logo1-color


Решение гидрогеологических задач на рудном месторождении в сложных геологических условиях в зоне многолетней мерзлоты с применением геофизических методов

В статье описан опыт применения комплекса геофизических методов для оценки гидрогеологических условий в сложном геологическом разрезе в зоне многолетнемерзлых пород.Акваториальные геофизические исследования позволили выделить талики под ручьями и оценить их размеры. По результатам зондирований ЗМПП установлено положение гидрогеологически значимого тектонического нарушения в слоистой толще, заверенного гидрогеологическими скважинами.

Ключевые слова: акваториальная и наземная геофизика, талики, зондирования методом переходных процессов, тектоническое нарушение.

Геофизические методы являются неотъемлемой частью общего комплекса методов, применяемых при оценке гидрогеологических условий рудных месторождений.

Наши исследования выполнены на рудном месторождении, расположенном в Восточной Сибири в зоне развития многолетнемерзлых пород. Особенностью месторождения являются сложные геолого-геокриологические условия, что предопределило сильную пространственную изменчивость пород по их физическим свойствам. Отработка месторождения предполагалась карьерным способом. Отметим, что уровень геологической изученности месторождения был высоким, однако гидрогеологические условия были изучены относительно слабо.

Перед геофизикой были поставлены следующие задачи (в скобках – методы их решения):

  • Выделение и оконтуривание возможных подрусловых таликов под имеющимися водотоками. Выделение зон возможной субаквальной разгрузки. (термометрия, кондуктометрия, ВЭЗ).
  • Определение подошвы многолетнемерзлых пород (электрозондирования методом переходных процессов ЗМПП).
  • Уточнение положения предполагаемого тектонического нарушения на борту карьера (высокодетальные ЗМПП).

На рис 1 приведен фрагмент карты фактического материала.

statia-4-ris-1

Термометрия и кондуктометрия были отработаны по всем имеющимся водотокам с шагом по профилю 20 – 25м с измерением температуры воды и придонных отложений (с задавливанием термодатчика на глубину 5 – 7м). Выделение зон субаквальной разгрузки предполагалось преимущественно по термометрии, как относительно отрицательных температурных аномалий для температуры придонных отложений [1], при этом резистивиметрия применялась для оценки минерализации и использовалась как дополнительный метод для выделения возможных зон субаквальной разгрузки.

Зоны субаквальной разгрузки (заметные отрицательные аномалии температуры придонных отложений) не были установлены ни по одному из семи отработанных водотоков. Температура придонных отложений по всем профилям составляла 9 - 12°С и была близка к температуре воды (см. рис.2А). Подобная ситуация типична как при отсутствии субаквальной разгрузки, так и при перетоке поверхностных вод вниз, в подрусловые отложения. Наиболее вероятным представлялся переток вниз, поскольку за время выполнения акваториальной геофизики (июль-август) уровень воды в ручьях заметно упал, а местами ручьи пересохли.

Электроразведка ВЭЗ выполнена как по дну ручьев (шаг 100 – 300м), так и вкрест ручьев с выходом на их борта и обязательным выходом за пределы талика (шаг внутри талика 25 – 50м, после выхода из талика – 100 – 200м). Разносы ВЭЗ составили от АВ=100м по дну ручьев до АВ=500м после выхода из талика на поперечных профилях.

Примеры разрезов приведены на рис. 2.

statia-4-ris-2

Зоны таликов выделены как относительно низкоомные (УЭС = 200 – 500 Омм на фоне зон с УЭС = 1000 – 5000 Омм и более). В плане эти зоны приурочены к долинам ручьев. Глубина до подошвы таликов не превышала 10 – 15м, ширина таликов составила от 50 – 100м до 300 - 400м. Особо отметим, что ни по одному ручью сквозные талики не зафиксированы. Контуры таликов вынесены на схему фактического материала (рис.1).

По предварительным данным, глубина до подошвы мерзлоты составляет около 150-200м. Выделение ее предполагалось по данным ЗМПП, поскольку предполагалось, что талые породы имеют УЭС ниже мерзлых.

Результаты выполненных индукционных зондирований не позволили решить эту задачу. Причиной этого оказалось наличие в разрезе хорошо проводящих горизонтов, проводимость которых по опыту работ может вызываться наличием прослоев с электронной проводимостью (зоны оруденения, графитизированности или углефицированности), изменчивость УЭС которых слабо зависит от температуры. Одновременно с этим анализ положения этих прослоев в разрезе позволил уточнить положение тектонических нарушений.

Рассмотрим особенности применения ЗМПП для уточнения положения тектонического нарушения, имеющего гидрогеологическое значение.

Заданная глубинность исследований составляла 300 м. Детальность работ предписывала шаг по профилю 25 м.

Первое требование определило необходимость использования достаточно большой генераторной петли (100-200 м). Но перекладывать большую петлю с частым шагом очень сложно.

В результате опытных работ была выбрана следующая технология измерений с разнесенными генераторной и приемной петлями. На профиле выкладывается генераторная петля размером 200 х 100 м (длинная сторона вдоль профиля). В центральной части этой петли выполняются измерения в 4 точках с шагом 25 м с измерительной петлей 25 х 25 м. Далее генераторная петля смещается на 100 м и выполняются измерения следующей четверки точек. Для измерений использовался аппаратурный измерительный комплекс TEM-Fast-48. Возбуждающий ток в генераторной петле равнялся 4 А. Максимальное время становления – не менее 2 мс.

Три профиля (1-ЗС ÷ 3-ЗС) были отработаны вкрест предполагаемого нарушения, и один был отработан как увязочный (4-ЗС) через точки, намеченные для бурения гидрогеологических скважин.

Отметим, что практически все кривые становления в разной степени искажены поляризационными процессами, вызванными различными причинами.

На южных окончаниях профилей, поляризационные процессы обусловлены подходящими близко к поверхности сильно поляризующимися породами (зоны оруденения, графитизации или углефицированными породами с проводимостью близкой к электронной). Оценка состава пород выполнена по опыту, поскольку постоянная времени поляризационных процессов большая (2-6 и более мс) и на кривых ВП проявляется сменой знака на больших временах. На рис. 3А приведен пример таких кривых переходного процесса на точках №№ 20 и 23.

statia-4-ris-3

Севернее кривые ЗСБ в разной степени осложнены процессами ВП мерзлотного происхождения с малыми постоянными времени 30-70 мкс. Примеры таких кривых приведены на рис. 3Б. Отметим, что при пересечении предполагаемого тектонического нарушения резко меняется тип кривых ЗСБ.

Практически на всех точках в основании разреза выделяется хорошо проводящее основание с УЭС 1-5 Омм, что соответствует предположительно рудным или графитизированным породам (возможно, углефицированным). Подошва этого проводника с нашей глубинностью (около 300м) не выделена.

Из вышеизложенного очевидно, что положение тектонического нарушения может фиксировалось на качественном уровне, по резкой смене типа кривых.

По результатам количественной интерпретации (программа TEMresearch, ИФЗ РАН) составлены геоэлектрические разрезы, анализ которых показал следующее.

Все субмеридианальные профили отличаются сильной профильной геоэлектрической изменчивостью как по глубине, так и по профилю (см. рис.4).

statia-4-ris-4

В верхней части разреза выделен относительно высокоомный горизонт с УЭС, меняющимся от 150 – 200 Омм до 1500 – 2000 Омм. Изменчивость УЭС по этому горизонту определяется как изменением состава пород, так и изменением геокриологических условий. К сожалению, разделить влияние этих факторов не представляется возможным и, как следствие, выделить в разрезе подошву мерзлоты не удается. В то же время из разрезов видно, что в южной части профилей УЭС заметно ниже (150 – 400 Омм), чем в северной их части (400 – 1500 Омм). Глубина до подошвы этого горизонта увеличивается с юга на север от 20 – 80м до 100 – 200м с уклонами от 0.25 до 0.4.

Ниже по разрезу выделяется слоистая толща с УЭС прослоев от 1 – 10 Омм до 20 – 60 Омм, 100 – 200 Омм и более (до 500 – 1000 Омм). Представляется очевидным, что УЭС этих прослоев определяется преимущественно их составом.

Последний горизонт с глубиной кровли до 300м и более, как правило, имеет УЭС 1 – 5 Омм. Мы предполагаем, что в его составе присутствуют породы с проводимостью, близкой к электронной (при ионной проводимости содержание солей было бы выше 10г/л, что противоречит имеющимся гидрогеологическим данным).

По всем профилям выделены субвертикальные контакты. По каждому из профилей выбраны участки, на которых происходит наиболее значимое изменение по глубине и физическим свойствам. Мы считаем, что именно к этим участкам приурочено наиболее значимые изменения гидрогеологических условий, что позволяет уточнить положение точек для бурения гидрогеологических скважин. Дополнительным критерием явилась резкая смена типа кривых (характера спада) ЗМПП при переходе через зону предполагаемого тектонического нарушения.

Напомним, что на других участках профилей также фиксируются предполагаемые нарушения на различных глубинах, однако изменения там заметно меньше, и, следовательно, гидрогеологическое значение их заметно ниже.

Мы прокоррелировали эти участки по профилям в плане и вынесли эту линию на схему расположения геофизических профилей (см. рис. 1).

Таким образом, наиболее значимые результаты акваториальных и наземных геофизических исследований сводятся к следующему:

  • По результатам донных и наземных ВЭЗ выделены подрусловые талики, глубина которых составляет 10 – 15м, а ширина от 50 – 100м до 300 - 400м. Особо отметим, что ни по одному ручью сквозные талики не зафиксированы. Таким образом, поверхностные и подмерзлотные воды гидравлически не связаны.
  • По результатам акваториальной термометрии и резистивиметрии установлено, что по всем ручьям на исследованной территории происходит переток вниз, в подрусловые талики.
  • По результатам наземной электроразведки ЗМПП выделено тектонического нарушение, имеющего наиболее высокое гидрогеологическое значение на участке исследований.
  • Результаты наземной и акваториальной геофизики использованы при уточнении положения точек для бурения гидрогеологических скважин и составлении геофильтрационной схемы, как основы для геофильтрационного моделирования.

 

Литература:

  1. Методические рекомендации по применению акваториальных геофизических методов при решении гидрогеологических и геоэкологических задач. М., МПР РФ, ГИДЭК, 2004г.