Повышение эффективности геофизических методов при малоглубинных исследованиях

Давыдов, Вадим Анатольевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Повышение эффективности геофизических методов при малоглубинных исследованиях
ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Повышение эффективности геофизических методов при малоглубинных исследованиях"

005014150

ДАВЫДОВ Вадим Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПРИ МАЛОГЛУБИННЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

Специальность - 25.00.10 Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата геолого-минералогических наук

1 5 МАР жг

Екатеринбург 2012

005014150

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» и ФГБУН Институт геофизики им. Ю.П. Булашевича УрО РАН

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук,

профессор Сковородников Игорь Григорьевич

Официальные Писецкий Владимир Борисович, доктор

оппоненты: геолого-минералогических наук, доцент,

ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», заведующий кафедрой геоинформатики

Медведев Александр Николаевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ФГБУН Институт промышленной экологии УрО РАН, ученый секретарь института

Ведущая организация - ФГБУН Горный институт УрО РАН, г. Пермь

Защита состоится 28 марта 2012 г. в 14 час. 30 мин. в зале Ученого совета на заседании диссертационного совета Д 212.280.01 при ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, г.Екатеринбург, ГСП, ул. Куйбышева, 30

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Автореферат разослан 28 февраля 2012 г.

Ученый секретарь , . Макаров Анатолий

диссертационного совета ^ ' / ¿.4 /? щ, Борисович

Общая характеристика работы

Актуальность темы. После кризиса 90-х годов в области геологического изучения недр наблюдается некоторое оживление. Не считая поисков и разведки нефтегазовых месторождений, современные геологические исследования носят в основном малоглубиниый характер. Это связано в первую очередь с экономической рентабельностью последующей добычи минерального сырья. Геофизические методы исследований характеризуются высокой производительностью и относительно низкой стоимостью, что позволяет прогнозировать повышение спроса на них, при условии нормального развития экономики. В этом случае малоглубинные геофизические работы будут востребованы как в горно-геологической отрасли, так и в сфере инженерных изысканий.

Одними из главных особенностей малых глубин являются разнообразие и быстрая изменчивость свойств геологической среды. К геофизическим исследованиям здесь предъявляются высокие требования по разрешающей способности и детальности наблюдений. Для того чтобы наиболее полно и качественно выполнить поставленные геологические задачи, необходимо повышать информативность геофизических исследований за счет разнообразия состава и увеличения объема работ. Данная ситуация вынуждает обратить внимание на быстроту получения достоверных данных при использовании различных методов и методик исследований, а также на экономичность технического оборудования. В связи с этим достаточно актуальным направлением является повышение эффективности малоглубинных геофизических исследований за счет разработки недорогой универсальной аппаратуры, применения новых технологий обработки данных и использования оптимального комплекса геофизических методов.

Цель диссертационной работы: разработка полевой аппаратуры, методики наблюдений и комплексирования геофизических методов, а также нахождение новых приемов обработки и интерпретации полученных данных для повышения геологической информативности малоглубинных геофизических исследований. Основные задачи.

о Разработка, изготовление и испытание макета широкополосного многофункционального приемника электрических, магнитных и сейсмоакустических сигналов, о Изготовление и калибровка датчиков магнитного поля для методов АМТЗ (аудиомагнитотеллурического зондирования) и радиокип СДВР (радиокомпарации и пеленгации сверхдлинноволновых радиостанций), о Разработка новой методики наблюдения и интерпретации сейсморазведочных данных с одновременным использованием продольных и поперечных волн.

о Опробование новой аппаратуры, методических приемов и способов обработки данных на контрольных интерпретационных профилях. /

о Анализ возможностей отдельных геофизических методов и выбор рационального комплекса исследований при изучении верхней части геологического разреза (ВЧР).

Защищаемые положения.

1. Разработанная, изготовленная и опробованная на практике широкополосная приемно-регистрирующая аппаратура, отличающаяся портативностью и малой себестоимостью, позволяет оперативно выполнять задачи электрометрии и сейсмометрии.

2. Предложенная технология совместной обработки данных методов преломленных волн и многоканального анализа поверхностных волн позволяет изучить упругие характеристики геологической среды (скорости продольных и поперечных волн, коэффициент Пуассона) в естественном залегании для решения инженерно-геологических задач.

3. На основе реализации возможностей новых технологий обоснован рациональный комплекс геофизических методов для изучения верхней части геологического разреза, позволяющий повысить достоверность и информативность исследований.

Научная новизна.

о Разработана, изготовлена и испытана в производственных условиях новая геофизическая аппаратура широкого применения с датчиками электромагнитных сигналов.

о Впервые предложены и осуществлены аудиомагнитотеллурические измерения в движении.

о Впервые предложен новый электрометрический параметр для выявления поляризационных свойств разреза - электрический параметр гармоник (Пг).

о Для малых глубин разработан способ повышения горизонтального разрешения многоканального анализа поверхностных волн (МА8\¥) на базе алгоритма оконного суммирования спектров скоростей релеевских волн.

о В ходе выполнения исследований на ряде объектов показана эффективность обнаружения подземных пустот по поведению коэффициента Пуассона.

о На ряде альпинотипных массивов показана перспективность изучения хромового оруденения с помощью индукционной электроразведки и комбинированной малоглубинной сейсморазведки.

Практическая значимость.

о Созданный макет широкополосной аппаратуры «ОМАР-2м» успешно испытан на контрольном полигоне Института геофизики УрО РАН и применялся автором в производственных условиях при:

• изучении интервалов, перспективных на золотоносное оруденение в горных выработках шахты «Северная» Березовского рудника [2];

• опытных геофизических работах по выявлению коренных источников Полдневского месторождения демантоидов [3];

• инженерно-геофизическом обследовании плотин г. Екатеринбурга [6, 7];

• геолого-геофизических поисковых работах на хромиты в пределах ультраосновных массивов - Наранского (Монголия) и Рай-Из (Урал);

• изучении геоэлектрического разреза вблизи трасс магистральных газопроводов Тюменской, Свердловской и Челябинской областей.

Разработанная аппаратура «ОМАР-2м» позволяет выполнять исследования методами АМТЗ, радиокип СДВР, переменного естественного электрического поля (ПЕЭП), спектрального анализа поверхностных волн (SASW), а также может применяться как сейсмоэлектрическая или сейсмоакустическая станция. В комплекте с электроразведочным генератором сигналов аппаратура может выступать в качестве универсального приемника электромагнитных методов разведки [10]. о Технология совместной обработки данных сейсморазведки методом преломленных волн (МПВ) и многоканального анализа поверхностных волн (MASW) была успешно применена автором на практике при:

• изучении территории под строительство обогатительной фабрики шахты «Северная» ОАО «Ургалуголь» в Верхне-Буреинском районе Хабаровского края [1];

• поиске старых горных выработок Березовского золоторудного месторождения (Свердловская обл.) [4];

• опытно-методических работах в пределах хромитоносных участков Ключевского и Первомайского офиолитовых массивов Среднего Урала;

• инженерно-геологических работах на участках планируемого строительства ряда объектов Свердловской и Челябинской областей.

Разработанная технология обработки сейсмических данных позволяет определять коэффициент Пуассона в естественном залегании и идентифицировать подземные пустоты различного происхождения, о Предложенный рациональный комплекс геофизических методов по изучению верхней части геологического разреза может с большой эффективностью применяться при:

• изучении россыпных месторождений благородных металлов и драгоценных камней;

• поиске и разведке коренных рудных месторождений, залегающих на небольших глубинах (от 2 до 30 метров);

• инженерно-геологических изысканиях. Личный вклад автора.

Работа подготовлена по результатам исследований, проведенных непосредственно автором в период с 1995 по 2011 год. Полевые работы на месторождениях золота выполнялись в содружестве с В.П. Бакаевым (ИГф УрО РАН), обследование плотин и инженерно-геологические изыскания - совместно с А.Н. Назаровым (ПИИ «ГЕО»). Вопросы обработки сигналов решались вместе с A.B. Давыдовым (УГГУ). Личный вклад автора:

- постановка задач исследований;

- разработка, изготовление и испытания на практике новой многофункциональной аппаратуры;

- разработка технологии совместного выполнения и обработка результатов сейсморазведки МПВ и MASW;

- предложен способ локализации подземного пустотного пространства;

- непосредственное участие в проведении полевых работ;

- обработка и интерпретация полученных материалов.

Апробация работы и публикации. Основные результаты исследований отражены в 12 технических отчетах, написанных автором и находящихся в фондах горно-геологических и проектно-изыскательских организаций.

Результаты работы докладывались и обсуждались на Международном научно-промышленном симпозиуме «Уральская горная школа-регионам» (УГГУ, 21-28 апреля 2009); Пятых научных чтениях памяти Ю.П. Булашевича (ИГФ УрО РАН, 6-10 июля 2009); Шестых научных чтениях памяти Ю.П. Булашевича (ИГФ УрО РАН, 12-14 сентября, 2011).

По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, из которых 3 работы напечатаны в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией (ВАК), подана заявка на изобретение. Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 82 наименований. Диссертация изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунка, 5 фотографий и 8 таблиц.

Благодарности. Автор благодарит своего научного руководителя д.г-м.н., профессора И.Г. Сковородникова за ценные замечания; своих полевых коллег В.П. Бакаева и А.Н. Назарова за совместную работу. А также выражает признательность к.г-м.н. Н.В. Вахрушевой, д.т.н. А.И. Человечкову, д.т.н. Л.Н. Сенину, к.т.н. А.Н. Ратушняку и к.т.н. А.Д. Коноплину за неформальные консультации и дискуссии по разным вопросам.

Я всегда буду благодарен своему отцу д.г-м.н. профессору A.B. Давыдову за понимание.

Краткое содержание работы Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, охарактеризованы новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе отражены области применения, цели и задачи малоглубинных геофизических исследований. Охарактеризованы основные методы и технологии малоглубинной геофизики. Особое внимание уделено изучению верхней части разреза с помощью естественных электромагнитных полей, описана структура природных и искусственных сигналов электромагнитного поля Земли в частотном диапазоне 1 - 100 000 Гц. Проведен обзор и сравнительный анализ используемой серийной аппаратуры методов АМТЗ и радиокип СДВР.

Вторая глава посвящена разработанной автором опытной малогабаритной аппаратуре регистрации геофизических сигналов «ОМАР-2м». Приведено описание структурной схемы и принципа работы, указаны технические характеристики изготовленного прибора и датчиков сигналов. Продемонстрирован способ расширения динамического диапазона измеряемых сигналов и борьбы с промышленными помехами. Описана методика

наблюдений, обработки и интерпретации результатов методом АМТЗ. Приведены примеры применения аппаратуры «ОМАР-2м» в качестве аудиомагнитотеллурической и сейсмоэлектрической станции.

Третья глава содержит изложение методики комбинированного использования преломленных и поверхностных волн. Проанализированы стандартные схемы наблюдений и способы обработки сейсморазведки методом преломленных волн (МПВ) и многоканального анализа поверхностных волн (МА8\\Л). Предложена технология оконного суммирования сейсмограмм в спектральной области при модифицированной системе наблюдений. Рассмотрено поведение упругих характеристик в реальных средах. Приведены примеры применения новой методики для идентификации подземных пустот.

В четвертой главе представлены примеры по изучению верхней части геологического разреза с помощью различных геофизических методов. Перечислена применяемая аппаратура и методические приемы исследований. Основная часть работ посвящена изучению россыпных месторождений. За ними следуют примеры геофизических исследований при инженерно-геологических изысканиях и опытно-методические работы на коренных месторождениях хромитов. По результатам работ предложен и обоснован рациональный комплекс геофизических методов для изучения малых глубин. В заключении приводятся основные результаты представленных работ.

Под повышением эффективности понимается: увеличение информативности и производительности работ при снижении их себестоимости. Средствами достижения этой цели являются:

• применение производительных методов и методик при выполнении полевых работ;

• внедрение новые технологий обработки и интерпретации данных;

• использование недорогой универсальной аппаратуры.

Малоглубинные исследования - это изучение верхней части геологического разреза (ВЧР), состоящего из:

• рыхлых отложений разного происхождения (аллювий, делювий, элювий и др.), включая кору выветривания коренных пород;

• кровли собственно коренных пород.

Мощность рыхлых отложений обычно варьирует от единиц до десятков метров,

таким образом, ВЧР ограничивается первой сотней метров.

Основные области применения малоглубинных геофизических исследований:

• крупномасштабное геологическое картирование;

• поиск и разведка неглубоко залегающих коренных месторождений;

• поиск и разведка россыпных месторождений;

• изучение горно-геологических условий и процессов при эксплуатации месторождений твердых полезных ископаемых;

• гидрогеологические, геокриологические и экологические исследования;

• инженерно-геологические изыскания;

• археология.

К основным геофизическим методам изучения малых глубин следует отнести электроразведку и сейсморазведку. В качестве дополнительных методов для решения некоторых специфических задач применяют магниторазведку, гравиразведку и радиометрию.

Главным сейсморазведочным методом изучения верхней части разреза является метод преломленных волн (МПВ). При возбуждении упругих колебаний с помощью ручного тампера (кувалды), сейсморазведка МПВ позволяет получить информацию о скоростных характеристиках геологического разреза в интервале глубин от 1 до 30 метров. В случае применения механических невзрывных источников глубинность исследований возрастает до 100 метров. Развитие современных технологий дало толчок новым методическим приемам получения и обработки сейсмической информации. Одно из таких направлений - использование спектрального анализа поверхностных волн.

Электроразведка объединяет многочисленные геофизические методы исследования геологической среды, основанные на изучении постоянных или переменных электромагнитных полей естественных и искусственно созданных источников. В настоящее время в электроразведке насчитывается свыше пятидесяти различных методов и модификаций. Наиболее востребованными являются электромагнитные зондирования, основанные на измерении элементов поля при последовательном увеличении глубины проникновения электрических токов. Наиболее распространены: вертикальные электрические зондирования (ВЭЗ), дистанционные индукционные зондирования (ДИЗ), индукционные частотные зондирования (ИЧЗ) и метод переходных процессов (МПП). К относительно малораспространенному, но перспективному направлению малоглубинной электроразведки относится использование безгенераторных способов изучения геоэлектрического разреза с помощью природных электромагнитных полей - аудиомагнитотеллурические зондирования (АМТЗ) и метод радиокомпарации и пеленгации сверхдлинноволновых радиостанций (радиокип СДВР).

Аппаратура для методов АМТЗ и радиокип СДВР в настоящее время серийно выпускается только за рубежом, отечественные аналоги подобных приборов существуют только в единичных опытных экземплярах. Для восполнения этого пробела автором разработан и изготовлен экономичный и достаточно универсальный приемник электромагнитных сигналов аудио-диапазона «ОМАР-2м».

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1. Разработанная, изготовленная и опробованная на практике широкополосная приемно-регистрируннцая аппаратура, отличающаяся портативностью и малой себестоимостью, позволяет оперативно выполнять задачи электрометрии и сейсмометрии.

Функционально аппаратура состоит из аналогового приемного блока и цифрового регистратора сигналов. Приемный блок осуществляет согласование

с датчиками, формирование амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) каналов, усиление, индикацию уровня сигнала и детектирование (рис. 1).

1 Гц Уеип.2 кзн дБ

Рис. 1. Структурная схема аналогового приемного блока |5|. Принятые сокращения: 1МД - магнитный датчик, MN - заземляемые электроды, ФВЧ -фильтры высоких частот, ДУ - дифференциальный усилитель, ФНЧ - фильтр низких частот, УС - усилитель, ДЕТ - детектор, ИНД-аналоговый стрелочный индикатор

Блок состоит из двух практически идентичных каналов, отличие заключается в параметрах фильтров высоких частот (ФВЧ) с изменяемой частотой среза, что необходимо для согласования разных типов датчиков. Принцип работы обоих каналов одинаков: дифференциальный усилитель (ДУ) осуществляет основное усиление сигналов с шагом 10 дБ, фильтр низких частот (ФНЧ) ограничивает полосу пропускания до 50 кГц, усилитель (УС) служит для согласования с регистратором и дополнительного усиления, детектор (ДЕТ) производит выпрямление переменного напряжения для аналогового встроенного индикатора (ИНД) и подключаемого цифрового тестера. Аналоговый блок разработан на современной элементной базе, во входном каскаде использованы микросхемы ДУ фирмы Analog Device AD622AN. Регистратор производит аналого-цифровое преобразование и запись сигналов в цифровой форме. В качестве регистратора выступает стандартное устройство: ноутбук, содержащий линейный аудиовход. В составе ноутбука имеется специальный аудиопроцессор, с помощью которого осуществляется аналого-цифровое преобразование и запись сигналов. Современные аудиопроцессоры имеют 16/20/24-разрядные АЦП с независимыми частотами дискретизации 44.1/48/96 кГц, что позволяет в реальном времени оцифровывать сигналы частотой до 48 кГц. Результат запоминается на жестком диске ноутбука или

флэш-памяти, в стандартных файлах цифровой аудиозаписи. Дальнейшая обработка сигналов производится с помощью специализированных компьютерных программ (Cool Editor, SpectraLAB, MATLAB). Сравнительные характеристики аппаратуры «ОМАР-2м» и наиболее близкого аналога MTU-A фирмы Phoenix Geophysics (Канада) приведены в табл. 1.

Табл. 1. Сравнительные технические характеристики аппа ратуры

Характеристика ОМАР-2м Phoenix MTU-A

Количество каналов 2 2-5

Входное сопротивление 4 МОм > 1 МОм

Коэффициент преобразования датчика (тип) 50 мВ/нТл (АМД-50) 100 мВ/нТл (АМТС-30)

Диапазон рабочих частот 10-48000 Гц 1 -10 000 Гц

Разрядность АЦП 24 24

Частота дискретизации 96 кГц 24 кГц

Динамический диапазон сигналов ^ 130 дБ 130 дБ

Подавление промышленных помех >20 дБ >40 дБ

Объем встроенной флэш-памяти 8 Гбайт 4 Гбайт

Потребляемая мощность 7,5 Вт 9 Вт

Вес приемника + датчика 3 кг + 1,5 кг 4 кг + 3 кг

Как видно из таблицы, регистрируемый диапазон «ОМАР-2м» сдвинут в более высокочастотную область, технические характеристики имеют близкие значения, а по некоторым показателям превышают канадскую аппаратуру. Аппаратура «ОМАР-2м» имеет самое низкое энергопотребление, габариты и вес из всех выпускаемых аналогов. Визуальный контроль за уровнем сигналов и установка усиления каналов осуществляются по аналоговым индикаторам или в окне управляющей программы. В качестве управляющей программы для регистрации и предварительной обработки данных использовано адаптированное программное обеспечение SpectraLAB фирмы Sound Technology (США). Программа может в режиме реального времени проводить визуализацию, обработку и запись сигналов, поступающих на вход звуковой карты ноутбука. Главным рабочим методом аппаратуры «ОМАР-2м» является АМТЗ. Регистрация и обработка сигналов АМТЗ сводится к следующим основным пунктам:

• запись временных рядов и получение частотных спектров на основе быстрого преобразования Фурье;

• фильтрация промышленных помех;

• восстановление истинных амплитуд сигналов, с учетом АЧХ измерительных каналов;

• расчет взаимного импеданса среды и эффективного УЭС;

• построение частотных кривых зондирований;

• качественная и количественная интерпретация.

Созданный макет широкополосной аппаратуры «ОМАР-2м» успешно испытан в качестве аудиомагнитотеллурической станции на контрольном полигоне Института геофизики УрО РАН, расположенном в пределах старого

золоторудного месторождения "Свердловское". Мощности рыхлых отложений, определенные ранее методом ВЭЗ и сейсморазведкой МГ1В, хорошо согласуются с количественными результатами АМТЗ. Полностью геоэлектрический разрез АМТЗ с результатами других геофизических методов представлен на рис. 2.

ДТа, нТл I, мкР/ч 600

а) 200

б) Ь, м

ЮВ

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

г г г г г г ггггг Г ■/ г ' Г Г Г Г гггггг + + .' + + + + + +

СЗ

Рис. 2. Контрольный профиль ИГф УрО РАН в Юго-Западном лесопарке:

а) графики полного вектора аномального магнитного поля ЛТ,„ локальной составляющей гравитационного поля Jg■юк и мощности экспозиционной дозы /;

б) количественный геоэлектрический разрез АМТЗ но контрольному профилю. Голубыми чертами отмечена глубина кровли коренных пород, определенная методом ВЭЗ. малиновой линией - сейсморазведкой МПВ

По результатам геологических наблюдений и геофизических работ, ситуация на контрольном профиле выглядит следующим образом:

■ 0 - 280 м: габбро (I), в интервале 0-50 м - трещиноватые габбро;

■ 280 - 340 м: зона метасоматических изменений (2), связанная с золото-кварцевым оруденением месторождения "Свердловское";

■ 340 - 560 м: граниты (3), в интервалах 340-500 м - зона дробления и трещиноватости, 440-460 м - глубинный разлом.

Для опробования новой скоростной методики работ была произведена съемка АМТЗ в движении со стелющейся электрической линией. Выяснено, что результаты съемки обладают меньшей разрешающей способностью по глубине и большими флуктуациями значений, поэтому ее лучше применять для предварительной оценки глубинных свойств геоэлектрического разреза. Первичная съемка АМТЗ в движении может послужить основой площадных

исследований на фиксированных частотах и выбора мест детальных электромагнитных зондирований.

Универсальность аппаратуры «ОМАР-2м» показана на примере ее использования в качестве сейсмоэлектрической станции на шахте «Северная» Березовского рудоуправления. Здесь ставилась задача по выделению геофизическими методами интервалов, перспективных на золотоносное оруденение (участки сгущения кварцевых жил, повышенное содержание сульфидов, проявления березитизации). Наблюдения проводились с одновременной регистрацией сигналов сейсмического и электрического отклика, полученных от ударного воздействия, в широкой полосе частот с шагом наблюдений 1 м. Обработка заключалась в энергетической нормировке амплитуды электрического сигнала (Аэ) к сейсмическому (Ас), полученная величина и является пьезоэлектрическим параметром в данной точке. Результаты свидетельствуют о достаточно уверенной корреляции пьезоэлектрического параметра (Аэ/Ас) с положением кварцевых жил. Однако связь с оруденением носит менее выраженный характер, так как распределение золота не связано прямой зависимостью с содержанием кварца (рис. 3).

140

120 100

80 60 40 20 0

0 5 10 15 20 25 30 35 ПК. м *0

Рис. 3. Графики пьезоэлектрического параметра и удельного электрического сопротивления (УЭС) по контрольному профилю [2):

1 - содержание золота; 2 - содержание серебра; 3 - значения пьезоэлектрического параметра; 4 - значения УЭС; 5 - кварцевые жилы в плагногранит-порфирах; б -сланцы

Кроме того, с помощью аппаратуры «ОМАР-2м» были проведены наблюдения за импульсными электромагнитными помехами в шахте, в

результате которых введен параметр Пг, связанный с поляризацией и характеризующий ослабление кратных гармоник:

Пт = (А1-п-А,УА1, где А\ - амплитуда первой гармоники, А, - амплитуда /-гармоники, n = A\/Aj - соотношение в первичном сигнале (для меандра и = /'). Повышенные значения электрического параметра гармоник Пг отмечены на участках с высоким содержанием сульфидов.

Для изучения радиоактивных свойств рудных зон было проведено высокочувствительное направленное гамма-опробование стенок штрека на содержание естественных радиоактивных элементов (ЕРЭ) по ранее разработанной методике [8, 9]. Полученные данные свидетельствуют об увеличении концентрации калия и выносе урана и тория из зон березитизации. Кварцевые жилы характеризуются пониженными концентрациями всех ЕРЭ, по сравнению с дайками плагиогранит-порфиров.

Работы на Березовском руднике показали, что геофизические методы могут решать ряд геологических задач при шахтной добыче месторождений золото-кварцево-сульфидного типа, в том числе по определению перспективных участков. Сейсмоэлектрический (пьезоэлектрический) метод является прямым для картирования кварцевых жил. Электрометрические параметры неплохо реагируют на сульфидное оруденение. Направленное гамма-опробование позволяет уверенно фиксировать границы даек с вмещающими породами, а также выделять зоны березитизации.

Многофункциональный приемник «ОМЛР-2м» с успехом использовался еще в ряде научных и производственных работ методами АМТЗ, радиокип СДВР, переменного естественного электрического поля (ПЕЭП), сейсмоакустической эмиссии (СЭА), ДИЗ с амплитудно-фазовыми измерениями и зарекомендовал себя как универсальный полевой прибор.

При возбуждении колебаний источником, расположенным вблизи поверхности земли, образуются два основных типа сейсмических волн: объемные и поверхностные. Основная часть энергии источника расходуется на образование поверхностных волн - 67 %, доля поперечных волн составляет 26 %, а продольных - всего 7 %. В большинстве сейсморазведочных методов используются в основном продольные волны, поверхностные же волны рассматриваются как помехи. Поэтому идея использования поверхностных волн для получения геологической информации давно привлекала внимание. Над теорией распространения поверхностных волн и их применением для изучения грунтов работали в 1930-е годы R. Stoneley, К. Sezavva, К. Kanai; в 1950-е - N.A. Haskell, F. Press, M.B. Dobrin; в 1960-е - D.S. Jones, R.F. Vidale, A.J1. Левшин; в 1970-е - В.И. Бондарев, В.Н. Агеев, С.М. Крылатков, В.Б.

Писецкий. В конце 90-х годов в США сформировался метод многоканального анализа поверхностных волн (Multichannel Analysis of Surface Waves - MASW), основанный на Быстром Преобразовании Фурье (БПФ) фазовых спектров волн Релея.

В отличие от объемных волн, поверхностные волны в неоднородной среде обладают дисперсией - зависимостью скорости распространения от частоты колебаний, график зависимости называют дисперсионной кривой (ДК). Толщина слоя, частицы которого вовлечены в движение поверхностными волнами, обратно пропорциональна частоте колебаний, это позволяет по характеру дисперсионных кривых получить глубинный разрез поперечных волн. Стандартная методика полевых работ MASW напоминает технологию нагоняющих годографов в методе преломленных волн (МПВ), но по сути является точечным зондированием с выбранным шагом измерения, так как получаемый по полной сейсмограмме вертикальный скоростной разрез относят к единственной точке измерения, а именно к центру установки (косы). Низкое горизонтальное разрешение является основным недостатком метода MASW. Для повышения информативности сейсмических исследований автором предложена комбинация методов МПВ и MASW с использованием стандартной (или модифицированной) системы наблюдений МПВ, при этом повышение горизонтального разрешения MASW достигается за счет дополнительной обработки. Предлагаемый вариант заключается в сокращении длины участка обрабатываемого профиля и использовании накопления записей от других пунктов возбуждения (ПВ). При схеме наблюдений, принятой в МПВ, микширование трасс во временной области невозможно, однако ничто не мешает просуммировать спектры фазовых скоростей на одних и тех же интервалах профиля от разных ПВ. Простейшим вариантом является сложение спектров прямой и встречной установки. Суммирование повышает соотношение сигнал-шум в V« раз, где п - количество суммирований, а встречные установки позволяют усреднить параметры разреза на выбранном интервале профиля, что помогает избежать сильного несоответствия при наклонных границах разделов. На разных расстояниях от источника колебаний в записи преобладают разные длины поверхностных волн. Соответственно достоверность определения дисперсионной характеристики на разных частотах различна, в зависимости от расстояния до ПВ. На близких расстояниях точнее выделяется высокочастотная часть дисперсионной кривой, на удаленных ПВ более существенный вклад будут вносить низкочастотные составляющие. Таким образом, суммируя спектры фазовых скоростей от пунктов возбуждения, находящихся на разных расстояниях от косы, получаем более достоверную ДК в широком диапазоне частот. Определим минимальное количество суммирований в выделяемом окне: Umirt = 4. Тогда полная схема наблюдений с 24-канальной сейсмостанцией будет содержать 7 ПВ на одной стоянке. При этом количество интервалов (окон) суммирования можно будет изменять в соответствии с необходимым разрешением, определяемым расстоянием между точками зондирования (/). Это расстояние можно выразить в количестве СП между окнами: d = //Дх, где Дх - шаг установки сейсмоприемников. Число d

может составлять 6, 4, 3, 2 и 1. На рис. 4 показана предлагаемая система наблюдений и отработки двух стоянок комбинацией методов МПВ и МА8У/.

Рис. 4. Система наблюдений комбинацией методов МПВ и ЧЛ8\У в плоскости годографа с разбивкой на окна (интервалы суммирований).

Обработка годографов, построенных по первым вступлениям преломленных волн, проводится томографическим способом (рефрагированных волн), с построением скоростного разреза продольных волн Ур. Технология обработки поверхностных волн осуществляется суммированием скоростных спектров в скользящем окне, с промежутком между окнами в три сейсмоприемника (с/ = 3), что позволяет получить вполне приемлемое разрешение (/ = 6 м, при Ах = 2 м). В выбранной схеме наблюдений количество суммирований зависит от положения окна и составляет от 4 до 6 (см. рис. 4). Дальнейшие операции выделения и инверсии ДК не отличаются от стандартных процедур МАЗМ, конечной целью которых является построение скоростного разреза поперечных волн К?. Получив скорости продольных (Ур) и поперечных (У.ч) волн, можно рассчитать коэффициент Пуассона (ц).

В качестве примера приведены работы по выявлению подземных пустот с помощью предложенной методики. Эталонным объектом пустотного пространства послужил подземный переход плотины Городского пруда г.Екатеринбурга, над которым был пройден сейсмический профиль. Обработка сейсмических данных разделялась на два этапа в соответствии с типом целевых волн. Сначала прослеживались головные волны, по которым проводилось построение годографов. Годографы пересчитывались способом времени

задержки для построения сейсмических преломляющих границ и томографическим способом для получения скоростных разрезов Ур. Вторым типом целевых волн являлись волны Релея, к которым применялся вариант суммирования скоростных спектров в скользящем окне, с получением более контрастных дисперсионных кривых, которые затем конвертировались в скоростной разрез поперечных волн. По значениям Ур и К? рассчитывался коэффициент Пуассона (ц).

Ур, м с

д, отн.ед. МО.5

ЦО.4

Що.з

Щ 0.2

Рис. 5. Сейсмические скоростные разрезы продольных (а) и поперечных волн (б), а также распределение коэффициента Пуассона (в) фрагмента плотины Городского пруда |7). Черная линия соответствует преломляющей границе, малиновым квадратом отмечен подземный переход

Как видно из представленных разрезов (рис. 5), продольные волны довольно слабо отмечают подземный переход, контрастность увеличивается при рассмотрении разреза по поперечным волнам, наиболее же четко местоположение перехода фиксируется по распределению ц. В месте перехода наблюдается локальная аномальная область пониженных значений коэффициента Пуассона (ц < 0,25) на фоне общего среднего уровня (ц = 0,4).

Другим объектом исследования стали подземные горные выработки Ургальского угольного месторождения (Хабаровский край), представляющие собой отработанные механизированным способом лавы по пластам В31-32 на глубине от 9 до 65 метров от поверхности. По результатам сейсморазведки, разрез интерпретируется как 2-слойный: верхняя часть представлена рыхлыми

отложениями, залегающими на плотном основании (коренных породах). Положение границ и сейсмические разрезы представлены на рис. 6.

100 150 200 250 300 350

3 100 150 200 250 300 350 В

Рис. 6. Сейсмические разрезы над отработанной лавой пласта В31 (Ургальский каменноугольный бассейн) (1|:

а - скоростной разрез продольных волн (Ур, м/с), б - скоростной разрез поперечных волн (Vs, м/с), в - распределение коэффициента Пуассона (ц, отн.ед.). Черной линией показана преломляющая граница, малиновой линией выделены контуры подземных выработок

Граница коренных пород является преломляющей для сейсмических волн, в результате чего можно достаточно уверенно разделить оба слоя при нормальных условиях залегания. Так, в начале профиля преломляющая граница залегает на глубине приблизительно 5 - 7 м , однако при приближении к выработанному пространству происходит погружение границы до глубин 15 -20 м. Характер поведения изолиний скоростей сейсмических волн еще более контрастный, однако определить точное положение выработок на скоростных разрезах довольно затруднительно. В то же время пустотные области достаточно показательно выделяются аномально низкими значениями коэффициента Пуассона (^ < 0,2 и вплоть до отрицательных значений). Из других структурных элементов уверенно идентифицируется область охранного целика в интервале профиля 320 - 340 метров (глубина 10-20 м), по относительному повышению ц и Ур. Глубже 25 м положение лавы на разрезах

Кл и ц не просматривается из-за ограничения глубины исследования по поверхностным волнам, связанного с недостаточно низкочастотными сейсмоприемниками. Следует также отметить, что приповерхностные зоны пониженных значений ц, в районе отметок профиля 230 м, 310 м и 360 м , связаны с выходом к поверхности угольных пластов В34, ВЗЗ и В31-32.

Таким образом, при изучении подземных пустот комбинацией методов МПВ и MASW выяснено, что пустотное пространство отображается на всех типах сейсмических разрезов (Ур, Уз и ц), но совершенно по-разному. На скоростных разрезах продольных волн положение пустот выглядит зоной понижения Ур (или раздува изолиний скоростей), при этом преломляющие границы обычно испытывают локальное погружение. На разрезах поперечных волн наблюдается неоднородная изменчивость скоростной характеристики, в ряде случаев проявляется кажущееся повышение Уя в районе объекта. Поведение коэффициента Пуассона выражается в появлении контрастных аномалий пониженных значений в районе местоположения пустотного пространства на фоне относительно однородного распределения ц в окружающих породах. Это позволяет утверждать, что одним из наиболее подходящих параметров выделения подземных пустот является коэффициент Пуассона.

Результаты испытаний технологии совместной обработки данных сейсморазведки МПВ и МА8\У показали, что, используя практически стандартную систему наблюдений МПВ, без снижения производительности полевых работ, можно повысить информативность исследований в 3 раза (вместо одного разреза Ур, получить разрезы трех параметров: Ур. У.ч и ц). Опробование новой методики работ успешно проведено в производственных условиях на ряде геологических объектов (см. стр.3).

Выбор комплекса определяется:

• возможностями отдельных геофизических методов для изучения рыхлых отложений и кровли коренных пород;

• оптимальным соотношением количества геофизических методов и качества получаемых результатов.

Обязательным этапом работ были исследования на контрольных профилях с известным геологическим строением. Главным критерием при выборе рабочих методов являлась корреляция с результатами бурения и другой имеющейся геологической информацией.

Основные методы и техника исследований:

• Электроразведка на постоянном токе: метод естественного поля (ЕП), вертикальные электрические зондирования (ВЭЗ), дипольно-осевое профилирование (ДОП). Используемая аппаратура: «ЭРА», «ЭРА-МАКС», «АНЧ-1», «Березка».

• Индукгщонная электроразведка: дистанционные индукционные зондирования (ДИЗ), индукционные дистанционно-частотные зондирования (ИДЧЗ), диполыюе электромагнитное профилирование (ДЭМП), метод переменного естественного электрического поля (ПЕЭП), амплитудно-фазовые измерения (АФИ), радиокип ДВР и СДВР. Аппаратура: «ДЭМП-СЧ», «ФАГР-2», «МЧЗ-8», «ОМАР-2м».

• Сейсморазведка МПВ и MASW. Аппаратура: сейсмостанция «Синус-24М».

• Магниторазведка. Аппаратура: магнитометры «МПП-203», GEM «GSM-19TG», «POS-1».

В качестве дополнительных методов в некоторых случаях применялись гравиразведка (Scintrex «Autograv CG-5») и радиометрия («СРП-68-01»).

При изучении россыпных месторождений золота Дальнего Востока начальный этап работ состоял в определении возможностей геофизики при поиске и разведке золотоносных ложков. Для этого была проведена контрольная съемка разведанных участков россыпных месторождений несколькими геофизическими методами: ВЭЗ, ДИЗ, ДЭМП, ДОП, ЕП, ПЕЭП, радиокип ДВР, магниторазведкой и радиометрией. Затем было проведено сравнение данных по бурению с геофизическими планами и разрезами. От дальнейшего использования методов ЕП, ПЕЭП и радиометрии пришлось отказаться, ввиду отсутствия видимой корреляции. При этом отмечена хорошая сходимость результатов ДИЗ и ДЭМП с бурением: совпадает характер поведения удельного электрического сопротивления (УЭС) с поверхностью плотика, а повышенные значения отношения Hv'Hr тяготеют к участкам с высокими содержаниями золота (0,5 -ь 6 г/т). Сравнение результатов ВЭЗ и геологических колонок скважин позволило сопоставить геоэлектрические разрезы с реальными литологическими границами и вычислить невязку в определении глубины, которая оказалась равной 5 - 10 %. Дальнейшие работы подтвердили возможность получения информации о плотике (рельеф, глубина залегания) и не опровергли вероятность обнаружения областей концентрации золота с помощью геофизики. В качестве поисковых критериев по выявлению скрытых ложков определены зоны пониженных значений УЭС, выделяемые с помощью индукционной электроразведки (ДЭМП, ДИЗ) в местах повышенной мощности рыхлых отложений (по данным ВЭЗ). Наличие положительных аномалий магнитного поля Та и параметра ¡1,/Иг можно учитывать в качестве дополнительных вероятностных факторов, выделяющих зоны металлоносности. Основные геофизические поисковые критерии на целиковых россыпях Дальнего Востока, Восточной Сибири и Урала совпадают при условии низкоомных рыхлых отложений и высокоомного плотика. Однако в ряде случаев эти сопротивления близки или даже имеют обратную зависимость. Поэтому использование одного электрометрического признака для локализации погребенных россыпей оказывается недостаточно. Это подтверждается работами на Березовском рудном поле, где в результате бурения инженерно-геологических скважин был обнаружен сохранившийся целиковый участок погребенного русла ручья. Объект отличается тем, что все методы выделения

(,эф Ом-м

ложков здесь оказались малоэффективными. ВЭЗ, сделанные на профиле, выявили 2-слойный характер электрических свойств разреза: верхний слой с УЭС 20 -25 Ом-м соответствует суглинкам, сопротивление второго слоя (85 -110 Ом-м) оказалось эквивалентным для аллювиальных песков и коренных пород (сланцев). Геоэлектрический разрез ДИЗ также получился малоконтрастным, без характерной для ложков "воронки" пониженных сопротивлений, аномалии магнитного поля отсутствовали. Возникла необходимость привлечения дополнительного метода исследований, которым стала сейсморазведка МПВ (рис. 7).

20 30

Суглинок

50 60

Песок

ВО 90

Сланец

Рис. 7. Качественный геоэлектрический разрез ДИЗ (а) и скоростной сейсмический разрез МПВ (б) в районе погребенного русла ручья (Березовское рудное поле). Сплошной линией выделены преломляющие границы, пунктиром - граница по ВЭЗ

После проведения сейсморазведочных работ на профиле и обработки результатов были получены положения двух преломляющих границ и скоростной разрез продольных волн. Первая сейсмическая граница связана с сильно разуплотненными грунтами зоны аэрации, вторая граница уверенно коррелирует с поверхностью плотика, определенной по данным бурения. С учетом положения подошвы суглинков, выделенной ВЭЗ (пунктирная линия на рис. 7), и кровли коренных пород, отбитой сейсморазведкой (вторая сплошная линия на рис. 7, б), была определена глубина заложения ложка и мощность аллювиального слоя. Работы на Березовском полигоне показали преимущества

совместного применения электроразведки и сейсморазведки при поиске погребенных русел и доказали принципиальную возможность литологического расчленения рыхлых отложений с помощью геофизических методов.

Интерес к Полдневскому месторождению демантоидов (Свердловская обл.) вызван тем, что основная россыпь по р. Бобровке уже в значительной степени переработана, а коренные источники так и не были найдены.

О 10 20 30 40 50 60 70 80

Рис. 8. Карты геофизических полей на Полдневском участке |3|:

а - карта аномального магнитного поля (Га, нТл); б - карта ПЕЭП (Ех, мкВ/м). Сокращения: 8р -серпентиниты, 1С - тальк-карбонатная порода, Рх - пироксенит, СЫ-8ег-0 - хлорит-серицит-кварцевый сланец, Сг- гранат (демантоид)

Известные коренные месторождения и рудопроявления демантоидов приурочены к трещиноватым зонам в серпентинизированных гипербазитах, где гранат локализуется в сериях мелких трещин. Задача геофизических работ состояла в картировании тел серпентинитов и выделении тектонических нарушений с целью выявления коренных источников. Как известно, серпентинизированные породы отличаются повышенной магнитной

восприимчивостью, над ними характерны положительные магнитные аномалии, что и наблюдается в центральной части участка (рис. 8, а ). По высоким значениям градиента магнитного поля выделены отдельные блоки в строении участка и линейные зоны, предположительно связанные с контактами пород разного состава и тектоническими нарушениями. На карте переменного естественного электрического поля (ПЕЭП) наблюдаются довольно интересные линейные аномалии напряженности электрического поля (рис. 8, б ), указывающие на наличие вертикальных границ раздела в разрезе. При этом все аномалии находятся в пределах серпентинитовых тел, выделенных магнитной съемкой. Дистанционные индукционные зондирования, пройденные по профилю ПРЗ, выявили в районе аномалии ПЕЭП депрессию в рельефе коренных пород с пониженными значениями УЭС. Характер проводящей зоны выяснен в ходе заверки аномалии горными работами. Разведочная канава, пройденная в субширотном направлении между ПР2 и ПРЗ, вскрыла в интервале 45-55 м русло погребенного ручья, при опробовании которого найден крупный кристалл демантоида весом более 1 карата. Результаты исследований указывают на принципиальную возможность выявления погребенных россыпей и, в перспективе, коренных источников демантоидов с помощью геофизических методов.

Задача изучения ВЧР с литологическим расчленением часто ставится в инженерно-геологических изысканиях и в частности при обследовании гидротехнических сооружений. Пример применения метода ВЭЗ при обследовании Нижне-Исетской плотины г. Екатеринбурга приведен на рис. 9.

Рис. 9. Геоздектрическнй разрез ВЭЗ южного фланга плотины Нижне-Исегского пруда

Как видно из рисунка, методом ВЭЗ достаточно хорошо расчленяются основные структурные горизонты плотины (основание, глинистое ядро и насыпь), с определением глубин их залегания.

ДИЗ позволяют выделять как горизонтальные, так и вертикальные границы разделов, а также локальные возмущающие объекты внутри однородной среды. Такого рода объект можно наблюдать в теле плотины на интервале 90-95 метров, на глубине около 7 метров. Аномальный объект выделяется сложным характером УЭС и "раздувом" сейсмических преломляющих границ (рис. 10).

Рис. 10. Качественный геоэлектрический разрез ДИЗ южного фланга плотины Нижне-Исетского пруда, е нанесенными сейсмическими преломляющими границами

Выявленная аномалия связана с остатками прежнего сооружения в теле плотины и предположительно является элементом старого водослива или дренажного колодца. Еще одна неоднородность в районе отметки 60 м проявляет себя пониженными сопротивлениями и небольшой депрессией второй преломляющей границы. Считается, что данная аномалия обусловлена каверной в основании плотины.

Преимущества использования дополнительных сейсмических и электрометрических параметров показаны на примере комплексных опытно-методических работ на хромитоносных массивах. Вкрапленные хромовые руды характеризуются очень широким диапазоном изменения физических свойств. Традиционно используемые методы исследований - гравиметрия и магнитометрия - не всегда могут отличить руды от вмещающих пород. Поэтому нахождение дополнительных геофизических параметров, по которым можно было бы идентифицировать рудные тела, является актуальной задачей. В качестве таковых были исследованы упругие и электрические свойства разреза. Контрольные профили на двух ультраосновных массивах Среднего Урала были размечены рядом со старыми карьерами, из которых добывали хромовую руду, остатки которой видны в обнажениях по бортам карьеров. На Первомайском массиве (Режевской р-н Свердловской обл.) густовкрапленные хромовые руды отразились двумя положительными гравитационными аномалиями (интервалы 45-60 м и 70-80 м): 0,2 и 0,15 мГал, ко второй из которых приурочена отрицательная магнитная аномалия в 1800 нТл (рис. 11). На скоростных разрезах Vp и Vs значимых изменений на аномальных участках не наблюдалось. Разрез коэффициента Пуассона оказался более информативен: во-первых, он подтвердил выделенную границу рыхлых отложений (по ц < 0,2), во-вторых, показал локальное понижение значения р коренных пород в зоне второй аномалии (65-80 м). На профиле существует еще одна слабая аномалия всех трех параметров (в интервале 10-20 м): ÄgTOK = 0,04 мГал, №а = -400 нТл, (.1 = 0,26, возможно связанная с зоной малой рудной минерализации.

О 10 20 30 40 50 6 0 70 80 90 1 00

Рис. П. Результаты геофизических работ на Первомайском массиве. Графики аномального магнитного поля Т„, локального гравитационного поля Д^.цщ; разрез коэффициента Пуассона (ц) с сейсмической преломляющей границей. Штриховкой показаны местоположения известных рудных тел на профиле

На Ключевском массиве (в окрестностях г. Двуреченска) вкрапленные хромовые руды также выделились пониженными значениями магнитного поля и коэффициента Пуассона кроме того, проявились аномалии электрических свойств разреза: повышение УЭС и поляризационно-частотного эффекта РЕЕ, над рудными телами, с фазовыми сдвигами электромагнитного поля на границах. Проведенные работы показали определенную перспективность использования комбинированной сейсморазведки и индукционной электроразведки при поиске альпинотипных хромитовых месторождений, перекрытых рыхлыми отложениями.

На основании выполненных диссертантом исследований ряда различных геологических объектов предложен рациональный комплекс геофизических методов по изучению ВЧР, включающий в себя: электрические зондирования на постоянном токе (ВЭЗ), индукционные зондирования (ДИЗ), комбинированную сейсморазведку (МПВ и МАЯУ/) и магниторазведку.

Для получения качественной характеристики геологического разреза служат индукционные зондирования, которые позволяют получить не только геоэлектрический разрез УЭС, но и разрезы других электрометрических параметров: эффективной продольной проводимости ^эф, параметра неоднородности Н^НГ, электромагнитного параметра среды Р, индуктивной частотной дисперсии РЕЕ,. Построение разрезов разных параметров позволяет получить больше информации о структуре и локальных неоднородностях малоглубинных объектов. Основным инструментом литологического расчленения рыхлых отложений по электрическим свойствам являются ВЭЗ в различных модификациях. Сейсморазведка МПВ уверенно выделяет границу

коренных пород и рыхлых образований, что не всегда удается сделать методом ВЭЗ. Использование продольных и поперечных волн позволяет получить больше информации о геологической среде и выйти на упругие характеристики разреза в естественном залегании. Магниторазведка служит для выделения структурных особенностей коренных пород и локализации разрывных нарушений.

Заключение

Основные результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Разработана, изготовлена и испытана в производственных условиях многофункциональная 2-канальная приемно-регистрирующая аппаратура, обеспечивающая усиление, аналого-цифровое преобразование и запись геофизических сигналов в частотном диапазоне 10-48 ООО Гц. Главное назначение аппаратуры «ОМАР-2м» - работа в качестве аудиомагнитотеллурической станции. Кроме того, она может быть использована для работ другими геофизическими методами и выступать как универсальный приемник для электромагнитных методов разведки.

2. Изготовлены и откалиброваны индукционные датчики переменного магнитного поля нескольких типов для совместной работы с аппаратурой «ОМАР-2м» методами АМТЗ и радиокип СДВР. В составе приемного комплекса применена специальная схема включения датчиков электромагнитного поля для расширения динамического диапазона измеряемых сигналов и снижения уровня промышленных помех.

3. Выявлен новый параметр, характеризующий поляризационные свойства разреза: электрический параметр гармоник (Пг). Для выделения аномалий разреза опробованы построения других электрометрических параметров.

4. Предложена и опробована в полевых условиях методика работ комбинацией методов МПВ и MASW, базирующаяся на технологии совместной обработки преломленных и поверхностных волн.

5. В ходе сейсмических исследований на ряде объектов обнаружена возможность идентифицировать подземные пустоты по поведению коэффициента Пуассона. На основании полученных результатов предложен способ локализации подземного пустотного пространства.

6. Исходя из результатов опытно-методических и производственных работ разработан рациональный комплекс геофизических методов по изучению ВЧР, включающий электроразведку на постоянном и переменном токе, комбинированную сейсморазведку и магниторазведку. Данный комплекс может с большой эффективностью применяться при:

• поиске россыпных месторождений благородных металлов и драгоценных камней;

• поиске и разведке коренных месторождений твердых полезных ископаемых, залегающих на небольших глубинах;

• обследовании грунтовых гидротехнических сооружений;

• инженерно-геологических изысканиях под строительство.

Список опубликованных работ по теме диссертации.

В журналах, определенных ВАК:

1. Давыдов В. А. Применение малоглубинной сейсморазведки для изучения подработанных территорий // Известия вузов. Горный журнал. 2010. №4. С. 111-116.

2. Давыдов В.А., Бакаев В.П. Использование комплекса геофизических методов на шахте «Северная» Березовского рудника // Известия вузов. Горный журнал. 2008. №8. С. 175-182.

3. Давыдов В.А., Муравьев Л.А., Бакаев В.П. Опытные геофизические работы на Полдневском месторождении демантоидов // Известия вузов. Горный журнал. 2010. №6. С. 97-104.

В других сборниках, журналах и материалах конференций:

4. Давыдов В.А. Применение геофизических методов при поиске старых горных выработок // Международный научно-промышленный симпозиум «Уральская горная школа - регионам»: Сборник докладов. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2009. С. 38-40.

5. Давыдов В.А. Опытная малогабаритная аппаратура регистрации «ОМАР-2м» для метода АМТЗ // Геодинамика. Глубинное строение. Тепловое поле Земли. Интерпретация геофизических полей: Шестые научные чтения памяти Ю.П. Булашевича: материалы конференции. Екатеринбург: ИГФ УрО РАН, 2011.С. 112-115.

6. Давыдов В.А., Человечков А.И., Байдиков C.B. Инженерные геофизические исследования плотин г. Екатеринбурга // Международный научно-промышленный симпозиум «Уральская горная школа — регионам»: сборник докладов. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2009. С. 40-43.

7. Давыдов В.А., Человечков А.И., Байдиков C.B. Комплексные геофизические исследования городских плотин // Геодинамика. Глубинное строение. Тепловое поле Земли. Интерпретация геофизических полей: Пятые научные чтения памяти Ю.П. Булашевича: материалы конференции. Екатеринбург: ИГФ УрО РАН, 2009. С. 127-132.

8. Давыдов A.B., Давыдов В.А. Высокочувствительное гамма-опробование горных пород на содержание естественных радиоактивных элементов // Известия УГГГА. Вып. 5. Серия: Геология и геофизика. 1996. С. 121-125.

9. Давыдов A.B., Сковородников ИТ., Давыдов В.А. Способ гамма-опробования горных пород и руд на содержание радиоактивных элементов // Информационно- тематический сборник РФ. Екатеринбург: ИГ РИА, 1995. С. 18-29.

10. Заявка на патент № 2010119157 на изобретение «Способ геоэлектроразведки» / Человечков А.И., Байдиков C.B., Давыдов В.А., Журавлева Р.Б. Опубликована в электронном бюллетене ФИПС № 32 «Изобретения и полезные модели», 20.11.2011. Сайт http://www.fips.ru/

Подписано в печать 21.02.2012 г. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 42

Отпечатано с оригинал-макета в ООО «ИРА УТК» 620102, г. Екатеринбург, ул. Шаумяна, 83.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Давыдов, Вадим Анатольевич, Екатеринбург

61 12-4/96

ФГБОУ ВПО УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

ФГБУН ИНСТИТУТ ГЕОФИЗИКИ им. Ю.П. Булашевича УрО РАН

На правах рукописи

ДАВЫДОВ Вадим Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПРИ МАЛОГЛУБИННЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

Специальность - 25.00.10 Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель д. г.-м. н., проф. Сковородников И.Г.

Екатеринбург 2011

Оглавление

Введение

1 Основные тенденции развития прикладной геофизики при изучении малых глубин

1.1 Области применения, цели и задачи малоглубинных

геофизических исследований

1.2 Методы и технологии малоглубинной геофизики

1.3 Изучение верхней части разреза с помощью естественных

электромагнитных полей

1.3.1 Структура природных и искусственных сигналов электромагнитного поля Земли в частотном диапазоне 1 - 100 ООО Гц

1.3.2 Обзор и сравнительный анализ серийной аппаратуры АМТЗ и радиокип

2 Разработка опытной малогабаритной аппаратуры регистрации геофизических сигналов «ОМАР-2м»

2.1 Технические характеристики и возможности аппаратуры

«ОМАР-2м»

2.2 Датчики переменного магнитного поля

2.3 Способы расширения динамического диапазона измеряемых

сигналов

2.4 Методика работ с использованием аппаратуры «ОМАР-2м» в качестве аудиомагнитотеллурической станции

2.4.1 Получение частотных спектров электромагнитных сигналов

2.4.2 Способы борьбы с промышленными помехами и перспективы их использования

2.4.3 Основные расчетные формулы

2.4.4 Количественная интерпретация АМТЗ

11 16

18 27

34 38

2.5 Примеры применения аппаратуры «ОМАР-2м» 64

2.5.1 АМТЗ на контрольном полигоне Института Геофизики

УрО РАН 64

2.5.2 Изучение участков, перспективных на золотоносное оруденение, шахты "Северная" Березовского рудоуправления 69

Выводы 76

3 Методика комбинированного использования преломленных и поверхностных волн 77

3.1 Поверхностные волны 77

3.2 Многоканальный анализ поверхностных волн (MASW) 80

3.3 Стандартные схемы наблюдений и способы обработки МПВ и

МА8\¥ 85

3.4 Система комбинированных наблюдений и технология

оконного суммирования сейсмограмм в спектральной области 89

3.5 Поведение упругих характеристик в реальных средах 95

3.6 Примеры работ по идентификации подземных пустот 97

3.6.1 Локализация подземного перехода плотины Городского пруда г. Екатеринбурга по поведению коэффициента Пуассона 97

3.6.2 Изучение подработанных территорий Буреинского каменноугольного бассейна 99

3.6.3 Поиск старых горных выработок Березовского рудника 102

3.6.4 Подземный ход заброшенного монастыря в Челябинской области 105

Выводы 107

4 Изучение верхней части разреза с помощью геофизических

методов 108

4.1 Методика и техника исследований 108

4.2 Ложковые золотоносные россыпи прииска Турчик 112

4.3 Палеорусло ручья Березовского рудного поля 118

4.4 Террасовая россыпь золота реки Чалляна, Боливия 121

4.5 Техногенные россыпи Дальнего Востока 124

4.6 Полдневское россыпное месторождение демантоидов 128

4.7 Обследование городских плотин Екатеринбурга 134

4.8 Инженерно-геологические изыскания под строительство 141

4.9 Опытно-методические работы на хромитовых объектах 143

4.10 Рациональный комплекс геофизических методов при малоглубинных исследованиях 148

Заключение 151

Список литературы 153

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. После кризиса 90-х годов в области геологического изучения недр наблюдается некоторое оживление. Не считая поисков и разведки нефтегазовых месторождений, современные геологические исследования носят в основном малоглубинный характер. Это связано в первую очередь с экономической рентабельностью последующей добычи минерального сырья. Геофизические методы исследований характеризуются высокой производительностью и относительно низкой стоимостью, что позволяет прогнозировать на них повышение спроса, при условии нормального развития экономики. В этом случае малоглубинные геофизические работы будут востребованы как в горно-геологической отрасли, так и в сфере инженерных изысканий.

Одной из главных особенностей малых глубин является разнообразие и быстрая изменчивость свойств геологической среды. К геофизическим исследбваниям здесь предъявляются высокие требования по разрешающей способности и детальности наблюдений. При этом ведущая роль отводится геолого-геофизической интерпретации результатов исследований для получения достоверной информации. Для того чтобы наиболее полно и качественно выполнить поставленные геологические задачи, необходимо повышать информативность геофизических исследований за счет разнообразия состава и увеличения объема работ. Данная ситуация вынуждает обратить внимание на производительность используемых методов и методик исследований, а также на экономичность технического оборудования. В связи с этим достаточно актуальным направлением является повышение эффективности малоглубинных геофизических исследований за счет разработки недорогой универсальной аппаратуры, применения новых технологий обработки данных и использования оптимального комплекса геофизических методов.

Цель диссертационной работы: разработка полевой аппаратуры, методики наблюдений и комплексирования геофизических методов, а также нахождение

новых приемов обработки и интерпретации полученных данных для повышения

геологической информативности малоглубинных геофизических исследований.

Основные задачи.

о Разработка, изготовление и испытание макета широкополосного многофункционального приемника электрических, магнитных и сейсмоакустических сигналов.

о Изготовление и калибровка индукционных датчиков магнитного поля для методов АМТЗ (аудиомагнитотеллурического зондирования) и радиокип СДВР (радиокомпарации и пеленгации сверхдлинноволновых радиостанций).

о Разработка методики наблюдения и интерпретации сейсморазведочных данных с одновременным использованием продольных и поперечных волн.

о Опробование новой аппаратуры, методических приемов и способов обработки данных на контрольных интерпретационных профилях.

о Анализ возможностей отдельных геофизических методов и выбор рационального комплекса исследований при изучении верхней части геологического разреза.

Защищаемые положения.

1) Разработанная, изготовленная и опробованная на практике широкополосная приемно-регистрирующая аппаратура, отличающаяся портативностью и малой себестоимостью, позволяет оперативно выполнять задачи электрометрии и сейсмометрии.

2) Предложенная технология совместной обработки данных методов преломленных волн и многоканального анализа поверхностных волн, позволяет изучить упругие характеристики геологической среды (скорости продольных и поперечных волн, коэффициент Пуассона) в естественном залегании для решения инженерно-геологических задач.

3) На основе реализации возможностей новых технологий, обоснован рациональный комплекс геофизических методов для изучения верхней части

геологического разреза, позволяющий повысить достоверность и информативность исследований. Научная новизна.

о Разработана, изготовлена и испытана в производственных условиях новая геофизическая аппаратура широкого применения с датчиками электромагнитных сигналов, о Впервые предложены и осуществлены аудиомагнитотеллурические

измерения в движении, о Впервые предложен новый электрометрический параметр для выявления

поляризационных свойств разреза: электрический параметр гармоник (Пг). о Разработан способ повышения горизонтального разрешения

многоканального анализа поверхностных волн (МА8\\0 на базе алгоритма оконного суммирования спектров скоростей релеевских волн, о В ходе выполнения исследований на ряде объектов показана эффективность

обнаружения подземных пустот по поведению коэффициента Пуассона, о На ряде альпинотипных массивов показана перспективность изучения хромового оруденения с помощью индукционной электроразведки и комбинированной малоглубинной сейсморазведки. Практическая значимость.

• изучении интервалов перспективных на золотоносное оруденение в горных выработках шахты «Северная» Березовского рудника [19];

• опытных геофизических работах по выявлению коренных источников Полдневского месторождения демантоидов [20];

• инженерно-геофизическом обследовании плотин г.Екатеринбурга [21];

• геолого-геофизических поисковых работах на хромиты в пределах массива Рай-Из (Полярный Урал) и Наранского ультраосновного массива (Монголия);

Разработанная аппаратура «ОМАР-2м» позволяет выполнять исследования методами АМТЗ, радиокип СДВР, переменного естественного электрического поля (ПЕЭП), спектрального анализа поверхностных волн (SASW), а также применяться как малоканальная сейсмоакустическая или сейсмоэлектрическая станция. В комплекте с электроразведочным генератором сигналов, аппаратура может выступать в качестве универсального приемника электромагнитных методов разведки [82]. о Технология совместной обработки данных сейсморазведки МПВ и MASW была успешно применена автором на практике при:

• изучении территории под строительство обогатительной фабрики шахты «Северная» ОАО «Ургалуголь» в Верхне-Буреинском районе Хабаровского края [16];

• поиске старых горных выработок Березовского золоторудного месторождения (Свердловская обл.) [18];

Разработанная технология обработки сейсмических данных позволяет определять коэффициент Пуассона в естественном залегании и идентифицировать подземные пустоты различного происхождения, о Предложенный рациональный комплекс геофизических методов по изучению ВЧР может с большой эффективностью применяться при:

• изучении россыпных месторождений благородных металлов и драгоценных камней;

• поиске и разведке не глубокозалегающих коренных рудных месторождений;

• обследовании грунтовых гидротехнических сооружений;

• инженерно-геологических изысканиях под строительство. Личный вклад автора.

Работа подготовлена по результатам исследований, проведенных непосредственно автором в период с 1995 по 2011 год. Полевые работы на месторождениях золота выполнялись в содружестве с В.П.Бакаевым (ИГФ УрО РАН), обследование плотин и инженерно-геологические изыскания - совместно с А.Н.Назаровым (ПИИ «ГЕО»). Вопросы обработки сигналов решались вместе с А.В.Давыдовым (УГГУ). Личный вклад автора заключается в:

- постановке задач исследований,

- разработке, изготовлении и практическом опробовании новой многофункциональной аппаратуры,

- разработке технологии совместного выполнения и обработки результатов сейсморазведки МПВ и MASW,

- предложенном способе локализации подземного пустотного пространства,

- непосредственном участии в проведении полевых работ,

- обработке и интерпретации полученных материалов. Апробация работы и публикации.

Основные результаты исследований отражены в 12 технических отчетах, написанных автором, и находящихся в фондах следующих организаций: ООО АС «Альфа» (г.Хабаровск), ООО «Березовское рудоуправление» (г.Березовский), Администрация г.Екатеринбурга, ОАО «ДальвостНИИпроектуголь» (г.Владивосток), ПИИ «ГЕО» (г.Екатеринбург), ОАО «Полярно-Уральское горно-геологическое предприятие» (г.Лабытнанги), ООО «ЮНИПИ» (г.Нефтеюганск), ОАО «Ленгипротранс» (г.Санкт-Петербург), ООО «Горнорудная компания «АфроАзия» (г.Москва).

Результаты работы докладывались и обсуждались на Международном научно-промышленном симпозиуме «Уральская горная школа - регионам» (УГГУ, 21-28 апреля 2009); Пятых научных чтениях памяти Ю.П. Булашевича (ИГФ УрО РАН, 6-10 июля 2009); Шестых научных чтениях памяти Ю.П. Булашевича (ИГФ УрО РАН, 12-14 сентября, 2011).

По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, из которых 3 работы напечатаны в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией (ВАК); подана заявка на изобретение. Структура и объём работы- Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 82 наименований. Диссертация изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунка, 5 фотографий и 8 таблиц.

Благодарности. Автор благодарит своего научного руководителя доктора геолого-минералогических наук, профессора И.Г. Сковородникова за ценные замечания; своих полевых коллег В.П. Бакаева и А.Н. Назарова за совместную работу. А также выражает признательность к.г-м.н. Н.В. Вахрушевой, д.т.н. А.И. Человечкову, д.т.н. JI.H. Сенину, к.т.н. А.Н. Ратушняку и к.т.н. А.Д. Коноплину за неформальные консультации и дискуссии по разным вопросам. Я всегда буду благодарен своему отцу д.г-м.н. профессору A.B. Давыдову за понимание.

1 Основные тенденции развития прикладной геофизики при изучении малых глубин.

1.1 Области применения, цели и задачи малоглубинных геофизических исследований.

Для изложения материала, прежде всего, следует определиться с основными понятиями. Под малоглубинными исследованиями будем понимать изучение верхней части геологического разреза. Верхняя часть разреза (ВЧР) состоит из:

• рыхлых отложений разного происхождения (аллювий, делювий, элювий и др.), включая кору выветривания коренных пород и зону гипергенеза рудных месторождений;

• кровли собственно коренных пород.

К рыхлым отложениям относятся почвенно-растительный слой, зона аэрации и слабо консолидированные породы, образовавшийся в результате различных типов выветривания и выщелачивания (глины, суглинки, песок и т.д.), включая насыпные грунты. Мощность рыхлых отложений обычно варьирует от единиц до десятков метров, таким образом, область малых глубин ограничивается первой сотней метров, при этом наиболее распространенными глубинами исследований являются первые 10-20 метров.

Основные области применения малоглубинных геофизических исследований:

• крупномасштабное геологическое картирование;

• поиск и разведка неглубоко залегающих коренных месторождений;

• поиск и разведка россыпных месторождений;

• гидрогеологические, геокриологические и экологические исследования;

• инженерно-геологические изыскания;

• археология.

Рассмотрим более подробно цели и задачи геофизических методов в выделенных областях исследований на основе литературных данных [10; 36] и тенденций последних лет.

Геологическое картирование крупного масштаба имеет четкую поисковую направленность и проводится на площадях, перспективных на рудоносность ожидаемых типов месторождений. При крупномасштабном геологическом картировании геофизические работы привлекаются для: о выделения различных комплексов пород и отдельных тел; о литолого-стратиграфического расчленения осадочных толщ и изучения

внутреннего строения магматических и метаморфических пород; о выделения тектонических нарушений и определения их типа; о изучения зон метаморфизма и гидротермального изменения. Малоглубинные геофизические методы достаточно эффективны при решении задач геологического картирования, если мощность рыхлых образований не превышает 10 метров.

Поиск и разведка месторождений. Значительные территории России и других стран являются задернованными, что не позволяет проводить прямых геологических наблюдений с поверхности. Это во многом ограничивает открытие средних, и в особенности, мелких коренных месторождений, залегающих на небольшой глубине и закрытых чехлом рыхлых отложений. Однако это не является большой проблемой для геофизики, если физические свойства руд и вмещающих пород достаточно сильно отличаются друг от друга и контрастно проявляются в геофизических полях. К таким объектам относятся скарново-магнетитовые, колчеданные, гидротермальные и некоторые другие генетические типы оруденения. Кроме прямых поисков коренных рудных месторождений, малоглубинные геофизические методы привлекаются для изучения экзогенных месторождений коры выветривания и россыпей. Здесь основная задача заключается в картировании площадного распространения и мощности продуктивных толщ.

Гидрогеологические исследования проводятся с целью поиска и разведки подземных вод, изуче�

Информация о работе

Давыдов, Вадим Анатольевич
кандидата геолого-минералогических наук
Екатеринбург, 2011
ВАК 25.00.10

Диссертация

Повышение эффективности геофизических методов при малоглубинных исследованиях - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы