Содержание к диссертации
Введение
1. Геологические задачи, решаемые с помощью электроразведочных методов на стадиях поиска и оценки рудных месторождений 22
1.1. Электрические свойства руд и рудных минералов 22
1.2. Стадии геологоразведочных работ на твердые полезные ископаемые 28
1.3. Основные типы рудных месторождений 30
1.4. Геологические задачи, решаемые с помощью новых электроразведочных технологий на этапе поиска и оценки рудных месторождений 35
2. Применение магнитотеллурических методов в задачах рудной геофизики 40
2.1. Современные модификации магнитотеллурического метода 40
2.1.1. Импедансное магнитотеллурическое зондирование 40
2.1.2. Магнитовариационный метод 41
2.1.3. Синхронное МВ-зондирование с использованием горизонтальных откликов 41
2.1.4. Комплексные синхронные МТ/МВ-зондирования 43
2.2. Специфика рудных МТ- технологий 45
2.2.1. Аппаратура и системы наблюдения 45
2.2.2. Основные этапы обработки МТ-данных 47
2.2.3. Методика анализа и интерпретации данных 49
2.3. Оценка эффективности магнитотеллурических операторов, при изучении месторождений Норильской рудной зоны, на основе результатов трехмерного математического моделирования. 51
2.3.1.Трехмерная геоэлектрическая модель Талнахского месторождения 52
2.3.3.Трехмерная геоэлектрическая модель Масловского месторождения 64
2.4. Решение прямых и косвенных геологических задач на рудных объектах с
использованием магнитотеллурических методик 80
2.3.1. Изучение глубинного строения рудной провинции 80
2.3.2. Картирование и изучение тектонических нарушений 83
2.3.3. Поиск и картирование интрузивных образований 88
2.3.4. Литологическое расчленение фундамента под рыхлыми отложениями 96
2.3.5. Картирование зон гидротермального изменения пород 98
2.3.6. Изучение объектов, генетически связанных с месторождениями полезных ископаемых. 105
2.3.7. Прямое выявление и изучение рудных зон и залежей проводящих руд (элементов залегания, размеров). 109
2.4. Выводы 123
3. Использование частотных характеристик дифференциального фазового параметра для разбраковки аномалий вызванной поляризации 125
3.1. Дифференциальный фазовый параметр 125
3.2. Разделение аномалий вызванной поляризации по частотным характеристикам дифференциального фазового параметра 131
3.3. Лабораторные измерения на образцах 133
3.4. Площадные работы методом ИНФАЗ-ВП на этапе поисковых и оценочных работ 137
3.4.1. Разделение скарновых тел разных формаций 137
3.4.2. Картирование областей богатого оруденения на медно-порфировых месторождениях 141
3.4.3. Выявление локальных рудоносных интрузий в областях развития углеродистых сланцев 142
3.4.4. Многочастотные измерения ДФП в скважинах 146
3.5. Электротомография с использованием методики ИНФАЗ-ВП при
решении рудных задач 151
3.5.1. Электротомография в рудной геофизике 151
3.5.2. Методика полевых наблюдений 153
3.5.3. Инверсия на синтетических моделях 154
3.5.4. Результаты полевых работ методом глубинной электротомографии на рудных объектах 160
3.6. Выводы 172
4. Межскважинная электротомография на этапе разведки и освоения месторождения 177
4.1. Межскважинная электротомография при изучении рудных объектов 177
4.2. Анализ чувствительности и разрешающей способности метода МЭТ для основных типов рудных объектов. 181
4.2.1. Модель рудного тела в межскважинном пространстве 181
4.2.2. Модель с «разрывом» рудного тела в межскважинном пространстве 186
4.3. Результаты работ методом МЭТ на Масловском месторождении
Норильской рудной зоны 189
4.3.1. Задачи межскважинных измерений на Масловском месторождении 189
4.3.2. Краткая геологическая характеристика участка работ 189
4.3.3. Методика и техническое обеспечение работ 190
4.3.4. Интерпретация результатов МЭТ 194
4.4. Выводы 200
Заключение 202
Список работ автора, опубликованных по теме диссертации
- Стадии геологоразведочных работ на твердые полезные ископаемые
- Оценка эффективности магнитотеллурических операторов, при изучении месторождений
- Разделение аномалий вызванной поляризации по частотным характеристикам дифференциального фазового параметра
- Модель рудного тела в межскважинном пространстве
Стадии геологоразведочных работ на твердые полезные ископаемые
Для выбора рационального комплекса электроразведочных методов при поисках и разведке рудных полезных ископаемых, для корректной интерпретации наземных и скважинных электроразведочных наблюдений, необходимо хорошо знать электрические свойства вмещающих пород и руд, прежде всего, их удельное электрическое сопротивление (УЭС) и электрическую поляризуемость.
Априорная информация об электрических свойствах горных пород может использоваться на предварительном этапе интерпретации, например, при проведении численного 2D/3D-моделирования для оценки перспектив разрешающей способности и возможных искажений результатов. С другой стороны, хорошо зная петрофизические свойства вмещающих пород и руд, мы можем задать ограничение интервала ожидаемых значений УЭС и поляризуемости, что существенно повышает достоверность формализованной инверсии электроразведочных данных.
Информацию об электрических свойствах горных пород и руд получают на основе петрофизических лабораторных измерений (рис. 1.1) на образцах, либо по результатам электрического каротажа разведочных скважин (рис. 1.2). При проведении петрофизических лабораторных измерений возникают определенные проблемы, связанные с тем, что пустые скальные породы обладают очень высоким удельных электрическим сопротивлением. Для того, чтобы пропустить через них ток, необходимо использовать генераторы малых токов и специальные электроды. Кроме того, в лабораторию попадают сухие породы, давно извлеченные из мест природного залегания. Точно восстановить оригинальную минерализацию породы практически невозможно. Частично эту проблему можно решить с помощью длительного замачивания образцов. Для получения объективной информации об уровне УЭС и поляризуемости, как правило, комбинируют лабораторные измерения на керне с каротажными данными.
Масловское месторождение НРЗ. Измерения в скважинах с установкой A5M2N. Графики кажущегося сопротивления [79]. Удельное электрическое сопротивление () (УЭС), измеряемое в омметрах (Омм), характеризует способность пород оказывать электрическое сопротивление прохождению тока. Оно меняется в горных породах и рудах в очень широких пределах: от 10-3 Омм до 1015 Омм. Величина обратная УЭС, =1/, называется электропроводностью и измеряется в сименсах на метр (См/м).
УЭС зависит от минерального состава, физико-механических и водных свойств горных пород, концентрации солей в подземных водах и, в меньшей мере, от их химического состава, температуры, глубины залегания, степени метаморфизма и др.
Несмотря на зависимость от множества факторов и широкий диапазон изменения, основные закономерности УЭС установлены достаточно четко.
Изверженные и метаморфические породы (табл. № 1) характеризуются высокими сопротивлениями (от 500 Омм до 10000 Омм).
Аналогичное влияние, как и водные растворы, на сопротивление горных пород оказывает присутствие в них хорошо проводящих электрический ток минералов, каковыми являются электронные проводники - рудные минералы (сульфиды, окислы некоторых металлов) и углистое вещество. Наиболее распространенными породами, сопротивление которых существенно снижено за счет электронопроводящих включений, являются обширные горизонты углефицированных гнейсов, сланцев и песчаников.
Сульфиды в земной коре составляют 0.15% от общей массы и встречаются в различных породах в виде рассеянной вкрапленности, прожилков или сплошных скоплений (рис. 1.3). Сульфиды, в большинстве своем, обладают весьма малым удельным сопротивлением от 102 Ом-м до 10-5 Ом-м. Поэтому, большая часть массивных сульфидных скоплений является хорошим проводником (табл. № 1.1, № 1.2). Заметное снижение сопротивления пород происходит при увеличении содержания в них сульфидов от 7-10%.
Магнетит также является хорошим проводником, однако отдельные его зерна практически не оказывают влияния на удельное электрическое сопротивление породы. Присутствие магнетита начинает сказываться, когда он развит в виде прожилков и ксеноморфных выделений, цементирующих породу.
Электрохимические процессы, протекающие в горных породах в естественном залегании, значительно усиливаются под действием электрического тока. После подачи импульса тока и снятия электрического напряжения наблюдаются вторичные электрические поля – вызванная поляризация (ВП).
Способность пород поляризоваться, т.е. накапливать заряд при пропускании тока, а затем разряжаться, после отключения этого тока, оценивается коэффициентом поляризуемости , который измеряется в процентах [63].
Механизм поляризации горных пород с ионной и электронной проводимостью твердой фазы существенно различается. Основную роль в поляризации ионопроводящих пород играют адсорбционные свойства породы. Поляризуемость ионопроводящих пород очень невысока и редко превышает 2-3%. Величина поляризуемости пород с электронопроводящими включениями велика и достигает первых десятков процентов (табл. № 1.1). По уровню поляризуемости можно выделить следующие основные группы пород: 1. Сплошные и вкрапленные сульфидные руды, залежи графита, пласты антрацита и шунгита. Поляризуемость: 10-80%. Вкрапленные сульфидные руды имеют широкий диапазон значений поляризуемости, зависящий от содержания электронно-проводящих минералов (табл. № 1.1). 2. Горные породы, содержащие вкрапленные минералы (пирит, пирротин, галенит, графит, марказит, халькозин и т.д.) с электронной проводимостью. Поляризуемость: 3-10%. Пирит определяет, например, повышенную поляризуемость пластов каменного угля, графит часто присутствует в метаморфических толщах докембрия. 3. Магматические, метаморфические и осадочные породы без электронопроводящих включений имеют относительно невысокую поляризуемость (0-3%), определяющуюся полупроводниково-ионной и ионной проводимостью.
В таблице № 1.1 приводится характеристика электрических свойств некоторых руд и основных рудных минералов. Таблица составлена по материалам ранее изданных монографий [45, 61, 44, 133], с учетом результатов, полученных под руководством автора в петрофизической лаборатории ООО «Северо-Запад» [79]. В таблице № 1.2 основные рудные минералы сгруппированы по петрофизическим классам, в которых учитываются не только электрические (УЭС и поляризуемость), но и их плотностные и магнитные свойства.
Оценка эффективности магнитотеллурических операторов, при изучении месторождений
В случае имеющейся априорной информации, можно провести количественную двумерную (трехмерную) интерпретацию профильных (площадных) наблюдений магнитного поля системой замкнутых многоугольников (тел), описывающих предполагаемое геологическое строение вдоль изучаемого профиля (площади). При наличии магнитотеллурических данных, в качестве стартовой, можно использовать геоэлектрическую модель, полученную по результатам интерпретации МТЗ (АМТЗ). Таким образом, мы существенно сузим круг эквивалентных решений обратной задачи [81].
Комплексные геолого-геофизические работы при поисках сульфидных руд проводятся на Северном Тимане с начала семидесятых годов прошлого столетия. На сегодняшний день, известно несколько небольших рудопроявлений, но интерес к этому району не ослабевает. Основная цель геофизических работ – поиск крупных интрузий основного состава, несущих сульфидную минерализацию. В качестве вмещающих пород, на большинстве исследуемых участков, выступают сланцы рифейского возраста. Иногда над сланцами присутствуют осадочные карбонатные образования силура и девона. Мощность покровных четвертичных отложений составляет 1-25 м. Сопротивление сланцев составляет около 1000 Омм, силурийских и девонских известняков - 200-300 Омм. Наиболее высокоомными являются интрузивные породы кислого и основного состава широко развитые на исследуемом участке. При наличии рудной минерализации сопротивление интрузий существенно снижается, что создает благоприятные условия для использования электроразведочных методов [84, 81]. Рифейские сланцы неоднородны по своему составу. Среди них встречаются графитизированные разновидности, обладающие повышенной поляризуемостью, и магнетитсодержащие, создающие наиболее интенсивные высокочастотные магнитные аномалии северо-западного простирания. Помимо магнетитсодержащих сланцев, заметные аномалии в магнитном поле создают интрузии основного и ультраосновного состава. Известные рудопроявления проявляются в магнитном поле и в вертикальном градиенте магнитного поля слабыми аномалиями, за счет содержания в руде минералов пирротина [103, 104].
Поиск крупных материнских рудоносных интрузий основного состава на Северном Тимане выполнялся на основе результатов АМТЗ и магниторазведки. На первом этапе была проведена бимодальная инверсия магнитотеллурических данных и построены двумерные геоэлектрические модели по профилям до глубин 1-2 км (рис. 2.31А).
На основе полученных моделей осуществлялся двумерный подбор магнитного поля. В качестве отправной гипотезы было принято, что крупные проводящие неоднородности, выявленные по результатам интерпретации АМТЗ, связаны с рудоносными интрузиями основного состава и обладают повышенными значениями магнитной восприимчивости (рис. 2.31Б). Рис. 2.31. Северный Тиман. А) Геоэлектрическая модель по результатам двумерной инверсии данных АМТЗ; Б) Двумерная магнитная модель, подобранная на основе геоэлектрической; В) Геолого-геофизическая модель, построенная на основе результатов АМТЗ и магниторазведки. 2.3.4. Литологическое расчленение фундамента под рыхлыми отложениями
В тех рудных областях, где коренные породы и месторождения перекрыты молодыми рыхлыми осадками, актуальными остаются задачи по изучению состава пород складчатого основания, выяснения структурно-тектонических условий площади, выделения рудовмещающих толщ, установления гипсометрии кровли фундамента. Если существуют геологические предпосылки приуроченности рудных месторождений, к тому или иному геологическому комплексу, то уточнение границ между ними становится важнейшей задачей на этапе поиска месторождений. Если, кроме того, между породами, относящимися к различным геологическим комплексам, есть существенная дифференциация по электрическим свойствам, то эта задача легко решается с помощью магнитотеллурических методов. С помощью МТЗ можно не только проследить геологические границы непосредственно под четвертичными образованиями, но и изучить их изменение с глубиной.
Месторождение медистых песчаников на Полярном Урале Комплексные геофизические изыскания проводились на небольшом участке, на западном склоне Полярного Урала. На большей части площади развиты красноцветные песчаники нижней толщи Манитанырдской свиты нижнего ордовика (O1mnt1). В центре фрагментарно сохранились отложения верхней (O1mnt2), верхней сероцветной толщи Манитанырдской свиты (рис. 2.32а). Именно к верхней толще приурочены зоны медной рудной минерализации. Предполагаемые зоны медного оруденения – жильные, прожилково-вкрапленные тела медно-порфирового типа. Содержание рудных включений очень низкое, составляет первые проценты [97]. Над предполагаемыми зонами оруденения наблюдаются незначительные аномалии вызванной поляризации – 1.5-2%, при фоновых значениях 0.8-1% (рис. 2.32б). Применение метода ВП, в данном районе, затруднено из-за горного рельефа, широкого развития «курумников», высоких сопротивлений заземлений. По всем профилям, параллельно с методом ВП-СГ, проводились работы методом АМТЗ. На рисунке 2.32б приведены результаты интерпретации магнитотеллурических данных по одному из профилей в виде геоэлектрического разреза. Области развития сероцветных песчаников сопровождаются незначительными аномалиями поляризуемости (до 2%) и зонами пониженных сопротивлений на геоэлектрических разрезах. Сопротивление пород в аномальных зонах опускается до 500-1000 Омм, на фоне сопротивления вмещающих пород – 3000-10000 Омм.
Разделение аномалий вызванной поляризации по частотным характеристикам дифференциального фазового параметра
Первая интерпретационная модель для профиля № 15 получена для, одних лишь, эффективных импедансных данных, методом 1D-инверсии со сглаживанием результатов вдоль профиля (рис. 2.45А). Этот геоэлектрический разрез указывает на высокое сопротивление верхней части центральной интрузии, выделяет проводящие структуры графитизированной Тунгусской серии, за ее пределами, и намечает аномалию низкого сопротивления размытой структуры, ниже подошвы интрузии. Однако, ее детальность, в сопоставлении с результатами бурения, представляется недостаточной, в особенности, в части определения глубины верхней кромки и мощности проводящего включения.
Совместная 2D-инверсия импеданса и типпера по программе Варенцова И.М. [34, 35, 183, 184] велась в рамках технологии 2D+ [35, 37], с учетом 3D-искаженности данных, осуществляемым путем увеличения погрешностей инвертируемых данных пропорционально факторам трехмерности. Для типпера инвертировались действительная и мнимая части. Сопоставлено два подхода, отличающихся использованием импедансных данных. В первом, более приближенном, анализировалась лишь компонента эффективного импеданса (рис. 2.45В), описывающая свойства импедансного тензора в среднем, и не требующая детального изучения его структуры [169], но, тем самым, ограничивающая информативность инверсии и контрастность получаемых геоэлектрических моделей. Во втором подходе велась более полная и сложная бимодальная инверсия импеданса (рис. 2.45Г), позволяющая, при правильном выделении поляризаций ЭМ-поля, заметно повысить разрешение деталей разреза. В этом случае, в качестве фазовых данных брались не фазы импеданса, а соответствующие компоненты его фазового тензора Ф [152]. В обоих случаях, для подавления статических искажений, кажущиеся сопротивления включались в инверсию с весами, пониженными на порядок. Сопротивление вмещающей среды в начальных моделях инверсии составляло 1000 Омм. Важным априорным параметром инверсии, определяющим структуру функционала-стабилизатора [34, 35, 182, 183, 184], являлся ожидаемый размер геоэлектрических структур, в пределах и ближней окрестности изучаемой интрузии – он варьировался от 50 м до 200 м по глубине, от 100 м до 300 м вдоль профиля. При этом, компромисс факторов разрешения и устойчивости был достигнут при ожидаемом размере структур 100 м х 200 м.
Обе модели, полученные по программе Варенцова И.М. на профиле № 15, отчетливо выделяют высокоомную интрузию и проводящие структуры за ее пределами. Но, их главным преимуществом, является существенная детализация проводящей структуры, в основании интрузии, ассоциируемой с рудным телом. Модель, построенная с использованием эффективного импеданса, характеризуется пониженным контрастом сопротивлений, что соответствует природе этой “среднегеометрической” импедансной оценки. Результат совместной инверсии данных, двух импедансных мод и типпера, наилучшим образом согласуется со структурой интрузии и рудного тела, определенной бурением, и демонстрирует реальное соотношение сопротивлений интрузии ( 10000 Омм) и рудного тела (10-100 Омм). Аномалия низкого сопротивления, в основании интрузии, выделяется на абсолютных отметках глубин 100-200 м, характеризуется горизонтальным размером до 700 м и мощностью в несколько десятков метров. Абсолютные невязки наблюденных и модельных данных, в последней инверсии, достаточно малы - их медианы для импедансных фаз имеют величину менее 2, а для компонент типпера (Re и Im) составляют 0,06 и 0,03, соответственно. Оценки невязок не превышают соответствующих оценок погрешностей компонент инвертируемых данных.
Результаты применения, на данном профиле, сглаживающей 2D-инверсии, по программе Mackie R.L. [167, 172] для бимодальных импедансных данных, оказались противоречивыми, но, в конечном итоге, удовлетворительными: с одной стороны, стандартная инверсия равновесных амплитудно-фазовых компонент дала малоконтрастную геоэлектрическую модель [8], сопоставимую с показанным выше результатом 1D-инверсии; с другой стороны, переход к приоритетной инверсии фазовых данных и тонкая настройка параметров, регулирующих степени сглаживания по горизонтали и вертикали, позволили повысить разрешающую способность (рис. 2.45Б) и приблизиться к уровню контрастности выделения интрузии и рудного тела, достигнутому в инверсии бимодального импеданса и типпера, по программе Варенцова И.М.. К сожалению, с помощью программы Mackie R.L., не удалось получить удовлетворительный результат совместной инверсии данных импеданса и типпера.
Исследования, выполненные на Черногорской площади, подтверждают целесообразность проведения комплексных синхронных МТ/МВ-зондирований при изучении сульфидных месторождений Норильского типа, демонстрируют достаточно высокую разрешающую способность таких зондирований и указывают на важность совместной интерпретации данных импеданса (как бимодальных, так и эффективных) и типпера, с учетом априорных представлений о размерах искомых структур и имеющихся оценок 3D-искажений данных.
Модель рудного тела в межскважинном пространстве
Медно-порфировое месторождение Весеннее расположено в Билибинском районе Чукотского автономного округа (рис. 1.4). Рудное поле сложено вулканогенно-осадочными породами верхней юры и нижнего мела, прорванными раннемеловыми интрузивными образованиями габбро-монцонит-сиенитовой формации [10].
Измерения методом электротомографии, с использованием дипольной осевой установки, были выполнены по нескольким субширотным профилям, полностью пересекающим месторождение. При работах использовалась установка со следующими параметрами: длина питающей линии – 1 км, длина приемных линий от 20 м до 200 м, шаг по профилю – 40 м. По результатам двумерной инверсии были получены геоэлектрические и поляризационные модели до глубины 400 м.
Области сульфидного оруденения проявляются на поляризационных разрезах аномальными зонами, со значениями 5% и пониженными значениями удельного электрического сопротивления (менее 1000 Омм). По всем профилям наблюдается высокая корреляция между аномалиями поляризуемости и проводимости пород. На многих участках, на максимальной глубине исследований, мы не вышли из аномальных зон. Это говорит о том, что вертикальный размах сульфидного оруденения, в пределах проведения работ методом ЭТ, превышает 400 м.
Ниже приведены результаты по одному из профилей электротомографии, который пересек западный край месторождения (рис. 3.28а,б).
Северная часть профиля лежит за пределами месторождения, в области развития высокоомных и не поляризующихся вулканогенно-осадочных пород юры.
Центральная часть профиля относится, непосредственно, к месторождению Весеннее, где, с учетом результатов геофизических работ, было пробурено несколько наклонных скважин до глубин 400-500 м. Разрез в районе месторождения характеризуется, по данным электротомографии, пониженными 28. Месторождение Весеннее. Геоэлектрическая (а) и поляризационная (б) модели, полученные по результатам электротомографии до глубины 350-400 м.
Удоканское медное месторождение (Забайкальский край) Удоканское месторождение меди расположено в центральной части Кодаро-Удоканской структурно-формационной зоны среди карбонатно-терригенных метаморфизованных отложений Удоканской серии нижнего протерозоя (рис. 1.4). Основной структурной единицей месторождения является Намингинская брахисинклиналь. Ядро складки сложено метаморфизованными терригенными образованиями Намингинской свиты, а крылья - породами Сакуканской свиты. В плане, брахисинклиналь образует неправильный эллипс размером 10 км х 15 км, вытянутый в северо-западном направлении. Породы северного, восточного и западного крыльев падают к центру структуры под углами от 10-12 до 35-40.
На южном крыле складки, породы имеют опрокинутое залегание и круто (под углами 45-50) падают на юго-юго-запад (3.29б). В центральной части складки, породы залегают почти горизонтально, максимальная амплитуда прогиба достигает 1500 м [102, 106]. Сакуканская свита сложена, преимущественно, кварцевыми песчаниками, обогащенными магнетитом и мартитом. Все меденосные горизонты месторождения заключены в средней пачке Верхнесакуканской подсвиты. Породы, содержащие медную минерализацию, слагают довольно выдержанные горизонты, встречающиеся на всех уровнях разреза рудоносной пачки. Мощность рудной пачки существенно изменяется в различных частях брахисинклинали. На восточном замыкании складки, она не превышает 20 м, на южном крыле составляет 140 м, а на северном достигает 330 м. Мощность надрудной пачки песчаников составляет от 100 м до 150 м. Намингинская свита представлена переслаивающимися алевролитами, аргиллитами, тонкозернистыми песчаниками, мощностью около 750 м. [102, 106].
Месторождение расположено в зоне развития многолетней мерзлоты. По долинам рек широко развиты таликовые зоны. Именно эти процессы отвечают за уровень электрического сопротивления пород. Уровень вызванной поляризации, в отличие от сопротивления, зависит, в первую очередь, от наличия и количества в породе электронопроводящих включений. Аномалии ВП в районе месторождения могут быть связаны либо с горизонтами и прослоями песчаников, обогащенных магнетитом и мартитом, либо с сульфидной минерализацией в пределах меденосного горизонта верхней Сакуканской подсвиты.
Результаты предыдущих геофизических работ показали, что мартитовые песчаники характеризуются более высокими значениями вызванной поляризации, чем меденосный горизонт. Кроме того, мощность горизонтов мартит-содержащих песчаников существенно превышает мощность рудного горизонта. Практически неполяризующимися являются отложения Намингинской свиты, представленные осадочными породами - алевролитами, аргиллитами и песчаниками.