Введение

Прикладная отрасль геофизики и экономической геологии.
Исследовательская геофизика – это прикладная отрасль геофизики и экономической геологии, использующая физические методы на поверхности Земли, такие как сейсмические, гравитационные, магнитные, электрические и электромагнитные, для измерения физических свойств недр и выявления аномалий в этих свойствах. Она наиболее часто применяется для обнаружения или определения наличия и местоположения экономически значимых геологических залежей, таких как рудные минералы, ископаемое топливо и другие углеводороды, геотермальные и водоносные горизонты. Также может использоваться для обнаружения неразорвавшихся боеприпасов. Исследовательская геофизика позволяет непосредственно выявлять признаки целевого типа минерализации, измеряя его физические свойства. Например, можно измерить разницу в плотности между плотной железной рудой и более легкой силикатной вмещающей породой, или разницу в электропроводности между проводящими сульфидными минералами и устойчивой к току силикатной вмещающей породой.

Применение

Исследовательская геофизика также используется для картирования структуры недр региона, выявления лежащих в основе структур, определения пространственного распределения горных пород и обнаружения структур, таких как разломы, складки и интрузивные тела. Это косвенный метод оценки перспектив обнаружения месторождений руды или скоплений углеводородов. Методы, разработанные для поиска минеральных или углеводородных месторождений, также могут применяться в других областях, таких как мониторинг воздействия на окружающую среду, визуализация подповерхностных археологических объектов, исследования подземных вод, картирование подповерхностной засоленности, инженерно-геологические изыскания и межпланетная съемка.

Разведка полезных ископаемых

Магнитометрические исследования могут быть полезны для выявления магнитных аномалий, представляющих собой рудные тела (прямое обнаружение) или, в некоторых случаях, пустую породу, ассоциированную с рудными месторождениями (косвенное или предположительное обнаружение). Наиболее прямой метод обнаружения руды по магнитным свойствам заключается в выявлении железорудной минерализации путем картирования магнитных аномалий, связанных с полосчатыми железными формациями, которые обычно содержат магнетит в той или иной пропорции. Ска́рновые минерализации, часто содержащие магнетит, также могут быть обнаружены, хотя сами рудные минералы могут быть немагнитными. Аналогично, магнетит, гематит и часто пирротин являются распространенными минералами, ассоциирующимися с гидротермальными изменениями, которые могут быть обнаружены для подтверждения гипотезы о том, что на породы воздействовало минерализующее гидротермальное событие. Гравиметрическая съемка может использоваться для обнаружения плотных тел горных пород внутри вмещающих пород меньшей плотности. Это может быть использовано для прямого обнаружения месторождений руды типа долины Миссисипи, месторождений руды IOCG, месторождений железной руды, ска́рновых месторождений и соляных диапиров, которые могут формировать ловушки для нефти и газа. Электромагнитные (ЭМ) исследования могут использоваться для обнаружения широкого спектра минеральных месторождений, особенно сульфидов цветных металлов, путем выявления аномалий проводимости, которые могут возникать вокруг сульфидных тел в недрах. ЭМ-исследования также применяются при алмазной разведке (где кимберлитовые трубки обычно имеют более низкое сопротивление, чем вмещающие породы), разведке графита, урановых месторождений, связанных с палеоканалами (которые ассоциируются с мелкими водоносными горизонтами, часто реагирующими на ЭМ-исследования в проводящих отложениях). Это косвенные, предположительные методы обнаружения минерализации, поскольку искомый товар не является непосредственно проводящим или недостаточно проводящим для измерения. ЭМ-исследования также используются при исследовании неразорвавшихся боеприпасов, археологических и геотехнических изысканиях. Региональные ЭМ-исследования проводятся воздушными методами с использованием самолетов с фиксированным крылом или вертолетных ЭМ-установок. Наземные ЭМ-методы в основном основаны на переходных процессах ЭМ, использующих наземные контуры с наземным приемником или зонд, опускаемый в скважину, пересекающую тело минерализации. Эти методы могут картировать сульфидные тела в земле в трех измерениях и предоставлять геологам информацию для направления дальнейшего разведочного бурения на известных минерализованных участках. Контурные наземные исследования редко используются для региональной разведки, однако в некоторых случаях такие исследования могут быть успешными (например, SQUID-исследования для никелевых рудных тел). Методы электрического сопротивления, такие как методы индуцированной поляризации, могут быть полезны для прямого обнаружения сульфидных тел, угля и резистивных пород, таких как соль и карбонаты. Сейсмические методы также могут использоваться для минеральной разведки, поскольку они могут предоставлять изображения высокого разрешения геологических структур, содержащих минеральные месторождения. Используются не только наземные сейсмические исследования, но и методы сейсморазведки скважин. В целом, использование сейсмических методов для минеральной разведки неуклонно растет.

Разведка углеводородов

Сейсмические методы отражения и преломления являются наиболее широко используемыми геофизическими методами в разведке углеводородов. Они применяются для картирования подповерхностного распределения стратиграфии и ее структуры, что позволяет очерчивать потенциальные залежи углеводородов – как стратиграфические, так и структурные ловушки. Каротаж – еще один широко используемый метод, предоставляющий необходимую информацию высокого разрешения о свойствах горных пород и флюидов в вертикальном разрезе, хотя его применение ограничено по площади. Это ограничение в площади является причиной популярности методов сейсмического отражения, поскольку они позволяют интерполировать и экстраполировать данные каротажа на значительно большую территорию. Гравиметрия и магнитометрия также часто используются при разведке нефти и газа. Они позволяют определять геометрию и глубину залегания скрытых геологических структур, таких как поднятия, прогибы, разломы, складки, магматические интрузии и соляные диапиры, благодаря их уникальным значениям плотности и магнитной восприимчивости по сравнению с окружающими породами; последнее особенно полезно при поиске металлических руд. Методы дистанционного зондирования, в частности гиперспектральная съемка, применяются для обнаружения микровыбросов углеводородов по спектральной характеристике геохимически измененных почв и растительности. В морских условиях используются два метода: морская сейсмика отражения и электромагнитное зондирование морского дна (SBL). Морская магнитотеллурика (mMT) или морская контролируемая электромагнитная методика (mCSEM) могут обеспечить квазипрямое обнаружение углеводородов путем регистрации изменений электрического сопротивления в пределах геологических ловушек, выявленных сейсмическими исследованиями.

Радар с проникновением в землю

Георадар — это неразрушающий метод, который применяется в гражданском строительстве и инженерных изысканиях для решения различных задач, включая обнаружение подземных коммуникаций (заглублённые водопроводные, газовые, канализационные, электрические и телекоммуникационные кабели), картирование рыхлых грунтов, определение мощности вышележащих слоёв для геотехнической характеристики и другие аналогичные применения.

Спектро-анализ поверхностных волн

Метод спектрального анализа поверхностных волн (SASW) – это еще один неразрушающий метод, широко используемый на практике для определения профиля скорости сдвиговых волн грунта. Метод SASW основан на дисперсионных свойствах волн Рэлея в слоистых средах, то есть на зависимости скорости волны от частоты возбуждения. Профиль материала, полученный с помощью метода SASW, определяется следующим образом: а) построение экспериментальной дисперсионной кривой путем проведения полевых испытаний с последовательным изменением частоты возбуждения и измерения скорости поверхностной волны для каждой частоты; б) построение теоретической дисперсионной кривой на основе предполагаемого распределения свойств материала в слоистом профиле; в) изменение свойств материала слоистого профиля и повторение предыдущего шага до достижения соответствия между экспериментальной и теоретической дисперсионными кривыми. Метод SASW позволяет получить слоистый (одномерный) профиль скорости сдвиговых волн для грунта.

Полная инверсия формы волны

Методы полной инверсии волновой формы (FWI) – одни из новейших методов геоинженерных изысканий, которые все еще находятся в стадии активной разработки. Метод является достаточно универсальным и позволяет получать изображения произвольно неоднородных профилей продольных и поперечных скоростей распространения волн в грунте. Для исследования участка используются упругие волны, возбуждаемые сейсмическими вибраторами, установленными на поверхности земли. Эти волны распространяются в грунте, и из-за неоднородного геологического строения исследуемого участка происходят множественные отражения и преломления. Реакция грунта на сейсмическое воздействие измеряется датчиками (геофонами), также размещенными на поверхности земли. Для построения профилей на основе полной инверсии волновой формы требуются два ключевых компонента: а) компьютерная модель для моделирования распространения упругих волн в полубесконечной среде; и б) оптимизационный алгоритм, посредством которого расчетная реакция сопоставляется с измеренной реакцией путем итерационного уточнения исходного предполагаемого распределения свойств грунта.

Другие методы

Гражданское строительство также может использовать данные дистанционного зондирования для топографической съемки, планирования и оценки воздействия на окружающую среду. Аэроэлектромагнитные исследования также применяются для характеристики рыхлых отложений при планировании и строительстве дорог, плотин и других сооружений. Магнитотеллурические исследования оказались эффективными для определения границ водоносных горизонтов, картирования разломов в районах хранения опасных веществ (например, атомных электростанций и хранилищ ядерных отходов), а также для мониторинга предвестников землетрясений в районах с крупными инженерными сооружениями, такими как гидроэлектростанции, подверженные высокой сейсмической активности. BS 5930 является стандартом, используемым в Великобритании как свод правил для инженерно-геологических изысканий.

Археология

Радар, проникающий в землю, может использоваться для картографирования погребенных артефактов, таких как захоронения, погребальные сооружения, места кораблекрушений и другие археологические объекты, расположенные на небольшой глубине. Наземные магнитометрические исследования могут использоваться для обнаружения захороненных предметов, содержащих железо, что полезно при обследовании кораблекрушений, современных полей сражений, усеянных металлическим мусором, и даже для выявления незначительных изменений, связанных с крупномасштабными древними руинами. Сонарные системы могут использоваться для обнаружения кораблекрушений. Активные сонарные системы излучают звуковые импульсы в воду, которые отражаются от объектов и возвращаются к сонарному преобразователю. Это обнаружение имеет важное юридическое и культурное значение, предоставляя возможность семьям пострадавших добиваться справедливости через юридическое наказание виновных и обрести душевное спокойствие в связи с утратой близких. Примеры таких объектов включают, но не ограничиваются ими: бомбы, сигнальные ракеты и гранаты. Ранее большая часть неразорвавшихся боеприпасов содержалась локально в небольших количествах и не представляла серьезной общественной проблемы. Анализируя различия в магнитной восприимчивости и/или электрической проводимости неразорвавшихся боеприпасов и окружающей геологии (почвы, горных пород и т.д.), мы можем обнаруживать и обезвреживать их.