Аннотация: Установлены искажения аномалий ВП от размеров приёмной линии(графика)
Выбор размеров приёмной линии при проведении полевых работ методом вызванной поляризации по схеме срединного градиента
Автор Сидельников Вячеслав Георгиевич
2023 год
Введение
Казалось бы найти месторождение полезного ископаемого проще простого: нужно провести геологическое обследование некоторой территории и задача будет решена. Однако, зачастую названная площадь покрыта слоем четвертичных рыхлых образований, болотами, тайгой и признаки рудоносности площади скрыты под ними, а следовательно открытие месторождений становится проблематичным.
Несколько десятилетий тому назад учёные разработали теорию геофизических методов при поисках и разведке полезных ископаемых, каковыми явились: сейсморазведка, гравиразведка, магниторазведка, электроразведка, радиометрия, скважинные методы, литогеохимическая съёмка по вторичным ореолам рассеяния. Создана аппаратура и методика проведения полевых работ.
Комплекс геофизических и геохимических методов позволил картировать контуры полезных ископаемых под чехлом рыхлых образований.
Были открыты сейсморазведкой структуры, с которыми связаны месторождения нефти и газа на глубинах более 5000 метров.
Гравиразведка позволила открыть 'слепые' интрузивные образования, а так же полиметаллические рудные тела. Кроме того, гравиразведка позволила изучить гравитационное поле Земли, знание которого необходимо при запуске космических кораблей.
Магниторазведка является незаменимым методом при открытии железорудных месторождений, а так же позволила решать задачи общего геологического картирования.
Геохимические методы по вторичным ореолам рассеяния элементов являются очень эффективными при открытии некоторых элементов таблицы Менделеева.
Электроразведка имеет очень много модификаций и является незаменимой при открытии электроннопроводящих зон, с которыми тесно связаны месторождения сульфидного типа меди, свинца, цинка, молибдена, мышьяка и других. Метод позволяет картировать рудные тела небольшой мощности и простирания. Выявлять рудные образования можно до глубин более 500 метров.
Из модификаций рассмотрим метод вызванной поляризации по схеме срединного градиента (ВПСГ). Высокая чувствительность метода вызванной поляризации (ВП) к вкрапленности электронопроводящих минералов в горных породах сделало его важным для поисков месторождений полезных ископаемых, в которых электронопроводящие минералы: сульфиды, магнетит, графит и другие являются искомыми или сопутствуют искомым минералам. Метод ВП реагирует даже на бедную вкрапленность рудных минералов, поэтому наиболее естественным представляется его применение для поисков и оконтуривания широких зон рассеянной сульфидной минерализации в масштабах рудных полей.
Правильность геологической интерпретации данных метода ВП возможна в том случае, если аномалии выявлены во всех деталях. Практически это достигается путём детализации обнаруженных при поисковой съёмке аномалий дополнительными наблюдениями. Распределение наблюдений должно быть таким, чтобы на основании их можно было построить с учётом плавности и закономерности изменения в пределах точности наблюдений только одну аномальную кривую, а не несколько вариантов.
Далее, в тексте будут фигурировать индексы АВ и МN. Поясним, что АВ - это питающая линия, электроды которой отдельно А и В представляют из себя до 100 стальных стержней диаметром 20 мм и длиной 1 метр. Электроды забиваются в грунт, соединяются между собой медной проволокой и для лучшего качества заземлений проводится подсолевание раствором поваренной соли из расчёта 1 пачка на 1 ведро воды. Размеры питающей линии могут изменяться от 1000 и более метров. В электрическую цепь питающих электродов подсоединяется генератор постоянного тока. Ток в цепи поддерживается в основном в размере 15 - 20 ампер и напряжением в 1000 в, а его длительность от 10 и более секунд. После отключения поляризующего тока через 0,5 секунд производится измерение вторичного поля. Интенсивность последнего фиксируется через приёмную линию MN. Каждый из электродов M и N представляет из себя глиняный горшочек, в который заливается медный купорос и эта конструкция вворачивается в почвенный слой, обеспечивая надёжный контакт приёмной линии с поверхностью земли. В электрическую цепь MN включается измерительный прибор, который фиксирует интенсивность первичного и вторичного электрических полей.
Для детального выявления электрических аномалий кажущихся поляризуемости и сопротивления необходимо не только сгущение сети наблюдений, но и достаточно малое расстояние между приёмными электродами MN, при котором аномалии не искажались бы. Теоретически это расстояние должно быть бесконечно малым. При достаточно больших разносах MN аномалии от рудных объектов могут быть полностью потеряны. Разносы MN при выявлении аномалий следует брать наименьшими из необходимых. С увеличением разносов питающей линии АВ увеличивать разносы MN при выполнении метода вызванной поляризации нецелесообразно. Это неизбежно приведёт к искажению аномалий. Следовательно, если при данном выбранном расстоянии между MN и АВ падение потенциала мало и не измеряется, то необходимо увеличивать силу тока в питающей цепи, а не разносы MN.
За оптимальный можно принять разнос MN, примерно равный ожидаемой горизонтальной мощности искомых объектов.
Однако, геоэлектрическая ситуация в реальности бывает достаточно сложной. Имеется ввиду, что геологическая среда иногда обладает очень небольшими сопротивлениями, ожидаемые мощности искомых объектов весьма неопределённы, все ресурсы по увеличению тока в АВ исчерпаны и приходится увеличивать разнос MN, что неизбежно ведёт к искажению аномалий ВП.
Настоящей работой автор задался целью изучить в зависимости от размеров MN искажения аномалий ВПСГ от двухмерных, вертикальных, неограниченный на глубину пластов различной мощности (2b), глубины залегания (h) и интенсивности (М).Данная модификация производительна в применении, обладает большой глубинностью исследований и поэтому нашла широкое применение при поисках электропроводящих руд.
Формулы вычисления аномальных эффектов в этом случае наиболее просты.
Схема исследований следующая. Теоретически вычисляются кривые потенциала 'U' и по нему горизонтальная составляющая напряжённости электрического поля Ех для MN= 0 метров (теоретическая) и для MN =160 метров.
Далее, кривая Ех, полученная для MN = 160м сравнивается с теоретической. определяются искажения в определении глубины залегания (h) пласта, его мощности(2b) и максимальных аномальных значений(М).
Ниже излагается методика вычислений аномалий кажущейся поляризуемости для MN=160м от двухмерного, вертикального, неограниченного на глубину пласта для случаев:
2в = 160м, h= 10, 20, 30, ...160м. Всего 256 вариантов
Методика вычислений аномалий кажущейся поляризуемости для MN=0м, 160м от пласта и построение карт искажений аномальных эффектов
В теоретических основах геофизических методов поисков и разведки полезных ископаемых доказано, что соответственные элементы гравитационного, электрического и магнитного аномальных полей изменяются во внешнем пространстве по одинаковым законам и одинаково зависят от формы, размеров, положения и характера изменения физических параметров обуславливающих их геологических тел.
Теоретическая вычислительная формула для аномалии кажущейся поляризуемости (Ех) от двухмерного, вертикального, неограниченного на глубину пласта имеет вид:
Е =K (arctg (x+b)/h-arctg (x-b)/h) ( 1 )
Для вычисления потенциала U вызванной поляризации использована следующая формула:
U = ∫ Е dx (2)
U = ( (х+в) arctg(x+b)-h/2 ln (h2+(x+b)2 )-
((x-b)arctg(x-b)/h-h/2ln(h2+(x-b)2)
где h - глубина до верхней грани пласта;
в - полумощность пласта;
х - текущая координата
По кривой потенциала для той или иной точки Хi профиля находится ещё раз значение Е по формуле:
ЕMN = К* (Uм-UN)/MN для MN = 160м ( 3 )
Где К называют ценой деления, которая подбирается эмпирическим путём ,чтобы вычисленные значения Е MN соответствовали практическому смыслу. В наших вычислениях автор этих строк принял его равным 5.
Полученные аномалии ЕMN имеют более пологую форму, меньшую интенсивность в сравнении с теоретической .
Если при дальнейших количественных расчётах использовать эти кривые, то будем получать завышенные значения мощности (2в), глубину залегания(h) и заниженную интенсивность аномального эффекта от пласта.
В конечном счёте это может провести к неверному заданию буровых скважин. В статье показана скважина, которая могла бы пробурить истинный объект и 'расплывчатый', который получен при интерпретации кривой Е160. Видно, что во втором случае скважина почти вдвое длиннее, что влечёт за собой излишние материальные затраты.
Используя вышеприведённые формулы построены номограммы, перевода величин 2в, h, М в их истинные значения .Номограмма представляет собой планшет, на котором в горизонтальном направлении от точки О до 160 м через 10 метров отмечены эмпирические значения мощности пласта(2b). По вертикали вниз от точки О до 160 через 10 метров показаны также эмпирические значения глубины залегания пласта h. На рабочем поле планшета проведены поправочные коэффициенты за 2b , h, М,вычисленные для MN =160 метров.
Поправочные коэффициеты за мощность и глубину залегания пласта составили соответственно 0,53 и 0,92 , а истинные размеры 53м и 74м.
Подобные рассуждения проведены для всех 256 вариантов и построена номограмма перевода эмпирических значений h и 2в в истинные. Подобная методика позволяет определить значения глубин с высокой точностью, чего не позволяет графический способ.
При проведении съёмки методом ВСПГ не имеет смысла ограничивать длину линии MN при неблагоприятных геоэлектрических условиях. Её размер должен быть таким, чтобы была возможность измерения разности потенциалов ∆Vпри ∆Vвп, по которым вычисляется кажущаяся поляризуемость .Несколько слов о предельных размерах приёмной линии .
Расчёты показывают, что наиболее слабые аномалии отмечаются ,если пласт имеет глубину залегания 160 м и мощность-10 м.
В природной среде наблюдаемые аномалии фиксируются на фоне от 1- 2%. Для Семипалатинской области этот параметр составляет 1- 2%, для Лениногорского района-4%. Для каждого размера глубины, мощности пласта и наблюдаемого фона кажущейся поляризуемости будет свой размер приёмной линии
Расчёты МN проведены для всех 256 вышеперечисленных вариантов и составлены номограммы МN для фона 1%, 2%, 4% .
Следует отметить ,что фон поляризующейся среды как бы маскирует аномальный эффект и при МN=100м наибольшие искажения аномалии претерпевают при мощности пласта от 10 до 40 м и его глубине залегания от 40 до 160 м. При фонах 1% и 2% , МN=100м практически искажения не наблюдаются .
При проведении полевых работ исследования методом ВПСГ выполнялись с МN размером 80-100м, в зависимости от масштаба съёмки, и как показывают настоящие исследования, искажающие эффекты были минимальны.
На Вавилонском месторождении Рудного Алтая были проведены полевые исследования методом ВПСГ с размерами приёмной линии 20м и 120м . Кривые кажущиеся поляризуемости теоретические и эмпирические для МN=120м совпали с точностью относительной ошибки равной 9,1% (напомним, что инструктивное требование составляет 10% ), что говорит о правильности наших теоретических предположениях.
Выводы и рекомендации
В теоретических основах геофизических методов, которые применяются при поисках и разведке полезных ископаемых, доказано, что соответственные элементы гравитационных, электрических и магнитных аномальных полей изменяются во внешнем пространстве по одинаковым законам и одинаково зависят от формы , размеров, положения и характера изменения физических параметров обуславливающих их геологических тел.
Приведены вычислительные формулы, по которым вычислялись аномалии кажущейся поляризуемости от двухмерного, вертикального, неограниченного на глубину пласта теоретические Е и эмпирические Е MN ( с MN=160 м).
Показана методика определения глубины залегания ( h ) и мощности ( 2в ) пласта с приёмной линией, равной 160 м для случаев
Показано, что аномалии ЕMN с MN равной 160 м имеют более пологую форму, меньшую интенсивность в сравнении с теоретической и, если их использовать для дальнейших количественных расчётов, то будем получать завышенные значения мощности (2в ) и глубину залегания ( h ) геологического тела, с которым связано месторождение полезного ископаемого .В настоящей работе показана скважина, которая могла бы быть пробурена с меньшими затратами, если ориентироваться на истинную конфигурацию объекта
Показана технология вычисления эмпирических значений (2b ) и ( h ) для случая, когда МN=160м
Составлена номограмма перевода ( 2B ) и ( h ) в их истинные значения
В природных условиях наблюдаемые аномалии фиксируются на определённом фоне кажущейся поляризуемости, характерной для геологической среды данного района исследований. Фон как бы маскирует аномальный эффект ,и чем он больше, тем труднее его выявить. На рисунках 7,8,9 показана технология вычисления эмпирических размеров приёмной линии с учётом фона в 1%, 2% и 4%
В работе показано,что с размером питающей линии равной 100м и менее при фоне 2% можно зафиксировать с высокой долей вероятности пласт мощностью до 20м и глубиной залегания от 70 м до 160м . Труднее выявить объект, если фон вмещающей среды составляет 4%. Здесь зоной уверенного поиска является пласт мощностью 30м и глубиной залегания от 40м до 160м при размере приёмной линии также в 100м
Следует отметить, что для повышения поисковой эффективности геофизических исследований, на практике всегда применяют и другие методы , основанные на других физических принципах, например , метод естественного поля, метод переходных процессов, методы сопротивлений, гравиразведка, литогеохимическая съёмка по вторичным ореолам рассеяния меди,свинца,цинка,молибдена,мышьяка и других металлов. Такое комплексирование повышает вероятность обнаружения полезных ископаемых. Проведены далее исследования
на предмет изменения экстремума аномалий для МN=160м. Этот параметр уменьшается с увеличением размера приёмной линии. Если эти изменения не учитывать, то будем получать заниженные значения избыточной поляризуемости геологического тела, а это в свою очередь ведёт к занижению запасов минерального сырья полезного ископаемого . Избыточная поляризуемость находится в прямой зависимости от содержания полезных компонентов в рудном теле.
На Вавилонском месторождении Рудного Алтая были проведены работы методом ВПСГ для МN=20м и 120м и отстроены графики кажущейся поляризуемости Е20 и Е120 ).Автором этих строк выполнены расчёты эмпирической кривой кажущейся поляризуемости для МN=120м и произведено сравнение с практической . Средняя относительная погрешность составила 9,1%,что вполне удовлетворяет инструктивным требованиям. Это подтверждает правильность описанной выше методики по устранению искажений, связанных со значительными размерами приёмной линии.
Полевые работы методом ВПСГ проводились с МN=20м,40м,50м,100м в зависимости от масштаба исследований. Аналитические расчёты, приведённые в данной статье показывают правильность выбранной методики полевых исследований.
Полевые работы методом ВП проводились автономными измерителями, который управлялись по радиосигналу с генераторной установки. Эта идея принадлежала Голубцову В.Е. (в 1971 году - главный геофизик Электроразведочной партии Алтайской геофизической экспедиции). В этом случае измерительные приборы находятся непосредственно на профиле исследований. Подключение приёмной линии через 0,5 с. после выключения тока для измерения ∆VВП осуществлялось при помощи электронного ключа (приставки), который срабатывал от радиосигнала приёмной радиостанции, находящейся у оператора на профиле. Передающая радиостанция могла быть установлена в любом месте, но вблизи подводящих проводов питающей линии АВ. В разрыв питающей линии включались обмотки реле. Контакты реле замыкали или размыкали цепь питания передающей радиостанции синхронно с прохождением поляризующего тока. Время срабатывания электронного ключа (приставки) регулировалось в аппаратурной мастерской. Были изготовлены приставки с временем задержки 0,1; 0,2; 0,3; 0,5; 1; 2; 3; 5; 10 секунд. То есть мог быть зафиксирован процесс спада вызванной поляризации.
Осуществление этой идеи позволило существенно увеличить производительность метода ВП, поскольку на участке могло работать одновременно 2,3,4 и более измерителей (теоретически сколь угодно большое число).
Для работы в горно-таёжной местности были смонтированы компактные генераторные установки на санях. Вращение генератора осуществлялось от дизеля сварочного агрегата (САК). Такая генгруппа разбиралась и по частям доставлялась в любую точку участка, доступной для посадки вертолёта МИ-4 или МИ-8.
Такими установками отработаны в условиях горно-таёжной местности Лениногорского района участки Белопорожно-Шумишенский, Карагужихинский, Сакмарихинский, Снегирихинский, Календарский и многие другие, каждый площадью 150 и более кв.км. за двухгодичный цикл работ. В первый год проводились исследования ВП, геохимические методы по вторичным ореолам рассеяния, магниторазведка. Во второй год на выявленных геофизических аномалиях было сконцентрировано внимание геологов, что позволило качественно провести общие поиски месторождений полезных ископаемых в труднейших условиях горно-таёжной местности.
С целью повышения геологической эффективности геолого-геофизических исследований группой радиотехников конструкторского бюро НИИ ВПК г. Красноярска в 1980 году Алтайской ГГЭ предлагалось выполнять метод ВПСГ с использованием импульсных генераторов. Идея метода такова. Генератор постоянного тока небольшой мощности (около 5квт) заряжает конденсатор, который в определённый момент разряжается, посылая электрический импульс высокого напряжения через питающие электроды в недра земли. Процесс измерения первичного и вторичного электрического поля аналогичен вышеописанному.
В случае, если на участке работ имеются низкоомные рыхлые образования предлагалось кроме основного импульса посылать в недра земли импульс тока обратного знака определённой длительности. Это даёт возможность свести экранирующее влияние покровных отложений к минимуму.
Вес предлагаемой аппаратуры в целом не должен превышать 40кг.
Этими же специалистами предлагалась разработка аппаратуры метода ЕЭМПЗ - зондирование геологической среды при помощи естественного электромагнитного поля. Идея метода такова: В земной коре постоянно, на любой глубине от поверхности земли существуют блуждающие электрические токи, которые непрерывно поляризуют электронопроводящие объекты. Эти объекты могут быть месторождениями сульфидных руд. Предполагаемая аппаратура представляет из себя компьютер, который фильтрует случайные помехи и фиксирует устойчивый сигнал, связанный с электронно-проводящими рудами. К измерительной аппаратуре подсоединяется приёмная линия, в которой заземлителями являются неполяризующиеся электроды. Время стоянки на одной точке примерно 10 минут. Результаты, полученные методом ЕЭМПЗ аналогичны параметру кажущейся поляризуемости в методе ВП. Тому пример - Вавилонское и Камышенское месторождения в Прииртышском рудном районе ВКО республики Казахстан, где проведены оба метода.
В случае ЕЭМПЗ нет необходимости в монтаже питающей линии.
В своё время за создание аппаратуры ВП на базе импульсного генератора и ЕЭМПЗ руководитель КБ НИИ Шайдуров Р. запросил три миллиона рублей на период 1981-1982 годов, то есть на 2 года.
Горбачёвская перестройка не позволила осуществить задуманное.
Список использованной литературы
Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. Издательство НАУКА Москва 1977 г.
Комаров В.А. и др. Теоретические основы интерпретации наблюдений в методе вызванной поляризации. Издательство НЕДРА, Ленинград 1966 г.
Миков Д.С. Методы интерпретации магнитных аномалий. Издательство Томского университета .Томск 1962 г.
Непомнящих А.А. Интерпретация геофизических аномалий. Издательство НЕДРА, Ленинград 1964 г.
Инструкция по электроразведке ч.2 .Методы переменных электромагнитных полей и вызванной поляризации. Издательство НЕДРА Москва 1965 г.