Локализация выходов тектонических нарушений под четвертичные отложения геофизическими методами

Н.Н. Гриб^{1, 2} , И.И. Колодезников³, Г.В. Гриб¹, А.В. Качаев^1
1 Технический институт (филиал) Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова, г. Нерюнгри, Российская Федерация
² Тихоокеанский государственный университет, г. Хабаровск, Российская Федерация 3 Академия наук Республики Саха (Якутия), г. Якутск, Российская Федерация
Russian Mining Industry №4S / 2025 p. 18-22

Резюме: Тектонические нарушения углепородного массива являются одним из наиболее распространенных геологических факторов, которые осложняют проведение горных работ. Одним из наиболее перспективных методов локализации выходов тектонических нарушений под четвертичные отложения является комплекс, включающий: геофизические методы (электротомография и сейсморазведка в модификации КМПВ), геоморфологические особенности местности и гипсометрию угольных пластов. Исследования выполнены на шахтном поле Верхне-Талуминского месторождения Южно-Якутского бассейна. Принципы локализации тектонических нарушений при комплексной геолого-геофизической интерпретации: выделение значимых аномалий производится путем сопоставления геоэлектрического и скоростного разреза в пределах одного профиля, выделение аномальных точек; сопоставление геофизических разрезов по отдельным методам между профилями (два разных вида сопоставлений – по числу геофизических методов), корреляция положения аномальных точек на геофизических разрезах. Основными факторами при выделении аномальных точек являлись: низкие значения распространения упругих волн, низкие значения удельных электрических сопротивлений, морфологическая схожесть аномалий на геофизических разрезах. Эти точки выносятся на топографическую основу изучаемого участка и используются при дальнейшей интерпретации. Следующий этап – интерпретация нескольких рядом расположенных профилей. По ним проводится корреляция аномалий, ассоциированных с прогнозными тектоническими нарушениям. Корреляция аномалий между профилями производилась по схожести следующих параметров: интенсивность аномалий, морфология аномальных проявлений по методам, взаимное расположение аномалий. Корреляция корректируется на топографическом плане с учетом геоморфологических признаков. По результатам геолого-геофизической интерпретации групп профилей, морфоструктурных особенностей рельефа месторождения и гипсометрии угольных пластов построена тектоническая схема с линиями прогнозных тектонических структур шахтного поля Верхне-Талуминского месторождения.

Ключевые слова: тектонические нарушения, четвертичные отложения, геофизические методы, аномалии, морфология рельефа, гипсометрия угольных пластов

Благодарности: Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда (проект №24-17-20031).

Для цитирования: Гриб Н.Н., Колодезников И.И., Гриб Г.В., Качаев А.В. Локализация выходов тектонических нарушений под четвертичные отложения геофизическими методами. Горная промышленность. 2025;(4S):18–22. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2025-4S-18-22

Информация о статье

Поступила в редакцию: 16.06.2025

Поступила после рецензирования: 07.08.2025

Принята к публикации: 13.08.2025

Информация об авторах

Гриб Николай Николаевич – доктор технических наук, профессор кафедры горного дела, Технический институт (филиал) Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова, г. Нерюнгри, Российская Федерация; Тихоокеанский государственный университет, г. Хабаровск, Российская Федерация; е-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Колодезников Игорь Иннокентьевич – доктор геолого-минералогических наук, профессор, советник президента, Академия наук Республики Саха (Якутия), г. Якутск, Российская Федерация

Гриб Галина Владиславовна – кандидат геолого-минералогических наук, заведующая лабораторией мониторинга и прогноза сейсмических событий, Технический институт (филиал) Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова, г. Нерюнгри, Российская Федерация

Качаев Андрей Викторович – заведующий лабораторией физики горных пород, Технический институт (филиал) Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова, г. Нерюнгри, Российская Федерация

Введение

Тектонические нарушения углепородного массива являются одним из наиболее распространенных геологических факторов, которые осложняют проведение горных работ. Кроме того, они являются сейсмогенерирующими структурами как при природной, так и при техногенной сейсмичности, поэтому изучение тектонических нарушений углепородного массива выполняется на всех стадиях освоения угольных месторождений. Инновационный метод изучения тектонических нарушений с применением ориентированно-направленного бурения скважин из подготовительных горных выработок был предложен в работе [1]. Наиболее оперативными и экономичными методами изучения тектонических нарушений на всех стадиях освоения угольных месторождений являются методы наземной геофизики.

Наибольшее распространение получили методы сейсморазведки как на дневной поверхности, так и в шахтных условиях. В работах [2; 3] рассмотрено применение сейсморазведочного метода отраженных волн для картирования и прослеживания тектонических нарушений в углепородном массиве. Изучение геометрической структуры разломов по данным сейсморазведки рассмотрено в работах [4; 5].

Активно развивается как в России, так и в зарубежье разработка программных комплексов на основе нейросетевого анализа для обработки результатов сейсморазведки, выполненных различными методами [6; 7].

В настоящее время в практике локализации выходов тектонических нарушений широко используется электротомография, которая позволяет проводить интерпретацию в рамках двумерных моделей [8]. Локализация тектонических структур, перекрытых толщами четвертичных отложений, методом электротомографии рассмотрена в работах [9–11]. Применение метода электротомографии для изучения тектонических нарушений углепородного массива из горных выработок рассмотрено в работах [12; 13]. Из анализа как отечественной, так и зарубежной литературы следует, что проблема выделения тектонических нарушений углепородного массива геофизическими методами является очень актуальной. Поэтому цель работы заключалась в разработке технологии локализации тектонических нарушений по комплексу геофизических методов с привлечением геологических данных и геоморфологических особенностей рельефа.

Методы локализации тектонических нарушений

Исследования по локализации выходов тектонических нарушений под четвертичные отложения проводились геофизическими методами: электротомографией (ЭТ) и сейсморазведкой, методом корреляции преломленных волн (КМПВ). Научно-исследовательские работы выполнены на шахтном поле Верхне-Талуминского месторождения Южно-Якутского бассейна.

Полученные в ходе полевых работ материалы подвергаются специальной математической обработке. Результатом обработки данных КМПВ являются глубинные скоростные разрезы. Обработка данных сейсморазведки производилась с использованием специализированных программ RadExPro и ZondST2D ¹.

Интерпретация данных ЭТ выполнялась с использованием специализированного программного обеспечения ZondRes2D. По результатам обработки электротомографии построены разрезы удельных электрических сопротивлений ². Результаты обработки геофизических данных экспортируются в формат AutoCAD, затем используются в последующей комплексной интерпретации.

Структура комплексной интерпретации состоит из трех блоков: интерпретация геофизических данных отдельного профиля с выделением аномальных точек и прогнозных нарушений; корреляция аномалий, ассоциированных с прогнозными тектоническими нарушениями на геофизических разрезах с построением план-схемы с прогнозными тектоническими структурами; завершающий этап – построение тектонической схемы изучаемой площади с учетом морфоструктурных особенностей рельефа месторождения и гипсометрии угольных пластов.

Основными факторами при выделении аномальных точек являлись: низкие значения распространения упругих волн, низкие значения удельных электрических сопротивлений, морфологическая схожесть аномалий на геофизических разрезах. Эти точки выносятся на топографическую основу изучаемого участка и используются при дальнейшей интерпретации.

Следующим этапом является обработка нескольких профилей. По рядом расположенным профилям была проведена корреляция геофизических аномалий. Корреляция проводилась по следующим параметрам аномалий: морфологии геофизических аномалий на разных профилях, их интенсивности, взаиморасположением на профилях.

Принцип корреляции иллюстрируется на примере профилей 2–4 Верхне-Талуминского месторождения (рис. 1).

Рис. 1 Корреляция геофизических аномалий и выделенных тектонических нарушений между профилями

Fig. 1 Correlation of the geophysical anomalies and identified tectonic faults between the profiles

В последующем увязка аномалий будет корректироваться на топографическом плане с учетом геоморфологических признаков изучаемого участка.

На рис. 1 приведены геоэлектрические разрезы по профилям, от четвертого (верхний профиль) до второго (нижний профиль). В данном случае корреляция производилась по интенсивности и форме аномалий на геоэлектрических разрезах по профилям 2–4.

По результатам корреляции аномалий по профилям строится схема тектонических нарушений на топографическом плане. На план выносятся и аномальные точки второго порядка. Это точки связаны с аномалиями, аналогичными аномалиям спрогнозированных тектонических структур, но не явно выраженные.

Высока вероятность, что в этих точках профилями пересечены малоамплитудные разрывные нарушения, зоны трещиноватости или иные неоднородности разреза, отраженные в геофизических полях.

Результаты и их обсуждение

Из анализа топографического плана с вынесенными аномальными точками следует, что площадь месторождения плотно насыщена аномалиями. Последующие построения заключались в корреляции аномалий между профилями и исключении ложных аномальных точек.

Как отмечалось выше, корреляция аномалий производилась по их морфологии и с учетом рельефа местности участка работ. Такой подход позволил определить основные направления предполагаемых тектонических нарушений и построить первый вариант тектонической схемы Верхне-Талуминского месторождения. Тем не менее построенная тектоническая схема характеризовалась высокой степенью сложности в связи с большим количеством исходных аномалий и нуждалась в уточнении.

Для уточнения построенной тектонической схемы использован гипсометрический анализ данных по пластам Д5 и Д7. Эти пласты выбраны по признаку максимального распространения в пределах площади работ. На рис. 2, б приведён план изогипс почвы пласта Д5.

Рис. 2 План изогипс почвы пласта Д7 (а) и Д5 (б) с основными прогнозными тектоническими структурами Верхне-Талуминского месторождения

Fig. 2 An isohypse map of Д7 (а) and Д5 (б) formation bottoms with the main predicted tectonic structures of the Verkhne-Taluminskoye deposit

Построение было выполнено по данным бурения углеразведочных скважин. Результат построений иллюстрирует достаточно сложный рельеф почвы пласта и позволяет определить направления основных прогнозных тектонических нарушений.

Следующий этап анализа выполнен исходя из следующих позиций: при работе с данными гипсометрии почвы одиночного угольного пласта следует учитывать, что изрезанность (невыдержанность) палеорельефа может быть связана не только с разрывными нарушениями или постседиментационной складчатостью, но и с исходной неровностью основы пласта в период осадконакопления.

Для исключения неверного толкования аномалий градиента угла падения почвы пласта необходимо сопоставление выделенных аномалий с аналогичными аномалиями по другому пласту. Совпавшие при сопоставлении аномалии с высокой степенью вероятности могут быть отнесены к аномалиям тектонического генезиса (как тектонические нарушения, так и постседиментационные складки).

На рис. 2, а представлена гипсометрия почвы пласта Д7.

В процессе построений отмечено сходство морфологических характеристик планов изогипс отмеченных пластов.

По результатам большого совпадения линиментов можно сделать вывод о тектонической природе выделенных аномалий.

После подтверждения тектонической природы линиментов была построена уточнённая тектоническая схема площади Верхне-Талуминского месторождения.

Принцип построения схемы заключался в следующем: линии прогнозных тектонических нарушений проводились при совпадении линиментов аномалий изогипс почвы обоих пластов и линий прогнозных тектонических нарушений, построенных по результатам корреляции геофизических аномалий. Схема прогнозных тектонических структур представлена на рис. 3.

 Рис. 3 Фрагмент схемы прогнозных тектонических структур ВерхнеТалуминского месторождения, локализованных по результатам геофизических исследований

Fig. 3 A fragment of the diagram of the predicted tectonic structures at the VerkhneTaluminskoye deposit, localized based on the results of the geophysical studies

Заключение

Предлагаемый подход локализации выходов угольных пластов под четвертичные отложения на основе комплексной интерпретации геолого-геофизических данных, а также с учетом морфоструктурных особенностей рельефа месторождения позволил с высокой надёжностью выделить в пределах шахтного поля Верхне-Талуминского месторождения сеть предполагаемых тектонических структур.

Преимущественное направление простирания тектонических нарушений – северо-западное и юго-восточное. Надежность локализации тектонических нарушений подтверждена горными работами.

Реализация предлагаемого подхода позволит прогнозировать тектонические структуры и другие неоднородности геологического разреза шахтного поля, что повысит эффективность и безопасность введения горных работ.

Список литературы

1. Гриб Н.Н. Изучение тектонических нарушений угольных пластов горизонтально-направленным бурением из подготовительных горных выработок. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2024;(2):35–50. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2024_2_0_35Grib N.N. Investigation of tectonic faults in coal seams using horizontal directional drilling from temporary roadways. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2024;(2):35–50. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236_1493_2024_2_0_35

2. Байкенжина А.Ж. Выявление и картирование тектонических нарушений как индикаторов выбросоопасных зон методом МОГТ-3D в условиях Карагандинского угольного бассейна. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2018;329(8):145–155. Режим доступа: https://izvestiya.tpu.ru/archive/article/view/2082 (дата обращения: 27.05.2025).Baikenzhina A.Zh. Detection and mapping of tectonic disturbances as indicators of outburst hazard zones by MOGT-3D method detailed prospecting in the conditions of the Qaraghandy coal basin. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering. 2018;329(8):145–155. (In Russ.) Available at: https://izvestiya.tpu.ru/archive/article/view/2082 (accessed: 27.05.2025).

3. Анциферов А.В., Глухов А.А., Анциферов В.А. Шахтный сейсмический прогноз тектонических нарушений по отраженным волнам методом локации. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2020;(6):131–139. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2020-6-0-131-139Antsiferov A. V., Glukhov A.A., Antsiferov V.A. Mine seismic prediction of tectonic faults by reflected waves using the method of location. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2020;(6):131–139. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236-1493-2020-6-0-131-139

4. Carvajal F.R., Butler R.W.H., Bond C.E. Mapping faults in 3D seismic data – why the method matters. Journal of Structural Geology. 2023;177:104976. https://doi.org/10.1016/j.jsg.2023.104976

5. Wei F., Sun J., Xu X. Analysis of high-resolution seismic exploration in coalfield geological exploration methods. Academic Journal of Engineering and Technology Science. 2022;5(9):1–7. https://doi.org/10.25236/AJETS.2022.050901

6. Анциферов А.В., Глухов А.А. Использование комплекса обработки сейсмических данных для прогноза тектонических нарушений углепородного массива. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2024;(11):126–138. Режим доступа: https://giab-online.ru/files/Data/2024/11/11_2024_126-138.pdf (дата обращения: 27.05.2025).Antsiferov A.V., Glukhov A.A. The use of seismic data processing package in prediction of tectonic disturbances in coal-rock masses. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2024;(11):126–138. (In Russ.) Available at: https://giab-online.ru/files/Data/2024/11/11_2024_126-138.pdf (accessed: 27.05.2025).

7. Mousavi S.M.1, Beroza G.C.2, Mukerji T.3, Rasht-Behesht M. Applications of deep neural networks in exploration seismology: A technical survey. Geophysics. 2024;89(1):WA95–WA115. https://doi.org/10.1190/geo2023-0063.1

8. Бобачев А.А., Модин И.Н., Перваго Е.В., Шевнин В.А. Многоэлектродные электрические зондирования в условиях горизонтально-неоднородных сред. М.: Геоинформмарк; 1996. 51 с.

9. Маркин М.Ю. Выявление перекрытых разрывных нарушений методом электро-томографии на примере городской агломерации Усть-Каменогорск (Республика Казахстан). Геология и геофизика Юга России. 2024;14(2):107–116. https://doi.org/10.46698/VNC.2024.45.42.008Markin M.Yu. Identification of overlapped raptures by electrotomography on the example of urban agglomeration UstKamenogorsk (Republic of Kazakhstan). Geology and Geophysics of Russian South. 2024;14(2):107–116. (In Russ.) https://doi.org/10.46698/VNC.2024.45.42.008

10. Guo W., Liu S., Liu Y., Chen S. Application of electrical resistivity imaging to detection of hidden geological structures in a single roadway. Open Geosciences. 2020;12(1):1083–1093. https://doi.org/10.1515/geo-2020-0175

11. Du L., Qin T., Mizunaga H., Zong Z., Zhu W., Zhu Z. Monitoring water infiltration in multiple layers of sandstone coal mining model with cracks using ERT. Open Geosciences. 2024;16(1):20220707. https://doi.org/10.1515/geo-2022-0707

12. Gyulai Á., Dobróka M., Ormos T., Turai E., Sasvári T. In-mine geoelectric investigations for detecting tectonic disturbances in coal seam structures. Acta Geophysica. 2013;61(5):1184–1195. https://doi.org/10.2478/s11600-013-0112-6

13. Гайсин Р.М., Цариков А.Ю. Определение положения зон нарушенности угольных пластов по данным подземной электроразведки. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2019;(6):19–26. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2019-06-0-19-26Gaysin R.M., Tsarikov A.Yu. Location of damage zones in coal seams by underground resistivity prospecting. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2019;(6):19–26. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236-1493-2019-06-0-19-26