На главную страницу!  
Поиск  
  win koi8 mac iso dos 
 Главная страница  Конференции: Календарь / Материалы  Каталог ссылок    Словарь       Форумы        Тесты     Последние поступления
   Геология >> Геофизика >> Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых | Книги
 Напишите комментарий  Добавить новое сообщение

Геофизические методы исследования земной коры.

В.К. Хмелевской (Международный университет природы, общества и человека "Дубна")
Международный университет природы, общества и человека "Дубна", 1997 г.		 Содержание

1.4.1. Петрофизика и геофизические свойства горных пород.

Петрофизика (физика горных пород) - это прикладной раздел наук о Земле, находящийся на стыке геологии (петрологии, литологии, наук о полезных ископаемых, гидрогеологии, инженерной геологии, геокриологии и др.), геофизики (глубинной, региональной, разведочной, инженерной, экологической), а также физических исследований Земли и физики вещества. Петрофизика изучает различные физические свойства горных пород, взаимосвязи их между собой и с физическими полями Земли. Основными разделами петрофизики являются:

  • исследования природы каждого из многочисленных геофизических свойств горных пород, зависимости их от естественных и техногенных факторов;
  • построение физической модели среды как непосредственно через измеренные свойства, так и по данным физико-математической интерпретации результатов различных геофизических методов;
  • построение физико-геологических моделей среды (ФГМ) в ходе геологического истолкования геофизических материалов.
С точки зрения петрофизики каждая горная порода - это сложное вещество трехфазового состава, т.е. состоящее из твердой (один или несколько минералов), жидкой (вода, нефть, нефтепродукты) и газообразной (воздух, горючие газы) фаз. Физические свойства горных пород определяются прежде всего свойствами самих фаз, их количественным соотношением в породе и взаимодействием. Такие физические свойства твердой фазы, как плотность, магнитные, электрические, упругие, тепловые, ядерные, определяются, в основном, атомным строением химических элементов минералов, из которых состоит порода, соотношением твердой, жидкой и газообразной фаз, температурой и зависят от геологических факторов: термодинамических условий образования магматических пород, степени их метаморфизма, условий накопления осадочных пород, структурно-текстурных особенностей массивов пород. Используемые в геофизике физические поля Земли определяются перечисленными геофизическими свойствами горных пород.

Существующие классификации горных пород, в основу которых положен их минеральный и химический состав, отличаются от петрофизических, основанных на фазовых состояниях горных пород. Одна из таких возможных классификаций дана в табл. 1.1. В ней приведены часто встречающиеся значения некоторых физических свойств горных пород: плотностных (плотности ( $\sigma$ ) и пористости ( $n$)), упругих (скорости продольных ( $V _{ p}$ ) и поперечных ($ V _{ s}$ ) сейсмических волн), магнитных (магнитная восприимчивость ( $\chi$ ) и др.), электрических (удельное электрическое сопротивление ( $\rho$ ) и др.), изучаемые как в петрофизике, так и в теории соответствующих геофизических методов.

Т а б л и ц а 1.1

Породы Плотность $\sigma$, г/см3 Пористость $n$, % Скорости упругих волн Магнитная восприимчивость $\chi$, 10-5 ед. СИ Удельное электрич. сопр. $\rho$, Ом*м
$V _{ p}$, км/c $V _{ s}$, км/с
газонас. водонас.
МАГМАТИЧЕСКИЕ
Ультраосновные (пироксенит, перидотит, дунит и др.)
3,2-3,3
0,1-0,5
7,5
8,5
4,5
1000-25000
105 - 108
Основные
габбро
диорит
2,9-3,0
2,7-2,8
0,01-1
0,01-1
6,0
5,6
6,6
6,3
3,8
3,5
300-15000
1000-70000
104 - 107
103 - 107
Кислые
гранодиорит
гранит
2,7
2,6
0,2-5
0,1-3
4,6
3,0
6,0
5,5
3,3
2,8
100-45000
50-40000
103 - 106
103 - 105
Эффузивные
диабаз
базальт
2,9
2,5
0,1-5
3-6
3,5
3,0
6,5
5,5
3,5
3,0
500-150000
100-150000
105 - 106
103 - 107
МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ
Гнейсы
Сланцы
2,7
2,6
0,01-1
0,01-1
3,8
3,5
5,6
4,8
3,2
3,0
100-20000
50-3000
103 - 105
103 - 105
ОСАДОЧНЫЕ
Скальные и полускальные
известняк
доломит
мергель
песчаники

2,6
2,7
2,4
2,5

2-25
2-17
5-35
2-35

2
1
1,5
1

6
5,5
4,5
4,5

3
2,5
2
1

50-2500
50-800
10-1000
50-5000

100 - 105
100 - 104
10 - 103
100 - 104
Песчано-обломочные (рыхлые)
гравийно-галечные
пески
3
1,3-2
2-20
2-40
0,8
0,5
2,5
2
0,5
0,2
50-5000
50-2500
100 - 103
10 - 104
Пластичные (глинистые) (глина, аргиллит) 1,2-2,4 2-40 1,5 2,5 0,4 10-3000 1-100

1.4.2. Геолого-гидрогеологические свойства.

Горные породы различаются по минеральному составу, размерам твердых частиц, соотношению объемов твердой, жидкой и газообразной фаз, структурно-тектоническим особенностям и другим факторам, определяющим их геолого-гидрогеологические свойства. Некоторые из них, как и геомеханические, физико-механические, деформационно-прочностные и фильтрационно-емкостные (водо-, нефте- и газоколлекторские), могут характеризоваться количественно. К физико-механическим можно отнести следующие основные свойства (см. табл. 1.2):

  • средний диаметр твердых частиц ( $d _{ ср}$ в мм) рыхлых (песчано-обломочных) и пластичных осадочных пород;
  • литологию пластичных и рыхлых осадочных пород, которая численно может быть выражена, например, в виде арифметического ряда чисел: от Л = 1, 2, 3 для тяжелых, средних, легких глин, далее таких же суглинков (4, 5, 6), супесей (7, 8, 9), песков (10, 11, 12) , а также галечников (13) и валунов (14). В этом ряду Л пропорциональна среднему диаметру твердых частиц ( $d _{ ср}$ ), который является основным диагностическим признаком пластичных и рыхлых осадочных пород;
  • глинистость (Г) и коэффициент глинистости ( $С _{ г}$ ) песчано-глинистых пород: $Г = V _{ т ( \lt 0,01) } / V$ и $С _{ г} = m _{ т ( \lt 0,01) } / m$, где $V _{ т ( \lt 0,01)}$ и $m _{ т ( \lt 0,01)}$ - объем и масса твердых частиц (глинистых минералов) с $d _{ cp} \lt$ 0,01 мм = 10 мкм, а $V$ и $m$ - общий объем и масса изучаемых пород. Здесь, как и везде в дальнейшем, отношения каких-либо объемов или масс измеряются в долях единицы или в процентах;
  • число пластичности (Пл), которым определяется способность глинистых пород деформироваться при обводнении;
  • пустотность (пористость) $n = V _{ п } / V _{ т}$ и коэффициент пустотности (пористости) $К _{ п } = V _{ п} / V$, где $n = К _{ п } (1 - К _{ п} )$, $V _{ п}$ - объем пустот. Это может быть первичная пористость рыхлых осадочных пород, вторичная трещиноватость скальных магматических, метаморфических и осадочных или то и другое, $V _{ т}$ и $V$ - объемы твердой фазы и всего образца изучаемой породы ( $V = V _{ т} + V _{ п}$ );
  • плотность ( $\sigma = m / V$) и минеральная плотность ( $\delta = m _{ т } / V _{ т}$ ), где $m _{ т}$ и $m$ - массы твердой фазы и всей изучаемой породы ( $\sigma$ и $\delta$ измеряются в г/см3 = 103 кг/м3).

Т а б л и ц а 1.2

Инженерно-геологическиеи гидрогеологические параметры пород Глина Суглинок Супесь Песок Галечник Валуны
Т С Л Т С Л Т С Л МЗ СЗ КЗ
Л 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
dср, мм n*10-5 n*10-4 10-3 0,002-0,005 0,005-0,01 0,01-0,02 0,02-0,05 0,05-0,1 0,1-0,2 0,2-0,5 0,5-1 1-2 3-10 20-80
Г, % $\ge 65$ $\ge 50$ $\ge 40$ $\ge 30$ $\ge 20$ $\ge 15$ 15-20 12-15 10-12 10 5 0 0 0
П 25 20 17 17-13 13-10 10-7 7 4 1 0 0 0 0 0
kп, % 60 40 20 55 45 25 50 40 30 50 40 30 30
km , % 5 10 20 30 40
kф, м/сут 0,001 0,01 0,1 10 100
Примечание. Т, С, Л - тяжелые, средние, легкие породы соответственно; МЗ, СЗ,КЗ - мелко-, средне-, крупнозернистые пески соответственно.

К деформационно-прочностным свойствам можно отнести такие упругие свойства, как:

  • модуль упругости или модуль Юнга ( $Е$), являющийся коэффициентом пропорциональности между растягивающе-сжимающими напряжениями, действующими на упругое тело, и относительными линейными его деформациями того же направления;
  • коэффициент Пуассона $\nu$ - отношение поперечного сжатия к продольному удлинению при одноосном растяжении;
  • cкорости продольных ( $V _{ р}$ ) и поперечных ( $V _{ s}$ ) упругих (сейсмических) волн, аналитически связанных с $Е$ и $\sigma$ при малых напряжениях и деформациях пород, наблюдаемых при сейсмоакустических исследованиях, следующими уравнениями:
    $V_{p} =\sqrt{ \frac{E(1-\nu )}{\sigma (1+\nu )(1-2nu )} },\; V_{s} =\sqrt{\frac{E}{2\sigma (1+\nu )} };$ (1.6)

  • модули общей деформации ( $Е _{ деф}$ ) и пределы прочности образцов горных пород при сжатии ( $\sigma _{ сж}$ ), характеризующие прочностные свойства образцов при значительных длительных нагрузках и др.

Модули $Е, Е _{ деф} , \sigma _{ сж}$ измеряются в паскалях (Па), $\nu$ - в относительных единицах, а скорости - в км/с.

К фильтрационно-емкостным относятся следующие основные свойства, характеризующие флюидонасыщенность, т.е. способность пористых пород удерживать, пропускать и отдавать жидкости и газы:

  • коэффициент водонасыщенности (общей влажности) $К _{ в} = ( V _{ связ} + V _{ своб} ) / V _{ п}$ , где $V _{ связ}$ - капиллярно и физически связанная вода, адсорбированная глинистыми частицами, $V _{ своб}$ - свободная вода, отдаваемая породой, например, при откачках из скважин, $V _{ п}$ - объем пор. Для полностью водонасыщенной породы $К _{ в}$ = 1;
  • активная пористость или водоотдача $К _{ \mu } = V _{ своб } / V _{ п}$ и коэффициент остаточного водонасыщения $К _{ во} = V _{ связ } / V _{ п}$ , указывающие на доли воды, извлекаемой и не извлекаемой из породы ( $К _{ в } = К _{ m} + К _{ во}$ );
  • коэффициент фильтрации ( $К _{ ф}$ ), которым определяется скорость (в м/сут) фильтрации свободных подземных вод, и коэффициент водопроводимости ( $Т = К _{ ф } h$, где $h$ -мощность водоносного пласта, в м2/сут), которым характеризуется погонная мощность фильтрационного потока;
  • коэффициенты нефте-, газо-, водонасыщенности пор ($ К _{ н} = V _{ н } / V _{ п} ,\; К _{ г} = V _{ г } / V _{ п} ,\; К _{ в} = V _{ в } / V _{ п}$ , где $V _{ н} , V _{ г} , V _{ в}$ и $V _{ п}$ - объемы соответствующих фаз и общий объем пор);
  • коэффициент проницаемости ($ К _{ пр}$ ) - один из обобщенных параметров, характеризующий водоупорные и коллекторские свойства горных пород, т.е. способность их давать промышленные притоки нефти, газа, воды. Он сложным образом зависит от коэффициента пустотности, удельной поверхности и строения поровых каналов, пропорционален коэффициенту фильтрации и измеряется в (мкм)2. К проницаемым коллекторам относят породы с $К _{ пр} \gt$ 10-2 (мкм)2, к полупроницаемым с $К _{ пр}$ = 10-4 - 10-2 (мкм)2. Водоупорными считаются породы с $К _{ пр}\lt$ 10-4 (мкм)2.

Назад| Вперед

Геологический факультет МГУ

 См. также
Книги Геофизические методы исследования земной коры
Книги Геофизические методы исследования земной коры: Геофизические методы исследования земной коры.
Тезисы Роль магнитотеллурических методов в комплексе региональных геолого-геофизических исследований: Роль магнитотеллурических методов в комплексе региональных геолого-геофизических исследований
Биографии ученых Богословский Вадим Александрович
Биографии ученых Горбачев Юрий Ильич
Биографии ученых Огильви Александр Александрович
Биографии ученых Карус Евгений Виллиамович
Научные статьи Глубинное строение Южной Камчатки по геофизическим данным:
Научные статьи Геомагнитные исследования позднекайнозойских подводных вулканов северной части Курильской островной дуги:
Интересные ссылки Кафедра геофизических методов исследования земной коры МГУ
Проект осуществляется при поддержке:
 Научной Сети, Российского Фонда Фундаментальных Исследований
Международной Соросовской Программы Образования в области Точных Наук