Исследование геологической информативности аномальной динамики естественных полей Земли (электрического, магнитного и геохимического) на рудных и инженерно-геологических объектах

Актуальность исследований. Временные вариации геофизических полей, как естественных, так и искусственно вызванных, давно привлекают внимание ученых.

Большинство появляющихся новых геофизических методов основано на характеристиках полей, зависящих от времени.

Изменение электрического и магнитного полей Земли в суточном диапазоне времени известно с самых ранних времен развития геофизики.

Впервые, метающиеся во времени естественные электрические поля, связанные с плохой воспроизводимостью полевых наблюдений, обнаружены в пятидесятые годы прошлого века Ю. С. Рыссом и другими исследователями [39,40].

Существование этих полей было воспринято, как помеха при съемке методом ЕП, затрудняющая выделение рудных аномалий, увязку профилей и планшетов, что послужило основанием для исследований этого явления, результаты которых, были обобщены А. С. Семеновым [42].

Меняющиеся естественные электрические поля Земли в длительном диапазоне времени, с целью выявления закономерностей их формирования, изучал Д. Л. Авгулевич [21].

Суточные вариации геомагнитного поля были замечены Грэхемом еще в 1722 г. Они являются наиболее устойчивыми из всех вариаций и стали объектом интенсивных исследований в конце XIX — начале XX столетий. В результате, из всех геомагнитных вариаций, они изучены наиболее основательно. В первом приближении, суточные вариации являются функциями широты и местного времени [32].

Колебания магнитного поля Земли учтены при разработке производственных инструкций, путем ввода соответствующих поправок и исключения проведения работ во время магнитных бурь [22]. На основании изучения динамики ранней стадии вызванной поляризации подобные предложения высказаны и в отношении инструктивных документов по этому виду геофизических поисков [24, 25].

Изучение проблемы изменчивости (динамики) естественных электрического и магнитного полей, применительно к детальным поискам рудных месторождений, проводилось С. Ю. Баласаняном с сотрудниками кафедры геофизики Читинского политехнического института. Результаты работ обобщены в докторской диссертации и монографии С. Ю. Баласаняна [3]. При проведении этих исследований было отмечено существование явления суточных пульсаций геохимических ореолов над рудными образованиями [5, 10, 11]. В некоторых работах это явление предлагается использовать в качестве способа оценки продуктивности оруденения при детальных поисках рудных месторождений в составе технологического комплекса методов динамической геофизики.

Несмотря на многочисленные исследования вариаций ЕП, МП и пульсаций геохимических ореолов, окончательно не определенными остались закономерности их поведения над рудными зонами, тектоническими нарушениями и другими геологическими образованиями. Не ясна прикладная роль изменчивости этих полей, ее геологическая информативность, возможные масштабы исследования и т. д.

Все перечисленные причины дают основание считать исследования аномальной динамики естественных электрического, магнитного и геохимического полей интересными не только в научно-познавательном аспекте, но и актуальными в прикладном отношении.

Предмет исследований — меняющиеся во времени естественные электрическое, магнитное и геохимическое поля Земли.

Объект исследований — оловорудные месторождения Комсомольского рудного района, Северо-Муйский тоннель БАМ.

Цель исследования — изучение геологической информативности аномальной динамики естественных полей Земли (электрического, магнитного и геохимического) на рудных и безрудных объектах.

Основные задачи, решаемые в ходе исследований:

1. Выбор объектов для суточных наблюдений за естественными электрическим, магнитным и геохимическим полями Земли;

2. «Адаптация методики полевых наблюдений естественного электрического, магнитного и литогеохимичских полей и их обработки под суточные наблюдения;

3. Анализ связи получаемых результатов динамических наблюдений с геологическими и метеорологическими условиями проведения натурных экспериментов;

4. Оценка возможности извлечения полезной геологической информации из аномалий параметров динамики ЕП, МП и пульсации геохимических ореолов.

Методы исследований. Полевые исследования, включающие: сбор данных о меняющихся во времени естественных электрическом и магнитном полях, вариациях метеорологических факторов и отбор лито геохимических проб. Для определения элементарного состава проб использовался экспрессный спектральный анализ. Математическая обработка материалов включала расчеты параметров динамики полей, статистический и корреляционный анализы. Изучение геологической информативности меняющихся во времени естественных полей Земли осуществлялось методом сравнения графиков полученных временных разверток и рассчитанных по ним параметров динамики с геологическими разрезами.

Достоверность. Фактический материал базируется на наблюдениях ЕП, МП и анализе литогеохимических проб в течение нескольких полевых сезонов. Естественное электрическое поле измерялось на трех рудных зонах Комсомольского рудного района и на двух тектонических блоках Северо-Муйского тоннеля: На рудных зонах наблюдения проведены на 7 профилях в 116 физических точках. На тектонических блоках наблюдения проведены по двум профилям на 126 точках наблюдения. Магнитное поле измерялось на трех рудных зонах в 153 точках. На рудной зоне «Майская» и на тектонических блоках Северо-Муйского тоннеля наблюдения выполнялись в течение одних, на двух других рудных зонах в течение двух-трех суток. Временной интервал между замерами в одних и тех же точках был регулярным и составлял 2 часа.

Литогеохимические пробы отбирались на двух зонах Комсомольского рудного района в течение одних суток в общей сложности на 20 точках наблюдения. Временной интервал отбора проб так же составлял 2 часа. ' /.

Таким образом, достоверность полученных выводов подтверждается представительным объемом полевых наблюдений, совпадением аномалий динамики физических полей с реальными геологическими объектами, представленными оловорудными зонами и тектоническими структурами.

На защиту выносятся следующие научные положения.

1. Суточные вариации естественных электрического и магнитного полей Земли в энергоактивных образованиях, представленных оловорудными зонами, контактами пород и тектоническими нарушениями, имеющими четкие границы с вмещающими породами, отмечаются резким (аномальным) нарушением регулярности вариаций и повышением их амплитуды. В фоновых точках вариации имеют спокойный квазилинейный или квазисинусоидальный характер.

2. Форма изменений вариаций ЕП и МП в аномальных точках многообразна. Вариации ЕП и МП и графики параметров динамики, полученные в разные сутки и при различных погодных условиях, практически не воспроизводятся, поэтому, измерения с целью решения практических задач, например, изучения структуры рудных полей и месторождений, выявления активных тектонических зон должны носить мониторинговый характер.

3. Объективно существуют определенные закономерности в поведении геохимических ореолов во времени. Ореолы имеют пульсирующий характер. Наиболее интенсивные пульсации наблюдаются во вторичных ореолах рассеяния. По интенсивности пульсаций исследованные элементы разделяются на две группы. Первая^ группа — халькофильные металлы и металлы группы железа. Вторая — щелочные и щелочноземельные металлы. Аномалии динамики геохи-, мических ореолов элементов первой группы хорошо увязываются с геологическим разрезом.

Научная новизна. В итоге проведенных исследований получен ряд результатов, определяющих научную новизну работы в целом:

1. Установлено, что суточные вариации естественных электрического и магнитного полей Земли в энергоактивных зонах отличаются резким (аномальным) нарушением регулярности вариаций, которые в «фоновых» точках имеют спокойный квазилинейный, либо квазисинусоидальный характер. Форма вариаций в аномальных точках не только не воспроизводится, но резко отличается в разные сутки. Аномальная динамика ЕП и МП имеет вероятностный характер. Она может проявляться в виде интенсивных аномалий в одни сутки (в частности в предгрозовые) и вовсе не проявляется в другие сутки.

2. Аномалии суточной динамики естественных электрического и магнитного полей увязываются с геологическим разрезом. На оловорудных объектах они увязываются с рудными зонами. Над тектоническими нарушениями, характеризующимися современной тектонической активностью, имеющими четкие границы в виде глинки трения и «зеркал» скольжения, наблюдаются аномальные искажения вариаций ЕП и аномалии параметров динамики по амплитуде и характеру искажений аналогичные наблюдаемым над оловорудными зонами. Практически не создают аномалий параметров динамики ЕП нарушения в виде одиночных «сухих» трещин, либо серии таких трещин.

3. Все измеряемые параметры динамики ЕП и МП весьма сильно зависят от метеорологических условий измерений. При этом аномалии параметров динамики магнитного поля, в разных погодных условиях меняя свою амплитуду и протяженность, практически не меняют своего пространственного положения, однозначно увязываясь с выходом к дневной поверхности рудных зон. Аномалии динамики ЕП могут менять свое пространственное положение в зависимости от направления движения грозовых электрически заряженных туч. Вариации ЕП и МП и графики параметров динамики, измеренные в ясную и грозовую погоду, практически не воспроизводятся.

4. Экспериментально подтверждается факт пульсации геохимических ореолов, как объективно существующего явления. Наиболее интенсивные пульсации содержания элементов наблюдаются во вторичных ореолах рассеяния. По интенсивности пульсаций геохимических ореолов исследованные элементы разделяются на две группы. К первой группе, отличающейся повышенной амплитудой пульсаций, относятся халькофильные металлы и металлы группы железа. Во второй группе, включающей типичные щелочные и щелочноземельные металлы, пульсации ореолов практически не наблюдаются. Аномалии параметров динамики геохимических ореолов элементов первой группы хорошо увязываются с геологическим разрезом.

Практическое значение результатов работы. Аномалии параметров суточной динамики естественных электрического и магнитного полей дают важную геологическую информацию, как рудоносного, так и геокартировочного характера. Минерализованные зоны кварц-турмалиновых и кварц-серицитовых метасоматитов с промышленным содержанием олова создают специфические нарушения регулярности суточных вариаций и положительные аномалии параметров динамики ЕП и МП. Наиболее однозначно информацию о положении рудных зон данного типа дают аномалии параметров динамики МП. Аномалии параметров ЕП, кроме рудных зон, фиксируют минерализованные зоны оквар-цевания, зоны дробления, контакты пород разного состава.

Регистрация естественного электрического поля во времени осуществляется при наблюдениях за процессами оползнеи карстообразования, предотвращения горных ударов и т. д. Полученные в данной работе результаты применимы при проектировании мониторинговых исследований указанных явлений и правильной интерпретации материалов.

Изучение динамики естественного электрического поля на инженерно-геологических объектах (при строительстве тоннелей, плотин, автомобильных и железных дорог и т. д.) позволит картировать тектонические нарушения, характеризующиеся современной тектонической активностью.

Широкий диапазон изменения концентрации элементов в «пульсирующих» ореолах рассеяния, зависящий от времени отбора пробы, может приводить к ошибкам в оценке перспективности ореолов рассеяния, являющихся одним из важных поисковых критериев. Это следует учитывать при проведении геохимических исследований.

Реализация результатов. Полученные в ходе исследований научные выводы и методические разработки были рекомендованы Дальневосточному территориальному геологическому управлению для внедрения при детализацион-но-оценочных геофизических работах и интерпретации геофизических полей с целью выделения перспективных участков на оловорудных месторождениях и рудопроявлениях Приамурьяпроизводственному геологическому объединению «Бурятгеология» для внедрения при изучении современной активности тектонических разломов в районе Северо-Муйского тоннеля.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на Всероссийском научно-техническом совещании «Геофизические методы при разведке недр и экологических исследованиях» (Томск, 1998 г.), на научно-технических конференциях ЧитГТУ (1998, 1999, 2000 г. г), на научно-технических конференциях Читинского государственного университета (Чита, 2001 — 2007 г. г). Материалы, приведенные в диссертации, обсуждались на научно-практических семинарах и расширенном заседании кафедры геофизики ЧитГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 работы, в том числе 2 в изданиях по перечню ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из «Введения», четырех глав, «Заключения» и сопровождается списком литературы, состоящим из 72 наименований первоисточников. Работа представлена на 237 страницах № содержит 134 рисунка и 4 таблицы.

В' первой главе диссертации, в ретроспективном виде, рассматривается*-вопрос изученности меняющихся во времени' естественных электрического и магнитного полей Земли и явление пульсации геохимических ореолов. Там же/ излагается методика исследований суточной динамики естественных полей (электрического, магнитного и геохимического) и обработка полученных результатов. Во второй главе рассматриваются результаты исследования суточной динамики геофизических полей на оловорудных объектах Комсомольского рудного района. В третьей главе описываются и анализируются результаты исследований суточной динамики естественного электрического поля Земли на безрудном объекте (Северо-Муйский тоннель). Четвертая глава содержит сведения о пульсациях геохимических ореолов на оловорудных объектах Комсомольского рудного района.

Автор выражает огромную благодарность научному руководителю, заведующему кафедрой геофизики ЧитГУ, д.т.н., профессору А. П. Карасеву за руководство и большую помощь в осмыслении полученных материалов. Большое спасибо сотрудникам кафедры геофизики: Д. Л. Авгулевичу, Т. Г. Дроковой, В. А. Кобыльскому, С. Д. Кочневу, В. В. Оленченко, B.C. Салихову, В.В. Тру-щенко, Е. Ю. Юдицких, JI.A. Лихановой — за дружескую поддержку и за плодотворное участие на разных этапах выполнения работы, а также студентам-геофизикам ЧитГУ, помогавшим при сборе полевых материалов и оформлении диссертации.

Заключение

.

В результате проведенных исследований получены и обобщены обширные материалы по поведению меняющихся во времени естественных электрического, магнитного и геохимического полей Земли. Для проведения натурных экспериментов были выбраны оловорудные зоны Комсомольского рудного района и безрудный объект Северо-Муйского тоннеля. Полученные материалы были подвергнуты математической обработке, включающей статистический и корреляционный анализы. Графики полученных временных разверток, и рассчитанных по ним параметров анализировались с помощью их сопоставления между собой и с геологическими разрезами. Это позволило подтвердить ранее выявленные и намеченные закономерности и сделать некоторые новые выводы:

1. Суточные вариации естественных электрического и магнитного полей Земли в энергоактивных зонах отличаются резким (аномальным) нарушением регулярности вариаций, которые в «фоновых» точках имеют спокойный квазилинейный, либо квазисинусоидальный характер. Форма вариаций в аномальных точках не только не воспроизводится, но резко отличается в разные сутки.

2. Аномальная динамика ЕП' и МП имеет вероятностный характер. Она может проявляться в виде интенсивных аномалий в одни сутки (в частности в предгрозовые) и вовсе не проявляется в другие (даже соседние) сутки. Поэтому измерения с целью исследования ее закономерностей и решения каких-либо практических задач должны носить мониторинговый характер.

3. Аномалии суточной, динамики естественных электрического и магнитного полей увязываются с геологическимразрезом и дают важную геологическую информацию, как рудоносного, так и геокартировочного характера.

— Минерализованные зоны кварц-турмалиновых и кварц-серицитовых метасоматитов с промышленным содержанием олова создают специфические нарушения регулярности суточных вариаций и положительные аномалии параметров динамики ЕП и МП и в тех случаях, когда аномалиями традиционных геофизических методов зоны не фиксируются. При этом аномалии динамики.

ЕП и МП в одних случаях пространственно совпадают, в других нет, но дополняют друг друга. Наиболее однозначно информацию о положении рудных зон данного типа дают аномалии параметров динамики МП. Аномалии параметров ЕП, кроме рудных зон, фиксируют манерализованные зоны окварцевания, зоны дробления, контакты пород разного состава. Среди аномалий параметров динамики ЕП и МП наиболее четко с рудными зонами, выходящими к дневной поверхности, увязываются аномалии АЕеп и АЕТ. Рудные тела, представленные жилообразными кварцевыми турмалинитами, либо жилами кварца аномалий динамики ЕП и МП не создают. Рудные зоны, залегающие на глубине или перекрытые выветрелыми породами, аномалий динамики также не создают.

4. Все измеряемые параметры динамики ЕП и МП весьма сильно зависят от метеорологических условий измерений. При этом аномалии параметров динамики магнитного поля, в разных погодных условиях меняя свою амплитуду и протяженность, практически не меняют своего пространственного положения, однозначно увязываясь с выходом к дневной поверхности рудных зон. Аномалии динамики ЕП могут менять свое пространственное положение в зависимости от направления движения грозовых электрически заряженных туч. Вариации ЕП и МП и графики параметров динамики, измеренные в ясную и грозовую погоду, практически не воспроизводятся.

5. Над отдельными тектоническими нарушениями, имеющими четкие границы в виде глинки трения и «зеркал» скольжения, наблюдаются аномальные искажения вариаций ЕП и аномалии параметров динамики по амплитуде и характеру искажений аналогичные наблюдаемым над оловорудными зонами. В то же время не все аналогичные тектонические нарушения создают аномалии динамики ЕП, т. е. обладают современной тектонической активностью. Практически не создают аномалий динамики ЕП нарушения в виде одиночных «сухих» трещин, либо серии таких трещин. Изучение динамики естественного электрического поля позволяет картировать энергоактивные тектонические нарушения, характеризующиеся современной тектонической активностью.

6. Экспериментально подтверждается факт пульсации геохимических ореолов, как объективно существующего явления. Пульсации проявляются, как правило, в виде спонтанного повышения концентрации элементов в определенные часы местного времени. При этом пульсации являются вероятностным процессом, наблюдаются в разное время соседних суток, либо наблюдаются в одни и отсутствуют в другие. Время пульсаций и их амплитуда не коррелиру-ются с вариациями естественного электрического поля Земли, температуры воздуха и атмосферного давления.

7. По интенсивности пульсаций геохимических ореолов исследованные элементы разделяются на две группы. К первой группе, отличающейся повышенной амплитудой пульсаций, относятся халькофильные металлы — Zn, РЬ, Си, Ag, металлы группы железа Ni, Со, Сг и Sn. Во второй группе, включающей типичные щелочные и щелочноземельные металлы — Na, Са, Mg — пульсации ореолов практически не наблюдаются, либо наблюдаются в отдельных редких случаях.

8. Наиболее интенсивные пульсации содержания элементов наблюдаются во вторичных ореолах рассеяния.

9. В связи с широким диапазоном изменения концентрации элементов в «пульсирующих» ореолах рассеяния, содержание элементов в литогеохимиче-ской пробе зависит от времени отбора пробы. Это может приводить к ошибкам в оценке перспективности ореолов рассеяния, являющихся одним из важных поисковых критериев.

10. В период проведения исследований конкретные рекомендации по направлению геологоразведочных работ, основанных на результатах анализа динамики геофизических полей передавались Комсомольской геофизической партии ДВТГУпо картированию тектонических нарушений, отличающихся современной активностью — Северо-Байкальской ГРП ПГО «Бурятгеология».