Геофизические методы изучения внутреннего строения Земли

Министерство  образования и науки Российской Федерации

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования

 

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт  недропользования, кафедра прикладная геология

 

 

 

 Допускаю  к защите

Егорова Н. Е.

И.О.Фамилия

 

Геофизические методы изучения внутреннего строения Земли

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ  ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине

Общая геология ПЗ

обозначение документа

 

 

Выполнил  студент группы________ _________ Шелохов И. А.

                                                                      шифр            подпись               И.О.Фамилия

 

Нормоконтроль                                 __________ ____________

подпись               И.О.Фамилия

 

Курсовой  проект защищен с оценкой______________________

 

 

 

 

 

 

 

 

Иркутск 2012г

 

 

Министерство  образования и науки Российской Федерации

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования

 

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

ЗАДАНИЕ

НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ (КУРСОВУЮ РАБОТУ)

 

По курсу Общей геологии

 

Студенту  Шелохову И. А.

 

Тема проекта Геофизические методы изучения внутреннего строения Земли

 

Исходные  данные__________________________________________________

________________________________________________________________

__________________________________________________________________

_________________________________________________________________

________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________________________________________________

Рекомендуемая литература

Геофизические методы исследования// под ред. В.К. Хмельницкого.-М..'Наука,!988. Гравиразведка. Справочник геофизика. -М.:Недра, 1981.

Гуревич И.И., Боганик Г.Н. Сейсмическая разведка.-М.:Недра, 1980. Магниторазведка. Справочник геофизика. -М.: Недра, 1980.

 

Дата выдачи задания «30» Марта 2012г

 

Дата представления  проекта руководителю «_____»_____________20__г

 

Руководитель  курсового проектирования (курсовой работы)

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Геофизические методы исследования земной коры (ГМИЗК), называемые по-разному: разведочная  и скважинная; прикладная и промысловая; региональная, разведочная и геофизические  исследования скважин (или каротаж), - это научно-прикладной раздел геофизики, предназначенный для изучения земной коры мощностью 35 - 70 км на суше и 5 - 10 км под дном акваторий океанов и морей.

Геофизика, как обобщающая наука, изучающая  Землю и околоземное пространство с помощью естественных и искусственных  физических полей занимает среди  точных и естественных наук (астрономии, физики, математики, географии, геологии, химии) уникальное стыковое положение. Она использует достижения этих фундаментальных  наук или родственных им научно-прикладных дисциплин (например, космонавтики, геодинамики, информатики, электроники, автоматики и др.), ставя перед ними немало проблем теоретического и прикладного  плана.

Хотя иногда геофизику отождествляют с Физикой  Земли, однако последняя наука изучает  лишь Землю, как планету и ее оболочки: каменную - литосферу, мощностью порядка  100 км, астеносферу, простирающуюся до глубин 400 км, мантию - до глубин 2900 км, ядро внешнее (до глубин 5100 км) и внутренне (до центра Земли). Глобальная геофизика как обобщающая фундаментальная наука включает не только Физику Земли, но и геофизику космоса и атмосферы, гидросферы, а также науки, изучающие конкретные физические поля Земли: гравиметрию, магнитометрию, геоэлектрику, сейсмологию, сейсмометрию, термометрию, ядерную геофизику. Из этих фундаментальных геофизических наук выделяются научно-прикладные разделы. Так, геофизика воздушной оболочки включает физику космоса и атмосферы, метеорологию, климатологию и др. Геофизика водной оболочки (гидросферы) состоит из гидрофизики, океанологии, физики моря, лимнологии (изучение озер), гидрологии (изучение рек), подземной гидросферы, гляциологии (изучение ледников) и др. Из геофизики литосферы выделились разведочная или прикладная геофизика с методами, имеющими большое практическое значение при поисках и разведке полезных ископаемых и называемыми гравиразведкой, магниторазведкой, электроразведкой, сейсморазведкой, терморазведкой, ядерно-геофизической и геофизические методы исследования скважин (ГИС).

 

Геофизические методы поисковых работ.

Геофизические методы разведки, исследование строения земной коры физическими методами с  целью поисков и разведки полезных ископаемых; разведочная геофизика  — составная часть геофизики.

Геофизические методы разведки основаны на изучении физических полей (гравитационного, магнитного, электрического, упругих колебаний, термических, ядерных излучений). Измерения  параметров этих полей ведутся на поверхности Земли (суши и моря), в воздухе и под землёй (в  скважинах и шахтах). Получаемая информация используется для определения местонахождения геологических структур, рудных тел и т.п. и их основных характеристик. Это позволяет выбрать наиболее правильное направление дорогостоящих буровых и горных работ и тем самым повысить их эффективность.

Геофизические методы разведки используют как естественные, так и искусственно создаваемые  физические поля. Разрешающая способность, т. е. способность специфически выделять искомые особенности среды, как  правило, значительно выше для методов  искусственного поля. Средства для  исследования методами естественных полей  относительно дёшевы, транспортабельны и дают однородные, легко сравнимые  результаты для обширных территорий. В связи с этим на рекогносцировочной стадии применяются преимущественно  Г. м. р. естественного поля (например, магнитная разведка), а при более детальных работах главным образом используются искусственные физические поля (например, сейсмическая разведка). Различные физические поля дают специфическую, одностороннюю характеристику геологических объектов (например, магниторазведка только по магнитным свойствам горных пород), поэтому в большинстве случаев применяют комплекс Г. м. р. В зависимости от природы физических полей, используемых в Г. м. р., различают: гравиметрическую разведку, основанную на изучении поля силы тяжести Земли; магнитную разведку, изучающую естественное магнитное поле Земли; электрическую разведку, использующую искусственные постоянные или переменные электромагнитные поля, реже — измерение естественных земных полей; сейсморазведку, изучающую поле упругих колебаний, вызванных взрывом заряда взрывчатого вещества (тротила, пороха и т.п.) или механическими ударами и распространяющихся в земной коре; геотермическую разведку, основанную на измерении температуры в скважинах и использующую различие теплопроводности горных пород, вследствие чего близ поверхности Земли изменяется величина теплового потока, идущего из недр. Новое направление геофизические методы разведки — ядерная геофизика, исследующая естественное радиоактивное излучение, чаще всего гамма-излучение, горных пород и руд и их взаимодействие с элементарными частицами (нейтронами, протонами, электронами) и излучениями, источниками которых служат радиоактивные изотопы или специальные ускорители (генераторы нейтронов, см. Радиометрическая разведка).

Все виды геофизические  методы разведки основаны на использовании  физико-математических принципов для  разработки их теории, высокоточной аппаратуры с элементами электроники, радиотехники, точной механики и оптики для полевых  измерений, вычислительной техники, включая  новейшие электронные вычислительные машины для обработки результатов.

Исследования  в скважинах (Каротаж) ведутся всеми геофизическими методами. Геофизические измерения в скважинах производятся приборами, показания которых передаются на земную поверхность по кабелю. Наибольшее значение имеет электрический, акустический и ядерно-геофизический каротаж скважин. Бурение глубоких скважин ведётся с обязательным их каротажем, что позволяет резко ограничить отбор пород (керна) и повысить скорость проходки. Геофизические измерения в скважинах и горных выработках применяются также для поисков в пространствах между ними рудных тел (т. н. скважинная геофизика). Наконец, геофизические методы используются для изучения технического состояния скважин (определения каверн и уступов, контроля качества цементировки затрубного пространства и т.п.).

Геофизические методы разведки быстро развиваются, успешно  решая задачи поисков и разведки полезных ископаемых, особенно в районах, закрытых толщами рыхлых отложений, на больших глубинах, а также под  дном морей и океанов.

Сейсморазведка

В понятие  “сейсморазведка” входят геофизические  методы исследования земной коры, основанные на изучении искусственно возбуждаемых упругих волн. При помощи сейсморазведки изучается глубинное строение Земли, выделяются месторождения полезных ископаемых (в основном нефти и  газа), решаются задачи гидрогеологии  и инженерной геологии. Сейсморазведка отличается надежностью, высокой разрешающей  способностью, технологичностью и колоссальным объемом получаемой информации.

В основе сейсмических методов лежит возбуждение упругих  волн при помощи специального технического комплекса – источника. В результате геологическая среда реагирует  возникновением периодического колебательного процесса и образованием упругой  волны. Распространяясь в объеме горных пород, упругая волна попадает на границы раздела, изменяет направление  и динамические свойства, образуются новые волны. На пути следования волн размещаются точки наблюдения, где  при помощи специальных приборов – сейсмоприемников – определяются свойства колебательных процессов. Из полученных данных извлекается полезная информация о строении и составе  изучаемой среды.

Наиболее  эффективна сейсморазведка при изучении осадочного чехла древних платформ, поскольку его горизонтально-слоистое строение наиболее просто интерпретируется по сейсмических данным. С увеличением наклона целевых геологических границ надежность получаемой сейсморазведкой информации резко падает.

 

Возбуждение упругих волн

Для возбуждения  колебаний применяется взрывы зарядов  тротила в неглубоких скважинах, а также длительное (вибрационное) или короткое (импульсное) ударное воздействие на горные породы. Взрывные источники характеризуются наибольшей мощностью и компактностью, при этом требуют дорогостоящих подготовительных и ликвидационных работ, а также наносят большой урон окружающей среде.

Невзрывные  источники гораздо слабее, но могут  использоваться многократно в одной  и той же точке, более управляемы, а также безопаснее для человека и экологии.

Источник  возбуждает два типа независимых  сейсмических волн – продольные и  поперечные. С продольными волнами  связаны колебания, направленные вдоль  луча волны, а с поперечными - поперек.

Прямой волной называется продольная или поперечная волна, распространяющаяся непосредственно  от источника к точке наблюдения. Продольные волны характеризуются  большими скоростями, приходят в любую  точку среды раньше поперечных, распространяются практически в любых веществах  и меньше. В силу этих обстоятельств  сейсморазведка использует преимущественно  продольные волны.

 

Модель  среды и волновое поле

 

Установлено, что различные горные породы характеризуются  различными скоростями распространения  упругих волн. Параметр скорости определяется упругими константами и плотностью горной породы, а они в свою очередь  зависят от минерального состава, пористости, трещиноватости и глубины залегания.

По значению скорости упругой волны геологический  разрез разделяется на относительно однородные слои горных пород, на границах которых скорость меняется скачком. Как правило, границы областей с различными физическими свойствами совпадают с геологическими границам, что используется при интерпретации сейсмических данных.

Наличие резких границ раздела между пластами приводит к образованию вторичных  волн – отраженных, проходящих и  преломленных. Интенсивность вторичных  волн зависит от контрастности границы  по упругим свойствам. Чем сложнее  строение изучаемой геологической  среды, тем больше волн образуется на ее границах раздела. Все вместе они  образуют вторичное волновое поле –  объект измерения в сейсморазведке. Если вторичные волны содержат информацию о целевых геологических границах и успешно регистрируются на поверхности  земли или в стволе скважины, то они называются полезными. По типу выделяемых полезных волн в сейсморазведке различают  методы отраженных и преломленных волн.

 

 

 

 

 

 

 

 

Прием колебаний

 

Основным  измерительным устройством в  сейсморазведке служит сейсмоприемник, преобразующий механические колебания  упругих волн в электрический  ток переменного напряжения. При  перемещении частиц горных пород вблизи корпуса приемника в нем вырабатываются электрические импульсы, которые затем откладываются на оси времени. Получаемые зависимости называются графиками колебаний или сейсмотрассами.

Сейсмотрассы объединяются в сейсмограммы – первичный полевой материал сейсморазведки . Сигналы от приемников подвергаются предобработке усилению, фильтрации нежелательных колебаний и преобразований в цифровую форму. По независимым информационным каналам данные с точек наблюдения поступают в единый центр – сейсмическую станцию, где представляются в удобной для оператора форме. Сейсмическая станция представляет единый информационно-измерительный комплекс, предназначенный для объединения данных с сейсмоприемников, их предобработки, визуального анализа и сохранения на устройство памяти.

 

Системы наблюдений

 

Для эффективного прослеживания целевых сейсмогеологических  границ применяются типовые способы  установки и перемещения пунктов  возбуждения и приема колебаний  – системы наблюдений. Типичной системой наблюдений является пункт  возбуждения, c которого упругие волны регистрируются расстановкой, состоящей из 100-300 пунктов приема – каналов сейсмостанции. Пункт возбуждения обычно располагается в центре расстановки приемника и для получения новой сейсмограммы перемещается на расстояние в 25-50 м. Интервал между пунктами приема также выбирается равным 25-50 метров. Параметры расстановки при перемещении по профилю не изменяются для облегчения дальнейшей автоматизированной обработки данных. Описанная система наблюдений позволяет выделять целевые границы с достаточной надежностью, которая обеспечивается избыточностью получаемой информации. Например, при использовании 240 пунктов приема в расстановке количество сейсмострасс на одну точку границы может достигать 120. Правильный выбор системы наблюдений позволяет без лишних затрат получать необходимую информацию о строении интересующей части геологической среды.

 

 

Обработка и интерпретация

 

Получаемые  в процессе полевых работ сейсмограммы содержат значительную долю нежелательных  волн-помех и мешающих колебаний, а полезные волны неудобны для  интерпретации. Поэтому первичные  сейсмограммы обрабатываются с использованием самой современной компьютерной техники. В результате выполнения процедур обработки сейсмограммы преобразуются  во временной или глубинный разрез – материал для геологического толкования.По известным признакам на полученных разрезах выделяются аномальные участки, с которыми связываются скопления полезных ископаемых.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Гравиразведка

Гравиразведка (или гравиметрия) – геофизический метод, изучающий изменение ускорения свободного падения в связи с изменением плотности геологических тел. Гравиразведка активно применяется при региональном исследовании земной коры и верхней мантии, выявлении глубинных тектонических нарушений, поиске полезных ископаемых — преимущественно рудных, выделении алмазоносных трубок взрыва. Высокоточные гравиметрические измерения используются для определения рельефа местности, так как с увеличением превышений растет мощность осадочных пород над уровнем моря. Гравиразведка позволяет определять литологию магматических пород, поскольку с ростом основности возрастает и концентрация плотных железистых соединений. Гравиметрия занимается изучением гравитационного поля Земли. Локальные вариации этого поля, связанные с плотностными неоднородностями в пределах земной коры, используются для определения положения рудных тел. Полагают, что рельеф земной поверхности и плотностные изменения внутри земной коры с глубиной взаимно компенсируются, поэтому удовлетворительная корреляция между гравитационными аномалиями протяженностью 100-1000 км и рельефом не наблюдается.

 

История развития гравиразведки

 

Гравиметрическая  или гравитационная разведка (сокращенно гравиразведка) —это геофизический метод исследования строения литосферы, поисков и разведки полезных ископаемых, базирующийся на изучении гравитационного поля Земли. Основным измеряемым параметром этого метода является ускорение свободного падения. Хотя поле силы тяжести ученые изучают давно, например, Г. Галилей в 1590 г. первый получил ускорение свободного падения, наблюдая за падением тел, а М. В. Ломоносов разработал для его измерения идеи пружинного и газового гравиметров, однако лишь в 30-40-х годах XX столетия необходимая точность измерений была технически реализована в гравиметрах, маятниковых приборах, а также вариометрах и градиентометрах. Эти приборы предназначены для измерения ускорения свободного падения и его градиентов.

 

Основные  виды гравиразведки

 

Под методикой  гравиразведки понимают выбор метода и аппаратуры, осуществление комплекса мер и операций для изучения поля силы тяжести с такой кондицией, которая обеспечила бы выявление ожидаемых аномалий и решение поставленной геологической задачи. Основным в методике гравиразведки является выбор метода и аппаратуры; характера, вида съемки и системы наблюдений; погрешности съемки и правила обхода точек наблюдений; первичной обработки материала и форм его представления.

По технологии работ и типу носителя аппаратуры гравиразведку подразделяют на полевые (наземные), морские, воздушные, подземные и скважинные гравиметровые, а также вариометрические наблюдения.

По решаемым геологическим задачам и масштабу съемок различают региональную гравиразведку, проводимую на суше и море в масштабах 1:200000 и мельче, предназначенную для получения сведений о глубинном строении крупных территорий, и детальную (поисково-разведочную), выполняемую в масштабах от 1:100000 до 1:10000, направленную на выявление структур, перспективных на те или иные полезные ископаемые, поиск и разведку месторождений. 

 

Основные  принципы и задачи гравиразведки

 

В результате гравиметрической съемки рассчитывают аномалии силы тяжести (ускорения свободного падения) в редукции Буге, обусловленные  плотностными неоднородностями среды, и ведут их геологическую интерпретацию. При этом влияние Земли исключают  введением нормального поля и  редукций. Интерпретация данных гравиразведки (как и других геофизических методов) основана на физико-математическом и геологическом моделировании, включающем анализ гравитационных аномалий с обязательным использованием априорной геолого-геофпзической и петрофизической (плотностной) информации об изучаемом районе. В зависимости от качества (кондиционности) полученных материалов, степени благоприятности геолого-геофизических условий, количества и качества априорной информации, уровня исполь-зования новейших приемов интерпретации и математического моделирования с привлечением ЭВМ результаты получают с той или иной точностью, т. е. данные интерпретации носят условно-вероятностный смысл, давая одно из возможных решений вопроса о геологическом строении района.

При измерении  параметров гравитационного поля в  воздухе, на земной поверхности, акваториях морей и океанов наблюдают  их изменения, обусловленные в основном двумя причинами. Во-первых, планетарными особенностями Земли (скорость вращения, масса, форма поверхности, внутреннее строение), создающими плавно изменяющееся поле, называемое нормальным. Во-вторых, различием плотности горных пород  и руд, связанным с плотностными неоднородностями среды, образующими  аномальное полесилы тяжести. В задачи гравиразведки входят измерения значений параметров поля силы тяжести, выделение аномальных составляющих гравитационного поля и их геологическая интерпретация.

От других геофизических методов гравиразведка отличается сравнительно большой производительностью полевых наблюдений и успешно применяется при решении самых различных геологических задач с глубинностью исследований от нескольких метров (при разведке окрестностей горных выработок) до десятков километров (при определении мощности земной коры и литосферы).

По изучаемым  объектам (геологическим структурам) гравиразведка тесно связана с геологией и другими геофизическими методами, а используемые измерительные приборы, методы выделения и интерпретации аномалий опираются на достижении физико-математических наук.

Для проведения гравиразведки применяются гравиметры, чувствительные приборы измеряющие ускорение свободного падения. Гравиметрические приборы - одни из самых точных, ими можно измерять вариации гравитационного поля с точностью до стомиллионных долей. В наиболее типичном из таких инструментов, гравиметре, используется горизонтальный балансир (маятник), отклоняющийся от положения равновесия при малейших изменениях силы гравитации. Единицей измерения этой величины является Гал или более употребительный мГал. Крупные геологические тела характеризуются аномалиями в десятки и даже сотни мГал. В отечественной практике наиболее широко применяются кварцевые гравиметры и ГНУ-КВ.

Гравиметрическая  разведка широко применяется для  рекогносцировки плохо изученных  районов. В этих исследованиях сила земного притяжения измеряется со столь  высокой точностью, что даже небольшие  ее изменения, обусловленные присутствием погребенных масс горных пород, позволяют  определить глубину и форму их залегания. Гравитационное поле Земли  определяется плотностью слагающих  ее пород. Гравиметрическая разведка оперирует не абсолютными измерениями гравитационного поля, а разницей в ускорении силы тяжести от одного пункта к другому. В процессе гравиметрической съемки фиксируются горизонтальные изменения гравитационного поля, обусловленные различиями в составе и плотности горных пород. С глубиной их плотность меняется в диапазоне от 1,5 г/см3 (рыхлые пески) до почти 3,5 г/см3 (эклогит). Градиент даже ок. 0,1-0,2 г/см3приводит к возникновению распознаваемых аномалий (отклонений от стандартной величины силы тяжести), если изучаемое тело достаточно велико, неглубоко залегает и не слишком велики шумы, т.е. помехи от внешних источников. Гравиметрическая съемка практикуется для выявления соляных куполов, антиклиналей, погребенных хребтов, разломов, неглубоко залегающих коренных пород, интрузий, рудных тел, погребенных вулканических кратеров и проч.

Основным  методом гравиразведки является полевая (наземная, сухопутная) гравиметровая съемка, проводимая с помощью разного рода гравиметров. Полевые гравиметровые съемки бывают пешеходными и автомобильными, изредка используется аэротранспорт. В зависимости от масштаба съемки и способа транспортировки гравиметров наблюдения выполняют в нескольких десятках пунктов за смену.

Кроме полевых гравиметрических съемок в гравиразведке широко используют измерения на акваториях (морская гравиразведка), в меньших объемах проводят аэро-гравиметрические, подземные и скважинные, а также вариометрические съемки.

 

Магниторазведка

 

Магнитометрическая или магнитная  разведка (магниторазведка) – это геофизический метод решения геологических задач, основанный на изучении магнитного поля Земли и магнитных характеристик горных пород, руд, залежей и минералов.

Геомагнетизм исследует магнитное поле Земли (его источники и изменения на протяжении геологической истории Земли), а магнитные свойства горных пород и минералов исследует магниторазведка. Принято считать, что магнитное поле Земли обусловлено электрическими токами в жидком внешнем ядре, его напряженность изменяется с периодичностью от 100 до 10 000 лет, а полярность подвержена обращениям (инверсиям). Измерения интенсивности и направления намагниченности горных пород позволяют изучать происхождение и изменения во времени геомагнитного поля и служат ключевой информацией для развития теории тектоники плит и дрейфа материков. Магниторазведка основана на измерении небольших изменений геомагнитного поля, связанных с наличием магнитных минералов в поверхностных отложениях или в геологическом фундаменте - изверженных и метаморфических породах, подстилающих осадочные толщи.

Общие сведения о магниторазведки, история  развития магниторазведки

 

Магнитные явления  и наличие у Земли магнитного поля были известны человечеству еще  в глубокой древности. Так же давно  эти явления люди использовали для  практической деятельности, например применение компаса для ориентации. Напомним, что со времени установления Кулоном закона взаимодействия магнитных  масс (1785) начинает развиваться теория земного магнетизма. Однако лишь со второй половины XIX в. измерения напряженности  магнитного поля для поисков сильно магнитных рудных залежей привели к созданию магниторазведки. В России специальные исследования магнитного поля с геологическими целями были проведены на Курской магнитной аномалии в конце XIX века. Первыми систематическими разведочными магнитными работами в России и в мире были съемки Курской магнитной аномалии (КМА), начатые профессором МГУ Э. Е. Лейстом в 1894 г., а также магнитные съемки, проведенные на Урале Д. И. Менделеевым и в районе Кривого Рога И. Т. Пассальским в конце позапрошлого века. В 1919 г. выдающимся советским геофизиком А. И. Заборовским были начаты магнитные съемки в Курской области на КМА, положившие начало генеральной магнитной съемке территории нашей страны и развитию всей отечественной разведочной геофизики. 

 

Происхождение магнитного поля земли

Происхождение магнитного поля Земли объясняют  причинами, связанными с внутренним строением Земли. Одной из наиболее достоверной гипотезой, объясняющей  магнетизм Земли, является гипотеза вихревых токов в ядре. Эта гипотеза основана на том установленном геофизиками  факте, что на глубине 2900 км под мантией  Земли находится внешнее жидкое ядро с высокой электрической  проводимостью, которая объясняется  большим числом свободных электронов в веществе ядра вследствие высоких  температур и давления. Благодаря  так называемому гиромагнитному эффекту и вращению Земли во время  ее образования могло возникнуть очень слабое магнитное поле. Наличие  свободных электронов в ядре и  вращение Земли в таком слабом магнитном поле привели к индуцированию в ядре вихревых токов. Эти токи, в свою очередь, создают (регенерируют) магнитное поле, как это происходит в динамомашинах. Увеличение же магнитного поля Земли должно привести к новому увеличению вихревых токов в ядре, а последнее – к увеличению магнитного поля и т.д.