Геофизические методы поиска полезных ископаемых это
ГЕОФИЗИ́ЧЕСКИЕ МЕ́ТОДЫ РАЗВЕ́ДКИ (ГМР), методы, использующие пространственно-временны́е изменения геофизич. полей в земной коре для поиска и разведки полезных ископаемых, контроля за эксплуатацией их месторождений. ГМР называют также разведочной или прикладной геофизикой. ГМР тесно связаны с общей геологией, геологией полезных ископаемых, геохимией, геотектоникой, стратиграфией и минералогией. В соответствии с поставленными задачами выделяют отд. направления прикладной геофизики: глубинная, нефтегазовая, рудная и нерудная, инженерно-геологич., гидрогеологич., военная, мерзлотно-гляциологич., археологич. и геоэкологическая.
По видам измеряемых полей выделяют следующие группы ГМР: гравитационная разведка (гравитационное поле); магнитная разведка (магнитное поле); терморазведка (тепловое поле); электрическая разведка и электромагнитная (радарная) съёмка (электрич. и электромагнитное поля); сейсмическая разведка и геоакустика (поле упругих волн); ядерная геофизика (поля нейтронов, гамма-квантов, нейтрино, потоки тяжёлых частиц).
ГМР используют пассивные и активные схемы измерений. Пассивные методы основаны на регистрации характеристик естественных физич. полей (темп-ры, теплового потока, ускорения свободного падения или силы тяжести, радиоактивности, вектора индукции магнитного поля, интенсивности эмиссии сейсмич. активности). Активные методы используют искусств. возбуждение массива пород с помощью источника упругих (сейсмич. или акустич.), электромагнитных волн, электрич. тока, потоков ионизирующих излучений и регистрацию отклика геологич. среды на посланное излучение.
Осуществление ГМР включает три стадии: проведение полевых наблюдений (измерений) характеристик физич. полей по заданной сети профилей; компьютерная обработка результатов измерений с использованием спец. программного обеспечения; геологич. интерпретация результатов измерений, заключающаяся в построении физико-геологич. модели изучаемого геологич. объекта.
Возможность использования ГМР для решения разнообразных геологич. задач основана на конкретных функциональных либо корреляционных зависимостях между значениями геофизич. параметров и искомыми свойствами геологич. среды. При решении задач геофизич. разведки выделяют однородные по физич. характеристикам слои, устанавливают морфологию их границ и далее, с использованием имеющейся геологич. информации, отождествляют выделенные слои с определёнными типами горных пород, в т. ч. выявляют участки недр, предположительно содержащие те или иные виды полезных ископаемых.
Теория ГМР основана на фундам. представлениях механики и электродинамики сплошных сред, теории гравитационного и магнитного полей Земли, теории колебаний и волн. При решении геофизич. задач нефтяной и газовой геологии важную роль играют знания физики пористых и трещиноватых флюидонасыщенных сред.
Геофизич. исследования основаны на решении т. н. прямых и обратных задач геофизики. Под прямой задачей подразумевают теоретич. или эксперим. оценку реакции среды с заранее заданными физич. свойствами и геометрич. характеристиками на посланный в неё сигнал. При решении прямых задач широко используют аппарат математич. физики, численные методы математич. моделирования, в т. ч. метод конечных разностей, конечных элементов, метод Монте-Карло и др. Решение обратной задачи геофизики состоит в определении геометрии и свойств горных пород, находящихся в пределах изучаемого объекта на основе анализа измеренного геофизич. поля, т. е. по результатам эксперимента. Математич. аппарат, используемый для решения обратных задач геофизики, включает теорию потенциалов, теорию волновых явлений и др. На практике обратные задачи решают, применяя специализир. программное обеспечение.
Детальность исследований недр Земли с помощью совр. аппаратуры во многом зависит от используемых технологий. Так, глубина исследуемого слоя колеблется от метров до десятков километров. Полевые геофизич. измерения проводят с помощью спец. аппаратуры, включающей блоки электронного управления, источники излучения сигналов, детекторы (приёмники) сигналов, бортовые вычислит. машины для предварит. обработки информации. Совр. геофизич. аппаратура размещается на спец. автомобилях, н.-и. морских или речных судах, вертолётах, самолётах, а также на борту обитаемых и необитаемых орбитальных космич. станций.
Спец. и весьма эффективной технологией изучения Земли являются геофизические исследования скважин. Аппаратура для таких исследований включает, кроме наземных электронных блоков, спец. глубинные приборы (зонды), опускаемые на заданную глубину с помощью геофизич. кабеля. При создании геофизич. аппаратуры используются высокопрочные композитные материалы, легированные стали, термостойкие резины и пластики, а также программируемые логич. микроэлектронные схемы.
Спец. измерительные системы создаются для полевой (наземной), морской (см. Морская геофизическая разведка), аэрокосмич. (см. Аэрогеофизическая съёмка), скважинной геофизики и шахтно-рудничной геофизики.
ГМР являются важнейшей составной частью технологии всех стадий геолого-разведочного процесса и служат информац. основой для его оптимизации. Применение тех или иных методов зависит от конкретных геологич. задач. Так, при региональном изучении глубинных зон земной коры эффективно используются аэрокосмич., мор. и глубинные полевые методы разведки. При поисках месторождений преобладает комплексное использование полевых методов (сейсмич. разведка, электрич. разведка и др.). Конечная цель данной стадии – определение мест заложения скважин, прогноз строения геологич. разреза и контуров месторождений. На стадии оценки месторождений и подсчёта запасов широко применяются геофизич. исследования скважин. Рациональным является также совместное использование ГМР и геохимич. методов разведки.
Переход геологич. разведки во всё более сложные геолого-геофизич. условия (большие глубины, высокие темп-ры и давления и др.) требует создания более совершенных технологий. Разрабатываются многофункциональные комплексные и комбинир. приборы, а также принципиально новые методы геофизич. исследований, основанные на эффектах преобразования разл. физич. полей, в т. ч. на нелинейных физич. явлениях. Создаются новые геофизич. технологии, использующие управляемое воздействие на геологич. среду и наблюдения в режиме мониторинга состояния участков недр.
Историческая справка
Первые идеи о возможности применения геофизич. (сейсмич. и магнитных) наблюдений для решения прикладных задач геологии были высказаны в 18 в. М. В. Ломоносовым, К. Гауссом, Ш. Кулоном и др. В кон. 19 в. Л. фон Этвёш изобрёл гравитационный вариометр, получивший применение в разведке полезных ископаемых. В 1906–16 Д. В. Голубятников впервые выполнил температурные измерения в нефтяных скважинах для решения ряда геологич. и нефтепромысловых задач. В те же годы Б. Б. Голицын, один из основателей сейсмологии, сконструировал и внедрил в практику электродинамич. сейсмограф. Начало широкого применения геофизич. исследований скважин связано с работами франц. учёных К. и М. Шлюмберже, предложивших и впервые внедривших в нефтеразведку метод электрич. сопротивления (1926–28). Осн. заслуга в создании совр. геофизич. технологий принадлежит рос., франц., амер. и канадской школам разведочной геофизики.
ГФМ применяются для выявления, изучения и оконтуривания геофизических полей (ГФП), выделения и оконтуривания геофизических аномалий (ГФА), связанных с полезными ископаемыми. Особенно важны при плохой обнаженности пород и при поисках таких видов ПИ, физсвойства которых заметно отличаются от свойств вмещающих их пород. Выделяются авиа-, наземный и скважинный (каротажный) варианты геофизических работ (ГФР). Наземные варианты этих методов осуществляются чаще путем проведения пешеходных профилей (значительно реже с использованием транспорта).
ГФМ изучаются специальными курсами, где подробно рассматриваются физосновы, техсредства, условия применения метода, приемы обработки и интерпретации наблюдений. Геолог: ставит задачи ГФР, вместе с геофизиком определяет комплекс методов, задает необходимую детальность, принимает у геофизиков результаты работ и выполняет их геологическую интерпретацию (в т.ч. давая геофизикам задания по определению глубин возмущающих объектов, их размеров и т.п.).
ГФМ классифицируются:
1) по характеру изучаемых ГФП и аномалий:
2) магнитометрические
3) гравиметрические
4) сейсмометрические
5) электрометрические (электроразведочные)
6) радиометрические
7) ядернофизические
8) термометрические
9) биофизические;
10) по возможностям обнаружения полезных ископаемых:
– прямые
– косвенные.
Прямые поиски пол.иск. геофизическими методами – идеальная цель, достижимая не часто. Поэтому преимущественно ГФМ дают косвенную (опосредованную) информацию о возможных ПИ, способствуя созданию геолого-структурной основы поисков, выявлению и оконтуриванию элементов геологического строения, контролирующих пространственное размещение ПИ.
Правильному использованию ГФМ должны предшествовать петрофизические исследования горных пород и руд – определение и статистические расчеты средних показателей (среднее, дисперсия, среднее квадратичное отклонение, коэффициент вариации) магнитных, плотностных, электрических (удельное сопротивление, проводимость), радиоактивных и др. свойств.
Магнитометрический метод– прямой для поисков и выявления м-ний пол.иск. с высокой магнитной восприимчивостью (магнетитовые, пирротиновые руды – в аэро- и наземном варианте), но чаще – косвенный для оконтуривания геологических образований (комплексов пород), представляющих интерес для прогноза пол.иск. Например: для оконтуривания ореолов измененных, в процессе гидротермальных изменений, пород, вмещающих медно-никелевое, хромитовое, титаномагнетитовое, медноколчеденное, меднопорфировое, свинцово-цинковое и др. типы оруденения. Это связано с тем, что в процессе гидротермальных изменений вмещающих пород происходит разложение магнитных минералов и замещение их немагнитными. Магнитометрическая съемка (МС) позволяет расчленять интрузивные комплексы, иногда выделять среди них рудоносные (напр., аляскитовые граниты с редкометальным оруденением).
МС используется:
11) для прослеживания поясов даек и штоков основного и среднего состава, нередко контролирующих размещение постмагматических м-ний;
12) при прослеживании зон разрывных нарушений, которые контролируют размещение многих типов постмагматических месторождений;
13) как косвенный метод поисков аллювиальных россыпей золота, касситерита, вольфрамита, если тяжелая фракция аллювия этих россыпей сопровождается концентрацией магнетита.
Во всех случаях метод эффективен тогда, когда объекты поисков рсположены в разрезах слабомагнитных пород.
МС (МР) выполняется практически в любых ландшафтно-географических условиях, Применяемые магнитометры просты и удобны для перемещения (особенно последние модели с цифровой индикацией (??? Название, марка). Каппа-метрия (современные цифровые каппометры позволяют диагностировать породы по магнитным свойствам, расчленять геологический разрез, заверять магнитные ГФА.
Большие возможности метода, относительная простота и экономичность делают магнитометрический метод достаточно массовым и широко применяемым. Масштаб и методика работ проектируются с учетом ранее выполненных МС, исходя из конкретных целей поисков.
Гравиметрический методкак прямой метод поисков используется для выявления положительных аномалий силы тяжести, с которыми могут быть связаны крупные залежи медноколчеданных, хромитовых, баритовых руд. Отрицательные аномалии силы тяжести (Δg) в определенных геологических условиях связаны с соляными штоками. Как косвенный метод – для выявления и оконтуривания тектонических депрессий (грабенов), иногда перспективных на уголь, бокситы, золото; гранитных интрузивов, перспективынх на Sn, W, Mo, RM. Метод позволяет фиксировать тектонические блоки, разделенные разломами, которые фиксируются гравитационными ступенями в поле силы тяжести.
Проектируется там, где развиты интрузивные тела, отмечается блоковое строение, ожидаются м-ния, создающие отчетливые гравиметрические аномалии.
Сейсморазведочный метод – основной для поисков м-ний нефти и газа -позволяет изучать поверхность отражающих плоскостей и выявлять положительные куполообразные структуры на платформах (в осадочных бассейнах), перспективные для локализации нефти и газа. Проводится массовое сейсмопрофилирование по площадям нефтегазоносных осадочных бассейнов. Система геограверсов РФ в увязке с глубокими и сверхглубокими скважинами. Сейсморазведочные данные по глубинной структуре площадей необходимо обязательно учитывать и использовать для построения геодинамических и тектонических карт.
Для твердых ПИ – как косвенный метод для расшифровки рудовмещающих структур. В Казахстане – устанавливалось положение плоскостей разломов, контролирующих размещение рудных м-ний. Метод применим для расшифровки строения речных долин, глубин залегания плотика при поисках россыпей в варианте микросейсмики (кувалда, плита, один или несколько приемников; разносы приемников до 150-200 м).
Электрометрические методы– широко используются для поисков различных видов ПИ. Как прямые – для выявления сульфидных м-ний, как косвенные – для многих других ПИ. Большое число модификаций, в связи с возможностью использования широкого диапазона частот, а также различных источников тока – естественных и искусственных, постоянного и переменного тока.
Классификация электрометрических методов (по В.В. Федынскому)
| Электромагнитное поле и его частота f | Основные модификации (методы) | Второстепенные модификации (методы) |
| Естественные электромагнитные поля | ||
| Постоянный ток; f = 0 | Естественного поля (ЕП) | – |
| Низкочастотное переменное поле. 10-100 Гц | Теллурических токов. Магнито-теллурический | Изучение индуктивных токов в рудных телах, вызванных удаленными грозами (АФМАГ) |
| Искусственные электромагнитные поля | ||
| Постоянный ток; f = 0 | Электропрофилирование (ЭП). Электрозондирование (ВЭЗ) Заряженного тела. Вызванной поляризации (ВП) | – |
| Низкочастотное переменное поле. 10-10000 Гц | Низкочастотная индукция. Аэроэлектроразведка. Частичное зондирование. Становление электромагнитного поля. | Эквипотенциальных линий. Петли. Интенсивности. Сдвига фаз прямого кабеля. |
| Переменное поле средних частот; 10-60 кГц | – | Отношения потенциалов. Индукции. |
| Высокочастотное поле, 0,1-10 мГц | Радиопросвечивание | Радиокип. Радиолокационные. |
Различные модификации ЭР успешно применяются в качестве прямых поисковых методов для выявления сплошных и вкрапленных сульфидных и оловянных м-ний, некоторых типов углей и м-ний графита.
Один из наиболее эффективных методов ЭР поисков сульфидных м-ний с вкрапленными рудами – ВП, основанный на изучении полей поляризации, т.е. разностей потенциалов, возникающих под воздействием длительных импульсов постоянного или переменного тока. Особенность – большая стабильность величины кажущейся поляризуемости нормального поля. Удается выявлять относительно слабые аномалии, связанные с глубокозалегающими объектами. Метод применим для колчеданного и кварц-касситеритового оруденения.
Важны для поисков м-ний сплошных сульфидных руд (колчеданных, медноколчеданных, полиметаллических, графитовых) метод естественного поля (ЕП) и метод переходных процессов (МПП) – из группы низкочастотных элетрометодов. Основан на изучении индуктивно возбуждаемого неустановившегося поля.
Высокочастотные методы (радиокип, радиоволновое просвечивание) для сверхдлинных волн применим для поисков высокоомных золото-кварцевых жил и даек, для определения мощности рыхлых отложений при однородном сопротивлении коренных пород, для поисков кимберлитовых трубок под покровными отложениями.
Проектировать ЭР методы надо в зависимости от конкретных геологических условий и характера возможных аномалий.
Радиометрические методы основаны на измерении естественной радиоактивности (суммарное –интегральное- гамма-излучение либо дифференциальная его регистрация – СП-4М – U, Th, K) горных пород и минералов. Как прямые – для поисков м-ний радиоактивных руд и как косвенные – для м-ний нерадиоактивных элементов (фосфоритов, танталовых, ниобиевых, TR руд. Аэрогаммасъемка (АГСМ) м-ба 1:25000-1:10000. Автогаммасъемки. Радиометрическая съемка с обычными радиометрами СРП-68-01 проводится одновременно с геолсъемкой и поисковыми пешеходными маршрутами. (более подробно о методике и фоне-аномальных значениях; о применении для геокартирования).
При детальных поисках профильная, шпуровая, плужная, авто-гамма-съемка. Гамма-каротаж скважин.Глубинность гамма-съемки очень незначительна (от нескольких см до нескольких метров), за счет развития вторичных ореолов рассеяния в покрове – до 10 м и более.
Применяется как косвенный метод на редкие и рассеянные элементы, вольфрам, олово, молибден, бериллий, литий, фосфориты, калийные соли.
Ядернофизические методы.Основаны на возбуждении радиоактивности с помощью искусственных источников. Применятеся для ускоренного анализа хим. элементов в различных пробах. В перспективе – в вариантах перемещения приборов по профилям и маршрутам с получением графиков содержаний отдельных элементов в породах и проявлениях. Применяются при исследовании Луны и других планет (на «Луноходах»).
Делятся на:
Стационарные (крупногабаритные приборы и аппараты (реакторный нейтронный активационный анализ с большой чувствительностью);
Полевые (с компактной аппаратурой), в том числе:
Рентгено-радиометрические методы – основаны на возбуждении атомов анализируемых элементов с помощью первичного излучения от радиоизотопного источника и последующем анаилзе спектрального состава и измерения интенсивности характеристического излучения возбужденных атомов с помощью специальной радиометрической аппаратуры. Источники возбуждения – изотопы кобальт-60, сурьма-124, цезий-133, ртуть-203, тулий-170 и др. На этом принципе приборы «Минерал-3 или -4» (от железа до висмута), «Гагара» и др. Ныне – «Золотинка» – Au, Ag, Pb, Zn идр.
Другие разновидности (на поглощении различных видов излучений – гамма, бета, нейтронного): нейтронно-активационный, фотонейтронный, метод ядерного гамма-резоненса и др.
Приборы «Нейтрон-2» – для определения содержаний кремния и алюминия в бокситоносных породах, «Боксит» – на использовании альфа-активационного метода. «Бериллометр», «Берилл» – для определения содержаний бериллия: изотоп сурьма-124 создает поток гамма-квантов с энергиями более 1,66 МэВ, выбивающий из ядер бериллия поток нетронов, интенсивность которого пропорциональна содержанию бериллия в пробе.
Прибор для определения бора на автомобиле.
Приборы, основанные на рентгено-радиометрических методах определения содержаний хим.элементов. Примеры: автомобильная рентгено-флуресцентная съемка с непрерывным определением рудных компонентов (в будущем может заменить литогеохимичекую съемку). Пока эффективна для определения содержаний элементов, которые характеризуются высокими содержаниями (Fe, Mn, Ti, Zr, кроме этого, Cu, Zn, Ba, Pb). Применялась на железорудных м-ниях Кривого Рога.
Вариации приборов для «приборных» поисков золота – тип миноискателя, тип каппометра.
За ядерно-геофизическими методами поисков и оценки полезных ископаемых – большое будущее.
Вопросы комплексирования геофизических методов при поисках ПИ.
Минимально необходимый стандарт (ГР-200, АГМС-50/25, АГСМ-25).
Выбор методов, модификаций и сети, точности, приборной базы. Важность интерпретационной теоретической базы.
Тема 10