La historia, la situación actual y las tendencias de desarrollo de los métodos de tecnología de exploración.
0.3.1 Tecnología de exploración antigua
La supervivencia y el desarrollo humanos han estado estrechamente relacionados con el desarrollo y utilización de recursos naturales como rocas, suelo, minerales, sal y agua desde el principio. . Las divisiones del Paleolítico, el Neolítico (incluido el uso de cerámica cocida en arcilla), la Edad del Bronce y la Edad del Hierro en la historia de la humanidad están determinadas de acuerdo con el nivel de desarrollo humano y la utilización de productos minerales (un signo de el desarrollo de la productividad). En el proceso de desarrollo y utilización de diversos recursos minerales, la tecnología y la ingeniería de exploración han ido tomando forma gradualmente.
Nuestro país es una civilización antigua con una larga historia y cultura de más de 5.000 años, y el desarrollo de la tecnología de exploración tiene una larga historia. El "Guan Zi Di Shu Pian" escrito en el año 180 a. C. registra claramente: "Si hay ocre en la montaña, hay hierro debajo; si hay plomo en la cima, hay plata debajo; si hay cinabrio en la cima, habrá oro abajo; si hay plomo arriba, habrá oro abajo; “Los que son bondadosos con la piedra tienen cobre y oro debajo, y esta montaña es próspera no sólo en yacimientos minerales”. se producen oro y mercurio, hierro, cobre y oro, y plomo y plata. También proporciona ideas esclarecedoras para el uso de minerales indicadores (elementos indicadores) en la exploración geoquímica moderna. En la "Historia natural" escrita por Zhang Hua durante la dinastía Jin occidental en mi país, hay una descripción de que "después de tres años de acumulación de artemisa, se quemó y el líquido fluyó hacia plomo y estaño. Se han realizado experimentos " Esta es en realidad la idea original de los métodos modernos de prospección biogeoquímica de minerales (Zhu Xun, "Geological Science and Mineral Industry", 1997).
En cuanto a la tecnología de perforación para encontrar aguas subterráneas y extraer sal, se desarrolló antes y los logros fueron aún más brillantes. Ya en la dinastía Xia en mi país, había un dicho que decía que "Bo Yi construyó un pozo". Durante la dinastía Song del Norte, para extraer salmuera del subsuelo para producir sal, la profundidad de los pozos de Zhuotong en Suining, Sichuan, había alcanzado los 3000 m. Se desarrolló un conjunto completo de ingeniería de perforación, procesos y tecnologías relacionadas, que se utilizaron ampliamente. En Zigong, Suining, Wutongqiao y otros lugares durante generaciones, todavía quedan decenas de pozos de este tipo. Esta tecnología de extracción de sal es conocida como el "padre de la extracción petrolera moderna" y "el quinto mayor invento de la antigua China" ("China Mining", volumen Sichuan, 1998).
Durante el Período de los Reinos Combatientes en mi país, se utilizaban imanes naturales para pulir brújulas, y se produjo la brújula, uno de los cuatro grandes inventos de la antigua mi país. Esta es la comprensión temprana y la aplicación específica por parte de la humanidad del magnetismo de las rocas y el campo magnético de la Tierra. Más tarde, el médico de la reina Isabel I (William Gilbert), tras estudiar más a fondo las brújulas que apuntaban al norte, llegó a la conclusión de que la Tierra misma era un imán enorme e irregular. Hasta cierto punto, esta conclusión inspiró a Newton a pensar por qué las manzanas del árbol caían al suelo. Creyó que debía haber gravedad entre los objetos y finalmente produjo su famosa teoría de la gravedad (A.E. Mussett et al., 2000). El establecimiento de la teoría del campo magnético terrestre y del campo gravitatorio sentó las bases para la exploración magnética y la gravedad geofísica moderna. Zhang Heng, un famoso erudito de la dinastía Han del Este de mi país, inventó el sismógrafo, el sismómetro Houfeng, en el año 132 d.C. Esta fue una destacada contribución de los eruditos chinos a la comprensión de los terremotos y los desastres sísmicos y al desarrollo de la tecnología de observación de terremotos. La Figura 0-4 es la apariencia del sismómetro Houfeng y el diagrama principal del uso del principio de inercia para hacer oscilar el péndulo invertido en la dirección de propagación de la onda sísmica para provocar el lanzamiento de pequeñas bolas en esa dirección.
0.3.2 Tecnología de exploración moderna
La tecnología de exploración moderna comenzó a desarrollarse desde finales del siglo XIX hasta principios del siglo XX. En 1888, el erudito húngaro Barón Roland Von E?tv?s inventó la balanza de torsión. En 1900, la balanza de torsión se utilizó para dibujar mapas estructurales geológicos en Europa. En 1922, se descubrió la gravedad anormal de las estructuras de domos de sal. , y en 1926, se descubrió por primera vez petróleo en estructuras de domos de sal utilizando el método del equilibrio de torsión geofísico.
Figura 0-4 Sismómetro de viento y diagrama esquemático
Los métodos de exploración sísmica se desarrollan a partir de la investigación teórica sobre ondas sísmicas, la investigación de terremotos naturales y la investigación de ondas sonoras. En 1905, L.P. Garret sugirió utilizar el método de ondas de refracción sísmica para buscar estructuras de domos de sal.
Después del trágico incidente del barco británico Titanic que chocó con un iceberg submarino y se hundió en el Océano Atlántico en 1912, R.A. Fessenden inmediatamente comenzó a investigar sobre la detección de icebergs submarinos, lo que dio como resultado el método de detección acústica submarina y obtuvo una patente estadounidense. La patente, concedida en 1917, fue la primera del mundo en utilizar ondas sísmicas para la exploración. El erudito alemán Mintrop propuso un método de exploración sísmica con un valor de aplicación más práctico. Inventó el sismógrafo mecánico en 1914. Basado en este instrumento, solicitó una patente alemana en 1919 llamada "Método para determinar la estructura de la roca". Esta patente fue emitida en 1926. Explica que las explosiones artificiales pueden generar ondas mecánicas para generar fuentes sísmicas, que pueden ser recibidas por instrumentos sísmicos analizando la profundidad, el tiempo de viaje y la distancia de varias ondas sísmicas que se propagan bajo tierra, el espesor, Se puede determinar la densidad y la dirección e inclinación de la estructura estratigráfica (R.E. Sherif, 1995), lo que involucra casi todos los contenidos importantes de la exploración sísmica moderna.
En 1879, el profesor R. Salen publicó su libro "Buscando mineral de hierro mediante métodos magnéticos" y posteriormente fabricó con éxito el magnetómetro Salen-Tyberg y el imán Thomson-Sallen en Suecia, y formó un instrumento práctico. método para determinar la profundidad de enterramiento, la tendencia y la inclinación de diques magnéticos subterráneos (W.M. Telford et al., 1990).
La exploración eléctrica también tiene una larga historia de desarrollo. En 1815, R. Fox descubrió que ciertos minerales tienen propiedades de autopolarización y predijo que este efecto podría usarse para encontrar ciertos minerales. Fueron necesarios unos 100 años para fabricar los instrumentos correspondientes. En 1913, C. Schellenberg utilizó este instrumento para descubrir depósitos de sulfuro. Después de eso, también inventó el método de resistividad y el método de línea equipotencial con valor práctico de exploración (M.B. Doblin, 1976). ).
Al estudiar las propiedades físicas y la estructura de los materiales de la corteza terrestre, la gente también concede gran importancia a su composición química y ha llevado a cabo investigaciones a largo plazo sobre los elementos y su abundancia. En 1889, el académico estadounidense F.W. Clark publicó el famoso artículo "Abundancia relativa de elementos químicos", que fue pionero en la investigación geoquímica moderna. Hoy en día, la gente suele referirse a la abundancia de elementos en la corteza terrestre como el valor de Clark.
0.3.3 Tecnología de exploración moderna y tendencias de desarrollo
La formación y desarrollo de tecnologías y métodos de exploración modernos en Occidente comenzó después de la Segunda Guerra Mundial, y en nuestro país comenzó en 1949 Comenzó después de la fundación de la República Popular China.
De acuerdo con el progreso de la tecnología de exploración y los cambios en los campos de aplicación, el desarrollo de la tecnología de exploración moderna se puede dividir en dos períodos a partir de la década de 1980: el primer período es la tecnología de exploración desde la década de 1940 hasta la década de 1980. Durante el período de rápido desarrollo y madurez, el campo de aplicación se centró en la exploración minera. El segundo período, desde la década de 1980 hasta la actualidad, es un período de cambio y expansión continuos en el campo de aplicación.
En el primer período centrado en la prospección, la tecnología de exploración se dividió principalmente en dos tipos: tecnología de exploración de petróleo y gas y tecnología de exploración de minerales sólidos.
Los representantes típicos de la tecnología de exploración de petróleo y gas son la exploración sísmica y la geofísica de fondo de pozo. A través de su desarrollo, podemos comprender el proceso de desarrollo y la descripción general de toda la tecnología de exploración de petróleo y gas. a través de las siguientes tres etapas.
En la primera etapa (de las décadas de 1940 a 1950), los instrumentos sismológicos utilizaban componentes de tubos electrónicos, utilizaban fotografía óptica para obtener registros de terremotos utilizando papel fotográfico especial como medio y organizaban, procesaban y procesaban manualmente los datos. Explique que muchos grandes campos petroleros, incluido el descubrimiento del campo petrolífero de Daqing en mi país, se descubrieron originalmente utilizando este tipo de instrumentos y métodos técnicos. Las principales desventajas de este tipo de equipo son el volumen, la mala maniobrabilidad, la imposibilidad de reprocesar los datos, el pequeño rango dinámico de grabación (20 dB, sólo se puede reconocer 10 veces la diferencia de amplitud) y la baja eficiencia del procesamiento de datos.
En la segunda etapa (de los años 50 a los 70), los instrumentos sismológicos utilizaban dispositivos de transistores y utilizaban registros de cabezal magnético para obtener registros sísmicos utilizando cinta magnética como medio. Este tipo de grabación se puede reproducir y procesar repetidamente mediante una computadora electrónica analógica o mediante una computadora digital después de la conversión de analógico a digital (A/D). El rango dinámico del registro aumenta en 1. orden de magnitud (40 dB, en los que se pueden identificar señales que son 100 veces diferentes en tamaño).
La aparición de instrumentos de cinta ha permitido la aplicación y el desarrollo de la tecnología de apilamiento horizontal de cobertura múltiple sísmica de reflexión que todavía se utiliza eficazmente en la actualidad, mejorando en gran medida las capacidades y los efectos de la exploración sísmica.
La tercera etapa (de los años 1970 a los años 1980) utilizó grabación en cinta digital, procesamiento electrónico digital por computadora, ultramulticanal (más de mil canales), observación de alta cobertura y amplio rango dinámico. (Por encima de 100 dB, puede identificar señales cuya intensidad difiere en más de 100.000 veces). Esto ha promovido el rápido desarrollo de la tecnología de procesamiento digital. La velocidad de computación, el rendimiento superior y la gran capacidad de almacenamiento de las computadoras electrónicas utilizadas para el procesamiento de datos sísmicos en los países avanzados de todo el mundo están a la par de los de los departamentos militares y meteorológicos, o incluso peores.
Además de la exploración sísmica, también se han desarrollado rápidamente otros métodos técnicos al servicio de la exploración de petróleo y gas. La medición de la gravedad ya no utiliza escalas de torsión voluminosas, sustituidas por gravímetros ligeros y de alta precisión. Puede medir bajo el agua, en el fondo del pozo y en el aire (gravedad aérea). La precisión de la medición de la gravedad terrestre puede alcanzar el nivel micro-G. Estas mediciones de alta precisión también son útiles en otros aspectos. Por ejemplo, el gravímetro Lunar-4 utilizado por la nave espacial estadounidense Apollo-17 cuando llegó a la luna. a principios de la década de 1970 y El gravímetro de alta precisión utilizado en el trabajo topográfico es del mismo diseñador (LaCoste) de la misma empresa, y su precisión es de nivel micro-giga. El propósito del experimento es utilizar la luna como masa de referencia para realizar mediciones de la gravedad en la Tierra y la Luna simultáneamente para confirmar la predicción de Einstein sobre la existencia de ondas de gravedad. Desafortunadamente, este experimento fracasó debido a algunos pequeños errores de diseño. La precisión y la alta resolución del gravímetro son muy seguras.
La tecnología de perforación de petróleo y gas también se desarrolló rápidamente durante este período, con la aparición de pozos ultraprofundos con una profundidad de más de 7000 m, pozos inclinados, pozos horizontales y pozos en racimo perforados en múltiples direcciones en el misma ubicación del pozo, así como tecnología sísmica durante la perforación utilizando brocas como fuentes sísmicas, etc.
En la exploración de minerales sólidos y otras aplicaciones, los instrumentos, equipos y métodos de exploración se están desarrollando hacia la portabilidad, la digitalización, la alta precisión y la alta eficiencia. En las décadas de 1950 y 1960, aparecieron sucesivamente los magnetómetros nucleares de aviación y los magnetómetros de vapor de rubidio y cesio con bomba óptica de mayor precisión. El levantamiento aeromagnético es rápido y eficiente, y es conveniente para mediciones de áreas grandes. Es fácil realizar trabajos de exploración en áreas de difícil acceso en tierra: desiertos, montañas, regiones polares y océanos. la exploración de mineral de hierro y la delimitación de la base de las cuencas petroleras. Durante este período, también aparecieron métodos de reconocimiento aéreo como la teledetección, la fotografía aérea, el posicionamiento por satélite, los métodos electromagnéticos aéreos, la gamma aérea, la gravedad aérea y diversos métodos radiactivos, geoquímicos, eléctricos y de exploración terrestres y subterráneos. y nuevos instrumentos como el radar terrestre han mejorado en general el nivel de la tecnología de exploración minera, mejorado integralmente las funciones de exploración y ampliado el efecto de prospección.
El período desde la década de 1980 hasta el presente es el segundo período del desarrollo de la ingeniería de tecnología de exploración moderna. Los métodos y tecnologías de este período también representan la tendencia de desarrollo de la tecnología de exploración hasta cierto punto. Su característica distintiva es que mientras la tecnología de exploración continúa desarrollándose, su campo de actividades se ha ampliado desde la prospección de minerales para continuar sirviendo no sólo a la exploración de recursos y energía, sino también a la construcción de entornos ecológicos, la construcción urbana y la construcción de ingeniería a gran escala. Los cambios en el campo de actividad están determinados por los siguientes factores.
En primer lugar, la gente se está dando cuenta gradualmente de la importancia de la protección del medio ambiente. Mientras que los humanos explotan y utilizan la naturaleza y disfrutan de la civilización material moderna creada con alta tecnología, también han causado graves daños a la naturaleza y al medio ambiente ecológico. . Las cuestiones ambientales han atraído la atención de países de todo el mundo, y las nuevas tecnologías de exploración y disciplinas de ingeniería, como la geofísica ambiental y la geoquímica ambiental, han ido ajustando gradualmente sus posiciones y direcciones.
En segundo lugar, la velocidad de construcción y la escala de proyectos a gran escala continúan expandiéndose, incluida la construcción de carreteras, ferrocarriles, metros, aeropuertos, minas, oleoductos, represas, edificios, plantas de energía nuclear, muelles, etc. La calidad de estas instalaciones y la seguridad y la correspondiente protección ambiental se han convertido en temas de preocupación sin precedentes para la gente. Por lo tanto, la antigua disciplina de la ingeniería geofísica también ha recibido especial atención, y la nueva disciplina de la ingeniería geoquímica ambiental también comenzó a surgir en la década de 1990.
La geoquímica de ingeniería ambiental es la ciencia y tecnología que utiliza la geoquímica para mejorar el medio ambiente. Sus principales tareas son prevenir la contaminación, mejorar las propiedades físicas y químicas de las rocas y el suelo, y mejorar la calidad del agua.
En tercer lugar, a medida que el proceso de urbanización se acelera y la población urbana continúa aumentando, existe un mercado para la geofísica urbana, los sistemas de información geográfica (SIG), la teledetección (RS) y las tecnologías de exploración de recursos hídricos que sirven para construcción urbana. La demanda está creciendo rápidamente.
Los nuevos métodos de tecnología de exploración mencionados anteriormente que han surgido de diferentes campos de aplicación todavía se componen de los métodos que se muestran en el medio de la Figura 0-2 y la Figura 0-3, y el alcance aplicable de cada método. aún debe estar Consulte la Tabla 0-1. Esta tabla se determina principalmente en función del rendimiento de los métodos técnicos. En aplicaciones prácticas, también se debe prestar atención al uso de la relación rendimiento-precio para seleccionar los métodos apropiados. Varios métodos tienen diferentes costos económicos para realizar el mismo trabajo.
Desde la década de 1980, con el avance de la tecnología de la información y los cambios en las necesidades sociales, la tecnología de exploración tiene las siguientes tendencias principales de desarrollo.
Aprovechar al máximo el papel de la información, las redes y las computadoras para modernizar la tecnología de exploración en términos de recopilación, transmisión, almacenamiento, procesamiento, interpretación y visualización de datos. Se utilizará ampliamente la transmisión y comunicación de alta velocidad de computadoras paralelas gigantes, memorias masivas, datos de red, diversas estaciones de trabajo de interpretación y pantallas de visualización tridimensional.
El proyecto de tecnología de exploración continuará mejorando su capacidad para resolver problemas complejos de acuerdo con la complejidad del objeto de investigación. La Tierra es un sistema enorme y complejo que en la actualidad sólo puede describirse mediante modelos matemáticos y físicos ideales y simples, basados en este modelo idealizado y combinados con los datos limitados observados por los técnicos de exploración en la superficie o en el cielo. o La interpretación del interior de la Tierra es imprecisa. Sólo parcialmente se pueden resolver algunos problemas sencillos. Cómo presentar a la gente un interior complejo y realista de la Tierra será una tarea difícil y de largo plazo.
Mejorar las funciones de la tecnología de exploración y ajustar la estructura de inversión. Ya se han señalado algunos nuevos campos de aplicación de la tecnología de exploración. Cómo lograr avances sustanciales en estos campos es otra cuestión en la que la gente debería centrarse. La exploración de los recursos hídricos es una cuestión urgente. La inversión en exploración de aguas subterráneas realizada por varios países del mundo (en 1991) sólo representó el 0,1 del total de la inversión en exploración (R.E. Sheriff, 1995). Cambiar una estructura de financiación tan irrazonable puede promover el desarrollo de tecnologías en las direcciones correspondientes.