Гравиразведка

Гравиразведка (или гравиметрия) – геофизический метод, изучающий изменение ускорения свободного падения в связи с изменением плотности геологических тел. Гравиразведка активно применяется при региональном исследовании земной коры и верхней мантии, выявлении глубинных тектонических нарушений, поиске полезных ископаемых — преимущественно рудных, выделении алмазоносных трубок взрыва. Высокоточные гравиметрические измерения используются для определения рельефа местности, так как с увеличением превышений растет мощность осадочных пород над уровнем моря. Гравиразведка позволяет определять литологию магматических пород, поскольку с ростом основности возрастает и концентрация плотных железистых соединений. Гравиметрия занимается изучением гравитационного поля Земли. Локальные вариации этого поля, связанные с плотностными неоднородностями в пределах земной коры, используются для определения положения рудных тел. Полагают, что рельеф земной поверхности и плотностные изменения внутри земной коры с глубиной взаимно компенсируются, поэтому удовлетворительная корреляция между гравитационными аномалиями протяженностью 100-1000 км и рельефом не наблюдается.

Гравиразведка и магниторазведка являются геофизическими методами, предназначенными для решения геологических задач по изучению глубинного строения частей земной коры, поисков и разведки месторождений полезных ископаемых. Методы включают в себя проведение наземных или аэросъемок района работ и истолкование полученных результатов с целью получения новой геологической информации. В результате проведения полевых работ геофизики получают карты и графики аномалий, в которых содержится геологическая информация.  Основная цель интерпретации – извлечение полезной информации в соответствие с поставленной геологической задачей и представление ее в форме, удобной для дальнейшего использования. Полнота извлечения определяется тем объемом геологической и геофизической информации, которая имеется к моменту начала интерпретации. Имеющуюся информацию принято называть априорной, которая является основой формирования модельных представлений о геологическом строении района работ. Под моделью здесь понимают совместимость принятых упрощений, выраженных в формализованном виде. В процессе интерпретации встречается два типа процедур выполняемых интерпретатором: аналитические и синтетические. Процедуры, сущность которых состоит в преобразовании числовых массивов: трансформации поля силы тяжести, вычислении гравитационных эффектов от моделей заданной формы, пересчета в нижнее или верхнее полупространство с помощью ЭВМ, называются аналитическими. Процедуры, связанные с осмыслением полученной информации, называются синтетическими, большинство из которых формализации не поддается.

Интерпретация гравитационных аномалий представляет собой упорядоченную совместимость аналитических и синтетических процедур, извлечение информации из данных гравиметрической семки при заданном обеме априорной информации с целью решения поставленной геологической задачи. Исходными данными для интерпретации  материалов гравиразведки являются аномалии силы тяжести в редукции Буге, для магниторазведки – аномалии магнитного поля. Гравиразведка и магниторазведка применяются на практике для решения огромного количества разнообразных геологических задач, поэтому задачи интерпретации гравитационных и магнитных аномалий чрезвычайно разнообразны. Наиболее часто интерпретатору приходиться решать задачи трёх основных типов. Первый тип геологических задач – это задачи обнаружения геологических объектов. Иногда обнаруженные аномалии значительны по амплитуде и по размерам, легко выделяются по картам графиков аномальных полей и по картам изолиний. В этих случаях обнаружение может быть проведено визуально. Однако многие геологические объекты создают небольшие аномалии, не проявляющиеся достаточно отчётливо на картах и не обнаруживаемые визуально из-за многочисленных помех геологического происхождения. Для обнаружения слабых аномалий и для их выделения на фоне помех разработаны многочисленные, преимущественно статистические способы, нуждающиеся в применении ЭВМ. Второй тип интерпретационных задач – задачи разделения аномалий и локализации интересующих объектов различными способами. Эти задачи часто решаются на практике, потому что аномальные поля достаточно сложны и связаны с геологическими объектами, расположенными на разных глубинах.  Третий тип интерпретационных задач – это задачи количественной интерпретации. Они заключаются в определении интерпретационной модели, удовлетворяющей как наблюдённому полю, так и априорной геологической информации. Интерпретация  гравитационных и магнитных аномалий делится на качественную и количественную. Качественная интерпретация заключается в анализе особенностей наблюденного гравитационного или магнитного поля, в результате которого получают сведения о вероятном местоположении источников аномалий. По результатам качественной интерпретации составляют схему распределения аномалий. Для выявления гравитационного влияния от отдельных геологических структур суммарное наблюденное поле необходимо разделить на отдельные составляющие. Разделение гравитационного поля, его преобразование называется трансформацией гравитационных аномалий. Процедуры по разделению полей условно можно разделить на три класса: аналитическое продолжение на новые уровни (в верхнее или в нижнее полупространство), расчет высших производных, осреднение аномального поля. Количественная интерпретация заключается  в определении глубины залегания, формы и размеров геологических тел  по аномальному распределению поля. Количественная интерпретация предполагает решение двух задач: прямой и обратной. Прямая задача состоит в вычислении аномальных эффектов, которые создают геологические тела. Для ее решения должны быть заданы форма, размеры, глубина залегания, а также избыточная плотность или интенсивность намагничивания. При решении обратной задачи по аномальному распределению поля определяют элементы залегания возмущающего тела. Обе задачи взаимно связаны, но характеры их решения различны. Прямая задача имеет единственное решение. Обратная задача ввиду своей неоднозначности единственного решения не имеет. Приведённая классификация задач интерпретации отражает постановки решаемых геологических задач. Многие подходы к решению в задачах разного типа фактически одинаковы. Наиболее распространённые способы обнаружения аномалий базируются на применении приёмов разделения полей. Сложность и многоплановость практических интерпретационных задач привели к необходимости отработки основных приёмов интерпретации гравитационных и магнитных аномалий на упрощённых моделях.  В методических указаниях рассмотрены теоретические основы к лабораторным работам по качественной и количественной интерпретации гравитационных и магнитных аномалий. 

Результат площадных гравиметрических и магнитных съемок представляется в виде карт графиков или карт изолиний. Для данных гравиразведки – это карты изоаномал силы тяжести в редукции Буге, для магнитных – карты изодинам или карты графиков магнитного поля. Первая из задач, решаемых интерпретатором при геологическом истолковании результатов, состоит в обнаружении на картах и графиках достоверных аномалий и их классификация. Эта задача может решаться различными способами в зависимости от конкретных геологических условий. Вместе с тем в любых условиях и при решении любых геологических задач вначале проводится визуальное обнаружение аномалий.  Визуальное обнаружение аномалий осуществляется в рамках процедуры, называемой морфологическим анализом карт и графиков, и включает два этапа. Первый этап – это оценка достоверности интерпретируемых материалов. При интерпретации необходимо обнаружить на картах и графиках все достоверные аномалии. В геофизике принято различать ошибки двух видов:  - ошибка пропуска объекта; - ошибка ложного обнаружения. Недостоверными считаются одноточечные, однопрофильные и одномаршрутные  аномалии, которые могут появиться как результат случайных ошибок оператора или погрешностей прибора. Согласно инструкции по гравиразведке аномалия силы тяжести считается достоверной:

а) если она выделена не менее чем на трех пунктах различных звеньев и имеет амплитуду не меньшую сечения отчетной карты;

б) в случае корреляции слабых аномалий на трех или более профилях;

в) если подтверждаются двумя или более проконтролируемыми пунктами;

г) если ее величина превышает в три раза среднеквадратическую погрешность съемки. Второй этап морфологического анализа состоит в обнаружение и классификация региональных и локальных аномалий. Региональная аномалия занимает сравнительно большую часть площади исследования и совпадает в плане с одним из крупных структурных геологических элементов. Границы площадных региональных аномалий обычно связаны с разломами различных рангов от глубинных до небольших локальных. Локальные аномалии связаны с небольшими по размерам структурами осадочного чехла или кристаллического фундамента, с отдельными геологическими телами, в том числе и месторождениями рудных полезных ископаемых. В результате данного этапа составляется «схема типов аномалий» или «схема интерпретаций гравитационных и магнитных аномалий». На схеме различными условиями обозначениями выносятся выявленные региональные и локальные аномалии, тектонические нарушения и т.д. Сначала интерпретатор анализирует структуру аномалий поля, выделяет региональные аномалии, затем на их фоне находит локальные аномалии. В процессе интерпретации следует обращать основное внимание на то, что границы площадных региональных аномалий преимущественно связаны с разломами, и на выдержанность характера аномального поля в пределах выделенных региональных аномалий.

Приведем четыре основных признака, указывающие на возможное наличие разлома, следовательно, и на границы площадных и региональных аномалий:

1. Наличие ступеней в уровнях аномального поля. Если средние физические свойства (плотность, намагниченность), контактирующих региональных структур резко различаются, на границе между ними возникает аномалия типа ступени. Для нее характерно наличие линейной зоны больших горизонтальных градиентов аномального поля, проявляющихся на картах в виде сгущения изолиний. 

2. Наличие локальных линейных аномалий. Многие разломы (особенно крупные) сопровождаются внедрением в ослабленные зоны интрузии, каких-либо растворов или процессами метаморфизма. Это приводит к образованию в аномальном поле линейных аномалий в виде цепочек максимумов или  минимумов. Максимумы гравитационного поля часто соответствуют более плотным породам (основного или ультраосновного состава), минимумы – соответствуют породам кислого состава (гранитам), зонам дробления, катаклаза и т.д.

3. Смена характерных особенностей аномального поля, характер аномального поля. Если средние физические свойства пород контактирующих региональных структур не различаются, аномалии типа ступеней на границе между ними не возникает. Но поскольку геологическое строение этих структур различается, характер аномальных полей, в том числе локальных, по обе стороны границы может быть совершенно разным.

Разломы внутри близких по строению структур сопровождаются сдвигами, приводящими к нарушению в корреляции изолиний поля. Линейные зоны потери корреляции хорошо обнаруживаются на картах изолиний.

Характеристика гравитационных эффектов, вызываемых  основными геологическими факторами.

  Установлено, что аномальное гравитационное поле определяется следующими факторами:

- структурой платформенного чехла;

- внутренней структурой фундамента;

- изменением мощности платформенного  чехла или рельефом его поверхности;

- глубинными факторами.

  Складчатый фундамент имеет сложное  тектоническое строение. Структура  осложнена большим числом дизъюнктивных  нарушений. Интенсивность аномалий, связанных с внутренней структурой  фундамента, может достигать 50-100 миллигал. Чаще всего аномалии гравитационного поля сопровождаются магнитными аномалиями. Избыточная плотность на границе чехол-фундамент достигает  0,3-04 г/см3 в местах неглубокого залегания фундамента и до 0,2 г/см3, где фундамент глубоко погружен. По конфигурации в плане и по геологической природе гравитационные аномалии, связанные с внутренней структурой фундамента, можно разделить на следующие  виды:

- линейные или полосовидные; 

- гравитационная ступень (градиентная  зона);

  - аномалии, имеющие форму, близкую  к изомерной, их могут создавать  интрузии внутри фундамента.  Региональные аномалии имеют  большую интенсивность примерно  от 10 до 100 миллигал.

Основные признаки обнаружения локальных аномалий:

 а) контуры замкнутых изолиний;

 б) местные изгибы изолиний;

 в) миндалевидное расширение  изолиний;

 г) малые градиентные зоны.

Общий анализ поля заключается в выделении особенностей аномального поля, характеристике аномалий или градиентных зон. Характерными признаками аномалий поля являются:

- морфологические особенности;

- размеры в длину, ширину;

- амплитуда; - знак аномалий;

- простирание  зон горизонтального градиента.  По морфологическим особенностям  выделяют следующие формы аномалий:

- изомерные (например: овал, шар);

- полосовидные;

- гравитационные  ступени;

- мозаичные  поля – совместимость слаболокализованных аномалий с изомерными или полосовидными, то есть отсутствие закономерных расположений.

Геологическая интерпретация гравитационных аномалий

В результате полевых гравиметрических работ и количественной интерпретации на поисково-разведочной площади получают карты аномалий силы тяжести (или графики при профильных наблюдениях), плотностные разрезы и карты глубин структурно-плотностных границ. Для понимания геологической значимости этих данных они анализируются совместно с геологическими материалами: геологическими и структурными картами, геологическими разрезами, построенными по данным бурения, с данными лабораторного определения плотности для различных горных пород. Процесс такого сопоставительного анализа называют геологической интерпретацией данных гравиразведки.

Для плотностных разрезов геологическая интерпретация состоит в определении абсолютных значений плотностей для выделенных на разрезе тел и оценке их возможного вещественного (литологического) состава, для структурно-плотностных границ – в стратиграфической привязке построенных плотностных границ.

Геологической (качественной) интерпретации подвергаются и непосредственно карты наблюденных аномалий силы тяжести. Для этого они сопоставляются с различного рода геологическими картами (тектоническими, структурными, литолого-фациальными и др.) и выявляются закономерные связи гравитационного поля с теми или иными геологическими объектами. Впервые такое сопоставление было проведено крупнейшим геологом А. Д, Архангельским и выдающимся геофизиком В. В. Федынским по Восточно-Европейской платформе. Выявленные ими закономерности до сих пор являются основополагающими критериями при геологической интерпретации карт гравитационных аномалий. Они следующие: