Повышение эффективности геофизических методов при малоглубинных исследованиях

Актуальность темы

После кризиса 90-х годов в области геологического изучения недр наблюдается некоторое оживление. Не считая поисков и разведки нефтегазовых месторождений, современные геологические исследования носят в основном малоглубинный характер. Это связано в первую очередь с экономической рентабельностью последующей добычи минерального сырья. Геофизические методы исследований характеризуются высокой производительностью и относительно низкой стоимостью, что позволяет прогнозировать на них повышение спроса, при условии нормального развития экономики. В этом случае малоглубинные геофизические работы будут востребованы как в горно-геологической отрасли, так и в сфере инженерных изысканий.

Одной из главных особенностей малых глубин является разнообразие и быстрая изменчивость свойств геологической среды. К геофизическим исследбваниям здесь предъявляются высокие требования по разрешающей способности и детальности наблюдений. При этом ведущая роль отводится геолого-геофизической интерпретации результатов исследований для получения достоверной информации. Для того чтобы наиболее полно и качественно выполнить поставленные геологические задачи, необходимо повышать информативность геофизических исследований за счет разнообразия состава и увеличения объема работ. Данная ситуация вынуждает обратить внимание на производительность используемых методов и методик исследований, а также на экономичность технического оборудования. В связи с этим достаточно актуальным направлением является повышение эффективности малоглубинных геофизических исследований за счет разработки недорогой универсальной аппаратуры, применения новых технологий обработки данных и использования оптимального комплекса геофизических методов.

Цель диссертационной работы: разработка полевой аппаратуры, методики наблюдений и комплексирования геофизических методов, а также нахождение новых приемов обработки и интерпретации полученных данных для повышения геологической информативности малоглубинных геофизических исследований.

Основные задачи. о Разработка, изготовление и испытание макета широкополосного многофункционального приемника электрических, магнитных и сейсмоакустических сигналов. о Изготовление и калибровка индукционных датчиков магнитного поля для методов АМТЗ (аудиомагнитотеллурического зондирования) и радиокип СДВР (радиокомпарации и пеленгации сверхдлинноволновых радиостанций). о Разработка методики наблюдения и интерпретации сейсморазведочных данных с одновременным использованием продольных и поперечных волн. о Опробование новой аппаратуры, методических приемов и способов обработки данных на контрольных интерпретационных профилях. о Анализ возможностей отдельных геофизических методов и выбор рационального комплекса исследований при изучении верхней части геологического разреза.

Защищаемые положения.

1) Разработанная, изготовленная и опробованная на практике широкополосная приемно-регистрирующая аппаратура, отличающаяся портативностью и малой себестоимостью, позволяет оперативно выполнять задачи электрометрии и сейсмометрии.

2) Предложенная технология совместной обработки данных методов преломленных волн и многоканального анализа поверхностных волн, позволяет изучить упругие характеристики геологической среды (скорости продольных и поперечных волн, коэффициент Пуассона) в естественном залегании для решения инженерно-геологических задач.

3) На основе реализации возможностей новых технологий, обоснован рациональный комплекс геофизических методов для изучения верхней части геологического разреза, позволяющий повысить достоверность и информативность исследований. Научная новизна. о Разработана, изготовлена и испытана в производственных условиях новая геофизическая аппаратура широкого применения с датчиками электромагнитных сигналов, о Впервые предложены и осуществлены аудиомагнитотеллурические измерения в движении, о Впервые предложен новый электрометрический параметр для выявления поляризационных свойств разреза: электрический параметр гармоник (Пг). о Разработан способ повышения горизонтального разрешения многоканального анализа поверхностных волн (МА8\0 на базе алгоритма оконного суммирования спектров скоростей релеевских волн, о В ходе выполнения исследований на ряде объектов показана эффективность обнаружения подземных пустот по поведению коэффициента Пуассона, о На ряде альпинотипных массивов показана перспективность изучения хромового оруденения с помощью индукционной электроразведки и комбинированной малоглубинной сейсморазведки. Практическая значимость. о Созданный макет широкополосной аппаратуры «ОМАР-2м» успешно испытан на контрольном полигоне Института геофизики УрО РАН и применялся автором в производственных условиях при:

• изучении интервалов перспективных на золотоносное оруденение в горных выработках шахты «Северная» Березовского рудника [19];

• опытных геофизических работах по выявлению коренных источников Полдневского месторождения демантоидов [20];

• инженерно-геофизическом обследовании плотин г. Екатеринбурга [21];

• геолого-геофизических поисковых работах на хромиты в пределах массива Рай-Из (Полярный Урал) и Наранского ультраосновного массива (Монголия);

• изучении геоэлектрического разреза вблизи трасс магистральных газопроводов Тюменской, Свердловской и Челябинской областей.

Разработанная аппаратура «ОМАР-2м» позволяет выполнять исследования методами АМТЗ, радиокип СДВР, переменного естественного электрического поля (ПЕЭП), спектрального анализа поверхностных волн (SASW), а также применяться как малоканальная сейсмоакустическая или сейсмоэлектрическая станция. В комплекте с электроразведочным генератором сигналов, аппаратура может выступать в качестве универсального приемника электромагнитных методов разведки [82]. о Технология совместной обработки данных сейсморазведки МПВ и MASW была успешно применена автором на практике при:

• изучении территории под строительство обогатительной фабрики шахты «Северная» ОАО «Ургалуголь» в Верхне-Буреинском районе Хабаровского края [16];

• поиске старых горных выработок Березовского золоторудного месторождения (Свердловская обл.) [18];

• опытно-методических работах в пределах хромитоносных участков Ключевского и Первомайского офиолитовых массивов Среднего Урала;

• инженерно-геологических работах на участках планируемого строительства ряда объектов Свердловской и Челябинской областей.

Разработанная технология обработки сейсмических данных позволяет определять коэффициент Пуассона в естественном залегании и идентифицировать подземные пустоты различного происхождения, о Предложенный рациональный комплекс геофизических методов по изучению ВЧР может с большой эффективностью применяться при:

• изучении россыпных месторождений благородных металлов и драгоценных камней;

• поиске и разведке не глубокозалегающих коренных рудных месторождений;

• обследовании грунтовых гидротехнических сооружений;

• инженерно-геологических изысканиях под строительство. Личный вклад автора.

Работа подготовлена по результатам исследований, проведенных непосредственно автором в период с 1995 по 2011 год. Полевые работы на месторождениях золота выполнялись в содружестве с В. П. Бакаевым (ИГФ УрО РАН), обследование плотин и инженерно-геологические изыскания — совместно с А. Н. Назаровым (ПИИ «ГЕО»). Вопросы обработки сигналов решались вместе с А. В. Давыдовым (УГГУ). Личный вклад автора заключается в:

— постановке задач исследований,.

— разработке, изготовлении и практическом опробовании новой многофункциональной аппаратуры,.

— разработке технологии совместного выполнения и обработки результатов сейсморазведки МПВ и MASW,.

— предложенном способе локализации подземного пустотного пространства,.

— непосредственном участии в проведении полевых работ,.

— обработке и интерпретации полученных материалов. Апробация работы и публикации.

Основные результаты исследований отражены в 12 технических отчетах, написанных автором, и находящихся в фондах следующих организаций: ООО АС «Альфа» (г.Хабаровск), ООО «Березовское рудоуправление» (г.Березовский), Администрация г. Екатеринбурга, ОАО «ДальвостНИИпроектуголь» (г.Владивосток), ПИИ «ГЕО» (г.Екатеринбург), ОАО «Полярно-Уральское горно-геологическое предприятие» (г.Лабытнанги), ООО «ЮНИПИ» (г.Нефтеюганск), ОАО «Ленгипротранс» (г.Санкт-Петербург), ООО «Горнорудная компания «АфроАзия» (г.Москва).

Результаты работы докладывались и обсуждались на Международном научно-промышленном симпозиуме «Уральская горная школа — регионам» (УГГУ, 21−28 апреля 2009) — Пятых научных чтениях памяти Ю. П. Булашевича (ИГФ УрО РАН, 6−10 июля 2009) — Шестых научных чтениях памяти Ю. П. Булашевича (ИГФ УрО РАН, 12−14 сентября, 2011).

По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, из которых 3 работы напечатаны в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией (ВАК) — подана заявка на изобретение. Структура и объём работыДиссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 82 наименований. Диссертация изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунка, 5 фотографий и 8 таблиц.

Основные результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Разработана и изготовлена многофункциональная 2-канальная приемно-регистрирующая аппаратура «ОМАР-2м», обеспечивающая усиление, аналого-цифровое преобразование и запись геофизических сигналов в частотном диапазоне 10−48 ООО Гц. Главное назначение аппаратуры «ОМАР-2м» — работа в качестве аудиомагнитотеллурической станции. Кроме того, она может быть использована для геофизических работ методами радиокип СДВР, ПЕЭП, ПЕМГТ, ЕП, ПЭМ, САЭ и выступать как универсальный приемник для электромагнитных методов разведки. Созданный макет широкополосной аппаратуры «ОМАР-2м» успешно испытан на контрольном полигоне Института геофизики УрО РАН и применялся автором на производстве при изучении Березовского и Полдневского месторождений (Средний Урал), Наранского ультраосновного массива (Монголия), массива Рай-Из (Полярный Урал) и гидротехнических сооружений г. Екатеринбурга.

2. Изготовлены и откалиброваны индукционные датчики переменного магнитного поля нескольких типов, для совместной работы с аппаратурой «ОМАР-2м» методами АМТЗ и радиокип СДВР. В составе приемного комплекса применена специальная схема включения датчиков электромагнитного поля, для расширения динамического диапазона измеряемых сигналов и снижения уровня промышленных помех.

3. Для интерпретации данных АМТЗ, радиокип СДВР, ПЕЭП, ПЭМ и АФИ произведена адаптация стандартного программного обеспечения (SpectraLAB, Cool Editor), разработаны дополнительные алгоритмы обработки и написаны подпрограммы в среде MATLAB и MS Excel.

4. Выявлен новый электрометрический параметр, характеризующий поляризационные свойства разреза: электрический параметр гармоник (Пг). Для выделения аномалий разреза опробованы построения различных электрометрических параметров: электромагнитный параметр поля (Р), эффективная продольная проводимость (5^), параметр неоднородности (НФ/НГ), индуктивный поляризационно-частотный эффект (РЕЕ,), фазовый сдвиг ортогональных составляющих переменного магнитного поля (ЛФ) и др.

5. Предложена методика комбинированного использования преломленных и поверхностных волн, базирующаяся на технологии совместной обработки данных сейсморазведки МПВ и многоканального анализа поверхностных волн (МА8¥-), с получением информации об упругих характеристиках геологической среды (скорости продольных и поперечных волн, коэффициент Пуассона) в естественном залегании. Новая методика значительно повышает информативность сейсмических исследований без снижения производительности полевых работ.

6. В ходе комбинированных сейсмических исследований на ряде объектов, обнаружена возможность идентифицировать подземные пустоты по поведению коэффициента Пуассона. На основании полученных результатов предложен способ локализации подземного пустотного пространства природного и искусственного происхождения.

7. Исходя из результатов опытно-методических и производственных работ на множестве объектов, разработан рациональный комплекс геофизических методов по изучению ВЧР, включающий электроразведку на постоянном (ВЭЗ) и переменном токе (ДИЗ), комбинированную сейсморазведку (МПВ + МА8А?) и магниторазведку. Данный комплекс работ может с большой эффективностью применяться при:

• поиске россыпных месторождений благородных металлов и драгоценных камней;

• поиске и разведке коренных месторождений твердых полезных ископаемых, залегающих на небольших глубинах;

• обследовании грунтовых гидротехнических сооружений;

• инженерно-геологических изысканиях под строительство.

Заключение

.