Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Повышение эффективности разведки месторождений облицовочного камня на основе методики электротомографии

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Повышение эффективности разведки месторождений облицовочного камня на основе методики электротомографии"

На правах рукописи

РЯЗАНЦЕВ Павел Александрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗВЕДКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ОБЛИЦОВОЧНОГО КАМНЯ НА ОСНОВЕ МЕТОДИКИ ЭЛЕКТРОТОМОГРАФИИ

Специальность 25.00.10 - Геофизика, геофизические методы

поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

005570626

Санкт-Петербург - 2015

005570626

Работа выполнена в лаборатории геофизики Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт геологии Карельского научного центра Российской академии наук.

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук,

старший научный сотрудник Шаров Николай Владимирович Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова», кафедра геофизических методов исследования земной коры, профессор

Кашкевич Марина Петровна кандидат геолого-минералогических наук, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет», кафедра геофизики, доцент

Ведущая организация: ФГБУН Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук

Защита диссертации состоится 15 мая 2015 года в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.01 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. 1163.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru

Автореферат разослан 13 марта 2015 года.

Шевнин Владимир Алексеевич

диссертационного совета

УЧЁНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

Ирина Геннадьевна

КИРЬЯКОВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время добыча облицовочного камня - динамично развивающаяся область горнопромышленного комплекса. Однако при разведке месторождений существует вероятность, достигающая 50 %, что геологический прогноз не будет соответствовать реальному выходу блоков (Синельников, 2011). В связи с этим для повышения достоверности конечного результата необходимо осуществить внедрение новых методик в цикл геологоразведочных работ. Основные усилия при разведке месторождений подобного типа направлены на изучение трещиноватости горного массива, так как эта характеристика определяет качественные и количественные показатели сырья.

Способом повышения эффективности геологоразведочных работ на месторождениях облицовочного камня могут служить методы геофизики. Это связано с тем, что тектонические нарушения горного массива имеют контрастное отражение в геофизических полях. Существует ряд положительных результатов использования такого подхода, например исследования, проводимые в соседних с Карелией Скандинавских странах (НеЫа1 е! а1., 2008; ГУ^гитоп, 2010), Финляндии (ЬиоскБ, Биапеп, 2011; 8е1опеп е1 а1., 2011), и в нашей стране (Глазунов, Ефимова, 2009; Соколов и др., 2011).

Специфика месторождений облицовочного камня такова, что необходимо использовать геофизические методики с высокой разрешающей способностью. Электротомография является современной методикой электроразведки на постоянном токе, которая позволяет получить геоэлектрические разрезы, отражающие изменение свойств изучаемого объекта с высокой детальностью. Она хорошо зарекомендовала себя при изучении верхней части геологической среды, обладает чувствительностью к маломощным неоднородностям, может решать широкий круг задач, обладает высокой производительностью и относительно низкой стоимостью.

Следует отметить, что общие принципы получения и обработки данных для электротомографии хорошо изучены, тогда как специфические условия при исследовании трещиноватости горного массива требуют отдельных детальных исследований. Для

внедрения электротомографии в практику геологической разведки облицовочного камня требуется обоснование ее эффективности, определение поисковых атрибутов, выделение особенностей интерпретации данных, а также разработка методики применения.

Апробация результатов исследований осуществлялась в пределах восточной части Ропручейского силла габбродолеритов, которая характеризуется достаточной геологической изученностью, наличием карьеров по добыче облицовочного камня и существованием предпосылок для обнаружения новых месторождений. Предлагаемый подход, основанный на применении электротомографии, обеспечит повышение достоверности и общей эффективности геологоразведочных работ на месторождениях облицовочного камня.

Цель работы

Разработка способа идентификации и оценки зон трещиноватости горного массива при поисках и разведке месторождений облицовочного камня с помощью методики электротомографии на примере габбродолеритов Ропручейского силла.

Основные задачи исследований

1. Анализ основных типов естественной трещиноватости, характерной для скального массива, выделение ее свойств, характеристик и взаимосвязи с геоэлектрическими параметрами (на примере габбродолеритов Ропручейского силла).

2. Создание математических моделей различных видов трещин горного массива в поле удельных электрических сопротивлений (УЭС) и выделение их поисковых атрибутов.

3. Определение особенностей получения данных электротомографии и процедур их обработки при изучении контрастных маломощных объектов.

4. Обоснование способа выделения зон трещиноватости и структурно-однородных блоков горного массива на основе данных электротомографии.

5. Апробация разрабатываемого подхода для повышения эффективности разведки месторождений облицовочного камня.

Научная новизна

• Установлены поисковые атрибуты и визуальные образы для трещиноватости горного массива в поле УЭС, что позволяет идентифицировать подобные объекты на геоэлектрических моделях.

• Обоснована методика применения электротомографии при исследовании трещиноватости массива горных пород на месторождениях облицовочного камня.

• Разработан способ структурирования горного массива по состоянию нарушенности на основе анализа значений УЭС, полученных методикой электротомографии.

• Выявлены системы дислокаций, влияющие на распределение месторождений облицовочного камня в пределах восточной части Ропручейского силла, обнаружен ряд новых перспективных участков.

Защищаемые положения

1. Определение взаимосвязи между параметрами трещиноватости скального массива и его геоэлектрическими свойствами позволяет установить предпосылки использования и поисковые атрибуты для метода сопротивлений при изучении нарушенности горных пород (на примере габбродолеритов Ропручейского силла).

2. Математическое моделирование разрывных нарушений массива магматических горных пород в поле УЭС, а также результаты экспериментальных измерений обеспечивают выявление основных критериев для идентификации и оценки зон трещиноватости на основе методики электротомографии.

3. Предложенный способ изучения массива магматических горных пород, основанный на применении методики электротомографии, обеспечивает локализацию тектонических нарушений и выявление структурно-однородных блоков, исходя из распределения значений УЭС, что повышает эффективность разведки месторождений облицовочного камня.

Методика исследований

Для решения поставленных задач было проведено изучение типов различных видов трещиноватости и ее свойств. Это позволило получить ряд физико-геологических моделей (ФГМ), по которым в программе Res2dmod решалась прямая задача, чтобы оценить отражение трещин в поле УЭС. Далее проводились полевые наблюдения на объектах с известной картиной трещиноватости для сопоставления геологических и геофизических наблюдений. Такая методика позволила оценить возможности электротомографии при изучении трещиноватости и определить атрибуты для ее выделения. Выполнялись наблюдения УЭС для определения монолитных областей на различных месторождениях облицовочного камня. Обработка данных осуществлялась в программах DC2DinvR.es, Res2dinv, Surfer 11. Полученные результаты сопоставлялись с геологическими наблюдениями и горными выработками.

Достоверность

Достоверность проведенных исследований опирается на использование современной многоэлектродной аппаратуры, программные средства обработки, сопоставление геологической и геофизической информации. Кроме того, достоверность исследований подтверждается практическим применением на месторождениях «Другорецкое-3», «Красное», «Летний», «Нинимяки-1» и др., где большинство результатов было подтверждено скважинами, опытными карьерами и данными отработки горной массы.

Практическая значимость

Разработанный и обоснованный способ для локализации и определения параметров зон трещиноватости, а также выделения структурно-однородных зон горного массива на основе электротомографии повышает эффективность проведения геологоразведочных работ на месторождениях облицовочного камня. Использование предлагаемого подхода позволяет точнее оценить горно-геологические характеристики месторождения и планировать горные работы в его пределах, что приведет к его более рациональной и экономически выгодной эксплуатации.

Практическая часть работы выполнена при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.»), контракты № 10087р/16824 и № 11660р/17193.

Реализация результатов работ

Разрабатываемый методический подход для идентификации зон трещиноватости на основе электротомографии использовался на месторождениях «Другорецкое-3» (ЗАО «Интеркамень»), «Южно-Другорецкое» (ЗАО «Роскамень»), «Скальный» (ЗАО «Артель новая»), с целью выделения зон дробления. Предлагаемый способ структурирования горного массива внедрен в цикл геологоразведки на месторождениях «Красное», «Летний», «Нинимяки-1» (ООО «Спутник»), что позволило определить место заложения карьеров и направление горных работ.

Личный вклад автора

Основой для формирования диссертационной работы стал теоретический и фактический материал по геолого-геофизическим изысканиям на месторождениях облицовочного камня в Республике Карелия. Все исследования выполнены при непосредственном участии автора в 2010-2014 гг. в рамках темы НИР № 147 ИГ КарНЦ РАН «Тектонофизические закономерности формирования месторождений блочного камня в юго-восточной части Фенноскандинавского щита».

Апробация результатов исследования

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях и совещаниях: «Каменные строительные материалы России» (Петрозаводск, 2010); 2-я и 3-я конференции молодых ученых памяти акад. А. П. Карпинского (С.-Петербург, 2011, 2013); V Всероссийская школа-семинар имени М. Н. Бердичевского и Л. Л. Ваньяна по электромагнитным зондированиям Земли (Петродворец, 2011); «Геофизика-2011» и «Геофизика-2013» (Петродворец, 2011, 2013); XXII и XXIII молодежные конференции памяти К. О. Кратца «Актуальные проблемы геологии докембрия, геофизики и геоэкологии» (Апатиты, 2011; Петрозаводск, 2012); 4-я научно-практическая конференция

молодых ученых «Геология, поиски и комплексная оценка месторождений твердых полезных ископаемых» (Москва, 2012); Уральская молодежная школа по геофизике - XIII и XIV (Екатеринбург, 2012; Пермь, 2013); XI международный геофизический научно-практический семинар «Применение современных электроразведочных технологий при поисках месторождений полезных ископаемых» (С.-Петербург, 2013).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Благодарности

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю д.г.-м.н. Н. В. Шарову за всестороннюю помощь и поддержку при выполнении работы, а также всем коллегам, чье участие и советы помогли завершить эти исследования: А. В. Климовскому, М. Ю. Нилову, С. Я. Соколову. Автор благодарен д. г.-м. н. В. С. Куликову, директору ИГ КарНЦ РАН д. г.-м. н. В. В. Щипцову, I В. Г. Пудовкину.! А. А. Иванову, к. т. н.

В. А. Шекову за помощь, обсуждение и конструктивную критику результатов работы. За внимание, проявленное к исследованиям, автор выражает благодарность геологам-производственникам: А. И. Тыркину, С. А. Кевель, Ю. И. Белову, В. В. Калмыкову, а также директору ООО «Спутник» А. Б. Григорчуку.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и представлена на 169 страницах, включает 60 иллюстраций, 11 таблиц и список литературы из 192 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении представлена общая характеристика работы. Первая глава посвящена анализу и изучению трещиноватости, а также особенностям разведки месторождений облицовочного камня. Вторая глава содержит обобщающие исследования Ропручейского силла габбродолеритов. По результатам анализа выделяются основные системы трещин, их свойства и характеристики. В третьей главе определяется взаимосвязь между трещиноватостью

горного массива и его геоэлектрическими параметрами, а также выделяются поисковые атрибуты метода сопротивлений. Обосновывается первое защищаемое положение. В четвертой главе рассматривается методика электротомографии, её теоретические и практические аспекты. При помощи моделирования и параметрических измерений в реальных условиях установлены поисковые атрибуты для трещиноватости в поле УЭС. Обосновывается второе защищаемое положение. В пятой главе на основе материалов о практическом применении электротомографии для изучения месторождений облицовочного камня магматических горных пород, предлагается способ повышения достоверности разведки. Обосновывается третье защищаемое положение. Заключение содержит главные выводы о результатах исследования.

ОБОСНОВАНИЕ ЗАЩИЩАЕМЫХ ПОЛОЖЕНИЙ

1. Определение взаимосвязи между характеристиками трещиноватости скального массива и его геоэлектрическими параметрами позволяет установить предпосылки использования и поисковые атрибуты для метода сопротивлений при изучении нарушенности горных пород (на примере габбродолеритов Ропручейского силла).

При разведке месторождения облицовочного камня для получения их достоверной оценки необходимо учитывать целый ряд параметров. Особое внимание следует уделять изучению тектонических нарушений (Григорович 1976; Чернышев, 1983; Карасев, Бакка, 1997; и др.). Это связано с тем, что основной качественный показатель таких месторождений - блочность -напрямую определяется трещиноватостью. Приближенная оценка трещиноватости может осуществляться по нескольким показателям, как-то: удельная трещиноватость, модуль трещиноватости, коэффициент трещинной пустотности и т. д. (Рац, Чернышев, 1970).

Таким образом, задача повышения качества геологической разведки облицовочного камня в первую очередь сводится к оценке степени нарушенное™ горного массива. Явление трещиноватости можно рассматривать как нарушение сплошности горного массива, в результате чего возникают эффекты, имеющие отражение в

геофизических полях, в том числе и в удельном электрическом сопротивлении (УЭС). Для решения такой задачи использовалась модификация метода сопротивлений - электротомография, что требовало определения взаимосвязи между геологическими характеристиками трещиноватости массива и его геоэлектрическими параметрами на примере габбродолеритов Ропручейского силла.

Ропручейская пластово-секущая интрузия габбродолеритов относится к палеопротерозойскому возрасту (1770 млн лет) и залегает в породах шокшинской свиты. Общую площадь распространения силла можно оценить в 9-10 тыс. км2 при средней мощности 170 м. Породы на участке исследований смяты в пологие складки и разбиты многочисленными разрывными нарушениями, что создает сложное мелкоблоковое строение территории. С габбродолеритами связано большинство известных в районе месторождений и проявлений облицовочного камня.

По результатам исследований установлены четыре системы трещин, характерные для участка работ:

• трещины системы I ориентированы согласно простиранию интрузии, угол падения 75-85°, среднее расстояние между трещинами 1,14-1,63 м;

• трещины системы II ориентированы перпендикулярно простиранию интрузии, угол падения 70-80°, среднее расстояние между трещинами 1,24-1,96 м;

• трещины системы III субгоризонтальные, с преобладающим пологим падением на запад - северо-запад, среднее расстояние между трещинами 0,55-0,93 м;

• трещины системы IV ориентированы диагонально простиранию интрузии, расположение хаотичное, невыдержанное.

Наиболее весомый вклад в формирование отдельности горного массива габбродолеритов вносят трещины I и II систем. Их детальное изучение показало, что они имеют размеры, от 0,02 до 0,5 м. Материалом-заполнителем являются продукты выветривания и каталаза габбродолеритов, привнесенные рыхлые отложения с интенсивным обводнением. Для исследуемого массива установлены характеристики трещиноватости: удельная трещиноватость 1,48 м/м2, модуль трещиноватости 0,75 м-1, пористость 0,65 %.

Определение взаимосвязи трещиноватости и геоэлектрических свойств

В большинстве случаев скальные породы являются плохими проводниками, однако геологические процессы существенно влияют на изменение их проводимости. Следовательно, сопротивление следует рассматривать как параметр, меняющийся в широких пределах. Образование трещин может приводить к изменению УЭС в зависимости от их ширины раскрытия и вещества наполнителя (Sentenac, Zielinski, 2009; Magnusson et al., 2010; Schmutz, 2011). При разведке месторождений облицовочного камня изучается приповерхностная часть горного массива, что обуславливает наличие тесной связи геоэлектрических характеристик с процессами водонасыщения. В результате миграции влаги по трещинам и порам породы возникают новые условия, отражающиеся в поле УЭС.

Существует ряд исследований, в которых изучается взаимосвязь электрических свойств горных пород с состоянием их нарушенности. Так, установлена зависимость УЭС от коэффициента пустотности (Огильви, 1990); лабораторно доказано, что существует связь между трещинами и влажностью (Roberts et al., 2001). Определено изменение УЭС гранитов от плотности трещин массива, эти значения имеют линейную обратную зависимость (Backstrom, 2005). Получены доказательства обратной линейной зависимости между нарушенностью и электрическими свойствами (Копылов, Пустовойтова, 2006). Таким образом, можно констатировать о наличии явной связи между УЭС и трещиноватостью горных пород.

Вместе с тем следует отметить, что эта связь обусловлена рядом факторов и в каждом типе горных пород может проявляться по-разному. Поэтому для достоверного определения предпосылок использования метода сопротивлений необходимы отдельные исследования электрических свойств габбродолеритов.

Для основных пород в нормальном состоянии значения УЭС -десятки тысяч Ом • м. По петрофизическим исследованиям, УЭС габбродолеритов составляет в среднем 1 ■ 107 Ом • м в сухом состоянии и 6 • 105 Ом • м в водонасыщенном (Петрофизика, 1992). Параметрическими измерениями установлено (Голод и др., 1979), что нормальные УЭС ненарушенных габбродолеритов варьируют от

4 • 103 до 6 • 103 Ом • м. Исходя из этих данных, а также имеющейся геологической информации о трещиноватости габбродолеритов Ропручейского силла, проведено исследование взаимосвязи разрывной нарушенное™ массива пород и его геоэлектрических свойств с целью определения поисковых атрибутов трещин.

Как пример показаны исследования, выполненные на обнажении горного массива (рисунок 1). В качестве геологического параметра использовалась удельная трещиноватость (как характеристика, наиболее часто используемая при разведке месторождений облицовочного камня). Построение карты-плана удельной трещиноватости по прямым геологическим наблюдениям (рисунок 1, А) и последующее ее сопоставление с картой КУЭС (рисунок 1, Б) наглядно демонстрируют обратную зависимость между этими показателями. Областям с низкой удельной трещиноватостью (хПК 5-10, уПК 0-12; хПК 16-27, уПК 2-15) соответствуют области высокого сопротивления (7 кОм • м и более).

В общем виде взаимосвязь между трещиноватостью и УЭС, на примере габбродолеритов Ропручейского силла, имеет вид обратной линейной зависимости с коэффициентом корреляции -0.8 (рисунок 2). Это позволяет оценивать (на качественном уровне) степень нарушенное™ массива по показателю УЭС.

Логарифм УЭС, Ом м

Рисунок 2 - Зависимость логарифма УЭС и удельной трещиноватости

5 10 15 20 25 Удельная трещиноватость, м/м2

о

40 хПК

5 10 15 20 Логарифм КУЭС, Ом м I

40 хПК

Рисунок 1

0,8 1,6 2,4 3,2 З.з 3,6 3,8 3,9 4,0 4,1

Сопоставление удельной трещиноватости и кажущегося УЭС для массива габбродолеритов Ропручейского А - карта удельной трещиноватости; ¿'-карта распределения кажущегося УЭС

Рисунок 3 - Изучение свойств трещиноватости габбродолеритов Ропручейской интрузии: А - схема исследуемой области массива (крестом обозначены места отбора проб); ¿-графики изменений: 1 - удельное сопротивление по петрофизическим данным; 2, 3 - кажущееся УЭС и ВП по полевым наблюдениям

Рисунок 4 - Результаты синтетического моделирования трещиноватости: А - вертикальная трещина (с! = 1 м); Б-наклонная трещина (с! = 1 м, угол 45°);

В - две вертикальные трещины (с! = 1 м); Г- горизонтальная трещина (с! = 1 м, глубина

залегания 2,7 м)

\ , 45-

С}=1 М /-> Г

1 кОм-м \

Б \ 10 кОм-м

-5

В С1=1 м/"* 1 кОмм 10 кОм-м -10-

20 40 60 80

ф

1 <3=1 М 1 кОм-м -5-10-

Д 10 кОм м

Установка Веннера

Дипольная осевая установка

40 60 80 20

Логарифм удельного сопротивления, Ом м |

3 3,7

Рисунок 5 - Геоэлектрические модели вдоль уступа на карьере «Другорецкое-3»:

1 - распределение кажущегося УЭС для синтетических данных;

2 - распределение кажущегося УЭС для измеренных данных;

3 - 2Э-модель, полученная на основе синтетических данных;

4 - 20-модель, полученная на основе измеренных данных

10 20 30 40 50 60 70 80 ПК.м Кажущееся УЭС, Ом м ■ВТ' □

500 3500 6500 9500 12500

10 20 30 40 50

Логарифм УЭС, Ом м I

70 80 ПК.м

" птг—

3.5 4 45

Дополнительно проведено петрофизическое изучение УЭС габбродолеритов поперек трещины (рисунок 3), сделаны измерения КУЭС и вызванной поляризации (ВП). Установлено, что вследствие процессов разгрузки происходит изменение внутренней структуры габбродолеритов, приводящее к образованию каналов миграции влаги и, как следствие, повышению проводимости. Этот эффект имеет отражение и в полевых наблюдениях КУЭС вкрест простирания трещины. Кроме того, трещиноватость характеризуется понижением значений ВП за счет окисления и выноса рудных минералов, в данном случае - титаномагнетита из габбродолеритов. Все графики имеют схожую форму, выражающуюся в минимальных значениях в центре нарушения и плавным нарастанием к периферии.

В результате проведенных исследований определены основные свойства трещиноватости для массива габбродолеритов Ропручейского силла. Установлено, что трещинам соответствует область влияния на горный массив в 10 и более раз превышающая их ширину, что является следствием вторичного изменения пород, из-за чего в поле УЭС они выделяются протяженными пониженными аномалиями с обрамлением градиентными зонами. 2. Результаты математического моделирования маломощных разрывных нарушений массива магматических горных пород в поле УЭС, а также параметрические измерения в реальных условиях позволили выявить основные критерии для идентификации и оценки зон трещиноватости при помощи методики электротомографии.

Перспективной методикой определения степени тектонической нарушенное™ горного массива является электротомография, которая хорошо зарекомендовала себя при исследованиях приповерхностной части геологической среды (Бобачев и др., 2007; Модин и др., 2010; Ерохин и др., 2011; Nimmer et al., 2007; Wilkinson et al., 2012). Для повышения достоверности результатов электротомографии при изучении трещиноватости горного массива проведено математическое моделирование и выполнены параметрические измерения в реальных условиях для сопоставления геологической и геофизической информации и оценки общей адекватности предлагаемого подхода.

Математическое моделирование

Математическое моделирование осуществляется при помощи расчета поля УЭС для заданной 2Б-модели конечно-разностным методом с разбиением пространства на элементарные ячейки, в узлах которых определяется потенциал (Loke, 1994). Для каждого отдельного случая геологического строения или методологии проводимых работ существует своя специфика создания моделей. Построения выполнены в программе Res2dmod (Geotomo software).

Исходными данными для моделирования послужили однородная среда с сопротивлением 10 кОм • м, представляющая собой ненарушенный горный массив магматических пород, и отдельные маломощные проводящие объекты разного положения и геометрии с сопротивлением 1 кОм ■ м, соотносимые с отдельными трещинами, заполненными обводненным рыхлым наполнителем.

Выполнено моделирование разных случаев проявления трещиноватости. Изучен эффект использования различных измерительных установок, так как разная конфигурация электродов позволяет получить различное распределение электрического сигнала в среде, влияющее на общую чувствительность и детальность получаемых моделей (Stummer et al., 2004; Loke, 2012).

В качестве примера приведены результаты численного эксперимента для двух электроразведочных установок -симметричной установки Веннера и дипольной осевой с шагом 2 м по профилю. Отметим, что выбранные установки характеризуются различной чувствительностью, детальностью и соотношением сигнал-шум (Dahlin, Zhou, 2004). Анализ каждого случая позволяет определить, насколько меняется поведение поля УЭС в зависимости от характеристик геологического разреза (Ganerod et al., 2006).

Для контрастных и относительно маломощных тел при использовании электротомографии характерно возникновение в поле УЭС ряда специфических аномалий. Особенно ярко проявляют себя обрамляющие аномалии, возникающие при моделировании субвертикальных объектов, что служит поисковый атрибут (рисунок 4, А). Наклонные нарушения (рисунок 4, Б) также имеют особые свойства - «теневую» зону, расположенную под проводящим объектом, наличие аномалии в области, противоположной

Рисунок 6 - Схема тектонических нарушений в районе Другорецкой группы карьеров по добыче облицовочного камня:

1 - тектонические нарушения северо-западного направления; 2-тектонические нарушения северо-восточного направления; 3 - субмеридиональные нарушения;

4- положение профилей, выполненных методикой электротомографии; 5 - действующие карьеры по добыче облицовочного камня

Рисунок 7 - Геоэлектрические разрезы вдоль Другорецкой группы месторождений: 1 - мощные зоны трещиноватости (до 20 м); 2 - отдельные крупные трещины;

3 - интервалы монолитных областей; 4 - рельеф коренных пород

-20-

Профиль 2

Профиль 1

Логарифм УЭС, Ом м

1000

1200 ПК,м 1400

7434500 7435000 7435500 7436000 7436500

Рисунок 8 - Структурирование месторождения облицовочного камня: А - карта профилей электротомографии: 1 - образ системы трещин северо-восточного направления; 2 - образ системы трещин северо-западного направления; 3 - образ субмеридиональных нарушений; Б- карта структурно-однородных блоков (обозначены полигонами)

637И50 6371250 6371350 6371450 6371550 6371650

Логарфим удельного сопротивления, Ом м

направлению падения. Анализ формы аномалий позволяет определять трещины с разными углами падения. Моделирование нескольких отдельных трещин (рисунок 4, В) показывает, что основные черты поведения поля УЭС сохраняются для каждой из них. Следует отметить, что трещины точнее всего определяются в особой части геоэлектрического разреза, где соотношение детальности, чувствительности и уровня помех оптимально для определения параметров искомого объекта.

Горизонтальные нарушения имеют собственные особенности (рисунок 4, Г), отражающиеся в поле УЭС, главной из которых получение эквивалентной модели с увеличенной мощностью проводящего объекта. Область влияния слоя изменяется в зависимости от его размера относительно шага электродов по профилю и разности УЭС слоя с фоновыми значениями. Чем больше такие соотношения, тем с большей погрешностью будет определена нижняя граница. Это является следствием изменения функции чувствительности (Ьоке, 2012).

Выполненное математическое моделирование служит основой для получения критериев определения трещиноватости:

1. Трещины горного массива можно выделить, исходя из распределения аномалий УЭС в геоэлектрическом разрезе.

2. Применяемые поисковые атрибуты зависят от геоэлектрических параметров среды, а также от геометрии трещин, материала заполнителя и т. д.

3. Субвертикальная трещиноватость характеризуется наличием обрамляющих высокоомных аномалий.

4. Субгоризонтальная трещиноватость имеет увеличенную область распространения, которая зависит от соотношений шаг электрода / мощность трещины, УЭС трещины / фоновые УЭС.

5. Наклонная трещиноватость в диапазоне 30-80° создает характерные аномалии, позволяющие ее идентифицировать.

6. Наиболее информативной областью для выделения трещиноватости является интервал «контрастности» в верхней трети геоэлектрического разреза.

7. Эффективными для изучения трещиноватости являются асимметричные электроразведочные установки.

Экспериментальные измерения в реальных условиях

Выполнено сопоставление результатов геоэлектрической модели, полученной по прямым геологическим наблюдениям, с моделью, полученной при помощи электротомографии. Экспериментальные работы проводились на действующем карьере «Другорецкое-3». Измерения выполнялись по технологическому уступу карьера, вдоль которого проводилось картирование крупных трещин, привязанное к пикетажу профиля. Сбор данных выполнен аппаратурой «CKAJ1A-48», дипольной осевой установкой с 2 м шагом электродов. По геологическим наблюдениям составлена ФГМ, решение прямой задачи на ее основе позволяет получить поле КУЭС, соответствующее заданным параметрам трещиноватости.

В программе DC2DinvRes (автор Т. Günter) осуществлялась 2D инверсия синтетического и измеренного наборов данных. Путем сопоставления смоделированной (рисунок 5, 1) и измеренной (рисунок 5, 2) матрицы УЭС установлено сходство формы распределения значений, что свидетельствует о верном подборе ФГМ. Первичный анализ позволяет сделать выводы о сильном влиянии приповерхностных неоднородностей, а также об уверенном выделении разуплотненной части геоэлектрического разреза, которая соответствует мощности уступа. Для полевых данных наблюдается зашумленность, связанная с помехами.

При сравнении синтетического (рисунок 5, 3) и полевого (рисунок 5, 4) разрезов, полученных по результатам двухмерной инверсии, следует отметить их сходство по форме распределения блоков УЭС. Наибольшей степенью совпадения обладает область высоких сопротивлений, соответствующая монолитной части разреза и верхняя обводненная зона. Совпадение трещиноватости по разрезам менее явное. Трещины, расположенные в пределах высокоомной области проявлены слабо, главным образом градиентом УЭС, а краевые трещины определяются уверенно.

В результате проведенных исследований трещиноватости горного массива можно сделать вывод, что полевые и синтетические данные в целом согласуются друг с другом. Это подтверждает корректность проведенных измерений, а также применимость электротомографии для изучения трещиноватости.

3. Предложенный способ изучения степени нарушенности горного массива, основанный на применении методики электротомографии, обеспечивает локализацию зон трещиноватости и выявление структурно-однородных блоков, исходя из распределения значений УЭС, что повышает эффективность разведки месторояедений облицовочного камня.

В настоящее время существует несколько подходов оценки трещиноватости и блочности месторождений облицовочного камня, которые применительно к одним геологическим условиям обеспечивают довольно точные результаты оценки сырья, тогда как к другим - лишь в первом приближении (Бакка, Ильченко, 1992; МобЬ, 2009). Использование электротомографии позволяет получить модели, описывающую нарушенность горного массива.

Локализация тектонических нарушений горного массива Методика электротомографии хорошо зарекомендовала себя при изучении тектонических нарушений отдельными рекогносцировочными профилями (Б1а5епа е1 а1., 2006; СеНэ е! а1., 2010). Рассмотрим пример локализации отдельных направлений трещиноватости при помощи двух профилей вдоль Другорецкой группы месторождений (восточная часть Ропручейского силла, Карелия). По геологическим данным (Кузьминых, 2001) и результатам геоморфологического анализа, на исследуемой территории выделены тектонические нарушения двух систем северо-западного и северо-восточного направлений (рисунок 6).

По итогу проведенных работ построены и интерпретированы две геоэлектрические модели (рисунок 7), на которых фиксируется ряд зон трещиноватости, характеризующиеся УЭС 1500 Ом • м и менее. Выделены тектонические нарушения субмеридионального направления, а также монолитные области.

Таким образом, исследование горного массива при помощи электротомографии позволяет определить участок заложения карьера в пределах наиболее цельной части горного массива.

Выделение структурно-однородных блоков горного массива При разработке подходов применения электротомографии для разведочных работ использовалась концепция горно-геологического

освоения месторождений облицовочного камня, основанная на выделении структурно-однородных блоков горного массива (Альмухаметов и др., 1985; Карасев, Бакка, 1997; МовЬ, 2009). Под термином «структурно-однородный блок» понимается часть горного массива, расположение и размеры которого обусловлены трещиноватостью. Структурирование на основе электротомографии заключается в выполнении следующих этапов:

• анализ геоморфологических особенностей изучаемой площади для выделения главных направлений тектонических нарушений;

• выполнение профильных исследований в пределах контура подсчета запасов методикой электротомографии;

• определение поисковых атрибутов для зон трещиноватости на месторождении и выделение их геоэлектрических образов;

• разделение изучаемой площади по состоянию нарушенное™ горного массива, исходя из получаемых значений УЭС;

• локализация структурно-однородных блоков на площади месторождения и тектонических зон их контролирующих;

• подтверждение полученных результатов бурением и опытными карьерами и создание прогнозной модели месторождения.

Предлагаемый способ внедрен в геологоразведочный цикл на месторождениях в Карелии. В качестве примера приводятся результаты работ на участке пироксенитов «Нинимяки-1». Шаг электродов составлял 5 м, длина питающей линии 235 м, глубина исследования 30 м. Построено девять геоэлектрических моделей, отражающих распределение УЭС в горном массиве (рисунок 8, А). На основе моделей выполнялось структурирование площади с выделением перспективных блоков (рисунок 8, Б), обладающих высокими УЭС (10 кОм ■ м), пространственно выдержанными.

Установлено положение крупных зон трещиноватости, характеризующихся УЭС порядка 1 кОм • м и менее. В пределах изучаемой области существуют пять главных блоков, определяемых естественной трещиноватостью. Кроме структурирования горного массива, данные электротомографии могут быть обработаны для получения карт мощности вскрышных работ.

Комплексный анализ геологических и геофизических данных позволил определить основные тектонические нарушения на участке

и структурно-однородные блоки, ими создаваемые. В пределах этих зон определяются наиболее перспективные области для начала разработки карьера. Использование такого подхода позволяет прогнозировать сырье, а также оптимизировать горные работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе аналитического исследования параметров и свойств трещиноватости массива горных пород, ее математического моделирования в поле УЭС, а также наблюдений в естественных условиях при помощи методики электротомографии достигнуты следующие результаты:

1. Выделены главные системы трещиноватости, характерные для восточной части Ропручейского силла габбродолеритов, формирующие отдельность горного массива. Установлены геоэлектрические свойства зон трещиноватости, что позволило определить поисковые атрибуты для метода сопротивлений.

2. Исследована применимость методики электротомографии для изучения трещиноватости на основе результатов математического моделирования и экспериментальных опытно-методических работ. Подобраны параметры получения и обработки данных при изучении трещиноватости.

3. Установлено, что трещины горного массива в поле УЭС выделяются как контрастные проводящие объекты, имеющие специфические особенности, такие как влияние свойств и геометрии трещин на параметры геоэлектрического разреза и существование обрамляющих аномалии УЭС.

4. Обоснован способ повышения эффективности геологической разведки облицовочного камня при помощи выделения тектонических нарушений и структурно-однородных блоков горного массива методикой электротомографии, исходя из экспериментальных и фактических данных, полученных на действующих месторождениях.

5. Реализован новый подход для изучения трещиноватости горного массива на основе применения электротомографии путем внедрения в цикл производственных геологоразведочных работ на месторождениях облицовочного камня в Республике Карелия.

6. Проведенные исследования расширяют область применения методики электротомографии. Обосновав поисковые атрибуты для трещиноватости горного массива в поле УЭС, результаты электротомографии можно использовать в качестве средства изучения нарушенное™ и естественной отдельности магматических горных пород.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях ВАК:

1. Рязанцев, П. А. Геофизические методы изучения породной толщи на объектах облицовочного камня / С. Я. Соколов, П. А. Рязанцев, А. В. Климовский, М. Ю. Нилов // Горный журнал. - 2011. - № 5. -С. 15-19.

2. Рязанцев, П. А. Прогноз геологических рисков для месторождений нерудных полезных ископаемых в Карелии / П. А. Рязанцев, А. В. Климовский, М. Ю. Нилов // Горный журнал. - 2012. - № 5. -С. 42-44.

3. Рязанцев, П. А. Комплексный геофизический профиль через Ропручейский силл габбродолеритов на участке Ржаное - Анашкино / П. А. Рязанцев // Труды КарНЦ РАН. Петрозаводск. - 2012. - № 3. -С. 165-171.

4. Рязанцев, П. А. Применение объемного моделирования для изучения трещиноватости и блочности на месторождении облицовочного камня / П. А. Рязанцев // Разведка и охрана недр. - 2014. - № 1. - С. 22-27.

В других печатных изданиях:

5. Рязанцев, П. А. Возможности современных методик электроразведки при изучении приповерхностных частей докембрийских образований Карелии / П. А. Рязанцев, М. Ю. Нилов, А. В. Климовский, С. Я. Соколов // Геология и полезные ископаемые Карелии. - Вып. 14. - Петрозаводск, 2011. - С. 207-211.

6. Рязанцев, П. А. Особенности интерпретации результатов электротомографии при изучении трещиноватости массива магматических горных пород / П. А. Рязанцев, М. Ю. Нилов, А. В. Климовский // Геология и полезные ископаемые Карелии. -Вып. 16. - Петрозаводск, 2013. - С. 117-122.

РИЦ Горного университета. 12.03.2015. 3.175. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2