Геолого-геофизические изыскания в геофизике

Контактный способ поляризационных  кривых

Рассматриваемый способ электроразведочных исследований, сокращенно называемый КСПК, основан на последовательном возбуждении электрохимических, реакций на границе минералов электронной проводимостью и растворов, обладающих ионной проводимостью, и регистрации электрохимических процессов в форме поляризационных кривых. Последние представляют собой графически изображенные зависимости между силой тока I, протекающего через контакт электронного и ионного проводников, и разностью потенциалов на этом контакте.

3.3 Методы низкочастотного электромагнитного поля

В этой группе рассматриваются индуктивные методы, электромагнитные зондирования и магнитно теллурические методы. Все основаны на использовании и изучении полей с частотой от единиц герц до первых десятков тысяч герц.

Общие сведения о низкочастотном электромагнитном поле.

Теория электромагнитного поля базируется на уравнениях Максвелла, устанавливающих связь между напряженностями электрического и магнитного полей, электрической и магнитной индукциями и плотностью электрического тока. Закон изменения этих величин во времени одинаков

Если две величины гармонически меняются с одинаковой угловой частотой, то сдвиг фаз определяется разностью их начальных фаз.

Дипольное индуктивное профилирование в скважинах осуществляют установкой, состоящей из двух диполей, расположенных друг от друга на расстоянии 25—100 м, причем ось питающего магнитного диполя направлена по оси скважины. Приемным диполем измеряют амплитуду и фазу трех ортогональных компонент суммарного магнитного поля.

Метод длинного кабеля.

Первичное поле создается постоянным током силой 1,5—3 А, текущим по прямолинейному, вытянутому по простиранию и заземленному на концах кабелю длиной 20—40 км. Суммарное магнитное поле изучается при полетах по маршрутам, ориентированным в крест простирания, протяженность каждого из них примерно равна половине длины кабеля.

Воздушный вариант метода ДК применяется  в основном для выявления и  прослеживания зон разрывных  нарушений, а в условиях заметной дифференциации разреза по сопротивлен ю — для решения более широкого круга задач геологического картирования. Наиболее часто работы проводят в масштабе 1:25 000.

Наземные детализационные работы выполняют сразу же позавершении воздушной съемки, при том же положении кабеля.

Метод переходных процессов.

Метод переходных процессов (МПП) применяется  для поисков месторождений сульфидных руд, имеющих очень высокую электропроводность (р 0,1-т-1,0 Ом м). Он обладает меньшей, чем другие методы электроразведки, чувствительностью к изменениям рельефа местности и мощности рыхлых отложений. МПП обеспечивает большую, чем другие индуктивные методы, глубинность исследования.

В МПП  изучается неустановившееся поле вихревых токов, возникающих в породах  и рудах при ступенеобразном изменении тока в контуре, который может быть расположен на земной поверхности (незаземленная петля, длинный кабель), либо в воздухе (магнитный диполь).

Магнитотеллурические  методы.

Магнитотеллурические  методы — зондирование (МТЗ), профилирование (МТП) и метод теллурических токов (МТТ) — основаны на изучении естественного нестационарного электромагнитного поля Земли.

Происхождение магнитотеллурического поля связывают  с воздействием на ионосферу Земли  потока заряженных частиц излучаемых Солнцем. Токовые вихри, возникающие в ионосфере' служат источниками электромагнитного поля, которое накладывается на постоянное магнитное поле Земли.

При изучении магнитотеллурического поля на площадях, линейные размеры которых  очень малы по сравнению с расстоянием до вихревых токов в ионосфере, электромагнитную волну, падающую на земную поверхность, можно считать плоской. Преломившись на границе земля—воздух, волна уходит под прямым углом к земной поверхности. Магнитотеллурическое поле, имея очень низкую частоту, проникает на глубину десятки и даже сотни километров, поэтому магнитотеллурические методы являются самыми глубинными из геофизических методов. 

    3.4 Радиоволновые методы

Радиоволновые методы электроразведки  основаны на изучении электромагнитных полей высокой частоты (10⁴—10⁸ Гц), создаваемых специальными портативными передатчиками либо вещательными радиостанциями.

    Увеличение частоты электромагнитного поля ведет к тому, что более интенсивно поглощается горными породами, но вместе с тем возрастают и создаваемые им индукционные эффекты. Последнее указывает на целесообразность использования высоких частот для получения более интенсивных аномалий индукционной природы. Однако сильное поглощение высокочастотной электромагнитной энергии горными породами приводит к тому, что такие аномалии создаются объектами, залегающими на глубинах не более 20—40 м.

Для радиоволнового поля характерна прямая зависимость интенсивности его поглощения от электропроводности среды, поэтому наличие рыхлых отложений с низким удельным сопротивлением крайне неблагоприятно для применения высокочастотных методов в наземном и воздушном вариантах.

Метод радиокомпарации и пеленгации

Этот метод, сокращенно называемый «радиокип», основан на изучении полей  дальних длинноволновых (f = 150-450 кГц) и сверхдлинноволновых (f = 10-ЗО кГц) радиостанций. Уверенный прием этих волн наблюдается на расстояниях соответственно до 1000 и 12 ООО км.

Метод радиоволнового просвечивания

Метод основан на изучении изменений электромагнитного поля вызванных различной способностью поглощения электромагнитной энергии горными породами и рудами. Породы, обладающие высоким электрическим сопротивлением, характеризуются низкими значениями коэффициента поглощения сульфидные и магнетитовые руды, графитизированные и глинистые сланцы отличаются высокими значениями

Объект  с высокой электропроводностью  является как бы экраном на пути распространения радиоволн, который приводит к их ослаблению и возникновению электромагнитной тени Это позволяет судить о положении рудного тела в просвечиваемом пространстве. Радиоволновое просвечивание (РП) применяют для изучения объема пород, заключенного между двумя горными выработками или между выработкой и дневной поверхностью. Реже измерения проводят по одиночным скважинам или профилям. поля служат магнитные или электрические диполи, питаемые переменным током с частотой от сотен килогерц до первых десятков мегагерц. Для измерений напряженности электрического поля используют открытые дипольные антенны, магнитные компоненты поля регистрируют приемными рамками.

 

 

СЕЙСМОРАЗВЕДКА 

Сейсморазведка  основана на изучении распространения  в земной коре упругих волн, возбуждаемых искусственным путем — взрывом, ударом или вибрацией. Такие волны, возникшие обычно у земной поверхности, проникают в толщу земной коры, отражаются и преломляются на границах, разделяющих горные породы с разными физическими (упругими) свойствами, и возвращаются к поверхности, где регистрируются специальной аппаратурой. По времени распространения волн и характеру колебаний среды, вызванных их приходом, устанавливают форму и положение этих границ, судят о вероятном составе пород разреза.

Широкое применение сейсморазведки при различных  геологических исследованиях, в том числе поисках полезных ископаемых обусловлено высокой точностью определения этим методом пространственного положения геологических границ. Сейсморазведочные работы выполняют как на суше, так и на акваториях, что особенно важно теперь, когда развертываются поиски и разведка месторождений на шельфе.

4.1 Физические и геологические  основы сейсморазведки.

Земную  кору в первом приближении можно  считать твердым упругим телом, элементарные частицы которого находятся  в состоянии покоя. Поэтому для описания процессов, происходящих в горных породах в результате приложенных к ним сил, можно использовать законы теории упругости.

Элементарный  параллелепипед, расположенный в  упругом теле, под действием внешних  сил может изменять как объем, так и форму (углы между гранями). В соответствии с этим деформации, возникающие в упругом теле, называют деформациями объема (первого рода) и формы или сдвига (второго рода). В общем случае, когда сила действует не по нормали к поверхности твердого упругого тела, в нем возникают и те и другие деформации.

Свойство  среды передавать деформации и скорость этой передачи зависят от связи между упругими деформациями и вызвавшими их напряжениями .

При сейсморазведочных. работах упругие колебания обычно возбуждают импульсным источником (взрывом или ударом), непосредственно вблизи которого образуется сильное сжатие горных пород и происходит их разрушение. Далее расположена область остаточных деформаций, где наблюдается уплотнение пород, за ней — область, в которой происходят преимущественно упругие деформации. В сейсморазведке ограничиваются рассмотрением волновых процессов, происходящих только в последней области, где применимы законы теории упругости.

Сила, действующая в точке взрыва или удара, быстро изменяется во времени, сперва нарастая, затем убывая, поэтому деформации и напряжения в среде, согласно закону Гука, тоже изменяются во времени, что вызывает колебание частиц около их первоначального положения. Колебания, передаваясь от одних частиц к другим, образуют в среде упругую сейсмическую волну. Поверхность, отделяющая область, охваченную колебаниями, от той, где их еще нет, есть фронт волны. При импульсном возбуждении колебания через некоторое время затухают, причем область покоя частиц постепенно расширяется. Ее граница является задним фронтом (тылом) волны.

Скорость сейсмических воли зависит не только от состава пород, но и от давления, пористости, характера цемента и заполнителя пор.

Законы теории упругости строго применимы для однородных идеально упругих сред; геологическая среда  не является таковой, в ней происходит поглощение энергии сейсмической волны за счет трения между частицами. Поглощение зависит от состава, пористости пород, заполнителя пор и других причин. Наиболее сильно поглощаются сейсмические волны в верхней части геологических разрезов, представленной рыхлыми породами.

     4.2 Основы геометрической сейсмики.

Распространение сейсмических волн в горных породах представляет собой волновой процесс, но для решения большинства практических задач можно ограничиться кинематическими особенностями этих волн и воспользоваться лучевыми представлениями об их распространении, которые основаны на принципах Гюйгенса—Френеля и Ферма, применяемых в оптике.

Из принципа Ферма вытекают следующие  положения, используемые в сейсморазведке.

1. В однородных средах сейсмический луч — прямая линия, так как скорость в них постоянна. При постепенном изменении скорости луч становится криволинейным, а при скачкообразном ее изменении — ломаной линией.
2. Закон отражений: sin α₁/ʋ₁ = sin α₂/ʋ₂ где α₁ и ʋ₁ - угол падения и скорость падающей волны, α₂ и ʋ₂ — угол отражения и скорость отраженной волны. Если скорость падающей и отраженной волн одинакова, то а₁ = а₂.

3. Закон преломлений: sin α/ʋ₁ = sin β/ʋ₂ где α и β — углы падения и преломления волны, ʋ₁ и ʋ₂— скорости падающей и проходящей волн соответственно.

Большое значение для изучения распространения  волн имеют принципы суперпозиции и  взаимности. Согласно первому из них  при одновременном распространении  в среде нескольких волн каждая из них движется так, как если бы других не было. Но при •одновременном подходе волн к какой-либо точке среды колебания частиц в ней будут представлять результат наложения волн друг на друга.

Принцип взаимности заключается в  том, что если поменять местами источник возбуждения и приемник сейсмических колебаний, то время, форма лучей и характер колебаний частиц не изменятся.

4.3 Волны, используемые в сейсморазведке

В однородной среде фронт волны  точечного источника возбуждения представляет собой сферическую поверхность с центром в этом источнике. Эту волну, наблюдаемую обычно у поверхности, называют прямой. В слоистой среде волна, достигнув границы раздела, будет отражаться и преломляться. При падении на плоскую гладкую границу раздела под углом плоской продольной волны образуются четыре вторичные волны. Две из них — продольная и поперечная — распространяются в той же среде, что и падающая, и называются отраженными. Две другие — продольная и поперчная проходят во вторую среду и называются проходящими. Волны, не меняющие свой тип на границе раздела называют монотипными, меняющие — обменными.

В сейсморазведке условно разделяют волны на полезные и помехи; полезными считают те волны, которые используют для получения  представлений о геологическом  строении. В зависимости от изучаемых волн в сейсморазведке выделяют два основных метода: отраженных (МОВ) и преломленных (МПВ) волн. Вспомогательным является метод проходящих волн, применяемый преимущественно в скважинах и позволяющий получать сведения о скоростной характеристике и волновой картине внутри среды, что облегчает интерпретацию данных МОВ и МПВ. В этих методах чаще используют продольные волны, реже — поперечные и обменные.

К волнам-помехам  относятся микросейсмы — беспорядочные  колебания почвы, вызванные ветром, дождем, движением транспорта и т. п., поверхностные и звуковые волны, образующиеся в результате взрыва, особенно если он произведен на поверхности, многократно отраженные, отраженно-преломленные, преломленно- отраженные, т. е. испытавшие отражение или преломление на одной и той же границе более 1 раза.

Возбуждение и прием сейсмических волн

Качество  записи полезных волн во многом зависит  от условий и способов их возбуждения  и приема. Возбуждение может производиться как взрывными, так и невзрывными способами; первые наиболее распространены при работах на суше, вторые — на море.

Взрывы  осуществляют в специально пробуренных  неглубоких скважинах, реже в шурфах, небольших бессточных водоемах, болотах, на поверхности или в воздухе.

Невзрывные  источники, используемые в сейсморазведке, делятся на импульсные и квазистационарные. Импульсные наиболее широко применяют при работах на море; их подразделяют на пневматические (ПИ), установки газовой детонации (УГД), электрогидравлические (спаркеры), индукционные, пьезоэлектрические и магнитострикционные. Первые два типа возбуждают волны преимущественно низких частот (10—100 Гц) и применяются при изучении больших и средних (до 1 — 5 км под дном) глубин. Остальные типы источников создают колебания частотой 100—1000Гц и более и используются при изучении глубин до 100—200 м ниже уровня дна.