Геолого-геофизические изыскания в геофизике

Применяют и квазипериодические источники — электромеханические и гидравлические вибраторы, возбуждающие гармонические колебания почвы с плавно меняющейся частотой (обычно от 10 до 100 Гц) в течение 10—60 с.

Глубинность и детальность сейсмических исследований существенно зависит и от соотношения амплитуд полезных волн и волн-помех в точках приема.

4.4 Обработка и интерпретация  данных сейсморазведочных работ 

Основы  обработки и интерпретации

Геологическая эффективность сейсморазведочных работ во многом определяется полнотой извлечения полезной информации из записей волновых полей и ее дальнейшей интерпретацией.

Интерпретация состоит из ряда операций, которые  условно могут быть объединены в  группы, относящиеся к трем следующим этапам:

а) обработка полученной информации о волновом поле;

б) предварительная интерпретация этого поля, включающая в себя построение отражающих или преломляющих границ или временных разрезов;

в) геологическая интерпретация — стратиграфическая привязка сейсмических границ, построение сейсмогеологических разрезов, структурных карт, определение положения разрывных нарушений и т. п.

В процессе первого (предварительного) этапа обработки  записанная на магнитной ленте информация о волновом поле подвергается частотной фильтрации, суммированию сигналов, автоматической и программной регулировке усиления с целью более уверенного выделения полезных волн (на фоне помех), их корреляции на сейсмограммах и построения годографов и сейсмических границ.

Основная часть операций, связанных с обработкой и трансформацией волновых полей, выполняется с помощью сейсморазведочных станций, аналоговых или цифровых вычислительных машин. Корреляция, т. е. прослеживание на сейсмограммах отраженных и преломленных волн — наиболее ответственная часть интерпретации — производится геофизиком.

Геологическая интерпретация сейсмических данных

Заключительным этапом интерпретации  является анализ полученных материалов, построение сейсмогеологических разрезов и структурных карт, геологическая привязка сейсмических границ, выявление разрывных нарушений и оценка точности сейсмических построений.

Анализ полученных материалов заключается  в детальном рассмотрении участков, где нарушается корреляция отраженных или преломленных волн, наблюдается значительное искривление осей синфазности.

Окончательные результаты площадных  сейсморазведочных работ обычно представляют в виде структурных  карт, на которых изолиниями равных глубин изображают форму поверхности  опорного сейсмического горизонта. По условным сейсмическим горизонтам составляют структурные схемы. На эти карты и схемы наносят все выявленные на данной территории разрывные нарушения.

4.5 Виды сейсморазведки  и решаемые ею геологические  задачи 

Сейсморазведка применяется для  решения различных геологических задач и проводится на поверхности суши (наземная), океанов, морей и озер (морская), в подземных горных выработках (подземная) и скважинах (скважинная).

В зависимости от решаемых геологических  задач и детальности исследований сейсморазведочные работы подразделяются на глубинные сейсмические зондирования, региональные, поисковые и детальные.

Глубинные сейсмические зондирования (ГСЗ) выполняют для изучения крупных  структур осадочной толщи, глубоко  залегающего кристаллического фундамента и нижележащих слоев земной коры, выделения областей с различным типом земной коры.

Региональные сейсморазведочные  работы выполняют с целью изучения тектонического строения больших территорий по отдельным протяженным (сотни километров) профилям, пересекающим предполагаемые структуры.

Поисковые сейсморазведочные работы проводят с целью поисков структур, благоприятных для локализации тех или иных полезных ископаемых, главным образом нефти и газа. Наблюдения выполняют по системе профилей с расстоянием между ними не более половины длины структур. В результате работ составляют сейсмические разрезы по профилям или структурные схемы и карты масштаба 1 : 100 000—1 : 200 000.

Детальные сейсморазведочные работы применяют  для изучения уже выявленных локальных  структур или особенностей геологического строения.

ЯДЕРНО-ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ РАЗВЕДКА

Ядерно-геофизическая разведка включает в себя группу методов, основанных на изучении естественной и искусственной радиоактивности. Естественная радиоактивность обусловлена распадом радиоактивных элементов, находящихся в горных породах, рудах, воде и газовых включениях. Искусственная радиоактивность возникает при воздействии на породу ионизирующим излучением. Тип вторичного излучения, его интенсивность и энергетическое распределение зависят от вещественного состава и физических свойств пород.

В отличие от других геофизических методов ядерно-геофизические позволяют определять вещественный состав пород и руд, что в какой-то мере сближает их с геохимическими методами поисков и разведки.

 5.1 Основные законы радиоактивных превращений.

Радиоактивностью называют самопроизвольный процесс распада неустойчивых изотопов химических элементов, сопровождаемый испусканием или захватом частиц выделением коротковолнового электромагнитного излучения. Поток положительно заряженных частиц (е = 3,2·10^-19 Кл), обладающих наибольшей среди элементарных частиц массой (т = 6,69·10^-27 кг) получил название α-излучение. Примером α-распада является превращение радия в радон, сопровождаемое излучением γ-кванта с энергией 0,188 МэВ

Поток отрицательно (электроны) или  положительно (позитроны) заряженных частиц (т = 9,1·10^-31 кг; е = ±1,6·10^-19 Кл) получил название β-излучение. При β-распаде возможны случаи электронного захвата из близлежащей к ядру К-оболочки (К-захват), реже из L-оболочки (L-захват).

Нейтроны  — электрически нейтральные частицы с массой покоя 1,675-10^-27 кг. Для получения потока нейтронов используют изотопные источники (Ро + Ве, Ри + Ве), ускорители заряженных частиц и реакторы, в которых нейтроны образуются в результате ядерных реакций.

Способность к радиоактивному распаду установлена для всех элементов, но большинство из них становится радиоактивными лишь в результате искусственного облучения.

К основным источникам естественной радиоактивности  относятся ряды урана—радия, тория и актиния, родоначальники которых (²³⁸₉₂U ²³²₉₀Th, ) испытывают многочисленные превращения с последовательным образованием до 15—18 изотопов. Из естественных радиоактивных изотопов заслуживают внимания широко распространенные в природе ₁₉ ⁴⁰К (Т — 1,3·10 ⁹ лет) и                    ₃₇ ⁸⁷RЬ (Т = 4,6·10¹⁰ лет), которые не создают радиоактивных рядов и после одного акта распада переходят в устойчивые изотопы.

Вероятность ядерных реакций или других процессов  взаимодействия ионизирующего излучения с веществом оценивают сечением взаимодействия а, которое численно равно вероятности взаимодействия частицы или γ-кванта на единице пути в веществе, содержащем одно ядро или атом (электрон) в единице объема. Сечение выражается в квадратных метрах. Внесистемная единица барн (б) соответствует 10^-28 м². В некоторых случаях используют произведения сечения взаимодействия на число ядер (атомов) или электронов в 1 см³ облучаемого вещества, которые называют макроскопическими сечениями взаимодействия.

5.2 Единицы радиоактивных и ионизирующих излучений

В ядерно-геофизических методах используют единицы актив ности изотопов и единицы дозы ионизирующих излучений.

Активность  изотопов (радиоактивность) оценивается  числом распадов, происходящих в единицу  времени. Единицей активности является беккерель (Бк). За 1 Бк принята активность такого изотопа, в котором за 1 с происходит 1 распад. Ранее применявшаяся внесистемная единица радиоактивности 1 Ки (кюри) = = 3,7·10¹⁰ Бк.

Для сопоставления активности различных  изотопов пользуются единицами активности, отнесенными к массе, объему или поверхности излучателя (Бк/кг, Бк/м³, Бк/м²). Внесистемная единица — эман (Э), которой пользовались в радиометрии для оценки активности газов и жидкости, соответствует 3,7·10³ Бк/м³.

Воздействие ионизирующих излучений на среду  оценивается в единицах дозы и мощности дозы. Различают поглощенную и экспозиционную дозы излучений. Поглощенной дозой излучения называется отношение энергии ионизирующего излучения к массе облучаемого вещества. Единица грей (Гр) представляет собой дозу излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия излучения 1 Дж. Внесистемная единица рад соответствует 10^-2 Гр.

Экспозиционная доза излучения  представляет собой энергетическую характеристику рентгеновского или γ-излучения (фотонного), оцениваемую по эффекту ионизации сухого атмосферного воздуха. Выражается в кулонах на килограмм; 1 Кл/кг — это экспозиционная доза фотонного излучения, при которой сумма электрических зарядов ионов одного знака, образованных в 1 кг сухого воздуха, равна 1 Кл. С внесистемной единицей рентген (Р) она связана соотношением 1 Р = 2,58-10^-4 Кл/кг.

Мощность поглощенной дозы определяется отношением поглощенной дозы ко времени облучения и выражается в греях в секунду.

5.3 Взаимодействие радиоактивных излучений  с веществом

Изучение вещественного состава и физических свойств пород и руд основано на регистрации излучения естественных радиоактивных элементов и тех изменений, которые претерпевают γ-кванты или заряженные частицы, сталкиваясь с атомами, электронами и ядрами среды. Помимо этого взаимодействие излучений с веществом приводит ко вторичным явлениям в нем, которые служат источником сведений о свойствах и составе горных пород.

При прохождении через вещество энергия α-частиц расходуется на ионизацию и возбуждение атомов. При столкновении с молекулами α-частицы вырывают электроны из оболочек атомов, образуя пары ионов. Траектория α-частиц — прямолинейная, пробег в воздухе не превышает 11,5 см, а в твердых веществах измеряется микрометрами. Ионизация веществ споровождается их химическими изменениями, нарушениями кристаллической структуры, люминесценцией и другими явлениями.

При прохождении через вещество энергия β-частиц расходуется на ионизацию, радиационное торможение и упругое рассеяние. Ионизационная способность β-частиц примерно на два порядка ниже, чем α-частиц, и проявляется в области низких энергией. Проникающая способность β-излучения на два порядка выше, чем а-излучения. Пробег Р-частиц естественных радиоактивных элементов в воздухе достигает 13 м, траектория — криволинейная.

При прохождении через вещество у-кванты взаимодействуют с ядрами и электронами  атомов. В диапазоне используемых в ядерно-геофизических методах энергий (<10 МэВ) основную роль играют следующие процессы взаимодействия γ-квантов с веществом: 1) фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект); 2) некогерентное рассеяние (комптон-эффект); 3) образование электронно- позитронных пар; 4) фотонейтронный эффект.

При фотоэлектрическом поглощении γ-квант вырывает электрон из оболочки атома, передавая ему всю свою энергию. Выбивание электрона сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. Вероятность фотоэффекта тем больше, чем меньше разница между энергией связи электрона в атоме и Е_γ

5.4 Ядерно-физические свойства горных пород и руд

Естественная  радиоактивность горных пород

По  оценке разных исследователей среднее  содержание урана в земной коре составляет от 1,8 до 3,6 г/т, тория — от 7,2 до 13 г/т, калия — от 1,6 до 2,5 %; отношение  тория к урану от 3,2 до 5.2. В качестве кларковых концентраций принимают данные А. П. Виноградова (1962 г.):

Концентрация  радиоактивных элементов в магматических  породах закономерно убывает  с увеличением основности пород.

Важной  с поисковой точки зрения особенностью является накопление урана, тория и  калия в апикальных частях гранитных массивности поскольку нередко к этим частям интрузивов приурочены месторождения редких металлов и других полезных ископаемых.

Наиболее  высокие концентрации радиоактивных  элементов характерны для щелочных интрузивных пород. Так, содержание К в нефелиновых сиенитах достигает 10—12 %, U — 10—15 г/т, Тh — 30 г/т. Высокие концентрации урана и тория в этих породах ассоциируют с акцессорной и наложенной редкоземельной минерализацией. Относительно обогащены U и особенно Тh щелочные ультраосновные породы.

Для вулканогенных пород отмечается увеличение содержания U породах жерловых, субвулканических и гипабиссальных фаций по сравнению с покровными.

Содержание  радиоактивных элементов в осадочных  породах в среднем более низкое, чем в изверженных породах кислого и среднего состава.

В процессе осадконакопления связь U и Тh в известной мере нарушается. Отношение Тh/U в осадочных отложениях во многом зависит от того, в какой обстановке происходило осадконакоплёние — окислительной или восстановительной.

Обогащенность U и Тh глинистых отложений связана с сорбирующими свойствами глин. Наблюдается повышенное содержание урана в породах, содержащих углеродистое вещество и битумы.

В терригенных  отложениях повышенные концентрации радиоактивных  элементов ассоциируют с присутствием таких акцессорных минералов, как циркон, монацит, глауконит, фосфорит.

Содержание  радиоактивных элементов в метаморфических  породах характеризуется большим  разнообразием, обусловленным как  исходным составом пород, так и характером и степенью их преобразования.

В большинстве  случаев отмечается снижение концентраций U и Тh в породах по мере возрастания степени регионального метаморфизма. Породы зеленосланцевой и начальных ступеней амфиболитовой фации сохраняют различия в содержании радиоактивных элементов в исходных породах. В продуктах метаморфизма высоких ступеней (гранулитовая и эклогитовая фации) снижение концентраций U и Тh сопровождается выравниванием их содержания в породах различного состава.

Важное  значение имеют данные по распределению радиоактивных элементов в продуктах постмагматического, особенно гидротермального изменения пород, поскольку с этими процессами связано формирование значительной части твердых полезных ископаемых. Элементами-индикаторами высокотемпературных процессов изменения пород являются U и Тh, среднетемпературных — U и К, низкотемпературных — К.