Важнейшими инструментами познания современной структуры и истории формирования и развития геологической среды являются, помимо геологических бурение, геологич

ПРЕДИСЛОВИЕ

Важнейшими инструментами познания современной структуры и истории формирования и развития геологической среды являются, помимо геологических (бурение, геологическая съемка и др.), геофизические методы исследований. Эти методы базируются на известные физические законы, используемые геофизиками для изучения внутреннего строения и вещественных неоднородностей Земли и для решения конкретных региональных и поисково-разведочных геологических задач. Геофизика сочетает в себе физико-математические и геологические науки. Поэтому для овладения геофизическими методами исследований геофизик должен хорошо знать соответствующий физико-математический аппарат и понимать сущность геологии.

В свою очередь современный геолог должен знать не только о существовании геофизических методов поисков и разведки полезных ископаемых, но и ясно представлять физические основы этих методов, их возможности в решении теоретических и поисково-разведочных задач геологии, степень достоверности геофизических конструкций и моделей геологической среды, уметь перевести геофизические данные – геофизические поля и модели разрезов – на геологический язык. Будучи ответственным за геологическое задание, он обязан геофизически грамотно ставить перед геофизиками задачи на его выполнение.

К сожалению учебной литературы по геофизике в библиотеках Минска и Белорусского государственного университета пока недостаточно, она имеется лишь в единичных экземплярах, а применительно к геологическим условиям территории Беларуси вообще отсутствует.

Этот пробел призвано заполнить настоящее пособие. Оно подготовлено на основании многолетнего чтения автором лекций студентам- геологам и геофизикам географического факультета Белорусского государственного университета по курсу «Геофизические методы исследований».

Пособие открывается характеристикой современных представлений о внутреннем строении Земли в целом и особенностей глубинного строения тектоносферы на территории Беларуси. Приведена концепция геофизических исследований как для решения задач теоретической геологии, так и задач поисков и разведки полезных ископаемых.

Изложение геофизических – сейсмического, электрического, гравитационного и магнитного – методов исследования глубин земных недр ведется по единой схеме: физические и геологические условия возникновения поля, системы наблюдений и измеряемые характеристики поля, теория поля, методы решения прямых и обратных задач, методы выделения из наблюденного поля полей конкретной геологической природы, методика построения по наблюденным данным физических разрезов земной коры и пути их геологической интерпретации поля.

Вопросы же собственно геологической интерпретации геофизических полей, использования геофизических методов исследований непосредственно для решения региональных и разведочных геологических задач в Беларуси, читаемые студентам в курсах «Интерпретация геофизических материалов» и «Сейсмогеология», в данное пособие не вошли.

При подготовке настоящего пособия использованы учебники и учебные пособия ведущих советских и российских геофизиков. На наш взгляд, предлагаемое пособие будет полезным не только для усвоения студентами курсов лекций по геофизике, но и даст им основу для понимания геолого-геофизических задач, решаемых в Беларуси.

Автор выражает искреннюю признательность В. Н. Губину, Р. Г. Гарецкому, В. Н. Астапенко и Ю. Н. Стаднику, Г. И. Дорошкевич, Н. Р. Рудковской и Г. В. Черной за активное участие в подготовке пособия.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Геофизика – наука, изучающая физические поля, строение и физические свойства вещества Земли, физические процессы, происходящие в ее твердой (земная кора, мантия, ядро), жидкой (гидросфера) и газовой (атмосфера) оболочках. Термин «геофизика» чаще всего применяют для науки о физических явлениях только в твердых сферах Земли. Науку же о физических процессах в гидросфере называют физикой морей и океанов или гидрофизикой, а в атмосфере – физикой атмосферы.

Геофизика как наука о строении и физических неоднородностях твердой сферы Земли, подразделяется на физику Земли и поисково-разведочную геофизику (геофизические методы поисков и разведки полезных ископаемых). При этом она является комплексной наукой, включающей сейсмо-, грави-, термо-, электро-, магнито- и нуклеометрию (ядерную геофизику).

Физика Земли – теоретическая наука. Она изучает глубинное строение Земли и физические процессы, протекающие в ее глубинных оболочках. Развивается главным образом в академических институтах и университетах. В Республике Беларусь этой наукой занимается Институт геохимии и геофизики Национальной Академии наук Беларуси.

Поисково-разведочная геофизика, чаще именуемая как геофизические методы поисков и разведки полезных ископаемых или как разведочная геофизика (синоним – геофизическая разведка), – прикладная наука, изучающая физическими методами строение и вещественный состав верхнего слоя земной коры, в котором размещены месторождения полезных ископаемых, доступные для их извлечения современными способами. Геофизическая разведка основана на использовании различий физических свойств искомых полезных ископаемых и вмещающих их горных пород. В разведочных целях применяются гравитационный (плотность), магнитный (намагниченность), электрический (удельное электрическое сопротивление), сейсмический (волновое сопротивление и скорость распространения сейсмических волн), радиоактивный (радиоактивность) методы поисков и разведки в различных их модификациях.

Различают структурную, рудную и промысловую (геофизические исследования в скважинах) геофизику.

Поисково-разведочной геофизике как прикладной науке, уделяется большое внимание в отраслевых научно-исследовательских институтах, в вузах на факультетах геолого-геофизического профиля, а также в научно-производственных объединениях (в Республике Беларусь – в Белорусском научно-исследовательском геологоразведочном институте РУП «Белгеология»).

Геофизика тесно связана с физико-математическими, техническими (электроника, автоматика, кибернетика, космонавтика) и геологическими (геология, планетология, геохимия, геотектоника и др.) науками.

1. 3. СЕЙСМИЧЕСКИЙ МЕТОД РАЗВЕДКИ

4. 3.1. ФИЗИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ

5. СЕЙСМИЧЕСКОГО ПОЛЯ

7. Сейсмический метод разведки (сейсморазведка) основан на свойстве горных пород упруго деформироваться под воздействием внешних сил, возбуждаемых взрывами, и передавать упругую энергию от точки (частицы) к точке (частице) посредством упругих или сейсмических волн. Сейсмические волны распространяются в различных физико-геологических средах с разной скоростью, отражаясь и преломляясь на границах сред с разными упругими свойствами. Суть сейсморазведки заключается в следующем.

8. На профиле изучения сейсмогеологического строения последовательно расстанавливаются сейсмические приемники (рис. 3.1). В точке начала профиля в скважине на глубине 20–50 м закладывают взрывчатое вещество и взрывают его. При взрыве за пределами зоны разрушения частицы среды упруго деформируются, образуя сейсмические волны. Распространяясь в среде, волны, достигнув какой-нибудь границы раздела среды с разными упругими свойствами, отражаются (и преломляются) от нее и последовательно, смещаясь во времени, приходят в датчики сейсмоприемников. Здесь они преобразуются в электрические колебания-сигналы (импульсы), напоминающие затухающую во времени синусоиду. Сигналы записываются на какие-либо носители (фотобумагу, дискету и т. п.) с протяжкой во времени, а затем выносятся на плоскость в координатах: по оси ординат – время прихода импульса волн, а по оси абсцисс – точки с расположением сейсмоприемников вдоль профиля (см. рис. 3.1). Такой график, фотоблок, несущий информацию о наблюденном на данном профиле сейсмическом поле, называют сейсмограммой. Если теперь последовательно соединить точки сигналов с одной и той же фазой, то получим график, называемый годографом сейсмической волны от данной границы раздела (рис. 3.2). Если в геологической среде несколько границ, различных по упругим свойствам, то и годографов будет по числу границ. Поле сейсмических сигналов и годографы являются главными характеристиками сейсмического поля, несущего информацию, прежде всего, структуре конкретных границ раздела сред, о скоростях распространения сейсмических волн, а через них – об упругих свойствах среды и соответственно о вещественном составе геологической среды.

10. 
    

11. Рис. 3.1. Схема сейсмических наблюдений

13. Разберемся теперь с условиями возникновения сейсмических волн. Под упругим телом понимают такое тело, которое под воздействием внешних сил изменяет свой объем и форму, но восстанавливает их прежнее положение после прекращения воздействия. Это означает, что упругое тело обладает некоей внутренней силой, сопротивляющейся внешним давлениям. Эту силу называют напряжением. Связь между деформацией и напряжением упругого тела описывается линейным соотношением, называемым законом Гука (а упругое тело называют телом Гука). Существуют два вида деформаций – объема и формы. Так, если, скажем, кубик сжимать равномерно со всех сторон, то его объем уменьшается, но форма останется прежней – кубик (деформация объема, сжатия – растяжения). Если же нижнюю грань закрепить, а вдоль верхней грани приложить усилие, то форма кубика изменится – в вертикальном сечении будет параллелограмм (деформация сдвига), но численно объем сохранится.

14. В упругом теле передача энергии деформации, возникшей при внешних воздействиях, осуществляется последовательно от точки (частицы среды) приложения силы к другим частицам тела. При этом полученная некоей частицей энергия от соседней частицы постепенно со временем затухает. Процесс такой передачи энергии образует движение (распространение) в пространстве тела упругой или сейсмической волны. Скорость передачи энергии в среде, т. е. скорость распространения сейсмических волн в среде, зависит от ее упругих свойств. Картина этого явления записывается в виде затухающих электрических колебаний в сейсмоприемниках; соответствующую кривую называют записью или трассой (см. рис. 3.2).

16. 
    

17. Рис. 3.2. Схема формирования сейсмического годографа

19. Поскольку в возбужденном упругом теле возникают два вида деформации – объема и формы, то образуются два типа сейсмических волн: продольные, обусловленные деформацией объема, и поперечные, создаваемые деформациями формы (сдвиговыми деформациями). При этом продольные волны распространяются из-за смещения частиц среды вдоль направления волны за счет образования зон сжатия и растяжения, а поперечные – в результате скольжения частиц относительно друг друга по плоскостям, перпендикулярным направлению движения волны. Для большинства горных пород скорость продольных волн примерно в 1,7 раза больше скорости поперечных. В сейсморазведке продольные и поперечные волны объединяют единым понятием – «объемные волны». В отличие от них вдоль земной поверхности распространяются поверхностные волны со специфическим типом колебания частиц. В сейсморазведке они, как правило, не используются.

20. Распространение сейсмических волн в среде характеризуется сейсмическими лучами, показывающими направление движения волны, и перпендикулярными лучам поверхностями. При этом колебание частиц в данный момент времени характеризуют двумя поверхностями: внешней относительно источника волны, называемой фронтом (или передним фронтом) и внутренней, которую именуют тылом (или задним фронтом). Для более глубокого понимания понятий «фронт» и «тыл» волны рассмотрим произвольную частицу среды – М. До прихода в эту точку фронта волны частица М находится в покое. Как только фронт волны в момент t₀ пересечет точку М, т. е. произойдет вступление волны, частица М начнет колебаться по типу затухающей «синусоиды». Это колебание прекратится, когда через точку М в момент t₁ = t₀+t пройдет тыл волны.

21. Пусть в некоторой в общем случае неоднородной по упругим свойствам среде известно положение фронта в момент t₁, являющегося огибающей совокупности точек M_i(t₁). Используя принцип Гюйгенса о независимости процесса колебания каждой частицы среды от соседних частиц на малых промежутках времени, поверхность соседнего фронта в момент t₂ = t₁+t получают как огибающую точек M_i(t₂), удаленных от соответствующих точек M_i(t₁) исходного фронта на расстояниях r_i = V_it, отложенных вдоль сейсмических лучей (здесь V_i – скорость распространения сейсмической волны в произвольной точке M_i).

22. В однородной среде фронт волны имеет сферическую форму. При значительном удалении от пункта взрыва на небольшом участке его можно принять плоским. Это обстоятельство широко используется в сейсморазведке (часто рассматриваются плоские волны). Вид записей импульсов (трасс) сейсмических волн будет одинаковым для однородных сред.

23. Если же среда неоднородна по упругим свойствам, то скорости распространения в ней сейсмических волн будут различны, а колебания частиц (импульсы) примут разную форму. Чтобы сопоставить два каких-либо импульса, возбужденных разными или одинаковыми средами, и решить вопрос о степени их сходства и различия, применяют методику спектрального разложения наблюденных импульсов (разложения периодических функций в ряд Фурье). Суть его в том, что данный импульс как периодическую функцию времени представляют системой синусоид (косинусоид) с заранее зафиксированным набором частот. Затем строятся два графика. Первый график представляют в следующих координатах: по оси абсцисс – частоты, по оси ординат – амплитуды синусоид; такой график называют линейчатым спектром амплитуд. На втором графике на оси ординат откладывают значения фаз синусоид; его называют линейчатым спектром фаз. Спектральное представление непериодических импульсов сейсмических волн приводит к построению непрерывных спектров импульсов и фаз.

24. В сейсморазведке значительное внимание уделяется изучению в конкретном геологическом регионе спектрального состава различных типов сейсмических волн (отраженных, преломленных, поверхностных, а также микросейсмических, вызванных ветром, дождем, техногенными факторами) в целях выбора наиболее надежно фиксируемых волн.

25. Геологическая среда, разумеется, не является ни однородной, ни абсолютно упругой (как это требует закон Гука). Поэтому энергия сейсмических волн в ней быстро убывает в силу трения между частицами среды. Происходит рассеивание волн при прохождении через объекты, размеры которых соизмеримы с длиной волны. Часть энергии расходуется на образование отраженных и преломленных волн. Все это приводит к в уменьшению амплитуд сейсмических волн с глубиной. При сопоставлении продольных и поперечных волн в этом аспекте выигрывают продольные волны: они меньше затухают, имеют большую интенсивность и легко возбуждаются. Поэтому в сейсморазведке главным образом используются продольные волны.

1. В. П. Алексеев литолого-фациальный

   Документ
   ... и умело используются данные о современных геологических про­цессах и явлениях в ... очень широкое развитие и являются сами по себе важным диагностическим призна ... формирования Рис. 3.30. Стилолиты (но Р.Шроку, 1950). А - обыкновенная стилолитовая структура ...

2. Пространство событий

   Документ
   ... Структуры. Современные Научные Корифаны иногда нашу Двурогую Вселенную называют Галактикой, а остальную Матрешечную Среду ... что является принципиально важным для развития этой науки, познания ее ... недавней истории. Перечислены далеко не все геологические ...

Другие похожие документы..