Способ определения вертикальных зон напряженного деформированного состояния среды

Изобретение относится к области геофизических методов разведки с использованием комбинированных способов для определения вертикальных зон напряженного-деформированного состояния среды. Сущность изобретения состоит в том, что производят замеры гравитационного, радиометрического и электромагнитного полей исследуемого участка Земли. При отрицательном значении гравитационного поля от полумиллигал до сотни миллигал, при значении радиоактивности выше 50% от фонового значения на исследуемом участке Земли, при электропроводности на поверхности Земли выше 25% от фоновой величины и изменении значений средней величины указанных аномалий во времени на величину более 25% от среднеарифметических значений судят о наличии вертикальных зон напряженного-деформированного состояния среды. Замеры ведут одновременно для каждой исследуемой точки Земли. Определение величин аномалий вертикальных зон напряженного-деформированного состояния среды производится при следующих условиях: в гравитационной модели литосферы гравитационный эффект от границ земной коры исключается из наблюденного гравитационного поля, средние значения границы глубины залегания фундамента принимаются - 6 км, а для Мохоровичича - 42,5 км, которые остаются неизменными при проведении гравитационного моделирования на любой территории; расчетное определение плотности пород в пределах вертикальных зон напряженного-деформированного состояния среды производится непрерывно. Техническим результатом является то, что способ позволяет проводить прогноз катастрофических явлений, выявлять месторождения полезных ископаемых. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано при изучении геофизического разреза литосферы и мантии, для поиска и разведки месторождений полезных ископаемых, для мониторинга и управления напряженным состоянием среды, а следовательно, и для прогноза катастрофических явлений.

По мнению авторов заявки Энергетические зоны Земли - это зоны, где происходит перераспределение энергии Земли. Перераспределение энергии происходит упорядоченно вследствие генерации энергии в пределах самой Земли вследствие внешних поступлений энергии из космоса и характеризуется аномалиями в геофизических полях: отрицательными значениями гравитационного поля, повышенными значениями электропроводности в среде (более 25% от фонового значения), выше 50%-ного уровня от фонового значения радиоактивного излучения, а также интенсивными изменениями этих параметров по времени на исследуемой территории.

Поскольку близкого прототипа способа определения вертикальных энергетических зон земли в публикациях не имеется, рассмотрим наиболее близкие известные методы, с помощью которых производится сбор геофизической и геологической информации.

Так известное гравитационное моделирование глубинных сейсмофокальных областей (первая модель сейсмофокальной области была выполнена для континентальной области Вранча в Румынии, где очаги землетрясений располагаются до глубины 200 км (см. Приложение 1 фиг.1a, б, в), позволило сделать предположение о наличии вертикальных энергетических зон Земли. В статье (Шляховский В.А., Тимошенко В.И. «О методике составления гравитационных моделей литосферы», в кн. «Геологическая интерпретация гравитационных и магнитных аномалий». - Ташкент: Фан, 1988 г., с.138-150) описывается методика вычисления гравитационного эффекта от границ земной коры (поверхности Мохоровичича и кристаллического фундамента) и исключение этого эффекта из наблюденного гравитационного поля (см. Приложение 1 фиг.1, а). Остаточное поле подбирается за счет непрерывного изменения плотности в субвертикальных источниках (см. Приложение 1 фиг.1б, в).

Однако в этих методиках не было конкретной величины среднего значения глубины залегания поверхности Мохоровичича и кристаллического фундамента.

В предлагаемом авторами способе введен такой новый параметр, как среднее значение глубины залегания поверхности Мохоровичича и кристаллического фундамента: 42,5 км и 6 км соответственно. При проведении гравитационного моделирования этот параметр остается неизменным на любой территории.

Использование новой методики составления гравитационной модели литосферы позволило определить:

1) что очаги аномалий распределяются вокруг узкой, субвертикальной зоны (Г^// - фиг.1б) и связаны с областями более плотного (высокоскоростного), чем вмещающие породы, вещества;

2) землетрясения отсутствуют в областях, где существуют породы с более низкой плотностью (скоростью);

3) зона глубокофокусных землетрясений Вранча связана с наличием парной зоны (Г - фиг 1б), также глубокого заложения, вдоль которой наблюдается «подъем астеносферного» вещества.

В предлагаемом способе методика вычисления, направленная на выявление параметров, характеризующих вертикальную энергетическую зон земли, основана на гипотезе о преобразовании вещества в пределах этой зоны.

Ранее гипотеза преобразования вещества была высказана Виноградовым А.П., Ярошевским А.А. в 1965 г. по механизму «зонной плавки».

При построении площадной плотностной модели литосферы Юго-Восточной Европы было подтверждено расположение очагов землетрясений в пределах плотных пород.

Аналогичная работа, выполненная в пределах Украинского кристаллического щита, выявила наличие столь же глубинных объектов (до 200 км), таких же парных. Однако плотность в его пределах уже характеризуется только положительными значениями по сравнению с вмещающими породами.

К такому же выводу авторы заявки пришли при составлении моделей кимберлитовых зон.

Оказалось, что такие зоны имеют такие же глубокие корни (до 200 км в пределах континентальной литосферы), отмечаются такими же большими отрицательными гравитационными аномалиями (после исключения эффекта границ земной коры), но имеют низкое тепловое поле. В многочисленных публикациях об обнаружении «кимберлитовых корней» подчеркивается, что их образование происходит в пределах мощной литосферы (до 200 км), где образуются необходимые давления, и, в то же время, нигде не отмечается каких-либо вертикальных перемещений вещества литосферы, тем более выхода этого вещества на поверхность Земли («Геология алмазов - настоящее и будущее (геологи к 50-летию города Мирный и алмазодобывающей промышленности России)». Воронежский университет, 2005 г.). Из вышесказанного следует, что речь может идти только о преобразовании вещества в пределах кимберлитовой зоны.

Исходя из вышесказанного, сделаем следующие выводы об образовании вертикальных энергетических зон Земли:

1. Первоначально они образуются за счет изменения мощности волноводов мантии (астеносферы или более глубокого слоя в средней мантии Земли). Этот процесс следует определить как длительный, без резких всплесков энергии.

2. Параллельно образуется сопутствующая зона, где происходят изменения типа «зонной плавки». Этот процесс происходит при постоянных, более коротких энергетических всплесках, приводящих к дифференциации вещества по плотности.

Эти процессы характерны для областей активной тектонической деятельности.

3. Постепенно эти процессы вырождаются, и с потерей энергии вещество этих зон полностью уплотняется, что характерно уже для консолидированной коры.

4. В то же время в результате перераспределения энергии длительного времени можно предполагать возможность резких всплесков энергии, что, видимо, и происходит при кимберлитообразовании. В этом случае наблюдается единственная глубинная зона без образования парной.

Авторами заявки было замечено, что при выполнении гравитационного моделирования внутренних депрессий Кавказа, любому месторождению нефти соответствует энергетический канал, выраженный узкой субвертикальной зоной. В дальнейшем были определены зоны, имеющие другие размеры - больше по величине и изотермичнее (Восточная Сибирь, Калининградская область). При проведении радиометрической съемки (измерение интенсивности гамма-излучения) и точечного электромагнитного зондирования (ТЭМЗ) эти зоны отмечаются аномалиями высокой проводимости в электромагнитном поле и высокой радиоактивностью.

Известен радиометрический способ зондирования поверхности Земли и метод ТЭМЗ, однако задание параметров, которые в последующем будут использованы при обработке замеров и построении необходимых профилей, совершенно другое, нежели при обычном использовании аппаратов.

В предлагаемом способе применены радиометрическая съемка (измерение интенсивности гамма-излучения) и метод ТЭМЗ для определения аномалий на поверхности Земли (высокую радиоактивность и высокую проводимость в электромагнитном поле).

Традиционно радиометрическую съемку (гамма-спектрометрия) по содержанию радиоактивных элементов семейств урана, тория и калия-40 проводят при поиске урано-ториевх месторождений.

При мониторинге через сутки в течение одного часа проводятся повторные замеры радиоактивности в точках с аномально высокой интенсивностью (см. Уломов В.И., Мавашев Б.З. «Ташкентское землетрясение 26 апреля 1966 г.», докл. АН Уз ССР - 1971, №2, с.188-192), приводится пример длительных наблюдений за диффузией только радона в скважинах (или в водяных источниках) как индикатора изменения напряженно-деформированного состояния среды.

Нами же используется радиометрический комплекс «Вектор», позволяющий получить полный спектр радиоактивности. Замер спектра проводится в течение 61 секунды, после чего среднее значение интенсивности радиоактивности записывается в точке измерения и далее, аналогично, на всех выбранных точках. После этого строится карта интенсивности радиоактивности по площади исследования.

Используемый комплекс «Вектор» позволяет проводить такие замеры в любой точке поверхности Земли.

В статье Финчук В.В., Скопиченко И.М. «Метод точечного электромагнитного зондирования. Теория и способы обработки», в сб. «Экология и природопользование». Вып.6, 2003 г. - Днепропетровск, с.173-178.) описывается метод ТЭМЗ, используемый для поиска и разведки различных типов месторождений полезных ископаемых.

Авторами заявки данный метод применялся не столько с целью изучения геологического разреза, сколько для того, чтобы выделить временные изменения электропроводности в геологической среде, что дает возможность наравне с вышеописанными методами определить зоны максимальных изменений геофизических параметров.

В основу применяемой аппаратуры положен электроизмерительный комплекс «Цикл-Микро».

Ранее замеры в точках наблюдения проводятся стандартно в двух полярностях дважды на одной точке, а нами при мониторинге производятся дополнительные наблюдения в одних и тех же точках не только через сутки, но и непрерывно в течение 12 или 24 часов в определенных нами аномальных зонах. При обработке данных строятся стандартные разрезы, при повторных измерениях строятся карты суточных изменений по площади исследования, а также временные разрезы в отдельно выбранных точках.

Известно много работ, где определяется связь физических полей (в т.ч. отрицательных гравитационных аномалий и, следовательно, зон разуплотнения) с нефтегазоносностью (см. Тимурзиев А.И. «Прогнозирование нефтегазоносности на основе связей физических полей с новейшими структурами земной коры», - «Геология нефти и газа», №4, 2004 г, с.39-51).

Однако эти связи устанавливаются для обширных объектов и территорий только осадочного чехла, в то время как предлагаемое авторами моделирование определяет размеры региональных зон в среднем 20-25 км, а для локальных зон - первые сотни или десятки метров для любых структур литосферы.

Таким образом, задачей заявляемого технического решения является определение вертикальных энергетических зон Земли путем измерения геофизических полей для выявления аномалий гравитационного, электромагнитного и радиационного полей с последующим мониторингом этих полей с целью выявления величины изменений этих аномалий во времени (не менее, чем за сутки). Предлагаемое изобретение направлено на определение вертикальных энергетических зон Земли, что позволит проводить прогноз катастрофических явлений, проводя геофизический мониторинг энергетических зон, выявлять месторождения полезных ископаемых (вода, углеводороды, алмазы, уран и т.д.).

Поставленная задача достигается за счет того, что проводят замеры геофизических параметров и мониторинг (постоянные наблюдения) гравитационного поля для определения отрицательных аномалий. Для фиксации интенсивности гамма-излучения проводят радиометрию поверхности Земли, а методом ТЭМЗ выявляют максимальные изменения значений электропроводности. Эти комплексные данные, обработанные по заданному алгоритму, и будут свидетельствовать о наличии вертикальных энергетических зон Земли.

Сущность предложения можно сформулировать следующим образом:

определение вертикальных энергетических зон Земли проводится по аномалиям гравитационного поля на поверхности Земли при отрицательном значении от полумиллигала до сотни миллигал; по аномалиям радиоактивности на поверхности Земли - выше фонового значения на 50%; и аномалиям электропроводности среды (более 25% фонового значения), зафиксированным для каждой исследуемой точки Земли; а также при изменении значений средней величины аномалий во времени (более 25% за сутки от среднеарифметического значения замеренных аномалий). Определение величин аномалий вертикальных энергетических зон Земли производится при следующих условиях: в гравитационной модели литосферы гравитационный эффект от границ земной коры исключается из наблюденного гравитационного поля, средние значения границы глубины залегания фундамента принимаются 6 км, а для поверхности Мохоровичича - 42,5 км, которые остаются неизменными при проведении гравитационного моделирования на любой территории, а расчетное определение плотности пород в пределах вертикальных энергетических зон производится непрерывно.

Способ осуществляют с помощью стандартной геофизической и радиометрической аппаратуры и нового электроизмерительного комплекса типа «Цикл-Микро» для замеров геофизических параметров, данные которых передаются в программный комплекс (ПК), где производится их обработка по заданному алгоритму.

Новым при обработке информации по текущим параметрам при параметризации гравитационной модели литосферы является неизменное значение средней величины глубины залегания фундамента - 6 км, а для поверхности Мохоровичича - 42,5 км, а при определении области пониженной плотности пород в пределах вертикальных зон расчетное определение плотности пород с глубиной задается непрерывно. Это делается для реализации алгоритма вычисления изменения плотности с глубиной в задаваемом объеме, т.к. численные методы не позволяют реализовать алгоритм программы.

Таким образом, способ определения вертикальных энергетических зон Земли состоит в том, что определяют аномалии гравитационного и электромагнитного полей, величину радиационного фона, а также интенсивность изменения значений аномалий в течение времени (например, суток).

Измерения гравитационного поля производится гравиметром, электромагнитного поля - методом и аппаратурой ТЭМЗ, радиационный фон - динамическим радиометром.

Постоянные (например, в течение суток) наблюдения за выбранными точками (участками) Земли позволяют установить величину изменения геофизических параметров, которые должны быть в следующем диапазоне: не менее 25% от фоновых значений для электромагнитных параметров и 50% - для параметров радиоактивности.

1. Способ определения вертикальных зон напряженного-деформированного состояния среды, включающий замеры параметров гравитационного, радиационного и электромагнитного полей, отличающийся тем, что аномалиями, характеризующими наличие вертикальных зон напряженного-деформированного состояния среды, считают в гравитационном поле отрицательные значения гравитационного поля от полумиллигала до сотни миллигал, аномалиями радиоактивности на поверхности Земли - значение радиоактивности выше 50% фонового значения на исследуемом участке Земли, аномалиями электропроводимости на поверхности Земли - значения выше 25% от фонового значения, а также изменения значений средней величины аномалий во времени более 25% за сутки от среднеарифметического значения замеренных аномалий.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расчетное определение величин аномалий, характеризующих наличие вертикальных зон напряженного-деформированного состояния среды, производят при следующих условиях: в гравитационной модели литосферы гравитационный эффект от границ земной коры исключается из наблюденного гравитационного поля, средние значения границы глубины залегания фундамента принимаются 6 км, а для поверхности Мохоровичича - 42,5 км, которые остаются неизменными при проведении гравитационного моделирования на любой территории, а расчетное определение плотности пород в пределах указанных зон производят непрерывно.