Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современные возможности геоинформационных технологий для решения прикладных задач алмаз опоисков ой геологии (состояние проблемы) 12
1.1 Оперативный мониторинг прогнозных ресурсов алмазов на территории Якутской алмазоносной провинции 12
1.2 Площадное районирование перспективных участков по степени эффективности геофизических методов при алмазопоисковых работах 27
ГЛАВА 2. Методика исследований 47
2.1 Методика геоинформационного мониторинга прогнозных ресурсов алмазов 47
2.2 Методические приемы оценки эффективности геофизических исследований при поисках кимберлитовых тел 49
ГЛАВА 3. Геоинформационная справочно-аналитическая система мониторинга прогнозных ресурсов алмазов 53
3.1 Функциональные возможности 53
3.2 Информационная сервис-ориентированная архитектура 73
3.3 Программное обеспечение и информационные технологии 76
3.4 Техническая реализация функциональных возможностей картографических Web-приложений 81
ГЛАВА 4. Геоинформационная технология опенки эффективности геофизических исследований при алмазопоисковых работах 91
4.1 Разработка вычислительной среды 91
4.2 Геолого-ландшафтные параметры исследуемых полигонов 94
4.3 Апробация методики и геоинформационной технологии оценки эффективности геофизических исследований на примере детальной гравиметрической съемки 112
Заключение 144
Список сокращений и условных обозначений 147
Литература
- Площадное районирование перспективных участков по степени эффективности геофизических методов при алмазопоисковых работах
- Методические приемы оценки эффективности геофизических исследований при поисках кимберлитовых тел
- Информационная сервис-ориентированная архитектура
- Апробация методики и геоинформационной технологии оценки эффективности геофизических исследований на примере детальной гравиметрической съемки
Введение к работе
Актуальность проблемы. Многолетний опыт геолого-геофизических исследований свидетельствует о том, что потенциал применения геоинформационных технологий (ГИТ) и географических информационных систем (ГИС) в среде специалистов, занимающихся проблемами алмазопоисковой геологии (геологов, геофизиков и минералогов) полностью не раскрыт и в значительной степени недооценен. Несмотря на стремительное развитие информационных технологий, большинством исследователей, ГИТ воспринимаются исключительно как средство для создания, оформления и анализа электронных карт (геоинформационное картирование), на этом, как правило, и ограничивается их практическое использование. Данное обстоятельство явилось главным стимулом диссертационного исследования, направленного на выявление принципиальной возможности использования геоинформационного обеспечения для решения разноплановых задач алмазопоисковой геологии. Поскольку в действительности, помимо картосоставительских работ, предметная область междисциплинарной геоинформационной науки весьма обширна - от обработки данных дистанционного зондирования и использования в сфере GPS-навигации до осуществления экспертного, геопространственного анализа и создания корпоративных, информационно-аналитических компьютерных систем.
Согласно A.M. Берлянту, современная геоинформатика предстает в виде системы, охватывающей науку, технику и производство, и в зависимости от предметной области может восприниматься как наука о геосистемах, рассматриваться как технология для управления пространственно-координированными данными или являться средством для производства аппаратных средств и программных продуктов (Берлянт, 2002). Придерживаясь этой точки зрения, автор предпринял попытку отразить в работе применение геоинформатики в трех направлениях - науке, технике и производстве. Вследствие этого задачи диссертационного исследования различаются по своей специфике, направленности и технической реализации, а также затрагивают различные сферы применения геоинформатики. При этом решение этих задач посвящено общей актуальной проблеме -разработке и применению современных геоинформационных технологий для повышения эффективности прогнозирования и поисков алмазных месторождений.
Для демонстрации возможностей разнопланового применения ГИТ, диссертационная работа состоит из двух основных тем (тематических блоков), затрагивающих различные аспекты применения геоинформационных технологий. Первый блок (Глава 3) - объединяет описание функциональных возможностей и способов технической реализации справочно-аналитической геоинформационной системы, созданной автором для мониторинга прогнозных ресурсов алмазов (ГИС МПРА) в Западной Якутии. Второй блок (Глава 4) посвящен разработке методики и геоинформационной технологии определения эффективности (результативности) геофизических исследований при поиске кимберлитовых тел, а также программных инструментов для геопространственного анализа геолого-геофизических данных. Задачи оперативного мониторинга прогнозных ресурсов алмазов и оценки эффективности геофизических исследований, в настоящее время являются наиболее критичными с точки зрения необходимости применения современных геоинформационных технологий.
На основе специализированных тематических исследований в АК «АЛРОСА» (ОАО) с 2008 года проводится мониторинг прогнозных ресурсов алмазов на территории Якутской алмазоносной провинции (ЯАП), который обеспечивает перспективное планирование объемов и технологий алмазопоисковых работ, а также позволяет корректировать методику научных исследований. Экспертный анализ проявленности прогнозно-поисковых признаков и предпосылок на территориях деятельности АК «АЛРОСА» (ОАО) в ЯАП, осуществляемый с учетом как уже накопленных, так и регулярно поступающих актуальных геолого-геофизических материалов, позволяет выделять перспективные площади и участки, благоприятные на проявление коренной и россыпной алмазоносности.
Использование геоинформационного подхода в данной области весьма востребовано, т.к. позволяет организовать и оптимизировать процессы сбора, хранения, актуализации,
представления и защиты фактографических материалов. Таким образом, актуальность первого блока исследований, посвященного созданию справочно-аналитической ГИС, определяется производственной необходимостью обеспечения удаленного, оперативного доступа к картографическим, текстовым и табличным фактографическим материалам, которые характеризуются пространственно-временной зависимостью.
Эффективность применения геофизических методов при поиске кимберлитовых образований в значительной степени ограничена сложными условиями поисков на закрытых территориях Западной Якутии. К таковым относятся: высокий уровень физических помех; слабая контрастность петрофизических индикационно-поисковых характеристик кимберлитов на фоне кимберлитовмещающих отложений; экранирующее влияние интрузий долеритов; значительная мощность перекрывающих кимберлитовые тела образований, приводящая к низкому уровню регистрируемых сигналов и т.д. Результативность поисков погребенных кимберлитовых тел также в значительной степени зависит и от общей погрешности геофизической съемки. Комплексное проявление вышеперечисленных факторов приводит к тому, что основные геофизические методы, применяемые при поиске коренных источников показывают низкую или нулевую результативность, и используются в основном для решения структурно-картировочных задач. В этой связи определение возможностей геофизических методов для конкретных геолого-поисковых ситуаций является особо актуальной задачей, поскольку ее решение должно способствовать рациональному размещению видов и объемов геофизических алмазопоисковых работ.
Актуальность второго блока также подтверждается отсутствием на сегодняшний день единых подходов к решению задачи оценки результативности опоискования геофизическим комплексом методов, а также необходимостью создания геоинформационных инструментов для их практической реализации. Несмотря на то, что апробация предложенной методики оценки эффективности геофизических исследований проводится на примере детальной гравиметрической съемки, она может быть применена и для определения возможностей магниторазведки и электроразведки при выявлении кимберлитовых образований.
Цели исследования. Разработка геоинформационной справочно-аналитической системы мониторинга прогнозных ресурсов алмазов на территории ЯАП. Создание методики и технологии оценки эффективности геофизических исследований при поисках кимберлитовых тел, а также программных инструментов для геопространственного анализа геолого-геофизических данных в среде ArcGIS. Внедрение полученных результатов в геолого-поисковый процесс.
Задачи исследований:
-
Определение перечня требований к функциональным возможностям и техническим характеристикам геоинформационной системы мониторинга прогнозных ресурсов алмазов. Создание концептуальной модели геоинформационной системы, основанной на использовании сервис-ориентированной архитектуры.
-
Формирование базы пространственных данных на основе систематизации и унификации картографической составляющей материалов мониторинга прогнозных ресурсов алмазов на территории ЯАП.
-
Программная реализация функциональных возможностей ГИС-приложений на базе современных информационных технологий (фреймворков, спецификаций и стандартов). Апробация геоинформационной системы и ее внедрение в эксплуатацию на геологоразведочных предприятиях АК «АЛРОСА» (ОАО).
-
Определение методов сбора, конвертации, унификации и формализации данных документирования керна скважин из геологической информационной системы интеграции, хранения и обработки геолого-геофизической информации (ИСИХОГИ). Разработка программных инструментов, определяющих способы записи, хранения, извлечения и обработки атрибутивной геолого-геофизической информации.
5. Создание методических приемов оценки эффективности геофизических методов при поисках кимберлитовых тел. Подготовка вычислительной среды для реализации алгоритма оценки эффективности геофизических исследований.
Объекты исследования. Основным объектом исследований, на котором рассмотрены принципы прогнозной оценки перспектив коренной и россыпной алмазоносности, а также функциональные возможности ГИС МИРА, является ЯАП. Апробация методики оценки эффективности геофизических исследований осуществлялась на примере алмазоперспективной территории, охватывающей центральную часть Среднемархинского алмазоносного района, в том числе и высокопродуктивное Накынское кимберлитовое поле.
Научная новизна результатов исследований и положений, выносимых на защиту, заключается в следующем:
-
Предложен способ комбинирования картографических сервисов для анализа динамики оценок прогнозных ресурсов и актуализации пространственных данных.
-
С использованием Web-интерфейса организована ассоциативная связь картографических объектов и справочных материалов (текстовых, табличных, графических) мониторинга прогнозных ресурсов алмазов.
-
Впервые разработана геоинформационная система мониторинга прогнозных ресурсов алмазов на территории ЯАП.
-
Созданы методика и геоинформационная технология оценки эффективности геофизических исследований при алмазопоисковых работах. Проведено площадное районирование алмазоперспективных участков по степени эффективности детальной гравиметрической съемки.
-
Разработаны программные инструменты и форма записи пространственных данных, определяющие способы хранения, извлечения и обработки атрибутивной геолого-геофизической информации.
-
Выявлены новые области применения геоинформационного обеспечения для решения прикладных задач алмазопоисковой геологии.
Практическая значимость заключается в создании инновационных программных инструментов, которые вносят значительный рационализаторский эффект в решение задач алмазопоисковой геологии.
Благодаря широкому применению геоинформационных и Web-технологий реализована методика процесса геоинформационного мониторинга прогнозных ресурсов алмазов, которая позволила упорядочить информационные потоки, генерируемые данным процессом. Определены способы сбора, хранения, актуализации, защиты и доступа к справочной информации. ГИС МПРА размещена на Web-сервере НИТИ, доступ к клиентской части системы организован в масштабе интрасети АК «АЛРОСА» (ОАО).
На основе использования стандартного программного обеспечения (ПО) ArcGIS и дополнительных авторских программных разработок создан готовый инструмент для определения эффективности проведенных или планируемых геофизических поисков методом детальной гравиразведки. Разработанный программный комплекс может применяться для геологической интерпретации полученных геофизических материалов, в том числе и для разбраковки геофизических аномалий с целью принятия обоснованного решения по их заверке.
По результатам исследований составлены две рекомендации по внедрению в производственный процесс алмазопоисковых работ геологоразведочного комплекса (ГРК) АК «АЛРОСА» (ОАО):
-
Картографическое Web-приложение для мониторинга прогнозных ресурсов алмазов Якутской алмазоносной провинции на территории деятельности АК «АЛРОСА» (ОАО), 2014 г.
-
Комплекс программных инструментов для импортирования данных геологического документирования керна скважин из «ИСИХОГИ» в программную среду ArcGIS и последующей обработки данных», 2014 г.
Защищаемые положения:
-
Разработанная геоинформационная справочно-аналитическая система мониторинга прогнозных ресурсов алмазов на территории Якутской алмазоносной провинции обеспечивает оптимизацию процессов сбора, хранения, актуализации, представления и защиты фактографических материалов. Это дает возможность оперативно создавать, корректировать и анализировать разномасштабные прогнозные карты отражающие проявленность факторов локализации алмазоносных объектов.
-
Созданные программные инструменты позволяют проводить геопространственный анализ геолого-геофизической информации при решении частных задач алмазопоисковой геологии, в том числе: расчет глубины залегания различных литостратиграфических подразделений; определение мощности кимберлитоперекрывающих отложений; визуализация пространственного распределения петрофизических свойств горных пород; вычисление реальной плотности сети поискового бурения для модельных построений.
-
Методические приемы и геоинформационная технология оценки эффективности геофизических исследований обеспечивают районирование перспективных площадей и участков по степени результативности детальной гравиразведки при алмазопоисковых работах.
Личный вклад. Выбор направления и методик исследований, постановка задач, а также определение способов их технической реализации, осуществлялись лично автором, в их числе:
Планирование сервис-ориентированной архитектуры (СОА) ГИС МПРА.
Формирование базы пространственных данных.
Создание картографических Web-сервисов.
Разработка картографических Web-приложений.
Организация структуры каталогов для хранения файловых объектов.
Внедрение и апробация ГИС МПРА.
Разработка методических правил оценки эффективности геофизического опоискования.
Формирование вычислительной среды.
Апробация методики и геоинформационной технологии оценки эффективности на примере детальной гравиметрической съемки.
Сбор данных геологического документирования керна буровых скважин.
Качественная визуализация результатов вычислений.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: IX Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 2009); XXIII Всероссийской молодежной конференции «Строение литосферы и геодинамика» (Иркутск, 2009); IV Всероссийском симпозиуме по вулканологии и палеовулканологии «Вулканизм и геодинамика» (Петропавловск-Камчатский, 2009); Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и научно-технический прогресс в современном мире» (Мирный, 2009; 2011; 2015); Региональной научно-практической конференции, посвященной 55-летию инженерного образования в Республике Саха (Якутия) «Проблемы геологии и разведки недр Северо-Востока России» (Якутск, 2011); «X Международной конференции «Геоинформатика: теоретические и прикладные аспекты» (г. Киев, 2011); XX Международной кимберлитовой конференции (the 10th International Kimberlite Conference, 2012, Bangalore), (Бангалор, Индия, 2012); IV Региональной научно-практической конференции «Геологическое обеспечение минерально-сырьевой базы алмазов: проблемы, пути решения, инновационные разработки и технологии» (Мирный, Якутия, 2014); Отдельные вопросы обсуждались на заседаниях Ученого Совета НИГП АК «АЛРОСА» (ОАО), а также на Научно-технических советах Ботуобинской, Амакинской и Мирнинской геологоразведочных экспедиций (ГРЭ).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 статьи в рецензируемых научных журналах, включенных в перечень ВАК РФ и 11 тезисов докладов. В печати находятся также 2 статьи из перечня ВАК РФ и 2 тезиса докладов.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений. Она изложена на 161 странице текста, включая 2 таблицы, 44 рисунка и библиографический список, содержащий 154 наименования.
Благодарности. За руководство исследованиями, постоянную поддержку и ценные идеи соискатель выражает искреннюю признательность научному руководителю, ведущему научному сотруднику, д.г.-м.н. И.Г. Коробкову. За помощь в работе над созданием программных инструментов физико-геологического моделирования автор благодарен заведующему лабораторией информационных исследований НИГП АК «АЛРОСА» (ОАО) Ф.К. Зайцевскому. Автор благодарен за своевременную поддержку, консультации и критические замечания к.г.-м.н. К.М. Константинову, к.г.-м.н. В.М. Жандалинову, к.г.-м.н. С.Ф. Бессмертному, к.г.-м.н. Н.И. Гореву, к.г.-м.н. А.В. Новопашиной, н.с. А.А. Евстратову, к.т.н. Ю.В. Утюпину, к.г.-м.н. А. В. Мироманову, к.г-м.н. А.В. Паршину, д.г.-м.н. А.Г. Дмитриеву, А.В. Забелину. Соискатель признателен руководству НИГП АК «АЛРОСА» (ОАО): директору НИГП к.г.-м.н. А.В. Герасимчуку, зам. директора по научной работе к.г.-м.н. И.В. Серову и главному инженеру М.Н. Гарату за выделенные аппаратные и программные ресурсы, которые способствовали эффективному проведению диссертационных исследований.
Площадное районирование перспективных участков по степени эффективности геофизических методов при алмазопоисковых работах
На основе принятой схемы минерагенического районирования, разработанной Н.И. Горевым (Горев, 2012ф), в процессе прогнозной оценки перспектив коренной и россыпной алмазоносности уточняются границы алмазоносных районов, анализируется проявленность предпосылок и признаков поискового прогнозирования. При этом в пределах районов рассматриваются выделенные ранее, а также новые разноранговые прогнозные объекты коренной и россыпной алмазоносности. По каждому прогнозируемому объекту на уровне экспертных оценок ведущих специалистов геологоразведочного комплекса (ГРК) АК «АЛРОСА» (ОАО) определяются их потенциальные аналоги в известных полях и производится количественный расчет прогнозных ресурсов с оценкой их экономических параметров. При этом все эти объекты и их прогнозный потенциал отражаются на прогнозно-ресурсных картах масштабов 50 000 - 1 500 000.
Минерагеническое районирование Сибирской платформы основано на иерархическом ряде алмазоносных объектов, которое учитывает их природные закономерности образования и локализации. Элементами этого иерархического ряда являются таксономические алмазоносные единицы: алмазоносная (кимберлитовая) провинция - субпровинция - область (зона) -алмазоносный район - кимберлитовое поле - куст (линейная группа) кимберлитовых тел -отдельное кимберлитовое тело (трубка, дайка, жила). Ранговая классификация позволяет учесть многообразный набор геологических признаков (геофизических, магматических, тектонических и т.д.) разномасштабных объектов и различный характер их отражения в естественных физических и минералогических полях. Методика минерагенического районирования базируется на комплексном анализе минералогического, тектонического и геофизического (глубинного) районирования Сибирской платформы и ее отдельных частей.
Минералогическое районирование основано на анализе различий типоморфных особенностей алмазов, индикаторных минералов кимберлитов (ИМК), а также генетических типов и продуктивности питающих их первоисточников. Результаты изучения морфологии алмазов (Коптиль,1990ф) показали, что формирование всех россыпей и россыпепроявлений вызвано размывом четырех типов первоисточников, в их числе: алмазы кимберлитового генезиса, характерные для кимберлитовых тел с богатой алмазоносностью; алмазы кимберлитового генезиса, характерные для кимберлитовых тел с убогой алмазоносностью; алмазы невыясненного (предположительно эклогитового) генезиса; алмазы импактного генезиса. На основе этой классификации проведено минералогическое районирование Сибирской платформы по алмазам (Зинчук, Коптиль, 2003). Минералогическое районирование по ИМК базируется на различии типоморфных признаков отдельных кимберлитовых минералов и их ассоциаций, а также создаваемых ими шлиховых ореолов. Согласно классификации кимберлитовых трубок (Харькив, 1978) кимберлитовые тела ЯАП условно подразделяются на шесть групп по уровню процентного содержания в них ИМК: 1-ая группа - с исключительно высоким содержанием (более 2%); П-ая группа - с очень высоким (1-2%); Ш-я группа - с высоким (0,5-1%); IV-ая группа - со средним (0,1-0,5%); V-ая группа - с низким (0,01-0,1%); VI-ая группа - с исключительно низким (до 0,01%).
Иерархический ряд минералогических таксонов включает такие таксономические единицы как: минералогическая провинция - минералогическая субпровинция - алмазоносная область - алмазоносный район. Разноранговые минералогические таксоны, представленные различными минералогическими признаками, являются элементами мелкомасштабного минералогического районирования древних платформ. Отдельные таксономические единицы отличаются возрастом существующих источников алмазов и условиями их образования, масштабами и характером проявления, а также степенью продуктивности.
Выделение отдельных структур, благоприятных для локализации коренных источников алмазов позволяет произвести тектоническое районирование на алмазы с учетом информации по строению верхней мантии, «базальтового», «гранитного» и осадочного слоев континентальной коры. Иерархический ряд тектонических таксонов включает такие единицы, как: тектоническая провинция - тектоническая субпровинция - тектонический пояс -кимберлитовмещающая зона.
Магматическое районирование основано на анализе проявленности пород магматических формаций (кимберлиты, лампроиты, долериты и прочие), которые являются типичными для стабильных блоков древних платформ. Разделение провинции на таксономические единицы производится с учетом вещественного состава алмазоносных пород и уровня их алмазоносности.
При минерагеническом районировании также анализируются данные физических полей, что позволяет определить комплекс признаков, отражающих строение консолидированной земной коры. Границы между кимберлитовыми таксонами носят условный (вероятностный) характер. При этом каждая единица иерархического ряда, как правило, связана с определенными элементами геологической среды. Например, для провинций и субпровинций такими элементами являются границы геоблоков; контуры алмазоносных областей соответствуют, обычно, региональным дизъюнктивным и пликативным структурам; алмазоносные районы ограничены, как правило, зоной распространения продуктов денудации коренных источников, а кимберлитовые поля - областью развития кимберлитовых тел, а также различными глубинными неоднородностями (Горев, 2005ф).
Алмазоносная провинция. Под алмазоносной провинцией, являющейся элементом верхнего уровня в иерархическом ряду кимберлитовых таксонов, обычно понимается древняя платформа в целом (Францессон, Лутц, 1995; Дукардт, Борис, 2000), или ее составная часть, соответствующая стабильной области (кратону). Контуры провинций не всегда отвечают известным геологическим структурам, и поэтому их выделение, в большей мере, носит географический характер (Милашев, 1979). На основе минералогических и других данных в пределах Сибирской платформы выделяются Тунгусская (ТАЛ), Якутская (ЯАП) и Алданская (ААП) алмазоносные провинции. При этом ТАЛ занимает Байкитский и Ангаро-Тунгусский стабильные блоки, Якутской алмазоносной провинции соответствует Анабаро-Мирнинский блок, Алданская провинция совпадает с одноименным стабильным блоком (Горев, 2005ф).
Алмазоносная субпровинция - это крупная структура (авлакоген), способная генерировать кимберлитовую магму (Францессон, Лутц, 1995; Дукардт, Борис, 2000). Фиксируемые в пределах ЯАП различия в строении и составе осадочного чехла, кристаллической коры и верхней мантии, а также особенности размещения и состава магматических образований, позволили выделить Лено-Анабарскую (ЛАС) и Центрально-Сибирскую (ЦСС) субпровинции.
Алмазоносная зона выделяется на основании линейно-дискретного распределения сообществ алмазоносных пород в пределах провинций (субпровинций), а также их приуроченности к тектоническим зонам краевых дислокаций, которые являются наиболее благоприятными для внедрения магматических пород, в том числе и кимберлитов, поскольку находятся в зоне влияния магмогенерирующих, подвижных структур (Коробков, 2010ф). Внешние границы алмазоносной зоны также весьма условны.
Алмазоносный район - компактная площадь, отвечающая развитию однотипных коренных источников, близких по ассоциации алмазов и ИМК, в совокупности с россыпями алмазов и ореолами рассеяния минералов-спутников алмазов (МСА), которые отличаются по своим типоморфным особенностям от сопредельных районов. Алмазоносные таксоны, относящиеся к субпровинции, зоне или району относятся к мелкомасштабному минерагеническом районированию древних платформ.
Кимберлитовое поле - это пространственно сближенная группа трубок и даек, достаточно схожих по своим типоморфным характеристикам. Кимберлитовое поле является основным элементом среднемасштабного прогнозирования (1:200 000-1:50 000). Согласно В.А. Милашеву, кимберлитовое поле это обособленный участок развития кимберлитов, формирование которых происходило при близких термодинамических и тектонических условиях в узком возрастном диапазоне (Милашев, 1979). По Ф.Ф. Брахфогелю под термином «кимберлитовое поле» понимается пространственно обособленный одновозрастный рой разнофациальных тел кимберлитовых пород, расположенный в пределах магмопроницаемого участка региональной зоны дробления консолидированной коры и опирающийся на крупный массив щелочно-ультраосновных пород (Брахфогель, 1984).
На стадии детальных поисков в пределах известных кимберлитовых полей, промежуточными объектами являются участки благоприятные на выявление куста кимберлитовых тел. Для некоторых кимберлитовых полей, характерно линейное, линейно-кустовое или кустовое распределение кимберлитовых тел. Примерами таких полей являются Алакит-Мархинское и Далдынское кимберлитовые поля.
В пределах узколокальных участков потенциальной локализации единичного или несколько сближенных кимберлитовых тел объектом поисков является само единичное тело -кимберлитовая трубка, дайка или жила (Коробков, 2010ф).
Поскольку прогнозная оценка коренной и россыпной алмазоносности основана на схеме минерагенического районирования ЯАП, при создании ГИС МИРА определялись картографические Web-сервисы, соответствующие основным элементам иерархического ряда алмазоносных таксонов.
Методические приемы оценки эффективности геофизических исследований при поисках кимберлитовых тел
Применение потенциала геоинформатики для практического решения задачи оценки поисковой эффективности геофизических методов предполагает создание специальной методики, структурирующей различные алгоритмические этапы вычислений, а также разработку геоинформационных технологий для ее технической реализации (Новопашин, 2015а). При этом их создание осуществляется параллельно, поскольку ограниченные возможности аппаратно-программного обеспечения вносят свои коррективы в общий алгоритм, также же как и алгоритм во многом формирует круг задействованных технологий и компьютерных программ.
В методике оценки эффективности геофизических методов необходимо было учитывать значительное количество применяемых приемов, различающихся набором типов и форматов данных, а также последовательность вычислений. Например, данные, полученные на одном методическом этапе, могут являться исходными параметрами для вычислений следующего этапа. Геоинформационная технология должна обеспечить реализацию таких задач, как: извлечение геолого-геофизических данных из СУБД и их формализация; автоматизация процесса присвоения петрофизических свойств СВК; экспорт параметров СВК в программу моделирования; импорт результатов вычислений математического моделирования в ArcGIS с их последующей визуализацией в среде создания электронных карт. Эти факторы предъявляют повышенные требования к технической реализации данной задачи, оптимальное решение которой заключается в тесной интеграции технологий СУБД, геоинформационного картографирования и физико-геологического моделирования. Такая интеграция, в свою очередь, подразумевает необходимость использования целого комплекса различных ПС. В основе разработанной геоинформационной технологии лежит использование авторских Python-сценариев.
Последовательность действий по оценке эффективности геофизических методов можно представить в виде линейного вычислительного алгоритма, отражающего многоэтапный характер решения генеральной задачи, и содержащего набор инструкций (этапов), которые представлены ниже. I этап. Подготовка исходных данных. Форма представления информации определяется на первом этапе, который предполагает последовательное выполнение процессов сбора, конвертации и формализации данных. В качестве исходных сведений о строении осадочного чехла могут выступать данные геологической документации керна скважин, данные геофизического исследования скважин, интерпретированные данные геофизической съемки. В процессе сбора информации необходимо получить доступ к источнику данных и обеспечить средства для извлечения необходимой информации. Процессы конвертации данных с последующей их формализацией необходимы для правильного интерпретирования исходной информации компьютерной программой, поскольку она оперирует ограниченным набором параметров, определяющимся исходя из ее возможностей и предметной области применения. На данном этапе используется информационная система ИСИХОГИ, авторские python-скрипты для импортирования данных, а также MS Excel. II этап. Определение структурно-вещественных комплексов физико-геологических моделей производится на основании полученных данных о строении верхней части разреза (ВЧР) и с учетом предъявленного уровня детальности. Поскольку достоверная ФГМ должна учитывать пространственные и морфологические взаимоотношения между поисковым объектом, перекрывающим и вмещающим комплексами, для каждого СВК необходимо задать пространственную характеристику (размер, форма, положение в пространстве) и физические свойства горной породы, определяющие природу физических полей. Данные геологического документирования керна скважин позволяют определить пространственные характеристики литостратиграфических подразделений, выбранных в качестве СВК еще на этапе сбора информации. Присвоение СВК петрофизических свойств горных пород осуществляется в автоматическом режиме на основе сторонних источников информации (измерения физических свойств на образцах горных пород в лабораторных условиях или в параметрических скважинах - в условиях естественного залегания отложений). На данном этапе применяются авторские python-скрипты и MS Excel. III этап. Площадное районирование перспективной территории по мощности кимберлитоперекрывающего комплекса осуществляется интерполяционным методом на основе исходной геолого-геофизической информации. Это позволяет получить массив значений мощности перекрывающей толщи в каждой точке исследуемой площади с заданным уровнем детальности. Для интерполяции используются программные модули ArcGIS: Spatial Analyst Tools или Geostatistical Analyst Tools. IV этап. Определение предполагаемых геометрических размеров кимберлитовых трубок. Выбор геометрических параметров моделей кимберлитовых тел производится на основе анализа прогнозных заключений и/или исходя из плотности реализованной (достигнутой) сети поискового бурения структурно-картировочных скважин. На этом этапе используется программный инструмент «Плотность Точек» (Point Density) модуля Spatial Analyst Tools или авторский python-скрипт для вычисления абсолютной плотности сети буровых скважин (Бессмертный, Новопашин, 2012ф). Под абсолютной плотностью сети бурения понимается величина, характеризующая максимальные размеры возможного пропущенного рудного тела в межскважинном пространстве.
Информационная сервис-ориентированная архитектура
Также анализировались горные породы из канав, шурфов и обнажений карьеров. Терригенно-карбонатные отложения кимберлитовмещающего цоколя представлены известняками и доломитами. Так, при изучении кернового материала здесь встречены известняки: алевролитистые, глинистые, алевролитисто-глинистые, кремнистые, оолитовые, псевдоолитовые, строматолитовые, органогенные, брекчевидные, пелитоморфные и др. Среди разновидностей доломитов присутствуют доломиты глинистые, известковистые, песчанистые, алевритистые, песчано-алевритистые, песчано-глинистые, брекчевидные, водорослевые, оолитовые. Среднепалеозойские интрузивные образования представлены мелко, средне и крупнокристаллическими долеритами.
В пределах анализируемой площади, разделение осадочного чехла по стратиграфическим типам проводилось в соответствии с легендами Ботуобинской серии листов карт среднего масштаба (Гиниятуллин, Блажкун, Ивашина, Коробков и др., 1988). На основе данных бурения поисковых, структурно-картировочных, заверочных, гидрогеологических и нефтепоисковых скважин в составе осадочного чехла суммарной мощностью до 3,2 км вскрыты рифейские, вендские, нижне-средне-и верхнекембрийские, нижнеордовикские, мезокайнозойские отложения, а также среднепалеозойские магматические образования базитов и кимберлитов.
В разрезе отложений кембрийской системы на рассматриваемом участке выделяются чукукская (Єг-зск), мархинская(Єзтгп) и моркокинская(Єзтг) свиты.
Краткая характеристика вскрытого разреза приводится по материалам поисковых работ Ботуобинской ГРЭ (Николаев, 2000ф). Карбонатные породы чукукской свиты, вскрыты бурением в ходе ГРР восточнее трубки «Нюрбинская». Породы свиты представлены тонкомелкозернистыми известняками серого или коричневато-серого цвета с прослоями алевролитов, мергелей и аргиллитов, зеленовато-серых и коричневых. (Килижеков, Малышева, 2008ф).
Отложения мархинской свиты выходят на дневную поверхность на северо-западе исследуемой площади в бассейнах pp. Марха, Хання, Андай. На закрытых территориях они вскрыты бурением на Верхне-Накынском участке, а также на самом Накынском поле и его флангах. В окрестностях Накынского поля породы мархинской свиты залегают на глубине от 30 до 180 м, в редких случаях мощность перекрывающих отложений превышает 200 м. Свита сложена переслаиванием сероцветных известняков, доломитов, известковисто-доломитистых алевролитов, реже мергелей, песчаников, и в целом характеризуется слабой пестротой окраски пород. Мощность пачек переслаивающихся пород изменяется в интервале 0,5 - 10 м, редко
Моркокинская свита вскрыта бурением в пределах Накынского поля и его ближайших флангов, а также в пределах Верхне-Накынского участка. Отличие данной свиты от нижележащей мархинской свиты заключается в преобладании в ее составе красноцветных мергелей и алевролитов, и в увеличении гипсоносности пород. Согласно данным бурения моркокинская свита залегает на глубинах от 20 до 200 м и более (Килижеков, 2006ф).
Ордовикские отложения, имеющие широкое распространение на площади исследований, представлены тремя свитами: балыктахской (Oibl), олдондинской (Ою1) и станской (O2S1).
Отложения балыктахской свиты представлены серыми и желтыми строматолитовыми, оолитовыми доломитами с прослоями песчаников. Также отмечаются прослои доломитовых алевролитов и аргиллитов, кварцевых светло-серых песчаников (Гиниятуллин, Блажкун, Ивашина, Коробков и др., 1988). Погружение кровли балыктахской свиты определяется интервалом глубин 0,5 - 165,0 м, достигая максимальных значений в восточной части Накынского поля. Уменьшение мощности пород перекрывающих свиту наблюдается на участках, расположенных западнее Накынского поля.
Отложения олдондинской свиты, представленные доломитами и известняками, получили наибольшее распространение на юго-западе характеризуемой площади, о чем свидетельствуют и результаты выполненного здесь бурения (Никитин, 2011ф). Обнажения пород свиты приурочены к руслам среднего течения р. Марха и нижнего течения р. Накын. Отложения свиты согласно залегают на осадках моркокинской свиты. Характерные особенности олдондинской свиты - присутствие водорослевых известняков. В целом она представлена неравномерным переслаиванием алевролитов известковых, алевролитов доломитовых серых, мергелей. Также присутствуют линзы голубовато-серых доломитов с комковатой или сгустковой текстурой. Глубина залегания кровли олдондинской свиты варьируется от первых метров до 200 м, при этом наибольшая мощность пород, перекрывающих свиту, фиксируется в центральной части Накынского поля и к юго-востоку от него. Пониженные значения мощности перекрывающих пород (меньше 50 м) свойственны территориям расположенным северо-западнее Накынского поля. Также относительно небольшая глубина залегания свиты установлена в пределах Южно-Накынского прогнозируемого кимберлитового поля (до 75 м).
Станская свита представлена пестроцветными мергелями, алевролитами, глинами и песчаниками с прослоями гравелитов, конгломератов, доломитов, известняков (Гиниятуллин, Блажкун, Ивашина, Коробков и др., 1988). Отложения свиты получили свое распространение на юго-западе исследуемой площади - главным образом в пределах границ Южно-Накынского прогнозируемого кимберлитового поля.
Вышеперечисленные стратиграфические подразделения относятся к кимберлитовмещающим породам. Ниже приводится описание стратиграфических подразделений мезозойско-кайнозойского осадочного чехла, породы которого являются уже кимберлитоперекрывающими по отношению к объектам поисков - кимберлитовым телам.
Породы мезозойского возраста представлены средним и поздним триасом, а также ранней и средней юрой. Кора выветривания триасового возраста (Тг-з), представленная гипергенными образованиями, развивалась по терригенно-карбонатным породам среднего-позднего кембрия и раннего ордовика, изверженным породам основного и ультраосновного состава среднепалеозойского возраста. Опираясь на данные бурения, следует отметить, что на исследуемой площади средне-позднетриасовые коры выветривания представлены областью сплошного распространения, при этом наблюдается постепенное увеличение глубины залегания кор выветривания в направлении с северо-запада на юго-восток (азимут 150-160). Значительные по размерам и мощности, поля площадного распространения коры выветривания сохранились от размыва главным образом в центральной части Среднемархинского алмазоносного района, где мощность коры выветривания составляет обычно 10 - 15 м, достигая иногда 30 - 40 м в наиболее полных профилях (Никулин, Савко, 2009). Коры выветривания сложены слабокарбонатными массивными глинами, алевритовыми глинами светло-зеленого и светло-зеленовато-серого цвета, высветленными доломитами и песчаниками с прослоями белесых голубовато-зеленых аргиллитов, кимберлитовыми брекчиями зелено-серой и темно-серой окраски (Николаев, 2000ф).
В составе разреза нижне-среднеюрских отложений выделяют: дьяхтарскую толщу (Jidh), укугутскую (Jiuk), оруктахскую (Jior), тюнгскую (Jitn), сунтарскую (Jisn), лохайинскую (Ji-гіп) и якутскую (J2Jak) свиты.
Подошва дяхтарскои толщи залегает с размывом на подстилающих ее образованиях площадной коры выветривания, фрагментарно на среднепалеозойских кимберлитах, либо с разрывом непосредственно на породах нижнего палеозоя (балыктахская и олдондинская свиты). При этом породы толщи перекрываются с размывом отложениями оруктахской и тюнгской свит. Максимальное зафиксированное значение мощности дяхтарскои толщи - 80 м. Образования карстовой и элювиальных формаций, стратифицированных в составе дяхтарскои толщи, сложены галечно-песчаными осадками флювиальных фаций, щебнистыми конгломератами, гравелитами, а также алевролитами и глинами. Провально-оползневое залегание пород является характерной особенностью рассматриваемой толщи. На основе данных бурения в комплексе с геофизическим исследованием скважин, амплитуда глубины залегания кровли дяхтарскои толщи находится в интервале 1 - 130 м, в некоторых местах достигая 160 м и более. При этом отложения дяхтарскои толщи, а также все вышележащие мезозойские стратотипы унаследовано воспроизводят форму залегания отложений средне
Апробация методики и геоинформационной технологии оценки эффективности геофизических исследований на примере детальной гравиметрической съемки
Выбор геометрических размеров кимберлитовых диатрем и петрофизических свойств кимберлита производился с учетом открытых тел Накынского поля - трубок Ботуобинская и Нюрбинская, которые в контексте прогнозирования ресурсов и физико-математического моделирования на исследуемой площади выступают в качестве эталонных объектов. Кроме того, для определения размеров горизонтального сечения кимберлитовых трубок также использовались данные бурения, поскольку размеры искомого объекта в плане, как правило, не превышают расстояния между соседними буровыми скважинами.
Для всех моделируемых кимберлитовых тел было принято значение средней плотности кимберлита 2,40 г/см3. Выбор данного параметра обусловлен петроплотностными свойствами кимберлитов на территории Накынского поля.
Чтобы рассчитать аномальный физический эффект от предполагаемого кимберлитового тела, необходимо задать не только его физические свойства, но и прогнозируемые размеры. Отсюда необходимо оценивать абсолютную плотность сети на всей площади исследуемого участка. Эта задача решается на данном этапе вычислений с помощью геоинформационного анализа, основанного на принципе разделения интерполируемого пространства на четверти. Сам принцип достаточно прост и заключается в следующем: для конкретной интерполируемой точки А (ха; уа) находятся четыре ближайшие скважины, расположенные в разных четвертях двумерного пространства. Таким образом, скважина, расположенная в первой четверти будет иметь координаты В (хь ха; уь Уа); во второй четверти скважина определяется координатами С (хс ха; ус Уа); скважины в третьей и четвертой четвертях будут иметь координаты соответственно D (xd xa; уа Уа) и Е (хе ха; уе Уа)- Затем вычисляется расстояние по диагоналям между скважинами в противоположных четвертях и далее - средняя длина обеих диагоналей. Полученное значение и является абсолютной плотностью сети для интерполируемой точки.
На Накынском поле прогнозируется одна кимберлитовая трубка с площадью среднего сечения 22250 м2, и четыре мелкие трубки с площадью среднего сечения 10870 м2 (Коробков, 2013ф). Для Южно-Накынского поля прогнозируются пять мелких кимберлитовых тел с площадью среднего сечения от 7000 до 10870 м2. На Верхненакынском поле прогнозируются пять мелких трубок с площадью среднего сечения 7000 м2 (Коробков, 2013ф). Таким образом на характеризуемых полигонах ожидается обнаружение кимберлитовых тел с диаметром среднего сечения от 80 до 150 м. Представленные выше значения сечений прогнозируемых кимберлитовых тел использовались для подсчета содержания прогнозных ресурсов (кар/т) для категории ресурсов Рз, и являются достаточно условными. Вместе с тем остается гипотетическая возможность обнаружения кимберлитовых тел более значительных размеров, поэтому при моделировании они аппроксимировались различными круговыми сечениями в плоскости эрозионного среза: 50x50 м, 100x100 м, 150x150 м, 200x200 м, 250x250 м. Кроме того, выбор различных геометрических размеров диатрем позволяет наиболее подробно изучить поисковые возможности метода гравиразведки на исследуемых полигонах.
Определение абсолютной плотности сети бурения проводилось для Накынской и Тенкеляхской площадей, но поскольку в пределах изучаемого пространства выявлено несколько кимберлитовых тел лишь малых и средних размеров, а также то, что часть из них имеет значительно вытянутую в плане жильную форму, необходимость применения рассматриваемой процедуры на Накынском и Тенкеляхском полигонах не столь очевидна и востребована, как, например, на участке Структурный Алакит-Мархинского кимберлитового поля (Далдыно-Алакитский алмазоносный район). В качестве демонстрации технологии определения абсолютной плотности сети поискового бурения приведены результаты вычислений, которые выполнены для данного участка (рис. 4.21). Полученные материалы использовались для оценки надежности опоискования методами гравимагниторазведки, а также ЗМПП, в рамках тематического объекта ГРР (Бессмертный, 2012ф).
В пределах Структурного участка обнаружены кимберлитовые трубки среднего и большого диаметров, такие как Юбилейная, Краснопресненская, Файнштейновская, Байтахская и другие. Индивидуальные морфологические особенности этих тел позволяют аппроксимировать их вписанными кругами различного диаметра. Подвергая полученное изображение (рисунок 4.21) геопространственному анализу можно сделать вывод о том, что примененный на участке поисковый метод прямого подсечения мог привести к пропуску кимберлитовых тел различных размеров от менее чем 100x100 м до более чем 900x900 м. Поэтому, при постановке геофизических поисковых работ на данной площади необходимо учитывать абсолютную плотность сети бурения, чтобы определить приблизительные аномальные эффекты, которые могут создавать кимберлитовые тела различных размеров. Эти исследования могут помочь при заверке и отбраковке геофизических аномалий, а также использоваться для определения эффективности геофизических поисковых методов на данной площади. Плотность сети бурения скважин _ менее
Вышеописанные преимущества предложенной формы записи пространственных данных и разработанных программных инструментов для геоанализа (Новопашин, 2015а; Новопашин, 20156; Новопашин, Зайцевский, Константинов, 2015) позволяют выдвинуть второе защищаемое положение: «Созданные программные инструменты позволяют проводить геопространственный анализ геолого-геофизической информации при решении частных задач алмазопоисковой геологии, в том числе: расчет глубины залегания различных литостратиграфических подразделений; определение мощности кимберлитоперекрывающих отложений; визуализация пространственного распределения петрофизических свойств горных пород; вычисление реальной плотности сети поискового бурения для модельных построений».
Аппроксимация геологической среды и вычисление аномальных физических эффектов от моделируемых кимберлитовых тел Этап аппроксимации геологической среды через подбор ФГМ, по своим критериям наиболее схожих с полученными физическими параметрами изучаемой среды (мощность перекрывающих отложений, предполагаемые геометрические размеры поисковых объектов, петрофизические свойства горных пород) осуществлялся с привлечением программы «GravMag3D».
В стандартном режиме использования «GravMag3D» для расчета гравимагнитных полей (или их составляющих), создаваемых кимберлитовыми телами, используется интерфейсное окно «Расчет грави- и магнитного поля от трубки» (см. рис. 1.2). В этом окне в ручном режиме задаются параметры, характеризующие размер и форму моделируемого кимберлитового тела. К таковым параметрам относятся верхние и нижние полуоси трубки, а также простирание и глубина залегания кимберлитового тела. В этом окне задаются и параметры гипотетической съемочной сети (количество точек измерений, интервалы и шаг по осям X и Y). Также задается значение средней плотности кимберлита. При этом состав перекрывающих отложений не учитывается. В программе предусмотрен просмотр поля как отдельно по профилям (см. рис. 1.2, а) так и в виде проекции на плоскость XY (см. рис. 1.2, б).
Для совместимости с программной средой АгсМар программа «GravMag3D» была дополнительно усовершенствована. При этом комплексное взаимодействие Python-скрипта и программы «GravMag3D» осуществляется по следующему принципу. Python-скрипт форматирует данные о физических свойствах геологической среды и передает их внешней функции «GravMag3D» в виде входных параметров. Этот формат данных содержит информацию о параметрах прогнозируемых кимберлитовых тел, а также данные по СВК. Программа моделирования обрабатывает данные, производит вычисления, заложенные в ее алгоритм, и возвращает результат вычислений Python-сценарию в виде массивов модельных значений аномалий силы тяжести. Каждый массив содержит значения, рассчитанные для тел различных геометрических размеров. Затем в программной среде АгсМар массивы значений переводятся в картографические слои точечной геометрии, и на их основе производится интерполяция амплитуд аномалий силы тяжести на весь исследуемый участок методом обратных взвешенных расстояний.