовуються щільноміри типу «вилка» і «щуп». Вилка має дві металеві трубки, в одній з яких розміщено джерело гамма-випромінювання (кобальт-60, активністю 0,5 мг/экв радію), а в іншій – лічильник (СТС-1 або СТС-5). Трубки закріплюють на металічному циліндрі, в якому змонтована реєструюча схема з джерелом живлення і стрілочним індикатором. За допомогою такого пристрою – інтенсиметра гамма-випромінювання, реєструють середню силу струму, що викликається в лічильній трубці потоком гамма-квантів. Логарифм інтенсивності випромінювання пропорційний щільності породи, що визначають за тарованою шкалою стрілочного індикатора приладу при зануренні вилки у грунт.

У гамма-щільномірі типу «щуп» джерело випромінювання розміщується у наконечнику штиря, що занурений у породу, а лічильники – у трубку, що приварена до основи корпусу приладу. Щуп занурюють у піщано-глинисті відклади на глибину до 25 см. Щупом вимірюють середню щільність для більшого об'єму породи, ніж при роботі з вилкою.

Нейтронний метод використовується для визначення вологості породи і базується на залежності між потоком розсіяного нейтронного випромінювання і вмістом водню у воді, що заповнює пори грунту. Джерелами швидких нейтронів є сплави: полонієво-берилієвий або радієво-берилієвий. Молекули водню у воді здатні уповільнювати рух швидких нейтронів. При проходженні через вологу породу нейтрони стикаються з атомами водню, втрачають частину своєї кінетичної енергії і розсіюються. Деяка їх частина у вигляді повільних нейтронів повертається до джерела. Втрата енергії відбувається і при зіштовхуванні нейтронів з іншими атомами, але найбільша втрата відбувається при зіткненні з атомами водню. Кількість повільних нейтронів пропорційна вмісту води у породі.

Прилади для визначення вологості породи нейтронним методом складаються з джерела швидких нейтронів і борного лічильника, що розділені екраном для захисту від джерела гамма-випромінювання. Розсіяне нейтронне випромінювання фіксується польовим радіометром. У бурову свердловину занурюють спеціальний зонд, що має джерело швидких нейтронів і детектор повільних нейтронів. За втратами енергії джерела випромінювання визначають вологість породи за тарировочним графіком з точністю до 1-1.5%. На описаному принципі засноване нейтрон-нейтронне профілювання.

До геофізичних методів розвідки відноситься також аеродіометричне знімання (аерогаммазнімання). Природне гамма-випромінювання земної поверхні реєструється за допомогою апаратури, що встановлена на літаку. Інтенсивність гамма-випромінювання вимірюється імпульсним методом із застосуванням сцинтиляційних лічильників. Сучасний аерорадіометр – складний чутливий електронний прилад. Ще вищу чутливість має багатоканальний аерогаммарадіометр (аерогаммаспектрометр). Він дозволяє здійснити широку диференціацію гірських порід за вмістом урану, торію, калію.