CC BY
127
ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОТОМОГРАФИИ
ДЛЯ РАЗВЕДКИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ И КОНТРОЛИРУЮЩИХ ИХ ВОДОНОСНЫХ ГОРИЗОНТОВ
Алексей Николаевич Фаге
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Академика Коптюга, 3, младший научный сотрудник лаб. Электромагнитных полей, тел. (383)333-36-11
Наталья Михайловна Яркова
ООО «Сибгеоресурс» геологическая служба, 650070, Россия, г. Кемерово, ул. Тухачевского, 60, главный геолог, тел. (3842)56-70-64
Игорь Николаевич Ельцов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Академика Коптюга, 3, д.т.н., доцент заместитель директора, заведующий лаб. Электромагнитных полей, тел. (383)333-34-32
Показано, что метод электротомографии на объектах, где присутствуют мощные водоносные горизонты, показывает хорошие результаты, поскольку позволяет определять если не сам угольный пласт, то вмещающую его породу. Эти данные, с учетом некоторой известной геологической информации об исследуемом участке, позволяют более точно наметить точки для разведочного бурения.
Ключевые слова: электротомография, уголь, водоносный горизонт, электрическое профилирование.
USE OF ELECTRICAL RESISTIVITY TOMOGRAPHY METHOD FOR ALLOCATING COAL-BEDS AND ADJACENT GOVERNING AQUIFERS
Alexey N. Fague
A.A. Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Akademika Koptyuga Prosp., 630090, Russia, Novosibirsk, junior research associate at laboratory of Electromagnetic fields, tel. (383)333-36-11
Nataliya M. Yarkova
«Sibgeoresurs» LLC, geological survey, 6, Tukhachevsky str., 650070, Russia, Kemerovo, lead geologist, tel. (3842)56-70-64
Igor N. Yeltsov
A.A. Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Akademika Koptyuga Prosp., 630090, Russia, Novosibirsk, Doctor of Engineering Science, associate professor deputy director, head of the Laboratory of electromagnetic fields, tel. (383)333-34-32
ERT method shows promising results in areas, where thick aquifers are present as it allows if not for discovering of a coal-bed itself but for locating adjacent strata. This data combined with known geological information on the area of interest allows for more precise exploratory boreholes placement.
Метод электротомографии на постоянном токе, получающий все большее распространение при поиске и разведке полезных ископаемых на небольших (до 100 м) глубинах имеет ряд преимуществ, позволяющих эффективно применять его для разведки угольных месторождений, перспективных для разработки открытым способом. Особенно хорошо метод показывает себя на участках, где угольные пласты и вмещающая их порода соседствуют с мощными водоносными горизонтами, как правило, низкоомными, что позволяет получать контрастные по электросопротивлению разрезы. Такие разрезы, в свою очередь позволяют более точно определить границы геологических сред.
До настоящего момента в Новосибирской и Кемеровской областях для разведки угольных месторождений и оценки их параметров в основном используются традиционные методы - бурение с отбором проб и геофизические исследования скважин. Эти методы, хотя и являются наиболее точными, весьма дороги и требуют существенных временных затрат. Стоит отметить, что для месторождений, подразумевающих шахтный способ добычи (глубина залегания пластов более 100 м) метод электротомографии малопригоден, поскольку требуемая глубина достижима лишь с серьезным падением разрешающей способности исследования. Однако для глубин 80 м и менее метод позволяет получить качественные данные с хорошим разрешением. Использование электротомографии позволяет сократить расходы на бурение сетки разведочных скважин, поскольку дает возможность построить предварительную геологическую карту месторождения и использовать бурение лишь для привязки к реальным геологическим условиям и уточнения отдельных, наиболее интересных, участков.
В статье приводятся результаты, полученные в ходе работ по поиску верхней части угольного пласта на перспективном для открытого способа добычи участке в Новосибирской области. Работы производились в конце лета 2012 г с использованием аппаратурных комплексов СКАЛА-48 [0] и IRIS Syscal Switch Pro [2]. Особенностью исследуемого месторождения является наличие мощного водоносного горизонта, приуроченного к вмещающим угольные пласты породам. Гидрогеологические условия на участке способствуют получению высококонтрастных геоэлектрических разрезов, на которых водоносные (низкоомные) горизонты «оттеняют» более высокоомные, в частности, угольные пласты. Обсуждаемая методика исследований может быть интересна с точки зрения практического использования на крупнейших месторождениях углей в Кузбассе, поскольку гидрогеологические условия в местах с открытой добычей во многом схожи с рассматриваемыми в данной статье.
Возможность использования метода электротомографии для поиска угольных пластов и вмещающих их пород обусловлена тем фактом, что в общем случае, угольный пласт или вмещающая его порода имеют малое содержание влаги по сравнению с соседствующим водоносным горизонтом. Это приводит к тому, что удельное электрическое сопротивление (УЭС) интересующих нас структур значительно выше УЭС водонасыщенной или увлажненной окру-
жающей среды (вплоть до разницы в значениях УЭС на 1 -2 порядка). Такое различие в УЭС позволяет получать хорошие, контрастные геоэлектрические разрезы при выполнении электрических зондирований на постоянном токе.
Работы, о которых идет речь в данной статье, начинались как эксперимент по проверке возможностей метода электротомографии для поиска выходов угольных пластов под рыхлые отложения. После начала работ выяснилось, что исследуемый участок имеет характерное для своего района гидрогеологическое строение - на глубине 35-40 м находится мощный водоносный горизонт напорных вод. Статический уровень в разведочно-эксплуатационных скважинах устанавливается на глубине 6 м.
Геологическое строение исследуемого участка крайне сложное. Толща представлена двумя структурными этажами: собственно угленосные отложения в коренном залегании и перекрывающие их с угловым несогласием рыхлые песчано-глинистые отложения (0). Угленосные отложения площади смяты в сложную антиклиналь-синклинальную складку, при этом южное крыло синклинальной складки, где выполнено исследование методом электротомографии, осложнено дополнительной нарушенностью. Нарушения разбивают угленосную толщу на отдельные тектонические блоки. Нормальные вертикальные амплитуды смещения крыльев нарушений 10-18 м, углы падения плоскостей 600-800. Как правило, зоны нарушений обладают повышенной обводнённостью. Углы падения пород угленосной толщи 300-450. Мощность перекрывающих рыхлых отложений 915 м. По коренным угленосным породам повсеместно развита кора выветривания. В зоне выветривания породы изменены до глинистого состояния. В отличие от перекрывающих рыхлых глинистых отложений, угленосные глиноподобные породы коры выветривания обладают повышенной обводнённостью.
ю с
7474 7473 7472 7471 7470
Рис. 1. Геологический разрез по IX разведочной линии на исследуемом участке Геоэлектрические разрезы, построенные при помощи метода электротомографии, в основном, демонстрировали сходное геологическое строение верхней части исследуемого участка (0).
Рис. 2. Геоэлектрический разрез на перспективном участке. Двумерная инверсия данных электротомографии с шагом между электродами 5 м
К моменту начала работ исследуемый участок уже начал осваиваться -пройдена разрезная траншея и вскрыт угольный пласт. Профиль 1 частично располагался в этой траншее (участок 0-140 м). Начиная с отметки 140 м, профиль 1 вышел за пределы траншеи. Перепад между начальной и конечной точками профиля составил 15 м. Интерпретация геоэлектрического разреза для установки Шлюмберже позволяет выделить 4 основных слоя:
1. Желто-зеленые участки в верхней части разреза, УЭС 25-50 Ом-м - суглинки с линзами песка. Данный слой относительно сухой. Его мощность варьируется от 3 до 8 м.
2. Сине-голубые участки в верхней части разреза, УЭС 5-20 Ом-м - суглинки с повышенным содержанием песка. Обводнённость повышенная. Данный слой является основным источником притока грунтовых вод в карьер. Мощность слоя варьируется от 4 до 8 м.
3. Красные участки в средней части разреза, УЭС 70-100 Ом-м - более плотная и сухая порода (алевролит). Мощность варьируется от 10 до 20 и более метров.
4. Голубые участки в нижней части разреза, УЭС 15-25 Ом-м - водоносный горизонт, представленный трещиноватыми алевролитами.
С учетом результатов исследования методом электротомографии на участке была пробурена разведочная скважина глубиной 40 метров (0).
Рис. 3. Геоэлектрический разрез по профилю 1 с нанесенной разведочной скважиной
Бурение вскрыло угольный пласт (0) мощностью 0,3-0,4 м. Пласт находится внутри плотной структуры (алевролиты со значением УЭС 70-100 Ом-м) на глубине 37 м (здесь и далее по тексту под «глубиной» подразумевается глубина от поверхности нетронутого карьером участка).
Угольный пропласток мощностью ~30 см, угол наклона 40°
Рис. 4. Укрупненное изображение участка геоэлектрического разреза по Профилю 1 со скважиной и нанесенным на него угольным пластом
Стоит отметить, что обнаруженный при вскрытии уголь был окислившимся и влажным, чего и следовало ожидать от пород, находящихся в зоне трещиноватости, имеющей повышенную обводненность.
Другие разрезы на исследуемом участке дали очень похожие результаты: везде наблюдалось четырехслойное строение с явно выраженной верхней почвенной частью, нижележащими суглинками, следующими за ними плотными, относительно сухими структурами и мощным горизонтом напорных вод, начиная с глубины 35-40 метров.
Выполненные на объекте работы продемонстрировали перспективность электротомографии для решения задач, связанных с поиском выходов угольных пластов под рыхлые наносы в условиях наличия мощных водоносных горизонтов. Этому способствует высокая контрастность получаемых разрезов, объясняемая существенной разницей в значениях УЭС между водонасыщенными и относительно сухими породами. При этом стоит отметить, что исследование методом электротомографии способно дать результат только в совокупности с правильной геологической трактовкой полученных данных. В частности, оценить перспективность того или иного проявления вмещающей угольные пласты породы может лишь геолог, имеющий представление об общем геологическом строении исследуемой территории. Другой важной задачей, в решении которой способен помочь метод электротомографии является оценка гидрогеологической ситуации на исследуемой территории. В частности, существует возможность определить глубину залегания водонасыщенных пластов. Помимо этого, в качестве экспериментальных задач можно произвести приблизительную оценку параметров водоносных горизонтов по косвенным признакам. Например, введение в водоносный горизонт через скважину специального маркирующего флюида, который контрастирует с окружающей средой на геоэлек-трическом разрезе, что позволит при помощи серии измерений оценить скорость движения подземных вод, потенциальный дебит и особенности движения флюидов в водоносном горизонте.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Булгаков А.Ю., Манштейн А.К. Геофизический прибор для автоматизации многоэлектродной электроразведки // Приборы и техника эксперимента. 2006. № 4. С. 123-125.
2. IRIS Instruments official website [Electronic resource] / - Англ. - Режим доступа: http://www.iris-instruments.com/Pdf%20file/SvscalPro_Gb.pdf
© А.Н. Фаге, Н.М. Яркова, И.Н. Ельцов, 2013
