«В.К. Хмелевской, Ю.И. Горбачев, А.В. Калинин, М.Г. Попов, Н.И. Селиверстов, В.А. Шевнин. Под редакцией доктора геол.-мин. наук Н.И. Селиверстова. ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ...»

Аэромагниторазведка. Аэромагнитные съемки проводят с помощью самолетов или вертолетов, на которых устанавливают, в основном, протонные, феррозондовые, реже квантовые автоматические магнитометры. Для исключения или существенного снижения влияния магнитного поля носителя на показание прибора чувствительный элемент буксируют на трос-кабеле в выносной гондоле или устанавливают на длинной выносной штанге. Полеты проводят со скоростью 100—200 км/ч на постоянной высоте 50—200 м или с обтеканием рельефа местности. Благодаря высокой производительности аэромагнитных работ с их помощью исследуют магнитное поле больших территорий суши и акваторий.

Для учета вариаций магнитного поля при аэромагнитных съемках создают специальную опорную сеть из опорных маршрутов. Рядовые профили разбивают перпендикулярно к опорным и на точках пересечения профилей с опорными маршрутами проводят корреляцию значений наблюденного поля. Рекомендуется в начале и в конце рабочего дня делать залеты на специальном контрольном маршруте длиной до 10 км, а все рабочие маршруты привязывать к нему. По результатам контрольных наблюдений (число контрольных маршрутов 5—10%,) определяют среднюю квадратическую погрешность наблюдений [см. формулу (3.6)]. Она, как правило, в 5—10 раз больше, чем при полевых съемках, что объясняется, главным образом, нестабильностью положения чувствительного элемента магнитометра и влиянием неучтенной составляющей магнитного поля самолета.

Конечным результатом аэромагнитной съемки чаще всего являются аномальные значения вектора напряженности магнитного поля Земля Ta. Графики Ta обычно получают при обработке информации с помощью бортовых или экспедиционных ЭВМ.

Часто в результате аэромагниторазведкн строят карты графиков и карты Ta.

Гидромагнитные съемки. Гидромагнитные съемки можно выполнять как на специальных судах, так и попутно на кораблях любого тоннажа. Влияние металлического корпуса и других магнитных помех резко уменьшается благодаря тому, что датчик буксируют на большом (свыше 100 м) удалении от корабля в специальной гондоле. Большая автономность плавания при любом направлении движения, измерения магнитного поля на больших (15—25 узлов) скоростях корабля способствовали магнитной съемке значительных площадей океанов и морей.

Профили (галсы) привязывают по штурманским картам с использованием радиогеодезических и спутниковых станций. Сложность гидромагнитной съемки связана с учетом вариаций, особенно когда исследуемый участок акваторий удален на сотни и тысячи километров от береговых МВС. В этом случае применяют методы косвенного учета вариаций путем фильтрации из наблюденного магнитного поля аномалий, период которых равен, например, периоду суточных вариаций.

В результате гидромагнитной съемки строят графики аномального магнитного поля по галсам Ta, а на участках площадных работ — карты графиков, изредка карты аномалий Ta.

В магниторазведке применяют также такие специальные методы, как микромагнитная и подземная съемки, скважинные наблюдения, изучение магнитных свойств образцов, в том числе для палеомагнитных исследований.

Микромагнитная съемка. Микромагнитной съемкой называют высокоточную ( до ± 1 нТл) наземную магнитную съемку небольших участков (сотни квадратных метров) с равномерной и густой сетью точек наблюдения (5х5, 3х3, 1х1 м). Используют высокоточные полевые магнитометры (ядерные, квантовые). Для исключения вариаций работы проводят таким образом, чтобы через несколько замеров на рядовых точках снимать отсчет на одном и том же опорном (контрольном) пункте (КП). По графику изменения магнитного поля на КП во времени в наблюденные значения вносят поправки за вариации и другие погрешности. После построения карты Ta или Ta и ее статистической обработки можно построить «розы» направления изодинам, которые строят так же, как, например, «розы» ветров.

Подземная магниторазведка. Подземные магнитные наблюдения проводят в горных выработках, где отсутствуют металлические конструкции (рельсы, металлическое крепление), а также провода с постоянным током. Их выполняют в виде детальных профильных съемок по центру выработок с частым возвращением на КП и повышенным числом контрольных точек (свыше 15%,). Подземная магниторазведка предназначена для выявления в межвыработочных и околовыработочных пространствах руд с повышенными или пониженными магнитными свойствами.

Скважинная магниторазведка. Скважинная магниторазведка —э то измерения магнитного поля вдоль ствола скважины. Для таких наблюдений используют специальные трехкомпонентные магнитометры (ТСМК-30) с обязательной фиксацией по вертикали и горизонтали датчика, опускаемого в скважину на кабель-тросе. В связи с техническими трудностями скважинные измерения магнитного поля имеют пониженную точность. Они позволяют устанавливать границы и магнитные объекты, располагающиеся около скважины, а не только в ней.

Измерение магнитных свойств образцов. Магнитную восприимчивость горных пород измеряют как на образцах, так и в их естественном залегании. С помощью астатических магнитометров МА-21, МАЛ-036 возможно изучение различных магнитных свойств, в том числе и, на образцах в полевых и стационарных условиях. Эти магнитометры относят к классу оптико-механических. Принцип их действия основан на взаимодействии магнитного поля образца с полем двух или трех постоянных магнитов, имеющихся в чувствительной системе прибора. Чувствительная система астатических магнитометров реагирует только на неоднородное магнитное поле близко (на фиксированном расстоянии) расположенного образца горной породы. По углу отклонения чувствительной системы от магнитного меридиана, расстоянию от образца до постоянных магнитов, объему образца и величине вертикальной составляющей магнитного поля в районе исследования рассчитывают магнитные характеристики образца ( и In). Относительная погрешность измерений составляет 5%,. Для изучения магнитной восприимчивости в лабораторных условиях и в естественном залегании горных пород применяют каппаметры ИМВ-2 или приборы КТ-3, КТ-5.

Анализ остаточной намагниченности горных пород требует специальной методики отбора образцов — из осадочных или вулканогенных толщ кубической формы (5х5х5 см или 2,4x2,4х2,4 см) с точной привязкой по горизонту и сторонам света (±1°).

Для измерения остаточной намагниченности применяют приборы МА-21, ИОН-1 или ЛАМ-2. В результате довольно сложной и тонкой методики выделения первичной намагниченности удается установить направление и величину остаточной намагниченности.

Число образцов или замеров на обнажении должно быть достаточным для последующего статистического анализа результатов определения характеристик магнитных свойств горных пород исследуемого геологического комплекса. По характеру построенных гистограмм распределения значений магнитного параметра определяют его наиболее вероятное значение, степень однородности магнитных свойств комплекса. Данные о магнитной восприимчивости горных пород помогают выбрать правильную методику магниторазведочных работ, провести более надежную и полную интерпретацию аномалий магнитного поля. Характер остаточной намагниченности позволяет судить о возрасте горных пород и их геодинамической истории, изучаемых при палеомагнитных исследованиях.

3.4 Интерпретация магнитных аномалий Поскольку в результате магнитной съемки получают аномалии, обусловленные намагниченностью тех или иных геологических объектов, а влияние магнитного поля Земли исключают введением поправок за нормальное поле, то в теории магниторазведки рассчитывают аномальные магнитные поля лишь самих тел с разными геометрическими параметрами, магнитными свойствами и направлением намагниченности.

Прямые и обратные задачи магниторазведки Прямая задача магниторазведки состоит в определении параметров магнитного поля (вычислении магнитных аномалий) по известным характеристикам магнитных масс: формы, размеров, глубины залегания, углов намагничения и магнитной восприимчивости. Обратная задача магниторазведки представляет собой количественный расчет параметров (форма, размеры, глубина залегания и др.) магнитных масс по заданному на профиле или площади распределению значений одного или нескольких элементов магнитного поля Земли.

Принципы, решения прямой задачи магниторазведки. Прямую задачу магниторазведки решают с помощью закона Кулона: F = m1m2 /r, где m1,m2 —взаимодействующие с силой F массы, центры которых расположены на расстоянии r; — магнитная проницаемость вмещающей среды. Так как практически все горные породы, за исключением ферромагнитных железных руд, имеют = 0, то в теории магниторазведки этот параметр считают постоянным и 0 = 4 10-7 Гн/м. Магнитных масс как самостоятельных субстанций в природе не существует, а магнитные свойства тел являются совокупности неразделяемых положительных и отрицательных масс, то в теорию магнетизма вводят понятие магнитного диполя, т. е. совокупности двух равРис.3.2 Магнитный диполь ных, близко (на расстоянии dl) расположенных магнитных масс противоположных знаков (± т). Потенциал диполя dU легко получить, используя рис. 3.2 и считая, что длина диполя dl много меньше расстояний r, r1, r2 до точек наблюдений, где dM = mdl = Idsdl = IdV — магнитный момент диполя; I — интенсивность намагничения диполя, направленная вдоль его оси; dl — длина; ds — площадь поперечного сечения; dV = dlds -— элементарный объем; — угол между осью диполя и радиусом r, близкий (при dl 0.

При x = 0 Zmax= Tmax= Is/h, HX = 0, т. е. над стержнем наблюдаются одинаковые максимумы ZСТ и ТСТ и нулевое значение НСТ. При х ± все составляющие стремятся к нулю. Путем подстановки в выражения (3.12) можно показать, что на графиках горизонтальной составляющей при x = ± h 2 имеются экстремумы. В точке x=-h кривые ZCT и НCT пересекаются. Для точки графика ZCT, в которой Z1/2 = Zmax / 2, получаем следующее уравнение:

При его решении получаем |x1/2|= 0.7h. Аналогично можно доказать, что абсцисса точки, в которой T1/2 = Tmax /2, |x1/2| = h. Очевидно, что в плане (на плоскости (xOy) над вертикальным бесконечно длинным стержнем изодинамы ZCT и ТCT представляют собой практически совпадающие по интенсивности и знаку (положительные при I > 0) концентрические окружности с одинаковым максимальным значением напряженностей над их центром.

Обратную задачу магниторазведки для концентрических аномалий ZCT и TCT одного знака, соответствующих объектам типа вертикального стержня (штокообразные интрузии, кимберлитовые трубки и т. д.), решают следующим образом. Центр стержнеобразного объекта залегает под экстремумами ZCT, TCT и перегибом (переход через ноль) графика НCT. При использовании приведенных выше данных решения прямой задачи глубину залегания верхней кромки стержня можно рассчитать по формулам где xZ, xT, xH экс, xZH пер—абсциссы точек на графиках, в которых ZСТ = Zmax / 2, ТСТ = Тmax / 2, экстремум НСТ, пересечение графиков ZСТ и НСТ.

Зная глубину h, можно оценить величину магнитной массы m = Is по экстремумам кривых магнитных аномалий Так как I Tcp, где Tcp — средняя напряженность геомагнитного поля, зная по измерениям магнитной восприимчивости образцов, легко получить площадь поверхности стержня s=m/I.

Прямая и обратная задачи для вертикального намагниченного шара Пусть вертикально и однородно намагниченный шар объемом V с центром на глубине h залегает под началом координат (рис.3.3, б). В теории магниторазведки доказано, что магнитное поле шара можно представить как поле диполя, помещенного в его центре. Поэтому потенциал шара получают непосредственно из формулы (3.8) заменой dV на V или из выражений (3.11), считая, что интеграл от dV по объему шара равен V.

Так, на оси Оx (у=0) с учетом того, что cos = h/r (см. рис. 3.3, 6), потенциал Отсюда элементы аномального магнитного поля шара Za=ZШ, Ha=HШ, Ta=TШ находят по формулам Из осевой симметрии задачи следует, что Hш — горизонтальная компонента поля по любому направлению.

Анализ формул (3.15) и построение по ним графиков (см. рис.3.3, б) показывает, что при х=0 (над центром шара) будут максимумы (при I >0) элементов поля Zmax=Tmax =2IV/h3 и переход через нуль кривой Hш. Как и все элементы шара при х ±, составляющие Hш при х= 0 и Zш при x=xZ 0= | h 2 | равны нулю. При |x|>1,4h Zш отрицательна, образуя минимумы при х= ± xZ min=2h, постепенно стремящиеся к нулю. Таким образом, на графиках и на карте Zш будут аномалии двух знаков: положительные (при I > 0) над шаром и слабые отрицательные вокруг. На графике Hш будут два экстремума при х= ± xH экс= 0,5h, а при xZ H nep= -0,56h графики Zш и Hш пересекаются. С помощью приема, рассмотренного при анализе магнитного поля стержня, можно получить характерные точки. Половины максимальных аномалий (0,5Zmax и 0,5Tmax) будут соответственно при xZ = ± 0,55h и xT = ± 0,68h. Очевидно, что в плане (на плоскости xOy) непосредственно над вертикально намагниченным шаром изолинии Zш и Tш будут иметь вид концентрических окружностей с практически совпадающими интенсивностями и знаками. На расстояниях, превышающих глубины залегания, элементы Zш и Tш различаются и по интенсивности, и по знаку: аномалии Zш будут двух знаков, а Tш — одного. В целом вертикальная компонента, направленная вдоль намагниченности шара, оказывается более информативной, чем горизонтальная и полный вектор.

Обратную задачу магниторазведки для магнитных аномалий над геологическими объектами типа шара, которые создаются намагниченными геологическими объектами изометрической формы (брахиантиклинальные и брахисинклинальные структуры, ядра которых сложены породами с повышенными магнитными свойствами, интрузии, лакколиты, массивные залежи железосодержащих руд осадочного происхождения, боксита, марганцевых руд и другие геологические тела), решают следующим образом. Центр шарообразной залежи залегает под экстремумами Zш, Tш и перегибом (переход через нуль) графика Hш. При использовании результатов решения прямых задач глубину залегания центра вертикально намагниченного шара можно рассчитать через абсциссы характерных точек по формулам Зная h, например, по усредненным значениям, полученным с помощью формул (3.16), можно оценить магнитную массу и объем шара:

где — магнитная восприимчивость, известная по измерениям на образцах горных пород; TСР — средняя напряженность магнитного поля Земли в районе работ.

Вертикальная магнитная составляющая над бесконечно длинным Как известно из теории магниторазведки и приведенных выше задач, аномальные значения вертикальной магнитной составляющей и полного вектора напряженности магнитного поля достаточно близки не только при вертикальной, но даже при наклонной (>45°) намагниченности. Поэтому две следующие прямая и обратная задачи решены только для наиболее информативной и часто измеряемой при полевых работах составляющей Za.

Рассмотрим поле тонкого (толщиной l) вертикального пласта бесконечного (по оси y) простирания, намагниченного вертикально, верхняя кромка которого залегает на глубине h >l (рис.3.4, а). Определим Za над таким пластом вдоль оси x, перпендикулярной к пласту, с началом координат над ним. Поскольку нижняя часть пласта расположена глубоко, влияние магнитного полюса глубоких частей пласта будет мало и можно считать, что магнитные массы сосредоточены вдоль поверхности в виде линейных полюсов с единичной массой dm = Ildy.

Разобьем пласт на множество тонких «стержней». Тогда притяжение пласта будет складываться из притяжения всех элементарных стержней, а вертикальная составляющая его магнитного притяжения будет равна интегралу в пределах от - до + (по оси y) от выражения для Za элементарного стержня, полученного выше [см. выражения (3.12)], т. е. для пласта при z = h и у = 0 аномалия Za= Zпл:

При I > 0 график Zпл будет иметь максимум Zmax = 2Il / h над центром пласта (х=0) и асимптотически стремиться к нулю при удалении от пласта. Легко показать, что абсциссы точек, в которых Zпл = 0,5 Zmax, x1/2 = ± h.

Рис. 3.4 Магнитное поле бесконечно простирающихся тонкого пласта (а) Очевидно, что в плане над крутозалегающими пластами будут вытянутые аномалии одного знака. Такие аномалии создаются пластовыми интрузиями, слоями железосодержащих пород, зонами нарушений, по которым внедрялись магнитные породы, и другими геологическими объектами подобной формы, При решении обратной задачи глубину залегания верхней кромки и ширину тонких пластов определяют по формулам 3.4.5 Вертикальная магнитная составляющая над горизонтальным Рассмотрим поле горизонтального цилиндра бесконечного (по оси y) простирания с поперечным сечением s, намагниченного вертикально, ось которого залегает на глубине Н (рис.3.4, б). Определим ZГЦ над таким цилиндром вдоль оси x, перпендикулярной к его простиранию с началом координат над ним. Поле такого цилиндра можно считать эквивалентным полю бесконечного числа вертикальных магнитных диполей, центры которых расположены по оси цилиндра, и dV = sdy. Разобьем цилиндр на множество вертикальных магнитных диполей. Тогда вертикальная магнитная составляющая напряженности поля такого цилиндра Za = ZГЦ будет равна интегралу в пределах от - до + (по оси y) от выражения Za для диполя (шара), полученного выше [см.

выражения (3.15)], т. е. при z = h и y = 0:

При I > 0 график ZГЦ будет иметь максимум Zmax = 2Is / h над центром цилиндра (х=0), ZГЦ = 0 при x0 = ± h, далее отрицательные значения с минимумом при xmin= ±1,4 h, который плавно уменьшается до нуля при х ±.

Очевидно, что в плане над горизонтальным цилиндром будут вытянутые аномалии двух знаков: над цилиндром положительный максимум (при I > 0), а в стороне от него — небольшие отрицательные значения ZГЦ. Подобные аномалии получают над вытянутыми синклинальными и антиклинальными структурами, линзообразными, горизонтальными рудными телами и другими вытянутыми геологическими структурами, сечение которых много меньше длины. При решении обратной задачи глубину залегания осей объектов цилиндрической формы и их поперечные сечения рассчитывают по формулам 3.4.6 Основные выводы из анализа решений прямых задач магниторазведки Большой объем выполненных аналитических решений прямых задач магниторазведки на основе уравнений (3.11) для разнообразных моделей (пласты, контакты, эллипсоиды и др.) с наклонной намагниченностью позволяют сделать следующие выводы об особенностях аномального магнитного поля над разными геологическими объектами.

1. Знак аномалий Za и Ta определяется знаком намагниченности I = Tср+In, т. е. зависит от знака относительной магнитной восприимчивости, направления полного вектора напряженности современного магнитного поля Земли Tср и направления остаточной намагниченности In. В целом в северных широтах (почти для всей территории страны) при прямой намагниченности, близкой к вертикальной, центральные части аномалий расположены над центрами магнитных масс и выделяются положительными аномалиями (при > 0). При наличии обратной аномалий находятся над центром крутозалегающих намагниченных объектов или смещаются от него в сторону над пологозалегающими последних случаях их верхние кромки оказыРис.3.5 Кривая Za над наклонным ваются между основным максимумом и сопряпластом большой мощности женным минимумом Za (рис.3.5). Экстрепри вертикальной намагнимальные значения аномалий прямо пропорциоченности нальны магнитному моменту (I·s, I·V) намагниченных тел и обратно пропорциональны первой-третьей степени глубины их залегания.

3. Форма магнитных аномалий связана с формой создающих их объектов: изометрические аномалии наблюдаются над изометрическими объектами, эллипсоидальные — над вытянутыми. Однако в отличие от аномалий силы тяжести g, которые бывают одного знака, аномалии вертикальной составляющей магнитного поля Za бывают одного знака над телами с глубокозалегающими нижними кромками или двух знаков при неглубоком залегании нижних кромок.

Несмотря на сходство гравитационных и магнитных аномалий, обусловленное сходством законов Ньютона и Кулона, которыми они определяются, структура магнитных аномалий сложнее, чем гравитационных. Это объясняется тем, что установленная в теории связь между магнитным и гравитационным потенциалами выражается как связь производной функции и самой функции. Известно, что график производной функции имеет более сложную форму, чем график самой функции. Кроме того, если g всегда вертикально, то Ta может иметь любой угол наклона.

4. Часто при неглубоком залегании магнитных масс плановое положение боковых границ объектов контролируется зонами повышенных горизонтальных градиентов.

5. Существуют аналитически или эмпирически установленные связи между абсциссами характерных точек аномальных кривых магнитного поля и параметрами магнитных масс. Это позволяет для определенного класса моделей аналитически решать обратную задачу.

Интерпретация данных магниторазведки Интерпретация результатов магниторазведки включает геофизическую интерпретацию и геологическое истолкование, тесно связанные между собой. Первым этапом является качественная интерпретация аномалий магнитного поля, позволяющая по морфологии аномального поля судить о плановом положении тех или иных геологических или структурных элементов, а имея общие сведения о магнитных свойствах горных пород и геолого-структурном строении, установить их природу.

Второй этап—количественная интерпретация или решение обратной задачи магниторазведки—имеет целью определение количественных параметров разведываемых геологических объектов. В целом подход к геологической интерпретации магнитных аномалий с учетом отмеченных особенностей тот же, что и в гравиразведке.

Качественная интерпретация. При качественной интерпретации карт, карт графиков и графиков Ta и Za ведут их визуальное описание и сравнение с геологическими данными, а результаты используют для дальнейшей количественной интерпретации или дополнительных геофизических работ. На картах изодинам выявляют и коррелируют аномалии, соответствующие одним и тем же объектам, намечают плановое расположение контактов различных пород, прослеживают контуры тех или иных структур или включений. Изометрическим аномалиям (аномалии с примерно одинаковыми поперечными размерами на карте) соответствуют изометрические в плане геологические объекты, вытянутым изодинамам (длина аномалий в 5 раз и более превышает ширину) соответствуют геологические структуры и отдельные слои вытянутой формы.

Если для вертикально намагниченных тел поле аномалий Za имеет один знак, то это свидетельствует о большой глубине залегания другого полюса намагниченных пород. Если же глубина залегания нижней части мало отличается от глубины залегания верхней, то вокруг интенсивной аномалии, связанной с верхним полюсом, будет наблюдаться слабое поле другого знака, обусловленное нижним полюсом намагниченных пород, при падении пород в ту сторону, где площадь распространения слабых аномалий больше. Участкам с высокими горизонтальными градиентами аномалий вертикальной составляющей геомагнитного поля часто соответствуют контакты пород с разными магнитными свойствами.

При качественной интерпретации выявляют региональные крупные аномалии, связанные со структурно-тектоническим строением района, и локальные аномалии, приуроченные к местам нахождения магнитных руд и отдельных слоев с повышенными магнитными свойствами.

Для разделения аномалий разной природы, глубины залегания, намагниченности существуют математические методы анализа магнитных аномалий с использованием ЭВМ, основанные на разного рода трансформациях, которые предназначены для подчеркивания одних аномалий и сглаживания других. Такие же приемы используют при обработке данных гравиразведки. Можно отметить следующие особенности способов трансформации магнитных аномалий. В способе вычитания из наблюденного аномального поля вычитают поле геологических структур или объектов, не имеющих отношения к решаемой геологической задаче. Для этого из дополнительных источников надо знать их геометрические и физические свойства, решить прямые задачи и полученные аномалии вычесть из наблюденного поля. Трансформацию наблюденного аномального магнитного поля часто проводят с помощью частотной селекции, когда разделяют аномалии с разной пространственной частотой: длиннопериодные аномалии соответствуют объектам с большими поперечными размерами и глубинами залегания, а короткопериодные — с меньшими.

При усреднении аномалий по оптимально выбранному числу точек (пикетов наблюдения) можно подчеркнуть аномалии тем больших размеров и глубины, чем больше число таких точек или радиус усреднения.

Аналитические продолжения полей, т. е. пересчеты в верхнее и нижнее полупространства, облегчают качественное выделение региональных и локальных аномалий.

Имея набор карт с разными уровнями (высотами и глубинами) пересчета, можно выбрать те, которые в наилучшем (наглядном) виде отражают структуры или объекты, представляющие наибольший интерес для решаемой задачи. Подчеркиванию локальных аномалий способствуют вторые и высшие производные магнитного потенциала.

При этом вертикальные производные локализуют верхние кромки возмущающих объектов, а горизонтальные — их боковые границы и контакты.

При обработке карт графиков (корреляционных планов) магнитных и других геофизических аномалий используют также различные статистические методы.

Количественная интерпретация. Определение глубины, размеров, точного местоположения, углов падения геологических тел, создавших магнитные аномалии, является основной целью количественной (расчетной) интерпретации или решения обратной задачи магниторазведки. Математическое решение обратной задачи магниторазведки неоднозначно, так как похожие аномалии могут быть созданы геологическими телами разной формы, размеров и интенсивности намагничения. Для однозначной интерпретации магнитных аномалий и, в частности, приближенного определения размеров тел необходимо априорно знать интенсивность и направление намагничения тел.

Существует несколько методов решения обратной задачи, примерно таких же, как в гравиразведке. Простейшим из них является метод характерных точек. Для его применения используют так называемые интерпретационные профили, т. е. графики Za или Ta, полученные над четкими аномалиями, не очень осложненными влиянием соседних тел, которые проводят вкрест простирания аномалии. Исходя из формы, знака (для Za) и другой априорной информации, выявленные геологические объекты аппроксимируют простейшими геометрическими моделями (стержень, шар, вертикальный пласт, горизонтальный цилиндр и др.) однородно намагниченных тел. На графиках Za, Ta находят абсциссы характерных точек (максимумом, полумаксимумов, минимумов, нулевых значений для Za и др.) и с помощью полученных выше формул (3.13), (3.14), (3.16), (3.17), (3.19), (3.21) или аналогичных формул, взятых из справочников, определяют глубины залегания верхних кромок или центров и магнитные моменты аномалообразующих объектов. Зная по измерениям на образцах I, можно оценить их поперечные размеры или объемы. Чем больше форма геологические структур и тел приближается к форме простейших геометрических моделей, тем ниже погрешность получения результатов интерпретации, которая может достигать 20—30 %. Большое значение имеет использование всей геологической информации о районе исследований, что позволяет выбрать наиболее приемлемую модель намагниченных тел.

В общем случае, когда неизвестна форма тел, создающие магнитные аномалии, то за точки х1 и х1' принимают точку пересечения наклонных касательных с осью x. ПриблиРис. 3.6 Пример интерпретации кривой женную глубину залегания верхней кромки тела, Za методом касательных Среднее арифметическое из двух полученных значений h и служит для оценки глубины залегания верхней кромки тела. В зависимости от формы, поперечных размеров и глубины залегания истинная мощность может изменяться от 0,5h, когда размеры тел больше глубины их залегания, до 1,5h, если размеры тел меньше глубины их залегания.

При наличии сложных аномалий, обусловленных интерференцией от ряда объектов, применяют интегральные методы в которых по площадям под графиками или изолиниями аномалий оценивают общие магнитные моменты, центры возмущающих структур, а иногда глубины залегания их верхних кромок. С помощью специальных палеток или ЭВМ методами сравнения или подбора наблюденную кривую сравнивают с теоретической. Используя априорную геолого-геофизическую информацию, выбирают или рассчитывают графики аномалий для разных параметров модели. Те из них, которые дают наилучшее совпадение, принимают за возможный вариант геологогеофизического строения изучаемого района.

Геологическое истолкование результатов магниторазведки Геологическое истолкование результатов магниторазведки — один из ответственных этапов интерпретации. Оно сводится к решению тех или иных геологических задач с помощью качественной и количественной интерпретации результатов магнитной съемки с использованием всего имеющегося материала о геологическом строении. При этом необходимо установить связи между магнитными аномалиями и литологией, тектоникой, полезными ископаемыми.

Сложность проблемы геологического истолкования данных магниторазведки объясняется неоднозначностью и приближенностью решения обратной задачи, поскольку прямые задачи решены для намагниченных тел правильной формы (стержень, шар, пласт, цилиндр и многие др.), в то время как реальные тела могут существенно отличаться от них. Вторым затруднением при интерпретации является необходимость определения интенсивности намагничения пород по образцам, что не всегда можно сделать даже приближенно. Наконец, неоднородность и разный угол намагничения пород, влияние остаточного намагничения древних эпох и ряд других причин также снижают точность интерпретации. Все это приводит к тому, что часто ограничиваются лишь качественной интерпретацией, а на полученные количественные параметры смотрят как на приближенные, дающие возможность лишь оценить глубину и размеры намагниченных тел.

Рациональный комплекс магниторазведки с гравиразведкой и другими геофизическими методами (в зависимости от геолого-геофизических особенностей района исследований) позволяет провести геологическое истолкование результатов более точно и достоверно.

Области применения магниторазведки Магниторазведку применяют для проведения общей магнитной съемки всей Земли и палеомагнитных исследований; решения задач региональной структурной геологии; геологического картирования разных масштабов; поисков и разведки полезных ископаемых; изучения геолого-геофизических особенностей и трещиноватости пород.

Условия эффективного применения магниторазведки. Благоприятными условиями для применения магниторазведки являются следующие.

1. Наличие горизонтальных магнитных неоднородностей, т. е. изменение намагниченности горных пород в горизонтальном направлении, происходящее на вертикальных или субвертикальных боковых границах геологических структур.

2. Достаточная обоснованность (теоретически, на основе априорных данных или экспериментально, т. е. с помощью опытных работ или изучения материалов ранее проводимых магнитных съемок) возможности решения поставленных геологических задач имеющейся аппаратурой и рациональной системой наблюдения.

3. Превышение в 3 — 5 раз амплитуды аномалий уровня аппаратурнометодических погрешностей.

4. Наличие дополнительной геолого-геофизической и петрофизической (магнитометрической) информации о структурах для проведения более однозначной интерпретации.

Общая магнитная съемка Земли и палеомагнитные исследования. Сушу и океаны Земли покрывают общими, как правило, аэро- и гидромагнитными съемками разных масштабов. По данным этих съемок строят карты аномалий магнитного поля крупных регионов и всей Земли. Основное назначение общих магнитных съемок — проведение тектонического районирования, позволяющее определить контуры крупных структурных элементов земной коры: платформ, геосинклинальных областей, отдельных блоков, глубинных разломов, тектонически активных областей. Решение перечисленных задач проводят в комплексе с гравиразведкой и уточняют сейсморазведкой. Общие магнитные съемки позволяют решать задачи, связанные со строением земной коры и литосферы, а также служат для решения таких теоретических задач геологии, как происхождение и развитие Земли и ее структурных элементов, изучение характера магнитного поля на поверхности и ряда других задач.

Связаны с общими магнитными съемками всей Земли и палеомагнитные исследования. Палеомагнитные исследования (определение магнитного поля Земли в отдаленные геологические эпохи) основаны на изучении остаточного намагничения пород. Как отмечалось выше, породы, содержащие ферромагнитные минералы (магнетит, титаномагнетит, гематит, пирротин), обладают ферромагнитными свойствами, т.е., намагнитившись в магнитном поле Земли в момент своего образования, они способны сохранять магнитные свойства долгое время, несмотря на изменение интенсивности и даже знака вектора напряженности магнитного поля в районе, где они залегают.

Изучая палеомагнитные свойства породы, можно судить о характере, интенсивности и направлении магнитного поля Земли в момент их образования, если есть доказательства того, что остаточная намагниченность пород не изменилась (например, из-за изменения состава, перегрева) или не нарушено их залегание (например, из-за тектонических перемещений). Если подобные измерения провести на большом числе одновозрастных образцов, можно определить наиболее вероятное положение магнитных полюсов Земли в соответствующую геологическую эпоху. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что среднее положение геомагнитного полюса для промежутков времени, исчисляемых сотнями тысяч лет, должно соответствовать положению географического полюса, т. е. указывают на положение оси вращения Земли.

В результате палеомагнитных исследований сделаны следующие выводы.

1. Местоположения полюсов Земли, определенные по образцам одного возраста, но взятым с разных континентов (Европа, Америка, Австралия), различаются тем больше, чем больше возраст пород. Такие различия объясняются горизонтальными перемещениями континентальных масс, что подтверждается и палеоклиматическими данными. Поэтому палеомагнитные данные широко используются для реконструкции положения континентов в различные геологические эпохи..

2. Направление остаточной намагниченности горных пород в зависимости от их возраста иногда различается на 180°, что связано с периодическими достаточно быстрыми и многократными изменениями знака магнитного поля или инверсией полюса на 180°. Например, в современную магнитную эпоху, длительностью около 0,7 млн. лет, существует поле, которое условно считают положительным, а в течение предыдущего млн. лет полярность была отрицательной. Этим объясняют наблюденную обратную намагниченность горных пород разного возраста.

4. В результате магнитных съемок океанов выявлен специфический линейный знакопеременный характер аномалий магнитного поля океанического дна вдоль срединно-океанических хребтов. Такой характер геомагнитного поля связан со спредингом – новообразованием океанской литосферы в осевых зонах срединно-океанических хребтов и ее раздвижением в стороны от хребта со скоростью несколько сантиметров в год.

Региональная структурная геология. В комплексе с гравиразведкой и сейсморазведкой магниторазведку применяют для целей геотектонического районирования, т.е. картирования таких региональных структур, как краевые межгорные прогибы, антиклинории и синклинории, зоны разломов, своды и впадины кристаллического фундамента. Кроме того, магниторазведку используют для оценки физических свойств, состава и строения фундамента, картирования нефтегазоносных структур, районов солянокупольной тектоники и решения других задач.

Аномальные магнитные поля в значительной степени определяются глубиной залегания и составом кристаллического фундамента и изверженных пород, т.к. ярко выраженными магнитными свойствами обладают магматические и метаморфические породы. В районах с мощным чехлом осадочных отложений, как правило немагнитных, магнитное поле спокойно. Характерна тесная качественная связь магнитных и гравитационных аномалий: местоположение, простирание и общая форма этих аномалий чаще всего совпадают. Однако, в отличие от гравитационных, магнитные аномалии в большей степени зависят от магнитных свойств и состава пород, чем от глубины залегания и формы структур.

Геологическое картирование разных масштабов. При мелко- и среднемасштабном геологическом картировании в настоящее время широко применяют аэромагниторазведку. С помощью наземных магнитных наблюдений ведут как картировочнопоисковые, так и поисково-разведочные и разведочные съемки. Карты аномалий геомагнитного поля, как правило, указывают на форму и местоположение пород с разными магнитными свойствами. Особенно четко выявляются контакты осадочных и магматических пород (под наносами), глубинные разломы, с которыми часто связано внедрение магнитных пород, крупные железорудные месторождения, местоположения интрузий разного состава и эффузивных комплексов. Материалы магнитных съемок используют в качестве основы для рациональной постановки геолого-съемочных и поисковых работ.

Поиски и разведка полезных ископаемых. Поиски и разведка железорудных месторождений—задача, лучше всего решаемая магниторазведкой. Исследования начинают с проведения аэромагнитных съемок. Железорудные месторождения выделяются интенсивными (сотни и тысячи нанотесл) аномалиями. Детализацию аномалий проводят наземной съемкой. При этом ведут не только качественную, но и количественную интерпретацию. Наиболее благоприятны для разведки магнетитовые руды, менее интенсивными аномалиями выделяются гематитовые месторождения.

Магниторазведку применяют при поисках таких полезных ископаемых, как полиметаллические сульфидные, медно-никелевые, марганцевые руды, бокситы, россыпные месторождения золота, платины, вольфрама, молибдена и др. Это оказывается возможным благодаря тому, что в рудах в качестве примесей часто содержатся ферромагнитные минералы или же они сами обладают повышенной магнитной восприимчивостью.

Хорошие результаты получают иногда при разведке кимберлитовых трубок, к которым приурочены месторождения алмазов. Успешное применение магнитной съемки для разведки перечисленных выше руд зависит не только от магнитных параметров руд, но и свойств окружающих пород. Иногда вмещающие породы имеют непостоянные и повышенные значения магнитной восприимчивости и эффективность магниторазведки резко снижается.

Изучение геолого-петрографических особенностей трещиноватости пород и решение других задач. Изучение геолого-петрографических особенностей и трещиноватости пород можно выполнять с помощью микромагнитной съемки. Этот метод применяют для геолого-петрографических исследований пород на небольших эталонных участках. Для этого проводят статистическую обработку карт изодинам. Каждую изолинию разбивают на отрезки длиной 5—10 мм и определяют направление (азимут) каждого отрезка. Затем подсчитывают число отрезков с одинаковыми азимутами и строят розы направления изодинам. По данным некоторых исследователей, они совпадают с розами трещиноватости. Это связано с воздействием тектонических напряжений на намагниченность пород. Построение роз изодинам по данным микромагнитной съемки позволяет оценить текстуру, сланцеватость, условия образования магматических пород, а также состав и строение четвертичных отложений.

Магниторазведку применяют для решения некоторых инженерно-геологических задач (картирование скального основания, определение скоростей движения оползней по смещению изолиний с магнитными реперами в них и др.). Высокоточные детальные съемки используют археологи для обнаружения стен, фундаментов, рвов, каналов, очагов и других объектов, намагниченных в условиях воздействия температур.

Электроразведка (электрическая, или точнее электромагнитная разведка) объединяет физические методы исследования геосфер Земли, поисков и разведки полезных ископаемых, основанные на изучении электромагнитных полей, существующих в Земле в силу естественных космических, атмосферных или физико-химических процессов или созданных искусственно. Электромагнитные поля могут быть:

1) установившимися, т.е. существующими свыше 1 с, постоянными и переменными (гармоническими или квазигармоническими) частотой от миллигерц (1 мГц=10-3 Гц) до петагерц (1 ПГц=1015 Гц);

2) неустановившимися, импульсными с длительностью импульсов от микросекунд до секунд. Используемые гармонические поля можно разделить на инфразвуковые, звуковые, радиоволновые, изучаемые в электроразведке, и микрорадиоволновые, на которых основаны методы терморазведки (см. гл. 6). Измеряемыми параметрами поля являются амплитуды и фазы электрических Е и магнитных Н полей, а при терморазведке—температуры Т.

Интенсивность и структуру естественных полей определяют природные факторы и электромагнитные свойства горных пород. Для искусственных полей она зависит от этих же свойств горных пород, интенсивности и вида источника, а также способов возбуждения. Последние бывают гальваническими, когда поле в Земле создают с помощью тока, пропускаемого через электроды-заземлители; индуктивными, когда питающий ток, проходя по незаземленному контуру (петля, рамка), создает в среде электромагнитное поле за счет индукции, и смешанными (гальваническими и индуктивными).

К электромагнитным свойствам горных пород относятся удельное электрическое сопротивление, величина, ей обратная,—удельная электропроводность ( = 1/), электрохимическая активность, поляризуемость, диэлектрическая и магнитная проницаемости, а также пьезоэлектрические модули d. Электромагнитными свойствами геологических сред и их геометрическими параметрами определяются геоэлектрические разрезы. Геоэлектрический разрез однородного по тому или иному электромагнитному свойству полупространства принято называть нормальным, а неоднородного — аномальным.

Изменение глубинности электроразведки достигают изменением мощности источников и способов создания поля. Однако ею можно управлять также дистанционными и частотными приемами. Сущность дистанционного приема увеличения глубинности сводится к увеличению расстояния между источником поля и точками, в которых его измеряют. Это приводит к увеличению глубинности разведки, так как увеличивается объем среды, в которой поле распространяется, а его искажение глубинными неоднородностями проявляется на больших расстояниях от источника. Частотный принцип увеличения глубинности основан на скин-эффекте, т.е. прижимании поля к поверхности Земли в слое тем меньшей толщины, чем выше частота гармонического поля f и меньше время t при импульсном создании поля. Наоборот, чем меньше частота, больше период колебания T=1/f и больше время распространения (диффузии) поля, называемого также временем становления поля или переходного процесса, тем больше глубинность разведки. В целом глубинность электроразведки изменяется от десятков километров на инфранизких частотах до десятков сантиметров на частотах гигагерцы (ГГц)—тетрагерцы (ТГц).

В табл. 4, 5 приведены физическая и целевая (прикладная) классификации методов электроразведки. Вследствие многообразия используемых полей, свойств горных пород электроразведка отличается от других геофизических методов большим числом (свыше 50) методов. Их можно сгруппировать в методы естественного переменного электромагнитного поля, гео электрохимические, сопротивлений, электромагнитные и радиоволновые зондирования и профилирования, пьезоэлектрические, радиолокационные зондирования, а также радиотепловые, инфракрасные и спектрометрические съемки, которые хотя и принято относить к терморазведке, но по природе полей, методике и технике измерений они близки к электроразведке.

Таблица 4. Физическая классификация методов электроразведки Таблица 5. Целевая классификация методов электроразведки профилирование лирование съемки Примечание: «+», »++»i «+++» — малая, средняя, большая степень применимости соответственно.

По общему строению изучаемых геоэлектрических разрезов методы электроразведки принято подразделять:

а) на зондирования, которые служат для расчленения горизонтально (или полого) слоистых разрезов;

б) на профилирования, предназначенные для изучения крутослоистых разрезов или выявления локальных объектов;

3) на подземные, объединяющие методы для выявления неоднородностей между горными выработками и земной поверхностью.

Электроразведку с той или иной эффективностью применяют для решения практически всех задач, для которых используют и другие геофизические методы. В частности, с помощью естественных переменных полей космического происхождения разведывают земные недра до глубин около 500 км и ведут изучение осадочных толщ, кристаллических пород, земной коры, верхней мантии. Электромагнитные зондирования используют при глубинных и структурных исследованиях, поисках нефти и газа.

Электромагнитные профилирования применяют при картировочно-поисковых съемках, поисках рудных, нерудных полезных ископаемых и угля. Малоглубинные электромагнитные зондирования и профилирования используют при инженерногидрогеологических исследованиях и охране геологической среды, а подземные методы служат для разведки рудных месторождений.

По технологии и месту проведения работ различают аэрокосмические, полевые (наземные), акваториальные (морские, речные), подземные (шахтно-рудничные) и скважинные (межскважинные) методы электроразведки.

4.1 Физико-математические и геологические основы Физико-математическая теория электроразведки базируется на теории электромагнитного поля и, в частности, на теории постоянных и переменных электромагнитных полей. Подобно тому как в основе теории грави- и магниторазведки лежат законы Ньютона и Кулона, в основе теории электроразведки лежат уравнения Максвелла. Если геоэлектрический разрез известен, то с помощью дифференциальных уравнений, получаемых из системы уравнений Максвелла, и физических условий решают прямые задачи электроразведки для ряда физико-геологических моделей среды, т.е. получают аналитические выражения для тех или иных компонентов поля над такими моделями. Если эти компоненты получены в результате электроразведки, то на основе прямых решают обратные задачи электроразведки, т.е. определяют те или иные параметры модели. Таким образом, при решении прямых и обратных задач электроразведки прежде всего приходится иметь дело с геоэлектрическим разрезом, который определяют электромагнитные свойства и геометрические параметры среды.

Электромагнитные свойства горных пород Как отмечалось выше, к электромагнитным свойствам горных пород относятся удельное электрическое сопротивление, электрохимическая активность, поляризуемость, диэлектрическая и магнитная проницаемости, а также пьезоэлектрические модули d.

Удельное электрическое сопротивление горных пород. Удельное электрическое сопротивление, измеряемое в ом-метрах (Омм), является наиболее известным электромагнитным свойством и изменяется для горных пород и руд в очень широких пределах: от 10-5 до 1015 Омм. Для наиболее распространенных осадочных, изверженных и метаморфических горных пород оно зависит от минерального состава, физикомеханических и водных свойств горных пород, а также от некоторых других факторов (температуры, глубины залегания, степени метаморфизма, техногенных воздействий и др.).

1. Удельное электрическое сопротивление минералов зависит от их внутрикристаллических связей. Для минералов-диэлектриков (кварц, слюды, полевые шпаты и др.) с преимущественно ковалентными связями характерны очень высокие сопротивления (1012—1015 Омм). Минералы-полупроводники (карбонаты, сульфаты, галоиды и др.) имеют ионные связи и отличаются высокими сопротивлениями (104—108 Омм).

Глинистые минералы (гидрослюды, монтмориллонит, каолинит и др.) обладают ионноковалентными связями и характеризуются достаточно низкими сопротивлениями