Геолого-геофизические методы изучения земной коры

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

Федеральное государственное бюджетное  

образовательное учреждение высшего образования 

«ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

 

«Горный институт Уральского отделения Российской академии наук» – 

филиал Федерального государственного бюджетного  

учреждения науки Пермского федерального исследовательского центра 

Уральского отделения Российской академии наук 

 

 
 

 
 

 

ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ 

ИЗУЧЕНИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ 

 

 

Монография 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Пермь 2019

УДК 550.831+550.838+550.423+550.835 
ББК 26.2 

Г36 
 

 
Г36 

Геолого-геофизические методы изучения земной коры: моно
графия 
/ 
М. С. Чадаев, 
В. И. Костицын, 
В. А. Гершанок, 

Р. Г. Ибламинов, М. В. Тарантин, Г. В. Простолупов / под общей ред. 
М. С. Чадаева; Перм. гос. нац. исслед. ун-т. – Пермь, 2019. – 148 с. 

ISBN 978-5-7944-3278-7 

 

Первый раздел посвящен применению гравиметрии, кратко освещены 

геохимическая специфика нефти, изотопная характеристика пород, использование двух параметрических величин в виде их отношения. 

С применением программных средств ВЕКТОР и ПОЛЮС проанализиро
вано строение нижней земной коры Северной Европы. 

Во втором разделе приведены основные сведения о радиоактивности 

и естественных радиоактивных элементах, особенностях радиометрических 
и ядерно-геофизических методов и их использовании при решении различных 
геологических задач. 

В третьем разделе изложен опыт структурных построений с применени
ем метода группового учета аргументов (МГУА). 

В четвертом разделе кратко рассмотрены вопросы глубинной геологии, 

в том числе пермского региона. 

Монография адресована специалистам и студентам геологических и гео
физических специальностей. 

УДК 550.831+550.838+550.423+550.835 

ББК 26.2 

 

Печатается по решению кафедры геофизики геологического факультета 

Пермского государственного национального исследовательского университета 
 
Рецензенты: заместитель директора Филиала ООО «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг» 

«ПермНИПИнефть» в г. Перми по научной работе в области геологии доктор технических наук И.С. Путилов 
ведущий научный сотрудник АО «ВНИИ Галургии» кандидат 
технических наук А.М. Пригара 
 

Авторы благодарны доктору физико-математических наук А.С. Долгалю  

за полезные замечания при рассмотрении рукописи. 

 
  

ISBN 978-5-7944-3278-7 
 
 

© ПГНИУ, 2019  
© ГИ УрО РАН, 2019 
© Чадаев М. С., Костицын В. И., 

Гершанок В. А., Ибламинов Р. Г., 
Тарантин М. В., Простолупов Г. В., 2019 

СОДЕРЖАНИЕ 

 

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………...
5

1. ИЗУЧЕНИЕ ЗЕМНОЙ КОРЫ ПРИ ПОМОЩИ ПОСТРОЕНИЯ 
ГРАВИМЕТРИЧЕСКИХ РАЗРЕЗОВ………………………………….….… 
7 

1.1. Тригональная технология полевой съёмки с гравиметрами…….…...
7

1.2. Обработка гравиметрических данных в системе ВЕКТОР…………..
8

1.3. Вертикальное проецирование гравитационного поля в системе ВЕК
ТОР……………………………………………………………………... 
11

1.4. Обработка гравиметрических данных по системе ПОЛЮС………...
11

1.5. Северо-Западная часть региона…………………………………….….
31

1.6. Особенности геологического строения и аспекты геофизической 

изученности……………………………………………………………. 
33

1.7. Построение глубинных гравиметрических разрезов………………...
38

1.8. Северо-Восточная часть региона Общие сведения…………………..
43

1.9. Обработка аномалий силы тяжести на северо-востоке Восточно
Европейской платформы (ВЕП)…………………………………….... 
45

1.10. Анализ гравиметрических разрезов по профилям ГСЗ КВАРЦ, 

АГАТ-2, РУБИН-1…………………………………………………….. 
45

1.11. Сейсмический разрез верхней мантии по Западному и Центрально
му участкам профиля КВАРЦ………………………………………... 
46

1.12. Анализ влияния структурно-вещественных факторов………….….
47

1.13. Результаты анализа гравиметрического разреза КВАРЦ в системе 

ВЕКТОР и в системе ПОЛЮС…………………………………….…. 
52

1.14. Анализ гравиметрических разрезов на акватории Баренцева моря
54

2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАДИОМЕТРИЧЕСКИХ И ЯДЕРНОГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПРИ РЕШЕНИИ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ 
ЗАДАЧ…………………………………………………………………….…….. 

 

58

2.1. Основные понятия и термины…………………………………….…….
58

2.2. Естественные радиоактивные элементы……………………………….
60

2.3. Радиоактивные семейства………………………………………….……
64

2.4. Содержание радиоактивных элементов в различных геосферах

Земли………………………………………………………………..…..… 
70

2.5. Содержание радиоактивных элементов в горных породах…………...
70

2.6. Содержание радиоактивных элементов в нефтегазоносных бассей
нах……………………………………………………………………...… 
74

2.7. Содержание радиоактивных элементов в водах……………………….
77

2.8. Содержание радиоактивных элементов в атмосфере…………………
78

2.9. Роль радиоактивных элементов в тепловом балансе Земли…………..
79

2.10. Сравнительная оценка различных источников энергии……………..
83

2.11. Сравнительная оценка природных и техногенных источников радио
активности по их воздействию на человека………………………..... 
85

2.12. Задачи, решаемые методами радиометрии и ядерной геофизики 

в геологии………………………………………………………………. 
92

2.13. Методы радиометрии и ядерной геофизики…………………………..
103

2.13.1. Радиометрические методы……………………………………..…
104

2.13.2. Ядерно-геофизические методы…………………………………..
105

2.13.3. Геохимические методы…………………………………………...
109

3. ОПЫТ ИЗУЧЕНИЯ СТРОЕНИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ 
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА ГРУППОВОГО УЧЕТА  
АРГУМЕНТОВ (МГУА)………………………………………………………. 

 

110

3.1. Метод группового учета аргументов…………………………….……...
110

3.2. Построение модели границы Мохо……………………………….……..
119

4. ГЛУБИННОЕ СТРОЕНИЕ И МИНЕРАГЕНИЯ СЕВЕРО-ВОСТОКА 
ЕВРОПЕЙСКОГО КОНТИНЕНТА…………………………....................... 
129

4.1. Морфологическая и гравиметрическая характеристика раздела 

Мохо…………………………………………………………………..….. 129

4.2. Анализ структурного плана фундамента……………………………..…
133

4.3. Гравитационное поле и структуры фундамента…………………….….
139

4.4. Глубинное строение земной коры на территории Пермского края…...
142

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………. 144
ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………….……….. 145

 

ВВЕДЕНИЕ 

При исследовании геологических особенностей сочленения оса
дочных структур с глубинными определяющим объектом является 
раздел Мохо, с которым связано формирование структурновещественных и разломных форм, проявление магматической и вулканической активности, участвующей в образовании и размещении 
рудных и углеводородных полезных ископаемых. 

Э. Резерфорд, А. Холмс и Б. Болтвуд обосновали применение 

свойства независимости радиоактивного распада от процессов, происходящих на земной поверхности для датирования горных пород. 
С этой целью ими предложено анализировать образцы изверженной 
вулканической лавы – возраст лавы будет близок к возрасту пород, 
залегающих выше и ниже по разрезу. Таким образом получают сопоставление стратиграфических и радиометрических данных.  

Установлено, что наличие микроэлементов в составе смолисто
асфальтеновых фракциях нефти указывает на участие в генезисе 
нефти продуктов магматической деятельности. 

Вопрос о мантийном или коровом происхождении магмы можно 

выяснить по соотношению двух изотопов стронция, а также по соотношению изотопов неодима и ряда других элементов (В.А. Унксов, 
1985). Для выяснения причин неоднородности источников вулканических пород используют изотопно-геохимические критерии. По изотопным характеристикам пород разработаны систематики изотопных 
и радионуклидных отношений урана, тория и радия (Н.А. Титаева, 
1998). 

По изотопным и геохимическим данным (А.Я. Салтыковский, 

Н.А. Титаева, Ю.С. Геншафт, 1998) известны результаты исследования вулканических пород (о. Исландия), основной объём (80–90 %) 
которых занимают разновозрастные базальты.  

В тонкозернистых осадочных породах установлена (McLennan 

S.M. et al., 1980) корреляционная зависимость между элементами La 
и Th, что обусловлено сходным положением редкоземельных элементов и тория в осадочном процессе.  

Выявленную закономерность используют для оценки содержа
ния Th в верхней коре. При принятом среднем: La/Th = 2,8±0,2 содержание La в верхней коре равно 30 млн-1. Отсюда для тория получаем: 30 млн-1: 2,8 = 10,7 млн-1. 

Отношение Th/U в терригенных осадочных породах в среднем 

равно кларку для земной коры и составляет 4–5.  

Наибольшее содержание урана и тория имеют сланцы, в особен
ности горючие. Ураноносные формации в углисто-глинистых и углисто-кремнистых сланцах имеют концентрацию урана в 10–100 раз 
выше Кларка. Превышающие Кларк концентрации характерны  
и для большинства фосфоритовых формаций. В морских осадочных 
формациях шельфа повышенные концентрации U приурочены к прибрежно-морским фациям. Низкие концентрации U и Th характерны 
для карбонатных пород. Торий связан с глинами, а уран – с органикой. 

Гравиметрическими методами выполнен анализ строения двух 

смежных территорий (Северная Европа): Фенноскандинавского щита 
и северо-восточной части Восточно-Европейской платформы. Основное внимание уделено исследованиям нижней коры, прежде всего, 
разделу Мохо. 

В процессе выполнения работы (раздел 1) использованы карты 

аномалий силы тяжести масштаба 1:1 000 000. В качестве эталонных 
– для анализа и сопоставления – учтены опубликованные материалы 
по профилям ГСЗ КВАРЦ, АГАТ-2 и РУБИН-1, а также карта 
изоглубин раздела Мохо «Crustal Structure Maps of Europe», составленная European Seismological Commission (Warsaw, Helsinki, 2007). 

1. ИЗУЧЕНИЕ ЗЕМНОЙ КОРЫ ПРИ ПОМОЩИ ПОСТРОЕНИЯ 

ГРАВИМЕТРИЧЕСКИХ РАЗРЕЗОВ 

 

1.1. Тригональная технология полевой съемки  

с гравиметрами 

 

Для разделения источников гравиметрических, магнитных 

и аномалий других геопотенциальных полей в плане и по эффективной глубине использованы вертикальные и горизонтальные срезы  
3D-диаграммы в системе ВЕКТОР (VECTOR).  

При построении разностной диаграммы (В.М. Новоселицкий, 

В.А. Кутин, М.С. Чадаев, С.Г. Бычков, Г.В. Простолупов, В.В. Антипин, 2004 «Программа интерпретации геопотенциальных полей методом векторного сканирования VECTOR») применяют процедуру 
осреднения в скользящем окне, последовательно увеличивая его размеры. Размер площади осреднения (максимально площадь полигона) 
связан с глубиной источников. Продолженное таким образом в нижнее полупространство поле не подвержено эффекту «распадения».  

Процедура анализа гравиметрической карты при помощи по
строения разрезов с отображением глубинного аномального поля 
с земной поверхности на глубину в системе ВЕКТОР должна предусматривать содержательную интерпретацию геологического или иного плана. 

Совместное использование аномалий силы тяжести и ее гради
ентов на созданной сети пунктов позволяет увеличить объем извлекаемой 
информации 
за 
счет 
эффекта 
типа 
уплотнения 
сети 

(В.И. Почтарев, 1988; А.А. Харкевич, 1963). 

Применение в системе ВЕКТОР данных полевых наблюдений 

при помощи треугольных полигонов или по системе параллельных 
профилей, а также в случае банка и гравиметрических карт, обеспечивает создание переопределенной системы уравнений для вычисле

ния градиентов силы тяжести. С целью ослабления влияния разновысотности пунктов реализуется специальное условие высотного распределения пунктов на местности: 

 

2Hmin + Hmax < H1 + H2 + H3 < Hmin + 2Hmax, 
(1.1) 

 

где H1, H2, H3 – высотные отметки трех пунктов в полигоне, Hmin 

и Hmax – соответственно минимальная и максимальная высота рельефа. 

На практике условие (1.1) выполнить полностью не всегда воз
можно, поэтому учитывается лишь частично. В орогенических областях учёт разновысотности по данному приему в общем случае может 
быть недостаточным – требуется введение специальной поправки. 

Сети из треугольных полигонов могут быть взаимно увязанны
ми, с перекрытием, обособленными и совмещенными. Построение сети с перекрытием треугольных полигонов реализуется между двумя 
рядом расположенными параллельными профилями. Один пункт используется на одном профиле и два – на другом, затем два пункта на 
первом профиле и один – на втором и так далее. Этот прием позволяет сгладить высокочастотную составляющую поля и избавиться 
от возможных случайных ошибок. 

 

1.2. Обработка гравиметрических данных в системе ВЕКТОР 

 

Система сочетает разделительные свойства векторов полного 

горизонтального градиента с разночастотной фильтрацией поля, что 
позволяет извлечь тот объем информации, который неявно содержится в наблюденном поле. 

Результатом трансформации поля при векторной обработке яв
ляются более десяти разновидностей карт и диаграмм. В зависимости 

от выбранных параметров обработки они характеризуют аномальные 
эффекты от разных геологических слоев. По заданию могут быть выбраны те или иные формы представления результата, наилучшим образом отражающие неоднородности строения. 

Технологичность обработки, минимальные требования к сумме 

исходных параметров и при этом наглядность результирующих карт 
и диаграмм позволили системе векторной обработки найти применение на практике [8−12], как одной из информативных разработок 
в условиях компьютеризации. 

Векторное изображение обладает отчетливо выраженными раз
делительными свойствами и позволяет более эффективно применить 
содержательный анализ при определении морфологии плотностной 
неоднородности и разделении эффектов близко расположенных аномальных масс за счет селекции по направлению. По направленности 
векторов и по их интенсивности (модулю) наиболее контрастно выделяются плотностные неоднородности разреза. В результате возникает специфическая возможность сканирования поля по источникам 
гравитационных аномалий. 

Одновременно набор треугольных полигонов создает упорядо
ченную систему, обеспечивающую оптимальную по плотности сеть, 
необходимую точность и возможность подавления помех.  

В каждом треугольнике (полигоне) по трем приращениям поля 

определяется полный вектор горизонтального градиента аномалии силы тяжести, который относится к центру треугольной площадки. Определив величину и направление среднего в пределах участка съемки вектора полного горизонтального градиента Gср и вычитая его из каждого 
«наблюденного» вектора Gнабл, имеем поле векторов Gа со снятым 
трендом. 

В результате интегрирования из аномальных градиентов восста
навливается поле gвст. Глубина изучения среды определяется размером 

окна осреднения. 

При определении величины и направления среднего вектора Gср 

в скользящем окне учитывается криволинейный фон различной формы и степени «гладкости». Данная процедура с осреднением исходного поля с разным размером окна с переходом к градиентам получа
ет еще одну характеристику – направление изменения поля g. 

Так как при трансформации происходит изменение именно векторной 
характеристики поля (а не только модуля вектора Gнабл), то имеет место принципиально новая процедура обработки, получившая название векторного сканирования. По результатам такой обработки строятся карты векторов горизонтального градиента, восстановленного 
поля силы тяжести, модулей горизонтального градиента и др. 

Процедура векторной обработки представляет результаты в 

наиболее наглядной форме – в виде распределения восстановленного 
из градиентов трансформированного поля силы тяжести – трехмерной диаграммы поля. Диаграмму можно рассматривать как распределение аномальной квазиплотности пород геологической среды. 

При геофизических исследованиях наиболее достоверно опреде
ляются раздел Мохо и поверхность консолидированной коры (кристаллический фундамент). Поэтому часто для оценки по глубине источников аномалий используют нейтральные названия основных слоев земной коры: верхняя, средняя и нижняя [Кашубин С.Н. и др., 
2013]. 

1.3. Вертикальное проецирование гравитационного поля  

в системе ВЕКТОР 

 

При изучении строения верхней, средней и нижней земной коры 

применяют комплекс сейсмических методов, сопровождаемый гравиметрией, магнитометрией и другими методами. По Н.В. Шарову 
[13] целесообразно совмещение технологий ОГТ-МРС (метод разведочной сейсмологии), ГСЗ (глубинного сейсмического зондирования, 
усовершенствованный на основе многоволновой сейсмики), МОГТ − 
метод общей глубинной точки, особенно эффективный при восстановлении структур в осадочном чехле. 

В процессе решения обратной задачи гравиметрии, а также маг
нитометрии, способом подбора участвуют два модельных компонента: 1) схема или эскиз геологического строения и 2) петрофизическое 
обеспечение. Отсюда возникает необратимая зависимость от принятой начальной модели. Теоретическая неоднозначность решения 
осложняет оценку достоверности результата. 

При изучении нижней земной коры основное внимание уделено 

анализу раздела Мохо. Технологическая новизна предложенного способа интерпретации заключается в непосредственном переходе к построению квазиглубинных гравиметрических разрезов, которые могут быть дополнены геологическими или другими материалами на 
любой стадии интерпретации. 
 

1.4. Обработка гравиметрических данных по системе ПОЛЮС 

 

Рассматриваемый метод полярной трансформации, как и подоб
ные по характеру результатов, такие как деконволюция Эйлера, тензорная деконволюция и ряд других трансформаций поля, предназначен, прежде всего, для визуального анализа. Наиболее близко к ним 
находятся методы, основанные на концепции особых точек. 

Представленные исследования в определенной степени разви
вают идеи В.М. Новоселицкого, реализованные в ряде методов, эксплуатирующих векторные представления геофизических полей. 

Система ПОЛЮС (POLUS) задействует геометрические свой
ства векторов полного градиента потенциала в трехмерном пространстве – сходиться в сторону положительной массы и расходиться от 
нее в случае отрицательной. Пересечение двух прямых – продолжений векторов в двумерном случае дает точку, расположенную в области возмущающей массы; для точечной массы – они совпадут (рис. 
1.1, а) [7].  

В процессе разработки метода первоначально был применен 

способ «угловой засечки», известный в геодезии как метод определения координат недоступной точки, однако изучение литературных 
источников показало, что прототип находится у истоков разведочной 
геофизики. Впервые описание дано в публикациях профессора Московского университета Ф.А. Слудского в 1893-1896 гг.: «…способ состоял в построении векторов поля в разных точках профиля и продолжении их до пересечения». Э.Е. Лейст использовал способ 
для прогнозирования глубин залежей руды в районе Курской магнитной аномалии (КМА). При этом было отмечено, что после ряда неудач с бурением, этот способ позволил правильно оценить глубины 
источников, что подтвердилось впоследствии разведочными работами в районе КМА уже в XX веке. 

Точки пересечения векторов полного градиента потенциала по
лучили название «полюсов», так как приобретают характеристику 
полярности: точка пересечения имеет знак положительный или отрицательный. В общем случае, они определенным образом отражают 
местоположение источника, находясь внутри него, либо в его окрестности. Для точечной массы сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния от притягивающей массы. В точке, сов