Зарождение геофизики как науки Первые упоминания о применении физических методов для исследования недр Земли восходят к античности. Уже в трудах Фалеса и Пифагора фиксировались наблюдения магнитных и гравитационных явлений. Однако до XVIII века геофизические знания носили преимущественно описательный и умозрительный характер, не имея прикладного значения для изучения строения земной коры.
Настоящее развитие началось с изобретения приборов, позволивших проводить точные измерения физических полей. Создание первых гравиметров, магнитометров и электрометров положило начало систематическим исследованиям геофизических полей и привело к появлению первых гипотез о внутреннем строении Земли.
XIX век — становление прикладной геофизики XIX век ознаменовался бурным ростом интереса к использованию физических методов в геологии. Исследования Карла Гаусса в области земного магнетизма, измерения гравитационного поля с использованием маятников, наблюдения естественной радиоактивности пород, выполненные Беккерелем и Кюри, создают фундамент для дальнейших прикладных работ.
Появление первых сейсмографов и регистрация сейсмических волн позволили изучать не только землетрясения, но и строение недр. К этому периоду относится также развитие термометрии и начало систематических измерений теплового потока в земной коре.
Начало XX века — формирование инструментальной базы В первой половине XX века геофизика выделяется в самостоятельную область науки. Появляются специализированные приборы и методики: электроразведка (метод сопротивлений, метод потенциалов), сейсморазведка (метод отражённых и преломлённых волн), магнитометрия (аэро- и наземная), радиометрия, тепловая съемка. Пионерами геофизики в России стали такие учёные, как В.В. Федынский, А.А. Чернышёв, А.А. Грубэ, которые активно развивали методику и приборную базу.
Создаются первые геофизические службы при геологоразведочных учреждениях. Геофизика прочно входит в арсенал поисковых и разведочных методов полезных ископаемых.
Послевоенный период — индустриализация геофизических работ С середины XX века геофизические методы стали активно применяться в нефтегазовой и горнорудной промышленности. Развитие компьютерной техники позволило обрабатывать большие массивы данных, появились методы численного моделирования и инверсии.
Бурно развивалась сейсморазведка: многоканальная регистрация, применение взрывных и вибрационных источников, цифровая обработка сейсмограмм, создание сейсмических томографий. Электроразведка получила новые импульсы благодаря использованию многоэлектродных систем и автоматизации измерений. Магниторазведка и гравиразведка стали высокоточными методами, применяемыми при региональном и детальном картировании.
Современный этап — цифровизация, спутниковые технологии, интеграция В XXI веке геофизика переживает переход к высокотехнологичным системам мониторинга и моделирования. Цифровые системы сбора и обработки данных, использование беспилотных летательных аппаратов, спутниковая геофизика, развитие аэрогеофизики, GPS-интерферометрия, радиозондирование атмосферы — всё это расширяет возможности геофизики в глобальном масштабе.
Создаются мультифизические комплексы, сочетающие сейсмические, магнитные, электрические, гравитационные и тепловые методы. Широко применяется интеграция геофизических данных с геологическими и петрофизическими моделями.
Методы георадарной съёмки (GPR), электромагнитной томографии, индукционной визуализации, мониторинга деформаций земной коры в реальном времени используются в инженерной геофизике, экологии, строительстве, археологии.
Роль геофизики в глобальных научных проектах Геофизические методы применяются в планетологических исследованиях (Луна, Марс, Венера), в глубоководных миссиях, при изучении ледяных щитов и климата. Такие проекты, как IRIS, USArray, проект “Геофизическая сеть Сибири”, сейсмическое и гравиметрическое картирование океанических плит — все это демонстрирует важность геофизики для междисциплинарной науки.
Лабораторные методы изучения физических свойств пород
Значение лабораторных методов в геофизике Лабораторные методы служат ключевым инструментом валидации полевых геофизических данных и построения надежных интерпретационных моделей. Исследование физических свойств образцов горных пород в контролируемых условиях позволяет установить количественные зависимости между петрофизическими параметрами и геофизическими полями.
Изучение плотности и пористости Плотность определяют с использованием гидростатического взвешивания (метод Архимеда), пикнометрии, рентгеновской денситометрии. Обычной является трехкомпонентная оценка: объемная, зерновая и скелетная плотность.
Пористость измеряется по изменению массы при насыщении образца жидкостью, методом газовой порометрии или с использованием ртутной порометрии. Параллельно определяются параметры проницаемости.
Измерения упругих свойств Скорости распространения продольных (P) и поперечных (S) волн регистрируются в образцах цилиндрической формы при помощи ультразвуковых преобразователей. Путём многократного измерения на разных давлениях оцениваются модули Юнга, сдвига, объемного сжатия, коэффициент Пуассона.
Исследования проводятся как в сухом состоянии, так и при полном насыщении, что позволяет смоделировать реальные геологические условия.
Электрические свойства Измерение электросопротивления и электропроводности проводится в условиях переменного и постоянного тока. Методика включает четырёхэлектродные и двухэлектродные схемы. Особое внимание уделяется изучению влияния насыщения и минерализации флюидов на результирующие показатели.
Электрическая анизотропия и поляризуемость изучаются методами импедансной спектроскопии и вызванной поляризации.
Магнитные свойства пород В лабораториях определяются намагниченность (естественная и индуцированная), магнитная восприимчивость, остаточное магнитное поле. Измерения проводят с помощью магнитометров различных типов: индукционных, квантовых, криогенных.
Изучение коэрцитивных свойств, петли гистерезиса, температурных зависимостей (точка Кюри) позволяет судить о минеральном составе, степени метаморфизма и истории геологических процессов.
Радиометрические свойства Методы γ-спектрометрии позволяют определить содержание радиогенных элементов (K, U, Th). Применяются сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы. Измерения радиоактивности образцов особенно важны при изучении урановых и ториевых руд, а также для оценки природного радиационного фона.
Теплофизические параметры Теплопроводность, теплоёмкость и температуропроводность определяются в лабораторных условиях с использованием как стационарных, так и нестационарных методов. Наиболее распространены методы линейного источника тепла, флаш-метод, и способ установки градиента температуры на образце.
Теплопроводность критически важна для моделирования тепловых потоков и прогноза температурных режимов в земной коре.
Комплексные лабораторные стенды Современные лаборатории оснащаются комплексными установками, позволяющими одновременно измерять несколько параметров под давлением и температурой, приближенными к природным условиям (до 500 МПа и 300°C). Применяются термобарокамеры, прецизионные прессованные ячейки, системы насыщения и циркуляции флюидов.
Цифровизация лабораторных исследований Использование автоматизированных систем сбора, регистрации и обработки данных позволяет достичь высокой точности и воспроизводимости измерений. Цифровые модели порового пространства, полученные с помощью микрокомпьютерной томографии, рентгеновской или нейтронной визуализации, расширяют возможности лабораторной интерпретации.
Связь лабораторных и полевых данных Результаты лабораторных измерений калибруют с данными геофизических скважинных методов (ГИС), сейсморазведки, магнитной и электрической съемки. Это позволяет формировать петрофизические модели, служащие основой для количественной интерпретации и прогноза геологических объектов.