Геолого-геофизические изыскания в геофизике

Наименее магнитны породы осадочного происхождения. Наиболее вероятное значение их магнитной восприимчивости составляет (5÷1О) 10^-5 ед. СИ_ϰ, а для карбонатных пород и хемогенных образований ϰ обычно не превышает 4·10^-5 ед. СИ_ϰ. Относительно повышенные значения ϰ могут быть свойственны лишь терригенным породам, особенно накопившимся вблизи областей древнего разрушения. Магнитная восприимчивость таких пород колеблется в пределах (30÷100)-10^-5 ед. СИ_ϰ.

Магнитная восприимчивость магматических  пород различного состава изменяется в зависимости oт среднего содержания в них магнетита, которое повышается от пород кислого состава к основным и ультраосновным породам.

Среди интрузивных пород наименее магнитными чаще всего бывают граниты. Гранодиориты и кварцевые диориты встречаются  различной намагниченности, но в  целом они несколько более магнитны, чем граниты. Диориты и габбро встречаются как слабо-, так и сильномагнитные. Для пород группы габброноритов свойственна несколько меньшая магнитная восприимчивость, что связано с преимущественным развитием в них не магнетита, а титаномагнетита. Анортозиты имеют низкую магнитную восприимчивость.

Ультраосновные  породы характеризуются весьма широким  диапазоном изменения магнитной  восприимчивости. Их неизмененные разности слабомагнитны, так как большая часть железа в них входит в состав силикатов.

  Но при серпентинизации этих  пород, которая очень распространена, происходит развитие серпентина по оливину и пироксену и освобождается часть железа, за счет которого образуется магнетит.

Для всех интрузивных пород намечается тенденция увеличения магнитной восприимчивости с увеличением щелочности и с уменьшением глубины становления массивов.

Магнитная восприимчивость эффузивов близка к ее значению у соответствующих  интрузивных аналогов. Естественная остаточная намагниченность магматических пород может колебаться в широких пределах, но в целом намечаются корреляционная связь между значениями х и и уменьшение с увеличением возраста пород. Очень высокой естественной остаточной намагниченностью (преимущественно J_rt) обладают многие эффузивы основного состава, особенно молодые. Для эффузивов Камчатки и Кавказа, траппов Сибири коэффициент Q может достигать многих единиц.

Магнитные свойства метаморфических пород  определяются не только содержанием  ферромагнитных минералов, но и структурой их вкрапленности. Наименьшими значениями ϰ и J_п обладают породы, являющиеся продуктом метаморфизма осадочных образований: глиноземистые кристаллические сланцы, кварциты, мраморы, парагнейсы и параамфиболиты. Значение магнитной восприимчивости этих пород обычно не превышает 50·Ю^-5 ед. СИ_ϰ, а естественной остаточной намагниченности — 50·10^-3 А/м. В широких пределах меняются магнитные свойства ортопород. Высокие значения ϰ и J_п чаще всего бывают, характерны для ортоамфиболитов и амфиболовых ортогнейсов. Сильномагнитными могут быть хлоритовые и хлоридсодержащие сланцы, а также скарны. Наиболее магнитными разностями метаморфических пород являются железистые кварциты. Значение их магнитной восприимчивости находится почти в прямой зависимости от содержания магнетита и может достигать 10—20 ед. СИ_ϰ, но в зонах мартитизации ϰ резко уменьшается до 10^-3 ед. СИ_ϰ.

Отметим, что окварцевание и низкотемпературные гидротермальные изменения обычно ведут к понижению магнитных свойств всех пород.

Магнитные свойства руд определяются присутствием в них ферромагнитных минералов. Наиболее магнитны магнетитовые и титаномагнетитовые руды, их магнитная восприимчивость составляет 1—20 ед. СИ_ϰ, причем для последних часто бывает характерно высокое значение J_п. Магнитная восприимчивость сульфидных медно-никелевых руд объясняется присутствием в них магнетита и пирротина; она обычно колеблется в пределах (50÷350) X 10^-3 ед. СИ_ϰ. Как правило, сильномагнитными являются руды скарновых месторождений меди, вольфрама, молибдена, олова и других полезных ископаемых за счет присутствия в них магнетита, некоторые свинцово-цинковые и оловянные руды гидротермального генезиса, а также колчеданные руды благодаря наличию в них магнетита и пирротина. Их магнитная восприимчивость чаще всего составляет (30÷200) • 10^-3 ед. СИ_ϰ, причем руды, содержащие пирротин, зачастую имеют заметную естественную остаточную намагниченность, не совпадающую по направлению с J_i

Магнитными  являются каменистые и некоторые  рыхлые разности бокситов, что объясняется присутствием в них магнетита и маггемита. Их магнитная восприимчивость варьирует от 4·Ю^-3 до 200·10^-3 ед. СИ_ϰ (каменистые) и от 4·Ю^-3 до 12·10^-3 ед. СИ_ϰ (рыхлые бокситы). Глинистые бокситы обычно практически немагнитны.

Разнообразными  значениями ϰ и J_n обладают кимберлиты, в том числе алмазоносные. Наиболее часто встречаются кимберлиты с магнитной восприимчивостью (17÷30)·Ю^-3 ед. СИ_ϰ и значениями Q от 0,2 до 3,3. Последние могут меняться даже в пределах одной и той же кимберлитовой трубки. Известны и слабомагнитные кимберлиты с ϰ < 10^-3 ед. СИ_ϰ, тоже содержащие алмазы.

1.3 Факторы определяющие характер магнитных аномалий

Зная особенности магнитных аномалий тел простой формы, можно дать более общее заключение о закономерностях изменения магнитного поля в зависимости от изменения глубины залегания, мощности, углов падения, модуля и направления намагниченности пород.

Рассматривая  карту графиков аномалий Т или Z, часто можно заметить,

что по простиранию от профиля к  профилю магнитные аномалии (рис. 1.) становятся более плавными и амплитуда их уменьшается. (рис.1)

Причин таких изменений может быть три: увеличение глубины залегания верхней кромки, уменьшение мощности или намагниченности. При постепенном уменьшении мощности расстояния между одними и теми же характерными точками графиков магнитных аномалий, например между экстремумами или точками перегиба уменьшаются. Лишь тогда, когда всюду   по простиранию мощность очень мала по сравнению с глубиной залегания, ее дальнейшее уменьшение не ведет к сколько-нибудь заметному изменению расстояний между характерными точками графиков Т или Z.

Увеличение глубины залегания  верхней кромки неизбежно ведет  к пропорциональному увеличению расстояний между характерными точками графиков магнитных аномалий.

     1.4 Область применения магниторазведки                  

Наибольшие  объемы магнитной съемки в настоящее время выполняются в пределах суши с целью решения задач геологического картирования; Воздушные съёмки здесь ведутся в масштабах 1 : 50 000—1 : 25 000, редко     1 : 10 000, наземные — в масштабах 1:10000 и крупнее.

В платформенных  областях магниторазведка в прошлом  ставилась с целью изучения строения кристаллического фундамента и определения глубины залегания его кровли; осадочные породы чехла при этом рассматривались как практически немагнитные. В геосинклинальных областях и на древних щитах магниторазведка успешно применяется как для картирования магматических и метаморфических пород, так для выявления и прослеживания разрывных нарушений. Решение этих задач играет важную  роль при поисках рудных месторождений, трещинно-жильных вод и при инженерно-геологических исследованиях. Магниторазведка используется и при поисках многих полезные ископаемых, но лишь некоторые из них непосредственно обнаруживаются этим методом. При поисках всех других полезных ископаемых магниторазвёдка либо позволяет выявлять те или иные факторы, контролирующие оруденение, либо обнаруживать сами рудные тела по наличию в них сопутствующих ферромагнитных минералов. Наиболее успешно магнитный метод применяется при поисках сульфидных медно-никелевых руд, скарновых и гидротермальных медных, свинцово-цинковых, вольфрамо-молибденовых и оловянных руд, бокситов, алмазов, некоторых россыпей, иногда трещинно-жильных вод, реже артезианских.

На  этапе разведки магнитный метод  в наземном и скважинном вариантах широко применяется только на магнетитовых и титаномагнетитовых месторождениях для корреляций разрезов, выделения руд в межскважинном пространстве, оценки запасов.

ГРАВИРАЗВЕДКА

Гравиразведка основана на изучении пространственных изменений силы гравитационного притяжения, которые возникают вследствие неодинаковой плотности горных пород и руд. Измерения гравитационного поля выполняют на поверхности суши, на море (на борту корабля и на дне), в скважинах и подземных горных выработках. В незначительных объемах проводятся опытные аэро-гравиметрические работы.

Сила  притяжения, создаваемая всей массой Земли и действующая на единичную массу, представляет собой напряженность поля притяжения. Она численно равна ускорению, сообщаемому этой единичной массе. Единицей силы притяжения в СИ является ньютон (Н). Исторически сложилось, что в гравиразведке напряженность поля притяжения называют силой притяжения или просто — притяжением.

Единица ускорения силы притяжения в СИ (1 м/с²) не имеет наименования.

2.1 Гравитационное поле Земли.

Материальная точка, расположенная на поверхности или в глубине Земли, испытывает воздействие не только силы Р притяжения Земли, но и центробежной силы С, вызванной вращением планеты. Их векторная сумма называется силой тяжести и обозначается единицами ее измерения также являются 1 м/с² (СИ).

Сила F направлена к центру планеты, С — перпендикулярно оси вращения. По сравнению с силой притяжения центробежная сила мала, на полюсах она равна нулю, на экваторе максимальна и составляет (1/288) F.

Сила притяжения Земли возрастает от экватора к полюсам, так как полярный радиус планеты меньше экваториального. Ее значение на полюсе больше, чем на экваторе, приблизительно на 5-Ю^-2 м/с². Это различие составляет около 5 % среднего значения силы притяжения Земли на ее поверхности. Гравитационное поле Земли является потенциальным.

2.2 Плотность горных пород и руд

Плотность вещества есть отношение его массы  к объему. Единицей измерения плотности  в СИ является килограмм на кубический метр, но на практике используется более привычная единица — грамм на кубический сантиметр. Плотность горных пород зависит от их состава, пористости, влажности и плотности наполнителя пор. Для пород разного происхождения влияние каждого из этих факторов неодинаково.

Плотность большинства породообразующих минералов  лежит в пределах     от 2,5 до 3,2 г/см³, что и определяет значение плотности пород, обладающих низкой пористостью.

Плотность горной породы определяется отношением массы ее твердой, жидкой и газообразной фаз к общему объему, занимаемому этими фазами. Пористость есть отношение объемов жидкой и газообразной фаз ко всему объему породы. Объемная плотность — это отношение массы твердой фазы ко всему объему породы.

Для практического применения гравиразведки  важно не абсолютное значение плотности, а различие в ее значении у некоторого объекта и у вмещающей среды или перепад плотности на границе двух сред. Разница в плотности некоторого объекта и среды носит название «избыточная плотность». Она тоже обозначается буквой σ хотя, может быть, правильнее было бы писать Δσ.

Наиболее  высокими значениями плотности характеризуются  магматические породы, а так как  их пористость очень мала (1—2 %), то плотность  их неизмененных разностей зависит  главным образом от петрографического состава. Понятно, что повышение основности пород ведет к росту их плотности. Так, средняя плотность гранитов 2,6, гранодиоритов — 2,7, диоритов — 2,8, габбро — 2,9, ультраосновных пород — около 3,0 г/см³. Пределы изменения плотности каждой из магматических пород сравнительно невелики (0,1—0,2 г/см³) и определяются преимущественно вариациями состава полевых шпатов, амфиболов и пироксенов. Эффузивные породы обладают такой же или несущественно меньшей плотностью, что и их интрузивные аналоги.

Плотность осадочных пород зависит не только от их состава, но и от пористости и влажности. Наиболее устойчивые значения плотности характерны для осадочных пород хемогенкого происхождения, особенно таких, как гипс (2,3 г/см³), ангидрит (2,9) каменная соль (2,1—2,2), пористость которых редко превышает 5 %. Все остальные осадочные образования — известняки, доломиты, кремнистые и терригенные породы обладают широким диапазоном изменения пористости и, как следствие, плотности.

Плотность терригенных пород в  среднем составляет приблизительно 2,2 г/см³ и закономерно увеличивается с глубиной от 1,8 до 2,6 г/см³ в результате возрастания давления вышележащих толщ, приводящего к уменьшению пористости.

Плотность метаморфических пород  зависит от их состава, вида и степени  метаморфизма. Региональный динамометаморфизм ведет к повышению плотности всех первичноосадочных образований.

Гидротермальные, особенно низкотемпературные, и метасоматические процессы обычно вызывают понижение плотности магматических и метаморфических пород, но увеличивают плотность осадочных образований. Серпентинизация ультраосновных пород резко уменьшает их плотность, доводя ее до значений 2,5— 2,6 г/см³.

Руды металлических полезных ископаемых могут обладать различной плотностью в зависимости от концентрации в них сульфидов и окислов. Высокой плотностью обладают хромиты (3,3—4,4 г/см³), железные (3,7—4,3), колчеданные (3,5—5,5) и полиметаллические (3,2—5,5) руды. В зоне окисления колчеданных и полиметаллических руд их плотность резко падает до 0,8— 3,1 г/см³. Из других полезных ископаемых высокой плотностью (до 4,0 г/см³) обладают корунд и барит, пониженной — галит (2,15) и сильвин (2,0). Плотность ископаемых углей зависит от степени их метаморфизма. У бурых она составляет (0,8—2,2 г/см³), каменных — (1,3—1,4), антрацита — (1,4 -1,5).

Наиболее распространенным способом определения плотности является гидростатическое взвешивание. установив вес образца в воздухе Р₁ и воде Р₂, находят

σ = Р₁ /( Р₁ - Р₂ ).

    2.3 Область применения гравиразредки

Осредненное гравитационное поле используется для оценки мощности земной коры, выделения участков с разным ее типом. Данные гравиразведки позволяют уточнить границы платформенных и геосинклинальных областей, выделить в их пределах крупнейшие тектонические структуры, для чего используются материалы мелкомасштабных съемок.

Основные объемы гравиметрических работ приходятся на наземные съемки масштабов 1 : 200 ООО—1 : 50 ООО. В платформенных областях перед этими работами стоят задачи определения глубины залегания кровли фундамента, изучения его внутреннего строения, выявления складчатых и разрывных структур в осадочной толще, выделения и изучения артезианских бассейнов. В отдельных районах имеется благоприятный опыт применения высокоточной гравиразведки этих масштабов как метода прямых поисков залежей нефти и газа, вызывающих очень небольшие локальные понижения силы тяжести.