Введение к работе
Актуальность работы. В связи с быстрым развитием мировой экономики потребление энергетического и минерального сырья в последнее двадцатилетие резко возросло. Одновременно увеличились трудности геолого-поисковых работ, поскольку резервы месторождений полезных ископаемых на малых глубинах уменьшаются, а с увеличением глубинности поисков условия становятся сложными и неблагоприятными. Это вызывает необходимость постоянного совершенствования средств и методов поисков и разведки месторождений полезных ископаемых. Одной из важных проблем такого совершенство-вания является создание дистанционных методов прямой характеристики состава нефтегазовых залежей и рудных тел, их размеров, а также запасов в них полезных компонентов.
Существенным шагом вперед является установление явления дальней струйной миграции химических элементов от их источников к дневной поверхности (Ю.С.Рысс и др., 1987). Использование этого явления позволило объединить преимущества геофизических и геохимических методов и создать ряд новых методов: ЧИМ - метод частичного извлечения металлов, МДИ -метод диффузионного извлечения элементов, МПФ - метод поисков по металлоорганическим формам нахождения элементов, и ТМГМ -термомагнитный геохимический метод, которые получили название "геоэлектро-химические" методы (Ю.С.Рысс, 1983, О.Ф.Путиков, 1987).
Эти методы позволяют непосредственно определять вещественный состав геологических объектов полезных ископаемых и в перекрытых районах с высокой контрастностью регистрировать с дневной поверхности струйные ореолы различных глубинных объектов в практически любых ландшафтах от тундровых и таежных до пустынных.
В начале развития геоэлектрохимические методы были разработаны для поисков и разведки рудных месторождений в 60-70-х годах и в настоящее время широко применяются в России и за рубежом. В последние годы было проведено опробование геоэлектрохимических методов для прогноза и поисков нефтяных и нефтегазовых месторождений в различных структурных и петро-стратиграфических условиях в России и в Китае (Ю.С.Рысс и др., 1990, В.И.Васильева и Н.А.Ворошилов, 1995, Voroshilov N.A. et al., 1997, Лю Жимин, 1992). Полученные результаты подтвердили возможность использо-вания геоэлектрохимических методов для оконтуривания нефтегазовых залежей, включая залежи литолого-стратиграфического типа.
Несмотря на широкое применение геоэлектрохимических методов и их высокую геологическую эффективность, природа и основные закономерности формирования струйных ореолов рассеяния до сих пор недостаточно изучены, особенно для нефтегазовых месторождений. Это Затрудняет как обоснованное использование струйных ореолов в различных геологических условиях, так и определение перспектив развития новых направлений геоэлектрохимических методов.
Цель и задачи работы. Основной целью диссертационной работы являлась разработка физико-химической и физико-математической моделей формирования струйных ореолов рассеяния металлов и обоснование способов их использования для поисков нефтегазовых месторождений. В соответствии с поставленной целью следовало решить следующие задачи:
- рассмотреть все имеющиеся материалы по характеристике струйных ореолов рассеяния элементов с целью выбора наиболее обоснованного и реального варианта механизма их формирования, который можно положить в основу изучения природы и структуры струйных ореолов;
провести физико-химическое моделирование "струйного" переноса металлов в пористой среде в лабораторных условиях;
выполнить физико-математическое обоснование формирования струйных ореолов рассеяния элементов и определить характеристики распределения концентрации элементов в пространстве и во времени;
обобщить физико-химико-геологическую информацию о распределении концентрации элементов в струйных ореолах с целью построения физико-химико-геологической модели для нефтегазовых месторождений;
разработать способы обработки и интерпретации геоэлектрохимических данных по концентрации металлов в струйных ореолах над нефтегазовыми месторождениями в соответствии с полученной обобщенной физико-химико-геологической моделью.
Методы исследования. При решении упомянутых . задач применены экспериментальные и аналитические методы исследования. В работе использовано физико-химическое моделирование формирования струйных ореолов рассеяния металлов в водонасыщенных пористых системах в научно-исследовательской лаборатории геоэлектрохимических методов разведки МПИ С-Петербургского государственного горного института (технического университета), численное решение на компьютере DX486-100 нелинейного интегро-дифференциаль-ного уравнения для концентрации подвижных форм элементов в нестационарных одномерных струйных ореолах рассеяния и статистический анализ полевых данных геоэлектрохимических методов МПФ и ТМГМ, полученных в институте ВИРГ.
Научная новизна исследований состоит в следующем.
1. Впервые выполнено физико-химическое моделирование формирования струйных ореолов рассеяния металлов в водонасыщенных пористых системах', подтверждающее возможность
переноса металлов газовыми пузырьками в процессе "естественной" ионной флотации в пористых горных породах.
2. Определены закономерности прохождения газовых
пузырьков и переноса ими металлов в водонасыщенных пористых
системах (моделях пористых горных пород).
-
Численно решено нестационарное нелинейное интегро-дифференциальное квазиконвективное уравнение для концентрации подвижных форм элементов путем сочетания алгоритмов конечных разностей и итерации.
-
Установлено явление стабилизации фронта продвижения концентрации подвижных форм элементов при формировании струйных ореолов рассеяния.
5. Разработана методика качественной и количественной
интерпретации полевых данных геоэлектрохимических методов
МПФ и ТМГМ для нефтегазовых месторождений.
Достоверность научных результатов обеспечивается использованием современных высокочувствительных аналитических средств и достаточным объемом экспериментов при физико-химическом моделировании струйных ореолов, а также достаточной корректностью использования математического аппарата численного анализа при теоретическом исследовании.
Практическая значимость работы. Результаты, полученные при физико-химическом и физико-математическом моделировании могут быть использованы в качестве основных критериев характеристики особенностей и структуры струйных ореолов рассеяния и обоснования применимости различных вариантов исследования струйных ореолов для глубинных поисков полезных ископаемых. Практическую ценность для количественной интерпретации геоэлектрохимических полевых данных методов ЧИМ, МДИ, МПФ и ТМГМ представляют полученные соотношения между шириной аномалии струйного ореола и глубиной залегания нефтегазовых месторождений. Перечисленные результаты переданы
7 в институт ВИРГ-Рудгеофизика для включения в научный отчет за 1998г.
Апробация работы. Основные положения работы доложены на Международной геофизической конференции и выставке "Санкт-Петербург' 95" (С-Петербург, 1995), на Ежегодной научной конференции молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение" (С-Петербург, 1997), на Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов "Геофизика' 97" (С-Петербург,1997), на Международной геофизической конференции и выставке "Москва' 97" (Москва, 1997), на Ежегодной научной конференции молодых ученых "Полезных ископаемых России и их освоение" (С-Петербург,1998).
Результаты работы используются при чтении профессором О.Ф.Путиковым курсов "Теоретические и физико-математические основы теории струйных ореолов рассеяния" и "Геоэлектрохимические методы поисков и разведки" на кафедре геофизических и геохимических методов разведки СПбГГИ, а также будут включены в монографию на английском языке "Geochemical Remote Sensing of the Subsurface" под редакцией проф. М.Хейла Международного института аэрокосмических съемок и наук о Земле (ITC, Дельфт, Нидерланды).
Работа над диссертацией включена в научный проект по теме "Теоретико-экспериментальное обоснование использо-вания струйных ореолов рассеяния для прогноза и поисков нефтегазовых месторождений геоэлектрохимическйми методами" в рамках программы "Университеты России" (1997-2000г.г.).
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 6 научных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы. Основная часть работы содержит 149 страниц текста, 75 рисунков и
8 20 таблиц. Список использованной литературы включает 101 наименования.
Работа по диссертации выполнена на кафедре геофизических и геохимических методов поисков и разведки СПбГГИ под руководством доктора геолого-минералогических наук, профессора О.Ф.Путикова, которому автор выражает свою искреннюю благодарность. Большую помощь при проведении работы, сборе материалов и обсуждении вопросов оказали проф. А.А.Молчанов, В.Х.Захаров, А.Н.Телегин, доц. Ю.О.Козында, М.М.Омельченко, ст. н.с. В.Г.Терентьев, н.с. К.В.Блинов, и научные сотрудники института ВИРГ-Рудгеофизика, в особенности, С.А.Вешев, Н.А.Ворошилов, С.Г.Алексеев, К.И.Степанов, В.К.Титов и другие. Всем им автор признателен.