Методи петрофізичних досліджень

Петрофізика є областю досліджень фізичних властивостей гірських порід і руд із метою вивчення історії геологічного розвитку земної кори, геологічної будови окремих регіонів, пошуків і розвідки корисних копалин. Детальна петрофізична характеристика геологічних утворень, крім того, формує основу інтерпретації геофізичних полів і обумовлює більш інформативне рішення різноманітних задач. Петрофізика є стиковою областю знань, яка тісно пов’язана з фізикою речовини і петрологією. Основними задачами петрофізики є:

- вивчення і систематизація фізичних властивостей порід та мінералів, вивчення зв’язків між фізичними властивостями, складом і структурно-текстурними особливостями порід;

- оцінка впливу на фізичні властивості різноманітних геологічних, фізико-хімічних та термодинамічних чинників;

- оцінка впливу фізичних властивостей на перебіг геологічних процесів;

- використання даних щодо фізичних властивостей порід і їх зв’язків із складом та структурними особливостями як для інтерпретації геофізичних даних, так і для побудови речовинно-фізичних моделей геологічних об’єктів і процесів.

Безпосереднє використання петрофізичних методів при геологічній зйомці середніх і крупних масштабів дозволяє більш об’єктивно розділяти інтрузивні породи на комплекси і фації, метаморфічні й осадові породи - на серії і свити; проводити кореляцію одновікових утворень, а також виділяти перспективні ділянки для пошуків рудних родовищ, зони неоднорідностей, шари з підвищеними колекторськими властивостями тощо. Саме це обумовило існуючі в багатьох країнах світу (Фінляндія, Канада, Австралія тощо) рекомендації щодо обов’язкового проведення петрофізичних зйомок при виконанні регіональних геохімічних та геодинамічних досліджень.

Такий широкий перелік вирішуваних задач визначається залежністю фізичних властивостей від атомної будови речовин (будова і маса ядер, будова електронних оболонок), типу хімічного зв’язку, зміни складу середовища і термодинамічних умов утворення мінералів і порід. Як наслідок, дуже часто встановлюється високий рівень кореляції між фізичними властивостями і хімічним складом мінералів і гірських порід. Оскільки ж властиві даній породі (мінералу) величини фізичних параметрів формуються під час її утворення і можуть змінюватись в майбутньому, при зміні характеристик середовища. у багатьох випадках є можливим за фізичною характеристикою геологічних формацій відновити термодинамічний режим їх утворення. Водночас, фізичні властивості гірських порід у значній мірі визначають хід геологічних процесів - магматичних, метаморфічних, рудоутворення тощо. Так, густинна диференціація гірських порід земної кори і верхньої мантії обумовлює ряд тектонічних процесів, справляє суттєвий вплив на магматичну диференціацію порід, на характер і ступінь метаморфізму. Пружні властивості гірських порід відіграють значну роль у виникненні і розвитку різноманітних форм диз’юнктивних або плікативних порушень. Ємнісні властивості є визначальними для процесів масопереносу. Безсумнівною є залежність багатьох геологічних явищ від теплових властивостей утворень земної кори і верхньої мантії.

Досліджувані фізичні властивості гірських порід і мінералів (загалом нині вивчається майже 200 петрофізичних параметрів) можуть бути розділені на наступні основні групи:

1) група оптичних властивостей (досліджуються кристалооптичними методами, які є потужним інструментом мінералогії та петрографії, і нами не розглядаються);

2) група щільнісних властивостей об’єднує більше десяти параметрів, найбільш уживаними з яких є мінеральна густина (d), об’ємна густина (s_о), густина твердої фази (s_Т), густина газо- і водонасичених порід (s_ГН і s_ВН), структурна рихлість (w) та кристалохімічна щільність (h), коефіцієнти анізотропії густини (l_s) і мінеральної густини (l_d);

3) група ємнісних властивостей, до якої включається понад 30 параметрів, серед яких: коефіцієнти загальної (К_ПЗ), відкритої (К_ПВ), ефективної (К_ЕФ) і динамічної (К_Д) пористості, коефіцієнти водо-, нафто- і газонасиченості (К_вН, К_НН, К_ГН), коефіцієнт проникності (К_пр), коефіцієнти анізотропії пористості (l_П) і проникності (l_ПР), поровий склад, тріщинуватість тощо;

4) група теплофізичних властивостей, у складі якої вивчають переважно: масову (C_M) та об’ємну теплоємність (C_V), температуропровідність (a) і теплопровідність (l), залежності цих параметрів від температури, коефіцієнти анізотропії теплоємності, температуропровідності і теплопровідності (l_С, l_а і l_l);

5) група пружних властивостей, найуживанішими з яких є: швидкості поширення поздовжніх (V_P), поперечних (V_S) і релеєвських (V_R) хвиль, акустична жорсткість (g_V), коефіцієнт поглинання енергії пружних коливань (a_E), коефіцієнти анізотропії швидкостей поширення пружних хвиль і акустичної жорсткості (l_V і l_a), модуль Юнга (E), модуль зсуву (G), коефіцієнт Пуассона (n), модуль об’ємного розширення (К), залежності пружних параметрів від частоти;

6) група електричних властивостей, з яких найбільше значення мають: питомий електричний опір (r) і електрична провідність (g), діелектрична проникність (e), тангенс кута діелектричних втрат (tgd), природна (DU_ПС) і викликана поляризація (DU_ВП), поляризуємість (h), коефіцієнти електрохімічної активності (a) та поглинання електромагнітної енергії (K_ПОГ), тензори електричних параметрів та залежності електричних параметрів від частоти поля та температури середовища;

7) група магнітних властивостей. Із параметрів, що до неї належать, найчастіше використовуються: магнітна проникність (m) і магнітна сприйнятливість (æ), намагніченість - об’ємна (J), індуктивна (J_i), насичення (J_s), природна залишкова (J_n), термозалишкова (J_rt), орієнтаційна залишкова (J_ro), в’язка залишкова (J_rv), хімічна залишкова (J_rc), динамічна залишкова (J_rd), п’єзозалишкова (J_rp), залишкова насичення (J_rs); тензори магнітних параметрів, температура Кюрі (T_c), напруженість магнітного поля насичення (H_s), коерцитивна сила (H_c) і параметри коерцитивних спектрів (g_o і D_M), коефіцієнт розмагнічування (N) і фактор Кенігсбергера (Q), температурні залежності магнітних параметрів;

8) група радіоактивних властивостей включає, в першу чергу: потужність дози інтегрального гама-випромінювання (J_g або ЗР), вміст U(Ra), Th та K⁴⁰, а також їх дольовий вклад у величину сумарного гама-фону.

Петрофізика гірських порід, що виходять на сучасну поверхню земної кори, є основою для інтерпретації геофізичних даних при дослідженні фундаментів платформ, глибинної будови земної кори і мантії. Істотну роль в останньому випадку грає вивчення фізичних властивостей мінералів і гірських порід при високих тисках і температурах, що є причиною реконструктивних або деструктурних петрофізичних змін.