Пути повышения достоверности интерпретации результатов геофизических съемок, выполненных для локального прогноза и поисков твердых полезных ископаемых: геодинамический подход

Геодинамический подход широко используется при проведении региональных прогнозно-поисковых работ на твердые полезные ископаемые, что способствует повышению их эффективности. При этом его применение для локального прогноза и поисков твердых полезных ископаемых ограниченно и даже невозможно. Это связано с тем, что прогнозные локальные объекты (рудное тело, узел и т.д.) находятся в пределах одной тектонической и геодинамической зоны, одной геологической и рудной формации, что затрудняет выполнение на небольших по площади территориях прогнозного минерагенического районирования [6].

Вместе с тем знания об особенностях геодинамического развития исследуемой территории могут быть весьма полезными при интерпретации результатов геофизических съемок. В частности, одной из ключевых проблем локального прогноза и поисков твердых полезных ископаемых является наличие нестандартных («мерцающих») геофизических аномалий (периодически возникающих и исчезающих в пределах одних и тех же участков), что, естественно, затрудняет интерпретацию результатов геофизических съемок, выполненных в разное время на разных стадиях прогнозно-поисковых работ.

Следует отметить, что в современной нефтегазовой прогнозно-поисковой практике подобная проблема хотя и не обозначена (геофизические съемочные работы проводят, как правило, одноразово), но не исчезла. Явление «мерцающих» аномалий геофизических полей имеет место и для территорий месторождений углеводородов, что давно установлено на специализированных полигонах, совмещенных с нефтегазоносными зонами, где проводились комплексные геофизические исследования (магнито-, грави-, электрометрические, геодеформационные) в мониторинговом режиме [2][4][7].

Данная статья посвящена изучению нестандартных геофизических аномалий (на примере магнитных аномалий) для использования при интерпретации результатов геофизических съемок, выполненных для локального прогноза и поисков твердых полезных ископаемых.

Результаты

Пространственно-временная связь между возникновением «мерцающих» аномалий в геофизических полях и аномальными проявлениями современных геодинамических процессов (сейсмических, асейсмических). Периодическое возникновение геофизических аномалий в пределах одних локальных участков указывает их природное происхождение. Остается выяснить: какие процессы, происходящие в геологической среде, могут оказать подобное влияние на изменение земных физических полей? Очевиден только один вариант: тектонические процессы, которые способны решающим образом повлиять на развитие всех земных физических полей и флюидодинамических систем, и их аномальные проявления локализованы по площади и во времени [5].

Ниже приведены примеры пространственно-временной связи между периодическим возникновением аномальных изменений в геофизических полях и формированием современных геодинамических аномалий: сейсмических (1) и асейсмических (2).

(1) Эффект возникновения магнитных аномалий, связанных с землетрясениями, давно привлекает внимание многих исследователей [1][3][8], и научно-практический интерес к нему с годами заметно увеличивается. Появились публикации, в которых достаточно подробно описаны пространственно-временные особенности аномального локализованного изменения магнитного поля в связи с процессами, предшествующими землетрясениям [3], а землетрясения рассматриваются как источник магнитогравитационных волн [1].

В частности, в работе [3] подробно описаны вариации магнитного поля Земли в связи с землетрясениями (на примере сильнейшего землетрясения с магнитудой 9, происшедшего 11.03.2011 г. на восточном побережье Японии). По результатам анализа данных ближайшей расположенной здесь станции Есаши установлено, что:

• вековые изменения компонентов магнитного поля Земли (в течение десятков и сотен лет) происходят достаточно плавно, однако на этом фоне в суточных вариациях магнитного поля уверенно проявляется цикличность (рис. 1). За наблюдаемый период 2000—2011 гг. зафиксированы четыре магнитные аномалии продолжительностью от 0,5 года до 3 лет. Последняя магнитная аномалия (перед землетрясением 11.03.2011 г.) была самой сильной и проявлялась около 3 лет;
• формирование магнитных аномалий предшествует землетрясениям, однако непосредственно перед землетрясением все эти аномалии практически затухают.

(2) Изучению возникновения магнитных аномалий под влиянием медленных тектонических процессов (асейсмичных) посвящены публикации [2][4][7]. В частности, анализ данных комплексных повторных высокоточных геодезических измерений и измерений геофизических полей (магнито-, электро-, гравиметрические исследования) вдоль ряда профилей на Грозненском, Припятском и других геодинамических полигонах, которые функционировали в советский период, позволил установить [2]:

• связь между современными вертикальными движениями земной коры, геофизическими полями и геоструктурными элементами;
• пространственно-временную связь между возникновением геофизических аномалий и аномальным развитием современных вертикальных движений, которые, как правило, происходит в пределах разрывных нарушений, проявляющих современную тектоническую нестабильность.

На рисунке 2 приведены графики современного изменения приземного магнитного поля вдоль Терского профиля (Грозненский геодинамический полигон) за период апрель 1986 г. — сентябрь 1989 г. За этот период выполнено по профилю 5 измерений магнитного поля с частотой опроса от 5 до 12 месяцев.

Из графиков следует, что за рассматриваемый период наблюдений на фоне небольших изменений магнитного поля вдоль профиля выделяется локальный участок (пикеты № 27—29), где магнитное поле изменялось аномально дважды (с периодом в один год).

Возникновение и продолжительность аномалий приземного магнитного поля имеют пространственно-временную связь с формированием здесь (вдоль Терского профиля) геодеформационных аномалий, связанных с аномальным (по амплитуде, скорости) волновым развитием современных вертикальных движений земной коры [4][7].

Таким образом, вышеприведенные примеры констатируют существующую пространственно-временную связь (локализация по площади и во времени, периодичность) между формированием аномальных изменений в геофизических полях (на примере магнитного поля) и геодинамических (сейсмических, асейсмических) аномалий.

Пространственно-временные особенности формирования современных геодинамических аномалий и количественно-временные выражения связанных с ними аномальных изменений в геофизических полях. Как известно, тектонические движения земной коры происходят всегда и везде, обладают волновой природой и наиболее ярко (скачкообразно, импульсно) развиваются в пределах тектонически нарушенных зон (разрывные нарушения разного ранга). Подобное перераспределение тектонического напряжения в земной коре находит отражение в развитии всех земных физических полей и флюидодинамических систем.

Основные пространственно-временные особенности формирования современных геодинамических аномалий [5]:

• плановая приуроченность к разрывным нарушенным зонам разного ранга;
• периодичность возникновения в пределах одних и тех же участков/зон (в зависимости от масштабности аномальных проявлений тектонических процессов) носит полиуровенный характер (инструментально установлены 22—25 лет, 11—13 лет, 5—6 лет, 2—3 года, 1 год, полгода, 3—4 месяца, 1 месяц);
• площадные размеры для наиболее часто встречаемых аномалий — длиной и шириной от первых сотен метров до 1—3 км) и во времени (короткоживущие — от первых недель до 1—1,5 года, чаще — 3—4 месяца и 1,2—1,4 года).

В пределах разрывных нарушений и в период их современной тектонической активизации инструментально зафиксированы одновременно происходящие аномальные локализованные (по площади и во времени) нижеследующие изменения в геофизических полях [2]:

• локализованные вариации магнитного поля во времени — до ±8—10 нТл/год,
• локализованные вариации силы тяжести во времени — до ±0,2—0,3 мГал/год, где увеличение значений (+) соответствует условиям тектонического сжатия, (-) разрядка тектонического напряжения, значения снижаются до уровня прежних фоновых значений поля.

Возможный механизм аномального изменения, в частности, приповерхностного магнитного поля под влиянием современных геодинамических процессов представляется следующим образом:

Активизация (по любой первопричине) тектонических движений земной коры вызывает перераспределение тектонического напряжения в земной коре, что в пределах тектонически нарушенных зон происходит аномально. В этих зонах, характеризующихся нарушением сплошности геологической среды, по мере миграции тектонического напряжения (давления, величина векторная) первоначально происходит его активное накопление. В случае обновления или новообразования трещиноватости в горных породах на данном участке (что зависит от тектонической энергии и прочностных характеристик пород) происходит разрядка (резкое снижение) избыточного тектонического напряжения.

Тектонические движения земной коры, имеющие волновую природу и аномально протекающие в пределах разрывных нарушений, приводят к периодическому соответственно локализованному (по площади и во времени) аномальному изменению (повышению/снижению) в геологической среде температуры и проводимости, перераспределению земных токов и изменению (повышению/снижению параметров) магнитного поля на земной поверхности.

Предложенный механизм объясняет вышеуказанные особенности возникновения магнитных аномалий в период непосредственно предшествующий сильному землетрясению (рис. 1). Данные особенности приведены в работе [3], а именно: формирование магнитных аномалий всегда предшествует сильным землетрясениям, однако непосредственно перед землетрясением (начало образования микро- и трещин) все эти аномалии затухают.

Заключение

Результаты проведенного исследования имеют большое научно-практическое значение, поскольку:

• раскрыта геодинамическая причина наличия нестандартных («мерцающих») геофизических аномалий, которые не имеют прямой связи с наличием месторождений полезных ископаемых, а связаны с динамическими особенностями геологической среды — напряженно-деформационным состоянием земных недр на момент проведения геофизических съемок;
• предложен возможный механизм возникновения «мерцающих» геофизических аномалий (в частности, магнитных аномалий) под влиянием современных геодинамических процессов;
• существенно расширена возможность использования геодинамического подхода при поисках твердых полезных ископаемых (сейчас геодинамические исследования используют, как правило, на стадии региональных исследований);
• предложены пути повышения эффективности локальных поисков — за счет повышения достоверности результатов интерпретации данных геофизических съемок (привлекая накопленные новейшие знания из смежных наук о Земле: инструментально установленные количественные выражения локализованных аномальных изменений в геофизических полях под влиянием современных тектонических процессов, количественные выражения пространственно-временного формирования самих современных геодинамических аномалий), а следовательно, общего снижения финансовых затрат и сокращения времени на проведение поисков месторождений полезных ископаемых.