Геофизические методы изучения внутреннего строения Земли

 

 

 

 

 

 

 

 

Прием колебаний

 

Основным  измерительным устройством в  сейсморазведке служит сейсмоприемник, преобразующий механические колебания  упругих волн в электрический  ток переменного напряжения. При  перемещении частиц горных пород вблизи корпуса приемника в нем вырабатываются электрические импульсы, которые затем откладываются на оси времени. Получаемые зависимости называются графиками колебаний или сейсмотрассами.

Сейсмотрассы объединяются в сейсмограммы – первичный полевой материал сейсморазведки . Сигналы от приемников подвергаются предобработке усилению, фильтрации нежелательных колебаний и преобразований в цифровую форму. По независимым информационным каналам данные с точек наблюдения поступают в единый центр – сейсмическую станцию, где представляются в удобной для оператора форме. Сейсмическая станция представляет единый информационно-измерительный комплекс, предназначенный для объединения данных с сейсмоприемников, их предобработки, визуального анализа и сохранения на устройство памяти.

 

Системы наблюдений

 

Для эффективного прослеживания целевых сейсмогеологических  границ применяются типовые способы  установки и перемещения пунктов  возбуждения и приема колебаний  – системы наблюдений. Типичной системой наблюдений является пункт  возбуждения, c которого упругие волны регистрируются расстановкой, состоящей из 100-300 пунктов приема – каналов сейсмостанции. Пункт возбуждения обычно располагается в центре расстановки приемника и для получения новой сейсмограммы перемещается на расстояние в 25-50 м. Интервал между пунктами приема также выбирается равным 25-50 метров. Параметры расстановки при перемещении по профилю не изменяются для облегчения дальнейшей автоматизированной обработки данных. Описанная система наблюдений позволяет выделять целевые границы с достаточной надежностью, которая обеспечивается избыточностью получаемой информации. Например, при использовании 240 пунктов приема в расстановке количество сейсмострасс на одну точку границы может достигать 120. Правильный выбор системы наблюдений позволяет без лишних затрат получать необходимую информацию о строении интересующей части геологической среды.

 

 

Обработка и интерпретация

 

Получаемые  в процессе полевых работ сейсмограммы содержат значительную долю нежелательных  волн-помех и мешающих колебаний, а полезные волны неудобны для  интерпретации. Поэтому первичные  сейсмограммы обрабатываются с использованием самой современной компьютерной техники. В результате выполнения процедур обработки сейсмограммы преобразуются  во временной или глубинный разрез – материал для геологического толкования.По известным признакам на полученных разрезах выделяются аномальные участки, с которыми связываются скопления полезных ископаемых.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.

 

История развития гравиразведки

 

Гравиметрическая  или гравитационная разведка (сокращенно гравиразведка) —это геофизический метод исследования строения литосферы, поисков и разведки полезных ископаемых, базирующийся на изучении гравитационного поля Земли. Основным измеряемым параметром этого метода является ускорение свободного падения. Хотя поле силы тяжести ученые изучают давно, например, Г. Галилей в 1590 г. первый получил ускорение свободного падения, наблюдая за падением тел, а М. В. Ломоносов разработал для его измерения идеи пружинного и газового гравиметров, однако лишь в 30-40-х годах XX столетия необходимая точность измерений была технически реализована в гравиметрах, маятниковых приборах, а также вариометрах и градиентометрах. Эти приборы предназначены для измерения ускорения свободного падения и его градиентов.

 

Основные  виды гравиразведки

 

Под методикой  гравиразведки понимают выбор метода и аппаратуры, осуществление комплекса мер и операций для изучения поля силы тяжести с такой кондицией, которая обеспечила бы выявление ожидаемых аномалий и решение поставленной геологической задачи. Основным в методике гравиразведки является выбор метода и аппаратуры; характера, вида съемки и системы наблюдений; погрешности съемки и правила обхода точек наблюдений; первичной обработки материала и форм его представления.

По технологии работ и типу носителя аппаратуры гравиразведку подразделяют на полевые (наземные), морские, воздушные, подземные и скважинные гравиметровые, а также вариометрические наблюдения.

По решаемым геологическим задачам и масштабу съемок различают региональную гравиразведку, проводимую на суше и море в масштабах 1:200000 и мельче, предназначенную для получения сведений о глубинном строении крупных территорий, и детальную (поисково-разведочную), выполняемую в масштабах от 1:100000 до 1:10000, направленную на выявление структур, перспективных на те или иные полезные ископаемые, поиск и разведку месторождений. 

 

Основные  принципы и задачи гравиразведки

 

В результате гравиметрической съемки рассчитывают аномалии силы тяжести (ускорения свободного падения) в редукции Буге, обусловленные  плотностными неоднородностями среды, и ведут их геологическую интерпретацию. При этом влияние Земли исключают  введением нормального поля и  редукций. Интерпретация данных гравиразведки (как и других геофизических методов) основана на физико-математическом и геологическом моделировании, включающем анализ гравитационных аномалий с обязательным использованием априорной геолого-геофпзической и петрофизической (плотностной) информации об изучаемом районе. В зависимости от качества (кондиционности) полученных материалов, степени благоприятности геолого-геофизических условий, количества и качества априорной информации, уровня исполь-зования новейших приемов интерпретации и математического моделирования с привлечением ЭВМ результаты получают с той или иной точностью, т. е. данные интерпретации носят условно-вероятностный смысл, давая одно из возможных решений вопроса о геологическом строении района.

При измерении  параметров гравитационного поля в  воздухе, на земной поверхности, акваториях морей и океанов наблюдают  их изменения, обусловленные в основном двумя причинами. Во-первых, планетарными особенностями Земли (скорость вращения, масса, форма поверхности, внутреннее строение), создающими плавно изменяющееся поле, называемое нормальным. Во-вторых, различием плотности горных пород  и руд, связанным с плотностными неоднородностями среды, образующими  аномальное полесилы тяжести. В задачи гравиразведки входят измерения значений параметров поля силы тяжести, выделение аномальных составляющих гравитационного поля и их геологическая интерпретация.

От других геофизических методов гравиразведка отличается сравнительно большой производительностью полевых наблюдений и успешно применяется при решении самых различных геологических задач с глубинностью исследований от нескольких метров (при разведке окрестностей горных выработок) до десятков километров (при определении мощности земной коры и литосферы).

По изучаемым  объектам (геологическим структурам) гравиразведка тесно связана с геологией и другими геофизическими методами, а используемые измерительные приборы, методы выделения и интерпретации аномалий опираются на достижении физико-математических наук.

Для проведения гравиразведки применяются гравиметры, чувствительные приборы измеряющие ускорение свободного падения. Гравиметрические приборы - одни из самых точных, ими можно измерять вариации гравитационного поля с точностью до стомиллионных долей. В наиболее типичном из таких инструментов, гравиметре, используется горизонтальный балансир (маятник), отклоняющийся от положения равновесия при малейших изменениях силы гравитации. Единицей измерения этой величины является Гал или более употребительный мГал. Крупные геологические тела характеризуются аномалиями в десятки и даже сотни мГал. В отечественной практике наиболее широко применяются кварцевые гравиметры и ГНУ-КВ.

Гравиметрическая  разведка широко применяется для  рекогносцировки плохо изученных  районов. В этих исследованиях сила земного притяжения измеряется со столь  высокой точностью, что даже небольшие  ее изменения, обусловленные присутствием погребенных масс горных пород, позволяют  определить глубину и форму их залегания. Гравитационное поле Земли  определяется плотностью слагающих  ее пород. Гравиметрическая разведка оперирует не абсолютными измерениями гравитационного поля, а разницей в ускорении силы тяжести от одного пункта к другому. В процессе гравиметрической съемки фиксируются горизонтальные изменения гравитационного поля, обусловленные различиями в составе и плотности горных пород. С глубиной их плотность меняется в диапазоне от 1,5 г/см3 (рыхлые пески) до почти 3,5 г/см3 (эклогит). Градиент даже ок. 0,1-0,2 г/см3приводит к возникновению распознаваемых аномалий (отклонений от стандартной величины силы тяжести), если изучаемое тело достаточно велико, неглубоко залегает и не слишком велики шумы, т.е. помехи от внешних источников. Гравиметрическая съемка практикуется для выявления соляных куполов, антиклиналей, погребенных хребтов, разломов, неглубоко залегающих коренных пород, интрузий, рудных тел, погребенных вулканических кратеров и проч.

Основным  методом гравиразведки является полевая (наземная, сухопутная) гравиметровая съемка, проводимая с помощью разного рода гравиметров. Полевые гравиметровые съемки бывают пешеходными и автомобильными, изредка используется аэротранспорт. В зависимости от масштаба съемки и способа транспортировки гравиметров наблюдения выполняют в нескольких десятках пунктов за смену.

Кроме полевых гравиметрических съемок в гравиразведке широко используют измерения на акваториях (морская гравиразведка), в меньших объемах проводят аэро-гравиметрические, подземные и скважинные, а также вариометрические съемки.

 

Магниторазведка

 

Магнитометрическая или магнитная  разведка (магниторазведка) – это геофизический метод решения геологических задач, основанный на изучении магнитного поля Земли и магнитных характеристик горных пород, руд, залежей и минералов.

Геомагнетизм исследует магнитное поле Земли (его источники и изменения на протяжении геологической истории Земли), а магнитные свойства горных пород и минералов исследует магниторазведка. Принято считать, что магнитное поле Земли обусловлено электрическими токами в жидком внешнем ядре, его напряженность изменяется с периодичностью от 100 до 10 000 лет, а полярность подвержена обращениям (инверсиям). Измерения интенсивности и направления намагниченности горных пород позволяют изучать происхождение и изменения во времени геомагнитного поля и служат ключевой информацией для развития теории тектоники плит и дрейфа материков. Магниторазведка основана на измерении небольших изменений геомагнитного поля, связанных с наличием магнитных минералов в поверхностных отложениях или в геологическом фундаменте - изверженных и метаморфических породах, подстилающих осадочные толщи.

Общие сведения о магниторазведки, история  развития магниторазведки

 

Магнитные явления  и наличие у Земли магнитного поля были известны человечеству еще  в глубокой древности. Так же давно  эти явления люди использовали для  практической деятельности, например применение компаса для ориентации. Напомним, что со времени установления Кулоном закона взаимодействия магнитных  масс (1785) начинает развиваться теория земного магнетизма. Однако лишь со второй половины XIX в. измерения напряженности  магнитного поля для поисков сильно магнитных рудных залежей привели к созданию магниторазведки. В России специальные исследования магнитного поля с геологическими целями были проведены на Курской магнитной аномалии в конце XIX века. Первыми систематическими разведочными магнитными работами в России и в мире были съемки Курской магнитной аномалии (КМА), начатые профессором МГУ Э. Е. Лейстом в 1894 г., а также магнитные съемки, проведенные на Урале Д. И. Менделеевым и в районе Кривого Рога И. Т. Пассальским в конце позапрошлого века. В 1919 г. выдающимся советским геофизиком А. И. Заборовским были начаты магнитные съемки в Курской области на КМА, положившие начало генеральной магнитной съемке территории нашей страны и развитию всей отечественной разведочной геофизики. 

 

Происхождение магнитного поля земли

Происхождение магнитного поля Земли объясняют  причинами, связанными с внутренним строением Земли. Одной из наиболее достоверной гипотезой, объясняющей  магнетизм Земли, является гипотеза вихревых токов в ядре. Эта гипотеза основана на том установленном геофизиками  факте, что на глубине 2900 км под мантией  Земли находится внешнее жидкое ядро с высокой электрической  проводимостью, которая объясняется  большим числом свободных электронов в веществе ядра вследствие высоких  температур и давления. Благодаря  так называемому гиромагнитному эффекту и вращению Земли во время  ее образования могло возникнуть очень слабое магнитное поле. Наличие  свободных электронов в ядре и  вращение Земли в таком слабом магнитном поле привели к индуцированию в ядре вихревых токов. Эти токи, в свою очередь, создают (регенерируют) магнитное поле, как это происходит в динамомашинах. Увеличение же магнитного поля Земли должно привести к новому увеличению вихревых токов в ядре, а последнее – к увеличению магнитного поля и т.д.