Геофизическое картирование подповерхностных геологических структур криолитозоны Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

------------------------------- © А.В. Омельяненко, Д.В. Саввин,

Н.Д. Прудецкий, 2009

УДК 622.1

А.В. Омельяненко, Д.В. Саввин, Н.Д. Прудецкий

ГЕОФИЗИЧЕСКОЕ КАРТИРОВАНИЕ ПОДПОВЕРХНОСТНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ СТРУКТУР КРИОЛИТОЗОНЫ

~ШУ* артирование подповерхностных геологических структур

-»%. криолитозоны является весьма актуальной и сложной задачей. Это связано с одной стороны с разнообразием геокриологических, литолого-петрологических, структурно-тектонических, гидрогеологических и другими особенностями горного массива. Совокупность решения задач осложняется климатическими условиями.

Использование георадиолокации как наиболее мобильного и детального геофизического метода весьма перспективно для изучения подповерхностных геологических структур криолитозоны.

Г еорадиолокация относится к высокочастотным методам электроразведки. В отличие от методов электрометрии и подобно сейсмическим методам разведки в искусственно возбуждаемых упругих волнах, исследуемый массив подвергается импульсному воздействию электромагнитного поля. Для осуществления направленного воздействия на исследуемую среду используется эффект направленного формирования электромагнитного поля в диэлектрически более плотных средах, т.е. при расположении излучателя на поверхность излучаемой среды, максимум энергии перераспределяется в направлении среды с большой диэлектрической проницаемостью. Для исследований из горных выработок излучение в воздушную полусферу экранируется поглотителями, обеспечивающими затухание обратного излучения прямого сигнала. При дистанционном зондировании используются дополнительные формирователи поля плоской электромагнитной (ТЕМ) волны. ТЕМ волна распространяется в телесном угле, определяемом направленными свойствами формирователя (антенны) и дифрагирует на неоднородностях горного массива, обусловленных разницей в электрофизических

свойствах по отношению к вмещающему массиву пород. Скорость распространения ТЕМ волны зависит от величины вещественной части диэлектрической проницаемости е': V = с/^ е', где с - скорость электромагнитных волн в свободном пространстве. Коэффициент отражения обусловлен диэлектрической контрастностью границ раздела сред или неоднородности во вмещающей среде. Поглощение электромагнитной энергии в исследуемой среде зависит от величины мнимой части диэлектрической проницаемости е”. Общие потери на распространение ТЕМ волны включают потери на формирование фронта волны, удельное поглощение в породе Г (дБ/м), потери на прохождение границ раздела сред, на расхождение фронта волны, потери на рассеяние электромагнитных волн на неоднородностях, потери на деполяризацию и др. Степень вклада каждой компоненты потерь оценивается количественно. Энергетические возможности георадиолокационных систем ограничены техническими сложностями реализации компактных измерительных систем и возможности автономных источников питания.

Глубинность метода [1] обеспечивается оптимизацией выбора используемого спектра частот, ширина которого зависит от длительности зондирующего импульса, а средняя частота определяется исходя из удельного поглощения электромагнитных волн в исследуемых породах. Уменьшение длительности зондирующего сигнала повышает разрешающую способность метода. Длительность зондирующего сигнала ограничивается конструктивными и спектральными свойствами излучателей и практически в пределах 1-2 периодов колебаний. В реальном спектре используемых в георадиолокации частот 10-1000 МГц, длительности зондирующих сигналов 20-1 нс, что соответствует разрешающей способности метода по выявлению неоднородностей сред 2-0,1 м. Энергетические возможности георадиолокации ограничиваются типовым диапазоном 100-150 дБ, обеспечивающем глубинность исследований 20-1 м. При максимально благоприятных условиях изучения слабопогло-щающих сред глубинность метода может достигать 40 и более метров. Исходя из выше определенного, георадиолокация является малоглубинным геофизическим методом детального изучения слабо-поглощающих, по электрофизическим характеристикам высокоомных, пород с контрастными границами неоднородных включений. В георадиолокации используется метод отраженных волн. Методики измерений - зондирования по профилю с дискретностью изме-

рений, зависящей от частоты повторения сигналов, накоплений в режиме суммирования и скорости перемещения по профилю. Скорость распространения электромагнитных волн в породах может быть рассчитана по годографам с использованием методики общей глубинной точки (ОГТ), при зондированиях с последовательным разнесением источника излучения и приемника, или по методике синтезирования аппертур (зондирования с совмещенными датчиками, последовательно перемещаемыми по профилю). Для изучения слабопоглощающих высокоомных сред горизонтальнослоистой структуры используются георадиолокаторы с излучателями в виде широкополосных электрических диполей. Для изучения сред с комплексной электропроводностью предлагается применять в качестве излучателей широкополосные магнитные диполи [2], формирующие электромагнитное поле с круговой вращающейся Еф поляризацией и Н2 составляющей поля направленной по нормали в исследуемую среду. При этом появляется возможность фиксировать дополнительный параметр - поляризацию электромагнитных волн отраженных от локальных и линейных неоднородностей, и возможность различать неоднородности по признаку деполяризации дифрагированных сигналов. Использование данного метода позволило приступить к исследованию гетерогенных сред с комплексной электропроводностью.

Точность георадиолокационных измерений зависит от ряда факторов, основной из которых стабильность по времени запуска и длительности зондирующих сигналов. Задача стабилизации достаточно сложная, учитывая, что частота повторений зондирующих импульсов на три порядка отличается от средней частоты спектра излучения. В современных георадиолокационных системах точность измерений значительно выше погрешностей пересчета временных реализаций в масштаб глубин. Экспериментальным исследованиям установлено - ошибки масштабирования георадиолока-ционных разрезов по известным и расчетным скоростям распространения электромагнитных волн в исследуемых породах находятся в пределах 7-3% и не превышают 10%.

Достоверность георадиолокационной съемки оценивается сопоставлением результатов интерпретации с данными опорного или заверочного бурения и геологическим описанием разрезов. На настоящем этапе развития метода георадиолокации, наиболее убедительные результаты получают при решении задач изучения геомет-

рии геологических разрезов. Специализированные процедуры обработки данных измерений [3] позволяют делать послойные пересчеты скоростей, для повышения точности масштабирования гео-радиолокационных разрезов по глубине, при этом учитывается влияние рельефа профиля и GPS привязка точек измерений. Высокая оперативность измерений и процесса обработки данных, в сочетании с незначительными трудозатратами, делают георадиолокацию достаточно эффективным методом детального изучения верхней части геологического разреза.

В настоящее время в России разработаны и выпускаются несколько типов георадаров. Наибольший интерес заслуживает линия георадиолокаторов «ОКО», серийно выпускаемых фирмой ООО «ЛогиС». Эти наиболее надежные и проработанные серийные георадиолокаторы широкого спектра частот - от 20 до 2000МГц постоянно совершенствуются и методически поддерживаются в части программного обеспечения. В своих исследованиях мы используем модернизированные георадиолокаторы серии «ОКО-2М», позволяющие изучать гетерогенные среды произвольной электропроводности с дневной поверхности и из горных выработок, с воздуха (дистанционно) и с водной поверхности.

Объект исследований - преимущественно мерзлые горные породы криолитозоны, представляющие собой гетерогенные геологические образования содержащие лед, как один из породообразующих минералов. Мерзлые горные породы, особенно мерзлые рыхлые отложения [4], обладают на порядки более высоким электрическим сопротивлением, чем талые породы. Скорости распространения электромагнитных волн в мерзлых горных породах приближенно лежат в пределах 170-100 м/мкс, что может служить основой для решения прямых задач георадиолокационных исследований на стадиях моделирования. Поглощение электромагнитных волн в мерзлых породах на порядок меньше чем в талых, поэтому глубинность георадиолокационных исследований в 2-3 раза повышается и это определяет повышенный интерес к использованию георадиолокации в условиях криолитозоны.

Мерзлые рыхлые отложения представляющие верхнюю часть разреза пород криолитозоны отличаются сложной, преимущественно слоистой структурой и содержат включения ледяных образований в виде пластовых и жильных льдов различного генезиса. Возможности георадиолокационного картирования геологических

структур коренных пород мерзлых рыхлых отложений изучены при проведении опытно-методических работ по заверке выявленных аномалий на россыпном месторождении Анабара. По результатам геологической разведки установлено, что максимальный выход полезного ископаемого приурочен к зонам разломов на участках замещения коренных пород различающимися структурами. Представленный для исследований участок детально изучен секущими профилями по линиям скважинного опробования (рис. 1). Установлено, что в спектре частот до 150 МГц прослеживаются верхняя граница песков, граница коренных пород и выявляются разломы с детальностью достаточной для глубинного картирования, при этом наблюдаются характерные нарушенные структуры пород в зонах разлома, а структурные особенности массива не определяются. По данным георадиолокационной съемки построена карта основной россыпи с отличными участками структурных разломов.

При интерпретации данных исследований в комплексе с данными скважинного технологического опробования установлен коэффициент корреляции 0,83 георадиолокационного картирования зон разломов с полезным ископаемым. Эти обнадеживающие результаты были дополнены исследованиями по площадной съемке параллельными профилями для трехмерной визуализации. Часть геофизических аномалий, предложенных для разбраковки геора-диолокационными исследованиями, подтверждены и пространственно уточнены данными глубинного картирования и скважинного опробования. Пример профиля с замещением структур коренных пород представлен на рис. 2, а. В георадиолокационном разрезе на правом участке проявляются особенности коренных пород горизонтально слоистой структуры на левом участке породы массивной структуры.

Особый случай георадиолокационного исследования изучения неконтрастных пород, т.е. разрезов сложенных породами

Рис. 1. Фрагмент карты геолого-разведочныхработ

с близкими электрофизическими свойствами. На рис. 2, б представлен результат подобного исследования кимберлита во вмещающих породах. Установлено, что, несмотря на одинаковые электрофизические свойства, неконтрастные для георадиолокации, кимберлитовая руда и вмещающая порода имеют различные структурные особенности и, несмотря на отсутствие реальной границы раздела сред, зона кимберлита пространственно прослеживается характерной массивной структурой. Измерения проведены в достаточно сложной горно-техни-ческой обстановке по борту горной выработки рудника «Интернациональный», что позволило сделать выводы о перспективности работ в данном прикладном направлении.

С помощью георадаров решается множество практически важных задач. Некоторые из основных приложений следующие: зондирование верхних геологических слоев грунта, поиск и картографирование подземных коммуникаций, труб, кабелей, нахождение карстовых полостей, зон разуплотнения на строительных площадках, опережающий контроль состояния грунта впереди забоя строящихся тоннелей, контроль автодорожного полотна и железнодорожной насыпи, дефектоскопия строительных конструкций,

гуманитарное разминирование, применение в археологии, криминалистике, гляциологии.

Рис. 2

В результате проведенных исследований показаны возможности применения метода георадиолокации для выявления, прослеживания по глубине простирания и картирования некоторых геологических и геокриологических структур. Последовательная и целенаправленная работа в данном направлении научных исследований позволит расширить возможности реализации георадиолокацион-ного метода дистанционного исследования структурных особенностей горного массива, на заданных глубинах определенных электрофизическими свойствами горных пород, и азимутальных направлениях.

------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ним Ю.А., Омельяненко А.В., Стогний В.В. Импульсная электроразведка криолитозоны. - Новосибирск: Изд.-во ОИГГМ СО РАН, 1994. - 188 с.

2. Омельяненко А.В. Георадиолокационная технология в горногеофизических исследованиях мерзлого горного массива // Проблемы и перспективы комплексного освоения месторождений полезных ископаемых криолитозоны: Тр. Междунар. науч.-практ. конф. - Якутск: Изд-во ИМЗ СО РАН, 2005. - Т. 1. - С. 70-74.

3. Канасевич Э.Р. Анализ временных последовательностей в геофизике. - М.: Недра, 1985. - 300 с.

4. Омельяненко А.В., Федорова Л.Л. Георадиолокационные исследования многолетнемерзлых пород. - Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 2006. - 136 с. ВТШ

— Коротко об авторах ---------------------------------------------------

Омельяненко А.В. - доктор технических наук, заведующий лабораторией,

Саввин Д.В. - старший инженер,

Прудецкий Н.Д. - старший инженер.

Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского, г. Якутск.

E-mail: [email protected]