Комплексирование геофизических методов при инженерно-экологических изысканиях

Министерство образования и науки российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования
«ЮЖнЫй ФедераЛЬнЫй университет»

Н. Е. ФомЕНко

комплЕксироваНиЕ  
гЕоФизичЕских мЕтодов  
при иНжЕНЕрНо-экологичЕских 
изыскаНиях

учебник

Рекомендован ученым советом Института наук о Земле 
Южного федерального университета в качестве учебника

ростов-на-дону
издательство Южного федерального университета
2016

удк 550.83(075.8)
ббк  26я73
Ф761

Печатается по решению редакционно-издательского совета
Южного федерального университета 
(протокол ¹ 4 от 5 мая 2016 г.)

рецензенты:

ведущий научный сотрудник ао «вниГриуголь»,  
доктор геолого-минералогических наук Б. И. Журбицкий;

зав. кафедрой социально-экономической географии  
и природопользования ЮФу, доктор географических наук,  
профессор А. Д. Хованский

 
Фоменко, Н. Е.
Ф761  
комплексирование геофизических методов при инженерноэкологических изысканиях : учебник / н. е. Фоменко ; Южный 
федеральный университет. – ростов-на-дону : издательство Южного федерального университета, 2016. – 292 с.
ISBN 978-5-9275-2344-3
в учебнике рассмотрены основы комплексного применения геофизических методов при решении геоэкологических, инженерно-геологических и 
геологических задач. Приводятся краткие сведения о геофизических полях, сущности геофизических методов, использовании современной аппаратуры и программного обеспечения. Показана на множестве примеров необходимость комплексирования геофизических методов в процессе 
выполнения геоэкологических, инженерно-геологических и других видов 
геолого-разведочных работ. 
для студентов магистратуры направления подготовки 05.04.06 «Экология и природопользование». 

© Южный федеральный университет, 2016
© Фоменко н. е., 2016
©  оформление. Макет. издательство 
Южного федерального университета, 2016

Удк 550.83(075.8)
ББк 26я73 

ISBN 978-5-9275-2344-3

оглавлЕНиЕ

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

список сокращений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

часть 1. Cущность, разрешающая способность и особенности 
использования геофизических методов при решении геологических 
и инженерно-геоэкологических задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.1. Гравиразведка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.2. Магниторазведка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.3. Электроразведка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

1.4. сейсморазведка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

1.5. ядерная геофизика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

1.6. терморазведка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

1.7. Геофизические методы исследования скважин (Гис) . . . . . . 116

часть 2. комплексирование геофизических методов и комплексная 
интерпретация результатов геолого-геофизических исследований  
при решении геологических и инженерно-геоэкологических задач . 133

2.1. основные положения комплексирования геофизических  
методов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

2.2. Формирование целевого комплекса экогеофизических 
исследований для решения геоэкологических задач. Физикогеологическое моделирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

2.3. неоднозначность решения обратных задач в геофизике. . . . . 183

2.4. комплексный анализ и комплексная интерпретация  
результатов инженерно-геофизических исследований  
при решении практических задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

2.5. особенности исследования геологической среды в задачах  
инженерной и экологической геофизики . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240

заключение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283

основные термины и определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284

Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290

предисловие

в основу учебника положен курс лекций и практических занятий по дисциплине «комплексирование геофизических методов 
при инженерно-экологических изысканиях», читаемых и проводимых автором со студентами института наук о земле Южного федерального университета. структура и материал лекций соответствуют программам учебно-методического комплекса, рекомендуемым уМо для классических университетов по направлению подготовки 05.04.06 «Экология и природопользование» магистерской программы «Прикладная геоэкология».
учебная дисциплина обеспечивает студентам магистратуры 
профессиональную компетенцию по разделам: 1) сущность и применение методов разведочной геофизики в геоэкологии и экологической геофизике; 2) методологические основы комплексирования, к которым отнесены физико-геологическое моделирование, изучение качественной и количественной неоднозначности 
геофизических методов, комплексный анализ и комплексная интерпретация геофизических данных, выбор типового, рационального и оптимального комплексов; 3) решение различных геоэкологических, инженерно-геологических и гидрогеологических задач посредством комплексного использования геофизических методов и технологий. 
объектом исследования предмета «комплексирование геофизических методов при инженерно-экологических изысканиях» является система знаний по выбору типовых, рациональных 
и оптимальных комплексов геофизических методов, комплексному анализу и комплексной интерпретации геофизических данных, умению анализировать и обобщать явления и факты по изучаемой дисциплине, четко излагать полученные знания на семинарских, лабораторных и практических занятиях. 
цель изучения дисциплины – получение студентами знаний 
о геофизических полях и созданных на их основе геофизических 
методах, их сущности и необходимости комплексирования, как 
одного из важных направлений научно-технического прогресса 
в прикладной, в частности экологической, геофизике, занимающейся решением геоэкологических задач совместно с геологическими, геохимическими, гидрогеологическими, инженерноизыскательскими и другими методами.

Предисловие

настоящий учебник состоит из двух основных частей. в первой части излагаются сущность, разрешающая способность и особенности использования геофизических методов при решении геологических, геоэкологических и других задач. во второй части 
рассматриваются вопросы комплексирования геофизических исследований, включающие методику выбора типового, рационального и оптимального комплексов, физико-геологическое моделирование, изучение качественной и количественной неоднозначности геофизических методов, комплексные анализ и интерпретацию геофизических данных. 
в процессе написания учебника автор использовал собственные материалы, другие учебники и учебные пособия по разведочной геофизике, а также опубликованные в научных журналах 
и сборниках результаты комплексных геофизических исследований при решении тех или иных геологических и геоэкологических задач. структура данного учебника и понятийная терминологическая база экологической геофизики заимствованы из учебника а. а. никитина и в. к. Хмелевского «комплексирование 
геофизических методов» (2004).
в списке литературных источников приведены только базовые учебники и учебные пособия, которые могут способствовать 
более глубокому освоению курса. Полные ссылки на конкретные 
источники рисунков и таблиц в тексте не даются – они громоздки для учебника и вряд ли актуальны, поскольку его разделы 
не претендуют на научные приоритеты.

***

автор выражает глубокую признательность руководителю направления подготовки программы учебно-методического комплекса 05.04.06 «Экология и природопользование», магистерская 
программа «Прикладная геоэкология», заведующему кафедрой 
геоэкологии и прикладной геохимии, доктору геол.-минерал. 
наук, проф. в. е. закруткину, инициировавшему написание настоящего учебника, и старшему преподавателю этой кафедры 
н. в. коханистой, взявшей на себя труд по техническому редактированию рукописи. особую благодарность автор приносит рецензентам учебника: ведущему научному сотруднику ао 
«вниГриуголь», доктору геол.-минерал. наук б. и. Журбицкому, заведующему кафедрой социально-экономической географии и природопользования, доктору геогр. наук, проф. а. д. Хованскому – за труд по изучению книги и внесению в нее замечаний и поправок.

список сокращений

ак – акустический каротаж
акФ – автокорреляционная функция
ацП – автоматический цифровой преобразователь
бк – боковой каротаж
бкз – боковое каротажное зондирование
викиз – высокочастотный индукционный каротаж изопараметрических зондирований
вкФ – взаимно-корреляционная функция
вП – вызванная поляризация
всП – вертикальное сейсмическое профилирование
вЧр – верхняя часть геологического разреза
вЭз – вертикальное электромагнитное зондирование
Гис – геофизическое исследование скважин
Гк – гамма-каротаж
Гс – геологическая среда 
дакФ – двумерная автокорреляционная функция
дЭз – дипольное электромагнитное зондирование
дЭМП – дипольное электромагнитное профилирование
еиЭМПз – естественное импульсное электромагнитное поле земли
еП – естественный потенциал
ерЭ – естественно-радиоактивные элементы
зсб – зондирование сопротивлением поля в ближней зоне
зМс – зоны малых скоростей
зсд – зондирование сопротивлением поля в дальней зоне
зу – запоминающее устройство
ики – инфракрасное излучение
икс – инфракрасная съемка
и-П – источник-приемник
кП – комбинированное профилирование
кПк – короткопериодные колебания
крП – круговое профилирование
кс – кажущееся сопротивление
кЭП – комбинированное электропрофилирование
Мзт – метод заряженного тела
Мов – метод отраженных волн
МПв – метод преломленных волн
МПП – метод переходных процессов

Список сокращений

МПФ – методы пространственной физической фильтрации
МПЭФ – метод пространственной электрической фильтрации 
Мтз – магнитотеллурическое зондирование
МтП – магнитотеллурическое профилирование
нк – нейтронный каротаж
оГт – общая глубинная точка
оПв – общий пункт возбуждения
оПП – общий пункт приема
отв – общая точка возбуждения
Пв – пункт возбуждения
Пзтбо – полигон захоронения твердых бытовых отходов
Пк – персональный компьютер
ПП – пункт приема
Пс – потенциал собственной поляризации
ПсГ – продольный срединный градиент
рЛз – радиолокационное зондирование
рЛП – радиолокационное профилирование 
ртс – радиотепловая съемка
сат – скважинное акустическое телевидение
сГ – срединный градиент
сПз – суммарный показатель загрязнения
сЭП – симметричное электропрофилирование
тоПП – твердые отходы производства и потребления
ув – углеводороды
уЭс – удельное электрическое сопротивление
ФГМ – физико-геологическая модель
ФГМЭ – физико-геологическая модель экосистемы
Фнв – фильтры направленного возбуждения
ФнП – фильтры направленного приема
Чз – частотное зондирование
Эз – электромагнитное зондирование
ЭМи – электромагнитные измерения
ЭМП – электромагнитное профилирование
ЭП – электропрофилирование
ЭПтз – электропотенциальное томографическое зондирование
Эс – эманационная съемка

введение

курсы геофизических дисциплин (геофизика общая, разведочная, полевая, инженерная, гидрогеологическая, экологическая, 
ландшафтная и др.) читаются более чем в 70 вузах российской 
Федерации студентам геологического, географического, биологического, археологического, мелиоративного и других профилей. 
за время возникновения и становления разведочной геофизики 
(более 80 лет) для ее изучения составлено не менее ста учебников, учебных пособий и методических руководств как по отдельным разделам, ставшим в то же время самостоятельными курсами, так и по дисциплине в целом. Периодичность издания и переиздания составляет в среднем пять лет. Это определенным образом связано с постоянным появлением новых прогрессивных 
технологий полевых, дистанционных и аквальных геофизических съемок, с разработкой современной геофизической аппаратуры и оборудования, созданием компьютерных программ обработки геофизической информации. введение

По комплексированию геофизических методов к настоящему 
времени имеется три базовых учебника (а. Г. тархов, в. М. бондаренко, а. а. никитин, 1982; в. в. бродовой, 1991; а. а. никитин, в. к. Хмелевской, 2004) и одно учебное пособие (Г. П. новицкий, 1974). Эти учебники и учебное пособие предназначены для специальностей «Геофизика» и «Геофизические методы 
поисков месторождений полезных ископаемых» и стали в большинстве случаев библиографической редкостью. их освоение 
предопределяется предшествующим изучением базовых дисциплин разведочной геофизики (грави-, магнито-, электро-, сейсмо-, терморазведки, радиометрии и ядерной геофизики, геофизических методов исследования скважин), которые студентам геологических и геоэкологических специальностей читаются в сокращенном виде в общем курсе «Геофизика». Поэтому в настоящем учебнике «комплексирование геофизических методов для 
решения инженерно-геоэкологических задач», адресованном 
магистрантам-геоэкологам, в предельно доступной форме изложены физико-геологические основы и особенности применения 
методов прикладной, в особенности экологической и инженерной, геофизики, что позволяет дополнить и усовершенствовать 

Введение

систему знаний, необходимых для дальнейшей производственной 
и научной деятельности.
отличительная особенность данного учебника заключается 
в одинаковом структурировании всех разделов, начиная с описания сущности того или иного геофизического поля и созданных для изучения распределения в земной коре этих полей геофизических методов; формулировании геологических задач; изучении физико-геологических предпосылок применимости геофизических методов, оценке их геологической и экономической результативности. такое изложение курса, по мнению автора, способствует более глубокому усвоению достаточно сложной и емкой 
дисциплины, какой является разведочная геофизика.
Экологическая геофизика использует все методы разведочной 
геофизики и является ее научно-прикладным разделом. структуру экологической геофизики в системе других видов разведочной (прикладной) геофизики (структурная, нефтегазовая, рудная, угольная и др.) по направлениям работ и по используемым 
геофизическим полям можно отобразить схемой, представленной 
на рис. 1. 
Под геофизическим полем следует понимать материальную 
среду, в которой определенным образом распределяются физические потоки, а именно: поле испытывает в земной коре дефор
рис. 1. структурная схема экологической геофизики

Введение

мации (усиление или ослабление) в зависимости от физических 
свойств геологических объектов. Поскольку геологическая среда является гетерогенной (неоднородной), то деформация геофизических полей происходит повсеместно, и задача разведочной 
(в том числе экологической) геофизики, а следовательно, и всех 
ее разделов состоит в изучении особенностей аномальных значений поля, приуроченных к тем или иным геологическим, геоэкологическим и другим объектам.
цель применения методов экологической геофизики – получить над исследуемым объектом аномальные значения и в дальнейшем истолковать полученную информацию. Этот процесс достаточно сложен. Поэтому система знаний экологической геофизики требует изучения таких наук, как физика, геология (литология, геохимия, структурная геология), математика, информатика, 
радиотехника и радиоэлектроника. обязательно знание закономерностей изучения физических свойств пород (петрофизика).
Полный цикл геофизических исследований включает:
1) полевые геофизические наблюдения, цель которых зарегистрировать сигналы геофизических полей с соответствующей аппаратурой;
2) получение сведений и проведение измерений физических 
свойств горных пород;
3) решение прямой геофизической задачи (физическое или математическое моделирование);
4) решение обратной геофизической задачи с целью получения 
геофизического разреза или геофизической карты;
5) трансформацию геофизического разреза в геологический 
посредством петрофизических связей. 
таким образом, разведочную, включая экологическую, геофизику можно представить как информационно-измерительный 
тракт (рис. 2). 
Прямая геофизическая задача – это получение теоретической 
кривой (графика) над объектом заданной геометрической формы 
с конкретными физическими параметрами. задача решается путем математического или физического моделирования. 
Обратная геофизическая задача – это интерпретация результатов полевых измерений с целью получения полного представления о геологических структурах, геометрической форме и физических свойствах изучаемого объекта. задача решается путем

Введение

рис. 2. схема процесса эколого-геофизических работ

сопоставления полевых (наблюденных) кривых с теоретическими кривыми (метод подбора). При неоднозначности решения требуется комплексирование геофизических методов с привлечением дополнительных геолого-геофизических данных.
как правило, регистрируемые геофизические параметры являются интегральными показателями изучаемой среды, где наибольший вклад в суммарное аномальное поле выполняют те объекты, которые наиболее контрастны по физическим свойствам 
и, соответственно, имеют бóльшие геометрические размеры. выявление таких локальных объектов производят специальными 
интерпретационными приемами. наиболее простой способ заключается в вычитании из аномального поля нормального поля. 
считается, что геологическая среда, содержащая изучаемый объект, является нормальным полем и аномалию создает только изучаемый объект. 
все геофизические поля характеризуются параметрами, основными из которых являются потенциал (U) и напряженность (Е). 
При этом U выражает концентрацию указанных полей в той или 
иной точке исследования, а Е (первая производная потенциала) – 
особенности их распределения. в нормальном поле распределение (дифференциация) Е равномерная, а в аномальном происходит деформация поля, т. е. его усиление или ослабление.