Геологическая природа магнитных аномалий и разведочные возможности магнитометрического метода.

 

В изложении этого вопроса можно полностью опереться на аналогии с природой гравитационных аномалий. Это позволяет без предварительных объяснений сразу же перейти к перечню физико-геологических факторов разреза, участвующих в формировании аномалий магнитного поля на примере платформенных территорий.

Прежде всего, назовем рельеф поверхности кристаллического фундам ента, поскольку эта поверхность разделяет слабо магнитную осадочную толщу и, наоборот, магнитоактивную толщу пород фундамента. Эффективная величина χ, то есть разность значений χ, характерных для этих толщ составляет в среднем один-два порядка, то есть 10-100·10^-5СИ, а нередко и существенно больше.В самом деле, значения χ для нижнего терригенного комплекса осадочного чехла обычно не превышают 20-40·10^-5СИ, тогда как χ гранитно-метаморфического комплекса чаще всего превышает 150-300·10^-5СИ. Так что рельеф фундамент обычно проявляется в магнитном поле, создавая аномалии в десятки или даже первые сотни нТл. Если сравнивать между собой грави- и магнитоактивность рельефа фундамента, то можно сказать что в поле Δg этот фактор проявляет себя более контрастно, но все же выступы кристаллического основания в целом могут быть достаточно надежно выявлены на картах ΔТ_а.

Второй фактор – неоднородность внутренней структуры фундамента, напротив более сильно проявляет себя в магнитном поле, где интрузии основных пород в гранитно-метаморфической толще Земной коры создают интенсивные (до нескольких сотен, а иногда и более нТл) аномалии ΔТ и формируют основной рисунок этого поля. Очень хорошо выявляются в нем и разломы фундамента. Обычно по разломам поднимаются из глубин разогретые и потому сильно намагниченные основные породы. И хотя сами такие магнитные тела имеют сравнительно небольшую массу, но в силу интенсивного намагничения этих тел, разломы четко просматриваются в виде линейных цепочек слабых аномалий ΔТ, по которым трассируются разломы и тем самым выявляются блоки фундамента. Их структурные позиции проявляются в интенсивности значений ΔТ в пределах этих блоков, а больший или меньший наклон находит отображение в кофигурации и сближении (или разрядке) изолиний.

Глубинный фактор, о котором было немало сказано применительно к гравиразведке, в магнитном поле себя не проявляет в силу вышеотмеченного ограничения глубинности магниторазведки, связанного с наличием изотермической поверхности Кюри.

Структура осадочного чехла и неструктурный фактор находят определенное отображение в магнитном поле, хотя в старых учебниках, изданных до 80-х годов прошлого столетия, то есть каких-то 20-30 лет назад, об этом не было речи. Возможность выявлять неоднородности осадочной толщи появилась только с внедрением в практику магнитной разведки протонных и квантово-оптических магнитометров.

«Осадочные» аномалии имеют малую интенсивность (до первых десятков нТл) из-за слабой контрастности магнитных свойств осадочных пород. Средние значения χ в карбонатных комплексах не превышают 10·10^-5СИ (максимальные χ доходят здесь до 30·10^-5СИ), а в терригенных 40-50·10^-5СИ (максимальные χ для песчаников не превышают 100-120·10^-5СИ).

«Нефтяные» аномалии также могут быть выявлены современной магниторазведкой. Чаще всего это отрицательные аномалии (слабые минимумы интенсивностью до 20-30 нТл), возникающие из-за диамагнетизма углеводородного флюида. Однако, не исключаются и небольшие плюсовые аномалии, обусловленные возникновением в зоне залежи и, особенно, над ней вторичного магнетита, вызванного высокой химической активностью нефти. Например, выявлены скопления вторичного магнетита над некоторыми месторождениями в США, а в палеомагнитной лаборатории НИИ геологии Саратовского университета экспериментально показана возможность преобразования под влиянием углеводородов слабомагнитного минерала сидерита Fe₂CO₃ в магнетит.

Обобщение данных магниторазведки по территории Европейской России показало, что более 90% структур осадочного чехла и более 75% нефтегазовых месторождений находят свое четкое отображение в результатах магнитных съемок.

В последнее время в упомянутой палеомагнитной лаборатории разрабатываются новые методы поисков нефти и газа, основанные на термомагнитных явления. Тот же термомагнетизм обусловил применение магниторазведки для решения задач археологии, технической геофизики и пр. Трудно преувеличить и геологическое значение палеомагнитных исследований. По существу эти исследования, начавшиеся в середине прошлого столетия, сыграли основополагающую роль в становлении таких важнейших геологических идей как тектоника плит, глобальный рифтогенез и пр. Обо всем этом много говорится в специальной и научно-популярной литературе, энциклопедии «Аванта +» и других источниках. В плане решения задач поисков и разведки месторождений полезных ископаемых палеомагнитные исследования также играют значительную роль. Она определяется тем, что продукты разрушения (выветривания) скальных массивов изверженных пород с сильным намагничением транспортируются водными потоками на огромные расстояния, осаждаются и образуют мощные скопления осадочных пород. Причем каждая исходная частичка-песчинка, как единичный элементарный магнитик, при осаждении ориентируется магнитным полем времени образования осадка и, таким образом, в сформировавшейся толще запечатлевается магнитное поле этого времени. Нередко вектор остаточной намагниченности Ir является более сильной составляющей в суммарном значении I, чем составляющая I_i, индуцированная современным магнитным полем. Таким образом, измерение намагниченности и определение параметра Q проливает новый свет на геологическое строение изучаемого района и это способствует повышению эффективности геологической разведки.

Сказанное позволяет высоко оценить разведочные возможности магнитного метода, способного решать задачи непосредственных поисков железорудных месторождений, картирования выступов и погружений в рельефе фундамента платформенных территорий, выявления неоднородностей его внутренней структуры, трассировании глубинных разломов, решения задач инженерной геологии и археологии, поисков нефтегазовых залежей.

Столь широкий спектр возможностей в магниторазведке открылся с появлением принципиально новых приборов-магнитометров. В старых приборах в качестве основного измерительного инструмента использовалась магнитная система, напоминающая стрелку компаса. Показания таких приборов сильно зависели от множества превходящих факторов и обладали недостаточной для решения тонких геологических задач точностью. Современные приборы – протонные и квантовые магнитометры – позволяют измерять абсолютные значения напряженности поля с очень высокой точностью.

Идея ядерных (протонных) магнитометров состоит в следующем. Ядра многих элементов могут рассматриваться как магнитные диполи. Они ориентированы (в той или иной части) в направлении приложенного магнитного поля (то есть Земного). Если приложить поле другого направления – ориентировка изменится, а если это поле снять, то диполи стремятся вернуться в исходное состояние. Причем возврат этот реализуется как колебательный процесс. Частота колебаний (прецессий) зависит от приложенного (первичного) магнитного поля

Частоты эти можно измерить и пересчитать в абсолютные значения модуля полного вектора напряженности магнитного поля. Все это явления ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

В качестве вещества, используемого для реализации процесса ЯМР используется вода Н₂О. Ядра кислорода не имеют магнитного момента и частота прецессий определяется только колебанием протонов (ядер водорода). Вода заливается в цилиндрический сосуд, который вставляется в катушку с витками провода (соленоид). С помощью соленоида вокруг сосуда с жидкостью создается сильное магнитное поле Т₀ напряженностью около 10⁴ А/м. Направление поля задается примерно перпендикулярным к измеряемому геомагнитному полю. По истечении 1-2 с наложенное поле отключается. Наведенный магнитный момент протонов прецессирует с частотой ω вокруг вектора напряженности геомагнитного поля.

Полная независимость результатов измерений от ориентировки прибора, возможность производить измерения на колеблющемся основании (судно, самолет, вертолет), независимость от температур, высокая точность измерений обусловили быстрое внедрение таких приборов в практику магнитной разведки. С устройством и особенностями работы наземного протонного магнитометра студенты смогут ознакомиться в процессе прохождения полевой учебной практики.

Квантовые магнитометры основаны на эффекте Зеемана, заключающемся в том, что уровни энергии атомов или ядер, обладающих магнитным моментом, в магнитном поле расщепляются на несколько подуровней Е₁, Е₂…Е_N. Разность энергии ΔЕ между подуровнями зависит от напряженности Т магнитного поля

ΔЕ = h γ Т, где γ – отношение магнитного момента атома или ядра к моменту количества движения (механическому моменту), h – постоянная Планка.

Согласно законам квантовой механики частота перехода квантов ω между энергетическими уровнями с энергиями Е₁ и Е₂ выражается формулой

ω =

Основываясь на приведенных соотношениях можно заключить, что частота перехода между зеемановскими подуровнями

ω = ΔЕ/h = γТ

Из последнего выражения следует, что частота квантового перехода ω пропорциональна напряженности магнитного поля. Это соотношение положено в основу измерений магнитного поля квантовыми магнитометрами. Точность этих приборов такова, что позволяет строить карты ΔТ_а с сечением менее 1 нТл. А это позволяет надежно выявлять аномалии с интенсивностью до 3-5 нТл, то есть решать весьма тонкие геологические задачи.

Основная модификация современной магниторазведки – аэромагнитная съемка. Высокая точность измерений и независимость производства съемок от поверхностных условий, сложностей наземной обстановки (заболоченность, залесенность, промышленная застройка) делает магниторазведку наиболее технологичным из методов разведочной геофизики.

Карты ΔТ_а подвергают геологической интерпретации, используя в значительной мере те же подходы, что и в гравиразведке –методы разделения полей, решение прямых и обратных задач аналитическими и компьютерными методами. Хороший эффект дает совместная интерпретация гравимагнитных данных, основанная на их направленном суммировании, корреляционных преобразованиях, преобразовании Пуассона. Например, идея так называемого псевдомагнитного преобразования, основанного на Пуассоновской связи заключается в следующем.

Геологический смысл Пуассоновской связи состоит в том, что ее можно использовать при интерпретации аномалий силы тяжести для решения задачи разделения аномалий, о которой уже говорилось выше применительно к гравиразведке. Процедуру такого разделения можно представить следующим образом.

Экспериментальную кривую Δg_а нетрудно, воспользовавшись соотношением Пуассона пересчитать в магнитную, то есть получить так называемую псевдомагнитную аномалию (ПМА). Если источники гравитации и магнетизма совпадают – то ПМА окажется такой же как и экспериментальная кривая ΔТ_а. Если же, как это обычно бывает, плотностных неоднородностей в разрезе больше (осадочный чехол, например, значительно сильнее дифференцирован по плотности, чем по намагниченности), то в ПМА будет информации существенно больше, чем в реальной наблюденной кривой ΔТ_а. Если провести процедуру вычитания кривой ΔТ_а из ПМА, то влияние, обусловленное общими источниками гравитации и магнетизма (такие источники, как нетрудно догадаться из вышесказанного, сосредоточены в фундаменте) будут устранены и полученная разностная кривая выявит локальные аномалии, связанные только с осадочной толщей.

Приведенный здесь краткий конспект курса магнитной разведки позволяет составить определенное представление об ее особенностях и разведочных возможностях, которое можно существенно расширить, ознакомившись с предложенными литературными источниками. Поставленную в этом пособии задачу можно, по мнению составителя, считать решенной, если студент без особых затруднений самостоятельно ответит на нижеследующие контрольные вопросы, содержание которых напрямую в тексте пособия не освещается.

 

Контрольные вопросы по грави- и магниторазведке.

1. Какой из названных методов характеризуется большей глубинностью?

2. Какое из потенциальных полей - гравитационное или магнитное - характеризуется большей дифференцированностью?

3. Какой из методов более востребован при решении геологических задач в солянокупольных бассейнах?

4. Какой из методов с большей эффективностью используется в аэромодификации?

5. Какое из полей характеризуется большей информативностью в отношении неоднородностей строения осадочного чехла платформенных территорий?

Для лучшего понимания геологических возможностей грави- и магниторазведки в сравнительном плане студенту, будет предложено провести сопоставление карт аномалий Δg и ΔТ одного и того же участка территории Саратовского Поволжья.

 

Лекция 7. Электрические поля и методы электроразведки.

 

В отличие от вышерассмотренных методов электроразведка - это не один, а большая группа (более 30) методов с очень широким спектром возможностей, которые реализуются в самых разных сферах человеческой деятельности – от поисков полезных ископаемых – до сельского хозяйства и строительства железнодорожных магистралей. Это обусловлено, с одной стороны, разнообразием физических свойств пород, связанных с геоэлектрическими процессами, а с другой – многообразием электрических полей – естественных и искусственных, циркулирующих в недрах. В одном из стихотворений поэта Мартынова планета Земля представляется как

«Увешанная виадуками,

Источенная водотоками,

Набитая золой и туками,

Насквозь пронизанная токами…»

И это совершенно точный образ, хорошо понятный геофизику.

Поэтому определение метода, с которого мы обычно начинаем рассмотрение каждого раздела курса, звучит следующим образом: Электроразведка – это группа методов, изучающих структуру и особенности распределения искусственных и естественных полей постоянного и переменного тока, обусловленные различной электропроводностью, диэлектрической проницаемостью, поляризуемостью, геоэлектрохимической активностью и т.п. горных пород Земной коры.

Чаще всего в электроразведке определяют так называемое кажущееся сопротивление ρ_к (электропроводность) – характеристику среды и представляют ее в зависимости от параметра, контролирующего глубину проникновения электрического тока в толщу пород. Такие зависимости выглядят как график, приведенный на рисунке 20.

 

Рис.20. Кривая электрического зондирования.

 

 

Особенности (аномалии) такой кривой – это максимумы и минимумы, которые не столь суммарны по своей геологической природе как гравитационные или магнитные. Ведь каждая такая особенность обусловлена уже не всем разрезом, а только его частью, комплексом пород – терригенных или карбонатных, или галогенных высокого (максимум) или низкого (минимум) сопротивления, слагающим определенный интервал глубин разреза. Такая геологически интерпретируемая электроразведочная информация характеризуется более высокой степенью разрешенности, дифференцированности. Под нормальным полем в электроразведке чаще всего подразумевается поле над однородным разрезом – то есть кривая ρ_к, не содержащая особых точек.

Основной тип проводимости горных пород в природе – ионный. Это проводимость растворов (флюидов), насыщающих поры горных пород, связанная с диссоциацией растворенных солей на анионы и катионы и с переносом вещества. Тем самым проводимость оказывается тесно связанной с пористостью и проницаемостью пород. Все это обосновывает особую «одаренность» электроразведки, как метода прогнозирования неструктурного геологического фактора при изучении осадочных комплексов, т.е. прогнозирования нефтегазоносности разреза и его литологической составляющей. Так, песчанистые породы-коллектора, благодаря наличию пор, содержат тот или иной флюид. Если это нефть – то сопротивление породы будет высоким, а если вода – низким, то есть толща окажется проводящей. Каменная соль и большинство кристаллических пород не содержит пор – такие породы относятся к непроводящим, то есть характеризуются высоким сопротивлением и отмечаются на кривых ρ_к максимумами.

Другой вид проводимости – металлическая или электронная. Здесь ток переносится свободными электронами без переноса вещества (масса электрона незначительна). Такая проводимость встречается в природе гораздо реже. Она свойственна только некоторым рудным объектам – проводникам, например месторождениям сульфидов или самородных металлов. В таких объектах обычно самопроизвольно протекают геоэлектрохимические процессы, связанные с окислением и над ними фиксируются аномалии разности потенциалов.

В целом можно предложить классификацию методов электроразведки, которая приводится на нижеследующей схеме (буквой f обозначена частота):

 

 

 

На этой схеме показано небольшое число конкретных методов, которые будут в той или иной степени рассмотрены в тексте, как имеющие наиболее широкое распространение при решении геологических задач.

Приведенные аббревиатуры этих методов читаются следующим образом:

ЕП – метод естественного поля,

МТЗ – магнитотеллурическое зондирование,

МТП – магнитотеллурическое профилирование,

ТТ – метод теллурических токов,

ВЭЗ – вертикальное электрическое зондирование,

ДЭЗ – дипольное электрическое зондирование,

ЭП – электропрофилирование,

ЧЗ – частотное зондирование,

ЗСБ – зондирование становлением поля в ближней зоне.

Вначале остановимся на рассмотрении методов естественных полей.

 

 

Поля постоянного тока.

 

Постоянные во времени естественные электрические поля – их называют локальными – возникают в геологической среде в ходе ряда процессов:

а) окислительно-восстановительных (геоэлектрохимических), протекающих на границе электронного (рудные минералы) и ионного (окружающие подземные воды) проводников. Они наблюдаются на сульфидных, угольных и графитовых месторождениях.

б) процессов фильтрации растворов сквозь поры горных пород. Трещины и поры в породе можно уподобить капиллярам, стенки которых способны адсорбировать ионы одного знака (обычно отрицательные). В жидкой среде вблизи стенок капилляра накапливаются ионы противоположного знака и, таким образом, в капиллярах образуется двойной электрический слой. При движении жидкости через капилляр часть подвижных зарядов двойного электрического слоя (обычно положительных) выносится по направлению движения. В результате на концах капилляра возникает разность потенциалов, пропорциональная перепаду давления

 

 

 

V_ф = А где Δр – разность давлений на концах капилляра; ρ_э –удельное сопротивление, – вязкость электролита, А – коэффициент пропорциональности;

в) процессов диффузии ионов на границах соприкасающихся подземных растворов и адсорбции ионов частицами породы. Такими соприкасающимися растворами могут быть, например, буровой (если скважина находится в процессе бурения) и пластовая вода, если разбуривается водоносный пласт. Концентрация солей в них разная и идет процесс диффузии, который продолжается до тех пор, пока не установится равновесие. Благодаря разной подвижности катионов и анионов происходит неравномерное распределение зарядов в подземных водах разной концентрации, что ведет к созданию естественного электрического поля диффузионной природы.

Величина и знак диффузионных потенциалов зависят от адсорбционных свойств минералов, то есть способности мелкодисперсных и коллоидных частиц удерживать на своей поверхности ионы того или иного знака. С некоторым упрощением можно записать зависимость

ΔV_g = k lg ≈ k lg ., где С₁ и С₂ – концентрации, а ρ₁ и ρ₂ – удельные электрические сопротивления соприкасающихся растворов, k – коэффициент пропорциональности. Возникающие разности потенциалов обычно не превышают n·10мв, где n<5.

Такие поля, как фильтрационное и диффузионно-адсорбционное используются в скважинной геофизике при производстве работ методом ПС (потенциал самопроизвольный), а окислительно-восстановительное - в полевой геофизике, в методе ЕП.

Рассмотрим коротко модель ЕП на примере разведки сульфидной залежи.

Верхняя часть сульфидного тела (например халькопиритового Cu Fe S₂), как правило, располагается в зоне активной, так называемой вадозной циркуляции богатых кислородом и углекислотой инфильтрующихся атмосферных вод, то есть в зоне аэрации выше уровня грунтовых вод. Более глубокие части тела находятся в зоне бедных кислородом застойных вод, то есть в восстановительной обстановке. Поэтому в верхней части залежи происходит окисление руды и переход сульфидов в сульфаты, то есть идет химическая реакция

Cu Fe S₂ + 4 O₂ = Cu SO₄ + Fe SO₄

Окислительная реакция сопровождается освобождением электронов в атомах окисляющихся элементов, в результате чего верхняя часть рудного тела приобретает положительный потенциал по отношению к нижней. Восстановительная реакция в нижней части тела сопровождается присоединением электронов, из-за чего эта часть тела заряжается отрицательно. В окружающей среде происходит обратное распределение зарядов и возникает электрический ток. При этом к верхней части залежи направляются отрицательно заряженные ионы, а к нижней – положительные. Поэтому над верхней частью сульфидной залежи наблюдаются отрицательные аномалии потенциалов ЕП. Рассмотренная модель изображена на нижеследующем рисунке (рис.21)

 

 

Рис.21.Модель ЕП.

 

С чисто физической точки зрения отрицательные аномалии могут быть объяснены тем, что рудное тело – проводящее, то есть сопротивление его минимально, а значит минимальным будет и падение напряжения: согласно закону Ома ΔU = IR. Интенсивность минимумов ЕП пропорциональна геоэлектрохимической активности среды α и может достигать в природе 500 мВ. Величина α определяется контрастностью свойств тела и окружающей среды.

За электрохимическую активность иногда принимают коэффициент пропорциональности между напряженностью естественного электрического поля и основными факторами, которыми они обусловлены (отношением концентраций подземных вод, давлением и др.) Коэффициент α измеряют в милливольтах. Он составляет 10-15 мВ для чистых песков, близок к нулю для скальных пород, возрастает до 20-40 мВ для глин и до сотен милливольт для руд с электронно-проводящими минералами. В целом α зависит от многих природных факторов (минерального состава, пористости, глинистости, проницаемости, влажности, минерализации подземных вод).