Разведочная геофизика

Разведочная геофизика — это комплекс научных дисциплин, базирующийся на изучении внутреннего строения Земли и используемый для поиска залежей полезных ископаемых (коренных, россыпных, нерудных). Кроме того, с помощью разведочной геофизики определяются перспективы для выявления и локализации новых источников ценного сырья.

Такие исследовательские мероприятия осуществляются в различных условиях: на равнинах, в горных районах, в морских акваториях. Современные технологии позволяют проводить наземную, воздушную и космическую разведку. Мероприятия, касающиеся разведочной геофизики, осуществляют специализированные компании (как по частным, так и по государственным заказам). Такие компании активно продвигают свои услуги в интернете и, как правило, обслуживают международный рынок (как минимум, региональный).

Основные сведения о разведочной геофизике

Данный вид деятельности основан на измерении естественных (гравитационных, электро и геомагнитных), а также искусственно генерируемых полей (обычно их создают взрывы, работающие генераторы и другие управляемые источники). Любые изменения в этих полях провоцируются многокомпонентностью и изменчивостью земной коры. Анализируя получаемые данные, специалисты определяют свойства горных пород на конкретной глубине и выявляют аномалии, которые, возможно, соответствуют источниками искомого полезного ископаемого.

Мероприятия в разведочной геофизике тесно переплетены с базовыми науками о нашей планете:

• региональной геологией;
• стратиграфией;
• минералогией;
• специализированными горными дисциплинами;
• прикладной математикой и физикой.

При выборе метода исследования конкретной территории специалисты решают прямую геофизическую задачу, с помощью которой анализируется распределение в пространстве того или иного параметра поля (либо его отдельного компонента). Предварительные результаты сопоставляются с заданной физико-геологической моделью, характером и местоположением источников поля. В процессе решения задействуется методика математического либо физического моделирования.

Для правильной интерпретации полученных сведений применяется решение обратной геофизической задачи. В этом случае пространственно-временное распределение полей позволяет понять конструкцию и состав анализируемого объекта (то есть конкретной территории). Интерпретация данных считается самым сложным этапом разведочной геофизики, так как собранные сведения нужно правильно сопоставить с информацией, полученной от других исследовательских операций (бурения, геохимического анализа).

От правильной организации мероприятий разведочной геофизики и точной интерпретации результатов напрямую зависит успех корпоративных проектов или государственных программ, касающихся разведки и разработки ресурсных месторождений. Благодаря собранной информации можно понять, насколько рентабельным будет тот или иной проект и насколько хватит разведанных запасов (особенно с учетом нестабильных макроэкономических процессов).

История отрасли

Разведочная геофизика прошла долгий путь в своем становлении. В качестве самостоятельной науки она сформировалась только в 20 веке, но первые исследования в этой области проходили еще в 18 веке.

Этап зарождения

Базой для формирования такой дисциплины стали традиционные науки:

• физика;
• астрономия;
• прикладная механика;
• геодезия.

В середине 18 века были проведены первые исследовательские работы, заложившие фундамент для дальнейшего развития разведочной геофизики:

1. В 1753 году М. В. Ломоносов впервые выявил связь между силой гравитации и локализацией твердых пород внутри земной коры.
2. В 1783 году, используя отклонения компасной стрелки, П. Б. Иноходцев открыл так называемую Курскую магнитную аномалию.
3. В 1872-м, применяя специальный отвес, российский ученый И. И. Стебницкий выдвинул гипотезу о расположении аномальных масс в недрах Восточного Закавказья.
4. В конце 19 столетия знаменитый ученый Д. И. Менделеев провел на Урале и в районе Криворожского бассейна специальные геомагнитные съемки.
5. С наступлением 20 века еще один российский ученый Е. И. Рогозин предложил использовать электроразведку для обнаружения залежей руды.
6. В 1911 году Б. Б. Голицын на практике показал возможности применения упругих волн, которые генерируются при землетрясениях, для изучения состава земной коры на конкретной территории.

Первая мировая война несколько притормозила исследования в данном направлении, но после ее окончания разведочная геофизика продолжила свое развитие.

Становление самостоятельной науки

В 1920-х годах сформировались первые научные центры, занимающиеся изучением разведочной геофизики:

1. В 1920-м открылся Московский институт физики и биофизики.
2. В 1923-м начал свою работу Ленинградский НИИ прикладной геофизики.
3. В 1930-х появилась полноценная геофизическая служба, применяющая методы разведочной геофизики при изучении геологического строения земной коры на разных территориях.

Также с 1920-х годов стали появляться первые запатентованные методики геофизического исследования:

1. В 1923 году В. С. Воюцкий запатентовал методику отраженных волн.
2. В 1936 году А. А. Логачев впервые провел работы по аэрогеофизическому исследованию.
3. В 1937-м Л. А. Рябинкин ввел исследовательскую методику, базирующуюся на регулируемом направленном приеме волн.
4. В 1938-м Г. А. Гамбурцев совместно с несколькими учеными создал корреляционную методику преломленных волн, на базе которой впоследствии была разработана исследовательская операция, подразумевающая глубинное сейсмическое зондирование почв.

Дальнейшему прогрессированию новой исследовательской сферы помешала Вторая мировая война, но в конце 1940-х ученые продолжили работать в этом направлении.

Появление современных исследовательских операций

В 50-х ученые разработали методические базисы нынешней разведочной геофизики:

• сейсмическую разведку;
• геофизическое обследование скважин;
• акустический, импульсно-нейтронный и гамма-плотностный каротаж;
• вертикальное сейсмопрофилирование;
• электромагнитный анализ геологической структуры;
• геотермический анализ.

Советские ученые внесли огромный вклад в становление современной разведочной геофизики, однако немалых результатов добились и представители других стран:

• Соединенных Штатов — Х. Майн и Д. Клаербут;
• Германии — Б. Гутенберг;
• Франции — Л. Каньяр и Ф. Кюнец;
• Венгрии — Л. Этвеш.

Впоследствии появились международные организации, занимающиеся дальнейшим развитием геофизических исследовательских методик (например, Европейская и Американская ассоциации геофизиков-разведчиков). Также вопросы данной отрасли регулярно поднимаются на международных геологических и нефтяных конгрессах.

Популярные методики разведочной геофизики

Некоторые из этих методик уже упоминались выше, но для лучшего понимания стоит рассмотреть каждую из них по отдельности. Представленные операции редко применяются самостоятельно. Как правило, они являются частью целого комплекса исследовательских мероприятий, позволяющих получить максимально точные данные о структуре земной коры.

Сейсморазведка

Это самостоятельная ветвь геофизики, подразумевающая изучение состава земной коры с помощью регистрации упругих волновых колебаний. Находящиеся в земле породы отличаются по некоторым параметрам:

• показателям плотности;
• степени сопротивляемости при растяжении и сжатии;
• скоростным значениям продольно и поперечно направленных волн.

Стыки слоев с отличающимися свойствами генерируют так называемые вторичные волны, по которым можно оценить геологический состав пород.

Для улавливания волновых колебаний задействуются специализированные сейсмоприемники. Эти устройства преобразуют колебания частиц внутри породы в электросигнал. Принимаемые сведения отображаются на графиках (их еще называют сейсмограммами). Эти графики анализируются, после чего формируется геологическое толкование. На основе гео толкования составляются специальные карты, по которым можно определить потенциальное место скопления ценных ресурсов.

Гравиразведка

Это особая методика разведочной геофизики, начало которой положил еще Ломоносов в середине 18 столетия. Ее суть в том, чтобы определить изменения в ускорении при свободном падении тел. Еще в 18 веке стало понятно, что ускорение может меняться при смене плотности залегающих пород. Таким образом специалисты выявляют потенциальные месторождения полезных ископаемых.

Сегодня гравитационная разведка задействуется при:

• локальном анализе земной коры;
• аналитическом изучении земной мантии;
• анализе глубинных структур, позволяющем выявить тектонические деформации;
• выискивании алмазоносных кимберлитовых трубок;
• разведке рудных залежей.

С помощью гравиразведки изучается состав горных пород и их локализация в георазрезе. Таким образом, можно оценить глубину залегания железных руд и других ценных ресурсов.

При использовании такой методики задействуются специальные приборы — гравиметры. Именно они фиксируют скоростные изменения при свободном падении. В качестве единицы измерения применяется особая величина Гал (или мГал). В местах скопления крупных геологических тел показатели гравиметра могут достигать сотен мГал, что является верным признаком богатого месторождения.

Магниторазведка

Уже по названию понятно, что данная методика основывается на анализе магнитного поля и магнитных качеств залегающих пород. Считается, что планетное поле генерируется электротоками в жидком наружном ядре. Напряженность поля динамична. Она меняется с интервалами от 100-та до 10-ти тысяч лет. Кроме того, изменениям подвержена и полярность — ей свойственны полные обращения или инверсии.

Замеры интенсивности и направлений намагниченности залегающих пород позволяют анализировать динамику изменения геомагнитного поля в разных временных отрезках. Именно на основе таких данных была сформирована теория дрейфа материков. Что касается полезных ископаемых, то их выискивают при помощи специальной магнитной съемки. Такая операция может осуществляться:

• на суше;
• на воде;
• с воздуха.

Зачастую магнитная съемка осуществляется по обозначенным параллелям либо профильным направляющим. После внесения нужных правок выстраивается карта магнитного поля. Ее изображают графически либо в виде изолиний.

По таким картам выявляются спокойные зоны, а также области геомагнитных аномалий, которые обусловлены неоднородностью магнитных качеств залегающих пород. С помощью магниторазведки обнаруживаются не только залежи ценных ресурсов, но и фиксируется расположение тектонических, а также стратиграфических структур.

Электроразведка

Данная методика позволяет анализировать значения георазреза путем замера показателей постоянного электрополя либо переменного электромагнитного поля. Способы осуществления такой разведки зависят от характера и типа магнитного источника.

По характеру выделяют такие операции:

• методики естественного поля;
• методики искусственного поля.

Что касается типологии источника, то специалисты могут проводить следующие замеры:

• показатели постоянного электротока;
• значения низко- и высокочастотного электромагнитного поля;
• показатели квазипостоянного электротока, применяемые для предупреждения поляризации электродов.

Распространенным способом проведения электроразведки считается вызванная поляризация, основанная на анализе вторичных токов.

Геофизическое исследование скважин

Это довольно крупное ответвление в разведочной геофизике, подразумевающее исследование скважин, которые находятся на этапе бурения. В данной отрасли могут задействоваться более мелкие геофизические методики. С их помощью анализируется разрез скважины. На основании полученных результатов специалисты дают оценку как самому каналу, так и разрабатываемому источнику.

Такая процедура может включать в себя следующие разведочные операции:

• электрокаротаж, анализирующий электрические параметры залегающих пород;
• ядерно-геофизический каротаж, позволяющий собирать сведения об ионных излучениях внутри скважины;
• термический, акустический и газовый каротаж;
• инклинометрия и кавернометрию;
• гамма-спектральное зондирование, необходимое для анализа радиационного фона внутри скважины.

Чаще всего обследование скважин проводится при разработке нефтегазовых месторождений. Также данная методика может применяться при добыче радиоактивно опасных ресурсов (например, урана).

Какие месторождения разрабатываются с помощью разведочной геофизики?

В глобальном плане данная процедура помогает разведывать и разрабатывать залежи золота, алмазов, различных руд, углеводородов и строительных материалов. Но на практике применяется более точная классификация, от которой зависит перечень выполняемых работ, их сложность и, соответственно, стоимость услуги.

Коренные месторождения

К данной категории относятся залежи золота, платиновых, медно-никелевых и хромитовых руд, кимберлитов и меди. При выполнении мероприятий разведочной геофизики специалисты решают такие задачи:

• проводят крупномасштабный геоанализ коренных объектов;
• определяют геологическое и структурно-тектоническое строение конкретного района;
• выявляют зоны минерализации и расположение кварцево-жильных тел;
• проводят точное картирование метасоматических изменений и рудоконтролирующих разломов;
• обнаруживают пространственные границы рудной области;
• осуществляют комплекс мероприятий по морфометрическому и неотектоническому моделированию.

При удачном исследовании коренных месторождений значительно упрощается поисково-разведочное бурение. Кроме того, полноценная эксплуатация месторождения полезного ископаемого начинается гораздо быстрее.

Россыпные месторождения

В этом случае разработке подлежат источники золота, алмазов и тантал-колумбита. Деятельность специалистов разведочной геофизики направлена на решение следующих задач:

• анализ мощности аллювиальных отложений;
• рассечение верхнего слоя геологического разреза для выделения грунтовых уровней;
• картирование площади коренных пород, а также элементов палеорельефа;
• отслеживание и документирование продуктивных горизонтов.

С помощью разведочной геофизики можно гораздо быстрее начать полноценную разработку россыпных месторождений, что обеспечит быструю окупаемость задуманных проектов.

Нерудные месторождения

Здесь подразумевается проведение геологоразведочных мероприятий для дальнейшей разработки угольных шахт, источников углеводородных ресурсов, а также ходовых строительных материалов. Квалифицированные специалисты выполняют такой комплекс работ:

• занимаются картированием структурно-тектонических компонентов;
• выделяют смесительные составляющие и амплитуды смещения;
• находят водоносные горизонты, а также участки напорной вертикальной фильтрации;
• обнаруживают пространственные границы залежей песка, каолина, строительного известняка и других востребованных материалов;
• занимаются подробным картированием кондиционных массивов флюсовых известняков, зон расположения гранитных и мраморных источников.

При грамотном проведении разведочных мероприятий на нерудных месторождениях можно довольно точно определить запасы источников и примерный срок их эксплуатации. Также получится выявить наиболее продуктивные зоны для первоочередной разработки и быстрой окупаемости горнодобывающих проектов.

Применение разведочной геофизики при обслуживании гидротехнических сооружений

С помощью рассматриваемых исследовательских мероприятий можно не только выявлять залежи полезных ресурсов, но и обеспечивать надлежащее функционирование дамб, плотин, а также их инженерных узлов. Выполняемый комплекс работ включает:

• обнаружение точек просадок и конструкционных деформаций;
• восстановление инженерно-гидрологической системы дамбы;
• обнаружение зон горизонтальной фильтрации;
• расчет показателей устойчивости гидротехнических конструкций;
• разработку программы по дальнейшему обслуживанию и плановому ремонту плотины.

Такие операции не просто обеспечивают длительную работоспособность дамб и плотин. С их помощью можно быстрее реализовывать различные гидрогеологические и инженерно-геологические проекты. В частности, возможно ускорение работ по водопонижению для эксплуатации перспективных карьеров.

Преимущества разведочной геофизики

Данный комплекс мероприятий имеет ряд неоспоримых достоинств:

1. Широкая сфера применения. С помощью разведочной геофизики можно локализовывать новые месторождения полезных ископаемых,, проводить анализ тектонической структуры земной коры, оценивать качество новых скважин, осуществлять диагностику гидротехнических сооружений.
2. Независимость от внешних условий. Разведочные мероприятия можно проводить в умеренных европейских широтах, в жарких районах Азии и Центральной Африки, в зонах повышенной влажности (например, в Латинской Америке), в высокогорных регионах любого континента. Кроме того, исследования можно осуществлять на воде, а при необходимости допускается мониторинг структуры земной коры с воздуха.
3. Высокая точность данных. При проведении таких мероприятий используется современное оборудование, позволяющее составлять точные карты ресурсоемких областей и тектонических структур.

Конечно, разведочная геофизика — это наукоемкая отрасль, в которую допускаются только специалисты с соответствующей квалификацией. Из-за этого стоимость исследовательских услуг далеко немаленькая. Но это справедливая плата за профессиональный труд и возможность быстрой окупаемости горнодобывающих проектов.