Основные понятия и определения

Структура и общие принципы комплексирования различных геофизических методов и их сочетание с геологическими, геохимическими и другими методами исследований едины для всех прикладных геофизических дисциплин (нефтегазовая, рудная, угольная, инженерная и др.), включая экологическую геофизику. Отличия в проведении комплексных геофизических работ в той или иной области заключаются в выборе и условиях применения тех или иных методов и способов для решения поставленных конкретных задач.

Основная цель проведения комплексных экогеофизических исследований — получить дополнительные к геоэкологическим и геохимическим качественные и количественные показатели с целью повышения полноты и достоверности сведений об изучаемых объектах. Это вытекает из объективных достоинств геофизических методов, которыми следует считать: 1) объёмность получаемой информации; 2) возможность опосредованного изучения геоэкологических объектов, в том числе не выходящих на дневную поверхность; 3) объективность информации о физических полях; 4) относительно низкую стоимость и высокую производительность геофизических работ.

Разрабатываемые и создаваемые комплексы геофизических исследований на тех или иных геоэкологических объектах представляют собой стройную иерархическую систему, созданную на основе многолетней практики проведения геологоразведочных и геоэкологических наблюдений. Теоретической предпосылкой возникновения и становления раздела комплексирования является тот факт, что решение обратных геофизических задач в каждом отдельно взятом методе неоднозначно. Отсюда вытекает необходимость геофизических исследований разными геофизическими методами в сочетании другими геологическими, геохимическими, геоэкологическими. Соответственно для разных экологических задач и для разных типов геологических площадей должны быть разные геоэкологические и геофизические комплексы. Принято эти комплексы составлять в соответствии с существующей схемой стадийности геолого-разведочных работ. Эта схема стадийности следующая:

региональные исследования (м-б 1:1 000 000−1:500 000);

геолого-съёмочные работы (м-б 1:500 000−1:250 000);

поисковые работы (1:250 000−1:50 000);

поисково-оценочные работы (1:100 000−1:20 000);

детальная разведка (<1:20 000);

доразведка (детализация отдельных аномальных зон в произвольном масштабе);

эксплуатационная разведка на стадии добычи полезных ископаемых.

Обобщённая схема составления комплексов геофизических методов исследований совместно с геоэкологическими.

Расшифровка схемы следующая:

Сбор информации об изучаемом объекте заключается в проработке литературных и фондовых источников, опросов местного населения и проведение визуальных рекогносцировочных маршрутов как в пешеходном, так и в автои в аэровариантах.

Стадийность определяется масштабом, который в свою очередь определяется степенью изученности того или иного региона или площади, а также предварительной оценкой перспективности на тот или иной вид работ на основе априорных сведений. Как правило, это относится к стадиям геолого-разведочных работ и в меньшей степени эксплуатационным объектам, включая промышленные и в меньшей мере сельскохозяйственные агломерации.

Постановка экологических задач зависит от вида и масштабов геолого-разведочных работ и существующей геоэкологической обстановки (кол-во буровых станков, глубина бурения, условия разработки (открытые или подземные горные работы, геоморфологические условия, наличие водоёмов).

Создание физико-геологических моделей (ФГМ) включает аналитическую проработку на основе системы представлений исследователя о возможных характеристиках физических, физико-механических и геохимических свойств, в основном литосферы и в определённой степени гидросферы и атмосферы. При этом, первоначально анализируется имеющийся материал по ранее выполненным исследованиям и составляются геологические разрезы и геологические и геоэкологические карты. На их основе определяются петрофизические показатели, в частности плотность, пористость, магнитная восприимчивость, удельное и электрическое сопротивление и т. д. Для однотипных геофизических полей, например, электромагнитного или сейсмоволнового физико-геологические модели могут разделяться на двуи многоальтернативные, например, модель для постоянного электрического поля и для искусственно-созданного поля методом ВЭЗ или же в сейсморазведке модель отражённых продольных волн и модель этих же поперечных волн.

Следующий этап — детализация ФГМ — выделение статистических и динамических параметров, первые относятся к разовым исследованиям, а вторые к мониторинговым.

Оценка разрешающей способности методов выполняется путём анализа физико-геологических моделей. При этом, в основу должны быть положены представления о способности к деформированию в области изучаемых объектов тех или иных геофизических полей. Например, в гравиразведке оценка производится по модулю? g, где? g — приращение силы тяжести, а в магниторазведке по параметру Т (суммарный вектор магнитного поля). В электроразведке методом ВЭЗ достоверное выявление литологических пластов достигается при соотношении h/H > 3, где h — толщина каждого отдельного предыдущего пласта, а H — суммарная глубина до границы или кромки каждого последующего пласта. В то же время на оценку разрешающей способности оказывают влияние не только размеры и глубина залегания объектов, но и их дифференциация этих объектов по тому или иному физическому показателю. Это различие оценивается по гистограммам или вариационным кривым (рис. 1).

Рис. 1. Пример разделения геоэкологических объектов по вариационным кривым

Чем меньше площадь сопряжения S вариационных кривых, тем выше разрешающая способность применяемого геофизического метода по измеряемому показателю.

Выбор типового комплекса. На основе многолетней практики тех или иных видов геологических или геоэкологических исследований складывается типовой комплекс методов и технологий, включающий геофизические исследования. Как правило, типовой комплекс геоэкологических и геофизических методов содержит их избыточное количество, притом, что в числе этих методов и технологий, как правило, имеются равноценные по своей разрешающей способности. Поэтому на основе типового комплекса выполняется разработка так называемого рационального комплекса, в который включаются наиболее информативные и малозатратные геофизические методы и технологии, оснащённые современной аппаратурой и программами компьютеризированной записи полевых наблюдений с последующей их первичной обработкой и интерпретацией в рамках 1D, 2D, и 3D инверсий. То есть, условия разработки рационального комплекса определяются ко всему прочему существованием (или отсутствием) современных, высоко прогрессивных технологий (технологии получения полевых данных в режиме реального времени за счёт компьютерной регистрации и оперативной обработки с мгновенной выдачей на экран дисплея графиков аномальных значений).

Определение экономической эффективности производится на основе всех затрат, включая: 1) сбор и проработку априорных данных и данных предшествующих исследований, 2) составление проекта на выполнение работ, в котором предусматриваются все виды полевых наблюдений (вид и масштаб съёмки, используемая аппаратура и оборудование, транспортные услуги, организация полевой базы, амортизационные отчисления), 3) первичную и окончательную обработку полевых наблюдений, 4) составление отчёта и сдача его заказчику.

Основная идея и цель комплексирования геофизических методов — получение однозначного решения поставленных задач. Следовательно, под рациональным комплексом геофизических, геологических, геохимических, геоэкологических, горно-буровых и др. работ необходимо понимать такой набор методов и технических средств, который обеспечивает наиболее полное решение поставленных задач с наименьшими затратами и в кратчайший срок. Эти условия взаимосвязаны, а иногда и противоречивы. Так, недоучёт специфики технологических процессов, климатических и др. условий при строго устанавливаемых сроках полевых работ может приводить к неоправданному возрастанию затрат, к тому же, со снижением детальности и надежности наблюдений.

В комплекс целесообразно включать методы, которые позволяют получать дополняющие друг друга геологические сведения. В начале исследований следует применять такие геофизические методы, с помощью которых можно оконтурить перспективные участки и, следовательно, уменьшить последующую площадь работ.

Применение геофизических методов дает возможность получить качественно новую (по сравнению с собственно геологическими исследованиями) информацию о строении изучаемого района, что может оказаться иногда даже более ценным, чем простое снижение стоимости геологоразведочных работ. Комплекс геофизических исследований меняется с течением времени. Это связано с возрастающими возможностями существующих геофизических методов и появлением новых методов, степенью геологической изученности месторождений и другими факторами. В результате комплексного применения геофизических методов резко повышается эффективность работ, что определяется вероятностным характером геофизических данных. Поэтому при рассмотрении комплексных данных следует использовать известную теорему сложения вероятностей совместных событий. Если, например, взять два метода (1 и 2), позволяющих сделать какой-то практический вывод с гарантийными вероятностями соответственно Р1 и Р2, то их совместное использование увеличивает достоверность этого вывода до величины:

Р1,2 = P1+ Р2 — Р1Р2.

Следует отметить, что теорема сложения вероятностей может быть применена только в случае, когда каждая из величин P1, Pz,.. ., Рn удовлетворяет условию 0,5 < Рi- 1. Действительно, если положить Р1 = Р2 = 0,5, то окажется, что вероятность как правильности вывода, так и его ошибочности составит Р1,2 = 0,75. Это явно нелепо; при соблюдении же данного условия вероятность правильности ответа больше вероятности ответа ложного.

Выбор рационального комплекса в общем случае достаточно сложен и при современном состоянии науки он не может быть обоснован какими-либо точными аналитическими расчетами. Правильность такого выбора во многом зависит от полноты учета исполнителями работ всех особенностей участка проектируемых исследований.

Подбору рационального комплекса геофизических методов для решения конкретной задачи помогает создание физико-геологической модели, под которой следует понимать абстрактное возмущающее тело, размеры, форма и физические свойства которого с той или иной степенью приближения аппроксимируют реальные объекты, подлежащие обнаружению. Методологический смысл этого обобщенного понятия не ограничивается возможностями обоснования комплексирования геофизических методов при решении тех или иных задач. Физико-геологическая модель является основой для дальнейшего математического моделирования, на базе которого можно проектировать геофизические работы, в частности рассчитывать оптимальные размеры поисковой и детальной сетей геофизических съемок, планировать необходимую и достаточную для выделения полезных сигналов и последующей интерпретации точность наблюдений, решать вопрос о сравнительной эффективности отдельных методов, проводить комплексную количественную интерпретацию со взаимным учетом результатов съемок различных геофизических полей.

Замена сложных по морфологии и вещественному составу геологических образований сочетанием геометрически правильных объектов, ограниченных плоскостями или поверхностями второго порядка (сфера, эллипсоид, цилиндр и др.) с постоянными значениями физических параметров при наличии резких границ раздела, позволяет использовать для решения задач программные компьютерные продукты.

Нужно иметь в виду, что применение комплекса нескольких методов вместо одного обычно не сопровождается пропорциональным возрастанием расходов; общими являются: организация работ, транспорт, бытовое и топографическое обеспечения, а также некоторые услуги со стороны. Особенно в большой степени это положение касается аэрогеофизических съемок, где использование даже нескольких дополнительных каналов почти не влечет за собой увеличения производственных затрат.

В настоящее время отчетливо намечается создание новых методов — пьезоэлектрического, магнитотеллурического, искусственного подмагничивания в магниторазведке и других, занимающих как бы промежуточное положение между основными методами. В таких случаях можно говорить о внутриметодном комплексе, поскольку в них используются более сложные свойства горных пород, чем электропроводность, магнитная восприимчивость и др. Давно практикуемое совместное применение различных модификаций электроразведки постоянным и переменным током тоже может рассматриваться как внутриметодное комплексирование, расширяющее возможности метода. Действительно, к примеру сочетание электропрофилирования и зондирования позволяет исследовать как крутопадающие, так и пологие границы раздела; применение низкочастотной и высокочастотной электроразведки обеспечивает выявление объектов не только крайне низкого электрического сопротивления, но и характеризующихся сравнительно малой проводимостью. Сходными примерами внутриметодного комплексирования могут являться сочетание наземной и аэромагниторазведки, сейсморазведки преломленными н отраженными волнами, гравиразведки с использованием гравиметров и градиентометров.

Комплекс обычно состоит из основных методов, используемых на всей исследуемой территории с поисково-картировочными целями. Последующие работы как основными, так и другими методами проводят для детализации, классификации аномалий, определения размеров, формы, элементов залегания возмущающих объектов и т. д. Основные методы должны быть мобильными, высокопроизводительными и дешевыми.

Полная реализация указанных положений может быть осуществлена лишь в том случае, когда: 1) исследователь понял необходимость комплексирования геофизических методов; 2) изучены физические свойства целевого объекта и вмещающих пород на исследуемой площади и создана физико-геологическая модель изучаемого объекта; 3) обоснована, исходя из физико-геологической модели, оптимальная сеть геофизических съемок и оценена необходимая точность регистрации полей; 4) проведены соответствующая обработка и интерпретация данных полевых измерений с целью выделения полезной информации.