Лекція 2. Розвідувальна геофізика

1. Методи розвідувальної (польової) геофізики

2. Гравіметрична розвідка

3. Магнітна розвідка

4. Сейсмічна розвідка

1. Методи розвідувальної (польової) геофізики

Пошуково-розвідувальні роботи на нафту і газ складаються із зв'язаних між собою етапів, що включають геолого-геофізичну розвідку певної території, буріння пошуково-розвідувальних свердловин, геофізичні дослідження розкритого свердловинами розрізу.

До основних методів розвідувальної геофізики відносяться гравірозвідка, магніторозвідка, сейсморозвідка і електророзвідка.

Гравірозвідка заснована на вивченні сили гравітаційного тяжіння тіл до поверхні Землі. При проведенні гравіметричної розвідки просліджують аномалії сили тяжіння, обумовлені неоднорідностями щільності гірських порід. Гравірозвідка найчастіше використовується для геологічного картування.

Магніторозвідка заснована на вивченні елементів геомагнітного поля гірських порід. Магнітні властивості гірських порід визначаються головним чином вмістом в них феромагнітних мінералів. Відхилення магнітного поля називаються магнітними аномаліями.

Сейсморозвідка - провідний геофізичний метод, що використовують при пошуках родовищ нафти і газу. Вона заснована на дослідженні характеру поширення в земній корі пружних коливань, що збуджуються на поверхні за допомогою вибухів або невибухових джерел.

Електророзвідка заснована на вивченні природних і штучно створених в осадовій товщі електричних і електромагнітних полів. За допомогою методів електророзвідки вивчають питомий електричний опір, його зворотну величину - питому електропровідність, діелектричну і магнітну проникність гірських порід.

2. Гравіметрична розвідка

Гравіметрична або гравітаційна розвідка (скорочено гравірозвідка|) - це геофізичний метод дослідження земної кори і розвідки корисних копалини, заснований на вивченні розподілу аномалій поля сили тяжіння Землі|грунту| поблизу земної поверхні, акваторіях, в повітрі. Поле сили тяжіння обумовлене в основному Ньютонівським тяжінням Землею|грунтом| всіх тіл, що володіють массою (рис 2.1).

Від інших методів розвідувальної геофізики гравірозвідка| відрізняється порівняно великою продуктивністю польових спостережень і можливістю|спроможністю| вивчати горизонтальну неоднорідність Землі|грунту|. Гравірозвідка застосовується для вирішення різних геологічних завдань|задач| з глубинностью| досліджень від декількох метрів до 200 кілометрів (наприклад, при вивченні мантії). Гравіметрична зйомка практикується для виявлення соляних куполів, антикліналей, похоронених хребтів, розломів, неглибоко залягаючих корінних порід, інтрузій, рудних тіл, похоронених вулканічних кратерів і ін.

Оскільки|тому що| Земля|грунт| сферично неоднорідна, та ще обертається, то поле сили тяжіння на земній поверхні є неоднорідним. Зміни ці малі і вимагають високочутливих приладів для їх вивчення. Основними вимірюваними параметрами гравітаційного поля є|з'являються| прискорення сили тяжіння і градієнта (зміни прискорення по різних напрямках|напрямах|). Величини параметрів поля сили тяжіння залежать, з одного боку, від причин, обумовлених тяжінням і обертанням Землі|грунту| (нормальне поле), а з іншого боку - від нерівномірності зміни щільності порід, що складають земну кору (аномальне поле).

Одиницею прискорення в системі СІ є м/с². У гравіметрії традиційно використовують дрібнішу одиницю - Гал, рівний 1 см/с². В середньому на Землі g = 981 Гал. У практиці гравірозвідки застосовується величина в 1000 разів менша, така, що отримала назву мілігал (мГал).

Рис. 2.1. Прискорення сили тяжіння і його складові

Рис.2.2. Гравітаційне поле кулі

Сила тяжіння якої-небудь маси ( m) всією масою Землі ( M) визначається законом всесвітнього тяжіння Ньютона:

де r- відстань між центрами мас m i M, тобто радіус Землі; G- гравітаційна постійна, рівна 6,67*10^-11 м³/кг*с². Сила тяжіння одиничної маси (m=1) рівна і направлена до центру Землі.

Відцентрова сила () направлена по радіусу, перпендикулярному осі обертання (), і визначається формулою

Земля в першому наближенні є еліпсоїдом обертання, причому екваторіальний радіус , а полярний ,a – c = 21 км. Різна величина радіусу Землі на полюсі і екваторі разом із зміною відцентрової сили приводить до збільшення g на полюсі (g_п= 983 Гал) в порівнянні з g на екваторі (g_Э= 978 Гал). По відомих g і r були визначені маса Землі М=5,98*10²⁴ кг і її середня щільність .

|Для постановки | гравірозвідки і особливо інтерпретації результатів необхідно знати щільність гірських|гірничих| порід - σ, бо це єдиний фізичний параметр, на якому базується гравірозвідка |.

Щільністю породи (або об'ємною вагою) називається маса (m) одиниці об'єму породи (). Щільність вимірюють в г/см³. Зазвичай щільність визначається для зразків, узятих з природних оголень, свердловин і гірських вироблень. Найбільш простим способом визначення щільності зразка є зважування зразка в повітрі ( m), і у воді (m^’) і потім розрахунок σ . На цьому принципі побудований найбільш поширений і простій прилад для вимірювання щільності - денситометр, що дозволяє визначати σ з точністю до 0,01 г/см³.

Щільність гірських порід і руд залежить від хіміко-мінералогічного складу, тобто об'ємної щільності твердих зерен, пористості і складу заповнювача пор (вода, розчини, нафта, газ). Щільність вивержених і метаморфічних порід визначається в основному мінералогічним складом і збільшується при переході від порід кислих до основних і ультраосновних. Для осадкових порід щільність визначається перш за все пористістю, водонасиченістю і у меншій мірі складом. Проте вона сильно залежить від консолідації осадів, від їх віку і глибини залягання, із збільшенням яких вона росте.

Гравіметрична розвідка оперує не абсолютними вимірюваннями гравітаційного поля, а різницею в прискоренні сили тяжіння від одного пункту до іншого. В процесі гравіметричної зйомки фіксуються горизонтальні зміни гравітаційного поля, обумовлені відмінностями в складі і щільності гірських порід. З глибиною їх щільність міняється в діапазоні від 1,5 г/см³ (рихлі піски) до майже 3,5 г/см³ (эклогіт). Градієнт навіть близько 0,1–0,2 г/см³ приводить до виникнення розпізнаваних аномалій (відхилень від стандартної величини сили тяжіння), якщо тіло, що вивчається, достатньо велике, неглибоко залягає і не дуже великі шуми, тобто перешкоди від зовнішніх джерел.

В результаті гравірозвідки | розраховуються аномалії сили тяжіння|тяжкість|, обумовлені тими або іншими неоднорідностями щільністі|, а вплив тяжіння всієї Землі|грунту| і навколишнього|довколишнього| рельєфу виключається відніманням нормального поля.|вс

Знаходження аномалій сили тяжіння і других похідних потенціалу від тіл відомої форми, глибини залягання, розміру і щільності носить назву прямого завдання|задачі| гравірозвідки |. Визначення місця розташування, форми, глибини залягання, розмірів і щільності тіл по відомих аномаліях або других похідних потенціалу сили тяжіння називається зворотним завданням|задачею| гравірозвідки |.

Якщо прямі завдання|задачі|, як і всякі|усякі| прямі завдання|задачі| математичної фізики, однозначні, то зворотні завдання|задачі| неоднозначні На рис. 2.4 наведений схематичний приклад того, як тіла різного перетину і глибини залягання навіть при постійній надлишковій|надмірній| щільності можуть створити однакову аномалію сили тяжіння.

Методи вимірювання|вимірювання| прискорення сили тяжіння і його приросту діляться на динамічні і статичні. Під динамічними розуміються такі методи, в яких спостерігається рух тіла під дією сили тяжіння (гойдання|хитання| маятника, вільне падіння тіл і ін.) В цьому випадку g визначається через параметри руху тіла і параметри установки. У статичних методах дія сили тяжіння компенсується (наприклад, силою|силою| пружності пружини), а g визначається по зміні статичного положення|становища| рівноваги тіла.

1. Найбільш поширений динамічний метод – маятниковий.

Хоча маятникові прилади і схильні до дії температури, вологості|вогкості| і інших чинників|факторів|, вони характеризуються| високой| точністю. Погрішність абсолютних вимірів|вимірювань| прискорення сили тяжіння маятниковими приладами можна довести до 1 - 3 мГал|, а відносних - при наземних дослідженнях - до 0,1 мГал|, при морських зйомках - до 5 - 10 мГал|.

2. Визначення абсолютного значення прискорення сили тяжіння можна проводити методом вільного падіння, коли вимірюється час вільного падіння тіла і відстань, пройдена|минати| тілом. Виміри|вимірювання| відрізняються великою трудомісткістю і виконуються на обсерваторіях, де точність у визначенні g можна довести до 0,01 мГал|.

3. В даний час|нині| відомі методи абсолютних і відносних вимірювань|вимірювань| сили тяжіння|тяжкість|, засновані на вивченні коливань струн. У них вимірюється частота коливань струни, її довжина і маса.

У практиці гравірозвідки|застосовуються в основному статичні гравіметри|. Вони засновані на компенсації сили тяжіння|тяжкості|силою|силою|пружності пружини або силою|силою|кручення нитки.

У гравіметрах| 1-го роду мірою зміни прискорення сили тяжіння служить зміна довжини пружини (рис 2.5,а). Схема чутливої системи гравіметра| 2-го роду представлена|уявляти| на рис.2.5, б. Тут важіль з|із| важком кріпиться|зміцнює| до горизонтальної пружної нитки і під впливом сили тяжіння нахиляється|схиляється|, закручуючи нитку. За допомогою вимірювальних пружин з|із| мікрометричним гвинтом важок виводиться в горизонтальне положення|становище|. Переходячи на іншу позицію|точку|, під впливом приросту сили тяжіння важок відхиляється.

На практиці зазвичай|звично| використовуються гравіметри| другого роду. Залежно від матеріалу, з|із| якого виготовлена чутлива система приладу, їх ділять на кварцові, металеві і кварцово-металеві. Найбільшого поширення|розповсюдження| набули кварцові гравіметрі|, наприклад, вітчизняні ГАК-4М, ГАГ-2, ГНУ-КС і ін. вагою до 5 - 6 кг.

Окрім наземних гравіметричних| зйомок, існують також морські, авіаційні, підземні, свердловинні|щілини|, а також варіометричні| і градієнтометричні| зйомки.

В результаті гравірозвідки | виходять карти і графіки аномалій щільнісної неоднорідності гірських|гірничих| порід, що залягають на різних глибинах. Позитивним аномаліям відповідають щільніші, а негативним|заперечним| - менш щільні породи, але|та| завжди ці аномалії являють собою |уявлянакладення гравітаційних полів об'єктів що залягають на різній глибині .(рис 2.4).

Регіональні аномалії пов'язані з глибинними аномаліями щільності, з|із| крупними структурами земної кори, поверхнею кристалічного фундаменту і неоднорідностями| його петрографічного складу.

Локальні, або залишкові аномалії, що отримують відніманням з|із| виміряних аномалій регіональних |, приурочені структурам в осадовому|осадовому| чохлі і фундаменті, покладам корисних копалини.

Багато родовищ нафти і газу приурочено до рифтових| масивів, але|та| розвідка останніх методом гравірозвідки| є складним|з'являється| завданням|задачею|. Для розвідки рифтових| вапняків серед осадових|осадових| теригенних| порід використовується аналіз як регіональних, так і локальних аномалій, причому рифтові| вапняки виділяються, як правило, позитивними аномаліями.

Куполовидні платформені піднімання|підняття|, до яких нерідко|незрідка| приурочені родовища нафти і газу, відрізняються малою амплітудою і великою глибиною залягання і тому важко розвідуються| гравірозвідкою|.

Рис. 2.3.Гравітаційнеполе над уступом (збросом)

Рис.2.4.Ілюстрація неоднозначності рішення оберненої задачі гравірозвідки

Рис.2.5. Пружинна (а) и крутильна (б) системигравіметрів

Рис.2.6. Чутлива система варіометра: 1 - корпус приладу, 2 – пружна нитка, 3 - коромисло, 4 – грузики

Рис.2.7. Виміряна(1), региональна (2) и локальна (3) аномаліїсилитяжіння