Геофизическая аномалия

ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ АНОМАЛИЯ (а. geophysical anomaly; н. geophysikalische Anomalie; ф. anomalie geophysique; и. anomalie geofisica) — отклонение значений физического поля Земли от нормального, обусловленное различием физических свойств горной породы и неоднородностью её состава и строения. По геофизической аномалии изучают внутреннее строение Земли и земной коры, особенно её верхней части, проводят поиск и разведку месторождений полезных ископаемых, решают гидрогеологические и инженерные задачи.

Различают естественные нормальные поля (магнитное, гравитационное и геотермическое) и искусственно возбуждаемые (например, электрические поля постоянных токов). В последнем случае нормальным считают поле заданного источника в однородной среде.

При решении задач разведочной геофизики (малые размеры изучаемых неоднородностей) однородная среда отождествляется с полупространством (часть пространства, расположенная ниже поверхности Земли). Естественные нормальные поля описываются некоторыми аналитическими выражениями, при этом исходят из предположения, что Земля является однородным шаром или сфероидом. Например, для магнитного и гравитационного полей нормальное поле описывается определенным количеством членов разложения по сферическим функциям, коэффициент которых определяется по данным наземных или спутниковых наблюдений на всей земной поверхности или в околоземном пространстве.

Любое аномальное поле представляет собой суперпозицию аномалий различных порядков. В зависимости от их размеров выделяют материковые, региональные (площадь тысячи и десятки тысяч км²) и локальные (до тысяч км²) аномалии. При изучении локальных аномалий, имеющих наибольшее значение для разведочной геофизики, за нормальное поле принимается сумма нормального поля Земли и материковых и региональных аномалий. Основная задача при изучении аномального поля состоит в обнаружении и выделении геофизических аномалий, связанных с изучаемыми объектами, и в разделении аномального поля на составляющие различной природы. При этом применяются методы математической фильтрации, основанные на использовании моделей источников полей, аналитических свойств полей и особенностей морфологии и структуры поля.

После выделения отдельных аномалий и разделения поля на составляющие различной природы осуществляется физико-геологическая интерпретация геофизических аномалий. Она включает установление геологической природы аномалий (например, геофизические аномалии, связанные с месторождениями полезных ископаемых, — рудные, нефтяные и др.; структурные — характеризующие геологические структуры, тектонические нарушения, контакты пород; глубинные — определяемые строением земной коры и Земли в целом), количественное описание источников аномалий. Геологическая природа геофизических аномалий наиболее надёжно определяется при комплексных геофизических исследованиях. Основные методы нахождения количественных характеристик источников аномалий — определение обобщённых или интегральных характеристик источников; методы подбора, состоящие в построении математической модели источников, параметры которых характеризуют форму и размеры изучаемых объектов и т.п. и соответствуют изучаемым объектам. Количественные характеристики источников определяются обычно с невысокой точностью. Повышение точности достигается за счёт привлечения дополнительной информации (геолого-геофизических данных, результатов геологической съёмки, данных бурения и т.п.). Трудности выделения аномалий и нахождения количественных характеристик их источников определяются главным образом влиянием помех, которые подразделяются на случайные, обычно устраняемые специальными приёмами обработки наблюдений полей, и неслучайные — методами разделения полей. Понятия аномалии и помехи тесно связаны между собой: в общем случае под помехами понимаются все те изменения полей, которые не связаны с изучаемым объектом.

Геофизическая аномалия считается достоверной или надёжной, если её амплитуда в 2-3 раза превосходит среднеквадратичный уровень помех не менее чем в трёх соседних точках наблюдения. При большом числе аномальных точек это требование снижается, и в общем случае достоверность оценивается по величине отношения аномалии и помехи, равного для некоррелируемых помех отношению энергии аномалии (т.е. суммы квадратов её амплитудных значений) к дисперсии помех.

Наиболее изученными являются нормальные гравитационное поле Земли, геомагнитное поле и геотермическое поле. В наблюдённые значения силы тяжести при гравиметрической разведке вводится поправка, учитывающая высоту точки наблюдения над уровнем моря (аномалия Фая), а также и действие масс, расположенных между уровнем океана и физической поверхностью Земли (плотность масс принимают равной r=2670 кг/м³) — аномалия Буге. Если учитывается рельеф, то аномалии Буге иногда называют также топографическими. При проведении наблюдений силы тяжести в горных выработках аномалиями Буге называются также аномалии силы тяжести, в которые введены поправки, учитывающие влияние пустых камер, выработок, зон обрушения пород и т.д. (см. подземная геофизика). Аномалии, полученные после введения поправок за изостатическую уравновешенность различных блоков земной коры, называют изостатическими (см. изостазия). При высокоточных измерениях вводят поправки за притяжение Луны и Солнца, которое изменяется во времени (поправки за лунно-солнечные вариации). Локальные аномалии силы тяжести обычно имеют величину от долей мгал до десятков мгал (1 гал — 0,01 м/с²), региональные — десятки и сотни мгал.

Нормальное магнитное поле изменяется во времени в связи с явлением западного дрейфа северного магнитного полюса и поэтому периодически рассчитывается для определенных эпох (годов), при этом в другие годы вводятся соответствующие поправки. На поверхности Земли наблюдается 6 материковых (мировых) аномалий, наиболее интенсивной из которых является Восточно-Азиатская (величина аномалии для вертикальной составляющей магнитного поля равна 13,5 А/м для эпохи 1950). Локальные аномалии, изучаемые, например, магнитной разведкой, имеют интенсивность от 10-10⁴ гамм, региональные — 10³-10⁵ гамм (1 гамма = 7,96•10^-4 А/м). Уникальной локальной аномалией (около 100 А/м) является КМА, связанная с железистыми кварцитами.

Под нормальным полем в геотермических методах разведки понимается установившееся геотермическое поле в однородной толще горных пород при отсутствии в них источников тепла и кондуктивном (без массопереноса) характере теплопередачи. Нормальное поле задаётся линейной зависимостью изменения температуры с глубиной. В терморазведке, кроме поля температуры, изучают также поля геотермического градиента и плотности теплового потока, выделяя региональные и локальные аномалии. При этом региональные аномалии обычно изучают путём анализа полей градиента и плотности теплового потока, локальные — путём анализа поля температуры. Примером региональной аномалии, характеризующейся пониженным значением плотности теплового потока до 0,03 Вт/м², является КМА. Локальные аномалии температуры для нефтегазовых месторождений достигают нескольких градусов, для рудных залежей — в основном десятые доли градуса.

В горном деле на основе анализа и интерпретации геофизических аномалий изучаются особенности геологического строения окрестностей горных выработок и скважин, а также массивов пород, залегающих между горными выработками, скважинами и дневной поверхностью. Это позволяет решать задачи поисков и разведки полезных ископаемых, технического обслуживания действующих горнодобывающих предприятий, инженерной геологии и гидрогеологии. Так, по магнитным аномалиям фиксируются залежи сильномагнитных руд (магнетита), расположенные в стороне от горной выработки, по аномалиям ускорения силы тяжести при гравитационном каротаже выделяются рудные залежи с избыточной плотностью, определяются их форма и размеры; по аномалиям поглощения радиоволн (при радиоволновых методах разведки) обнаруживаются рудные зоны полезных ископаемых, характеризующиеся по сравнению с вмещающими породами пониженным сопротивлением. По аномалиям поглощения сейсмических волн проводится выявление подземных полостей и зон обрушения, по термическим аномалиям обнаруживают очаги подземных пожаров, вызванных, например, самовозгоранием сульфидных руд. Аномалиями высокой проводимости при электрической разведке фиксируются рудные тела, направление и скорость движения подземного водного потока.