Геофизические методы разведки

Кратко о главном

Каждый метод видит контраст одного свойства: гравиразведка — плотности, магниторазведка — намагниченности (магнитной восприимчивости и остаточной намагниченности), сейсморазведка — упругих свойств и акустического импеданса, электроразведка — электрического сопротивления. Нет контраста — нет аномалии.
Аномалии силы тяжести малы: 1 мГал $= 10^{-5}$ м/с², около миллионной доли ускорения свободного падения. Перед интерпретацией из измерений убирают нормальное поле Земли (оно зависит от широты), влияние высоты пункта (0,3086 мГал/м) и притяжение промежуточного слоя (0,0419 мГал/м на каждый 1 г/см³).
Над шаром аномалия наибольшая над центром, $\Delta g_{max} = GM/z^2$ , и вдвое меньше на расстоянии $x_{1/2} \approx 0{,}766\,z$ . Ширина аномалии даёт глубину, амплитуда вместе с глубиной — массу; размер тела и контраст плотности по отдельности не определить.
Осадочные породы намагничены слабо, поэтому магнитные аномалии в бассейнах создаёт в основном фундамент: чем он глубже, тем аномалии шире и слабее. Отсюда карты глубины фундамента и толщины чехла — с точностью в десятки процентов.
Сейсморазведка измеряет время, а не глубину: в каждом слое $z = Vt/2$ . Быстрая соль «поднимает» на временном разрезе всё, что под ней; глубины получают только по скоростной модели, увязанной со скважинами.
Решение по геофизическим полям неоднозначно, поэтому методы комплексируют: дешёвые региональные съёмки показывают, где ставить сейсморазведку, сейсмика — где бурить, а скважины уточняют плотности и скорости для всех моделей.

Ключевые соотношения

\Delta g(x) = \dfrac{G M z}{(x^2 + z^2)^{3/2}}

аномалия силы тяжести над шаром с аномальной массой $M = \tfrac43\pi a^3\Delta\rho$ и центром на глубине $z$

z \approx 1{,}305\,x_{1/2}

глубина центра шара по полуширине аномалии; кровля тела любой формы с той же аномалией не глубже

\Delta g_\text{сл} = 0{,}04194\,\rho\,h

притяжение плоского слоя, мГал: $\rho$ — г/см³, $h$ — м

z = \sum_i \dfrac{V_i\,t_i}{2}

глубина по двойному времени пробега $t_i$ в слоях с пластовыми скоростями $V_i$

Где чаще всего ошибаются

Путать миллигал с галом: 1 мГал $= 10^{-3}$ Гал $= 10^{-5}$ м/с². Ошибка в знаке показателя ( $10^3$ вместо $10^{-3}$ ) делает аномалию купола в миллион раз больше — больше поля всей Земли.
Принимать глубину по правилу полуширины за глубину кровли: это глубина центра шара; кровля реального тела мельче.
Читать временной разрез как глубинный: под солью и там, где скорость резко меняется вдоль профиля, структуры во времени бывают ложными.
Брать для плотностной модели кажущуюся плотность соли с плотностного каротажа (2,03 г/см³) вместо истинной (около 2,16).

После урока вы сможете

назвать для гравиразведки, магниторазведки, сейсморазведки и электроразведки физическое свойство пород, которое создаёт аномалию, и объяснить, почему без контраста этого свойства метод «слеп»;
рассчитать аномалию силы тяжести тела, приближённого шаром, — профиль, наибольшее значение в миллигалах, полуширину — и по полуширине оценить глубину центра тела, а по амплитуде — недостающую или избыточную массу;
объяснить, зачем вводят поправки за широту, высоту пункта, промежуточный слой и рельеф, и почему высоты гравиметрических пунктов нужны с точностью около 10 см;
объяснить, как по ширине магнитных аномалий оценивают глубину фундамента и почему эта оценка приблизительна;
пересчитать двойное время пробега отражённой волны в глубину по скоростям слоёв и показать, как быстрая соль искажает временной разрез;
сравнить наземные, морские, воздушные и спутниковые съёмки и объяснить, почему одна аномалия допускает много объяснений и методы комплексируют.

Зачем нефтянику геофизика

Скважина диаметром 20 см вскрывает разрез в одной точке, а ловушка занимает десятки квадратных километров. Керн и каротаж дают подробные сведения о породах, но только у ствола; между скважинами строение приходится достраивать (Структурные карты: данные и построение изолиний). Геофизика измеряет физические поля над всей площадью — и между скважинами, и там, где их ещё нет.

Её основа — простое наблюдение: породы различаются физическими свойствами, и тело с иными свойствами меняет поле вокруг себя. Лёгкая соль чуть ослабляет притяжение над собой, намагниченная интрузия добавляет поле к магнитному полю Земли, граница пород с разной упругостью отражает упругие волны, пласт с нефтью хуже соседних проводит ток. Поле измеряют там, куда можно добраться, — на земле, в воздухе, на море, в скважине — и по его изменениям судят о том, что внизу.

Рассчитать поле заданного тела — прямая задача (forward problem); она решается однозначно. Найти тело по измеренному полю — обратная задача (inverse problem), и у неё обычно много решений: одно и то же поле могут создать тела разной формы, размера и глубины. Поэтому интерпретатор всегда держит в уме модель — геологически разумный набор тел — и проверяет её всеми доступными данными (раздел о неоднозначности).

Методы разведочной геофизики

Метод: Гравиразведка
Свойство пород: плотность $\rho$
Что измеряют: силу тяжести, мГал
Главные задачи: соль, рифы, рельеф фундамента, границы бассейнов

Метод: Магниторазведка
Свойство пород: намагниченность: восприимчивость $\kappa$ и остаточная
Что измеряют: индукцию магнитного поля, нТл
Главные задачи: глубина фундамента, разломы, вулканические породы

Метод: Сейсморазведка
Свойство пород: упругие свойства: скорость $V$ и импеданс $\rho V$
Что измеряют: время прихода и амплитуды упругих волн
Главные задачи: форма горизонтов, ловушки, разломы, иногда флюиды

Метод: Электроразведка
Свойство пород: удельное сопротивление $R$
Что измеряют: электрические и магнитные поля
Главные задачи: толщина проводящего чехла, соль, иногда насыщение

Метод	Свойство пород	Что измеряют	Главные задачи
Гравиразведка	плотность $\rho$	силу тяжести, мГал	соль, рифы, рельеф фундамента, границы бассейнов
Магниторазведка	намагниченность: восприимчивость $\kappa$ и остаточная	индукцию магнитного поля, нТл	глубина фундамента, разломы, вулканические породы
Сейсморазведка	упругие свойства: скорость $V$ и импеданс $\rho V$	время прихода и амплитуды упругих волн	форма горизонтов, ловушки, разломы, иногда флюиды
Электроразведка	удельное сопротивление $R$	электрические и магнитные поля	толщина проводящего чехла, соль, иногда насыщение

Сейсморазведка — главный метод поисков и разведки; остальные дешевле на квадратный километр, быстрее покрывают большие площади и помогают там, где сейсмике трудно.

СхемаКаждый метод откликается на своё тело (схема). Соль легче вмещающих осадков — над ней минимум силы тяжести; интрузия в фундаменте намагничена — над ней максимум магнитного поля, более широкий, потому что источник глубже; упругая волна отражается от границ слоёв; залежь у стенки соли выделяется высоким сопротивлением. Формы кривых — по формулам урока, масштабы условные.

Региональное строение: границы бассейна, глубина фундамента и толщина осадочного чехла, крупные разломы — с этого начинают поиски (Тектоника плит и осадочные бассейны, Нефтяная система и концепция плея).
Ловушки: своды, соляные купола, рифы, блоки между разломами (Ловушки и время их формирования); по ним закладывают поисковые скважины.
Залежь: её форма и размеры, разломы и блоки внутри неё, протяжённость водоносной части — исходные данные для подсчёта запасов и проекта разработки.
Флюиды — иногда: аномалии амплитуды отражений над газом, повышенное сопротивление над залежью; при разработке повторные сейсмические съёмки показывают, как движутся флюиды (сейсморазведка 4D).

Пассивные и активные методы

Гравиразведка и магниторазведка измеряют естественные поля Земли — это пассивные методы. Сейсморазведка и большинство методов электроразведки создают сигнал сами: взрывом, вибратором, током в линии или петле, — это активные методы, как и большинство методов каротажа (пассивные и активные методы в скважине). Магнитотеллурическое зондирование — пассивный метод электроразведки: оно использует естественные колебания электромагнитного поля Земли.

Что видит каждый метод: физические свойства пород

Плотность (density, $\rho$ ) породы складывается из плотности минералов и флюида в порах (плотности минералов). Осадки при погружении уплотняются, теряют воду и тяжелеют — от 2,0 г/см³ у поверхности до 2,4–2,6 на глубине нескольких километров (тренд уплотнения). Каменная соль не уплотняется, её плотность около 2,16 г/см³ на любой глубине: в верхних сотнях метров она тяжелее молодых осадков, глубже — легче (почему течёт соль). Гравиразведка чувствует не саму плотность, а её контраст $\Delta\rho$ — разницу между телом и вмещающими породами.

Намагниченность (magnetization) породы складывается из двух частей. Индуцированная (induced) возникает в нынешнем поле Земли и пропорциональна ему; коэффициент пропорциональности — магнитная восприимчивость $\kappa$ (magnetic susceptibility), в СИ безразмерная. Её почти целиком задаёт содержание магнетита Fe₃O₄. Остаточная (remanent) намагниченность закреплена в породе при её образовании — например, когда остывал базальт — и может быть направлена иначе, чем нынешнее поле (остаточная намагниченность). Отношение остаточной намагниченности к индуцированной называют отношением Кёнигсбергера $Q$ ; при $Q > 1$ преобладает остаточная. Нагретый выше точки Кюри — около 580 °C — магнетит теряет намагниченность, поэтому источники магнитных аномалий лежат над этой изотермой, в коре.

Упругие свойства задают скорость упругих волн: она растёт с жёсткостью породы и падает с её плотностью (формулы скоростей), а в пористых породах зависит ещё от пористости и флюида (Акустический каротаж). Отражения возникают там, где меняется произведение плотности на скорость — акустический импеданс $\rho V$ ; как от контраста импедансов зависит сила отражения, разобрано в теме Сейсмические волны, акустический импеданс и отражения.

Удельное электрическое сопротивление (resistivity) $R$ породы задаёт вода в порах: скелет и углеводороды ток почти не проводят, рассол проводит хорошо (сопротивление пород, Уравнение Арчи и насыщенность чистых коллекторов). Поэтому глины и водоносные пласты — проводники, а соль, ангидрит, плотные карбонаты, кристаллический фундамент и пласты с нефтью и газом — изоляторы. Здесь, как и в уроках о каротаже, сопротивление обозначено $R$ , а буква $\rho$ оставлена плотности.

Ориентировочные физические свойства пород

Порода: Глины, аргиллиты
$\rho$ , г/см³: 2,0–2,6
$V_p$ , км/с: 2,0–4,3
$R$ , Ом·м: 0,5–10
$\kappa$ , $10^{-3}$ СИ: 0,01–15

Порода: Песчаники
$\rho$ , г/см³: 2,0–2,6
$V_p$ , км/с: 2–5
$R$ , Ом·м: 0,2–10; с нефтью выше
$\kappa$ , $10^{-3}$ СИ: 0–20

Порода: Известняки, доломиты
$\rho$ , г/см³: 2,3–2,87
$V_p$ , км/с: 3,5–7
$R$ , Ом·м: 0,2–10; плотные — от $10^3$
$\kappa$ , $10^{-3}$ СИ: 0–3

Порода: Каменная соль
$\rho$ , г/см³: 2,16
$V_p$ , км/с: 4,5
$R$ , Ом·м: больше $10^3$
$\kappa$ , $10^{-3}$ СИ: около −0,01

Порода: Ангидрит
$\rho$ , г/см³: 2,96–2,98
$V_p$ , км/с: 6,1
$R$ , Ом·м: больше $10^3$
$\kappa$ , $10^{-3}$ СИ: около 0

Порода: Граниты, гнейсы
$\rho$ , г/см³: 2,6–2,7
$V_p$ , км/с: 5,8–6,1
$R$ , Ом·м: $10^3$ – $10^4$
$\kappa$ , $10^{-3}$ СИ: 0–50

Порода	$\rho$ , г/см³	$V_p$ , км/с	$R$ , Ом·м	$\kappa$ , $10^{-3}$ СИ
Глины, аргиллиты	2,0–2,6	2,0–4,3	0,5–10	0,01–15
Песчаники	2,0–2,6	2–5	0,2–10; с нефтью выше	0–20
Известняки, доломиты	2,3–2,87	3,5–7	0,2–10; плотные — от $10^3$	0–3
Каменная соль	2,16	4,5	больше $10^3$	около −0,01
Ангидрит	2,96–2,98	6,1	больше $10^3$	около 0
Граниты, гнейсы	2,6–2,7	5,8–6,1	$10^3$ – $10^4$	0–50

Порядки величин для ориентира: плотности минералов и скорости в плотных породах — как в уроках о минералах и об акустическом каротаже, остальное — по справочным сводкам свойств пород. Пористые породы и глины на глубине плотнее и быстрее, чем у поверхности. Восприимчивость осадочных пород обычно меньше $10^{-3}$ ед. СИ, а большие значения дают зёрна магнетита; каменная соль слабо диамагнитна (отрицательная восприимчивость). Сильнее всего намагничены основные и ультраосновные магматические породы — базальты, габбро, перидотиты, — до 0,1–0,2 ед. СИ.

Гравиразведка: аномалия над погребённым телом

Ускорение свободного падения у поверхности Земли — около 9,78 м/с² на экваторе и 9,83 м/с² на полюсах. Геологические тела меняют его на ничтожные доли, поэтому в гравиразведке пользуются малой единицей: 1 гал (Гал, Gal; в честь Галилея) $= 1$ см/с², 1 миллигал (мГал, mGal) $= 10^{-3}$ Гал $= 10^{-5}$ м/с² $= 10$ мкм/с². Миллигал — около миллионной доли полного ускорения, а аномалии, интересные для разведки, — обычно единицы и десятки миллигал.

Гравиметр (gravimeter) — по сути очень чувствительные пружинные весы: груз на пружине, и измеряют, насколько изменилось её растяжение от пункта к пункту. Такой прибор относительный: он показывает разность силы тяжести между пунктами, а отсчёт повторяет с точностью до тысячных долей миллигала. Показания медленно «уплывают» (дрейф прибора), а лунно-солнечные приливы меняют силу тяжести в пределах примерно 0,3 мГал. Поэтому съёмку ведут петлями, возвращаясь на опорный пункт, и вычитают дрейф и приливы. Опорную сеть привязывают к абсолютным гравиметрам, в которых отражатель свободно падает в вакуумной камере.

Тело с избытком или недостатком массы $M$ добавляет к притяжению Земли своё — положительное или отрицательное. Гравиметр выставлен по отвесу и измеряет вертикальную составляющую силы тяжести, поэтому аномалия силы тяжести (gravity anomaly) — это вертикальная составляющая притяжения аномальной массы. Проще всего её рассчитать для шара: снаружи однородный шар притягивает так, как если бы вся его масса была собрана в центре.

Аномалия силы тяжести над шаром (точечной массой)

\Delta g(x) = \frac{G M z}{(x^2 + z^2)^{3/2}}, \qquad M = \tfrac{4}{3}\pi a^3\,\Delta\rho

где:

$\Delta g(x)$ аномалия на расстоянии $x$ от точки над центром шара; значение в м/с², умноженное на $10^5$ , даёт миллигалы, м/с²
$G$ гравитационная постоянная, $6{,}6743\cdot10^{-11}$ , м³/(кг·с²)
$M$ аномальная масса тела — избыточная (положительная) или недостающая (отрицательная), кг
$z$ глубина центра шара под линией наблюдений, м
$x$ расстояние по горизонтали от точки над центром, м
$a$ радиус шара, м
$\Delta\rho$ контраст плотности тела и вмещающих пород; у соли среди уплотнённых осадков отрицательный, кг/м³

Единицы: СИ; 1 мГал $= 10^{-5}$ м/с²

Справедливо, если

тело — однородный шар или любое сферически симметричное тело: снаружи его поле равно полю точечной массы в центре;
вмещающие породы однородны по горизонтали, а влияние остального — глубоких толщ, рельефа фундамента — уже вычтено как региональный фон;
наблюдения отнесены к горизонтальной поверхности поправками за высоту и рельеф (следующий раздел);
измеряется вертикальная составляющая; горизонтальные составляющие обычный гравиметр не чувствует.

Аномалия наибольшая над центром, $\Delta g_{max} = GM/z^2$ , и убывает с удалением: при $x = z$ она уже в $2^{3/2} \approx 2{,}83$ раза меньше. Форма кривой зависит только от глубины, масса лишь растягивает её по вертикали. Знак аномалии совпадает со знаком контраста: над солью среди более плотных пород — минимум, над плотным телом — максимум.

Полуширина аномалии и глубина центра шара

x_{1/2} = z\sqrt{2^{2/3} - 1} \approx 0{,}7664\,z, \qquad z \approx 1{,}305\,x_{1/2}

где:

$x_{1/2}$ полуширина аномалии: расстояние от точки экстремума до точки, где аномалия вдвое меньше, м
$z$ глубина центра шара, м

Единицы: любые одинаковые единицы длины

Справедливо, если

тело — шар (точечная масса), аномалия изолирована: региональный фон вычтен правильно;
для других форм множитель другой: у длинного горизонтального цилиндра (тела, вытянутого вдоль простирания) $x_{1/2} = z$ , у тонкого вертикального столба, уходящего на большую глубину, — $x_{1/2} = \sqrt3\,z$ , где $z$ — глубина его верха.

Ширина аномалии говорит о глубине, а не о размере тела: чем глубже источник, тем шире и слабее аномалия. Любое тело можно представить набором точечных масс; масса, разнесённая по горизонтали, даёт более широкую аномалию, чем собранная в одну точку, поэтому, чтобы аномалия оставалась такой же узкой, хотя бы часть массы должна лежать не глубже центра шара. Значит, кровля тела любой формы, создающего такую аномалию, лежит не глубже центра шара (если контраст плотности во всём теле одного знака), и глубину по этому правилу считают предельной (limiting depth) — оценкой глубины кровли сверху.

РасчётРасчётная аномалия над соляным куполом из примера ниже — шаром радиусом 2 км с центром на глубине 3 км (сплошная линия) — и над тем же куполом, опущенным вдвое глубже (штриховая). Точки — полуширина: при вдвое большей глубине аномалия вдвое шире и вчетверо слабее.

Расчётный примерАномалия силы тяжести над соляным куполом

Исходные данные (условные)

Купол приближаем шаром: радиус $a = 2{,}0$ км, центр на глубине $z = 3{,}0$ км: кровля на 1 км, низ — на 5 км
Плотность соли: 2,16 г/см³, как в уроке о складках и диапирах
Вмещающие осадки: уплотняются с глубиной по тренду того же урока: на 1 км соль легче их на 0,10 г/см³, на 5 км — на 0,44 г/см³
Средний по объёму шара контраст $\Delta\rho$: −0,33 г/см³, то есть −330 кг/м³

Решение

Объём шара: $V = \tfrac43\pi a^3 = 3{,}351\cdot10^{10}$ м³ при $a = 2000$ м.
Недостающая масса $M = V\Delta\rho$ : $3{,}351\cdot10^{10}\cdot(-330)$ , то есть $-1{,}106\cdot10^{13}$ кг — около 11,1 млрд т.
Аномалия над центром $\Delta g_{max} = GM/z^2$ : умножаем $6{,}6743\cdot10^{-11}$ на $-1{,}106\cdot10^{13}$ и делим на $3000^2$ — получаем $-8{,}20\cdot10^{-5}$ м/с², то есть −8,20 мГал.
Полуширина: $x_{1/2} = 0{,}7664\cdot 3{,}0 = 2{,}30$ км. При $x = 3$ км, то есть при $x = z$ , аномалия в $2^{3/2}$ раза меньше: −2,90 мГал; при 6 км — −0,73, при 10 км — −0,19 мГал.
Обратный ход — глубина центра по полуширине: $z = 1{,}305\cdot 2{,}30 = 3{,}00$ км.

Ответ: Купол даёт минимум силы тяжести около −8,20 мГал; аномалия убывает вдвое в 2,30 км от центра и почти исчезает в 10 км.

Что это значит. Аномалия в несколько миллигал хорошо видна: гравиметр замечает тысячные доли миллигала, точность съёмки с поправками — сотые. Но это лишь миллионные доли силы тяжести, а поправки за высоту и широту легко достигают десятков миллигал, поэтому их вводят очень тщательно. Ширина аномалии — около 4,6 км между точками половинного значения — задана глубиной, а не размером купола: шар любого радиуса с центром на 3 км дал бы ту же ширину, а тот же купол вдвое глубже — аномалию вдвое шире и вчетверо слабее (рисунок выше). Модель упрощена. Контраст на деле растёт с глубиной — от −0,10 у кровли до −0,44 у низа, — большая часть недостающей массы приходится на нижнюю половину шара, и реальная аномалия получится несколько слабее и шире рассчитанной, а глубина по её полуширине — больше 3 км. Ножка купола и материнский слой соли добавят широкий минимум, который при обработке относят к региональному фону. Данные примера условные.

В разведке задача обратная: аномалия измерена, тело неизвестно. Полуширина даёт глубину центра для принятой формы тела, амплитуда вместе с глубиной — аномальную массу $M = \Delta g_{max} z^2/G$ . Но радиус и контраст плотности входят в массу только произведением $a^3\Delta\rho$ , и по одной аномалии их не разделить.

Расчётный примерГлубина и масса купола по измеренной аномалии

Исходные данные (условные)

Локальная аномалия над другим куполом (региональный фон вычтен): минимум −11,5 мГал
Полуширина аномалии $x_{1/2}$: 2,9 км
Контраст плотности соли и вмещающих пород по данным соседней скважины: −0,30 г/см³; для проверки — −0,20 г/см³

Решение

Глубина центра, если купол — шар: $z = x_{1/2}/0{,}7664$ , то есть $2900/0{,}7664 = 3784$ м. Кровля любого тела с такой аномалией — не глубже 3,78 км.
Недостающая масса $M = \Delta g_{max} z^2/G$ : произведение $11{,}5\cdot10^{-5}\cdot 3784^2$ делим на $6{,}6743\cdot10^{-11}$ и получаем 2,467·10¹³ кг.
Радиус шара при $\Delta\rho = -0{,}30$ г/см³, то есть $-300$ кг/м³: $a =\sqrt[3]{3|M|/(4\pi|\Delta\rho|)} = 2698$ м; кровля на глубине $3784 - 2698 = 1086$ м.
При $\Delta\rho = -0{,}20$ г/см³ ( $-200$ кг/м³) шар больше: $a = 3088$ м, кровля на 696 м.
Если купол — не шар, а шток, уходящий вниз к материнской соли, модель тонкого вертикального столба по той же полуширине даёт глубину его верха $z = x_{1/2}/\sqrt3 = 1674$ м. Но амплитуда эту модель отвергает: такому штоку нужна недостающая масса $\lambda = |\Delta g_{max}|\,z/G$ , то есть $2{,}88\cdot10^9$ кг на каждый метр длины, и при контрасте −0,30 г/см³ (−300 кг/м³) его радиус $r =\sqrt{\lambda/(\pi|\Delta\rho|)}$ — около 1750 м, больше глубины верха. Это уже не тонкий столб, а аномалия такого толстого штока была бы заметно шире измеренной.

Ответ: Кровля соли — не глубже 3,78 км (на этой глубине был бы центр шара), недостающая масса — около 2,467·10¹³ кг. Если купол близок к шару, кровля лежит на 0,70 км при контрасте −0,20 г/см³ и на 1,09 км при −0,30 г/см³; модель тонкого штока с амплитудой не согласуется.

Что это значит. Гравиразведка уверенно говорит, что купол есть, где он находится в плане и сколько ему недостаёт массы, но глубину кровли знает лишь приблизительно: даже у шара она сдвигается на 390 м при переходе от −0,20 к −0,30 г/см³, а контраст и форму тела по одной аномалии не различить. Пробная модель должна объяснять и ширину, и амплитуду аномалии при реальном контрасте плотности — так отпала модель тонкого штока. Поэтому гравиметрическую модель ограничивают другими данными: контраст берут по плотностному каротажу ближайших скважин, форму — по сейсмическим разрезам, кровлю — по скважине, если она прошла рядом. Обратное тоже полезно: если тело соли, построенное по сейсмике, даёт расчётную аномалию, заметно отличную от измеренной, интерпретацию пересматривают. Данные примера условные.

Купол с «шапкой»

Над неглубокими куполами картина сложнее. В верхних сотнях метров молодые осадки легче соли (в тренде урока о складках — примерно до 530 м), и там соль даёт не недостаток, а избыток массы; на глубине, где плотности равны, соль в поле силы тяжести почти «невидима». Кроме того, при растворении верхушки купола у кровли остаётся плотная «шляпа» — кепрок (cap rock) из ангидрита, гипса, кальцита, — и над сводом на широком минимуме появляется небольшой максимум. Поэтому неглубокие купола моделируют с плотностью, меняющейся по глубине, а не с одним контрастом.

От отсчёта гравиметра к аномалии Буге

Гравиметр показывает полную силу тяжести в пункте, и геология в ней — малая добавка к трём большим, но для разведки «пустым» частям. Первая — нормальное поле Земли: из-за вращения и сплюснутости планеты сила тяжести растёт от экватора к полюсам. Вторая — высота пункта: чем дальше от центра Земли, тем слабее притяжение. Третья — породы между пунктом и уровнем приведения, обычно уровнем моря: холм добавляет массу под прибором. Их вычитают, и остаётся аномалия — отклонение от того, что дала бы Земля без плотностных неоднородностей.

Нормальная сила тяжести на эллипсоиде

g_\text{н}(\varphi) = 978\,032{,}7\,\bigl(1 + 0{,}0053024\sin^2\varphi - 0{,}0000058\sin^2 2\varphi\bigr)

где:

$g_\text{н}$ нормальная сила тяжести на поверхности земного эллипсоида, мГал
$\varphi$ географическая широта пункта, °

Единицы: мГал

Справедливо, если

приближённая запись нормального поля для эллипсоида Геодезической референцной системы 1980 года (GRS80), принятого в геодезии;
поправку вычисляют по широте каждого пункта.

От экватора (978 032,7 мГал) к полюсу (983 218,6 мГал) нормальная сила тяжести растёт почти на 5,2 Гал. На широтах Казахстана, от 41 до 55° с. ш., она растёт примерно на 0,77–0,81 мГал на каждый километр к северу — на профиле длиной в несколько километров это миллигалы — столько же, сколько даёт небольшая структура.

Аномалия Буге

\Delta g_\text{Б} = g - g_\text{н}(\varphi) + 0{,}3086\,h - 0{,}04194\,\rho\,h + \delta g_\text{р}

где:

$\Delta g_\text{Б}$ аномалия Буге в пункте, мГал
$g$ наблюдённая сила тяжести, исправленная за приливы и дрейф прибора, мГал
$g_\text{н}(\varphi)$ нормальная сила тяжести на широте пункта, мГал
$h$ высота пункта над уровнем приведения (обычно над уровнем моря), м
$\rho$ плотность промежуточного слоя — пород между пунктом и уровнем приведения, г/см³
$\delta g_\text{р}$ поправка за рельеф (terrain correction), мГал

Единицы: мГал; $h$ — м, $\rho$ — г/см³

Справедливо, если

0,3086 мГал/м — средний нормальный вертикальный градиент: на столько убывает сила тяжести при подъёме на 1 м (поправка за свободный воздух, или поправка Фая, free-air correction);
$0{,}04194\,\rho h$ — притяжение бесконечного плоского слоя толщиной $h$ , то есть $2\pi G\rho h$ в миллигалах при плотности в г/см³ (поправка за промежуточный слой, или поправка Буге, Bouguer correction);
поправка за рельеф учитывает, чем местность вокруг пункта отличается от плоского слоя; на суше она положительна и для холмов выше пункта, и для впадин ниже него;
для пункта ниже уровня приведения $h$ отрицательна; на море и в воздухе поправки другие, а на движущемся судне или самолёте добавляют поправку Этвёша (Eötvös correction) за движение.

Если ограничиться поправкой за высоту, получится аномалия в свободном воздухе (free-air anomaly; аномалия Фая, или аномалия в редукции Фая). С поправками за промежуточный слой и рельеф — аномалия Буге (Bouguer anomaly; полное название — аномалия силы тяжести в редукции Буге): в ней остаётся влияние только тех плотностных неоднородностей, что лежат ниже уровня приведения, поэтому на суше по ней ведут разведку.

Расчётный примерПоправки за высоту на холмистом профиле

Исходные данные (условные)

Пункты A и B на одной широте (профиль вдоль параллели): высоты 112,0 и 168,5 м
Наблюдённая разность силы тяжести $g_B - g_A$: −10,20 мГал после поправок за приливы и дрейф
Плотность промежуточного слоя: 2,30 г/см³ (приповерхностные осадки); для сравнения — 2,67 г/см³
Рельеф вокруг пунктов: пологий, поправкой за рельеф пренебрегаем

Решение

Разность высот: $\Delta h = 168{,}5 - 112{,}0 = 56{,}5$ м; нормальное поле в пунктах одинаково — они на одной широте.
Поправка за свободный воздух: $0{,}3086\cdot 56{,}5 = 17{,}44$ мГал — столько гравиметр «недобрал» в B из-за высоты; её прибавляют.
Поправка за промежуточный слой: $0{,}04194\cdot 2{,}30\cdot 56{,}5 = 5{,}45$ мГал — притяжение лишнего слоя пород под B; её вычитают.
Разность аномалий Буге: к −10,20 мГал прибавляем 17,44 и вычитаем 5,45 — получаем 1,79 мГал.
С плотностью 2,67 г/см³ слой даёт 6,33 мГал, и разность аномалий — 0,91 мГал.
Чувствительность к высоте: слой даёт $0{,}04194\cdot 2{,}30 = 0{,}0965$ мГал на метр, вместе с поправкой за свободный воздух — $0{,}3086 - 0{,}0965 = 0{,}212$ мГал на метр.

Ответ: Хотя в пункте B гравиметр показал на 10,20 мГал меньше, аномалия Буге там на 1,79 мГал больше, чем в A: весь наблюдённый перепад, и даже с избытком, дала разница высот.

Что это значит. Поправки здесь больше самой аномалии, и от них зависит всё. Ошибка высоты в 1 м даёт 0,212 мГал, поэтому, чтобы удержать погрешность в пределах 0,02 мГал, высоты пунктов нужны с точностью около 10 см; их определяют спутниковыми приёмниками и нивелированием. Заметно влияет и плотность промежуточного слоя: при 2,67 г/см³ разность аномалий вдвое меньше. Плотность подбирают так, чтобы аномалия не повторяла рельеф (способ Неттлтона): если на всех холмах выходят максимумы, а в долинах минимумы, принятая плотность занижена. Данные примера условные.

Аномалия Буге содержит влияние всех масс под уровнем приведения — от соляных куполов до рельефа фундамента и границы Мохо. Широкие плавные изменения от глубоких источников называют региональным фоном (regional), узкие от неглубоких тел — локальными аномалиями (residual). Фон убирают сглаживанием, вычитанием плавной поверхности или фильтрацией карты; от того, как это сделано, заметно зависит амплитуда локальной аномалии, поэтому способ разделения оговаривают при интерпретации. На больших площадях видны и аномалии, связанные с нарушением изостатического равновесия (изостазия).

Магниторазведка: глубина фундамента

Магнитное поле Земли создают в основном течения в жидком внешнем ядре (ядро Земли). Индукция поля у поверхности — примерно от 30 тыс. нанотесла (нТл, nT; в старых отчётах — гаммы, γ; 1 γ = 1 нТл) у экватора до 60 тыс. нТл и больше у полюсов. В Казахстане, по Международному геомагнитному эталонному полю (International Geomagnetic Reference Field, IGRF) на 2025 год, — около 51–59 тыс. нТл при наклонении 61–74°: поле направлено круто вниз. Аномалии от пород обычно составляют единицы — сотни нанотесла.

Современные магнитометры (magnetometers) — протонные и квантовые, например цезиевые, — измеряют модуль полного вектора индукции и чувствуют его изменения в доли нанотесла; отечественные аэромагнитометры 1950-х годов давали точность 15–20 нТл. Поле меняется и во времени — суточные вариации, магнитные бури, — поэтому во время съёмки на опорном пункте непрерывно работает магнитовариационная станция, и её запись вычитают. Вычитают и нормальное поле по модели IGRF; остаётся аномалия $\Delta T$ .

Осадочные породы намагничены слабо, соль даже слегка диамагнитна, а в кристаллическом фундаменте — гранитах, гнейсах, основных интрузиях — магнетита больше. Поэтому в осадочном бассейне магнитные аномалии создаёт в основном фундамент: рельеф его поверхности, блоки и интрузии разного состава. Исключения — вулканические породы в чехле и, на детальных съёмках, прослои с зёрнами магнетита в самих осадках. Чем глубже фундамент, тем шире и слабее его аномалии — тот же закон, что и в гравиразведке. Отсюда главное применение магниторазведки в нефтяной геологии: карта глубины магнитного фундамента (magnetic basement), а значит, толщины осадочного чехла, и карта разломов и границ блоков, которые видны как цепочки аномалий и уступы поля.

На средних широтах аномалия над телом несимметрична: поле и намагниченность наклонены, максимум смещён к экватору, а с полярной стороны появляется минимум. Чтобы аномалии стояли над своими источниками, карту пересчитывают к виду, который она имела бы на магнитном полюсе при вертикальных поле и намагниченности, — это приведение к полюсу (reduction to the pole). Пересчёт исходит из того, что намагниченность индуцированная; сильная остаточная намагниченность его искажает.

Аномалия магнитного полюса — верха длинного вертикального тела

\Delta T(x) = \frac{C\,z}{(x^2 + z^2)^{3/2}}, \qquad C = \frac{\kappa\,B_0\,A}{4\pi}

где:

$\Delta T(x)$ аномалия на расстоянии $x$ от точки над телом (карта приведена к полюсу), нТл
$z$ глубина верха тела, м
$\kappa$ магнитная восприимчивость тела относительно вмещающих пород, ед. СИ (безразмерная)
$B_0$ индукция магнитного поля Земли, нТл
$A$ площадь горизонтального сечения тела, м²
$C$ интенсивность «полюса», нТл·м²

Единицы: $x$ , $z$ — м; $A$ — м²; $B_0$ и $\Delta T$ — нТл

Справедливо, если

тело — тонкий вертикальный столб, намагниченный вдоль оси и уходящий вниз намного глубже своего верха: поле нижнего конца пренебрежимо мало, остаётся поле верхнего — «полюса»;
намагниченность индуцированная, поле вертикальное — или карта приведена к полюсу;
восприимчивость мала ( $\kappa \ll 1$ ), размагничивание тела не учитываем.

Форма кривой та же, что у аномалии силы тяжести над шаром, поэтому и правило полуширины то же: $z \approx 1{,}305\,x_{1/2}$ . Амплитуда растёт с восприимчивостью, полем и сечением тела и убывает как квадрат глубины. У компактного тела, намагниченного вертикально (диполя), кривая острее: $x_{1/2} \approx 0{,}50\,z$ , то есть $z \approx 2{,}0\,x_{1/2}$ .

РасчётРасчётные аномалии одного и того же источника из примера ниже (модель полюса, карта приведена к полюсу): верх интрузии на глубине 4 км (сплошная линия) и 12 км (штриховая). Втрое большая глубина — втрое шире и в 9 раз слабее аномалия.

Расчётный примерАномалия интрузии на поднятии и в прогибе фундамента

Исходные данные (условные)

Интрузия в фундаменте — вертикальное тело, уходящее на глубину: сечение $A = 6$ км², восприимчивость $\kappa = 0{,}05$ ед. СИ
Поле Земли: $B_0 = 55\,000$ нТл; карта приведена к полюсу
Верх интрузии: 4 км под поднятием фундамента; для сравнения — 12 км в прогибе
Другая аномалия на той же карте: полуширина 6,0 км

Решение

Интенсивность полюса $C = \kappa B_0 A/(4\pi)$ : $0{,}05\cdot 55\,000 = 2750$ нТл, умножаем на $6\cdot10^{6}$ м² — $1{,}65\cdot10^{10}$ , делим на $4\pi$ — $C = 1{,}313\cdot10^{9}$ нТл·м².
Аномалия над верхом на глубине 4 км: $\Delta T_{max} = C/z^2 = 82$ нТл; полуширина $0{,}7664\cdot 4 = 3{,}07$ км.
Тот же источник в прогибе, на 12 км: $\Delta T_{max} = 9{,}1$ нТл — в 9 раз слабее; полуширина 9,20 км — втрое шире.
Обратная задача для аномалии с полушириной 6,0 км: по модели полюса $z = 6{,}0/0{,}7664 = 7{,}83$ км; если источник компактный (диполь), $z = 6{,}0/0{,}50 = 12{,}0$ км.

Ответ: Над поднятием фундамента интрузия даёт аномалию около 82 нТл шириной в несколько километров, в прогибе — около 9,1 нТл, размытую на десятки километров. Источник аномалии с полушириной 6 км лежит на глубине от 7,83 до 12,0 км в зависимости от формы.

Что это значит. Глубина фундамента по магниторазведке — оценка с точностью в десятки процентов: множитель правила полуширины зависит от формы источника, а она неизвестна. Практические способы — метод полунаклона Питерса (глубину берут как расстояние между точками, где крутизна кривой вдвое меньше наибольшей, делённое на 1,2–2,0, чаще всего на 1,6), деконволюция Эйлера и Вернера, спектральный анализ карт — дают множество оценок по всей площади; их сводят в карту и увязывают со скважинами и сейсмикой. Даже у метода Питерса неопределённость одного только множителя — около 30 %. Тело сечением 6 км² на глубине 4 км уже не «тонкое»: его аномалия шире, чем у полюса, и правило полуширины для него немного завышает глубину. Данные примера условные.

Сейсморазведка: время, скорость и глубина

Сейсморазведка методом отражённых волн (reflection seismic; МОВ) — главный метод поисков и разведки нефти и газа. Источник у поверхности — взрыв небольшого заряда в неглубокой скважине, виброисточник на суше или пневмоисточник (air gun) на море — посылает вниз упругую волну. На каждой границе, где меняется акустический импеданс, часть энергии отражается и возвращается к поверхности; там её записывают сейсмоприёмники (геофоны, а на море — гидрофоны). Запись одного приёмника — сейсмическая трасса (seismic trace): колебания, пришедшие от всех границ, в порядке времени прихода.

Время прихода отражения — двойное время пробега (two-way time, TWT; в отечественной практике — время $t_0$ ): путь до границы и обратно, приведённый к вертикали. Трассы, расставленные вдоль профиля, образуют временной разрез (time section): по вертикали на нём не глубина, а время. Чтобы перейти к глубинам, нужна скорость волн в каждом слое.

Глубина по двойному времени пробега

z = \sum_{i=1}^{n} \frac{V_i\,t_i}{2}, \qquad t = \sum_{i=1}^{n} t_i = \sum_{i=1}^{n} \frac{2 h_i}{V_i}

где:

$z$ глубина отражающей границы, м
$t$ двойное время пробега до неё, с
$t_i$ двойное время пробега в $i$ -м слое, с
$h_i$ толщина $i$ -го слоя по вертикали, м
$V_i$ пластовая (интервальная) скорость продольной волны в $i$ -м слое, м/с
$n$ число слоёв над границей, —

Единицы: СИ: м, с, м/с

Справедливо, если

лучи вертикальные: после обработки временной разрез приводят к случаю, когда источник и приёмник совмещены;
слои горизонтальные, скорость в каждом слое постоянна;
скорости известны: по сейсмокаротажу и вертикальному сейсмическому профилированию (ВСП) в скважинах, по акустическому каротажу (время пробега по акустическому каротажу) или, менее точно, по самим сейсмическим данным.

Для одного слоя $z = Vt/2$ . Отношение глубины к половине двойного времени — средняя скорость до границы; складываются времена, поэтому средняя скорость — не среднее скоростей слоёв. Не путайте двойное время с интервальным временем $\Delta t$ акустического каротажа: то — время пробега единицы длины, величина, обратная скорости.

Пока скорости меняются только с глубиной, временной разрез похож на глубинный, лишь неравномерно растянут по вертикали. Если же скорость меняется вдоль профиля, рисунок искажается. Под быстрым телом — солью, рифом, плотными карбонатами — отражения приходят раньше и на временном разрезе «поднимаются» (velocity pull-up); под медленным — газовой залежью, мощной толщей молодых глин — «опускаются» (push-down). Ложное поднятие под солью можно принять за ловушку, а настоящее — пропустить.

РасчётСоляной купол из примера ниже на глубинном разрезе (вверху) и на временном (внизу), лучи вертикальные. Кровля подсолевых пород — отражающий горизонт П1 — лежит горизонтально на глубине 4,35 км, но под куполом, где волна идёт по быстрой соли, отражение приходит на 0,37 с раньше и рисует на временном разрезе поднятие, которого нет.

Расчётный примерЛожное поднятие под соляным куполом

Исходные данные (условные)

Верхний слой (везде): 0–1350 м, $V = 2250$ м/с
Точка A — межкупольная мульда: осадки 1350–3900 м, 3400 м/с; соль 3900–4350 м, 4500 м/с
Точка B — над куполом: соль 1350–4350 м, 4500 м/с
Кровля подсолевых пород (горизонт П1): 4350 м в обеих точках

Решение

Верхний слой: $2\cdot1350/2250 = 1{,}200$ с.
Точка A: осадки $2\cdot2550/3400 = 1{,}500$ с, соль $2\cdot450/4500 = 0{,}200$ с; до П1 — $t_A = 2{,}900$ с.
Точка B: соль $2\cdot3000/4500 = 1{,}333$ с; $t_B = 2{,}533$ с — на 0,367 с меньше.
Пересчитаем время в B по скоростям точки A, будто соли нет: после 1,200 с верхнего слоя остаётся $2{,}533 - 1{,}200 = 1{,}333$ с, это $1{,}333/2\cdot 3400 \approx 2270$ м осадков, и П1 окажется на глубине около 3620 м — на 730 м выше истинной.
Средние скорости до П1: в A $4350/(2{,}900/2) = 3000$ м/с, в B — около 3430 м/с.

Ответ: Горизонтальный в действительности П1 на временном разрезе выглядит поднятием высотой 0,367 с; без учёта соли он «поднялся» бы и на глубинной карте — примерно на 730 м.

Что это значит. Такие искажения — главная трудность сейсморазведки в солянокупольных бассейнах, в том числе в Прикаспийской впадине: толщина соли над точкой, а с ней и время пробега, меняются на каждом километре профиля. Поэтому подсолевые структуры строят только по скоростной модели, где тела соли выделены по сейсмике и проверены скважинами и гравиметрическим моделированием; как переводят время в глубину, разбирает тема Интерпретация сейсмических разрезов. Расчёт упрощён: лучи вертикальные, скорость в каждом слое постоянна, а на деле волны на крутых стенках соли преломляются, и изображение под куполом искажается ещё сильнее. Данные примера условные.

Сейсморазведка видит не всё. Слои тоньше примерно четверти длины волны — при скорости 3000 м/с и преобладающей частоте 30 Гц это около 25 м — по отдельности не различаются (Сейсмические волны, акустический импеданс и отражения). Профили 2D дают разрезы вдоль линий, съёмки 3D — сплошной объём; как их проводят и обрабатывают, разобрано в теме Сейсморазведка: полевые работы и обработка, как прослеживают горизонты и разломы и ищут прямые признаки углеводородов — в теме Интерпретация сейсмических разрезов. Кроме отражённых, используют преломлённые волны (refraction): по ним находят скорости и глубины протяжённых границ — так открыли границу коры и мантии (головные волны) — и вводят поправки за неоднородный верхний слой. Повторные съёмки над разрабатываемой залежью (сейсморазведка 4D, time-lapse) показывают, где одни флюиды сменили другие.

Электроразведка и электромагнитные методы

Электроразведка изучает сопротивление пород. В методах постоянного тока ток пропускают в землю через два заземлённых электрода и измеряют разность потенциалов между двумя другими — так же, как в электродных зондах каротажа, только расстояния не метры, а сотни метров и километры (электродные зонды). Раздвигая электроды, ток заставляют проникать глубже: это вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ). Чтобы «достать» глубину в километры, нужны линии во много километров, поэтому для глубоких задач удобнее электромагнитные методы.

Электромагнитные методы (electromagnetic methods) работают с переменным полем. Оно наводит в проводящих породах вихревые токи и затухает с глубиной тем быстрее, чем выше частота и проводимость пород, — это тот же скин-эффект, что и в индукционном каротаже (скин-слой): глубина скин-слоя $\delta \approx 503\sqrt{R/f}$ м, где $R$ — сопротивление в Ом·м, $f$ — частота в герцах. При среднем сопротивлении разреза 4 Ом·м и частоте 1 Гц она около 1 км ( $503\cdot\sqrt4 \approx 1006$ м), при 0,01 Гц — около 10 км. Меняя частоту или время после выключения тока, разрез «просвечивают» на разную глубину.

Магнитотеллурическое зондирование (МТЗ, magnetotellurics, MT): пассивный метод: на поверхности записывают естественные колебания электрического и магнитного полей Земли с периодами от долей секунды до часов — их порождают токи в ионосфере и магнитосфере и далёкие грозы. По отношению электрической составляющей к магнитной на каждом периоде находят кажущееся сопротивление, а по нему — изменение сопротивления с глубиной, от сотен метров до десятков километров. МТЗ применяют там, где сейсморазведке трудно: под солью и базальтами, в надвиговых зонах; хорошо видны проводящие осадки над высокоомным фундаментом.
Зондирование становлением поля в ближней зоне (ЗСБ, transient electromagnetics, TEM): в незаземлённую петлю на поверхности пускают ток и резко выключают его; поле вихревых токов, уходящих всё глубже, затухает, и его записывают приёмной петлёй. Ранние времена говорят о верхней части разреза, поздние — о глубокой.
Морская электроразведка с управляемым источником (controlled-source electromagnetics, CSEM): судно буксирует над дном мощный электрический источник, а на дне стоят приёмники. Пласт с нефтью или газом — тонкий изолятор среди осадков с солёной водой, и он искажает поле, проходящее под дном. Промышленные съёмки ведут с начала 2000-х годов. Но так же откликаются и другие изоляторы — соль, плотные карбонаты, вулканиты, — поэтому результат проверяют сейсмикой и бурением.

Родственник каротажа сопротивления

Электроразведка и каротаж сопротивления — одна физика в разных масштабах. Зонд в скважине видит метры породы и разделяет пласты толщиной в десятки сантиметров; наземная съёмка «видит» километры, но тонкие пласты в ней сливаются, и разрешение падает с глубиной. Поэтому электроразведка отвечает на вопросы о крупных телах — толщине проводящего чехла, положении соли и фундамента, — а не об отдельных пластах.

Где снимают: на земле, на море, с воздуха и из космоса

Наземная съёмка: все методы. Самая высокая точность: гравиметр повторяет отсчёт до тысячных долей миллигала, сейсморазведка 2D и 3D даёт самое детальное изображение. Медленно и дорого на единицу площади, нужен доступ к местности; точность гравиметрии ограничивают высоты пунктов и рельеф.
Морская съёмка: сейсморазведка, а с того же судна — гравиметрия и магнитометрия; морская электроразведка. Большие площади без проблем доступа. Гравиметр на движущемся судне менее точен, к нему добавляют поправку Этвёша; мелководье, льды и судоходство осложняют работы.
Воздушная съёмка: аэромагнитная съёмка, аэрогравиметрия, электромагнитные методы. Быстро покрывает большие и труднодоступные территории — пустыни, болота, горы, мелководье. Детальную аэромагнитную съёмку ведут на высоте 80–150 м по линиям через 250–500 м, региональную — реже. Аэрогравиметрия грубее наземной: лучшие системы дают десятые доли миллигала при разрешении 1–5 км, другие — 1–2 мГал. Сейсморазведки с воздуха нет.
Спутниковая съёмка: гравитационное и магнитное поле всей Земли. Гравиметрические спутники дают около 1 мГал при разрешении порядка 100 км — региональный фон и основу для сводных карт, но не отдельные структуры.
Скважинная: сейсмокаротаж и ВСП, скважинная гравиметрия, каротаж (Каротаж в открытом стволе: зачем, как и когда). Скорости и плотности на глубине, по которым калибруют поверхностные съёмки.

Неоднозначность и комплексирование методов

Любое геофизическое поле допускает много объяснений. В гравиразведке это строгое утверждение: по полю снаружи нельзя однозначно восстановить распределение масс внутри. Однозначно определена лишь полная аномальная масса (дополнительный раздел), а размер, форма и контраст тела размениваются друг на друга: шар радиусом 2,0 км с контрастом −0,33 г/см³ и шар радиусом 2,5 км с контрастом около −0,17 г/см³ с центром на той же глубине дают практически одинаковую аномалию. Магнитную аномалию так же создают разные сочетания намагниченности и формы. Сейсморазведка точнее в геометрии, но и она неоднозначна: время зависит от скорости, а под солью и в сложных структурах изображение искажено. Электроразведка не отличает тонкий проводящий слой от более толстого, но менее проводящего.

Как комплексируют методы на новом участке

1
Региональный этап
спутниковая и аэрогравиметрия, аэромагнитная съёмка: контуры бассейна, глубина фундамента и толщина чехла, крупные разломы и соляные массивы. Дёшево на квадратный километр, но грубо.
2
Региональная сейсморазведка
редкая сеть профилей 2D через бассейн, увязанная с глубокими скважинами: стратиграфия, главные отражающие горизонты, первые лиды (Нефтяная система и концепция плея).
3
Детальная сейсморазведка
густая сеть 2D или съёмка 3D над лидами: структурные карты, разломы, объёмы ловушек — лид превращается в проспект.
4
Совместная модель
плотности — по плотностному каротажу, скорости — по акустическому каротажу и ВСП, сопротивления — по каротажу; гравиметрическое и магнитное моделирование проверяет сейсмическую интерпретацию, особенно форму соли и рельеф фундамента, которые сейсмика видит хуже всего.
5
Бурение и обновление
каждая скважина уточняет глубины, скорости и плотности, и модели пересчитывают; при разработке повторные съёмки следят за флюидами.

Геофизика в Казахстане: от вариометров на Эмбе до подсолевых месторождений

Прикаспийская впадина — один из самых трудных для геофизики бассейнов мира. Кунгурская соль собрана здесь более чем в тысячу куполов (соль Прикаспийской впадины), подсолевые породы лежат на глубинах от 4–5 км у бортов до 10 км в центре, а осадочный чехол толще 20 км. История геофизики в Казахстане во многом — история того, как здесь искали сначала соль, а потом то, что под ней.

1925 год. На соляных куполах Урало-Эмбенского района начались гравиметрические работы — с гравитационными вариометрами (крутильными весами, которые измеряют изменение силы тяжести по горизонтали) и маятниковыми приборами. С них начались геофизические работы в нефтяной промышленности СССР. Детальные вариометрические съёмки 1935–1941 годов оказались очень эффективными для поисков солянокупольных структур Урало-Эмбенской области; к концу 1950-х годов гравиметрия покрыла практически весь северный и северо-западный Прикаспий и выявила там большинство куполов.
С середины 1930-х годов. В 1935 году появились первые отечественные пятиканальные сейсмостанции, и сейсморазведка методом отражённых волн быстро распространилась, в том числе на Урало-Эмбенский район; с 1937 года развивался корреляционный метод преломлённых волн (КМПВ).
1950-е годы. Аэромагнитные съёмки масштабов от 1 : 2 000 000 до 1 : 200 000 покрыли большие территории, включая Казахстан; в Западном Казахстане полосовые магнитные аномалии оказались вытянуты вдоль структур осадочного чехла. К 1957 году на сейсморазведку методом отражённых волн приходилось больше трёх четвертей затрат на геофизические работы в нефтяной отрасли СССР.
1970-е — начало 1980-х годов. После того как в 1967 году у северного борта впадины нашли первую подсолевую залежь, разведка ушла под соль. Кровлю подсолевых пород на сейсмических разрезах прослеживают по опорному отражающему горизонту П1, и карбонатные платформы и рифы выражены на нём поднятиями. Конец 1970-х — начало 1980-х годов — время открытия крупнейших подсолевых месторождений на суше; в 1979 году открыты Тенгиз (первая скважина получила нефть из подсолевых отложений с глубины 4045–4095 м) и Карачаганак.
1990-е годы — 2000 год. Морская сейсморазведка в казахстанском секторе Северного Каспия выявила подсолевые карбонатные постройки, похожие на Тенгиз; скважина на одной из них — Кашагане — в 2000 году дала нефть.
2009–2013 годы. Отраслевые проекты «Комплексное изучение осадочных бассейнов Республики Казахстан» и «Высокоточная инновационная аэромагнитная съёмка по Прикаспийской впадине»; по сейсмическим, магнитным и гравиметрическим данным уточнили, в частности, строение девонских толщ юга впадины.

Почему здесь так важно комплексирование? Под солью сейсмика видит хуже всего: изображение искажают быстрые соляные тела переменной толщины (пример с ложным поднятием выше), а разрешение на больших глубинах падает. Гравиметрия и магнитометрия помогают оконтурить соль и рельеф фундамента, а скважины дают скорости и плотности для всех моделей. Пластовые давления и флюиды подсолевых залежей — отдельная тема (Аномальные пластовые давления: происхождение, прогноз, распознавание).

Термины и обозначения

Аномалия силы тяжести $\Delta g$: отклонение измеренной силы тяжести от нормальной после поправок; измеряют в миллигалах.
Миллигал (мГал): $10^{-3}$ Гал $= 10^{-5}$ м/с², около миллионной доли ускорения свободного падения.
Аномалия Буге: аномалия с поправками за широту, высоту пункта, промежуточный слой и рельеф; основная карта гравиразведки на суше.
Полуширина $x_{1/2}$: расстояние от экстремума аномалии до точки половинного значения; для шара $z \approx 1{,}305\,x_{1/2}$ .
Предельная глубина: наибольшая глубина, на которой может лежать кровля тела, создающего данную аномалию; правило полуширины для шара даёт её оценку.
Региональный фон и локальная аномалия: широкая составляющая поля от глубоких источников и узкая — от неглубоких тел; их разделение субъективно.
Магнитная восприимчивость $\kappa$: отношение индуцированной намагниченности к намагничивающему полю; в СИ безразмерна, задаётся в основном магнетитом.
Остаточная намагниченность: намагниченность, закреплённая при образовании породы; отношение к индуцированной — отношение Кёнигсбергера $Q$ .
Приведение к полюсу: пересчёт магнитной карты к вертикальным полю и намагниченности, чтобы аномалии стояли над источниками.
Двойное время пробега $t$: время пути отражённой волны до границы и обратно, приведённое к вертикали; вертикальная ось временного разреза.
Пластовая и средняя скорость: скорость в отдельном слое и отношение глубины к половине двойного времени до границы.
Прямая и обратная задача: расчёт поля по известному телу (однозначен) и поиск тела по измеренному полю (неоднозначен).
Комплексирование: совместное использование нескольких методов и скважинных данных в одной модели недр.

Частые ошибки и заблуждения

Неверно

«Ширина аномалии показывает размер тела».

На самом деле

Ширина показывает глубину источника: шар любого радиуса с центром на глубине 3 км даёт аномалию с полушириной 2,3 км. Размер и контраст плотности по одной аномалии не разделить.

Неверно

«На временном разрезе под куполом поднятие — значит, там ловушка».

На самом деле

Быстрая соль сокращает время пробега, и горизонты под ней на временном разрезе «поднимаются». Структуру подтверждают на глубинном разрезе, построенном по проверенной скоростной модели.

Неверно

«Раз гравиметр точен до тысячных долей миллигала, высоты пунктов можно знать грубо».

На самом деле

Каждый метр высоты после поправки за промежуточный слой — около 0,2 мГал, и ошибка высоты в несколько метров сравнима с аномалией небольшой структуры. Высоты пунктов нужны с точностью около 10 см.

Неверно

«Магнитная аномалия над структурой значит, что намагничены породы-коллекторы».

На самом деле

Осадочные породы намагничены слабо; в бассейнах аномалии создаёт в основном фундамент, а структуры чехла часто лишь повторяют его рельеф.

Неверно

«Гравиметрия и магнитометрия устарели — есть сейсмика 3D».

На самом деле

Они намного дешевле на квадратный километр, быстро покрывают огромные площади и помогают там, где сейсмике трудно, — под солью, базальтами, в надвигах. Их используют вместе с сейсмикой, а не вместо неё.

Подробно: для продвинутых

Полная аномальная масса по площади аномалии

Одну величину поле силы тяжести определяет однозначно — полную аномальную массу. Если проинтегрировать аномалию по всей горизонтальной плоскости, получится $2\pi GM$ , какими бы ни были форма, размер и глубина тела. Это следствие теоремы Гаусса о потоке поля тяготения.

Полная аномальная масса по интегралу аномалии

\iint \Delta g\,\dd A = 2\pi G M

где:

$\Delta g$ аномалия силы тяжести, м/с²
$\dd A$ элемент площади на плоскости наблюдений, м²
$M$ полная аномальная масса всех тел под плоскостью, кг
$G$ гравитационная постоянная, м³/(кг·с²)

Единицы: СИ

Справедливо, если

интеграл по всей плоскости: аномалия измерена далеко за пределами тела и полностью отделена от регионального фона;
плоская поверхность наблюдений, все аномальные массы ниже неё.

Массу находят, не зная формы и контраста. Слабое место — «хвосты» аномалии: у точечной массы на глубине $z$ внутри круга радиусом $r$ собрана лишь доля $1 - z/\sqrt{r^2 + z^2}$ интеграла. Для купола из примера (центр на 3 км) круг радиусом 10 км захватывает 71 % интеграла, радиусом 30 км — 90 %: съёмку для такой оценки ведут далеко за пределами аномалии, а отделение фона становится главным источником ошибки.

Откуда множитель 0,766 и постоянные поправок

Полуширина. Аномалия шара вдвое меньше максимальной, когда $z^3/(x_{1/2}^2 + z^2)^{3/2} = 1/2$ . Возводим обе части в степень $2/3$ : $x_{1/2}^2 + z^2 = 2^{2/3} z^2$ , откуда $x_{1/2} = z\sqrt{2^{2/3} - 1} = 0{,}7664\,z$ . У длинного горизонтального цилиндра аномалия пропорциональна $z/(x^2 + z^2)$ , и половина достигается при $x_{1/2} = z$ ; у тонкого вертикального столба — $1/\sqrt{x^2 + z^2}$ , и $x_{1/2} = \sqrt3\,z$ .

Поправка за свободный воздух. Вне Земли $g = GM_\oplus/r^2$ , и при подъёме на $\dd r$ сила тяжести меняется на $\dd g = -2g\,\dd r/r$ . При $g = 9{,}81$ м/с² и $r = 6371$ км это $3{,}08\cdot10^{-6}$ с⁻², то есть 0,308 мГал на метр; с учётом сплюснутости и вращения Земли принято среднее значение 0,3086 мГал/м.

Поправка за промежуточный слой. Бесконечный плоский слой толщиной $h$ притягивает с силой $2\pi G\rho h$ , не зависящей от расстояния до него. При $\rho = 1$ г/см³ $= 1000$ кг/м³ и $h = 1$ м: $2\pi\cdot 6{,}6743\cdot10^{-11} = 4{,}194\cdot10^{-10}$ , умножаем на 1000 — получаем $4{,}194\cdot10^{-7}$ м/с², то есть 0,04194 мГал. Встречающиеся в сводках 0,0419 и 0,04193 объясняются округлением и разными принятыми значениями $G$ .

Связь с другими темами

Строение и состав Земли — оболочки Земли, сейсмические волны, изостазия и головные волны преломления.
Складки, соляные диапиры и их связь с разломами — соляные купола и диапиры — главная цель гравиразведки в Прикаспийской впадине.
Плотностной гамма-гамма каротаж и фотоэлектрический индекс — плотность пород в скважине и почему соль на диаграмме легче, чем в действительности.
Акустический каротаж — скорость упругих волн у стенки скважины и время пробега для привязки сейсмики.
Каротаж сопротивления: электрические и индукционные зонды — сопротивление пород и скин-эффект — физика электроразведки в масштабе скважины.
Сейсмические волны, акустический импеданс и отражения — продольные и поперечные волны, акустический импеданс, отражения и разрешающая способность.
Сейсморазведка: полевые работы и обработка — как проводят сейсмическую съёмку и получают временной разрез.
Интерпретация сейсмических разрезов — прослеживание горизонтов и разломов, перевод времени в глубину.
Нефтяная система и концепция плея — как геофизика ведёт от плея к лиду и проспекту.

Проверьте себя

1
Какой метод сильнее всего откликнется на соляной купол среди уплотнённых глин и песчаников на глубине 2–4 км?
1. А.Никакой: соль не отличается от вмещающих пород
2. Б.Магниторазведка: соль сильно намагничена
3. В.Гравиразведка: соль легче вмещающих пород
4. Г.Электроразведка: соль хорошо проводит ток
Показать ответ
Правильный ответ: В. Гравиразведка: соль легче вмещающих пород
На таких глубинах соль легче уплотнённых осадков на 0,2–0,4 г/см³ и даёт минимум силы тяжести. Соль немагнитна — она даже слабо диамагнитна — и почти не проводит ток, то есть для электроразведки это изолятор. На сейсмике купол заметен по высокой скорости в соли.
2
Над погребённым телом аномалия силы тяжести −6,0 мГал убывает до −3,0 мГал в 1,9 км от центра. Оцените глубину центра, считая тело шаром, и недостающую массу. Что можно сказать о глубине его кровли?
Показать ответ
Глубина центра $z = 1{,}9/0{,}7664 \approx 2{,}48$ км, то есть 2479 м. Масса $M = \Delta g_{max} z^2/G$ : $6{,}0\cdot10^{-5}\cdot 2479^2 \approx 368{,}7$ , делим на $6{,}6743\cdot10^{-11}$ — около $5{,}5\cdot10^{12}$ кг недостающей массы. Кровля тела любой формы с такой аномалией лежит не глубже 2,5 км; насколько мельче — зависит от формы и контраста плотности, которых аномалия не даёт.
3
Гравиметрический пункт стоит на высоте около 25 м, плотность промежуточного слоя 2,40 г/см³. Как изменится аномалия Буге в этом пункте, если высоту ошибочно занизить на 1 м?
1. А.Не изменится
2. Б.Увеличится примерно на 0,31 мГал
3. В.Уменьшится примерно на 0,21 мГал
4. Г.Уменьшится примерно на 0,04 мГал
Показать ответ
Правильный ответ: В. Уменьшится примерно на 0,21 мГал
Слой даёт $0{,}04194\cdot 2{,}40 \approx 0{,}101$ мГал на метр, и высота входит в аномалию Буге с множителем $0{,}3086 - 0{,}101 \approx 0{,}208$ мГал/м. Заниженная на 1 м высота уменьшает сумму поправок, а с ней аномалию, примерно на 0,21 мГал. 0,31 мГал — одна поправка за свободный воздух, 0,04 мГал — промежуточный слой единичной плотности.
4
Отражение от кровли пласта пришло через 1,84 с двойного времени. До глубины 1300 м пластовая скорость 2600 м/с, ниже — 3600 м/с. На какой глубине кровля и какова средняя скорость до неё?
Показать ответ
В верхнем слое волна тратит $2\cdot1300/2600 = 1{,}000$ с. Остаётся 0,84 с двойного времени, то есть 0,42 с в одну сторону: $0{,}42\cdot 3600 = 1512$ м. Кровля на глубине $1300 + 1512 = 2812$ м. Средняя скорость $2812/0{,}92 \approx 3060$ м/с — меньше скорости нижнего слоя, потому что часть пути волна прошла медленно.
5
На магнитной карте, приведённой к полюсу, две аномалии одинаковой формы: у первой полуширина 2 км, у второй — 8 км. Что вероятнее всего?
1. А.По ширине аномалий ничего сказать нельзя
2. Б.Второй источник в 4 раза больше по размеру и лежит на той же глубине
3. В.Второй источник сильнее намагничен
4. Г.Второй источник примерно в 4 раза глубже
Показать ответ
Правильный ответ: Г. Второй источник примерно в 4 раза глубже
Для источников одной формы полуширина пропорциональна глубине, поэтому вчетверо более широкая аномалия означает вчетверо большую глубину; если источники одинаковы, вторая аномалия к тому же в 16 раз слабее (амплитуда аномалии полюса убывает как квадрат глубины). Большой неглубокий источник тоже даёт широкую аномалию, но другой формы — с плоской вершиной и крутыми краями.
6
Почему гравиметрическая модель соляного купола без других данных не говорит, до какой глубины бурить до кровли соли?
Показать ответ
Аномалия определяет глубину центра для принятой формы тела и недостающую массу, но не форму и не контраст плотности: шар меньшего радиуса с большим контрастом, шар большего радиуса с меньшим и толстый шток, уходящий к материнской соли, дают похожие кривые. В примере урока кровля шара выходила на 0,70 км при контрасте −0,20 г/см³ и на 1,09 км при −0,30 г/см³, а модель тонкого штока отвергла амплитуда. Форму дают сейсмические разрезы, контраст — плотностной каротаж, а глубину кровли окончательно — скважина.

Обновлено: 16 октября 2026 г.