О технике и методике геофизической разведки в Канаде
А.И. БОГДАНОВ
В конце 1957 г. В.В. Федынский и автор настоящей статьи принимали участие в работе XI сессии Генеральной Ассамблеи Международного союза геодезии и геофизики, проходившей в Канаде.
Во время этой поездки мы посетили некоторые фирмы, проводящие геофизические разведочные работы на территории Канады, а также выставку геодезической и геофизической аппаратуры, организованную руководством Союза в период работы Ассамблеи. На основании этих посещений ниже приводится весьма краткая характеристика состояния техники и отчасти методики геофизических методов разведки в Канаде.
Гравиметрия
Основными приборами, используемыми для гравиметровой сьемки в Канаде, являются гравиметры Уордена, а также Лакоста и Ромберга, изготовляемые в США. Гравиметр последнего типа демонстрировался одним из его авторов (Лакоста) на выставке в г. Торонто. Он основан на использовании пружины нулевой длины и имеет компенсационный отсчет при приведении системы к нулю подъемным рычагом. В приборе имеется устройство для гашения микросейсм. Прибор очень стабилен. Смещение нуля обычно менее 0,5 мгл в месяц. Влияние дрейфа практически отсутствует. Прибор термостатирован. Питание термостата осуществляется от аккумулятора напряжением 6-12 в. Мощность потребляемого тока около 6 вт. Диапазон измерения равен 250 мгл. Точность измерения 0,01 мгл. Вес прибора около 12 кг.
На основе этого прибора фирмой создан гравиметр геодезического типа, гравиметр для измерения приливных вариаций и подводный гравиметр. Последний имеет дополнительное устройство для гашения микросейсм, возбуждаемых волнением воды или колебанием илистых грунтов дна, что делает возможным проведение наблюдений с гравиметром на мелководьи и при сравнительно сильном волнении. Основной особенностью приливного гравиметра является электронная приставка, исключающая смещение нуля прибора более 0,5 мкгл в час и влияние микросейсм, что позволяет получить точность наблюдений около 1,5 мкгл. Работа прибора и регистрация его показаний на бумаге (перописцем) полностью автоматизированы. Питание всех узлов прибора производится от сети переменного тока. На случай выключения тока в сети имеются запасные батареи для поддержания термостатирования.
Ганс Лундберг демонстрировал нам внешний вид построенного его фирмой по патенту американского инженера Бойднотта аэроградиентометра для качественного измерения изменения вертикального градиента ускорения силы тяжести. Он основан на регистрации в процессе полета самолета изменений расстояния между расположенными вертикально на расстоянии 10 см одна над другой двумя массами при изменении вертикального градиента силы тяжести. Лундберг показывал опубликованные им ранее результаты опробования аэрогравиметровой съемки на ряде известных рудных объектов и выявленных ранее нефтеносных структурах. Эти результаты свидетельствуют о хорошем качественном соответствии данных наземных и воздушных гравиметровых съемок.
Внешне аэроградиентометр имеет форму куба с ребрами около 20 см. Термостатирование отсутствует. Внутри прибора создан вакуум порядка 1-2 мм рт. ст. Рабочая система подвешена внутри прибора в гироскопически стабилизированном кардановом подвесе. Рабочая система принудительно приводится в состояние вибрации с частотой около 20 гц, по-видимому, для устранения вредного влияния трения в узлах измерительных весов. По сообщению Г. Лундберга фирмой было построено шесть таких приборов, из которых четыре осенью 1957 г. применялись на воздушных съемках. Следует отметить, что очень многие канадские и американские геофизики и гравиметристы весьма скептически относятся к идее аэрогравиметровой съемки и к возможностям практического ее использования в ближайшие годы.
Магнитометрия
Аэромагнитные съемки на территории Канады проводят преимущественно с Т-аэромагнитометрами типа Голф (США). Фирма Лундберга производит аэромагнитную съемку с Z-аэромагнитометром собственной конструкции, в котором чувствительный элемент подвешен на гироскопически стабилизированном кардановом подвесе.
Доминион обсерваторией в г. Оттава построен трехкомпонентный аэромагнитометр, состоящий из трех взаимно перпендикулярных, магнитонасыщенных датчиков, установленных на гироскопической платформе. Прибор автоматически регистрирует усредненные значения трех составляющих (X, У, Z) полного вектора магнитного поля через каждые 5 мин. с точностью ±20 гамм.
Для наземной магнитной съемки используют преимущественно Z-магнитометры фирмы Аскания Верке и Радар, представляющие собой легкую магнитную систему, подвешенную на нитях, при помощи поворота которых система приводится при замере в горизонтальное положение. Отсчет берут по показаниям микрометренного винта. Используемый способ измерения устраняет необходимость ориентировки прибора по азимуту.
Канадской фирмой Шарп разработан очень легкий компактный переносный Z-магнитометр, содержащий самоустанавливающийся в вертикальном положении чувствительный элемент. Прибор подвешивают на груди наблюдателя. Измерение ведут по принципу компенсации поля при помощи изменения тока в компенсационных катушках. Прибор очень удобен при наблюдениях в зимнее время, на воде, в заболоченных районах и т.п.
Сейсморазведка
В 1957 г. в Канаде поисками и подготовкой структур к глубокому разведочному бурению на нефть и газ занималось более 100 сейсморазведочных партий, проводивших работы преимущественно методом отраженных волн. Большинство этих работ осуществляли американские (США) специализированные компании по договорам с нефтедобывающими фирмами.
Летом сейсморазведочные работы проводят преимущественно в южных, хорошо обжитых и легко проходимых районах, а зимой - в северных, заболоченных и труднопроходимых в летнее время областях. Таким образом, сейсмические партии занимаются полевыми работами примерно 10 месяцев в году.
В южных районах страны сейсмические профили прокладывают по дорогам, разграничивающим фермерские участки и образующим геометрически правильную прямоугольную сеть 4х4 км. Это позволяет использовать дороги для транспортировки оборудования. Взрывные скважины бурят на обочинах дорог, в кюветах. На обочинах же устанавливают сейсмоприемники.
Бурение взрывных скважин ведут специализированные буровые, субподрядные фирмы. Для удобства бурения скважин в кюветах легкий самоходный роторный станок оборудован легким мостиком на двух колесах, который транспортируется станком и опускается в кювет перпендикулярно полотну дороги. Станок заезжает на мостик и бурит скважину в кювете, не мешая движению транспорта по дороге. Станку придается автоцистерна с вакуумным набором воды. Цистерна же перевозит легкий металлический отстойник, устанавливаемый в процессе бурения скважины у ее устья. Вследствие этого подготовка к бурению, процесс бурения и транспортировка оборудования на следующую точку осуществляются весьма быстро.
Работу на сейсмическом профиле ведут методикой непрерывного профилирования, методом центральной установки. Полевой отряд имеет один автовзрывпункт. Для производства взрывов используют патронированный динамит, заключенный в картонные обоймы цилиндрической формы. Специальные электродетонаторы с металлическим корпусом имеют двойной звонковый провод длиной 30-50 м, служащий взрывной и моментной магистралями. Заряд в скважину опускают при помощи легких алюминиевых шестов с замковыми соединениями. Сейсмостанцию и взрывной пункт размещают в центре установки на безопасном расстоянии от взрывной скважины. Заряд подрывается взрывником с подножки сейсмостанции по звуковой команде оператора.
Сейсмостанцию обслуживает смоточная машина, имеющая бункер для шлангового многожильного сейсмографного кабеля, обнесенный металлической сеткой. Два небольших колеса с полуспущенными резиновыми шинами и с приводом от электромотора легко транспортируют в бункер или выбрасывают из него шланговый кабель в процессе движения смоточной машины по профилю.
При работе с 24- и 26-канальной станцией партия имеет три полукосы с 12-13 парами проводов и 12-13 ошлангованными выводами для подключения групп сейсмоприемников в каждой. Оба конца каждой из полукос снабжены вилками для подключения к входным каналам сейсмостанций. Для каждой из полукос имеется по 12-13 комплектов групп сейсмоприемников.
Пока сейсмостанция работает с одной установкой, состоящей из двух полукос, персонал смоточной машины разматывает и устанавливает группы сейсмоприемников третьей полукосы, готовя тем самым следующую установку. Закончив регистрацию волн на предыдущей установке, сейсмостанция и взрывной пункт переезжают к следующему пункту взрыва.
Смоточная же машина демонтирует отработанную полукосу предыдущей установки и подготовляет новую. Таким образом, перестановка полукос и групп сейсмоприемников вдоль профиля ведется конвейерным способом, вследствие чего почти полностью устраняются так называемые внутрисменные простои сейсмостанций из-за неподготовленности взрывных скважин и установок сейсмоприемников вдоль профиля. Четкая организация работ на профиле обеспечивает высокую производительность работ, достигающую 10-12, а иногда и 20 физических точек в день.
Полевая партия, которую нам удалось посетить, вела работу с малогабаритными электродинамическими сейсмоприемниками, имеющими штыковые выступы на основании для осуществления контакта с почвой. Работа велась методом группирования по восемь сейсмоприемников на канал. Взрывы регистрировали при помощи широкополосных усилителей параллельно и одновременно на обычный осциллограф и на магнитный диск диаметром около 60 см.
На каждый магнитный диск регистрируют четыре взрыва. После визуального изучения записи каждого взрыва производится его перезапись с магнитного диска на осциллографе с введением необходимой степени фильтрации, смешения и регулировки по амплитуде, для того чтобы получить высококачественную сейсмограмму, пригодную для визуальной обработки. Таких сейсмограмм обычно получают две, одна из которых поступает на обработку в камеральное бюро партии, а вторая - в камеральное бюро фирмы для независимой обработки.
Камеральная обработка сейсмограмм обычно весьма упрощенная. С сейсмограмм в пунктах взрыва снимают времена Т0 прихода одноименных фаз отраженных волн, хорошо коррелирующихся по площади. Эти времена приводят к одной плоскости и откладывают в одном вертикальном масштабе под пунктами взрывов. По равенству времен прихода волн во взаимные точки отождествляют одноименные горизонты и соответствующие им времена прихода под пунктами взрывов соединяют плавными линиями. В результате получают временные разрезы, отображающие характер залегания отражающих границ раздела сред. По совокупности временных разрезов строят карты равных времен пробега отраженных волн для непрерывно прослеживающихся отражающих горизонтов, которые являются аналогами структурных карт по соответствующим горизонтам. От временных разрезов и карт легко перейти к обычным сейсмическим разрезам и структурным картам, если известен закон изменения средней скорости упругих волн по вертикали и по площади. Этот переход может быть сделан в любое время для различных стадий изучения скоростных характеристик разреза. Временные же разрезы и карты от этой степени изученности не зависят и являются неизменным исходным материалом для таких переходов.
Результаты независимой обработки материалов в партии и в бюро фирмы сопоставляют по окончании полевых работ. Если они не имеют принципиальных расхождений, по ним составляют краткую записку о результатах работ, которая и является отчетом о работе партии. Вследствие этого потери времени на камеральный период в партиях США и Канады практически отсутствуют.
С конца 1956 г. в США и Канаде для построения сейсмических разрезов начали применять машины, основанные на временной трансформации сейсмограмм метода отраженных волн, полученных при работе центральными установками методикой непрерывного профилирования. Мы имели возможность бегло ознакомиться с работой таких машин двух типов.
Исходные для работы машин сейсмограммы метода отраженных волн регистрируют в поле или перезаписывают в лаборатории с магнитной записи на фотопленку методом переменной интенсивности или переменной площади. В качестве иллюстрации на рис. 1 приведена фотография сейсмограммы, записанной на фотопленке методом переменной интенсивности. Машина копирует эту запись на фотобумагу поканально, вводя при этом в каждый канал при помощи перфорационных карт или оптических компарирующих устройств поправку за рельеф дневной поверхности, за зону малой скорости и приводя запись каждого канала особым механизмом к условиям центрального прибора установки. В результате введения всех этих поправок на фотобумаге получают участок временного сейсмического разреза в пределах обрабатываемой сейсмограммы. Обрабатывая последовательно ряд соседних сейсмограмм, получают сейсмический разрез данного профиля (рис. 2). Непрерывные отражающие горизонты на таких разрезах прослеживаются в виде темных или светлых линий, обычно начиная с времен около 0,3 сек. На рис. 2 видно, что мелкие отражающие горизонты залегают почти горизонтально, а глубокие обрисовывают широкую пологую складку с почти плоской вершиной и сравнительно крутыми крыльями.
Обработка сейсмограммы с введением всех поправок полностью автоматизирована и занимает всего лишь несколько минут. Поэтому одна машина может обслужить несколько партий. Таких машин изготовлено пока лишь 5-8. Предполагается, однако, в ближайшие годы большую часть сейсмических партий переключить на механическую обработку сейсмограмм.
Из других технических средств в области сейсморазведки необходимо отметить следующие.
1. Использование для записи осциллограмм электрических перописцев и бумаги с графитизированной подложкой, обеспечивающих очень четкую тонкую черную запись на белом фоне.
2. Применение компактного прибора для проверки параметров и идентичности электродинамических сейсмоприемников по схеме, аналогичной схеме А.А. Дацкевича, основанной на использовании первого и второго электромеханических резонансов.
3. Изучение скоростной характеристики разреза ультразвуковым двухприборным зондом с импульсным датчиком и с регистрацией его показаний фотографическим путем внутри скважинного снаряда. Точность отсчета моментов времени достигает 0,0001 сек.
4. Использование низкочастотных сейсмоприемников для глубинных сейсмических зондирований с радиопередачей их показаний на пункт регистрации. Включение питания в радиопередатчики осуществляется при помощи часовых механизмов в наперед заданное время.
5. Применение портативной одноканальной аппаратуры для работы по методу первых вступлений при решении инженерно-геологических задач. Возбуждение упругих волн ведется при помощи кувалды. Времена пробега волны от источника до приемника отсчитывают путем суммирования числа миллисекунд, показываемых набором лампочек, загорающихся после удара.
6. Использование счетных электронных приборов для определения элементов залегания отражающих площадок при работе методикой крестовых пространственных зондирований. Вычисление элементов залегания ведется по заданному аналитическому закону изменения скорости с глубиной. Один такой прибор обслуживает ряд партий, ведущих работы в тектонически сложно построенных районах.
В США и Канаде широко применяют методику массового группирования сейсмоприемников и магнитную запись с последующим ее группированием и суммированием (вариант РНП). Метод воздушных взрывов и группирование взрывов используют реже. Метод накопления не получил широкого распространения. Американские геофизики по-прежнему встречают большие трудности при сейсморазведке пологих структур, при проведении работ в условиях неглубокого залегания жестких пород, при выделении кратных отражений среди обычных.
Электроразведка
Электроразведочные методы в Канаде используют преимущественно для рудной разведки. Разработкой и усовершенствованием аэроэлектроразведочных методов занимается фирма Г. Лундберга и компания Хантинг. Компания Хантинг проводит электроразведку в комплексе с аэромагнитной съемкой. Горизонтальную треугольную петлю из изолированного медного провода с большим числом витков, создающую первичное электромагнитное поле, крепят между крыльями и хвостом двухмоторной летающей лодки «Каталина». Здесь же монтируют малую вертикальную петлю для компенсации вторичного поля, создаваемого корпусом самолета. Горизонтальная петля питается переменным током частотой 400 и 2300 гц. Приемную катушку монтируют в гондоле, которая на кабеле длиной около 150 м буксируется за самолетом на 50-100 м ниже его.
Нормальная высота полета составляет 150 м, что позволяет довести глубину исследования до нескольких десятков метров.
В процессе полета при помощи аппаратуры, расположенной в самолете, ведется непрерывная регистрация на двух частотах углов (в градусах) между векторами первичного и суммарного поля. Наиболее интересными электроразведочными аномалиями для, постановки проверочных работ считаются те, которые совпадают со сравнительно слабо интенсивными магнитными аномалиями и характеризуются наибольшим отношением углов, замеренных при низких (400 гц) и высоких (2300 гц) частотах. Наиболее достоверные результаты получаются при проведении работ в благоприятных поверхностных геологических условиях (отсутствие пересеченного рельефа, однородное строение пород, вмещающих рудные тела, отсутствие болот, рек, озер и других увлажненных и хорошо проводящих участков, создающих ложные аномалии).
Для повышения разрешающей способности метода фирма Хантинг с 1956 г. начала проводить электромагнитную съемку при помощи легких двухместных вертолетов, транспортирующих на кабеле гондолу длиной 7 м, которая несет излучающую и приемную катушки. При помощи вертолета гондолу удается буксировать на высоте порядка 30 м над дневной поверхностью. При этом виде съемки регистрируют не только угол сдвига фаз, но и интенсивность вторичного поля, на которую поверхностные неоднородности и увлажненные участки оказывают меньшее влияние, чем на фазовую характеристику поля.
Ганс Лундберг, являющийся пионером аэроэлектроразведки в варианте метода индукции, сейчас считает наиболее эффективным метод заземленного кабеля. Кабель длиной до 10-12 км раскладывают вблизи предполагаемых рудных тел в направлении их простирания, заземляют в двух конечных точках и питают переменным током частотой 800 гц. Самолет с приемной рамкой совершает полет по линиям, перпендикулярным кабелю на высоте 60-90 м. Регистрируя интенсивность горизонтальной составляющей суммарного поля и исключая из нее интенсивность горизонтальной составляющей нормального первичного поля, по мнению Г. Лундберга, удается уверенно выявлять и коррелировать аномалии, созданные рудными объектами. Он считает, что при этом виде съемки глубинность исследования в ряде случаев превышает 100 м.
Из наземных электроразведочных приборов для рудной разведки фирмами Хантинг и Шарп на выставке демонстрировались аппаратура метода индукции и аппаратура для электромагнитных исследований рудных скважин.
Комплект аппаратуры для метода индукции фирмы Шарп состоит из генератора переменного тока, пульта управления, генераторной рамки на треноге и приемной рамки с усилителем и телефоном. Вся аппаратура может переноситься на плечах двумя рабочими.
Генераторная рамка площадью 0,36 м2 имеет 50 витков провода, ее можно устанавливать либо в вертикальном, либо в горизонтальном положении. Питается рамка переменным током через пульт управления от генератора частотой 1000 гц, работающего от бензинового двигателя.
Приемная рамка диаметром 22 см имеет несколько сот витков проволоки. На ее держателе смонтирован усилитель с регулятором усиления и частоты настройки, питаемый сухими элементами, и устройство для отсчета угла наклона рамки относительно горизонта.
Выходная мощность генератора около 500 вт. Ток в генераторной рамке 13-15 а. Максимально допустимое расстояние между рамками при работе около 400 м.
Комплект аппаратуры, применяемый в рудных скважинах, предназначен для выявления хорошо проводящих сульфидных рудных тел, находящихся в окрестности скважины, но не вскрытых ею. Он состоит из генератора переменного тока с пультом управления такого же типа, как для метода индукции, двух спаренных катушек для размотки петли у устья скважины, двух приемных катушек, находящихся в скважинном снаряде, портативной лебедки с кабелем и измерительной схемы.
Катушки с проводом дают возможность создать одновитковую квадратную петлю с центром на устьи скважины и со стороной квадрата около 400 м, либо четырехвитковую петлю с углом на устьи скважины и со стороной квадрата около 100 м. Путем установки четырехвитковой петли в четырех положениях относительно устья скважины удается определить ориентировочное пространственное положение рудного тела относительно ствола скважины.
Приемная часть комплекта аппаратуры состоит из двух одинаковых приемных катушек (зондов), заключенных в герметичный корпус. К катушкам присоединяют кабель, на котором их опускают в скважину. Каждая катушка включает несколько тысяч витков провода, намотанных на бакелитовую трубку с железным сердечником внутри. В корпусе каждой катушки вмонтирован каскад предварительного усиления, собранный на полупроводниках. Длина каждого зонда 65 см и внешний диаметр 2,5 см.
Зонды присоединяют к двухжильному кабелю длиной 300 м, наружным диаметром 8 мм, намотанному на лебедку с трехроликовым блок-балансом и счетчиком глубин.
Напряжение с приемной катушки, усиленное предварительным каскадом, подается на усилитель (с коэффициентами усиления 10 и 20), смонтированный на раме лебедки. На выходе усилителя имеется микроамперметр со шкалой 100 мка. Усилитель питается сухими 1,5-в и 45-в батареями.
Создав переменное поле в одновитковой питающей петле, опускают в скважину зонд, состоящий из одной катушки, и замеряют силу тока в ней при различных глубинах погружения зонда. Строят кривую зависимости силы тока от глубины. В случае нахождения вблизи скважины хорошо проводящего рудного тела сила тока на соответствующей глубине увеличивается. Для уточнения глубины залегания верхней и нижней кромки рудного тела и положения его относительно ствола скважины на поверхности размещают четырехвитковые петли и в скважину опускают два зонда, включенные на разность э. д. с. при расстоянии между ними 15 м. Рудное тело находится в том квадрате, при расположении петли в котором дифференциальная кривая тока будет наиболее четко выражена.
По сообщению фирмы, этот метод входит в комплекс каротажа рудных скважин и уверенно выявляет рудные тела в радиусе до 90 м от исследуемой скважины.
Аэрорадиометрическая съемка
Разработкой техники и методики, а также проведением аэрорадиометрических съемок для геологического картирования и поисков полезных ископаемых в Канаде занимаются фирмы Хантинг и Лундберга. Эти съемки проводятся ими в комплексе с другими видами аэрогеофизических съемок на тех же самолетах, где монтируется аппаратура магнитного, электромагнитного, а в фирме Лундберга и гравиметрического каналов.
В аппаратуре для аэрорадиометрической съемки применяют высокочувствительные сцинтилляционные счетчики с большими кристаллами йодистого натрия. Балансированный выход фотоумножителей позволяет получать достоверные, с хорошей повторимостью кривые γ-активности с интенсивностью до 3000-5000 имп/сек. Аппаратура дает возможность регистрировать у-излучения по группам энергий от 1,5 Мэв и ниже до 4 Мэв и выше. Однако обычно ведется регистрация суммарной γ-активности и отдельно регистрируется кривая γ-излучений повышенных энергий для выявления местонахождения урановых руд.
При поисках месторождений радиоактивных руд съемку проводят на минимально возможных высотах. Для этого используют небольшие самолеты с низкой посадочной и полетной скоростью и маленькие двухместные вертолеты.
В тех случаях, когда радиоактивный канал работает параллельно с магнитным и электромагнитным, съемку ведут на той же высоте, что и для магнитного канала. Для решения задач геологического картирования оптимальной считается высота полета 60-100 м при расстоянии между линиями полета, в два раза превышающем высоту.
При проведении радиоактивных съемок считается важным правильно подобрать постоянную времени интегрирующей схемы и обеспечить сохранение высоты полета над дневной поверхностью. С этой целью в процессе съемки непрерывно регистрируют высоту полета при помощи радиоальтиметра и абсолютную высоту полета при помощи барометрического альтиметра. При съемках с самолетов, обладающих повышенными скоростями (160-240 км/час), производится фотопривязка результатов наблюдений к дневной поверхности.
По данным радиоактивных съемок достаточно четко оконтуриваются гранитные интрузии и нефелиновые сиениты, картируются глинистые сланцы, а также в ряде случаев фосфаты и бокситы.
Ганс Лундберг в беседе с нами и в ряде своих статей отмечал большие перспективы применения метода аэрорадиометрической съемки для поисков нефтегазоносных структур. Он указывал, что над нефтеносными структурами должна наблюдаться минимальная интенсивность γ-излучения, а контуры залежей должны отмечаться зонами повышенной интенсивности. Однако в действительности наблюдаемое распределение по площади интенсивности γ-излучения часто осложнено влиянием поверхностного рельефа, рек и озер, явлениями дренажа, заболоченностью и т. п.
Судить по данным радиометрической съемки о наличии нефтегазоносных залежей можно лишь по аномалиям, не искаженным влиянием всех этих факторов.
Из бесед с работниками американских и канадских нефтяных фирм можно было сделать заключение, что радиометрический метод для поисков нефтяных и газовых месторождений широкого промышленного применения не получил вследствие неоднозначности даваемой картины и невозможности полного учета поверхностных факторов, сильно снижающих его геологическую эффективность.
Главгеология РСФСР
