3. Геофизические методы исследования

3.1. Общие вопросы разведочной геофизики

Космос давно вошел в нашу жизнь и всем известно, что это не только сфера деятельности военных, но и средство мобильной связи и система глобального позиционирования (GPS). Благодаря спутникам, предсказывается погода, производится мониторинг состояния окружающей среды. Однако далеко не каждый житель Земли осознает, что космическая информация крайне важна и для геологии. Имеется в виду составление геологических карт как общегосударственной основы рационального природопользования. Ведется прогнозирование и поиск месторождений полезных ископаемых, включая стратегические (алмазы, золото и др.), осуществляется прогнозирование опасных экзодинамических процессов (обвалов, оползней, селей, землетрясений и др.). Использование космических данных в геологии началось с первых полетов в космос, первых фотографий Земли. Исследования нашей планеты из космоса названы дистанционным зондированием. Геологи еще задолго до освоения космоса стали использовать методы дистанционного зондирования в своей деятельности. Это была обработка данных аэрофотосъемки, которые позволяли быстро выделить геологические объекты, читаемые на снимках, сделанных с самолетов. Первым в этой области был академик А.Е. Ферсман, по инициативе которого в период с 1929 по 1935 гг. были проведены исследования по изучению природных ресурсов методами аэросъемки. Позднее, в начале второй половины прошлого века, на базе аэрометодов разработаны и внедрены в практику новые виды региональных исследований: групповая геологическая съемка, аэрофотогеологическое картирование и дополнительное геологическое изучение ранее заснятых площадей. С появлением изображений из космоса возможности геологических исследований значительно расширились. Активное изучение Земли из космоса привело к появлению в Интернете в открытом доступе большого количества дистанционных материалов различного разрешения и развитию программного обеспечения для их обработки [Корсаков А.К., Корчуганова Н.И. От курса «Дистанционные методы геологического картирования» к специализации «Космическая геология». //Изв. вузов. Геол. и разведка. -№ 5. -2012, с. 73-75.].

В качестве примера прогнозирования месторождений полезных ископаемых выступают имеющиеся в свободном доступе снимки Landsat. Вся обработка и построение интегральной прогнозной карты проводились в авторской (Д.Г.  Загубный) программе «Lineament». По снимкам рассчитывались, так называемые, моменты случайной величины. Для каждой точки отстраиваемой сетки момента из растра извлекался массив значений яркости каждого из каналов в области с заданным радиусом. По этим данным вычислялись значения моментов для каждого из каналов. Первый момент равен математическому ожиданию случайной величины и соответствует среднему значению. Второй момент равен дисперсии распределения и показывает разброс распределения вокруг среднего значения. Третий момент (коэффициент асимметрии) является числовой характеристикой симметрии распределения. Четвертый момент (коэффициент эксцесса) контролирует яркость выражения вершины распределения в окрестности среднего. Полученные сетки моментов нормализовались на среднюю величину и значения по разным каналам складывались. Всего на этом этапе по двум растрам было рассчитано 96 сеток для диаметров 2.5, 5 и 10 км. В качестве объектов для построения прогнозной карты использованы месторождения, проявления и пункты минерализации, взятые из «Карты полезных ископаемых м-ба 1:500 000» составленной ВСЕГЕИ в 2008 г. Месторождения, проявления и пункты минерализации были разделены по группам полезных ископаемых. Всего было выделено 11 групп. Для них была проведена оценка информативности рассчитанных сеток моментов. Для определения коэффициента корреляции рассчитывались проценты попадания точек объекта и точек сетки признака в выбранный интервал. Так как при стандартных значениях коэффициента корреляции и процента попадания точек объекта в информативный интервал поля признака количество найденных корреляций невелико, то эти значения были уменьшены до 1,7 и 60, соответственно. По найденным корреляциям рассчитывались суммарные прогнозные сетки. При этом исходные сетки, имеющие корреляцию с максимальными значениями, прибавлялись к итоговой сетке, имеющие корреляцию с минимальными значениями, вычитались из нее, а сетки, имеющие интервальную корреляцию, не учитывались. Сходство полученных прогнозных сеток для некоторых групп полезных ископаемых позволяет путем их сложения построить интегральную карту прогноза [Загубный Д.Г. Методика обработки космических снимков при прогнозировании месторождений полезных ископаемых (на примере северной части Урала). //10 Международная конференция «Новые идеи в науках о Земле», Москва, 12-15 апр., 2011. Доклады. -М. -2011. С. 197.].

Дешифрирование космических снимков Ольхонского района Западного Прибайкалья иллюстрирует отражение различных деталей складчатых структур, их замки, иногда позволяют расшифровать многоэтапные конструкции складка-в-складке. Уверенно дешифрируются различные детали строения бластомилонитовых швов, составляющих каркас раннепалеозойской коллизионной системы. С точностью, которую невозможно достигнуть без использования дистанционных материалов, картографируются суперсложные, причудливые контуры протрузивных тел мраморного меланжа и вообще любых выходов карбонатных пород. Распознается огромное количество ориентировок гнейсовидности и сланцеватости, во многих случаях удается определить и наклон этих текстур (это важно еще и потому, что зачастую замеры наклонов гнейсовидности в реальных обнажениях оказываются бесполезными: они искажены в результате процессов, сопровождающих морозное выветривание и так называемый «морозный забой»). Космические снимки представляют собой объективный «слепок» площадей мигматизации, обнаруживают то или иное их насыщение лейкократовым материалом, мощность таких зон, их реальную конфигурацию в плане. Ошибка в нанесении на карту любых контуров, обнаруживаемых на космических снимках со сверхвысоким разрешением, не превышает 1-2 м - невиданный результат, незнакомый геологическим съемкам без применения тяжелой техники и соответствующих крупных затрат. Абсолютные по своей надежности данные получают при дешифрировании гранитных жил - на подобных снимках видны мельчайшие изменения конфигурации таких жил в плане, что позволяет уверенно оценивать кинематику их формирования. Показательны в этом отношении гранитные жилы сдвиговых зон и зон купольного тектогенеза, обладающие близкими составами, но различными структурными рисунками. И те, и другие являются синметаморфическими, сочетаются в пространстве. Невероятно предполагать, что удалось бы разобраться с вопросами генезиса таких жил без использования дистанционного материала, а тем более закартировать генетически различные гранитные тела, вычленить их из паутины жильных полей. Интересной оказывается структурная информация по телам базитов и гипербазитов, доступная на космических изображениях. Не всегда (но и не так уже редко) удается наблюдать структуры роллинга, вихревые структуры, сопровождавшие сдвиговые деформации с участием небольших и крупных массивов пород основного состава. Обнаружить такие структурные рисунки без применения снимков со сверхвысоким разрешением вряд ли возможно, но, даже увидев их на космическом снимке, трудно поверить в их существование - настолько динамичны, стремительны и картографируемые в плане вихревые фигуры [Федоровский В.С. Масштабы структур, разпознаваемых на космических снимках сверхвысокого разрешения (коллизионная система Западного Прибайкалья). //Геодинамическая эволюция литосферы Центрально-Азиатского подвижного пояса (от океана к континенту). Материалы научного совещания по интеграционным программам Отделения наук о Земле Сибирского отделения РАН, Иркутск, 14-18 окт., 2008. -Иркутск. -2008. С. 142-143.].

Для повышения эффективности использования дистанционных данных в практике регионального металлогенического прогноза необходимо усовершенствование методики их обработки. Решение этой проблемы возможно, в том числе, редуцированием субъективного фактора. При дистанционном исследовании рудоносных гидротермальных систем, связанных с полями трещиноватости, накопление субъективных искажений происходит при первичной обработке изображения, его дешифрировании, дальнейшем анализе выделенных структурных элементов и обнаружении геологических обстановок, благоприятных для развития оруденения. Для устранения влияния восприятия исследователя на результат оценки, функции первичной обработки дистанционных изображений, их распознавания, параметризации и классификации потенциально перспективных площадей можно возложить на компьютерную программу. В настоящее время в прогнозных геологических исследованиях применяются специализированные программные продукты линеаментного анализа, использование которых, однако, сопряжено с рядом особенностей. Эти программы недешевы, узко специализированы, кроме того, пользователь, как правило, сильно ограничен в выборе и настройке алгоритмов распознавания. Такое обстоятельство может стать причиной затруднения в интерпретации карты линеаментов, получаемой в результате использования программы. Кроме того, не следует забывать, что природа линеаментов дистанционного изображения различна и может не иметь прямой связи с геологическими структурами и рудоносностью. В ряде случаев, необходимость выделения линеаментов продиктована, скорее, традициями в методике геологического исследования. Такой традиционный подход требует описывать сложные узоры, которые образуют в дистанционном изображении разрывные нарушения, совокупностью прямых линий - линеаментов различного порядка. «Линеаментный редукционизм», иногда, вероятно, оправданный, накладывает ограничения на объективность исследования, его воспроизводимость, а равно и достоверность получаемых результатов. С.Л. Шевырев предложил использовать принципиально отличающийся подход к дистанционному изучению геологических объектов. В основе его исследования лежит представление о продуктивной гидротермальной системе - участке земной коры, обладающей такими свойствами трещинной перколяционной структуры, которая позволяет рудоносным флюидам мигрировать, а при наличии благоприятных условий формировать промышленно значимые рудные скопления. Гидротермальная флюидопроводящая система является геологической диссипативной структурой (в теории Пригожина И.Р.), а, следовательно, обладает структурными параметрами организации, которые могут быть количественно учтены [Шевырев С.Л. О методике прогнозного изучения рудных полей анализом данных радарной интерферометрической съемки в Matlab (на примере террейнов ВСАВПП). /Вопросы геологии и комплексного освоения природных ресурсов Восточной Азии. 2 Всероссийская научная конференция, Благовещенск, 15-16 окт., 2012. -Благовещенск (Амур. обл.). -2012. С. 43-46.].

В последние годы в мировой практике отмечается увеличение доли аэрогеофизических методов в комплексе поисковых работ на нефть и газ. Это обстоятельство обусловлено в первую очередь новым этапом развития аэрогеофизических технологий. Сегодня аэрогеофизики располагают современной высокоточной измерительной техникой и новейшими системами геофизической и геологической интерпретации получаемых данных. Существенно расширен сам комплекс аэрометодов с включением в него метода лазерного зондирования. Одной из наиболее перспективных технологий прямых геохимических методов является дистанционная газовая геохимическая съемка, осуществляемая при помощи авиационного лазерного зондирования [Меткин ДМ. Экономическая оценка инновационных методов дистанционного поиска месторождений углеводородов. //Проблемы и механизмы инновационного развития минерально-сырьевого комплекса России. Международная научно-практическая конференция, Санкт-Петербург, 30-31 мая, 2012: Сборник научных трудов. -СПб. -2012. С. 204-207.: ил.].

На современном этапе в рудной геологии применение геолого-геофизических методов усложняется за счет поиска месторождений не выходящих на поверхность современного эрозионного среза. В исследование вовлекаются территории с глубинами до кристаллического фундамента один километр и свыше. Происходит переход к более широкому применению глубинного геологического картирования для изучения погребенного складчатого (кристаллического) фундамента и отдельных толщ внутри осадочного чехла. Так, например, на западной территории Пермского края представляет интерес покровный осадочный комплекс, на восточной - складчатый комплекс, представленный осадочными, вулканогенными, метаморфическими породами с присутствием интрузивных тел и кора выветривания. В осадочном покрове древних платформ (Восточно-Европейская и Сибирская) выделяют пять рудоносных эпох: рифей-раннекембрийская, среднепалеозойская (средний девон - ранний карбон), раннемезозойская (поздний триас - средняя юра), позднемезозойская (пограничные века раннего и позднего мела), позднепалеогеновая. В связи с этим актуальны данные сейсморазведки и бурения. Это служит основанием постановки современных высокоточных гравиметрических и магнитных наблюдений, комплексирования гравиразведки и магниторазведки с другими геолого-геофизическиим методами и бурением на территории нахождения (или прогноза) рудных объектов - районов, узлов, зон и месторождений [Чадаев М.С. Развитие научного направления «Высокоточная гравиразведка и магниторазведка в минерагении». //Стратегия и процессы освоения георесурсов. -2012. -№ 10, с. 141-142.].

Безусловно, ключевую роль в современной геофизике играет аппаратура и оборудование, ориентированные на цифровые методы получения и обработки информации. Анализ состояния аппаратурно-методической базы геофизических работ на твердые полезные ископаемые в виде обзора на семи страницах выполнен группой авторов, к которым отсылается читатель. Они отмечают отставание технологического обеспечения отечественных геофизических работ от передовых стран и считают необходимым технико-технологическое перевооружение геологической отрасли на базе современных отечественных разработок. Ими сформулированы предложения по ликвидации зависимости российского рынка услуг от иностранных производителей в области обеспеченности предприятий геофизическими приборами. [Шиманский В.В., Мац Н.А., Ронин А.Л., Савицкий А.П. Состояние и перспективы геофизического аппаратурно-методического обеспеченья поисков твердых полезных ископаемых в России. //Разведка и охрана недр. -2012. -№ 9, с. 105-112.]

Каждому, кто познакомится с последними данными ежегодного статистического анализа Мировой энергетики, выпускаемых компанией ВР, станет очевидно, что ресурсов нефти и газа на нашей планете хватит еще на несколько десятилетий. Справедливо, однако, и то, что значительную часть этих ресурсов еще требуется обнаружить: будет ли это сделано благодаря новым открытиям, за счет наращивания ресурсной базы для уже сделанных открытий или повышения степени извлечения углеводородов из пластов на уже разрабатываемых в настоящее время месторождениях, или, даже, путем возрождения законсервированных в настоящее время месторождений. Поиск углеводородов в будущем приведет нас к необходимости проведения работ в более труднодоступных районах и в более сложных геологических условиях, освоение более трудных для разработки коллекторов и, до тех пор, пока мы не возьмем на вооружение «разумные» и интеллектуальные технологии - к гораздо более высоким затратам на их поиски. «Ноу-хау», включая интеллектуальное применение тех или иных технологий - вот ключевое направление развития нефтегазовой отрасли. Хотя отрасль часто воспринимается как достаточно консервативная структура, тем не менее, она дала рождение и довела до совершенства целый ряд воистину преобразующих идей и технологий. Разведочная геофизика должна отойти от аналоговых технологий, перейти к цифровым, исключить применение взрывных источников, заменив их пневмоисточниками и вибраторами, осуществить повсеместный переход от 2D-сейсмических съемок к 3D-съемкам. [Bamford D. Совместное использование гравиметрического метода и более дешевой 3D-сейсморазведки. //Нефтегаз. технол. -2012. -№ 6, с. 25-26.].

Интенсивные геологоразведочные исследования, которые проводились в Советском Союзе, и вакханалия в деле добычи полезных ископаемых в настоящее время привели к исчерпанию лимита приповерхностных месторождений. Поэтому обнаружение новых месторождений связываются с геологическим изучением в более сложных условиях и на больших глубинах с использованием новых технологий, ориентированных на сверх эффективные поисковые критерии и новые методы получения и обработки фактических геолого-геофизических материалов. Поэтому важным и актуальным направлением ГРР являются работы по переоценке минерально-сырьевого потенциала ранее открытых рудных районов и перспективных геологических структур с позиций новых теоретических предпосылок на формирование рудных объектов. Одним из перспективных направлений подобных исследований является использование методических приемов, основанных на поэтапной системной генерализации геолого-геофизических материалов от мелко- до крупномасштабных. Алгоритмическая и интерпретационная составляющие исследований направлены на прогнозирование крупных рудных объектов на основе геолого-геофизического моделирования по материалам разноранговых и разномасштабных комплексных ретроспективных геофизических, радиогеохимических, геологических материалов. Системная генерализация геолого-геофизической информации от мелко- до крупномасштабной, включающая создание цифровых разноуровневых моделей геоданных, содержательную их обработку, моделирование и пересмотр результатов интерпретации ретроспективных материалов, позволила на региональном и среднемасштабном этапах осуществить пространственно-геометрическую увязку структурно-тектонических элементов, определяющих положение Олекминской тектономагматической системы и ее сателлитов, с рудными объектами Торгойской площади. Проведенное геолого-геофизическое моделирование на основе специализированных алгоритмов и авторского программно-математического обеспечения с использованием многомерного регрессионного, компонентного, кластерного анализов представленных материалов позволили значительно повысить коэффициент использования геофизической информации и достоверность прогнозных построений. Полученная информация о размещении разноглубинных очагов возможного рудообразования, рудоконтролирующих, флюидораспределяющих структур и зон позволила расширить существующие пространственные границы Мурунского рудного района и детализировать с разной степенью достоверности отдельные геологические блоки. Построенные разноглубинные геолого-геофизические модели дают веские основания для пересмотра перспектив рудоносности Торгойской площади и ее рудного потенциала на золотоурановое оруденение [Карпузов А.Ф., Лаубенбах Е.А., Приезжев И.И., Царук И.И. Системные исследования геофизических полей при прогнозировании рудных объектов. //Разведка и охрана недр. -2012. -№ 12, с. 25-29.].

Для геологов и любителей природы давно знакомо понятие «геологический памятник», под которым «обычно имеют в виду необычные скалы, живописные береговые обрывы и пещеры». Особенности геологического строения этих неординарных или, наоборот, типичных в своем роде объектов играют значительную роль в познании природы. Вместе с тем человек в процессе своей эволюции всегда находился и находится под действием физических полей Земли (гравитационного, магнитного, радиоактивного, теплового и др.) и соответственно в некотором условном равновесии с этими полями. Между материальной геологической средой и геофизическими полями существует лишь одно принципиальное различие. Если объекты первой поддаются визуальному восприятию, то вторые, существуя столь же объективно, могут фиксироваться и изучаться только при помощи специальной регистрирующей аппаратуры. Некоторые из аномалий геофизических полей по своим характеристикам и природе могут быть типичными или же проявляются в виде «аномалий-феноменов» экзотической или даже необъяснимой на современном этапе исследований природы, поэтому вполне заслуживают придания им статуса геологического памятника в качестве отдельного «геофизического» типа. В качестве примера С.Г. Бычков приводит описание некоторых неординарных по своим характеристикам и геологической природе геофизических аномалий, расположенных на территории Пермского края и заслуживающих отнесение их к категории геолого-геофизических феноменов [Бычков С.Г. Геофизические феномены на территории Пермского края. //Стратегия и процессы освоения георесурсов. -2012. -№ 10, с. 109-111.].

.