Методика работ и области применения терморазведки

Радиотепловые и инфракрасные съемки. Методики радиотепловых и инфракрасных аэрокосмических съемок практически такие же, как и при фототелевизионных съемках. Ценным их преимуществом является возможность вести съемки в темноте, а при соответствующем выборе длин волн и практически при любой погоде. Например, в инфракрасном диапазоне выявлен ряд «окон прозрачности» в диапазоне волн: 0,95—1,05; 1,2—1,3; 1,5—1,8; 2,1—2,4; 3,3—4,2; 4,5—5,1; 8— 13 мкм и др., на которых можно вести съемки в тех или иных погодных условиях.

Аномалии на полученных снимках формируются за счет тепловых потоков из недр, отражения солнечной энергии и зависят от оптических, тепловых и в меньшей степени электромагнитных свойств горных пород верхней части геологической среды. Радиотепловые и инфракрасные съемки осложнены термическими помехами, связанными с неравномерным тепловым обменом земной поверхности с атмосферой, изменяющимися климатическими и метеорологическими условиями, состоянием атмосферы и другими факторами.

Обработка и истолкование радиотепловых и инфракрасных снимков в общем такие же, как и при дешифрировании снимков видимого диапазона (аэрокосмоснимков).

Аэрокосмические дистанционные радиотепловые и инфракрасные съемки используют для исследования природных ресурсов Земли и, в частности, для изучения районов активного вулканизма и гидротермальной деятельности, геологического картирования и поисков некоторых полезных ископаемых, инженерно-геологических и гидрогеологических съемок, решения задач почвоведения и мелиорации, изучения снежного, ледяного покрова и динамики ландшафтов, охраны природной среды и решения других задач.

Региональные термические исследования сводятся к высокоточному (погрешность не более 0,01° С) неоднократному измерению температур, их приращений в глубоких скважинах, горных выработках и донных осадках озер, морей и океанов. Чтобы исключить

влияние сезонных колебаний температур, замеры на суше ведут на глубинах свыше 50— 100 м, а на водных акваториях — на глубине свыше 300 м.

При бурении скважин нарушается температурное равновесие, которое зависит от времени и способа бурения, условий циркуляции промывочной жидкости или продуваемого воздуха во время бурения. В среднем время восстановления температуры до первоначальных значений превышает 10-кратное время бурения скважины. Поэтому термические измерения проводят после установления температур, т. е. через несколько месяцев после бурения глубоких скважин и через несколько дней или часов после бурения скважин или шпуров в горных выработках.

Графики и карты температур (или градиентов температур) используют для расчетов геотермических градиентов, тепловых потоков. Тепловой поток рассчитывают по известному геотермическому градиенту Г и теплопроводности а,_г горных' пород, определяемой на образцах горных пород и донных осадков или с помощью специальных термометров [см. выражения (6.6), (6.8)].

В результате многолетних тепловых съемок Земли накоплены некоторые сведения об особенностях теплового поля Земли. Геотермическая ступень (величина, обратная геотермическому градиенту) составляет на кристаллических щитах около 100 м/град, на платформах — около 30 м/град, в складчатых областях—10-—20 м/град, в областях новейшего вулканизма— 5—20 м/град. Минимальные тепловые потоки (0,02— 0,04 Вт/м²) наблюдаются на платформах и особенно на докембрийских щитах, в глубоководных впадинах, максимальные — на срединно-океанических хребтах, в рифтовых зонах и участках современного вулканизма (0,2—0,4 Вт/м²). Тепловой поток увеличивается в направлении от древних к молодым областям складчатости, а в каждой из них наблюдается возрастание потоков от предгорных прогибов к участкам активного орогенеза. В тектонически активных областях наблюдается резкая дифференциация тепловых потоков, например, возрастание втрое от краевых прогибов к областям кайнозойской складчатости. Несмотря на существующее примерное равенство тепловых потоков в океанических и континентальных областях, а также в регионах разновозрастной складчатости, их различия обусловливают существование не только вертикальных, но и горизонтальных градиентов температур.

Измерения температур в структурных и разведочных (на нефть и газ) скважинах позволяют рассчитать геотермические градиенты и их изменения с глубиной и по площади. Например, в породах Украинского щита геотермический градиент очень мал: 0,010— 0,015 оС/м, а в Ставропольском крае высок — 0,032—0,067 °С/м. По нефтяным скважинам Краснодарского края геотермический градиент имеет промежуточные значения — 0,020—0,046 ^с'С/м.

Региональные термические исследования служат для выявления термического режима и состояния недр Земли, что является важным источником информации для геофизики и теоретической геологии. Практически эти исследования направлены на изучение геотермических ресурсов и выявление участков, перспективных на использование глубинного тепла в качестве источника энергии. Эти участки располагаются в районах с повышенным тепловым потоком (свыше 0,1 Вт/м²) и геотермическим градиентом (5—20° на 100 м). В таких районах на глубинах свыше 1—3 км могут находиться скопления либо парогидротерм, либо термальных вод, либо прогретых пород. В настоящее время используют не только парогидротермы и термальные воды, но и подземные тепловые котлы, т. е. зоны разрушенных перегретых пород, куда можно закачивать воду и после ее нагрева использовать для получения электроэнергии, теплофикации и других целей.

Поисково-разведочные термические исследования в комплексе с другими наземными и подземными геофизическими методами проводят на рудных, угольных, нефтяных и газовых месторождениях. Температуры пород измеряют в скважинах наземного и подземного бурения. Систему наблюдений приспосабливают к имеющейся сети скважин, поскольку специальное

бурение скважин для терморазведки экономически невыгодно и проводится лишь изредка. Температуры измеряют в отдельных точках по стволу скважины.

Большие трудности при терморазведке связаны с необходимостью получения установившихся температур, чтобы охарактеризовать естественное температурное поле горных пород. Оно оказывается нарушенным в результате искажающего влияния таких факторов, как разогрев пород при бурении, влияние промывочной жидкости, вентиляция горных выработок, усиленное окисление руд и углей, вскрытых горных выработок и др. По измеренным естественным температурам строят графики их изменения с глубиной, а для постоянных глубин - с расстоянием. При достаточной густоте точек площадных наблюдений строят карты изотерм (постоянных температур) для одинаковых глубин, карты средних геотермических градиентов и др.

Интерпретация геотермических профилей и карт обычно качественная и сводится к выделению локальных аномалий термического поля и сопоставлению их с аномалиями других геофизических методов, а также с геологическими материалами.

Инженерно-гидрогеологические термические исследования обычно проводят в неглубоких (10—30 м) скважинах с установившимся температурным режимом. Желательно изолировать водоносный горизонт от скважины. В разных природных условиях получаемые геотермические профили и карты служат

• для оконтуривания многолетнемерзлых и талых горных пород;

• для изучения динамики подземных вод (приток глубинных вод создает
положительные аномалии температур, поверхностных — отрицательные);

• для прогноза приближения забоя выработок к обводненным зонам и решения
других задач

Особый интерес представляет определение скорости фильтрации подземных вод. Как отмечалось выше, тепловой поток в условиях заметной конвекции тепла за счет подземных вод зависит от геотермического градиента, коэффициента температуропроводности и скорости фильтрации подземных вод. Приведенные формулы (6.6) и (6.8) положены в основу практического использования терморазведки для определения скорости, а затем и коэффициента фильтрации подземных вод. Для выявления мест фильтрации вод из водохранилищ, каналов, рек и стволов скважин, а также интервалов, где утечки отсутствуют, можно использовать измерение не только естественных, но и искусственных тепловых полей. Участки сосредоточенной фильтрации выделяют по. температурным аномалиям, знак которых зависит от температурного режима акваторий. Более четкие результаты получают при искусственном электрическом подогреве воды во всех точках измерений. По скорости восстановления температур можно не только качественно выявить места утечек, но и оценить скорости фильтрации.

Контрольные вопросы

1. Какие тепловые и оптические свойства горных пород используются в
терморазведке.

2. В чем разница между теплопроводностью и температуропроводностью.

3. Охарактеризуйте в целом тепловое поле Земли и причины тепловых аномалий.

4. С чем связаны региональные тепловые аномалии?

5. Охарактеризуйте источники локальных тепловых потоков.

6. Поясните принципы измерения температуры и ее градиентов в терморазведке.

7. Охарактеризуйте величины геотермических ступеней в различных крупных
структурах земной коры. В силу каких причин, по вашему мнению, они варьируют?

Глава 7. ВОЗМОЖНОСТИ МЕТОДОВ ПОЛЕВОЙ ГЕОФИЗИКИ ПРИ ПОИСКАХ НЕФТЕГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

ПРИМЕНЕНИЕ ГРАВИРАЗВЕДКИ

Гравиразведочные работы при поисках нефтяных и газовых месторождений в СССР были начаты в 1925 году в Урало-Эмбинской области и с этого времени гравиразведка является одним из основных методов при исследовании нефтегазоносных провинций. Чаще всего непосредственно сами залежи не могут служить объектом гравиметрических исследований из-за малого гравитационного эффекта, создаваемого ими. Поэтому обычно гравиметрические съемки проводят для поисков структур, благоприятных для скопления нефти и газа. Наиболее эффективно применение гравиразведки для картирования различных структур кристаллического фундамента, однако определение рельефа фундамента по гравитационным аномалиям является непростой задачей из-за влияния его плотностных неоднородностей. Когда структуры осадочного чехла пологие, с малой амплитудой, аномалии силы тяжести отражают строение и рельеф фундамента, дислокациями которого и создаются структуры чехла.

Рис. 7.1. Фрагмент карты локальных аномалий силы тяжести северо-восточной части Западно-Сибирской плиты (Норильский филиал ВСЕГЕИ).

На рис 7.1 приведен фрагмент карты локальных аномалий силы тяжести, на которой отражаются наиболее крупные структуры фундамента.

Антиклинальные структуры чехла в геосинклинальных областях и краевых погибах платформ обычно создают положительные аномалии силы тяжести, поскольку плотность мощной толщи осадочных образований возрастает с глубиной. Однако из-за послойного изменения плотности и при обратном распределении плотности пород над антиклинальными структурами можно наблюдать и отрицательные аномалии (антиклинали Апшеронского полуострова, Западного Предкавказья, Ферганской долины и др.)

В районах солянокупольной тектоникигравиразведка является одним из ведущих методов как при определении границ этих районов, так и при поисках соляных куполов. Плотность соли практически постоянна (2,1 г/см³) и обычно меньше плотности вмещающих пород, поэтому над соляными куполами наблюдаются интенсивные минимумы силы тяжести - от единиц до десятков миллигал.

Для изучения локальных структур чехла необходимо проводить высокоточные гравиметрические наблюдения

Наиболее значительный объем высокоточных гравиметрических измерений был проведен на востоке Русской плиты, в пределах Волго-Уральской нефтегазоносной провинции. Результаты этих работ были обобщены З. М. Слепаком (1980, 1989). Некоторые примеры из этой работы приведены ниже.

При рассмотрении гравитационных аномалий над структурами учитывались особенности геологического строения данного региона. Известно, что положительные структуры III порядка в центральной части Волго-Уральской провинции характеризуются тем, что кристаллический фундамент имеет приподнятое положение до 1,4—1,5 км, и лишь местами он погружается до 1,8 км и 3,4 км. На участках рассматриваемых структур в осадочном покрове характерно наличие терригенных отложений большой мощности нижнего карбона, а также верхнедевонских и нижнекаменноугольных рифогенных образований. На поверхности обнажаются отложения верхней перми.

Характерной особенностью этой территории является то, что на ее поверхности развиты мезозойские (нижний триас, средняя и верхняя юра, нижний и верхний мел) и кайнозойские (палеоген, неоген) образования. Здесь наблюдается значительное стратиграфическое и структурное несогласие между палеозойским и мезо-кайнозойским осадочным покровом.

Локальные структуры северо-восточной части провинции, как и юго-западной, характеризуются залеганием фундамента на глубину от 2,8 км (Краснокамско-Полазненский вал) до 7 км и более (Камско-Бельская впадина).

Геологические особенности данного региона проявились и в характере локальных структур. По морфолого-генетическим особенностям эти структуры подразделяются на два основных типа: тектонические и аккумулятивные.