Картирование структурных неоднородностей мерзлого горного массива методом георадиолокации
Л.Л. Федорова, к.т.н., заведующая лабораторией георадиолокации,
Д.В. Саввин, к.т.н., научный сотрудник,
В.Н. Федоров, к.т.н., ведущий инженер, Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения РАН
Эффективность доразведки и эксплуатации россыпных месторождений определяется особенностями строения горного массива: мощностью продуктивного пласта и его изменчивостью, слоистостью, зонами повышенной трещиноватости, наличием разрывных нарушений, валунных включений, границами реликтовых водотоков и т.д. Эти параметры даже в пределах разрабатываемых участков месторождений могут существенно изменяться, причем в достаточно широком диапазоне, что приводит к технологическим трудностям при их разработке.
По результатам геологоразведочных работ обычно устанавливается лишь общая характеристика горно-геологических условий. Именно поэтому для повышения информативности и получения более детальных данных о месторождении необходимо существенно повысить плотность разведочной сети, что приведет к значительному увеличению трудоемкости и стоимости работ. В настоящее время при доразведке месторождений полезных ископаемых большой объем исследований проводится геофизическими методами.
Среди них наиболее эффективным в условиях распространения многолетнемерзлых пород представляется метод георадиолокации [1, 2].
Для эффективного изучения массива горных пород россыпных месторождений с целью выявления особенностей их строения (валунные включения, нарушенности, реликтовые водотоки и т.д.) методом георадиолокации, в первую очередь необходимо выяснить, как изменяется георадиолокационный сигнал в таких зонах, определить признаки, по которым можно их обнаружить, и разработать способ обработки для их выделения на георадиолокационном разрезе.
Электродинамическое моделирование георадиолокации структурных особенностей массива горных пород россыпных месторождений криолитозоны
Обзор исследований россыпных месторождений Якутии показал, что в генетическом плане преобладают аллювиальные месторождения. Одним из главных факторов образования таких россыпей является эрозионно-аккумулятивная деятельность речных потоков, которые размывают коренные породы, переносят обломочный материал и отлагают его в речных долинах. Глубина залегания плотика россыпных месторождений в среднем находится в пределах 6–12 м [3]. Литологический разрез россыпных месторождений криолитозоны представляется слоистой, мерзлой песчано-глинистой средой, перекрывающей коренные породы. Исходя из условий формирования россыпи в качестве зон, перспективных для разработки, отмечают такие особенности строения, как палеорусла, западения плотика, валунистость и т.д., в которых преимущественно происходит концентрация полезных минералов [4].
Для эффективного применения метода георадиолокации при изучении таких объектов проведены исследования особенностей распространения георадиолокационных сигналов в вышеуказанных геологических средах.
В однородной среде с потерями гармоническая электромагнитная волна (ЭМВ) в соответствии с уравнениями Максвелла описывается как:
где ε, μ – комплексные диэлектрические проницаемости; E, H – векторы комплексного электромагнитного поля. Перейдем для удобства к комплексной проводимости y и сопротивлению z среды:
где ω – круговая частота; – абсолютные и относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости; σcm – проводимость среды на низких частотах. Можно подобрать такую систему координат XYZ, в которой, например, Тогда (1) в этой системе можно переписать как:
Переход к понятиям проводимости и сопротивлению среды через (2) позволяет использовать аппарат четырехполюсников. Тогда напряженности электрического Ey(x) и магнитного Hz(x) полей через матрицу передачи ABCDдля однородной среды, запишутся следующим образом [5]:
Значения можно найти, задав граничные условия:
где E1 – амплитуда падающей на 1-ю среду волны; l – мощность 1-й среды; z1, z2 – волновые сопротивления 1-й и 2-й сред.
Расчет распространения плоской волны в слоистой дисперсионной среде и отражений от слоев осуществляется с использованием теории линий передач. Введение проводимости σcm в (2) позволяет учесть только потери, пропорциональные мощности ЭМВ (тепловые, на отражение и преломление).
Если представить время релаксации τрел в соотношении Дебая как:
где εcm– диэлектрическая проницаемость среды на низких частотах; ε – значения диэлектрической проницаемости среды на высоких частотах; ρ – сопротивление среды на высоких частотах. Тогда полную проводимость горной породы y в (2) через соотношение Дебая можно записать как:
Разработанная на основе этой теории программа в среде MathCAD моделирует процесс распространении сигнала георадара серии «ОКО-2М» с центральной частотой 50 МГц в слоистой дисперсионной среде. При расчетах было учтено, что приемная и передающая антенны разнесены, что порождает кроме отраженной и поверхностную волну.
Ниже представлены рассчитанные георадиолокационные сигналы для трехслойной среды. На рис. 1 представлена модель георадиолокационной трассы для сред лед – песок – монолитные доломиты. На рис. 2 представлен рассчитанный георадиолокационный сигнал многослойной среды лед – песок – разрушенные доломиты. Разрушенные породы моделировались многослойной средой доломиты – песок – доломиты – лед, мощность которых лежала в пределах 0,2–0,4 м. По сигналу видно, что вместо четкой границы песок – разрушенные породы формируется затухающая пачка импульсов. Это вызвано многочисленными переотражениями сигнала в разрушенной породе.
Смоделированные георадиолокационные сигналы хорошо согласуются с экспериментальными исследованиями, проведенными на россыпных месторождениях.
Результаты экспериментальных исследований
Возможности георадиолокационного зондирования структурных неоднородностей россыпных месторождений криолитозоны изучены при проведении опытно-методических работ по заверке выявленных аномалий на россыпном месторождении «Маят» (ОАО «Алмазы Анабара», Якутская алмазоносная провинция, участок «Верхняя Кула»).
По результатам геологической разведки на месторождении «Маят» установлено, что максимальная концентрация полезного ископаемого приурочена к локальным эрозионнокарстовым депрессиям, расположенным в зоне разрывных нарушений.
Представленный для исследований участок детально изучен секущими профилями по линиям скважинного опробования. На рис. 3 представлен пример одиночного профиля по буровой линии 104. Установлено, что в спектре частот до 100 МГц прослеживается граница коренных пород в пределах глубин 10–15 м и выделяется аномальная зона. На данном профиле аномальная зона выделяется в пределах 140–200 м и характеризуется хаотичными сигналами отражениями. Зона отмечается нарушенной структурой коренных пород – доломитов и связана с увеличением отражающих границ, свидетельствующих о нарушенности и трещиноватости горных пород.
В результате по данным георадиолокационного картирования на основе принятых признаков определения неоднородных структур построена карта участка россыпного месторождения с зонами нарушенных структур (рис.4).
Данные разведочного бурения подтвердили результаты георадиолокационного картирования и позволили интерпретировать аномалии со структурными особенностями горного массива. По данным детальной площадной георадиолокационной съемки выявленные особенности строения по площади свидетельствуют о перспективности участков для опробования с целью обнаружения полезных ископаемых, что будет иметь принципиальное значение при разработке месторождений подобного типа и принятии технологических решений для их рационального освоения.
Выводы
На основе данных моделирования распространения георадиолокационных сигналов в горном массиве россыпных месторождений криолитозоны и результатов экспериментальной георадиолокации, подтвержденных данными опробования, определены признаки выявления зон структурных неоднородностей на основе анализа амплитудно-временных характеристик георадиолокационных сигналов. Использование этих признаков на этапе интерпретации больших объемов данных, подтвержденных бурением, позволило обосновать возможность повышения точности и информативности оценки строения горного массива россыпных месторождений криолитозоны (на примере месторождения р. Анабар) методом георадиолокации.
В результате реализации георадиолокационных исследований в комплексе с геологическим опробованием появляется возможность оптимизировать объемы разведочной сети и технологию отработки месторождений, посредством селективной выемки продуктивных песков.
Информационные источники:
Омельяненко, А.В. Георадиолокационные исследования многолетнемерзлых пород /А.В. Омельяненко, Л.Л. Федорова. - Якутск.: Издательство ЯНЦ СО РАН, 2006. – 136 с.
Нерадовский, Л.Г. Методическое руководство по изучению многолетнемерзлых пород методом динамической георадиолокации /Л.Г. Нерадовский// Избранные труды Российской школы по проблемам науки и технологий. – М.: РАН, 2009. – 337 с.
Шило, Н.А. Геология россыпей / Н.А. Шило. – М.: Наука, 2000.
Корсаков, А.К. Структурная геология /А.К. Корсаков – М.: РГГРУ, 2009. – 325 с.
Федоров, В.Н. Решение прямой задачи подповерхностной радиолокации методом многополюсников /В.Н. Федоров, В.П. Мельчинов // Известия ВУЗов. – 2012. - Т55. – №8/2. – С. 280–281.
