Методи вивчення будови і речовинного складу глибоких шарів океанічної літосфери

 

У практиці сучасних досліджень геологічної будови дна морів та океанів головне місце займають геофізичні дослідження: сейсморозвідка, гравірозвідка, магніторозвідка, електророзвідка, геотермічні дослідження, морське буріння та інші.

 

Сейсмічні дослідження

Морська сейсмоакустика є основним методом дослідження будови осадової товщі і кристалічного фундаменту земної кори морів та океанів. Пік активності в проведенні сейсмоакустичних робіт у Світовому океані припав на 60-80-і роки минулого століття. Саме у цей період отримано масовий матеріал про сейсмічну структуру дна глибоководних улоговин, підводних околиць континентів, серединно-океанічних хребтів, на основі якого був зроблений висновок про існування особливого “океанічного” типу земної кори. Однак у морській сейсмоакустиці, аналогічно як і в магнітометрії і гравіметрії, є свої проблеми, невирішені і дискусійні питання, які не дозволяють часто однозначно інтерпретувати результати вимірів.

Сейсморозвідка дає найбільш повну інформацію про геологічну будову дна, виконується вона з використанням спеціального корабля. Корабель виконує функції як генератора так і реєстратора сейсмічних хвиль. У воду опускають відповідні пристрої для генерації хвиль і їх реєстрації.

Морська сейсміка – це, по суті, циклічний процес збудження хвиль через кожні кілька хвилин. Таким чином вона є швидкісним методом. За один місяць робіт може бути виконано від 500 до 2000 км профілів. Вартість 1 погонного кілометра профілю майже в п’ять разів менша за такий же в умовах суходолу.

Сейсмічний метод в океані є найефективнішим способом вивчення будови осадового чохла акваторій або глибших горизонтів (структури, швидкісних характеристик). Залежно від частоти випромінювання змінюється глибина проникнення енергії в осадовий чохол або глибші горизонти. За частотою випромінювання виділяються високочастотні, середньо частотні і низькочастотні методи; одноканальні (безперервна сейсмічна профілізація – БСП), багатоканальні (МОВ ОГТ) методи, а також глибинне сейсмічне зондування (ГСЗ).

Принцип сейсмічних методів заснований на проникненні енергії (викид стислого повітря, електричний розряд), що створюється джерелами у водну товщу, а потім і в породу. Після відбиття пружних хвиль від тих або інших горизонтів, відбитий сигнал приймається сейсмоприймачами, вмонтованими у сейсмічну косу (рис. 3.8). Дані нагромаджуються в цифровому вигляді на магнітних носіях. Подальша їх обробка проводиться на комп’ютерах за допомогою різноманітних програм, що дозволяють фільтрувати перешкоди (шуми), залишати корисну інформацію про будову земної кори.

Метод глибинного сейсмічного зондування (ГСЗ) має широке застосування при дослідженні глибинної структури земної кори і верхньої мантії морів та океанів.

Суть методу полягає в наступному. Один з кораблів лягає в дрейф або (якщо дозволяє глибина) стає на якір. Інший корабель, рухаючись вздовж профілю спостережень, здійснює послідовне збудження пружних хвиль тим чи іншим методом. Інтервал між такими збудженнями як правило складає дві милі (3704 м). Заломлені і відбиті від тих чи інших горизонтів хвилі реєструються дрейфуючим кораблем за допомогою гідрофонів, забезпечених чутливими елементами із кераміки титанату барію і занурених на глибину 30–35 м.

Сейсмічне профілювання методом відбитих хвиль (МВХ) – найбільш ефективний та поширений спосіб дослідження будови осадової товщі. Ефективність морського сейсмічного профілювання визначається тим, що випромінювання та прийом сейсмічних сигналів проводиться у найсприятливіших для поширення сейсмічних хвиль умовах морського середовища при безперерв­ному русі судна, поєднуючи при цьому високу глибинність (до декількох кіло­метрів) та родільну здатність досліджень з високою продуктивністю.

Метод сейсмопрофілювання. Цей метод широко застосовується для регіонального вивчення земної кори та верхньої мантії океанів і морів.

Самими популярними суднами підводної розвідки родовищ стали морські спеціальні кораблі "Ramform", розроблені для сейсмічної розвідки родовищ нафти і газу. Характерною особливістю їх є мінімальний шум при роботі судна. Це дозволяє проводити дослідження з більш чітким зображенням і добре відстежувати шари земної кори. Широка корма судна сейсмічної розвідки забезпечує надзвичайну стійкість і безпечність платформи, на якій знаходиться практично все геофізичне обладнання. Із задньої частини корпуса судна розтягується в середньому близько 10 стримерів на відстані до 9500 метрів. Корабель продовжує їх буксировку на певній швидкості. На стримерах розміщено близько 24000 мікрофонів. Одержані дані обробляються на спеціальному обладнанні і відображаються на моніторах у двох- або трьохмірному зображенні 2Д і НД3Д. Такий метод морської розвідки і технологія дозволяють підтвердити наявність нафтового або газового родовища.

 

Гравіметричні дослідження

Гравірозвідка – один з важливих методів морських регіональних досліджень, за допомогою якого одержують дані про глибинну будову земної кори.

Сучасні гравіметричні вимірювання здійснюються безперервно під час руху судна гравіметрами, що установлені на гідростабілізуючих платформах на одному з бортів корабля або на буксирних гондолах. При вирішенні деяких геолого-геофізичних завдань в окремих точках морського дна застосовують донні гравіметри. При використанні донних гравіметрів існують певні технічні труднощі у виконанні цих робіт з суден. Вони пов’язані з витратою великої кількості часу на їх занурення і підняття. При набортних дослідженнях процес ускладнюється наявністю прискорення і нахилів судна, на якому ведеться робота. У цьому випадку для отримання істинних значень величин сили тяжіння вводяться різні поправки. Використання донних гравіметрів спрощує задвдання. Бортові гравіметри зазвичай споряджені електричним термостатом та електромагнітним термокомпен­сатором. Виміри реєструються у цифровому вигляді.

У донному варіанті використовують гравіметри з кварцовою чуттєвою системою, а також високоточні гравіметри з металевою пружиною.

У зв’язку з невисокою точністю бортові гравіметри суден використовують переважно для регіональних досліджень та дрібномасштабної зйомки, а донні гравіметри та гравіметри підводних човнів і апаратів – для виконання зйомки масштабів 1:50 000–1:200 000 та створення опорних гравіметричних пунктів.

Інтерпретація карт аномалій в редукції Буге ΔgБ якісна, а при наявності опорних геолого-геофізичних профілів (як правило сейсмічних) може бути і кількісною. У результаті гравіметричних і сейсмічних досліджень великих територій континентів і океанів встановлюють пряму залежність між товщиною земної кори і ΔgБ. Встановлено, що в геосинклінальних областях відмічаються інтенсивні від’ємні аномалії (до – 400·10^-5 м/с²), платформи характеризуються невеликими аномаліями різного знаку, а на акваторіях спостерігаються додатні аномалії (до 400 ·10^-5 м/с²).

Інтерпретація гравіметричних даних свідчить про існування великих за розмірами аномалій, які вказують, що океан має блокову будову. Блоки розділені субвертикальними границями. Океанічна кора знаходиться переважно (на 90 %) в ізостатичній рівновазі. Аномалії можуть бути обумовлені: неоднорідністю мантії, густинною неоднорід­ністю і товщиною земної кори, структурними особливостями та літологічними змінами у будові осадового чохла.

 

Магнітометричні дослідження

Магніторозвідка ─ це метод, який базується на дослідженнях геомагнітного поля Землі. З використанням магнітометрів визначається напруженість магнітного поля, його вертикальна та горизонтальна складові. Використовується для вивчення будови дна, геологічного картування, виявлен­ня магнетитових руд та інших корисних копалин, а також геоісторичних цілей. Це є практично єдиний геофізичний метод, який має історичну пам’ять. Побудова карт магнітних полів дозволяє фіксувати зони розривних порушень, встановлювати величини горизонтальних зміщень по них. Геохронологічна інтерпретація магнітних аномалій базується на явищах палеомагнетизму і дозволяє визначити вік магнітних аномалій, а також швидкість розширення океанічного дна у рифтових зонах.

Для виміру складових магнітного поля користуються магнітометрами.

Магнітометри використовують для вимірювання напруженості (А/м) або індукції магнітного поля (Тл), магнітного потоку (Вб), а також для визначення магнітного моменту (А•м²), намагніченості (А/м), магнітної сприйнятливості гірських порід.

Виділяють наступні типи магнітометрів: магнітостатичні з чутливими елементами у вигляді постійного магніту, які підвішені на пружних нитках; ферозондові з датчиками з магнітонасичених матеріалів; протонні (ядерно-резонансні), засновані на явищі ядерної прецесії; квантові, що використовують прецесію атомів. Магнітометр можна розміщувати на борту літаків або в гондолах, що буксируються кораблями.

Методи інтерпретації магнітного поля океанів і морів розділяють на якісні, кількісні і геохронологічні (геоісторичні). У першому випадку визначають морфологію аномального поля і проводять його районування: виділяють зони, що розрізнюються за простяганням, амплітудою, періодом магнітних аномалій. У другому – встановлюють кількісне значення магнітного поля, глибину залягання магнітозбурених мас тощо. Геохронологічна інтерпретація магнітних аномалій заснована на явищі палеомагнетизму і дозволяє визначити вік магнітних аномалій, а також швидкість розширення океанічного дна у рифтових западинах.

 

Електрометричні дослідження

Електророзвідка використовується для геологічного картування, розчленування осадового чохла на літолого-фізичні комплекси, вивчення рельєфу корінних порід, пошуку деяких корисних копалин. Користується електророзвідка постійним і змінним струмом. Найбільше поширення отримали методи безперервного дипольно-осьового зондування (БДОЗ) і безперервного електричного профілювання (БЕП). БДОЗ проводять по профілях. Установка дипольного профілювання складається з двох суден – приймального і живильного. Для виміру різниці потенціалів на приймальних диполях безпосередньо на дні моря і синхронної передачі результатів виміру на борт живильного судна замість приймального судна можна використати автономну станцію. При БЕП на морі могутні джерела електроживлення (50–100 кВт при напрузі 220 В) розміщують на борту судна, що дозволяє збільшити різницю потенціалів. Глибинність зондування може досягати декількох кілометрів, а глибина моря до 600 м.

Найбільш глибинний метод електророзвідки – метод магніто-телуричного зондування, заснований на вимірюванні складових змінного електромагнітного поля, що створюється магнітосферними джерелами. Створення автономних донних станцій з програмним управлінням для робіт методом магнітотелуричного зондування дозволяє провести кореляційні спостереження одночасно декількома станціями з одного судна.

Актуальне завдання морської електророзвідки на сучасному етапі – це виявлення покладів вуглеводнів у межах різних за величиною структур, які в свою чергу, в сотні разів більші, ніж великі структури на суші.

Морські електро­розвідувальні дослідження дають високу детальність розчленовування геоелектричного розрізу по площі за допомогою застосування фокусування електричного струму в точці спостережень у вертикальному напрямі.

 

Геотермічні дослідження

Геотермічні дослідження дають можливість визначити тепловий потік, що йде від земних надр. Для цього визначають градієнт температур і теплопровідність порід. Геотермічний градієнт (grad T або dT/dZ) на суходолі коливається у межах (8–40)∙10^-3 °С/м, а в океані – у межах (40–100)∙10^-3 °С/м і більше.

Теплопровідність () відповідно на суші становить (17–42) 10 Вт/м∙К, а в океані – (7,5–10,5) Вт/м∙К.

Тепловий потік надр Землі визначається за формулою

де λ – теплопровідність гірських порід, Вт/(м.К);

grad T – геотермічний градієнт, ^оС/м.

Тепловий потік має розмірність Вт/м².

Технічно тепловий потік простіше визначати в океані ніж на суходолі. Великі геотермічні аномалії пов’язані з розвантаженням глибинних термальних вод або близькістю нагрітих мас.

Існують наступні методики морських геотермозйомочних робіт, які можна об’єднати у дві групи:

а) геотермозйомка у придонних осадках до глибини 3 м;

б) геотермічне картування по дну акваторій.

Заміри температур на дні моря і у придонних осадках на однойменних профілях, які зняті менше ніж за добу, практично ідентичні та зумовлені глибинною складовою теплового потоку.

Придонне геотермічне картування можна вести одночасно з такими геофізичними методами, як електророзвідка, радіометрія і, в окремих випадках, сейсморозвідка. Згідно методики геотермічного картування виділяється два самостійних етапи проведення морських геотермічних досліджень:

а) регіональний – рекогносціювальний;

б) детальна геотермозйомка.

При проведенні регіональних геотермічних досліджень профілі закладаються у районах не вивчених в геотермічному відношенні. Довжина їх складає 50-500 км, що зумовлюється нетривалістю замірів у зв’язку з впливом добових коливань температур та інших зовнішніх завад. Інтерпретація отриманих даних дозволяє встановити регіональний температурний фон та виділити як додатні, так і від’ємні аномалії. Останні, і в першу чергу з максимальними значеннями температур, і є об’єктами детальних геотермозйомочних досліджень.

Методичні прийоми проведення робіт безперервним термозондуванням як на регіональному, так і на детальному етапі практично однакові. Зйомка проводиться з борту науково-дослідного судна (НДС) будь-якого класу. Обов’язковим є збереження мінімальної постійної швидкості руху судна (2–4 км/год), точна геодезична прив’язка реперних точок профілів і одночасне зондування глибини моря. Вимірювальний блок (термоволочок) опускається з постійною швидкістю на дно і при цьому ведеться запис температури водяної товщі (визначення термоклину). Відпрацювання профілю проводиться при безперервному русі судна поетапно. Після кожних 25–30 км ходу необхідна зупинка (реперна точка) для визначення запізнювання реєстрації температури відносно точки заміру за рахунок інерційності вимірювальної системи та відповідних поправок при обробці фактичного матеріалу. При відпрацюванні профілів незначної протяжності для розрахунку поправки на інерційність рекомендується проводити двократне (при прямому і зворотному ході) придонне зондування.

Детальні роботи на ділянках локальних аномалій ведуться методом сканування по поздовжніх та поперечних профілях. Спочатку повторно проводять спостереження аномальної ділянки регіонального профілю і на її периферії судно заходить на профіль, перпендикулярний до першого. Відстані між профілями вибираються в залежності від масштабу зйомки, поставлених задач та загальної геологічної будови регіону. Після завершення відпрацювання поперечних профілів для часової прив’язки результатів, проводиться повторна зйомка першого профілю. На площах детальних досліджень доцільно проводити незначний об’єм (10–15 точок) замірів температури, геотермічного градієнту і теплопровідності у придонних осадках, що дозволить більш ефективно інтерпретувати результати придонного зондування.

В Інституті геології і геохімії горючих копалин НАН України розроблено відповідний комплекс геотермічної апаратури, який дозволяє:

- отримати зміну температури від поверхні води до дна (термоклин);

- проводити вимірювання температури і її градієнта у придонних осадках;

- проводити неперервні вимірювання температури по поверхні дна в процесі руху судна;

- визначати теплофізичні властивості придонних осадків у природних та лабораторних умовах;

- автоматизувати процес збору та обробки інформації.

 

Морське буріння

Морське буріння - найважливіший метод пізнання геології дна Світового океану і пошуку родовищ корисних копалин. Морське буріння ставить перед собою мету вивчення будови океанічної літосфери і речовинного складу порід, що її складають.

Залежно від конструкції і призначення розрізняють: наземні бурові установки; бурові установки на морських платформах; бурові баржі; допоміжні судна; напівзанурювальні бурові установки; самопідіймальні бурові установки; бурові судна. Приклади окремих типів установок морського буріння наведено на рис. 2.4.

Бурові установки на морських платформах. Установки даного типу монтуються на платформах і використовуються для буріння і проведення спеціальних робіт у видобувних свердловинах. Загальне число свердловин, яке може бути пробурене з однієї платформи, залежить від продуктивності свердловин, фільтраційно-ємнісних властивостей пласта і розмірів покладу, і, переважно, не перевищує 40-50 свердловин. У більшості випадків бурова вежа знаходиться постійно на платформі, хоча і може бути демонтована і замінена спеціальним устаткуванням для проведення робіт у свердловинах після того, як пробурені всі свердловини.

Бурові баржі. Це тип шельфового бурового суднастарих конструкцій з плоским дном і кораблеподібним корпусом. Більш пізні типи — достатньо малі бурові суднаводотоннажністю понад 10000 тонн.

Бурові баржі зазвичай буксируються до місця призначення і занурюються на дно за допомогою баласту до проведення бурових робіт. Подібного типу бурові установки використовуються у болотистих районах або на мілководді.

Допоміжні судна. Допоміжні судна часто використовуються для буріння в зоні шельфу, як, наприклад, на Далекому Сході або Венесуелі, де глибина води невелика і де можна використати невеликі дешеві платформи. Допоміжне судно, оснащене всім необхідним для буріння з платформи устаткуванням, стає на якір поряд з платформою. Як допоміжне бурове судно може служити баржа або ж напівзанурювальна установка. Після закінчення буріння судно переправляється до наступної платформи.

Напівзанурювальні бурові установки. Напівзанурювальна бурова установка є плавучою конструкцією, що використовується для буріння при глибинах моря від 60 до 2500 м. Вона буксирується або ж переправляється з одного місця буріння на інше самостійно за допомогою наявної системи гребних гвинтів. Більшість напівзанурювальних установок закріплюються на місці передбачуваного буріння ланцюгами або тросами для забезпечення стабільного положення при бурінні. Деякі сучасні установки забезпечені системою динамічного позиціювання (ДП), заснованою на системі рушіїв і точної навігації, що дозволяють підтримувати точне положення установки при бурінні. Системам ДП часто віддається перевага при бурінні на великих глибинах, де встановлення на якір може потребувати значних витрат часу і засобів.

Самопідіймальні бурові установки. Самопідіймальні бурові установки представляють собою конструкцію, що опирається на дно і використовується для буріння при глибинах моря від 20 до 120 м. Самопідіймальна установка спочатку буксирується до місця передбачуваного буріння в плавучому стані, після чого ноги платформи спускаються і щільно притискаються до морського дна, забезпечуючи стабільне положення платформи при бурінні. Самопідіймальні установки можуть також використовуватися як допоміжні судна, розташовуючись поряд з основною (стаціонарною) платформою. У цьому випадку бурова вежа насувається на основну платформу і буріння здійснюється через отвір у стаціонарній платформі.

 

Україна має наразі три самопідіймальні плавучі бурові платформи: СПБУ “Таврида”, СПБУ “Сиваш” та “Петро Годованець”, які працюють на шельфах Чорного і Азовського морів. Ці бурові платформи вже відпрацювали свій ресурс і потребують заміни.

Бурові судна. Бурові судна є саморухомими установками з більшою, як правило, вантажопідйомністю.

Завдяки цьому вони в стані перевозити велику кількість матеріалів і основного устаткування, і внаслідок чого застосовуються у віддалених акваторіях, де використання допоміжних суден з метою постачання пов’язане з великими витратами. Бурові судна широко застосовуються при глибоководному бурінні.

Бурове судно обладнано центральним прорізом у корпусі, над яким встановлена бурова вежа, і системою для утримання судна над гирлом свердловини.

Уперше буріння із застосуванням бурового судна розпочате в Атлантичному океані в 1968 (з американського судна "Гломар Челленджер"). Сучасні бурові судна, як правило, самохідні, з необмеженим районом плавання і забезпечують роботу на глибинах морів та океанів понад 4000 м.

Різновидом бурового судна є шланго-кабельні судна, призначені переважно для інженерно-геологічного буріння на глибину 200 м при глибині моря до 600 м. Їх обладнують системою динамічної стабілізації, гнучким шлангокабелем, завдяки чому вимоги щодо зміщення судна відносно гирла свердловини ставляться менш жорсткі, ніж при використанні бурильних труб.

Сьогодні на шельфі Світового океану експлуатується понад чотири тисячі стаціонарних платформ і понад 800 рухомих установок, призначених для пошуково-розвідувальних і експлуатаційних робіт.

Штучні острови порівняно невеликих розмірів використовують для розвідки і видобування нафти та газу, особливо в арктичних районах.

 

Оформлення звіту

 

Звіт про виконану роботу на стандартних аркушах паперу. У звіті коротко викласти мету та завдання роботи. Описати методи вивчення рельєфу, поверхневих шарів, будови і речовинного складу глибоководних шарів океанічної літосфери та методику їх проведення. Навести необхідні схематичні зарисовки.

 

Запитання

 

1 Схарактеризуйте методи вивчення рельєфу дна морів і океанів.

2 Схарактеризуйте методи вивчення поверхневих шарів морів і океанів.

3 Схарактеризуйте методи вивчення будови і речовинного складу глибинних шарів.

4 Розкрийте суть методу ехолотування.

5 Схарактеризуйте основні методи геофізичних досліджень морських надр.

6 Розкрийте суть методу безперервного сейсмічного профілювання.

7 Опишіть типи колонкових відбірників проб.

8 Схарактеризуйте типи бурових установок, що використовуються при дослідженні морських надр.

 

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3