Астронет > Геофизические методы исследования земной коры. Часть 2

Астронет: Геологический факультет МГУ Геофизические методы исследования земной коры. Часть 2
http://variable-stars.ru/db/msg/1173324/page2.html

Геофизические методы исследования земной коры

В прямых задачах геофизики для простых ФГМ (одномерные среды, когда физические свойства меняются в одном направлении, например, горизонтально-слоистая среда, некоторые двумерные или трехмерные, например, длинный цилиндр или шар в однородной среде) имеются аналитические связи между П_а и П_о . Для более сложных ФГМ, близких к реальным, определение П_а по П_о производится приближенными численными методами. Однако практически все решения настолько сложны, что даже с помощью компьютеров можно получить их далеко не для всех ФГМ.

Решение обратных задач чаще всего проводится методом сравнения. Сущность его заключается в том, что экспериментальные кривые, графики или карты аномальных параметров последовательно сравниваются с соответствующими графическими материалами, рассчитанными в ходе решения прямой задачи на компьютерах для априорных (до опыта) ФГМ. Они выбираются в ходе ОГД и качественной (визуальной) интерпретации, когда на графически представленных аномальных полях выявляются аномалии, коррелируются аномалии и сопоставляются со всей имеющейся геолого-геофизической информацией. Меняя параметры модели (физические свойства и геометрические характеристики) и проводя расчеты прямых задач в автоматическом или диалоговом режиме работы на компьютере, добиваются наилучшего совпадения экспериментальных и теоретических данных. Параметры совпадающей теоретической модели (ФС и ГФХ), называемой апостериорной (после опыта) ФГМ, считаются наиболее вероятными для аппроксимации разведываемого объекта (П_о ).

Математическое решение прямых задач, т.е. определение параметров физического поля по известным физическим свойствам, размерам и форме геологических объектов, хотя и сложно, но однозначно. Вместе с тем одно и то же распределение параметров физического поля может соответствовать различным соотношениям физических свойств и размеров геологических объектов. Иными словами, математическое решение обратной задачи геофизики, т.е. определение размеров геологических объектов и свойств слагающих их пород по наблюденному полю, не только значительно сложнее, но и, как правило, неоднозначно. Это объясняется некорректностью обратных задач математической физики, когда малым изменениям П_а могут соответствовать большие изменения П_о.

Решение обратных задач (ОЗ) и обработка геофизических данных (ОГД) составляют самый ответственный цикл геофизических исследований - интерпретацию, или истолкование, результатов, т.е. восстановление физико-геометрических параметров объектов (П_о) по создаваемым ими аномалиям (П_а). Интерпретация геофизических данных проводится в рамках ФГМ и дает некоторое эквивалентное решение, которое в неблагоприятных геолого-геофизических условиях, например, для объектов малых размеров, расположенных на большой глубине, может резко отличаться от истинного. Для повышения точности геофизической интерпретации необходимо иметь дополнительную информацию: результаты нескольких геофизических методов, опорные скважины, данные ГИС в них и др.

Наконец, заключительным этапом геофизического процесса, конечной целью исследований является геологическая интерпретация (ГИ) или обращение физико-геометрических параметров объекта (П_о = ФС + ГФХ) в геолого-геометрические (П_г = ГС + ГГХ). Если перевод геометрических характеристик, полученных в результате геофизических исследований (ГФХ), в геологические (ГГХ) понятен, хотя и производится с разными погрешностями, то обращение физических свойств (ФС) выявленных объектов в геологические (ГС) - проблема очень сложная. Ее решение проводится в рамках петрофизики, т.е. научной дисциплины, находящейся на стыке петрологии и физики горных пород, предназначенной устанавливать теоретические, эвристические и статистические связи между ФС и ГС. Трудности здесь прежде всего в том, что если ФС выражается количественно (хотя и с погрешностями), то ГС далеко не всегда можно формализовать в виде чисел.

Основными геологическими свойствами являются: литология (Л), структурно-текстурное строение (С-Т), флюидонасыщенность (Ф), характеризующие соответственно минеральный и петрографический состав твердой среды, объем, характер строения пустот, пор, трещин и прочность пород; содержание в них воздуха (газа), нефти, воды.

Литология пластичных и рыхлых осадочных пород численно может быть выражена, например, в виде арифметического ряда чисел: от Л = 1, 2, 3 для тяжелых, средних, легких глин, далее таких же суглинков (4, 5, 6), супесей (7, 8, 9), песков (10, 11, 12), а также галечников (13) и валунов (14). В этом ряду Л пропорциональна среднему диаметру твердых частиц ( $d _{ ср}$ ), который является основным диагностическим признаком пластичных и рыхлых осадочных пород.

Пустотность породы может быть выражена через пористость и трещиноватость, т.е. отношение объема пор и трещин к объему твердой фазы ( $n = V _{ п} / V _{ тф}$ ).

К структурно-текстурным особенностям породы относятся деформационно-прочностные свойства: модуль деформации ( $Е _{ деф}$ ), предел прочности на сжатие ( $\sigma _{ сж}$ ) и др.

Флюидонасыщенность можно охарактеризовать через коэффициенты газо-, нефте-, водонасыщенности, или отношения объемов этих фаз к объему всей породы ( $К _{ г} , К _{ н} , К _{ в}$ ), коэффициенты фильтрации ( $К _{ ф}$ ), проницаемости ( $К _{ \mu }$ ) и др.

Физико-геологические связи многофакторны, поэтому их лучше всего определять с помощью многомерной корреляции. С этой целью для любого геологического свойства изучаемого района надо получать уравнение многомерной связи, называемое уравнением регрессии, с рядом геофизических свойств. Например, коэффициент нефтенасыщенности можно определить по формуле: $К _{ н} = aV _{ p} + b \rho + c \eta$ , где $a, b, c$ - коэффициенты, которые находятся в ходе эталонирования (обучения) на участках с известными $К _{ н}$ , скоростями продольных волн ( $V _{ p}$ ), удельными электрическими сопротивлениями ( $\rho$ ) и поляризуемостями ( $\eta$ ) нефтеносных пород изучаемого района. По одному геофизическому свойству можно пытаться определить ряд геологических с помощью одномерных уравнений линейной связи. Однако надежность таких расчетов невысока.

Таким образом, геофизические исследования представляют собой последовательность операций:

$ПР \rightarrow ОГД \rightarrow ОЗ \rightarrow ГИ,$

позволяющую получить цепочку соответствующих параметров:

$П _{ н} \rightarrow П _{ а} \rightarrow П _{ о} (ФС + ГФХ) \rightarrow П _{ г} (ГС + ГГХ).$

Такая последовательность геофизических исследований с набором информативных параметров разной природы называется информационной моделью геофизики.

Каждая из четырех операций геофизического процесса характеризуется своей погрешностью, зависящей от ряда факторов. Общая погрешность наблюдений равна сумме погрешностей, т.е. складывается из погрешностей наблюдений ( $\delta _{ н}$ ), процедур обработки ( $\delta _{ огд}$ ), решения обратной задачи ( $\delta _{ оз}$ ) и геологической интерпретации ( $\delta _{ ги}$ ). Погрешности наблюдений и обработки наиболее управляемы, взаимопогашаемы. Погрешности $\delta _{ оз}$ останутся большими, даже если свести к минимуму погрешности наблюдений и обработки, так как в этом случае перед геофизиками стоит труднопреодолимая некорректность решения обратной задачи. Большие ошибки в $\delta _{ ги}$ будут, если геологическое свойство определяется только по одному геофизическому параметру.

Поэтому комплексирование методов и повышение точности решения ОЗ за счет использования более точных ФГМ, все более мощных компьютеров, использования методов регуляризации некорректных задач (уменьшение неоднозначности) и других приемов является условием повышения точности геофизических исследований. Вместе с тем лишь при полнейшем использовании всей геологической информации, когда геологическое истолкование проводится геофизиками и геологами совместно, можно ожидать наибольшего эффекта в изучении недр Земли.

Существуют различные виды классификации геофизических методов исследования земной коры по:

используемым полям (грави-, магнито-, электро-, сейсмо-, термогеофизика и ядерная геофизика);
технологиям и месту проведения работ (аэрокосмические, полевые, акваториальные, подземные методы и геофизические исследования скважин);
прикладным, целевым направлениям и решаемым задачам (глубинная, региональная, разведочная, инженерная и экологическая геофизика);
видам деятельности (теоретическая, инструментальная, экспериментальная, вычислительная и интерпретационная геофизика).

Особое место в геофизике занимают геофизические исследования скважин (ГИС), отличающиеся от прочих геофизических методов специальной аппаратурой, техникой проведения наблюдений и имеющие большое прикладное значение при документации разрезов скважин и их эксплуатации при добыче нефти и газа.

Как отмечалось выше, верхние оболочки Земли являются предметом исследования не только геофизики, но и других наук: геологии со всеми разделами, геохимии, географии и др. Геофизические методы исследования, базируясь на этих науках, являются, прежде всего, геологическими. Вместе с тем, давая другим наукам о Земле всевозможную информацию, они изменяют сам характер геолого-разведочных работ. О большой роли геофизики говорит, например, такой факт: треть ассигнований и четверть специалистов в геолого-разведочных организациях связаны с геофизикой. Вместе с тем важнейшим методологическим принципом, под которым понимается теория рациональной деятельности, для геофизической разведки является комплексирование: межметодное геофизическое (применение хотя бы двух-трех из перечисленных методов геофизики), разноуровневое (аэрокосмические, аквально-полевые, подземно-скважинные наблюдения), междисциплинарное (использование геологической, гидрогеологической, биологической, экологической, медицинской и другой информации). Методика комплексных исследований характеризуется стадийностью (переходом от простых методов к более трудоемким, от мелких масштабов к крупным), выбором типовых комплексов для определенных условий и решаемых задач, переходом к рациональным, экономически обоснованным методам решения конкретных задач. Теория комплексной интерпретации на базе компьютерных технологий разрабатывается в рамках вычислительной геофизики или геофизической информатики. Цель комплексной интерпретации сводится к достижению однозначности геологических выводов путем выбора, анализа, оптимизации ФГМ.

Возрастание роли геофизики в связи с увеличением глубин и сложности разведки месторождений ведет не к замене геологических методов геофизическими, а к рациональному их сочетанию, широкому использованию всеми геологами данных геофизики. Единство и взаимодействие геологической и геофизической информации - руководящий методологический принцип комплексирования наук о Земле. Объясняется это тем, что возможности каждого частного метода геологоразведки (геологическая съемка, бурение, проходка выработок, геофизика, геохимическая разведка и др.) ограничены. В любом случае геофизика облегчает разведку глубокозалегающих полезных ископаемых, особенно в труднодоступных районах, а также изучение геологической среды с инженерными и экологическими целями. Сближение и совместное использование геологической, геофизической и геохимической информации - единственно разумный и экономически целесообразный путь изучения недр.

В настоящей работе рассмотрены особенности геолого-геофизического комплексирования как в общем случае, так и применительно к таким видам прикладной геофизики, как глубинная, региональная, разведочная, инженерная и экологическая. Первые четыре вида прикладной геофизики существуют давно, достаточно хорошо разработаны и неоднократно рассматривались в учебниках и учебных пособиях. Экологическая же геофизика, предназначенная для изучения структурных нарушений, химического и физического загрязнения природной среды, представляет собой новый научно-прикладной раздел геофизики. Основы экологической геофизики заложены в сформировавшихся методах прикладной геофизики, поскольку экологические аспекты присутствуют в глубинной, региональной, разведочной и особенно инженерной геофизике. В главе 6 настоящей работы они выделены в виде нового геофизического направления - экологической геофизики.

Назад| Вперед