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透视地球的好帮手

——地球物理勘探技术扫描

2018-9-21 9:05:20 来源:中国矿业报 作者:李宗星 魏小洁 方欣欣

我们仰望星空,也渴望认识地球。如果说奇妙的科学世界好比一顶迷人的“皇冠”,那么太空探索与地球深部探索这两个领域则如同“皇冠上的明珠”。同太空探索一样,人类向地球深部进军,是为了扩大认知、获取资源、保障生存:一方面,出于对未知世界的好奇,我们需要开拓认知的边界;另一方面,地球是一个资源宝库,我们生存发展所需要的一切资源都来自地球,对地球深部进行认知,有助于保障我国的资源供给。

地球物理学是地球科学的主要学科之一,是通过定量的物理方法研究地球以及寻找地球内部矿藏资源的一门综合性学科,研究范围包括地壳、地幔、地核和大气层。简言之,地球物理学就是用物理的方法手段来探测地球。我们打一个形象的比喻:地球物理学就好比医学中给病人做X射线扫描,只是我们扫描的对象是地球这个庞然大物。地球物理方法着重于通过地面(物探)和地下(测井)的物理实验获取地下地层分布状态的图象和信息,从而达到获取内部信息的效果。

地球物理勘探现场

目前,地球物理勘探方法与技术主要包括以下几种:一是重力勘探。重力勘探指的是利用组成地壳的各种岩体、矿体间的密度差异所引起的地表重力加速度值的变化而进行地质勘探的一种方法,只要勘探地质体与其周围岩体有一定的密度差异,就可以用精密的重力测量仪器找出重力异常。然后,结合工作地区的地质和其他物探资料,对重力异常进行定性解释和定量解释,便可以推断覆盖层以下密度不同的矿体与岩层的埋藏情况,进而找出隐伏矿体存在的位置和地质构造情况。二是磁法勘探。磁法勘探指的是自然界的岩石和矿石具有不同磁性,可以产生各不相同的磁场,它使地球磁场在局部地区发生变化,出现地磁异常。利用仪器发现和研究这些磁异常,进而寻找磁性矿体和研究地质构造的方法。三是电法勘探。电法勘探指的是根据岩石和矿石电学性质的差异进行找矿和研究地质构造的一种地球物理勘探方法。它是通过仪器观测人工的、天然的电场或交变电磁场,并分析、解释这些场的特点和规律,从而达到找矿勘探的目的。四是地震勘探。地震勘探是利用人工激发的地震波,通过在地面布置测线,接收它的反射波,然后进行一些处理,从而来反映地下构造情况,并为寻找油气和其他勘探目的服务。五是放射性勘查。放射性勘查又称放射性测量或“伽玛法”。借助于地壳内天然放射性元素衰变放出的α、β、γ射线穿过物质时将产生游离、荧光等特殊物理现象的性质,利用专门的仪器测量这些射线的强度或其他地质问题的一种物探方法。放射性勘查也是寻找与放射性元素共生的稀有元素、稀土元素以及多金属元素矿床的辅助手段。放射性物探方法包括γ测量、辐射取样、γ测井、射气测量、径迹测量和物理分析等。六是测井。测井也叫地球物理测井,是利用岩层的电化学特性、导电特性、声学特性、放射性等地球物理特性,测量地球物理参数的方法,属于应用地球物理方法之一。石油钻井时,在钻到设计井深深度后都必须进行测井,又称完井电测,以获得各种石油地质及工程技术资料,作为完井和开发油田的原始资料,这种测井习惯上称为裸眼测井。而在油井下完套管后所进行的第二系列测井,习惯上称为生产测井或开发测井,生产测井的发展大体经历了模拟测井、数字测井、数控测井、成像测井四个阶段。七是地热勘探。地热资源勘查指的是为查明某一地区的地热资源而进行的地质、地球物理、地球化学综合调查以及钻探与试验、取样测试、动态监测等地质工作。根据勘查工作程度,可分为调查、预可行性勘查、可行性勘查和开采等阶段。

本文将以柴达木盆地石炭系油气勘探为例,重点介绍地球物理勘探在资源勘探方面的应用。

——在深部矿产资源探测中的应用。随着我国国民经济的快速发展,矿产资源需求急剧增大,为保障资源和能源的可持续发展,国家明确提出实施“立足国内,找矿增储”的资源保障战略,“向地下深部要资源”成为最主要的战略决策之一。地球物理探测技术作为“透视和照明”地球内部的主体手段,地下浅表所见的金属矿产资源,均是地球内部在地史时期深部物质与能量交换所致,不是近地表形成与堆积。矿物元素的分异、调整、运移和聚集受深部物质与能量交换和其物理-力学-化学过程制约,须涉及地球深处壳、幔介质与构造格局、运移行为、物质属性、物质状态和其空间展布深层动力过程。近年来,我国找矿勘探工作程度在不断加深,在地表浅部找到大型或超大型金属矿床的难度越来越大,而金属矿产资源短缺日益加剧。为缓解资源危机,须进行深部找矿勘探,地球物理勘探技术的发展与成效已使深部找矿成为可能,如大地电磁、天然地震等深度探测方法。

——在陆地石油勘探方面的应用。柴达木盆地石炭系是近年来的勘探热点,中国地质调查局近年来在柴达木盆地石炭系开展了大量研究,已有的资源调查结果显示,柴达木盆地石炭系油气资源潜力很大,是油气资源战略突破的新领域。然而,柴达木盆地山地地震难度很大,且柴东石炭系埋藏深度大,石炭系有利储层渗透率低,地层孔隙压力低,压裂液返排难度大等一系列问题,制约了早期油气勘探与开采。近年来,随着高原复杂山地高密度三维地震勘探技术的引入,以及“地应力与微地震联合”技术在地层压裂过程中的应用,有效指导了柴达木盆地石炭系有利区的勘探部署,可以预见,在不久的未来,柴达木盆地石炭系油气资源一旦进入到工业开采阶段,将大大推进西部经济形势好转!

——在海洋石油勘探方面的应用。海洋地球物理勘探所观测的有地球本身固有的地球物理场,如重力、磁力、热流和天然地震,也有用人工方法激发的地球物理场,如人工地震和电法等。由于海洋水体是运动的,上述观测必须采用一系列不同于陆地地球物理勘探的仪器和方法。海洋物探的工作原理和地面物探方法相同,但因工作场地是在海上,故对于仪器装备和工作方法都有特殊的要求,需使用装有特制的船弦重力仪、海洋核子旋进磁力仪、海洋地震检波器等仪器的勘探船进行工作,海洋勘探船还装有各种无线电导航、卫星导航定位等装备。海上地震勘探的地震记录仪安装在船上,地震数据采集全部在地震船上进行。

如果说地球物理勘探是一个杠杆,我们相信,聚焦地球深部,不断探索实践,人类终将可以撬动地球!□

(作者单位:自然资源部中国地质调查局地质力学所)

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