Фундаментальная польза от прикладной геофизики

Сергей Тихоцкий: «Огромное количество ресурсов вполне можно считать возобновляемыми». Фото Наталии Лесковой

В Институте физики Земли имени О.Ю. Шмидта РАН ведутся исследования самого широкого спектра. Если мы говорим о фундаментальных исследованиях, то это – изучение глубинного строения Земли: коры, мантии, ядра, включая вопросы генерации магнитного поля Земли. Но, например, если говорить о геомагнетизме, мы очень быстро от фундаментальных переходим к прикладным исследованиям.

Так, магнитное поле, главная часть которого генерируется во внешнем ядре Земли, составляет также основу для магнитной разведки месторождений полезных ископаемых, для решения задач навигации. Кроме того, все это тесно связано с космической погодой, поскольку существует взаимодействие магнитного поля Земли с космическим излучением. С этим, в свою очередь, связаны магнитные бури и сопутствующие процессы в технических объектах, в инфраструктуре. Показателен также пример сейсмологии и сейсморазведки.

Первооткрыватель «второго Баку»

Сейсмология – это наука, которая занимается изучением глубоких недр, той же мантии, и изначально их изучение велось именно методами сейсмологии. Борис Борисович Голицын создал сейсмограф в начале ХХ века. Это изобретение было нацелено на решение сугубо фундаментальных задач. А в 1930–1940-е годы в стенах Института теоретической геофизики академиком Григорием Александровичем Гамбурцевым с учениками была создана практически вся современная сейсморазведка – метод преломленных волн, метод отраженных волн. Все эти методы сразу же были применены для решения сугубо прикладных задач. В первую очередь тогда стояла задача разведки нефтяных месторождений.

Если мы вспомним историю Великой Отечественной войны, гитлеровское наступление 1942 года было направлено в первую очередь на то, чтобы отрезать промышленность СССР от бакинской нефти. Одной из целей наступления на Сталинград было как раз перерезать транспортный коридор и лишить промышленность и армию нефтяной «крови».

Поэтому уже в 30-е годы и во время войны задача разведки нефти в центральных частях страны стала очень острой. Хотя специалисты с середины 1930-х понимали, что нефть есть в Поволжье, в Волго-Уральской провинции, но все это было довольно бессистемно. Бурили, что называется, «методом дикой кошки». Этого было недостаточно для системного освоения, чтобы получить понимание – сколько там нефти, какие запасы, как правильно планировать размещение объектов промышленности нефтепереработки.

Как только Гамбурцев с сотрудниками в стенах Института теоретической геофизики создал методы сейсморазведки, сразу же были организованы сейсморазведочные экспедиции как на Кавказ, так и в Поволжье. Гамбурцев сам туда выезжал. Полученные результаты позволили очень быстро ввести в промышленную разработку Волго-Уральскую нефтегазоносную провинцию, которую назвали «вторым Баку».

Это сыграло очень важную роль и в развитии промышленности в послевоенные годы, в период восстановления. Большая нефть в центре страны была очень важна. А в 1960-е годы методы Гамбурцева превратились, в значительной степени трудами сибирских ученых, в большую сейсморазведку, которая открыла великую сибирскую нефть. Название «третий Баку» применительно к Западно-Сибирскому бассейну прижилось в меньшей степени, но его разведка – это тоже геофизика.

Анатомия магнитной аномалии

Недавно Президиум российской Академии наук обсуждал вопросы роли геофизики в обеспечении технологического суверенитета нашей страны. В первую очередь это связано с освоением и изучением минерально-сырьевой базы.

Надо вспомнить, что геофизика в СССР начиналась с Курской магнитной аномалии, когда по личному указанию Ленина была создана особая комиссия. Председателем был нефтяник-геолог Иван Михайлович Губкин, а заместителем руководителя комиссии – Петр Петрович Лазарев, один из наших первых геофизиков, специалист в области потенциальных методов.

В чем, собственно, состоит феномен магнитной аномалии?

Есть магнитное поле Земли, оно формируется из трех основных источников. Во-первых, магнитное поле, которое формируется за счет работы магнитного динамо во внешнем ядре Земли. Второй компонент – поле, которое связано с токами, текущими во внешних слоях атмосферы: ионосфере и магнитосфере. Оно возникает в результате взаимодействия магнитного поля, генерируемого во внутреннем ядре Земли с космическим излучением. Это так называемые вариации магнитного поля. И третий компонент, наиболее важный с практической точки зрения, – аномальное магнитное поле Земли, которое создается намагниченными породами земной коры.

Магнитная восприимчивость характерна только для тех пород, которые являются ферримагнетиками. Это довольно большая часть магматических пород, температура которых находится выше так называемой точки Кюри. Поскольку температура в Земле с глубиной растет, то уже на десятках километров достигают точки Кюри те минералы, которые входят в состав магнитных пород, после чего их намагниченность резко падает. В результате аномальное магнитное поле создается исключительно горными породами, которые залегают в первых десятках километров земной коры.

Более того, породы коры также очень сильно дифференцированы по магнитным свойствам в зависимости от процента содержания магнитных минералов. Оказывается, что минералы, обладающие выраженными ферримагнитными свойствами, часто содержат значительное число железа и связаны с соответствующими железорудными месторождениями. Именно поэтому рудные месторождения, в первую очередь железорудные, порождают существенное аномальное магнитное поле Земли.

Эти породы намагничиваются в поле, создаваемом во внешнем ядре, и порождают магнитные аномалии. Причем характерная амплитуда аномального поля, присущая таким значительным магнитным аномалиям, как Курская магнитная аномалия, сопоставима с величиной нормального поля.

Курская магнитная аномалия – это колоссальное аномальное поле. Очень высокоинтенсивное, сосредоточенное в районе Воронежского кристаллического массива. Северные части этой аномалии протягиваются до Калужской области.

О том, что эта аномалия существует, известно было давно, просто потому, что стрелка компаса показывает «не туда». Гипотеза о том, что это связано с рудными месторождениями, также была высказана очень давно. Первые съемки были начаты еще в начале ХХ века. Но получилось так, что все материалы съемок оказались в Германии, и немецкое правительство предложило России выкупить эти материалы за 5 млн руб. золотом – колоссальные деньги по тем временам.

Как гласит легенда, Лазарев лично пообещал Ленину сделать лучше, быстрее и дешевле. И сделал. Уже первое бурение дало совершенно невиданный результат – 70% железа в буровом керне, что очень много. За три года была проведена точная магнитная съемка. Ученые качественно ее интерпретировали. Геофизика позволяет, не копая, указать те места, где ожидается наибольшая концентрация того или иного полезного ископаемого: нефти, магнитного железняка, чего-то еще. Вот это и было проделано.

Как в случае с нефтью, это позволило поставить работы по добыче магнитного железняка в Курской магнитной аномалии на системную основу. Бурить не случайным образом, а там, где нужно. Это сыграло очень важную роль в индустриализации. Свое железо в центре страны!

Аналогичная история – с атомным проектом СССР. Урановые месторождения – Казахстан, Восточная Сибирь. Там применялись другие методы исследования – изучение естественной радиоактивности. Но точно так же обеспечение атомной промышленности урановыми рудами дала геофизика.

Тихоокеанский рудный пояс

Сегодня Институт физики Земли живет не менее насыщенной жизнью. Для обеспечения технологического суверенитета необходимо разведать значительное количество месторождений стратегических полезных ископаемых. Это целый ряд металлов и неметаллов: литий, марганец, редкоземельные элементы и многие другие. Это элементы, которые составляют в том числе основу полупроводниковой промышленности, современного двигателестроения.

Вся современная сейсморазведка – это метод преломленных волн, метод отраженных волн. Фото с сайта www.gazprom.ru

В советские годы разведано было много. Но значительная часть разведанных месторождений содержит руды относительно низкой концентрации. Чтобы их обогатить до промышленной концентрации, требуется применение сложных и дорогостоящих технологий, которыми мы сейчас не располагаем в достаточной мере.

В результате сейчас идет встречное движение: с одной стороны, химики работают над тем, чтобы разработать новые технологии обогащения, а с другой – задача геофизиков найти месторождения, которые содержат более качественные руды. С точки зрения общей геологической науки понятно, что они есть на нашей территории.

Дело в том, что практически вся Восточная Сибирь, Приморье, значительная часть Арктической зоны структурно относятся к так называемому Тихоокеанскому рудному поясу, в пределах которого добывается от 40 до 80% различных руд в мире. При этом сектор Тихоокеанского рудного пояса на востоке России занимает территорию, практически в два раза превышающую Южно-Американский сектор, и примерно равен по площади Северо-Американскому сектору. Есть все основания предполагать наличие на территории России богатейших месторождений важнейших для экономики ископаемых, не уступающих зарубежным аналогам.

Почему же они до сих пор не были обнаружены? Потому что эти районы слабо заселены, плохо освоены, зачастую труднопроходимы. И эти руды в отличие от Курской магнитной аномалии, где все практически выходит на поверхность, перекрыты осадочными отложениями. Их с геологическим молотком не найдешь. В отличие от железорудных месторождений, они не создают таких колоссальных аномалий магнитного поля. Задача более сложная.

Ее решение требует последовательного подхода с укрупнением масштаба. Нужно, с одной стороны, обнаруживать эти места по мелкомасштабным съемкам – космическим и аэрогеофизическим. Затем детализировать карту, уточнить объекты для дальнейшего поиска, применяя аэрометоды – самолеты, вертолеты и беспилотники. И уже по результатам съемок вести наземную разведку.

На помощь приходят методы искусственного интеллекта: фактически это распознавание образов. У нас есть некоторое количество эталонных месторождений, и мы можем соответствующие образы разыскивать в «полях», которые снимаем со спутника. Здесь мы выходим за рамки традиционной геофизики, объединяем усилия с геохимиками. Например, гиперспектральная съемка – это фактически съемка в электромагнитном диапазоне, но в более широком, чем диапазон видимого света.

Все это надо сложить, обработать. А это – огромный объем информации. Таков вызов, с которым мы сейчас работаем.

Нетрадиционный ресурс – нефть

Перед этим, или параллельно с этим, нам необходимо переинтерпретировать значительную часть материалов геофизических съемок, которые имеются у нас в фондах. Там довольно много вполне кондиционных материалов. Их нужно поднять и с помощью современных математических методов и методов машинного обучения интерпретировать – где искать.

Соответствующие исследования предусмотрены в недавно обновленной Стратегии развития минерально-сырьевой базы Российской Федерации до 2050 года. И геофизике в этом процессе отводится важнейшая роль.

Вторая задача связана с повышением эффективности разработки месторождений углеводородов. Надо понимать, что обнаружение крупных или сверхкрупных месторождений углеводородов кажется уже крайне маловероятным. Все очень крупные уже были почти наверняка обнаружены. Сейчас это либо небольшие месторождения, либо – что даже более эффективно и правильно – повышение эффективности добычи в районах традиционной добычи.

Все, наверное, помнят картинку: скважина, фонтан, нефтяники купаются в этих брызгах. Но таких месторождений не осталось. При этом нефти в недрах еще много, просто нужно ее извлечь. Оценки тут очень разные. Кто-то говорит, что хватит до 2035 года, кто-то – до 2045-го. Но это прогноз, исходящий из того, что мы забираем из того или иного месторождения все. Однако много остается, чего мы не добываем, потому что не всю структуру разбурили и сколько-то нефти локализовалось в так называемых ловушках.

Сюда надо добавить то, что называется «нетрадиционные ресурсы». Нетрадиционные ресурсы – это нефть, которая есть и которой много, но которую добыть трудно, нет хорошо проницаемых пластов-коллекторов. Наиболее известный пример – Баженовская свита (территория площадью около 1 млн кв. км на территории Западной Сибири). Там, по оценкам, нефти – на сотни лет. Мы по этим запасам опережаем и Европу, и Америку. Проблема в том, что эту нефть добыть очень сложно. Ведь нефть – откуда взялась? Органика при высоких температурах и давлениях созревает до образования нефти. А если нагрев будет продолжаться, то может и газ образоваться.

Но эти процессы обычно происходят последовательно: из органики получился кероген, из него – нефть. Есть так называемая нефтематеринская порода, она, как правило, ниже. Из нее нефть мигрировала выше. Нефть из пласта ушла, отфильтровалась в вышележащие пласты, в каких-то коллекторах осталась. И вот мы добываем нефть.

А Баженовская свита – другое дело: там в одном и том же пласте, в 1 куб. см может находиться первичная органика, кероген – пластичное вещество типа глины по физико-механическим свойствам. В керогене – поры, в них – свободная нефть. Добудьте все это оттуда! Совершенно нетривиальная задача.

Существует метод гидроразрыва пласта. Накачали под большим давлением жидкость с пропантом, и он расклинил все трещинки породы. И вот мы уже качаем нефть. Но это хорошо, например, в карбонатном коллекторе – он хрупкий, в нем образуются трещины... Важно, что карбонатный коллектор – это тоже ресурс. Но это существенно проще, чем Баженовская свита. Там – как пластилин: много глины, много керогена. Сделать гидроразрыв, чтобы это все, как пластилин, не слиплось, очень сложно.

Но это не значит, что нельзя. Что делает геофизика? Она умеет показывать правильные места – где, допустим, имеется хрупкий карбонатный коллектор и целесообразно вести гидроразрыв. Нужно найти места, где можно эффективно применять метод внутрипластового горения: в скважину нагнетают воздух, при температуре пласта кислород воспламеняется, кероген и тяжелые фракции выгорают, продукты горения вытесняют легкую нефть на фронт горения, и здесь ее можно добывать.

Все описанные процессы очень сложны. Их неэффективно и небезопасно с экологической точки зрения проводить вслепую. Для того чтобы мы понимали, что происходит в пласте при применении методов повышения нефтеотдачи, нужен постоянный мониторинг геологической ситуации.

То же самое относится к месторождениям углеводородов, которые находятся на шельфах морей. Мы должны постоянно смотреть внутрь. Вот это и есть задача геофизики – смотреть внутрь и видеть, что там происходит.

Обогащайте!

Таким образом, мне кажется, что у современной прикладной геофизики есть три основные задачи.

Первая – поиск и разведка нетрадиционных ресурсов углеводородов.

Вторая – мониторинг разработки месторождений как традиционного, так и нетрадиционного типа.

Третья – разведка богатых месторождений стратегических полезных ископаемых, в первую очередь – разного рода металлов и неметаллов, необходимых для развития промышленности, для технологического суверенитета.

Иногда меня спрашивают, нет ли ощущения «шагреневой кожи» по отношению к нашей маленькой планете с ее богатыми, но все же исчерпаемыми ресурсами? С одной стороны, это так. С другой…

Допустим, мы сейчас хотим получить месторождение с богатыми рудами, чтобы было проще обогащать. Но месторождения с бедными рудами никуда не делись. Более того, сейчас, по некоторым оценкам, тот же литий проще добывать из отвалов. Дело в том, что у нас на Байкале есть месторождение, где литий добывали в советское время по технологиям, которые тогда были доступны. При этом огромное количество руды уходило в отвал. Эта руда в отвалах содержит вполне промышленные концентрации лития, если исходить из возможностей современных технологий.

При этом огромное количество ресурсов вполне можно считать возобновляемыми. Если нефть мы сжигаем, то металлы никуда не деваются из наших устройств. Надо перерабатывать, что уже и происходит. Отработавшие свое печатные платы нужно не выкидывать, а извлекать из них полезные элементы и делать новые электронные компоненты. Конечно, какие-то потери будут. Но возможности для возвращения этих элементов в промышленное производство достаточно большие.

Конечно, чем эффективнее и рациональнее мы научимся использовать полезные ископаемые, тем мы будем лучше и дольше жить. Если говорить про энергетику, то она хорошо обеспечена ресурсами. Термоядерная энергетика – это тоже наше будущее. Там запасы вообще практически неисчерпаемы.

Понимаю, что в 60–70-х годах прошлого века был период больших надежд на то, что все проблемы решит именно термояд. При том количестве энергии, которое может генерировать термоядерная энергетика, вы можете извлекать металлы из того, что, говоря попросту, во дворе выкопали. Ведь проблема обогащения – это в значительной степени проблема энергетики. Если энергия дешевая, то появляется возможность извлекать полезные компоненты из очень бедных руд.

Да, пока надежды на термоядерную энергетику не оправдались. Но я думаю, что эта проблема будет решена. Там нет больших проблем с физикой – есть проблемы с технологией. А история человечества показывает, что проблемы с технологией рано или поздно преодолеваются.