Применение геофизических методов в структурной геологии и при геологическом картировании

Геофизические методы основаны на изучении на поверхности Земли или вблизи нее (в воздухе, горных выработках, скважинах, на поверхности воды или под водой) различных физических полей и явлений, распределение или характер протекания которых отражают влияние среды — горных пород, слагающих толщу земной коры на том или ином участке исследований. Возможности решения геологических задач геофизическими методами определяются тем, что горные породы в зависимости от состава и условий залегания характеризуются определенными физическими свойствами — плотностью, магнитностью, электропроводностью, упругостью, радиоактивностью и др., различаясь между собой численными значениями соответствующих физических констант. Одно и то же по своей физической сущности поле в зависимости от свойств той геологической среды, в которой оно наблюдается, будет различно по интенсивности и структуре. Таким образом, изучая физические поля и выявляя особенности их проявления на данном участке, мы получаем возможность установить характер влияния и особенности пространственного распределения пород и других геологических образований, различающихся по своим физическим свойствам.

При геологическом картировании и структурно-геологических исследованиях наблюдения ведутся таким образом, чтобы выявлять особенности полей (так называемые аномалии), обусловленные контактами, разломами, складчатыми структурами, интрузиями и т. д., т. е. теми геологическими объектами, обнаружение и нанесение которых на карту и является важнейшим этапом изучения геологического строения исследуемых территорий.

Геофизические методы обладают рядом специфических особенностей, без понимания и учета которых невозможно эффективно и полноценно использовать полученные с их помощью данные.

Прежде всего следует иметь в виду, что четкость и интенсивность проявления наблюдаемых аномальных эффектов прямым образом зависит от того, в какой мере порода, слагающая отдельное геологическое тело или пласт, отличается по физическим свойствам от пород, слагающих вмещающую толщу или смежные пласты. Эти различия могут проявляться в самых разных соотношениях и, как правило, в различной степени. Поэтому для более всестороннего изучения района применяется чаще не один, а комплекс геофизических методов, хотя это и осложняет и удорожает проведение геофизических работ.

Общие закономерности в распределении физических свойств пород уже достаточно хорошо изучены. Так, плотность горных пород определяется главным образом их минеральным составом и пористостью. Поэтому более плотными являются магматические и сильно метаморфизованные породы, менее плотными — рыхлые осадочные породы; среди магматических пород плотность возрастает от кислых разностей (гранитов) к ультраосновным.

Удельное сопротивление пород почти не зависит от минерального состава и определяется их пористостью, влажностью, а также минерализацией содержащейся в порах породы воды. Поэтому магматические и метаморфические породы, как правило, имеют более высокое сопротивление, чем осадочные. Среди осадочных пород более высоким сопротивлением обладают карбонатные и хемогенные отложения, а более низким — терригенные. В последней группе пород сопроти­вление уменьшается по мере возрастания содержания глинистых частиц и увеличения пористости. Лишь небольшая группа рудных минералов (главным образом сульфидных), в том числе и графит, обладают высокой электропроводностью, благодаря чему рудные тела и жилы могут в ряде случаев выявляться электроразведочными методами как естественные проводники.

Магнитные свойства пород в основном определяются наличием в них ферромагнитных минералов — магнетита, ильменита, гематита, пирротина, которые, как правило, не являются породообразующими и присутствуют в породах в виде акцессориев. Наиболее магнитными породами среди магматических являются ультраосновные, а среди метаморфических — железистые кварциты. Осадочные породы в целом менее магнитны, чем породы двух предыдущих групп, но среди них относительно более магнитны песчаные отложения и наименее магнитны известняки, мергели, каменные соли.

Радиоактивность пород целиком зависит от присутствия в них минералов радиоактивных элементов (и радиоактивных изотопов). Радиоактивность магматических пород возрастает от ультраосновных разностей к кислым, среди осадочных пород — от карбонатных отложений к глинистым.

Упругие свойства пород зависят от механических связей между частицами породы и возрастают от рыхлых разностей осадочных образований в сторону магматических пород, среди которых наибольшей упругостью обладают ультраосновные разности.

Четкость и интенсивность наблюдаемых геофизических полей и аномалий прямым образом зависит и от геометрических факторов — размеров и глубины залегания создающих их геологических объектов.

Разные по геологической природе (по составу пород и происхождению), как и разные по размеру и глубине залегания геологические объекты могут создавать одинаковые геофизические поля; следовательно, одна и та же наблюденная геофизическая аномалия может быть объяснена наличием разных как по геологической природе, так и по размеру и глубине залегания тел.

По характеру получаемых результатов интерпретацию геофизических наблюдений принято подразделять на качественную и количественную. Качественная интерпретация отвечает на вопросы о наличии или отсутствии того или иного искомого геологического тела, оценки его общей конфигурации, состава пород, слагающих отдельные тела и пласты, т. е. на вопросы установления природы выявленных аномалий. Количественная интерпретация предусматривает получение количественных показателей — местоположения (координат) объекта, его размеров или мощности, глубины, элементов залегания и т. д.

При качественной интерпретации неоднозначность более всего проявляется при определении геологической природы аномалеобразующих тел; при количественной интерпретации в определении глубины и размеров объектов.

Сложность реальных геологических условий зачастую столь велика, что в ряде случаев они не поддаются количественному учету из-за математических трудностей. В этих случаях геологическую обстановку схематизируют, заменяя реальные, сложные по форме и строению геологические тела телами более простой геометрической формы с однородным распределением физических параметров (пласты и жилы представляют — аппроксимируют — в виде параллелепипедов или призм, рудные тела и интрузивы — цилиндров, эллипсоидов, сфер и т. д.).

В практике геофизических съемок преобладают случаи, когда наблюдаемые геофизические поля отражают наличие в геологическом разрезе не одиночных, а нескольких геологических объектов.

Для правильного использования материалов геофизических исследований следует строго придерживаться единых способов графического изображения геофизических наблюдений. Их представляют в виде графиков и карт, построение которых выполняется по общим для всех геофизических методов правилам.

Наблюдения по отдельному профилю изображаются в виде графика, по горизонтальной оси которого откладывают точки наблюдений, а по вертикальной — значение наблюденной величины.

Для построения геофизической карты на план наносят профили и точки наблюдений, выписывают около каждой значение наблюденной или вычисленной в результате интерпретации величины и в полученном таким образом числовом поле проводят линии равных значений последних, так называемые изолинии.

Геофизические методы при геологическом картировании и структурно-геологических исследованиях, проводящихся в неразрывной связи с прогнозированием и поисками полезных ископаемых, позволяют от картирования поверхности коренных пород переходить к картированию объемному. Они дают представление о глубинном строении изучаемых участков в пределах глубин, часто недоступных бурению, или во всяком случае позволяют более рационально определить места заложения глубоких структурных или поисковых скважин. В закрытых районах они значительно облегчают проведение съемок, а целесообразное сочетание сети геофизических наблюдений с сетью картировочных выработок и скважин позволяет существенно повысить эффективность и экономичность работ. Наконец, во всех случаях геофизические методы, вовлекая в сферу исследований геофизические поля и физические свойства пород, позволяют более всесторонне изучать строение земной коры и увеличивают тот суммарный объем информации, на основании которой геолог приходит к окончательным выводам, представляемым им в виде геологических карт и прогнозно-поисковых оценок.