CC BY
44
- © Л.Л. Федорова, К.О. Соколов,
Д.В. Саввин, М.П. Федоров, 2014
УДК 621.396.96:622.1
Л.Л. Федорова, К.О. Соколов, Д.В. Саввин, М.П. Федоров
ГЕОРАДИОЛОКАЦИОННОЕ КАРТИРОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД РОССЫПНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КРИОЛИТОЗОНЫ
Для повышения информативности и точности оценки строения массива горных пород россыпных месторождений криолитозоны предлагается совершенствование алгоритма обработки результатов георадиолокационных исследований на основе статистического анализа данных. Рассмотрены возможности использования значения дисперсии амплитуд георадиолокационных сигналов для изучения особенностей строения геологических сред. Проведены расчеты значений дисперсии данных георадиолокационных исследований, полученных при зондировании пород мерзлых рыхлых отложений на россыпных месторождениях алмазов в Якутии. Сделан сравнительный анализ результатов георадиолокации с данными магниторазведки, электроразведки - ДЭМП и скважинного опробования. Установлено, что повышение значений дисперсии амплитуд сигналов характеризует появление новых отражающих границ, вызванных наличием геоструктурных неоднородностей массива горных пород (валунные включения, нарушенность в кровле коренных пород и т.д.). Анализ особенностей изменения значений дисперсии амплитуд сигналов по разрезу позволяет определять тип геологической неоднородности и оценивать диэлектрическую проницаемость пород. Предлагаемый способ статистического анализа данных георадиолокации упрощает их интерпретацию и позволяет автоматизировать поиск неоднородностей физических свойств с помощью специализированного программного обеспечения. Представлен положительный результат применения разработанной методики для картирования нарушенностей коренных пород россыпного месторождения р. Маят (Якутия).
Ключевые слова - мерзлые горные породы, россыпные месторождения алмазов, горно-геологические условия, структурная неоднородность, картирование, георадиолокация, методика обработки, дисперсия.
Решение проблем разработки открытым способом месторождений Севера, в том числе россыпных, характеризующихся значительным разнообразием и сложностью горногеологических условий, связано с совершенствованием существующих и поиском новых технологий изучения строения и состояния массива горных пород. При этом трудоемкость дораз-ведки и эксплуатации россыпных месторождений определяется особенностями строения горного массива: мощностью продуктивного пласта и его изменчивостью, слоистостью, зонами
повышенной трещиноватости, наличием валунных включений, границами реликтовых водотоков и т.д. Эти параметры даже в пределах разрабатываемых участков месторождений могут существенно изменяться, причем в достаточно широком диапазоне, что вызывает технологические трудности при их разработке. Для поиска зон структурных неоднородностей применяют электроразведку, а также магнитную съемку и сейсморазведку [1]. Данные геофизические методы трудоемки и не всегда способны предоставить данные с требуемой детальностью. Более пер-
спективным, для подобных исследований, геофизическим методом является георадиолокация, которая позволит выявить и картировать зоны возможной концентрации полезных ископаемых, благодаря небольшой мощности рыхлых отложений на россыпях крио-литозоны и невысокому значению затухания электромагнитной энергии в них [2].
Вместе с тем, масштабы применения георадиолокации существенно ограничиваются сложностью обработки больших объемов данных для детального изучения строения массива мерзлых горных пород. Известные программные средства обработки георадиолокационных данных не позволяют в полной мере и в автоматическом режиме анализировать амплитудно-временные характеристики сигнала, несущие полезную информацию как о строении, так и о состоянии геологических сред. Для повышения оперативности обработки данных в настоящей работе предлагается использовать статистические методы анализа амплитудных характеристик, что является новым направлением в обработке и интерпретации данных георадиолокации и позволяет значительно расширить область ее применения. Преимущество использования статистических методов анализа заключается в возможности оценки нерегулярных сигналов, которые выступают в качестве «полезной» информации для автоматизации процесса обработки.
Расчетные георадиолокационные модели, опыт георадиолокационных зондирований неоднородного массива мерзлых пород и натурные эксперименты показали, что локальные изменения свойств пород проявляются на георадиолокационном разрезе зонами с хаотичным распределением осей синфазности сигналов [3-5]. Появление подобных сигналов приводит к увеличению такой статистической
характеристики, как дисперсия (ОХ), которая определяет отклонение амплитуд сигналов от среднего ожидаемого значения:
— \2
ОХ =
I1 (X - Х)
где X. - амплитуда сигнала; X - среднее значение амплитуды сигнала; кг.. кп - временной интервал анализируемой совокупности данных, п - количество значений амплитуд в анализируемой совокупности данных.
Повышение дисперсии амплитудно-временных характеристик сигналов связано с увеличением количества отражающих границ. Появление новых границ увеличивает крутизну изменения дисперсии, величина которой зависит от количества хаотично-распределенных сигналов в выбранном временном окне для ее расчета. Анализ особенностей характера изменения значения дисперсии амплитуд сигналов по разрезу позволяет определять тип геологической неоднородности: относительно сглаженное изменение дисперсии определяет слоистую неоднородную структуру, резкие изменения дисперсии соответствует нарушенной структуре с многочисленными локальными неоднород-ностями [6].
Апробация предлагаемого подхода проведена при обработке георадиолокационных данных исследования участка прииска «Маят-Водо-раздельный» (ОАО «Алмазы Анабара», Якутская алмазоносная провинция, участок «405»). Исследования проводились с целью разработки способа автоматизации обработки больших объемов данных и установления корреляционной связи аномалий, выявленных методом георадиолокации (ГРЛ) с данными дипольного электромагнитного профилирования (ДЭМП) и опробования скважин.
п
На рис. 1, а показан георадиолокационный глубинный разрез участка исследований. По данным бурения коренные породы участка исследований представлены доломитами, в верхней части сильнотрещиноватыми. Перекрывающие породы сложены илами, песчаными и суглинистыми отложениями (рис. 1, а - Скв. 4 и Скв. 5.5). Профиль получен по методике непрерывного профилирования при детализации площади участка «405». После предварительной обработки по разрезу выделяется интервал с характерными амплитудно-временными изменениями георадиолокационных сигналов. В обоснованном временном окне, определенном по параметрам отраженных сигналов, выбран наиболее информативный предел по
времени, соответствующий глубинам 15-20 м, в котором произведен расчет дисперсии сигналов.
По результатам оценки единичного профиля построен график значений дисперсии (рис. 1, б). Установлено, что максимальные значения дисперсии выделяются в пределах Д^ = 280^460 м по разрезу профиля. Увеличение значений дисперсии на графике связано с повышением количества хаотично отраженных сигналов, что свидетельствует о нарушенности слоистой структуры участка исследований.
В соответствии с графиком значений кажущегося удельного электрического сопротивления по данным ДЭМП, аномалия выделяется в пределах ДЬ2 = 230^640 м исследуемого профиля и характеризуется понижен-
Рис. 1. Пример совместного анализа данных георадиолокации и дипольного электромагнитного профилирования по единичному профилю скважинного опробования участка «405» месторождения «Маят-Водораздельный»: а) глубинный георадиолокационный разрез; б) значение дисперсии георадиолокационных сигналов; в) значения кажущегося удельного электрического сопротивления
ными значениями электросопротивлений, как правило, связанных с разуплотнением пород (рис. 1, в). При комплексной обработке данных ГРЛ и ДЭМП выделена область максимальной корреляции наименьших значений электросопротивлений и наибольших значений дисперсии сигналов. Данные разведочного бурения подтвердили результаты сопоставления данных геофизических методов и позволили интерпретировать аномалии с нарушенными коренными породами.
По результатам анализа предшествующих геофизических работ (магниторазведка, электроразведка) принято решение о проведении площадной георадиолокационной съемки участка «405» в целом. На основе анализа представленных разрезов и возможностей георадиолокации в различных спектрах частот для требуемой глубинности (30 м) выбрана аппаратура «ОКО-2М» Тритон-30/60. Для изучения возможности детализации разрезов в пределах глубин исследований до 10 м использована аппаратура «ОКО-2М» АБ-150 с разрешением от 0,5 м. Производительность работы составила 3 профиля в сутки. На производство работ потребовалось 7 рабочих дней. Методика обработки георадиолокационных сигналов на основе расчета дисперсии амплитуд позволила провести оперативное изучение геологического строения значительного участка по площади, размером 3,57 км2.
В результате обработки данных площадных измерений выделены 4 аномальные зоны с повышенными значениями дисперсии амплитуд георадиолокационных сигналов (рис. 2, а). Первая зона определяется в интервале профилей 4^10 (участок I) и представлена наибольшим распространением по площади исследований. Вторая аномальная зона выделена в пределах профилей 12^16
(участок II) и имеет более равномерное распространение. Аномальные участки, пересекающиеся профилями 0^2 (участок III) и 8^10 (участок IV), по отношению к вышеописанным имеют незначительные размеры. Результаты георадиолокации сопоставлены с данными дипольного электромагнитного профилирования, полученными в предшествующий полевой сезон.
По данным ДЭМП на участке выявлены 4 аномальные зоны, характеризующиеся пониженными значениями кажущегося удельного электрического сопротивления (рис. 2, б).
Для комплексной обработки данных геофизических методов, включающих георадиолокацию, предложено использовать кластерный анализ на основе метода максимального корреляционного подобия. При этом сначала строятся однометодные модели (рис. 2, а, б). Далее параметры, полученные в ходе однометодных обработок, нужно интерполировать на общую координатную сетку. В результате интерполяции на общую сетку каждый ее узел характеризуется набором значений двух параметров (дисперсия отраженных сигналов и значение кажущегося удельного электрического сопротивления). На втором этапе проводится выявление областей (кластеров), в которых рассматриваемые параметры дают максимальный коэффициент корреляции. При картировании эти кластеры могут рассматриваться как основа для разбиения модели на литологические типы [7, 8]. При комплексной обработке площадной съемки данных ГРЛ и ДЭМП участка «405» выделены две области максимальной корреляции аномалий (рис. 2, в). В результате, по данным ДЭМП, отбраковываются выделенные георадиолокационные аномалии участков III и IV.
По выделенным аномалиям для их подтверждения и уточнения прово-
Рис. 2. Разбраковка аномалий по результатам картирования участка «405» месторождения «Маят-Водораздельный» методами георадиолокации и дипольного электромагнитного профилирования
дятся детальные георадиолокационные исследования. По данным детальной площадной георадиолокационной съемки выявленные особенности строения (рис. 2, г) по площади свидетельствуют о перспективности участков для опробования с целью обнаружения полезных ископаемых, что имеет принципиальное значение при разработке месторождений подобного типа и принятии технологических решений для их рационального освоения.
Таким образом, определен признак выявления зон структурных неодно-
родностей на основе статистической оценки параметров георадиолокационных сигналов, а также разработано и апробировано программное обеспечение автоматизированной обработки данных георадиолокационных измерений на основе расчета дисперсии амплитудно-временных параметров сигналов с целью выделения аномалий, как правило, связанных с неоднородностями горного массива (зон повышенной трещиноватости, валунных включений, границ реликтовых водотоков и т.д.).
1. Владов М.Л., Старовойтов А.В. Обзор геофизических методов исследований при решении инженерно-геологических и инженерных задач. - М.: GDS Production, 1998. - 81 с.
2. Финкельштейн М.И., Карпухин В.И., Кутев В.А., Метелкин В.Н. Подповерхностная радиолокация / Под. ред. М.И. Финкель-штейна. - М.: Радио и связь, 1994. - 216 с.
3. Саввин Д.В., Федорова Л.Л., Оме-льяненко А.В. Динамическая фильтрация георадиолокационных данных мерзлого горного массива неоднородной структуры // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2012. - № 9. - С. 143-147.
4. Старовойтов А.В. Интерпретация георадиолокационных данных: учеб. пособие. -М.: Изд-во МГУ, 2008. - 192 с.
5. Омельяненко А.В., Федорова Л.Л. Георадиолокационные исследования много-
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
летнемерзлых пород. - Якутск: Издательство ЯНЦ СО РАН, 2006. - 136 с.
6. Fedorova L.L., Sokolov K.O., Sav-vin D.V., Fedorov V.N. GPR modeling of placer deposits geological profiles of permafrost zone / Proceedings of the 15th International Conference on Ground Penetrating Radar, June 30 - July 4, 2014. - Brussels, Belgium, 2014. - pp. 301-305.
7. Спичак В.В. Современные подходы к комплексной инверсии геофизических данных // Геофизика. - 2009. - № 5. - С. 1019.
8. Каплан С.А., Галуев В.И., Пимано-ва Н.Н., Малинина С.С. Комплексная интерпретация данных исследований на опорных профилях // Геоинформатика. - 2006. -№ 3. - С. 38-46. EES
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Федорова Лариса Лукинична - кандидат технических наук, доцент, и.о. зав. лабораторией, e-mail: Lar-fed-90@rambler.ru, Соколов Кирилл Олегович - кандидат технических наук, научный сотрудник, e-mail: _ksokolov@mail.ru, Саввин Денис Валерьевич - кандидат технических наук, младший научный сотрудник, e-mail: savvin.denis@inbox.ru, Федоров Максим Петрович - ведущий инженер, e-mail: mpfedoroff@gmail.com,
Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения РАН.
UDC 621.396.96:622.1
MAPPING OF STRUCTURAL INHOMOGENEITIES BEDROCK ON PLACER DEPOSITS CRYOLITHOZONE BY GPR METHOD
Fedorova L.L., Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, acting Head of Laboratory, e-mail: Lar-fed-90@rambler.ru, Sokolov K.O., Candidate of Technical Sciences, Researcher, e-mail: _ksokolov@mail.ru,
Savvin D.V., Candidate of Technical Sciences, Junior Researcher, e-mail: savvin.denis@inbox.ru, Fedorov M.P., Leading Engineer, e-mail: mpfedoroff@gmail.com,
N.V. Chersky Institute of Mining of the North, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences.
For more informative and accurate assessment of the structure of the rock mass of alluvial deposits Cryo-lithozone proposed improvement of the results of GPR processing algorithm research based on statistical analysis. The possibility of using the variance amplitude of GPR signal has been considered for investigating the structural features of the geological environments of permafrost.The variance values of the investigated GPR data of the properties and the state of soil areas of alluvial gold and diamonds in Yakutia province in Siberia have been calculated. A comparative analysis of GPR data magnetic survey, electrical - DEMP and down hole sampling. It is established that the increase of the variance amplitudes of signals is characterized by the appearance of new reflection boundaries and the presence of geostructural rock mass heterogeneity (boulder inclusion disturbance at the top of the bedrock, etc.). This is due to an increase in soil moisture and violation of the rock mass. Analysis of the features of the change the variance amplitudes of signals in the rock section allows us to define the type of geological heterogeneity and permittivity of rock. The proposed method of statistical analysis of GPR data simplifies the interpretation and allows us to automate the search for irregularities of the physical properties of rocks using specially developed software. Positive experience with the developed method for mapping discontinuity of bedrock deposits r.Mayat (Yakutia) has been presented.
Key words: frozen rocks, alluvial diamond deposits, mining and geological conditions, structure inhomo-geneity, the mapping, GPR method, data processing, the variance.
REFERENCES
1. Vladov M.L., Starovoitov A.V. Obzor geofizicheskikh metodov issledovanii pri reshenii inzhenerno-geologicheskikh i inzhenernykh zadach (Review of Geophysical Methods for Engineering Geology and Engineering), Moscow, GDS Production, 1998, 81 p.
2. Finkel'shtein M.I., Karpukhin V.I., Kutev V.A., Metelkin V.N. Podpoverkhnostnaya radiolokatsiya. Pod. red. M.I. Finkel'shteina (Subsurface Radiolocation, Finkel'shtein M.I. (Ed.)), Moscow, Radio i svyaz', 1994, 216 p.
3. Savvin D.V., Fedorova L.L., Omel'yanenko A.V. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten', 2012, no 9, pp. 143-147.
4. Starovoitov A.V. Interpretatsiya georadiolokatsionnykh dannykh: ucheb. posobie (Interpretation of GPR data: tutorial), Moscow, Izd-vo MGU, 2008, 192 p.
5. Omel'yanenko A.V., Fedorova L.L. Georadiolokatsionnye issledovaniya mnogoletnemerzlykh porod (GPR Investigation of Frozen Rock), Yakutsk: Izdatel'stvo YaNTs SO RAN, 2006, 136 p.
6. Fedorova L.L., Sokolov K.O., Savvin D.V., Fedorov V.N. GPR modeling of placer deposits geological profiles of permafrost zone. Proceedings of the 15th International Conference on Ground Penetrating Radar, June 30 July 4, 2014. Brussels, Belgium, 2014. pp. 301-305.
7. Spichak V.V. Geofizika, 2009, no 5, pp. 10-19.
8. Kaplan S.A., Galuev V.I., Pimanova N.N., Malinina S.S. Geoinformatika, 2006, no 3, pp. 38-46.
