Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Горно-геологические особенности разведки месторождений облицовочного камня 10
1.1 Параметры оценки месторождений облицовочного камня 10
1.1.1 Геологические критерии 10
1.1.2 Технологические критерии 14
1.1.3 Горнотехнические критерии 15
1.2 Стадии поиска и разведки месторождений облицовочного камня 16
1.3 Влияние горно-геологических условий на эксплуатацию месторождений 19
1.4 Геолого-экономические аспекты разведки облицовочного камня 22
1.5 Комплексное использование геологических и геофизических методов 24
1.6 Выводы к главе 1 27
Глава 2 Геолого-геофизическое описание роиручеиского силла габбродолеритов и его обрамления 28
2.1 Общее описание геологии района 28
2.1.1 Тектоническая характеристика района 33
2.1.2 Минералогическое описание габбродолеритов 35
2.2 Геофизическая изученность Ропручейского силла 38
2.3 Геолого-геофизическая характеристика детального участка работ «Шелтозеро - Другая Река» 42
2.3.1 Геофизическая изученность 45
2.3.2 Тектонические нарушения 47
2.4 Условия формирования месторождений облицовочного камня в восточной части Ропручейского силла 50
2.5 Выводы к главе 2 52
Глава 3 Трещиноватость горного массива и ее связь с геоэлектрическими параметрами 53
3.1 Методы геофизики при разведке месторождений облицовочного камня 53
3.1.1 Высокоточная магниторазведка 55
3.1.2 Малоглубинная сейсморазведка 56
3.1.3 Георадиолокация 58
3.1.4 Электроразведка 60
3.2 Удельное электрическое сопротивление горных пород 62
3.3 Связь трещиноватости горных пород и УЭС 65
3.4 Исследование электрических свойств габбродолеритов 68
3.5 Корреляция геологических и геоэлектрических параметров 72
3.6 Выводы к главе 3 74
Глава 4 Обоснование применения электротомографии для изучения трещиноватости горного массива 75
4.1 Основы метода сопротивлений на постоянном токе 75
4.2 Методика электротомографии 78
4.2.1 Основные виды электроразведочных установок 81
4.2.2 Чувствительность электроразведочных установок 84
4.2.3 Решение прямой задачи в методике электротомографии 87
4.2.4 Инверсия данных электротомографии 89
4.3 Аппаратура для сбора данных методикой электротомографии 92
4.4 Моделирование трещиноватости в поле УЭС 95
4.4.1 Математическое моделирование локальных проводящих объектов 95
4.4.2 Моделирование геометрических параметров трещиноватости 100
4.4.3 Сопоставление синтетической и реальной модели 105
4.5 Выводы к главе 4 108
Глава 5 Результаты изучения нарушенности горного массива методикой электротомографии при разведке месторождений облицовочного камня 109
5.1 Локализация крупных тектонических дислокаций 109
5.2 Выделение тектонических нарушений и блоков горного массива 116
5.3 Результаты изучения сырья облицовочного камня на действующем карьере «Другорецкое-3» 120
5.3.1 2В-электротомография для выделения зон трещиноватости 121
5.3.2 Детальная оценка горного массива ЗО-электротомографией 124
5.4 Выделение структурно-однородных блоков горного массива при разведке
месторождения облицовочного камня 131
5.4.1 Структурирование месторождения метабазалътов «Летний» 132
5.4.2 Структурирование месторождения пироксенитов «Нинимяки-1» 136
5.4.3 Структурирование месторождения габбро «Красное» 142
5.5 Выводы к главе 5 148
Заключение 149
Список литературы
- Стадии поиска и разведки месторождений облицовочного камня
- Геофизическая изученность Ропручейского силла
- Малоглубинная сейсморазведка
- Основные виды электроразведочных установок
Стадии поиска и разведки месторождений облицовочного камня
Задачей геологоразведочных работ по изучению месторождений облицовочного камня является решение большого количества вопросов: выявление условий залегания полезного ископаемого, выявление закономерностей пространственной изменчивости важнейших его свойств, качественных показателей, подсчет запасов. Стадийность геологического изучения имеет своей целью наиболее полное и экономичное осуществление геологических поисков и разведки [Альмухаметов и др., 1985].
На основе анализа литературных источников [Гроховский, 1974; Григорович, 1976; Беликов, Петров, 1977; Поротов, 2005; Еремин, 2007; Методические..., 2007; Авдонин и др., 2007; Коробейников, 2009] выделяются три стадии выполнения оценки месторождений облицовочного камня: стадия поиска и оценки, на которой происходит выделение перспективных областей на площади горного массива; стадия разведки и освоения, при которой характеризуется непосредственно будущее месторождение; и детальная (эксплуатационная) стадия, определяющая контуры запасов и характеристику участков.
Поиски месторождений облицовочного камня проводятся главным образом в промышленно освоенных районах или в районах намечаемого строительства. Среди геологических поисковых критериев по [Григорович, 1976] учитывают: стратиграфические, тектонические, метаморфогенные, геоморфологические.
Поисковые работы на первых стадиях, как правило, носят маршрутный характер, однако в зависимости от применяемого метода изменяется как плотность и расположение маршрутов, так и характер исследований в маршрутах. На первой стадии поисков выявляется положение в районе массивов, горизонтов, толщ, пластов, представляющих интерес для более детального обследования, общие условия залегания их и участки, доступные для открытой разработки. Вторая стадия поисков заключается в более детальном обследовании участков, выявленных на первой стадии, с целью выбора одного или нескольких, перспективных для постановки на них предварительной разведки. На этой стадии, наряду с использованием естественных обнажений, обычно приходится закладывать горные выработки или скважины с таким расчетом, чтобы получить общую характеристику условий залегания полезной толщи на каждом из перспективных участков, а также выяснить примерную качественную характеристику камня, выдержанность его состава и основных свойств.
В зависимости от общей геологической обстановки обследование перспективных участков и заложение на них выработок ведется по профилям или по сети. Месторождения, обнаруженные в процессе поисков, должны быть оценены как с количественной, так и с качественной стороны. Наряду с определением физико-механических свойств и предварительных сведений о выходе блоков устанавливаются и декоративные свойства камня [Григорович, 1976; Бакка, Ильченко, 1992; Казарян, 2008].
В задачи разведочной стадии входят: изучение поверхности и контуров месторождений или участка, выбранного для более детального изучения, определения в его пределах мощности полезной толщи, особенностей ее строения и состава, качества камня; выявление основных систем трещин, развитых на месторождении; предварительное определение выхода блоков. В полезной толще выделяются основные литологические типы пород и уточняются их особенности. На карте необходимо выделить пласты и пачки пластов, характеризующиеся различными физико-механическими свойствами, элементы складчатых структур и дизъюнктивных дислокаций, контакты и линии нарушений [Григорович, 1976].
Для разведки месторождений облицовочного камня применяются как горные выработки, так и буровые скважины. В горных выработках можно непосредственно наблюдать и зафиксировать все необходимые для разведки и промышленной оценки факторы: контакты пород, условия и элементы залегания, минеральный и петрографический состав и строение, текстуру, структуру, трещиноватость и т. д. Целесообразная степень изучения месторождений (участков), подготавливаемых для промышленного освоения, определяется сложностью их геологического строения и распределения полезных ископаемых, количества запасов, а также экономических факторов - затрат средств и времени, требуемых на производство геологоразведочных работ и на вовлечение месторождения в отработку.
Задача детальной разведки - получение материалов, достаточных для утверждения запасов камня и составления проекта разработки месторождения. Кроме того, в ходе ее уточняются и конкретизируются результаты изучения трещиноватости предыдущих стадий для правильной оценки запасов, расчета блочности и выбора рациональной системы отработки. Изучение качественных и количественных характеристик трещиноватости на данном этапе связано с выявлением связей трещиноватости и блочности с важнейшими элементами геологического строения [Альмухаметов и др., 1985]. Детальная разведка может проводиться и на действующем карьере - для уточнения фронта работ.
Для каждого месторождения рациональная сеть разведочных выработок обосновывается результатами тщательного анализа всех имеющихся геологоразведочных материалов и данных по разработке этого или аналогичных месторождений: об условиях залегания, морфологии и размерах тел полезного ископаемого, его внутреннего строения, предполагаемой степени изменчивости качества полезной толщи [Григорович, 1976].
Как видно, стандартные методики поиска и разведки носят явно стадийный характер. Однако в них уделяется недостаточное внимание комплексному подходу на основе геолого-геофизических исследований и его регулярному использованию. Это, как показывает практика, негативно влияет на разведку месторождений со сложным геолого-тектоническим строением, а также в областях распространения средне- и мелкоблочного сырья. Поэтому в данной работе предлагается новый подход к разведке на основе применения методов геофизики.
Геофизическая изученность Ропручейского силла
Разломы северо-восточного простирания являются составной частью Бураковско-Кожозерской глубинной зоны, начавшей свою активность в середине раннепротерозойского времени и неоднократно омоложенной. Они обусловили возникновение блоков, ступенчато-опущенных в юго-восточном направлении. Одна из ветвей этой зоны (Шелтозерская) является границей Белозерского и Онежского региональных блоков. Кроме крутых разломов, определяющих блоковую внутреннюю структуру Южно-Онежской мульды, в ее пределах встречены нарушения иной морфологии, относящиеся главным образом к шокшинской свите. Меридиональные нарушения являются самыми молодыми и смещают породы шокшинской свиты и тела габбродолеритов и долеритов, создавая мелкоблоковое строение территории [Гарбар, 1971; Громов, 1982].
Большинство установленных разрывов характеризуется крутыми углами падения (75-90), и лишь отдельные трещины северо-западного простирания имеют пологое (10-30) падение на юго-запад. Все они представлены зонами дробления и трещиноватости мощностью от первых десятков сантиметров до первых метров. К ним местами приурочены дайки диабазов, жилы габбро-диоритов, сиенит-диоритов и аплитов, прожилки кварц-гематитового, эпидот-альбитового, кварц-эпидотового и другого состава. В пределах разрывных нарушений породы, как правило, или совсем не изменены, или испытали слабую хлоротизацию, эпидотизацию и гематитизацию по трещинам.
Структуры субслойного тектонического течения отмечены в залегающих субгоризонтально породах петрозаводской и шокшинской свит [Леонов и др., 1995]. Исследования, посвященные изучению эпигенетических изменений шокшинских песчаников, позволили с достаточной ясностью восстановить историю литификации этих пород [Копелиович, Симанович, 1964], а вместе с данными К. О. Кратца и П. Л. Кацеблина о характере приконтактовых изменений в зоне воздействия интрузии габбро-долеритов дали основание сделать вывод о том, что между временем накопления осадков, складчатостью, обусловившей современный структурный план территории, и магматизмом, сопутствующей ей, существовал значительный временной перерыв [Онежская..., 2011].
Практически повсеместно габбродолерит представляет собой мелко-среднезернистую породу (от серого до темно-серого, почти черного цвета), с массивной текстурой (весьма однородной, без значительных вторичных изменений). Структура породы определяется как габбродиабазовая, т. е. переходная между габбровой и диабазовой, отклоняясь в ту или иную сторону. Габбродолерит характеризуется весьма выдержанным минеральным составом, без существенных колебаний в содержании отдельных минералов.
Основными породообразующими минералами в породе Ропручейской интрузии являются плагиоклаз, пироксен, рудный минерал, в измененной -плагиоклаз и амфибол. В качестве вторичных и акцессорных минералов в свежей породе присутствует амфибол (роговая обманка), биотит, кварц, апатит, рутил, в измененных габбродолеритах приконтактовых частей и тел апофизов присутствуют хлорит, серицит, калиевый полевой шпат, карбонат, сфен, эпидот. В теле силла прослеживаются три разновидности габбродолерита [Громов, 1982; Кевель, 1988; Белов, 1999]:
По минеральному и химическому составу разновидности габбродолерита схожи по всей площади силла (таблица 2.2). Однако «пегматоидные» разновидности отличаются от мелкозернистого и среднезернистого габбродолерита повышенным содержанием кварца и меньшим содержанием пироксена. В связи с этим характеристика основных породообразующих минералов по «пегматоидным» разновидностям приводится отдельно. Талица 2.2 - Минеральный состав габбродолеритов на различных участках
Наличие вредных примесей, отрицательно влияющих на долговечность и декоративность облицовочных материалов, не установлено (таблица 2.3). Включения магнетита не оказывает отрицательного действия на декоративные свойства камня, поскольку этот минерал является устойчивым к процессам окисления и при выветривании с большим трудом поддается гидратации.
Геофизические исследования, охватывающие Ропручейский силл, проводятся с 1933 г. [Левин, 1964]. Это прежде всего аэромагнитные и гравиметрические региональные исследования (рисунок 2.2). К региональным работам относятся аэрогеофизические съемки масштаба 1:200000, проведенные в 1945-1946 гг. Карельской аэрогеофизической партией экспедиции №9 ЗГТ (А. А. Логачев, В. В. Сусленников) станцией АЭМ-9Л, и съемки того же масштаба, выполненные в 1959 г. станцией АСТМ-25 (В. В. Сусленников, Г. А. Портова). В 1960 г. партией ВИРГ совместно с Северной экспедицией СЗГУ выполнена аэромагнитная съемка масштаба 1:25000. По ее данным отчетливо выделилась полоса габбродолеритов, которые выходят на поверхность в периферийных частях Южно-Онежской мульды.
В 1977 г. издана сводная карта аномального магнитного поля в изолиниях масштаба 1:500000 (ред. Р. С. Сокол), которая включала и Ропручейский силл. Одной из последних в 1995-2000 гг. завершена аэромагнитная съемка масштаба 1:50000 - 1:100000 территории Ладожско-Онежского региона и акватории Онежского озера. По результатам этих крупномасштабных съемок с использованием региональной опорной сети была составлена сводная цифровая карта аномального магнитного поля АТа по сети 200 х 200 м [Ефимов, Степанов, 2000; Зуйкова, Шилова, 2000].
Гравиметрические исследования регионального характера выполнялись в масштабе 1:200000 в 1952 г. Онежско-Ладожской экспедицией ЗГТ (О.М.Кабанов) и в 1961 г. Белозерской партией (3. И. Меерсон). По данным гравиметрической съемки масштаба 1:200000 устанавливается соответствие областей пониженных значений гравитационного поля синклинорным зонам, локальные положительные аномалии силы тяжести объясняются наличием интрузий основного состава, верхняя кромка которых залегает на глубине порядка 8 км [Левин, 1964].
Малоглубинная сейсморазведка
Для изучения электрических свойств областей трещиноватости габбродолеритов Ропручейского силла были проведены исследования, которые включали петрофизическое изучение электрических свойств и параметрические замеры. Первый этап включал в себя отбор проб в стенке уступа с шагом 0,5 м вкрест крупного субвертикального нарушения, относящегося к системе трещин данного горного массива. Далее выполнялись параметрические измерения по верху уступа. Такой подход позволил качественно оценить изменение электрических свойств породы в области развития трещиноватости. Параметрические измерения проводились четырехэлектродной установкой, аппаратурой TLR-003 TLT-30 производства ЗАО «Теллур-СПб» (подробнее рассмотрено в главе 4) с шагом 0,5 м и измерением кажущегося УЭС и вызванной поляризации.
Лабораторные измерения удельного сопротивления проводились двухэлектродной установкой по методике, описанной в [Эме, 1967; Петрофизика, 1992], прибором Е8-2, применяемым для измерения емкостей и проводимостей, и измерительной ячейкой. Образец, представляющий собой круглую таблетку толщиной 1 см, изготовленную из пробы, отобранной штуфным способом и полностью высушенной в естественных условиях, укладывается между двух медных электродов и измеряется сначала с одной стороны, а потом с другой. За значение принималось среднее двух замеров. Далее рассчитывались удельное сопротивление в 10 Ом по формуле:
Следует отметить, что для получения более правдоподобных замеров необходимо проводить измерения образцов при определенных значениях водонасыщенности и давления. Также необходимо учитывать, что измерения проводятся при помощи тока высокой частоты, тогда как при полевых работах используется низкочастотная аппаратура. На рисунке 3.10 представлены результаты петрофизического изучения УЭС габбродолеритов поперек трещины, а также измерения кажущегося УЭС и вызванной поляризации. Рисунок 3.10 - Изучение электрических свойств трещиноватости габбро долеритов
Установлено, что вследствие процессов разгрузки происходит изменение внутренней структуры габбродолеритов, приводящее к образованию каналов миграции влаги и, как следствие, повышению проводимости. Этот эффект имеет отражение и в полевых наблюдениях кажущегося удельного сопротивления вкрест простирания трещины. Кроме того, трещиноватость характеризуется понижением значений вызванной поляризации за счет окисления и выноса рудных минералов, в данном случае титаномагнетита из габбродолеритов. Все графики имеют схожую форму распределения, выражающуюся в минимальных значениях в центре нарушения и нарастанием к периферии.
Проведенные исследования позволили определить основные свойства трещиноватости для габбродолеритов. Выявлено, что трещинам соответствует область влияния на горный массив в 10 и более раз превышающая их ширину, что является следствием вторичного изменения пород, из-за чего в поле УЭС они выделяются протяженными аномалиями с обрамлением градиентными зонами. 3.5 Корреляция геологических и геоэлектрических параметров
На сегодняшний день известно несколько способов оценки трещиноватости горного массива, использующих установленные корреляционные соотношения трещиноватости с геофизическими характеристиками горных пород. Справедливо это и для методов сопротивления, в частности электротомографии. Обеспечить совместное использование данных из разных источников можно при помощи нахождения корреляционных зависимостей, что является стандартной методикой при использовании комплексного подхода [Никитин, Хмелевской, 2004].
Для этого необходимо использовать геостатистическую модель, которая, цитируя [Поротов, 2006], «рассматривает изучаемый объект как геометрическое поле с определенным законом пространственной изменчивости и с вполне определенным значением изучаемого объекта в каждой его точке». Применение вероятностно-статистического подхода при обработке геоданных обусловлено характерной особенностью геофизических наблюдений [Никитин, Петров, 2008].
В качестве примера по результатам опытно-методических работ на карьере «Другорецкое-3» вычислен коэффициент Спирмена для определения силы связи между двумя признаками высокой блочности: удельным сопротивлением и удельной трещиноватостью. В результате проведенных расчетов получается коэффициент ранговой корреляции. Его значения заключены в интервале между +1 и -1. Чем ближе по абсолютной величине г к единице, тем сильнее связь между свойствами. Коэффициент Спирмена рассчитывается по формуле
В нашем случае получается отрицательная зависимость rs = -0,886, которую можно охарактеризовать как высокий уровень обратной связи. Кроме того, определены критические значения, подтверждающие статистическую значимость корреляции. То есть практическим примером подтверждается явная обратная зависимость трещиноватости от сопротивления, или: чем выше сопротивление, тем ниже трещиноватость, и наоборот. Для анализа информации необходимо из двух признаков (удельное сопротивление и удельная трещиноватость) получить один, который и охарактеризует выбранную область. Наиболее просто этот процесс, как отмечено в работе [Хмелевской и др., 2004], можно осуществить на примере функции комплексного показателя (ФКП). Расчет ФКП основан на усилении полезного эффекта. В данном случае присутствует обратная зависимость, поэтому имеет смысл ранжировать исследуемую площадь на основе выделения экстремумов. То есть находить наибольшие и наименьшие значения ФКП, которые соответствуют областям наибольшей и наименьшей блочности соответственно. По полученным наборам данных рассчитывался ФКП, представляющий собой интервал от -1 до 1, где 1 - области максимума, -1 - области минимума.
На рисунке 3.11 представлено определение ФІШ между удельными сопротивлениями и измеренными трещинами массива горной породы (см. рисунок 3.8), полученными на уступе карьера «Другорецкое-3».
Анализируя полученный результат, по комплексной карте можно выделить три основные структурно-технические зоны: 1-я характеризуется коэффициентом от 0 и выше и соотносится с наибольшей блочностью; 2-я, с коэффициентом от -0,4 до 0, соотносится с мелкоблочным сырьем; 3-я, с коэффициентом менее -0,4, относится к неперспективным зонам исследуемого участка.
Основные виды электроразведочных установок
Важной задачей разведки месторождений облицовочного камня является определение условий и факторов формирования геологического тела, в пределах которого происходят поисково-оценочные работы. Использование геофизических методов позволяет произвести предварительную оценку исследуемой территории, выделив в ее пределах наиболее представительные тектонические дислокации, что особенно актуально на площадях, перекрытых четвертичными отложениями.
Для ее решения в пределах восточной части Ропручейского силла проведены комплексные опытно-методические работы, которые заключались в выполнении структурного профиля комплексом геофизических методов вкрест простирания интрузии [Рязанцев, 2012]. Главная цель исследований: изучение силла методами геофизики - особенностей его строения, неоднородностей. Электротомография в этих исследованиях сыграла ключевую роль для выделения и пространственной локализации тектонических нарушений. Анализ и интерпретация полученных результатов позволили выделить новые факторы, влияющие на размещение перспективных площадей для разведки месторождений облицовочного камня, а также определить закономерности их распространения.
Профиль находится в северо-западной части Ропручейского силла и расположен вкрест простирания интрузии на уровне эрозионного среза с выходами во вмещающие породы. Профиль выбран в интервале, наиболее пригодном для получения корректных результатов с наименьшими затратами. Геологической основой для проведения геофизических работ служат карты и разрезы, построенные специалистами КГЭ [Кевель, 1988]. Однако, в связи с отсутствием бурения и детальной геологической съемки в районе, схема и разрез А-Б (рисунок 5.1) отражают его геологию в упрощенном виде.
Для решения поставленных задач применялись следующие методы: профильные вертикальные электрические зондирования (ВЭЗ), обработанные по электротомографической технологии, магнитометрия и электропрофилирование (ЭП) методикой срединного градиента (СГ). Предпосылки выбора такого комплекса методов - контрастность габбродолеритов, слагающих Ропручейский силл, по сопротивлению и значениям аномалий магнитного поля на фоне вмещающих пород, представленных в основном кварцитами и кремнистыми сланцами.
По результатам геоэлектрических работ строились геоэлектрические модели, отображающие геологическое строение района работ. Для сравнения и оценки возможностей электротомографии использовались как классическая ID-обработка, так и 20-инверсия. Применение разных подходов к решению обратной геофизической задачи, как отмечается в статье [Шевнин, Бобачев, 2009], позволяет вводить регуляризационную модель на основе одного типа обработки и использовать ее для увеличения корректности другой.
Сначала рассмотрим ID-модель УЭС. На полученном геоэлектрическом разрезе силл уверенно выделяется во вмещающих породах, представленные типы пород контрастно разделяются по сопротивлениям, а положение контактов пород в приповерхностной части согласуется с геологической информацией. Анализ модели позволяет выделить пространственные неоднородности, представленные резким изменением мощности силла с 100-го пикета (ПК), а также наличием высокоомного включения между ПК -1500 и -500, которое, вероятно, является включением вмещающих пород. Следует отметить разницу сопротивлений в области отрицательных и положительных пикетов, это объясняется влиянием крупного тектонического нарушения, пересекающего профиль исследования под острым углом (рисунок 5.2). Однако неоднородности внутри интрузива выделяются нечетко, что не позволяет проводить корректную интерпретацию, поэтому была выполнена 20-инверсия.
При 2В-инверсии используется моделирование при помощи двумерных ячеек с координатами х,уи учетом взаимодействия между ними. Вследствие чего оценка распределения геоэлектрических параметров в горизонтальном направлении достовернее, чем при ID. Как видно, полученная модель удельных сопротивлений (рисунок 5.3) более гладкая, благодаря чему основные границы геологических образований прослеживаются увереннее, а также отдельные контрастные малоразмерные тела лучше локализуются. Это наблюдается на ПК -1400 и 1600, где четко выделяется граница вмещающих пород шокшинской свиты и габбродолеритов Ропручейского силла; на ПК -800...-600 и 800-1200 фиксируются локальные включения в силле вмещающих пород; между ПК -1400 и -1000 отчетливо прослеживается крупное тектоническое нарушение.
При построении 20-модели присутствовал высокий процент невязки между измеренными и рассчитываемыми данными (до 30 %), что связано с недостаточным количеством зондирований и, как следствие, малой плотностью данных. Однако использование механизмов регуляризации позволило уменьшить погрешность до приемлемого уровня (погрешность невязки 8,7 %) и получить более корректный результат.
