Задачи геофизических наук
Геофизические методы исследования недр нацелены на получение информации о глубоко залегающих и перекрытых геологических объектах, представляющих практический интерес, прежде всего о месторождениях полезных ископаемых. Геофизические исследования проводят при изысканиях в инженерной геологии, геоэкологии и археологии. Они сравнительно недорогие, экспрессные и дают объективную информацию, поскольку анализируют природные или искусственные физические поля, с заранее известными параметрами.
Важной составляющей геофизических исследований является петрофизика, задачей которой является определение физических свойств горных пород и руд: плотности, пористости, электрических параметров, магнитной восприимчивости, остаточной намагниченности, упругих свойств, теплопроводности, радиоактивности. По изучению соответствующих параметров физических полей геофизические науки подразделяются на гравиразведку, магниторазведку, электроразведку, сейсморазведку, термометрию, радиометрию и ядерную геофизику (табл. 1.3.1). Они основаны на корректных измерениях ряда физических параметров горных пород и руд (табл. 1.3.2 и 1.3.3). Для этого используются специальные приборы и оборудование.
Геофизические измерения проводят, изучая естественные или искусственные поля. Например, в сейсмических наблюдениях используют результаты вулканических эксплозий и землетрясений, взрывов заложенных зарядов или мощные удары по поверхности Земли. В электроразведке определяют параметры токов, пропускаемых через геологическую среду, а также естественного электромагнитного поля, например, поле электрохимической поляризации.
Целевые геологические объекты могут быть выражены в геофизических полях как геофизические аномалии, поскольку рудные тела существенно отличаются по физическим свойствам от вмещающих пород. Аномальные изменения фона также являются предметом геофизического мониторинга окружающей среды.
Таблица 1.3.1.
Физические параметры, лежащие в основе геофизических методов исследований (по Бондаренко и др., 1998 с дополнениями)
| Физичес-кие поля | Магнито-разведка | Грави-разведка | Электро-разведка | Cейсморазведка | Радиометрия и ядерная геофизика | Термо-метрия |
| Естест-венные | Магнитное | Силы тяжести (гравитационное) | Электрическое и электромагнит-ное | Поле упругих колебаний от землетрясений | Распад естественных радиоактивных элементов | Тепловое |
| Искусст-венные | - | - | Электрическое и электро-магнитное | Поле упругих колебаний от технических взрывов и ударов о поверхность Земли | Распад естественных радиоактивных элементов | - |
| Измеряя-емые парамет-ры | Векторы напряжен-ности магнитного поля | Ускорение свободного падения и его градиенты | Векторы напряженности электрического и магнитного полей | Время и скорость распростране-ния упругих волн | Мощность дозы радиоактивного излучения | Темпера-тура |
| Физиче-ские свойства горных пород и руд | Магнитная восприим-чивость χ, Остаточная намагниченность Jn | Плотность σ | Удельное электрическое сопротивление ρ, Диэлектричес-кая проницаемость e, электрохими-ческая активность α, поляризуемость η | Плотность σ, модуль Юнга Е, Коэффициент Пуассона αn | Естественная радиоактив-ность, гамма-лучевые, нейтронные свойства среды | Теплопро-водность |
Таблица 1.3.2
Магнитные свойства минералов и горных пород
| Типы | Минералы и породы | Магнитная восприимчивость, æ, ед. СИ |
| Диамагнетики | Кварц, апатит, сера, галит, гипс, кальцит, циркон, галенит, золото, висмут, медь. Граниты, гранодиориты | -10–(-0,5)×10-5 |
| Парамагнетики | Мусковит, турмалин, гранаты, большинство оксидов и сульфидов, платина. Диориты, габбро, базальты | 1–10×10-5 |
| Ферромагнетики | Магнетит, ильменит, гематит, пирротин, оксиды марганца, маггемит. Ультрабазиты | 20×10-5–25 |
Таблица 1.3.3
Плотность пород и руд
| Породы и руды | Плотность, г/см3 |
| Граниты и липариты Туфы Гранодиориты и диориты Габбро Ультрабазиты (ультраосновные) | 2,1-2,7 2,8 2,7 - 2,9 2,7 – 3,3 2,9 – 3, |
| Глины Пески и песчаники Мергели, известняки, доломиты, глины | 1,6 – 2,8 2,0 – 2,8 2,0 – 2,9 |
| Торф, нефть Уголь Каменная соль Руды железа, хрома, меди, свинца, цинка и др. | 0,7 – 1,1 1,3 – 1,5 2,1 – 2,3 3,0 – 5,5 |
Надо подчеркнуть, что задачи геофизических исследований включают не только выделение образующих аномалии объектов в недрах Земли, но и дистанционное определение содержаний ряда полезных компонентов. Так ядерно-геофизическими методами опробования в рудах определяют концентрации урана, тория, олова, серебра и ряда других полезных металлов. Их используют и в геохронологии (табл.1.3.4).
Таблица 1.3.4.
Радиоактивный распад
| Радиоактивный изотоп | Эмиссия (энергия) | Продукт | Период полураспада, n´109 лет |
| 238U | 8a + 6b + E | 206Pb | 4,468 |
| 235U | 7a + 4b + E | 207Pb | 0,704 |
| 232Th | 6a + 4b + E | 208Pb | 14,008 |
| 87Rb | b + E | 87Sr | 48,8 |
| 40K | b - излучение | 40Ca | 1,3 |
| 40K | Захват электрона | 40Ar | 1,3 |
| 14C | b - излучение | 14N | 5570 лет |
| 3H (T) | n | 2H (D) | 12,5 лет |
Геофизические исследования проводят в профильном и площадном варианте, а также в скважинах (каротаж). В последнем случае они также называются каротажными работами, когда на тросе с равномерной скоростью спускается и поднимается зонд, в котором располагаются датчики и на бортовую ЭВМ непрерывно передается цифровая информация. Наиболее распространены ядерно-радиометрический, электрический и магнитный каротажи. Геофизические работы проводят либо в пешеходных маршрутах, либо, на автомобилях, либо выполняя самолетные или вертолетные залеты по определенной сети наблюдений. Сегодня объемная поступающая цифровая информация оперативно обрабатывается на ЭВМ и выдается в электронном и в графическом виде.
В практике охраны окружающей среды разработаны предельно допустимые нормы и уровни окружающих физических полей (табл. 1.3.5).
Таблица 1.3.5
Параметры естественных и техногенных физических полей (по Э.М.Соколову и др.,2001)
| Поле | Единицы измерений | Уровень поля | |||
| фоновый | достигаемый | санитарный предел | Технический предел | ||
| Акустическое | дБА | 25-30 | 80-120 | 45-60 | - |
| Вибрационное | Мм/с | 0,02-0,50 | 0,02-16,0 | 0,12 | 0,02-0,40 |
| Тепловое | град. 0С | -2 - +10 | -160 – 1500 | 16-24* | - |
| Электрическое | МВ/м | 5-10 | 10-300 | - | 3-5 |
| Электромагнитное | кВ/м | 10-6 | 2,5-10,0 | 5,0 | - |
| Радиационное | мР/ч | 0,003-0,025 | 0,180 | 0,024 | - |
* - Санитарные нормы для служебных и жилых помещений
Основные понятия геохимии
Распределение элементов в породах земной коры определяется внутренними и внешними факторами миграции. К внутренним относятся: ядерно-физические свойства атомов, строение электронных оболочек и химические связи ионов и молекул. К внешним - физико-химические условия среды.