Таблица 16
Форма записи и пример анализа пробы воды на приборе ИНГЕМ-1.

Затем последовательно изложен ход расчета полной концентрации гелия с привлечением необходимых дополнительных элементов — введения поправки в анализ воды на объем находящегося в бутылке газового пузырька (берется с графиков рис. 16) и оценки растворимости гелия в воде при температуре и минерализации, характерных для сферы опробования (рис. 17).

Рис. 16. Графики для определения поправочного коэффициента К1
на объем газового пузырька в бутылках емкостью 0,25 и 0,5л.

Рис. 17. Кривые растворимости гелия в водах различной минерализации
при температуре от 5 до 45°С и давлении 10⁵ Па (по Намиоту и Бондаревой, 1963г.).

2. ВЫБОР УНИВЕРСАЛЬНОГО ВЫРАЖЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ПОЛЯ ГЕЛИЯ

Известно повсеместное распространение гелия на Земле, в атмосфере и космосе. Например, обнаружена гелиевая атмосфера Меркурия; высокие концентрации гелия установлены в лунном грунте. Желательно в этой связи единое выражение для исследуемых пространств общего поля гелия. Препятствием здесь является многовариантность способов выражения его концентраций, часть из которых противоречит даже физическому смыслу. Так, в ряде публикаций сохраняется выражение концентрации гелия для воды в объемных процентах. Это неверно, поскольку гелий в воде растворен истинно и объема практически не занимает.

Таблица 17
Применяемые единицы концентраций гелия в различных вмещающих средах (фазах).

В табл. 17 показаны основные формы выражения концентраций гелия для всех сред. Из них для газа и воды наиболее удобно выражение в упругости, или паскалях. Применение такой формы возможно, например, для построения разреза вертикального поля гелия литосферы, гидросферы и атмосферы, в том числе в высокогорных условиях, где упругость гелия отличается от упругости на уровне моря. На рис. 18 приведен подобный разрез, наглядно показывающий распределение потоков и характер поля гелия.

Рис. 18. Вертикальный разрез поля гелия.
1 – океанский рифт;
2 – разломы;
3 – изолинии концентрации гелия (Па): а – в атмосфере, б – в гидролитосфере.

Вместе с тем часто требуется построение трехфазных систем. Результаты изучения твердой фазы (керна и штуфов) в равновесии ее с газом и водой (раздел 3 главы III) позволяют найти способы выражения концентраций гелия в единицах упругости и для этой фазы. Способ пересчета следующий:
а) известными методами определяют количество гелия в единице массы твердой фазы (см³/г);
б) зная плотность породы (минерала), вычисляют количество гелия в единице ее объема (см³/см³);
в) исходя из отмеченных выше условий фазовых равновесий гелия, приравнивают это количество к константам его растворимости в воде с минерализацией и температурой, характерными для исследуемой среды.
Отсюда формула для расчета упругости гелия в твердой фазе примет вид:

где RНе – коэффициент растворимости гелия.

Не все формы гелия могут создавать давление. Поэтому рассчитанное указанным способом давление больше реального и его следует называть условным. Например, для образца лунного грунта, отобранного станцией «Луна-20» с глубины первых десятков сантиметров (Задорожный, 1976г.), установлена концентрация гелия 0,1 см³/г, что при плотности ~1 дает 1,1 х 10⁶ Па. Очевидно, в действительности давление значительно ниже и большая часть этого гелия в лунных условиях находится в связанном состоянии. Иначе гелий немедленно вырвался бы в вакуум окололунного пространства. Тоже относится к земным радиоактивным минералам, в которых, по оценке П. М. Харлея (1956г.), давление достигает 20 МПа (по нашему расчету, условное давление можно оценить в сотни мегапаскалей). Такое давление на поверхности земли разорвало бы радиоактивный минерал. Однако этого не происходит, поскольку значительная часть гелия находится в связанном состоянии.

Таким образом, в рассматриваемом случае давление является условным (обозначим его через Р'). С этой оговоркой представляется единственная возможность сопоставления интенсивности гелиенасыщения вмещающей трехкомпонентной среды, в том числе для таких объектов, как космический вакуум, где давление гелия стремится к нулю.
По двум другим фазам вещества способ расчета упругости: был показан в рассмотренных выше примерах; общая формула его:

где RНе – коэффициент растворимости гелия для воды, зависящий от ее температуры, минерализации и давления.


3. СОСТАВЛЕНИЕ КАРТОГРАФИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

Опыт гелиеметрических исследований показывает целесообразность развития работ от рекогносцировочных, региональных и мелкомасштабных к более крупномасштабным. В ходе таких, работ учитываются все особенности строения района — тектонические, гидрогеологические, геоморфологические и др.
Предварительную обработку данных съемки полезно проводить, начиная с рекогносцировочного этапа. Тогда увеличение информации, связанное с уплотнением съемочной сети и интерпретацией получаемых результатов, будет способствовать целенаправленному ведению работ.
По данным опробования составляется карта фактического материала, куда выносятся точки гелиевой съемки с принятой для района системой нумерации; одновременно строится карта наблюденных концентраций с результатами анализа проб. К нумерации и составлению первичных материалов следует отнестись очень внимательно, поскольку в отборе проб обычно участвует много исполнителей; важно, чтобы номера проб не повторялись и, кроме того, отражали вид опробования, характер водоносного комплекса и др. (см. табл. 15 и 16).
Следует обратить внимание исполнителей на очевидные преимущества построения поля гелия в изолиниях его интенсивности. Это подтверждает, известный общий вывод о более выразительном изображении любых гидрохимических полей в изоконцентрациях по сравнению с практикуемыми до сих пор (особенно в гидрогеологии) способами выражения в точках или кружках с секаторами значимости процентных содержаний компонентов. Перечислим наиболее часто применяемые графические построения:
1) схема наблюденного поля гелия начального этапа работ;
2) карта наблюденного поля гелия, составляемая с использованием статистической обработки материала и с учетом коэффициента контрастности;
3) карта «сглаженной» поверхности.
Все три варианта строятся вручную. Кроме того, отработано автоматизированное построение карт в изолиниях с проведением; тренд-анализа на ЭВМ. Приведем примеры ручного и машинного построения. Варианты ручного построения проще на ранних этапах работ при небольшом объеме фактических материалов. При этом не следует избегать построения карт по данным редкой рекогносцировочной сети опробования. Специфика распределения гелия такова, что предварительное рассмотрение материала уже дает информацию об основных особенностях геологического строения района.

В качестве примера на рис. 19 приведена схема регионального поля гелия Северного Казахстана, построенная в 1967г. на начальном этапе работ по редкой сети (средняя плотность съемки — одна точка на 250—300 км²). На этой схеме отразились генерализованные тектонические структуры Кокчетавской глыбы — крупные непроницаемые жесткие блоки, разделенные системами глубинных разломов.

Рис. 19. Схема поля гелия (Северный Казахстан), построенная в 1967г.
Концентрация гелия в об. %:
1 — < 5 х 10^-3
2 — 5 х 10^-3 – 5 х 10^-2
3 — > 5 х 10^-2
А, Б – участки детальных исследований, показанные соответственно на рис.22 и рис.23
Гранитные массивы (цифры в кружках): 1 – Зерендинский, 2 – Алаботинский, 3 – Кыркудукский.
Системы глубинных разломов: 4 – Аккан-Бурлукская, 5 – Атанасор-Ерментауская.

В ходе изучения поля гелия района и увеличения числа точек наблюдений последовательно изменяется характер картографического материала — от схем до кондиционных карт со статистической оценкой градаций поля. При этом выявляются структуры более мелкого порядка.
На рис. 20 показан второй вариант схемы поля гелия района Северного Казахстана, построенной в 1978г. В контуре расширенной площади съемки аномалиями достаточно четко отражены крупные структурные узлы. Кроме выявленных ранее систем раз ломов установлены крупные нарушения диагональной и ортогональной ориентации.

Рис. 20. Схема поля гелия с дополнением и уточнением съёмки 1968г.
1 — < 5 х 10^-3
2 — 5 х 10^-3 – 5 х 10^-2
3 — > 5 х 10^-2 – 5 х 10^-1
4 — > 0,5
Структурные узлы (цифры в кружках): 1 – Сарыадырский, 2 – Легаевский, 3 – Орлиногорский, 4 – Щучинский.

Следующий этап работ иллюстрирует карта 1970г. (рис. 21). Плотность съемки к этому периоду достигла в среднем одной точки на 100 км²; ряд площадей были сняты уже в масштабе 1 : 200 000 (одна точка на 20 км²). Сложное сочетание областей низкой гелиеносности и зон повышенных концентраций с аномалиями высоких значений четко отразили структуру «колотого льда», характерную в целом для континентальной земной коры, что было показано более поздними исследованиями в других регионах (Еремеев, Яницкий, 1975г.).

Рис. 21. Схема поля гелия с дополнением и уточнением съёмки 1969-1970гг.
Обозначения как на рис.20.

Следует отметить, однако, что сгущение плотности съемки не везде выявляет детали структуры поля гелия. В области крупных непроницаемых жестких блоков при любом сгущении съемочной сети сохраняется однородное поле гелия, что показано на рис. 22, а, б для участка Зерендинского массива. Этот же участок на рис. 19—21 помечен буквой А.
В отношении межблоковых зон, особенно структурных узлов, следует отметить, что сгущение съемочной сети действительно приводит к существенной детализации поля гелия, имеющей здесь очень сложное строение. Например, в области Легаевского структурного узла (контур Б на рис. 19—21) усложнение съемочной сети последовательно привело к большим преобразованиям первоначально полученной картины. На рис. 23 показан последний вариант съемки этой площади, где средняя плотность достигла одной точки на 10 км². Однако и это не предел разрешающей способности съемки, поскольку любая из аномалий при дальнейшей детализации дифференцируется, при этом выявляются еще более мелкие неоднородности поля гелия — локальные проницаемые и непроницаемые элементы тектонически нарушенных пород. Опыт работ на поверхности земли и в подземных выработках в области сильно нарушенных пород показал наличие неоднородностей поля гелия в интервале первых метров (масштаб съемки 1:1000), что определяется исключительно фильтрационными характеристиками исследуемой среды.

Рис. 22. Пример уплотнения съемочной сети в поле гелия низкой и равномерной интенсивности
(Северный Казахстан, Зерендинский участок, 1966—1970гг.).
а — рекогносцировочная съемка; б — после уплотнения съемочной сети.
1 — точка отбора пробы и измеренная в ней концентрация гелия (n х 10^–6 об. %) за вычетом содержания в атмосферном воздухе;
2 — изолиния концентраций (об. %);
3 — области повышенной концентрации (5х10^-3 — 5х10^-2 об. %).

Рис. 23. Поле гелия участка Легаевского структурного узла (участок Б на рис. 19—21). См. обозначения на рис. 20.
Рядом с точкой отбора пробы приведена измеренная в ней концентрация гелия (n х 10^—6 об. %) за вычетом содержания в атмосферном воздухе.

На примере гелиевой съемки в Прибалтике сопоставим результаты ручной и машинной обработки данных. Опробование в производственных масштабах выполняется здесь с 1973г. Управлением геологии Совета Министров Эстонской ССР (Судов, Тибар, 1977г.); машинная обработка выполнена Т. В. Созиновой (ВИМС).
Исходный материал этих исследований содержит данные опробования скважин, постоянно эксплуатирующих подземные воды на глубине 60—70 м. Число точек (водопунктов) достаточно большое — более 1200 шт.; расположение скважин неравномерное. При составлении карты ручным способом, как и на рис. 19—22, изолинии проводились путем линейной интерполяции значений между соседними точками (рис. 24). При автоматизированной машинной обработке вначале отрабатывалась аппроксимирующая поверхность с учетом значений в окружающих, точках, что сглаживает единичный показатель. На основе полученных в усредненных точках величин проводится система изолиний. Такая методика определяет более вероятное построение карты, в особенности при неравномерной сети опробования и значительных изменениях исследуемых концентраций.

Рис. 24. Карта поля гелия территории Эстонской ССР (ручное построение, 1976г.).
Градация поля гелия ( в 10^–5 мл/л ) :
1 — < 50
2 — 50 – 100
3 — 100 – 1000
4 — > 1000

Для автоматизированного построения карт и тренд-анализа исходный материал обрабатывался дополнительно (подробное описание методики и программы для ЭВМ изложено в работе И. Д. Савинского, 1975г.). При этом исследуемая территория разделялась на квадраты, размеры которых определялись густотой расположения на площади опробуемых водопунктов (в среднем 6х6 км). Затем в пределах каждого квадрата, число которых для контура карты составило 906, по расположенным в них водопунктам были усреднены значения концентраций гелия. Полученные величины, отнесенные к центрам квадратов, использовались для построения карт в изолиниях, механическое проведение которых осуществлялось графопостроителем «Атлас» (Савинский и др., 1975г.).
Аппроксимирующая поверхность изображена на трех картах. Карта интерполяционной поверхности отражает все зафиксированные изменения концентраций гелия в водах (рис. 25, а); карта тренда содержит лишь сглаженную поверхность, обусловленную региональными закономерностями (рис. 25, б). Разность между двумя указанными значениями этих поверхностей определяет остаточную компоненту, характеризующую локальные изменения исследуемых величин; последние изображаются на карте локальных отклонений (рис. 25, в).
На всех сравниваемых картах обнаруживается соответствие в общей картине распределения гелия. Как на рис. 24, так и на рис. 25,а—в аномальными значениями проявились все четыре крупные региональные гелиеносные структуры — Таллинская, Пярнуская, Кохтла-Ярвская и Тартуская. Однако на карте тренда и интерполяционной поверхности более четко выделились границы их распространения. В то же время на карте локальных; отклонений более заметны менее крупные (местные) структуры, соответствующие участкам положительных отклонений от тренда.
В последнем случае уточнилась ориентация ряда аномалий: в северо-западной части территории более четко проявились северо-западные и субширотные простирания, а в пределах северовосточной площади — юго-западные и субмеридиональные.
Вследствие этого точнее выявлена общая структура аномалии, отражающая систему современных глубинных разломов.

Рис. 25-1. Варианты карт поля гелия территории Эстонской ССР,
построенные с помощью ЭВМ графопостроителем «Атлас» по методике И. Д. Савинского
(параметр сглаживания поверхности р=1;
коэффициент взаимосвязи исходных значений,
n — 0,75;
радиус влияния р=6,0 ).

Рис. 25-2. а — карта интерполяционной поверхности.
Изолинии проведены по значениям 50, 200, 500, 1000, 2000 и 5000 х 10—5 мл/л:
б — карта тренда. Изолинии те же;
в — карта остаточной компоненты.
Изолинии проведены по значениям отклонений —1000, —500, —200, —100, —10, 0, 10, 100, 200, 500 и 1000.

Рис. 25-3. Продолжение рис.25.

Приведенные сопоставления не выявляют каких-либо особых различий карт ручного и машинного построения — они отличаются только в деталях. Существенной разницы и не должно быть, поскольку все они формализуют объективную реальность — природное поле гелия. Разница очевидна только по времени построения — на машине затрачиваются лишь первые часы; безусловна также большая точность построения изолиний. По этим признакам предпочтительна машинная обработка — построение карт поля, гелия для крупных регионов, с учетом дальнейшего совершенствования программ; она содержит неисчерпанные возможности гелиеметрических исследований.


4. ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ДАННЫХ ГЕЛИЕВОЙ СЪЕМКИ

Всесторонние исследования структуры поля гелия выполнены в различных районах Советского Союза. В качестве примеров интерпретации комплекса данных служат Северный и Восточный Казахстан, Днепровско-Донецкая впадина, Московская синеклиза и Прибалтика. Здесь карты гелиевой съемки сопоставлены с основными геологическими, гидрогеологическими и геофизическими материалами: картами силы тяжести ∆g, магнитных аномалий ∆Т, тектоническими схемами и картами разломов, неотектоническими построениями, данными высотной и космической съемок. В результате установлено, что материалы гелиевой съемки не конкурируют ни с одним из перечисленных методов, поскольку они несут специфическую информацию о проницаемости земной коры и ее геодинамической активности. Рассмотрим эти особенности на ряде примеров.
На рис. 26 представлена геологическая карта Северного Казахстана в границах схем и карт гелиевой съемки (см. рис. 19—21). В области выходящего на поверхность земли докайнозойского фундамента здесь выделены линии глубинных разломов, образующие комбинацию концентрических и диагональных систем. На площади развития кайнозойских пород (северная часть) разломы обычными методами геологического картирования не установлены.

Рис. 26. Геологическая карта Северного Казахстана (1974г., упрощенный вариант).
1 — область приповерхностного залегания докайнозойских пород, в том числе:
2 — доверхнепротерозойского возраста.
3 — доверхнедевонского возраста.
4 — докайнозойского возраста,
5 — гранитоидного состава всех возрастных групп;
6 — область залегания кайнозойских и мощных четвертичных пород:
7 — главные системы разломов (а — достоверные, б — предполагаемые);
8 — изоглубины залегания фундамента (в метрах).

На рис. 27 в том же контуре дана карта поля гелия региона с выделенными различными авторами направлениями основных разломов приповерхностного характера (получены обычными способами геологического картирования). Совпадение гелиеносных и тектонических структур такого типа весьма слабое.

Рис. 27. Карта разрывных нарушений Северного Казахстана в поле гелия,
выделенных по комплексу наземного геологического картирования.
1–3 — системы соответственно крупных, средних предполагаемых разломов.
4–6 — площади соответственно низкой, средней и высокой гелиеносности.

Значительно лучшая корреляция рассматриваемых элементов для поля гелия и систем разломов достигается при построениях с помощью методов глубинной геофизики. На рис. 28 показаны основные разломы (линии физической неоднородности) и гранитоидные тела на глубине 5—10 км от поверхности земли (по Иванову, 1967г.) на фоне приповерхностного поля гелия. Дальнейшая генерализация неоднородностей земной коры приводит к выявлению глубинных структур первого порядка (рис. 29). Совпадение структуры поля гелия с подобными глубинными линеаментами, можно считать очевидным.

Рис. 28. Схема разломов и гранитоидных тел Северного, Казахстана для глубины 5—10 км
(по данным О. Д. Иванова, М. И. Мелентьева, 1966г.).
1 — гранитоиды:
2 — метаморфический комплекс;
3 — разломы.

Рис. 29. Схема неотектонических дислокаций Северного Казахстана (по В. И. Бабаку, 1969г.)
с линиями тектонических линеаментов (по А, И. Суворову, 1968г.).
1 — наиболее интенсивные блоковые движения;
2 — структурные линии малоамплитудных деформаций;
3 — граница области неоген-четвертичного поднятия;
4 — области погружения и осадконакопления;
5 — оси древних унаследованных подвижных зон.

В свете этого представляется на первый взгляд противоестественной явная связь структуры поля гелия с элементами рельефа дневной поверхности (см. рис. 29). Она объясняется общей связью неотектоники и гелиевых аномалий с вертикальными долгоживущими и унаследовано развивающимися разломами, получившими название «вертикальных безамплитудных» (Косыгин, 1968г.) .
Оказывается, они представляют собой наиболее глубинные тектонические образования земной коры, обусловленные движениями на уровне динамосферы и определяющие ее блоковое строение. Разумеется, «безамплитудными» разломы названы условно, поскольку происходящие в них вертикальные движения обычно развиваются медленно и имеют относительно небольшую амплитуду. Однако именно они определяют современный рельеф, изменяющийся повсеместно, в том числе в таких относительно устойчивых областях, как Московский бассейн Русской платформы. Поэтому подобные разломы лучше называть «вертикальными малоамплитудными». Именно в них постоянно разгружаются микросейсмические, приливные и другие движения земной коры, благодаря чему поддерживаются условия повышенной проницаемости. Через проницаемые зоны под избыточным (над гидростатическим) давлением разгружается в форме фильтрационного потока гелиеносный флюид (рис. 30).

Рис. 30. Концентрационная поверхность поля гелия с определяющей ее геологической ситуацией (внизу).

Таков вероятный механизм образования столь неоднородного и контрастного поля гелия в приповерхностном слое литосферы, признаки которого, судя по рассмотренным в главах I и II данным, наблюдаются на всех континентах. Только процессом выжимания гелиеносного флюида под избыточным давлением по зонам повышенной проницаемости можно объяснить эффект «просвечивания» глубинных разломов через мощную толщу осадочных пород, в том числе рыхлых покровов. Этот эффект нашел отражение на рис. 21—28 в северной экранированной части Кокчетавской глыбы, где мощность покровов достигает 200—300 м. В районе г. Рубцовска (на северо-западном продолжении структур Рудного Алтая) гелиеносные рудные узлы зафиксированы под экраном мощностью до 600 м. Наконец, подобные структуры надежно выявляются в Московской синеклизе, где мощность осадочной толщи до 1700 м, и в Днепровско-Донецкой впадине с мощностью пород верхнего структурного этажа до 12 тыс. м.

Чрезвычайно высокая информативность гелиевой съемки позволяет выявлять современные мобильные разломы при любой мощности осадочного чехла и наложенном характере физических полей в разных горизонтах, т. е. в тех сложных условиях, когда все перечисленные выше методы структурного картирования не дают результатов. Приведенный материал позволяет рекомендовать апробированную схему интерпретации данных гелиевой съемки, в ходе которой следует анализировать всю имеющуюся информацию о строении исследуемого района, особенно в отношении глубинного тектонического строения, гидрогеологии и газового режима.



Главная
1. История исследований гелия
2. Общие сведения о нахождении и распределении гелия в недрах
3. Изучение потока гелия в верхней части литосферы
4. Методика водногелиевой съемки
5. Обработка результатов гелиевой съемки
Литература
Об авторе