Разведочная геофизика

РАЗВЕДОЧНАЯ ГЕОФИЗИКА (а. exploration geophysics; н.Erkundung- geophysik; ф. exploration geophysique; и. geofisica de prospeccion, geofisica de exploracion, geofisica de cateo), геофизические методы разведки месторождений полезных ископаемых, — раздел геофизики, изучающий пространственно-временное изменение геофизических полей в земной коре главным образом с целью поисков и разведки месторождений полезных ископаемых, контроля их разработки, решения инженерно-геологических задач (при строительстве крупных сооружений дорог, нефтепроводов и др.), археологических поисков. Данные разведочной геофизики используются также при решении фундаментальных проблем наук о Земле (геодинамики, геохронологии, стратиграфии и др.), для литомониторинга и разработки мер по охране окружающей среды.

Разведочная геофизика основана на измерении естественных (геомагнитных, гравитационных, электромагнитных, геотермических, ядерно-физических полей и упругих колебаний) и искусственно создаваемых полей (электрогенераторами, взрывами и невзрывными источниками, источниками ионизирующих излучений), изменения которых определяются неоднородностью состава, строения, изменчивостью свойств земной коры и процессами, в ней происходящими. Методы искусственных полей обладают большей разрешающей способностью и достоверностью, естественных полей — более высокой экономической эффективностью. Геофизические исследования проводятся из космоса и в атмосфере со спутников, самолётов и вертолётов (космогеофизическая и аэрогеофизическая разведка), на акваториях с морских судов (морская геофизическая разведка), на земной поверхности (полевая геофизика), под землёй (в скважинах; см. Геофизические исследования в скважинах) и в других подземных горных выработках — подземная, или шахтно-рудничная, геофизика.

Разведочная геофизика тесно связана с науками о Земле: общая и региональная геология, стратиграфия, инженерная геология, поиски и разведка полезных ископаемых, минералогия, петрография, горные науки, а также с физическими, математическими и техническими науками. При выборе методики исследования большую роль играет решение прямой задачи разведочной геофизики, направленной на изучение распределения в пространстве (или во времени) конкретного параметра поля (или его компонента) для заданной физико-геологической модели, характера и расположения источников поля. Прямая задача решается путём математического либо физического моделирования. Основой интерпретации геофизической информации служит решение обратной задачи, когда по пространственно-временному распределению геофизического поля определяют строение и свойства изучаемого объекта. Наиболее ответственным и трудоёмким этапом является геологическая интерпретация, при проведении которой геофизическая информация используется в сочетании с данными других видов наблюдений (бурение, геохимия и др.).

В зависимости от вида исследуемого поля или его отдельных параметров выделяют различные модификации методов разведочной геофизики. При гравиметрической разведке измеряют ускорение силы тяжести или производные потенциала силы тяжести (вариометрия); при магнитной разведке — модуль полного вектора индукции геомагнитного поля либо его компонентов или их производные (магнитная градиентометрия). Сейсмическая разведка основана на изучении скорости распространения и поглощения отражённых сейсмических волн (отраженных волн метод и его основная модификация — общей глубинной точки способ), преломлённых волн (преломленных волн метод) либо на одновременной регистрации нескольких типов волн (многоволновая сейсмика). В зависимости от решаемых задач используются различные компоненты частотного спектра сейсмических волн: для региональных задач — низкие частоты (глубинное сейсмическое зондирование), для локальных исследований — высокочастотная часть спектра (высокоразрешающая сейсмика, геоакустика). Геотермические методы базируются на изучении характеристик теплового поля Земли, создаваемого тепловым потоком, идущим с глубин, и локальными источниками (горячие воды, экзотермические реакции в горных породах и др.; см. Геотермические поиски месторождений). Методами электрической разведки исследуются потенциал или напряжённость постоянного электрического поля (например, методы сопротивления и др.) либо амплитудные и фазовые характеристики электрического или магнитного компонента переменного электромагнитного поля (методы становления поля, вызванной поляризации, частотного зондирования, магнитотеллурические и др.). Ядерно-физическими методами исследуют ионизирующие излучения (естественные или искусственно вызванные) в горных породах. Измеряют гамма-излучение в интегральном и спектральном вариантах (гамма-спектрометрия), потоки нейтронов различной энергии (нейтронометрия) и др.

Специфическим разделом разведочной геофизики являются геофизические исследования в скважинах (ГИС). Наиболее эффективны методы электрометрии (каротаж сопротивления, диэлектрический каротаж и др.), геоакустики (акустический каротаж, акустическое прозвучивание) и ядерно-физические методы (импульсный нейтронный и ядерно-магнитный каротаж, гамма-спектрометрия и др.). Широко используются геофизические методы контроля технологии бурения и технического состояния скважин (инклинометрия, кавернометрия, определение качества цементирования обсаженных скважин, прогноза буримости пород, зон аномального пластового давления и методы вскрытия пластов — перфорации и бокового отбора керна) и методы ликвидации аварий при бурении (определение мест прихвата и его ликвидация). Важным разделом разведочной геофизики являются способы изучения физических свойств и вещественного состава горных пород и полезных ископаемых и связи этих свойств с минералогическими, петрофизическими и другими характеристиками. Изучение закономерностей изменения физических свойств в пространстве является основой для построения геолого-геофизических моделей для правильной интерпретации геофизических съёмок в различных целях.

Методы разведочной геофизики являются важнейшей составной частью технологии всех стадий геологоразведочного процесса и служат информационной основой в первую очередь для его оптимизации. При региональном изучении глубинных зон земной коры наиболее эффективно применение аэрокосмических методов (оптических, радиоволновых, аэрогамма-методов, аэромагнитной и аэроэлектроразведки) и глубинных полевых и морских методов. При поисках месторождений превалирует комплексное использование полевых методов (сейсморазведка, электроразведка, грави- и магнитометрия в сочетании с наблюдениями в скважинах). Конечной целью на этой стадии является определение мест заложения скважин, прямой прогноз строения геологического разреза и контуров месторождений. На стадии оценки месторождений и подсчёта запасов широко применяются методы ГИС и подземной геофизики. Рациональным является комплексирование разведочной геофизики с геохимическими методами. Геофизические исследования позволяют сократить объём дорогостоящих буровых работ и более достоверно вести подсчёт запасов месторождений полезных ископаемых.

Современная аппаратура для разведочной геофизики характеризуется широким использованием компьютеризированных устройств и новейших мощных ЭВМ для цифровой регистрации и обработки больших массивов информации, применением термобаростойких материалов и изделий, позволяющих проводить прецезионные измерения на глубине свыше 10 км (в скважинах и на дне акваторий), а также в экстремальных климатических условиях.

Главные направления развития разведочной геофизики: конструирование технических средств регистрации параметров геофизических полей и машинной обработки данных, резко уменьшающих трудовые и экономические затраты; разработка научных основ интегрированной обработки и системного анализа разноуровенной (космос, воздух, земля, скважина) комплексной геолого-химико-геофизической информации.

Исторический очерк. Зарождение разведочной геофизики связано с развитием геофизики, физики, механики, астрономии и геодезии, в рамках которых были заложены основы отдельных методов разведочной геофизики. Как самостоятельная наука разведочная геофизика оформилась в начале 20 века, когда отдельные методы развились настолько, что стало возможным их применение для решения геологических задач. Наибольший вклад в решение фундаментальных проблем, разработку теории и физико-геологических основ разведочной геофизики внесли русские и советские учёные. Первым, обратившим внимание на связь силы гравитации тяжести с наличием тяжёлых тел в Земле, был М. В. Ломоносов (1753). В 1783 П. Б. Иноходцевым по отклонению стрелки компаса была открыта Курская магнитная аномалия. В 1872 И. И. Стебницкий по уклонению отвеса предположил наличие погребённых аномальных масс в восточном Закавказье. В конце 19 века Д. И. Менделеев провёл геомагнитные съёмки на Урале и в Кривом Роге. В начале 20 века Е. И. Рогозин предложил использовать электрические методы для поисков руд, В. И. Вернадский высказал идею об использовании естественной радиоактивности для поисков руд урана и радия. В 1911 Б. Б. Голицын показал возможности использования упругих волн, возникающих при землетрясениях и взрывах, для изучения строения земной коры.

В 1919 по указанию В. И. Ленина были начаты исследования KMA, где впервые с разведочной целью использовались магнитный и гравиметрический метод. Эти работы, выполненные О. Ю. Шмидтом, П. П. Лазаревым, П. Н. Никифоровым, Л. В. Сорокиным, А. И. Заборовским, Б. В. Яновским, Г. А. Гамбурцевым и др., имели принципиальное значение для развития разведочной геофизики в целом. В 1923 В. С. Воюцким запатентован метод отражённых волн. В 20-е гг. возникли отдельных исследовательские центры по разведочной геофизике: в 1920 — Институт физики и биофизики в Москве (М. П. Воларович, М. И. Поликарпов, Н. К. Шодро), в 1923 — НИИ прикладной геофизики в Ленинграде (А. А. Петровский, В. И. Бауман, Б. В. Нумеров, Л. Я. Нестеров).

В 30-е гг. в CCCP создаётся геофизическая служба для использования разведочной геофизики в геологоразведочном процессе. Особая роль в развитии и приоритете отечественных сейсморазведки принадлежит Г. А. Гамбурцеву, выполнившему первые сейсмические исследования методом преломлённых волн и методом отражённых волн на Байкале (1934). В 1938 Г. А. Гамбурцевым с участием Ю. В. Ризниченко, И. С. Берзон, А. М. Епинатьевой, Е. В. Kapyca и др. был предложен и разработан корреляционный метод преломлённых волн (КМПВ) и на его основе развит метод глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ; совместно с П. С. Вейцман, Ю. Н. Годиным, И. П. Косминской и др.). В 1936 А. А. Логачёвым выполнены первые работы по созданию аэрогеофизических методов. В 1937 Л. А. Рябинкиным предложен регулируемого направленного приема метод.

Интенсивное развитие разведочная геофизика получила в 40-50-е гг., когда были разработаны теоретические и методические основы важнейшего метода разведочной геофизики — сейсморазведки (Ю. В. Ризниченко, И. С. Берзон, И. И. Гурвич и др.). Создавались и широко развивались различные модификации геофизических исследований в скважинах (Л. М. Альпин, В. Н. Дахнов, С. Г. Комаров). Предложены методы акустического (Ю. В. Ризниченко, Е. В. Kapyc, 1954), импульсного нейтронного (Г. Н. Флёров, Ю. С. Шимелевич, 1959) и гамма-плотностного (Ю. П. Булашевич, 1957) каротажа, вертикальное сейсмическое профилирование (Е. М. Гальперин, 1955), поперечных волн метод (Г. А. Гамбурцев, Н. Н. Пузырёв) и начато их внедрение. Созданы электромагнитные методы изучения геологического строения (А. Н. Тихонов, М. Н. Бердичевский, Л. Л. Ваньян, Б. С. Эненштейн и др.) и поиска рудных месторождений (радиоволновое просвечивание — А. Г. Тархов, метод заряда — А. С. Семёнов, пьезоэлектрический метод — М. П. Воларович). В 50-е гг. выполнены первые работы в области геотермических поисков и разведки месторождений (Е. А. Любимова), по совершенствованию способов интерпретации данных геофизических полей (В. Н. Страхов и др.), по созданию высокоточных гравиметров, в т.ч. для измерения в движении (Ф. Д. Буланже, М. С. Молоденский, В. В. Федынский). В 40-50-е гг. произошли существенные изменения в организации научных исследований в области разведочной геофизики. Были созданы крупные специализированные всесоюзные научно-исследовательские институты: геофизических методов разведки (ВнииГеофизика), ядерной геофизики и геохимии (ВНИЯГГ) — в Москве; разведочной геофизики (ВИРГ) — в Ленинграде; геофизических исследований в скважинах (ВНИИГИС) — на Урале и других городах. В 60-80-е гг. проведены работы по широкому внедрению автоматизированных исследований, полной компьютеризации обработки геофизических данных (М. К. Полшков, Е. А. Козлов, Н. Н. Сохранов, Г. Н. Гогоненков, Б. Е. Векслер и др.). Создана принципиально новая методология геофизических исследований с применением управляемых сильных полей, взаимодействие которых со средой характеризуется нелинейной зависимостью (О. Л. Кузнецов, Ю. С. Шимелевич).

За рубежом наибольший вклад в развитие разведочной геофизики внесли А. Мохоровичич (Югославия), Л. Этвеш (Венгрия), Б. Гутенберг (Германия), Д. и К. Шлюмберже, Л. Каньяр, Ф. Кюнец и Н. Баранов (Франция), Х. Майн и Д. Клаербут (США).

Исследования по развитию теории, методики и созданию средств разведочной геофизики в CCCP ведутся в Институте физики Земли им. О. Ю. Шмидта Академии Наук CCCP, Институте геологии и геофизики CO Академии Наук CCCP, Институте геофизики Уральского научного центра, Ленинградского отделения Математического института Академии Наук CCCP, Институте геофизики им. С. И. Субботина Академии Наук УССР, во всесоюзных научно-исследовательских институтах Министерства геологии CCCP, а также в ряде вузов страны (МГУ, ЛГУ, МГРИ, МИНГ, ЛГИ). Основные периодические издания по разведочной геофизике — журналы "Разведочная геофизика" и "Прикладная геофизика" (Москва), "Геофизический сборник" (Киев) и "Геология и геофизика" (Новосибирск).

Международное сотрудничество в области разведочной геофизики осуществляется в рамках Европейской ассоциации геофизиков-разведчиков, Американской ассоциации геофизиков-разведчиков, геофизических симпозиумов социалистических стран, а также на геофизических секциях Международных геологических конгрессов и Мировых нефтяных конгрессах.