Способ изучения пространственного распределения источников геофизических и геохимических полей

Способ изучения пространственного распределения источников геофизических и геохимических полей

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к способам изучения геологических сред и позволяет изучать пространственное распределение в земле источников физических и геохимических полей, которыми могут являться месторождения полезных ископаемых различных типов, зоны тектонических нарушений, археологические памятники и другие подземные объекты.

Известен способ магниторазведки, в котором над исследуемой площадью проводят измерение интенсивности полного вектора напряженности магнитного поля (например, ΔT или его вертикальной составляющей ΔZ) с последующим построением карт этого поля (Геофизические методы поисков и разведки / Л.М.Горбунова, В.П.Захаров, В.С.Музылев и др. - Л.: Недра, 1982. С.27) На полученных картах выделяют аномалии наблюденного поля и по характерным особенностям этих аномалий (интенсивности, местоположению «особых точек», протяженности в плане) выбирают объекты, которые могут являться источниками этих аномалий. По известным формулам, приведенным в этой же книге, рассчитывают магнитное поле этих аномальных объектов и сравнивают полученное расчетное и наблюденное поля. При совпадении этих полей считают подбор объектов завершенным. В случае несовпадения полей проводят корректировку выбранных аномальных объектов, повторный расчет поля от них и вновь сравнивают полученное расчетное и наблюденное поля. Такую операцию проводят многократно, до совпадения расчетного и наблюденного полей с заданной точностью. При совпадении считают интерпретацию данных завершенной. Недостатком способа является то, что он позволяет получить сведения только о распределении в пространстве под исследуемой площадью источников магнитного поля и не дает возможности разделить объекты, близкие по магнитным свойствам, но отличающиеся по другим физическим свойствам, например горные породы по плотности. Другим недостатком является то, что при обработке данных может получаться множество эквивалентных решений, т.е. одни и те же аномалии могут создаваться при различном распределении источников полей, и для интерпретации данных необходимо привлекать дополнительную информацию.

Наиболее близким к предлагаемому является способ комплексного изучения физических полей над исследуемой площадью с последующей интерпретацией результатов (Знаменский В.В. Общий курс полевой геофизики. М.: Недра, 1989. С.131-132). В этом способе на исследуемой площади выполняют магниторазведочные и гравиразведочные наблюдения. Проводят совместную интерпретацию полученных полей с построением разрезов и выделением объектов, отличающихся по магнитным и плотностным свойствам. Недостатком способа является то, что он не позволяет оценить вещественный состав выделенных глубинных объектов, т.е. одни и те же аномалии могут создаваться объектами, близкими по плотности и магнитным свойствам, но различными по вещественному составу, например сульфидными рудами, которые являются объектами поисков и зонами пиритизации. Различить эти объекты при использовании данного способа не представляется возможным. Другим недостатком способа является то, что при обработке комплексных геофизических данных, также как и при интерпретации магниторазведочных данных, получается множество эквивалентных решений, и для выбора единственного из них, наиболее полно отражающего строение изучаемой толщи, необходимо привлекать дополнительную информацию. Часто наблюдаются случаи, когда расположенные в земле в разных областях различные источники физических полей создают аномалии в одних и тех же точках на дневной поверхности. При интерпретации таких данных субъективно часто совмещают местоположение источников аномалий в земле, что приводит к ошибочным выводам.

Задачей изобретения является создание способа изучения пространственного распределения в земле источников геофизических и геохимических полей, позволяющего проводя наблюдения только по дневной поверхности, однозначно определить положение и вещественный состав этих источников.

Задача решается следующим образом. В способе изучения пространственного распределения источников полей, включающем проведение измерений физических полей с построением карт распределения их интенсивности, выделение аномальных составляющих полей, по которым выбирают источники этих аномалий, рассчитывают поля этих источников и о правильности их выбора судят по близости наблюдаемого и расчетного полей, на той же площади дополнительно изучают пространственное распределение концентраций химических элементов и газов в подвижных формах нахождения, получая геохимические поля. Затем выбирают произвольные точки в пространстве под исследуемой площадью, проводят полосовую фильтрацию полученных физических и геохимических полей с учетом глубины выбранных точек и рассчитывают ковариации расчетных аномалий от источников полей, помещенных в выбранные точки, с составляющими наблюдаемых полей, выделенными фильтрацией. По пространственному совпадению участков локальных экстремальных значений ковариации физических и геохимических полей получают распределение в земле источников полей.

Используемый в данном способе расчет ковариаций для геофизических и геохимических данных при сопоставлении пространственного положения участков с характерными для искомых объектов физическими и химическими свойствами позволяет без привлечения дополнительной информации однозначно установить распределение в земле значений интенсивности источников полей, которая прямо пропорциональна значениям ковариаций соответствующих полей, и таким образом оценить наличие и положение под исследуемой площадью объектов, являющихся источниками полей.

На фиг.1 представлен пример обнаружения источника гравитационного и магнитного полей, предположительно связанных с углеводородной залежью (обведен сплошной жирной линией - Г). На разрезе по одному из профилей показаны области пониженных значений ковариаций расчетных аномалий и соответствующих фактически наблюденных полей для гравитационного (горизонтальная штриховка - А) и магнитного (вертикальная штриховка - Б) полей, а также области повышенных значений ковариаций для поля содержаний никеля, определенных термомагнитным геохимическим методом (ТМГМ) (косая штриховка - В), и положение в разрезе по профилю участка, соответствующего области пространственного совпадения пониженных значений ковариаций для гравитационного и магнитного полей и области повышенных значений ковариаций для поля содержаний никеля ТМГМ.

На фиг.2 представлен пример обнаружения источника гравитационного и магнитного полей, которым в данном случае является нефтяная залежь (черная заливка - Г), установленная по данным бурения. В разрезе по одному из профилей показаны изолинии значений ковариаций расчетных и соответствующих фактически наблюденных полей для магнитного поля (тонкие линии со штрихами, обращенными по направлению уменьшения значений ковариаций - А), область пониженных значений ковариаций для гравитационного поля (горизонтальная штриховка - Б), область повышенных значений ковариаций для поля содержаний брома ТМГМ (косая штриховка - В).

Для осуществления способа проводят следующие операции.

1. Измеряют на исследуемой территории физические поля (например, магнитное и гравитационное) по сети наблюдений.

2. Измеряют на исследуемой территории по сети наблюдений поля концентрации подвижных или слабозакрепленных форм нахождения химических элементов (путем проведения съемки геоэлектрохимическими методами, например, ТМГМ, методом диффузионного извлечения, методом металлоорганических почвенных форм) или газов (атмохимическими методами), получая геохимические поля в виде матриц или карт. Сеть геохимических наблюдений может отличаться от сети геофизических наблюдений.

3. В пространстве под исследуемой площадью выбирают произвольные точки. Для удобства проведения расчетов выбор точек может осуществляться по такой же сети наблюдений, по которой проведены геофизические или геохимические наблюдения.

4. Проводят полосовую фильтрацию измеренных физических и геохимических полей с учетом глубины залегания выбранных точек.

5. Рассчитывают ковариации расчетных аномалий от источников соответствующих полей, помещенных в выбранные точки, с выделенными фильтрацией составляющими наблюдаемых полей. Строят карты распределения значений ковариации для различных полей.

6. Выделяют участки совпадения локальных экстремальных значений ковариации физических и геохимических полей в нижнем полупространстве, по которым оценивают пространственное распределение источников полей, которыми могут являться рудные объекты, залежи углеводородов, зоны тектонических нарушений, археологические памятники и другие подземные объекты.

Например, залежи углеводородов характеризуются пониженной намагниченностью, пониженной плотностью и повышенными содержаниями элементов-индикаторов углеводородов (никеля, ванадия, брома и т.п.) и углеводородных газов. Поэтому местоположение залежей углеводородов фиксируется в земле только при комплексном рассмотрении участков локальных понижений значений ковариации для магнитного и гравитационного полей и повышений значений ковариации для полей распределения элементов-спутников углеводородов и газов. Для ультраосновных массивов характерны повышенные значения намагниченности и плотности пород, а также повышенные содержания некоторых элементов-индикаторов, характерных и для углеводородов (например, никеля, меди), и пониженные содержания ванадия. Поэтому, при применении предлагаемого способа, местоположение таких массивов характеризуется повышенными значениями ковариации для магнитного и гравитационного полей, пониженными значениями ковариации для поля ванадия, что отличает их от залежей углеводородов. Большинство сульфидных рудных тел, по отношению к вмещающим горным породам, характеризуются повышенной намагниченностью, повышенной плотностью и повышенными содержаниями химических элементов, характерных для этих руд. Соответственно местоположение рудных тел фиксируется в земле локальными комплексными повышениями значений ковариации для полей магнитного, гравитационного и распределения концентраций химических элементов, характерных для этих руд (например, для полиметаллических руд свинца и цинка). Археологические памятники характеризуются повышенной намагниченностью и повышенными содержаниями ряда химических элементов, например меди и цинка. Соответственно их пространственное положение определяется повышенными значениями ковариации для магнитного поля и полей содержаний меди и цинка.

Опробование способа проводилось на ряде участков.

На первом участке (фиг.1) по дневной поверхности по заданным параллельным профилям с шагом наблюдения 0,5 км и расстоянием между профилями 1 км были проведены геофизические (магниторазведочные и гравиразведочные) и геоэлектрохимические исследования ТМГМ. Геоэлектрохимические исследования включали отбор почвенных проб, проведение экстракции соответствующих форм нахождения элементов с последующим определением в экстрактах элементов-индикаторов углеводородов (марганца, никеля, ванадия и других). На основании результатов всех этих работ были построены карты распределения по исследуемой площади геофизических (амплитуды полного вектора напряженности магнитного поля ΔТ, распределения локальной составляющей гравитационного поля Δg) и геохимических (распределения содержаний различных элементов: марганца, никеля, ванадия, определенных ТМГМ в пробах почвы) полей.

На глубине 0,5 км в пространстве под исследуемой площадью была выбрана первая точка. В данном случае глубина выбранной точки соответствовала расстоянию между точками наблюдения.

Были проведены расчеты магнитных, гравитационных и геохимических аномалий от источников, помещенных в выбранную точку. Расчет каждой аномалии проводится по уравнениям соответствующего поля. Для магнитной аномалии использовали выражение магнитного поля от точечного источника с учетом направления намагниченности (Логачев А.А., Захаров В.П. Магниторазведка. Л.: Недра, 1979, с.129-133), для гравитационной аномалии - выражение гравитационного поля от точечного источника (Миронов B.C. Курс гравиразведки. Л.: Недра, 1980, с.333-343), для геохимической аномалии - выражение для распределения концентраций элементов от точечного источника (Штокаленко М.Б., Путиков О.Ф., Алексеев С.Г. и др. Оценка параметров струйной миграции по ширине ореола вторично закрепленных форм химических элементов // Геофизика, 2006, №4, с.55-60). В частном случае, при решении двумерной задачи, можно использовать выражения для физических и геохимических полей от источников в форме горизонтального кругового цилиндра, залегающего в крест исследуемого профиля.

Были проведены полосовые фильтрации наблюдаемых физических и геохимических полей. Такая фильтрация проводилась вычитанием в каждой точке наблюдения из наблюдаемого исходного значения поля среднего арифметического значения поля в круге определенного радиуса, выбираемого с учетом глубины выбранной точки (в данном случае глубина - 0,5 км). На модельных примерах установлено, что радиус, в котором проводится осреднение, должен быть равен расстоянию, на котором амплитуда расчетной аномалии от выбранной точки для соответствующего поля уменьшается на порядок, по сравнению с экстремумом над источником. Для глубины 0,5 км радиус окна осреднения для магнитного поля составил 0,35 км, для гравитационного поля - 1,5 км, для геохимического поля - 15 км.

Для каждого из полей были получены значения ковариации расчетных аномалий от выбранной точки и составляющих соответствующих наблюдаемых полей, полученных после фильтрации.

На глубине 0,5 км была выбрана вторая точка на расстоянии 0,5 км от первой. В данном случае, для удобства расчетов и последующего построения карт, расчетные точки в нижнем полупространстве размещались с тем же шагом, что и шаг измерения полей на дневной поверхности. Для второй точки также был проведен расчет ковариации полей источника, помещенного в эту точку, и соответствующих наблюдаемых полей после фильтрации. Далее на глубине 0,5 км выбиралась третья, четвертая, пятая и т.д. точки с шагом 0,5 км. Для глубины 0,5 км в нижнем полупространстве были получены значения ковариации по сети 0,5×0,5 км, и построена карта распределения полученных значений ковариации на этой глубине.

Далее была выбрана точка на глубине 1,0 км, и проведены расчеты физических и геохимических полей от этой точки. Были проведены фильтрации каждого из наблюдаемых полей с радиусом, соответствующим этой глубине. Для магнитного поля радиус осреднения составил 0,7 км, для гравитационного поля - 3 км, для геохимического поля - 21 км. Были проведены расчеты ковариации расчетных полей точечных источников и соответствующих им наблюденных полей после фильтрации. Далее выбиралась вторая точка на расстоянии 0,5 км от первой, также на глубине 1,0 км и для нее также проведены расчеты ковариации расчетных и соответствующих им наблюденных полей после фильтрации. Аналогично глубине 0,5 км были получены значения ковариации в нижнем полупространстве по сети 0,5×0,5 км и для глубины 1 км.

Аналогичные операции расчета ковариации по сети 0,5×0,5 км были проведены для глубин 1,5; 2; 2,5; 3,0; 3,5; 4,0; 4,5 и 5,0 км. При этом фильтрация наблюденных полей проводилась для каждой глубины выбранных точек в окне радиусом, зависящим от этой глубины для каждого из рассчитываемых полей.

Были построены пространственные диаграммы распределения значений ковариации в нижнем полупространстве и карты изменения этих значений в разрезах по профилям. Полученные значения ковариации соответствовали интенсивности источников соответствующих полей, помещенных в заданную точку нижнего полупространства. Для контроля качества построения разрезов проводились решения, так называемых «прямых задач», т.е. расчеты полей от источников, интенсивность которых прямо пропорциональна ковариациям. Каждое полученное расчетное поле сравнивалось с соответствующим ему измеренным. Во всех случаях наблюдалось удовлетворительное соответствие указанных полей.

При геологической интерпретации данных учитывалось, что для нефтяных залежей характерны уменьшения плотности и намагниченности пород, с одной стороны, и повышенные содержания элементов-индикаторов углеводородов, в частности никеля, брома и ряда других, регистрируемых термомагнитным геохимическим методом (ТМГМ). На фиг.1 показаны изолинии полученных значений ковариации для магнитного, гравитационного полей и содержаний никеля ТМГМ по одному из профилей. По этому профилю выделяются две области, характеризующиеся минимальными значениями ковариации магнитного и гравитационного полей на интервалах 10-20 (северный фланг профиля) и 35-45 км (южный фланг) профиля. Область в интервале 10-20 км профиля характеризуется также повышенными значениями ковариации для поля распределения содержаний никеля. Эта область, расположенная на глубине 2-4 км и оконтуренная на фиг.1 жирной линией, и является наиболее перспективной на нахождение углеводородов. Участок на интервале 35-45 км, который не отмечался повышенными значениями ковариации геохимического поля, не рекомендовался как перспективный на углеводороды. Полученные результаты были подтверждены сейсморазведочными работами.

На другом участке (фиг.2), с хорошо изученным геологическим разрезом и наличием нефтяной залежи, были проведены магниторазведочные, гравиразведочные, и геоэлектрохимические работы по отдельным профилям с шагом 0,25 км. Аналогично предыдущему случаю, проводился расчет ковариаций для каждого из наблюдаемых полей, начиная с глубины 0,25 км и далее через 0,25 км до 3 км, по сети 0,25×0,25 км. По профилю был построен разрез изменения значений ковариаций, начиная с глубины 0,75 км (фиг.2). Нефтяная залежь на интервале 32-34 км и глубине 2,1 км, по полученному разрезу, приурочена к области локального понижения значений ковариации для магнитного поля на общем, линейно убывающем фоне от 0 до -0,5 минимальных значений ковариации для гравитационного поля и повышенных значений ковариаций для поля распределения содержаний элемента-индикатора углеводородов брома ТМГМ. На интервале 35-36 км и глубине 0,5-1 км по полученному разрезу наблюдалось уменьшение значений ковариации только для магнитного поля, что может объясняться наличием на этом интервале горных пород меньшей намагниченности. С геологических позиций этот интервал в отношении нефтегазоносности считался неперспективным.

Приведенные примеры показывают, что предлагаемый способ впервые позволяет, проводя наблюдения только по дневной поверхности, однозначно установить глубинное распределение и вещественный состав источников геофизических и геохимических полей.

Способ изучения пространственного распределения источников геофизических и геохимических полей, включающий проведение измерений геофизических полей с построением карт распределения их интенсивности, выделение аномальных составляющих этих полей, по которым выбирают источники аномалий и рассчитывают поля этих источников, а о правильности их выбора судят по близости наблюдаемого и расчетного полей, отличающийся тем, что на той же площади изучают пространственное распределение концентраций химических элементов и газов в подвижных формах нахождения, получая геохимические поля, выбирают произвольные точки в пространстве под исследуемой площадью, проводят полосовую фильтрацию полученных геофизических и геохимических полей с учетом глубины выбранных точек, рассчитывают ковариации расчетных аномалий от источников полей, помещенных в выбранные точки, с составляющими наблюдаемых полей, выделенными фильтрацией, строят карты распределения ковариаций в земле и по пространственному совпадению участков локальных экстремальных значений ковариации геофизических и геохимических полей получают положение в земле источников полей.