Геофизика разведки — прикладная отрасль геофизики и экономической геологии , которая использует физические методы на поверхности Земли , такие как сейсмические, гравитационные, магнитные, электрические и электромагнитные, для измерения физических свойств недр, а также аномалий в этих свойствах. Чаще всего она используется для обнаружения или вывода о наличии и положении экономически полезных геологических месторождений, таких как рудные минералы; ископаемое топливо и другие углеводороды ; геотермальные резервуары; и резервуары подземных вод . Она также может использоваться для обнаружения наличия неразорвавшихся боеприпасов .
Геофизика разведки может использоваться для прямого обнаружения целевого типа минерализации путем прямого измерения ее физических свойств. Например, можно измерить контрасты плотности между плотной железной рудой и более легкой силикатной вмещающей породой, или можно измерить контраст электропроводности между проводящими сульфидными минералами и резистивной силикатной вмещающей породой.
Основные используемые методы:
Разработано и в настоящее время используется множество других методов или методов интеграции вышеупомянутых методов. Однако они не так распространены из-за экономической эффективности, широкой применимости и/или неопределенности в полученных результатах.
Геофизика разведки также используется для картирования подземной структуры региона, для выяснения глубинных структур, для распознавания пространственного распределения горных пород и для обнаружения таких структур, как разломы, складки и интрузивные породы. Это косвенный метод оценки вероятности залежей руды или скоплений углеводородов.
Методы, разработанные для поиска месторождений полезных ископаемых или углеводородов, могут также использоваться в других областях, таких как мониторинг воздействия на окружающую среду, получение изображений подземных археологических памятников, исследование подземных вод, картирование солености подземных пластов, исследование участков гражданского строительства и получение межпланетных изображений.
Магнитометрические исследования могут быть полезны для определения магнитных аномалий, которые представляют собой руду (прямое обнаружение) или, в некоторых случаях, жильные минералы, связанные с рудными месторождениями (косвенное или выведенное обнаружение).
Самый прямой метод обнаружения руды с помощью магнетизма включает обнаружение минерализации железной руды посредством картирования магнитных аномалий, связанных с полосчатыми железистыми образованиями , которые обычно содержат магнетит в некоторой пропорции. Скарновая минерализация, которая часто содержит магнетит, также может быть обнаружена, хотя сами рудные минералы будут немагнитными. Аналогично, магнетит, гематит и часто пирротин являются распространенными минералами, связанными с гидротермальным изменением , которое может быть обнаружено, чтобы сделать вывод о том, что какое-то минерализующее гидротермальное событие повлияло на породы.
Гравиметрическая съемка может использоваться для обнаружения плотных тел горных пород внутри вмещающих образований менее плотных боковых пород. Это может использоваться для прямого обнаружения месторождений руды типа долины Миссисипи , месторождений руды IOCG , месторождений железной руды, скарновых месторождений и соляных диапиров, которые могут образовывать ловушки для нефти и газа.
Электромагнитные (ЭМ) исследования могут использоваться для обнаружения самых разных месторождений полезных ископаемых, особенно сульфидов цветных металлов, путем обнаружения аномалий проводимости, которые могут образовываться вокруг сульфидных тел в недрах. ЭМ исследования также используются при разведке алмазов (где кимберлитовые трубки, как правило, имеют более низкое сопротивление, чем вмещающие породы), разведке графита , урановых месторождений, размещенных в палеоканалах (которые связаны с неглубокими водоносными горизонтами, которые часто реагируют на ЭМ исследования в проводящей покрывающей породе). Это косвенные инференциальные методы обнаружения минерализации, поскольку искомый товар не является напрямую проводящим или недостаточно проводящим, чтобы его можно было измерить. ЭМ исследования также используются при исследовании неразорвавшихся боеприпасов , археологических и геотехнических исследованиях.
Региональные ЭМ исследования проводятся с помощью воздушных методов, с использованием самолетов с фиксированным крылом или вертолетных ЭМ установок. Поверхностные ЭМ методы основаны в основном на переходных ЭМ методах, использующих поверхностные петли с поверхностным приемником или скважинный инструмент, опускаемый в скважину, которая пересекает тело минерализации. Эти методы могут картировать сульфидные тела в земле в трех измерениях и предоставлять геологам информацию для направления дальнейшего разведочного бурения на известную минерализацию. Поверхностные петли исследования редко используются для региональной разведки, однако в некоторых случаях такие исследования могут быть использованы с успехом (например, исследования SQUID для тел никелевой руды).
Методы электрического сопротивления, такие как методы вызванной поляризации, могут быть полезны для прямого обнаружения сульфидных тел, угля и резистивных пород, таких как соль и карбонаты.
Сейсмические методы также могут использоваться для разведки полезных ископаемых, поскольку они могут обеспечить получение изображений геологических структур с высоким разрешением, содержащих месторождения полезных ископаемых. Применяются не только поверхностные сейсмические исследования, но и методы скважинной сейсморазведки. В целом, использование сейсмических методов для разведки полезных ископаемых неуклонно растет. [1]
Методы сейсмического отражения и преломления являются наиболее широко используемыми геофизическими методами в разведке углеводородов. Они используются для картирования подземного распределения стратиграфии и ее структуры, что может быть использовано для разграничения потенциальных скоплений углеводородов, как стратиграфических, так и структурных залежей или «ловушек». Каротаж скважин является еще одним широко используемым методом, поскольку он предоставляет необходимую информацию высокого разрешения о свойствах горных пород и флюидов в вертикальном сечении, хотя они ограничены по площади. Это ограничение по площади является причиной того, почему методы сейсмического отражения так популярны; они предоставляют метод интерполяции и экстраполяции информации каротажа скважин на гораздо большую площадь.
Гравитация и магниторазведка также используются, с большой частотой, в разведке нефти и газа. Они могут быть использованы для определения геометрии и глубины скрытых геологических структур, включая поднятия , оседающие бассейны , разломы , складки , магматические интрузии и соляные диапиры из-за их уникальной плотности и магнитной восприимчивости по сравнению с окружающими породами; последнее особенно полезно для металлических руд.
Методы дистанционного зондирования , в частности гиперспектральная съемка , использовались для обнаружения микропросачиваний углеводородов с использованием спектральной сигнатуры геохимически измененных почв и растительности. [2] [3]
В частности, в море используются два метода: морское сейсмическое отражение и электромагнитный каротаж морского дна (SBL). Морская магнитотеллурическая разведка (mMT) или морская электромагнитная разведка с контролируемым источником (mCSEM) может обеспечить псевдопрямое обнаружение углеводородов путем обнаружения изменений сопротивления над геологическими ловушками (сигнализируемых сейсмическими исследованиями). [4]
Георадар — это неинвазивный метод, который используется в гражданском строительстве и машиностроении для различных целей, включая обнаружение коммуникаций (подземных водопроводных, газовых, канализационных, электрических и телекоммуникационных кабелей), картографирование мягких грунтов, вскрышных пород для геотехнической характеристики и других подобных целей. [5]
Метод спектрального анализа поверхностных волн (SASW) — еще один неинвазивный метод, который широко используется на практике для определения профиля скорости сдвиговой волны в почве. Метод SASW основан на дисперсионной природе волн Рэлея в слоистых средах, т. е. скорость волны зависит от частоты нагрузки. Таким образом, профиль материала, основанный на методе SASW, получается следующим образом: a) построение экспериментальной дисперсионной кривой путем проведения полевых экспериментов, каждый раз используя разную частоту нагрузки и измеряя скорость поверхностной волны для каждой частоты; b) построение теоретической дисперсионной кривой путем предположения пробного распределения для свойств материала слоистого профиля; c) изменение свойств материала слоистого профиля и повторение предыдущего шага до тех пор, пока не будет достигнуто соответствие между экспериментальной дисперсионной кривой и теоретической дисперсионной кривой. Метод SASW визуализирует слоистый (одномерный) профиль скорости сдвиговой волны для почвы.
Методы инверсии полной формы волны (FWI) являются одними из самых последних методов для геотехнической характеристики участка и все еще находятся в стадии непрерывного развития. Метод довольно общий и способен визуализировать произвольно неоднородные профили скорости продольных и сдвиговых волн почвы. [6] [7]
Упругие волны используются для зондирования исследуемого участка путем размещения сейсмических вибраторов на поверхности земли. Эти волны распространяются через почву, и из-за неоднородной геологической структуры исследуемого участка происходят множественные отражения и преломления. Реакция участка на сейсмический вибратор измеряется датчиками ( геофонами ), также размещенными на поверхности земли. Для профилирования на основе инверсии полной формы волны требуются два ключевых компонента. Этими компонентами являются: a) компьютерная модель для моделирования упругих волн в полубесконечных областях; [8] и b) структура оптимизации, посредством которой вычисленный отклик сопоставляется с измеренным откликом путем итеративного обновления изначально предполагаемого распределения материала для почвы. [9]
Гражданское строительство также может использовать информацию дистанционного зондирования для топографического картирования, планирования и оценки воздействия на окружающую среду. Воздушные электромагнитные исследования также используются для характеристики мягких отложений при планировании и проектировании дорог, плотин и других сооружений. [10]
Магнитотеллурические методы оказались полезными для определения границ подземных водохранилищ, картирования разломов вокруг зон хранения опасных веществ (например, атомных электростанций и хранилищ ядерных отходов), а также для мониторинга предвестников землетрясений в районах с крупными сооружениями, такими как плотины гидроэлектростанций, подверженными высокому уровню сейсмической активности.
BS 5930 — это стандарт, используемый в Великобритании в качестве свода правил для обследования мест происшествия.
Георадар может использоваться для картирования захороненных артефактов , таких как могилы, морги, места крушений и другие неглубоко залегающие археологические памятники. [11]
Наземная магнитометрическая съемка может использоваться для обнаружения захороненных черных металлов, полезна при обследовании затонувших кораблей, современных полей сражений, усыпанными металлическими обломками, и даже таких едва заметных нарушений, как крупные древние руины.
Системы сонара могут использоваться для обнаружения кораблекрушений. [12] Активные системы сонара излучают звуковые импульсы в воду, которые затем отражаются от объектов и возвращаются в преобразователь сонара. [12] Преобразователь сонара способен определять как дальность, так и ориентацию подводного объекта, измеряя количество времени между выпуском звукового импульса и его возвращением. [12] Пассивные системы сонара используются для обнаружения шумов от морских объектов или животных. [12] Эта система сама по себе не излучает звуковые импульсы, а вместо этого фокусируется на обнаружении звука из морских источников. [12] Эта система просто «слушает» океан, а не измеряет дальность или ориентацию объекта. [12]
Георадар может использоваться для обнаружения мест захоронений. [13] Это обнаружение имеет как юридическое, так и культурное значение, предоставляя пострадавшим семьям возможность добиться справедливости посредством законного наказания виновных и пережить успокоение после потери близкого человека. [13]
Неразорвавшиеся боеприпасы (или НРБ) относятся к дисфункции или невзрыву военных взрывчатых веществ. [14] Примерами этого являются, помимо прочего: бомбы , сигнальные ракеты и гранаты . [14] Важно иметь возможность обнаружить и сдержать неразорвавшиеся боеприпасы, чтобы избежать травм и даже возможной смерти тех, кто может с ними соприкоснуться. [14]
Проблема неразорвавшихся боеприпасов возникла в результате Крымской войны (1853-1856 гг.). [15] До этого большая часть неразорвавшихся боеприпасов хранилась локально в меньших объемах и, таким образом, не представляла большой общественной проблемы. [15] Однако с введением более масштабных военных действий эти количества увеличились, и поэтому их было легко потерять из виду и локализовать. [15] По словам Хупера и Хамбрика в их статье « Неразорвавшиеся боеприпасы (НРБ): проблема» , если мы не сможем отойти от войны в контексте разрешения конфликтов, эта проблема будет только усугубляться и, вероятно, на ее решение уйдет более столетия. [15]
Поскольку наш глобальный метод разрешения конфликтов основан на войне, мы должны иметь возможность полагаться на конкретные методы обнаружения неразорвавшихся боеприпасов, такие как магнитная и электромагнитная разведка. [16] Рассматривая различия в магнитной восприимчивости и/или электропроводности по отношению к неразорвавшимся боеприпасам и окружающей геологии (почва, скала и т. д.), мы можем обнаружить и локализовать неразорвавшиеся боеприпасы. [16]