Содержание к диссертации
Введение
1 Основные тенденции развития прикладной геофизики при изучении малых глубин 11
1.1 Области применения, цели и задачи малоглубинных геофизических исследований 11
1.2 Методы и технологии малоглубинной геофизики 16
1.3 Изучение верхней части разреза с помощью естественных электромагнитных полей 18
1.3.1 Структура природных и искусственных сигналов электромагнитного поля Земли в частотном диапазоне 1-100 000 Гц 18
1.3.2 Обзор и сравнительный анализ серийной аппаратуры АМТЗ и радиокип 27
2 Разработка опытной малогабаритной аппаратуры регистрации геофизических сигналов «ОМАР-2м» 33
2.1 Технические характеристики и возможности аппаратуры «ОМАР-2м» 34
2.2 Датчики переменного магнитного поля 38
2.3 Способы расширения динамического диапазона измеряемых сигналов 42
2.4 Методика работ с использованием аппаратуры «ОМАР-2м» в качестве аудиомагнитотеллурической станции 49
2.4.1 Получение частотных спектров электромагнитных сигналов 50
2.4.2 Способы борьбы с промышленными помехами и перспективы их использования 55
2.4.3 Основные расчетные формулы 59
2.4.4 Количественная интерпретация АМТЗ 60
2.5 Примеры применения аппаратуры «ОМАР-2м» 64
2.5.1 АМТЗ на контрольном полигоне Института Геофизики УрО РАН 64
2.5.2 Изучение участков, перспективных на золотоносное оруденение, шахты "Северная" Березовского рудоуправления 69
Выводы 76
3 Методика комбинированного использования преломленных и поверхностных волн 77
3.1 Поверхностные волны 77
3.2 Многоканальный анализ поверхностных волн (MASW) 80
3.3 Стандартные схемы наблюдений и способы обработки МПВ и MASW 85
3.4 Система комбинированных наблюдений и технология оконного суммирования сейсмограмм в спектральной области 89
3.5 Поведение упругих характеристик в реальных средах 95
3.6 Примеры работ по идентификации подземных пустот 97
3.6.1 Локализация подземного перехода плотины Городского пруда г. Екатеринбурга по поведению коэффициента Пуассона 97
3.6.2 Изучение подработанных территорий Буреинского каменноугольного бассейна 99
3.6.3 Поиск старых горных выработок Березовского рудника 102
3.6.4 Подземный ход заброшенного монастыря в Челябинской области 105
Выводы 107
4 Изучение верхней части разреза с помощью геофизических методов 108
4.1 Методика и техника исследований 108
4.2 Ложковые золотоносные россыпи прииска Турчик 112
4.3 Палеорусло ручья Березовского рудного поля 118
4.4 Террасовая россыпь золота реки Чалляна, Боливия 121
4.5 Техногенные россыпи Дальнего Востока 124
4.6 Полдневское россыпное месторождение демантоидов 128
4.7 Обследование городских плотин Екатеринбурга 134
4.8 Инженерно-геологические изыскания под строительство 141
4.9 Опытно-методические работы на хромитовых объектах 143
4.10 Рациональный комплекс геофизических методов при малоглубинных исследованиях 148
Заключение 151
Список литературы 153
- Структура природных и искусственных сигналов электромагнитного поля Земли в частотном диапазоне 1-100 000 Гц
- Получение частотных спектров электромагнитных сигналов
- Система комбинированных наблюдений и технология оконного суммирования сейсмограмм в спектральной области
- Полдневское россыпное месторождение демантоидов
Введение к работе
Актуальность темы. После кризиса 90-х годов в области геологического изучения недр наблюдается некоторое оживление. Не считая поисков и разведки нефтегазовых месторождений, современные геологические исследования носят в основном малоглубинный характер. Это связано в первую очередь с экономической рентабельностью последующей добычи минерального сырья. Геофизические методы исследований характеризуются высокой производительностью и относительно низкой стоимостью, что позволяет прогнозировать повышение спроса на них, при условии нормального развития экономики. В этом случае малоглубинные геофизические работы будут востребованы как в горно-геологической отрасли, так и в сфере инженерных изысканий.
Одними из главных особенностей малых глубин являются разнообразие и быстрая изменчивость свойств геологической среды. К геофизическим исследованиям здесь предъявляются высокие требования по разрешающей способности и детальности наблюдений. Для того чтобы наиболее полно и качественно выполнить поставленные геологические задачи, необходимо повышать информативность геофизических исследований за счет разнообразия состава и увеличения объема работ. Данная ситуация вынуждает обратить внимание на быстроту получения достоверных данных при использовании различных методов и методик исследований, а также на экономичность технического оборудования. В связи с этим достаточно актуальным направлением является повышение эффективности малоглубинных геофизических исследований за счет разработки недорогой универсальной аппаратуры, применения новых технологий обработки данных и использования оптимального комплекса геофизических методов.
Цель диссертационной работы: разработка полевой аппаратуры, методики наблюдений и комплексирования геофизических методов, а также нахождение новых приемов обработки и интерпретации полученных данных для повышения геологической информативности малоглубинных геофизических исследований.
Основные задачи.
Разработка, изготовление и испытание макета широкополосного многофункционального приемника электрических, магнитных и сейсмоакустических сигналов.
Изготовление и калибровка датчиков магнитного поля для методов АМТЗ (аудиомагнитотеллурического зондирования) и радиокип СДВР (радиокомпарации и пеленгации сверхдлинноволновых радиостанций).
Разработка новой методики наблюдения и интерпретации сейсморазведочных данных с одновременным использованием продольных и поперечных волн.
Опробование новой аппаратуры, методических приемов и способов обработки данных на контрольных интерпретационных профилях.
Анализ возможностей отдельных геофизических методов и выбор рационального комплекса исследований при изучении верхней части геологического разреза (ВЧР).
Защищаемые положения.
-
Разработанная, изготовленная и опробованная на практике широкополосная приемно-регистрирующая аппаратура, отличающаяся портативностью и малой себестоимостью, позволяет оперативно выполнять задачи электрометрии и сейсмометрии.
-
Предложенная технология совместной обработки данных методов преломленных волн и многоканального анализа поверхностных волн позволяет изучить упругие характеристики геологической среды (скорости продольных и поперечных волн, коэффициент Пуассона) в естественном залегании для решения инженерно-геологических задач.
-
На основе реализации возможностей новых технологий обоснован рациональный комплекс геофизических методов для изучения верхней части геологического разреза, позволяющий повысить достоверность и информативность исследований.
Научная новизна.
Разработана, изготовлена и испытана в производственных условиях новая геофизическая аппаратура широкого применения с датчиками электромагнитных сигналов.
Впервые предложены и осуществлены аудиомагнитотеллурические измерения в движении.
Впервые предложен новый электрометрический параметр для выявления поляризационных свойств разреза – электрический параметр гармоник (Пг).
Для малых глубин разработан способ повышения горизонтального разрешения многоканального анализа поверхностных волн (MASW) на базе алгоритма оконного суммирования спектров скоростей релеевских волн.
В ходе выполнения исследований на ряде объектов показана эффективность обнаружения подземных пустот по поведению коэффициента Пуассона.
На ряде альпинотипных массивов показана перспективность изучения хромового оруденения с помощью индукционной электроразведки и комбинированной малоглубинной сейсморазведки.
Практическая значимость.
Созданный макет широкополосной аппаратуры «ОМАР-2м» успешно испытан на контрольном полигоне Института геофизики УрО РАН и применялся автором в производственных условиях при:
изучении интервалов, перспективных на золотоносное оруденение в горных выработках шахты «Северная» Березовского рудника [2];
опытных геофизических работах по выявлению коренных источников Полдневского месторождения демантоидов [3];
инженерно-геофизическом обследовании плотин г. Екатеринбурга [6, 7];
геолого-геофизических поисковых работах на хромиты в пределах ультраосновных массивов – Наранского (Монголия) и Рай-Из (Урал);
изучении геоэлектрического разреза вблизи трасс магистральных газопроводов Тюменской, Свердловской и Челябинской областей.
Разработанная аппаратура «ОМАР-2м» позволяет выполнять исследования методами АМТЗ, радиокип СДВР, переменного естественного электрического поля (ПЕЭП), спектрального анализа поверхностных волн (SASW), а также может применяться как сейсмоэлектрическая или сейсмоакустическая станция. В комплекте с электроразведочным генератором сигналов аппаратура может выступать в качестве универсального приемника электромагнитных методов разведки [10].
Технология совместной обработки данных сейсморазведки методом преломленных волн (МПВ) и многоканального анализа поверхностных волн (MASW) была успешно применена автором на практике при:
изучении территории под строительство обогатительной фабрики шахты «Северная» ОАО «Ургалуголь» в Верхне-Буреинском районе Хабаровского края [1];
поиске старых горных выработок Березовского золоторудного месторождения (Свердловская обл.) [4];
опытно-методических работах в пределах хромитоносных участков Ключевского и Первомайского офиолитовых массивов Среднего Урала;
инженерно-геологических работах на участках планируемого строительства ряда объектов Свердловской и Челябинской областей.
Разработанная технология обработки сейсмических данных позволяет определять коэффициент Пуассона в естественном залегании и идентифицировать подземные пустоты различного происхождения.
Предложенный рациональный комплекс геофизических методов по изучению верхней части геологического разреза может с большой эффективностью применяться при:
изучении россыпных месторождений благородных металлов и драгоценных камней;
поиске и разведке коренных рудных месторождений, залегающих на небольших глубинах (от 2 до 30 метров);
инженерно-геологических изысканиях.
Личный вклад автора.
Работа подготовлена по результатам исследований, проведенных непосредственно автором в период с 1995 по 2011 год. Полевые работы на месторождениях золота выполнялись в содружестве с В.П. Бакаевым (ИГф УрО РАН), обследование плотин и инженерно-геологические изыскания - совместно с А.Н. Назаровым (ПИИ «ГЕО»). Вопросы обработки сигналов решались вместе с А.В. Давыдовым (УГГУ). Личный вклад автора:
постановка задач исследований;
разработка, изготовление и испытания на практике новой многофункциональной аппаратуры;
разработка технологии совместного выполнения и обработка результатов сейсморазведки МПВ и MASW;
предложен способ локализации подземного пустотного пространства;
непосредственное участие в проведении полевых работ;
обработка и интерпретация полученных материалов.
Апробация работы и публикации. Основные результаты исследований отражены в 12 технических отчетах, написанных автором и находящихся в фондах горно-геологических и проектно-изыскательских организаций.
Результаты работы докладывались и обсуждались на Международном научно-промышленном симпозиуме «Уральская горная школа – регионам» (УГГУ, 21-28 апреля 2009); Пятых научных чтениях памяти Ю.П. Булашевича (ИГФ УрО РАН, 6-10 июля 2009); Шестых научных чтениях памяти Ю.П. Булашевича (ИГФ УрО РАН, 12-14 сентября, 2011).
По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, из которых 3 работы напечатаны в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией (ВАК), подана заявка на изобретение.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 82 наименований. Диссертация изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунка, 5 фотографий и 8 таблиц.
Благодарности. Автор благодарит своего научного руководителя д.г-м.н., профессора И.Г. Сковородникова за ценные замечания; своих полевых коллег В.П. Бакаева и А.Н. Назарова за совместную работу. А также выражает признательность к.г-м.н. Н.В. Вахрушевой, д.т.н. А.И. Человечкову, д.т.н. Л.Н. Сенину, к.т.н. А.Н. Ратушняку и к.т.н. А.Д. Коноплину за неформальные консультации и дискуссии по разным вопросам.
Я всегда буду благодарен своему отцу д.г-м.н. профессору А.В. Давыдову за понимание.
Структура природных и искусственных сигналов электромагнитного поля Земли в частотном диапазоне 1-100 000 Гц
Электромагнитные сигналы в интервале 1-100 000 Гц захватывают несколько частотных диапазонов: волны сверхнизких (ULF) и крайне низких частот (ELF), радиодиапазоны сверхдлинных (СДВ) и длинных волн (ДВ) (табл.1).
Основной естественный источник энергии электромагнитных колебаний в диапазонах КИЧ и СДВ - это энергия разрядов молний ближних и дальних гроз. Электромагнитные колебания грозового происхождения, называются атмосфериками. Еще одним естественным источником электромагнитных колебаний являются собственные излучения околоземной плазмы, возникающие из-за различного рода возмущений областей магнитосферы и ионосферы.
На Земле в каждый данный момент бушует не менее 100-300 гроз (до 1500), средняя интенсивность разрядов оценивается величиной около 50-100 молний в секунду. Поэтому в любой точке земного шара можно практически непрерывно регистрировать атмосферики. По поверхности планеты грозы распределяются неравномерно. Над океанам гроз наблюдается приблизительно в десять раз меньше, чем над континентами. В тропической и субтропической зоне (от 30 северной широты до 30 южной широты) сосредоточено около 78 % всех молниевых разрядов. Основная часть атмосфериков приходят из мировых центров грозовой активности, в которых выделяется большая часть энергии электромагнитных колебаний. Эти центры расположены в тропической Африке, Индонезии, Центральной и Южной Америке (в бассейне Амазонки), а также в горных районах Гималаев и Кордильер (рис. 1-1).
Интенсивность гроз следует за солнцем: максимум гроз приходится на лето и дневные послеполуденные часы. В полярных районах Арктики и Антарктики гроз практически не бывает.
Разряд молнии имеет 2 стадии: предразряд и основной разряд, различающиеся силой тока и спектром излучаемых радиоволн (рис. 1-2). Основной разряд излучает сверхдлинные волны, а предразряд — длинные, средние и даже короткие волны. Максимум энергии электромагнитных колебаний лежит в области частот порядка 4—8 кГц. Если атмосферики создаются местными грозами, то их спектр определяется только спектром излучения грозового разряда. Если же источник — удалённая гроза, то спектр определяется также и условиями распространения радиоволн от очага грозы до места наблюдения. Из-за большего затухания высокочастотных составляющих электромагнитных волн, спектральный состав удаленных гроз смещается в более низкочастотную область. Электромагнитные волны низких частот распространяются вокруг планеты в гигантском сферическом резонаторе между Землей и её ионосферой.
Если электромагнитная волна после огибания земного шара снова совпадает с собетвенной фазой, то возникают стоячие волны на характерных частотах, связанных с радиусом Земли. Эти резонансные частоты были теоретически предсказаны профессором В.О. Шуманом в 1952 году [77] и обнаружены экспериментально М. Балсером и С.А. Вагнером в 1960 году, при изучении электромагнитных эффектов от высотных ядерных взрывов [60]. Увеличение интенсивности поля в резонаторе Земля - ионосфера наблюдается на частотах 8, 14, 20, 26, 32 и 40 Гц. На более высоких частотах резонансные явления обнаружить затруднительно из-за влияния промышленных помех. Для первого резонанса Шумана возможны вариации в пределах 7-11 Гц, но большей частью в течение суток разброс резонансных частот обычно лежит в пределах ± (0,1-0,2) Гц. Спектральная плотность колебаний составляет 0,1 мВ/м. Изменения интенсивности поля в диапазоне 5-40 Гц коррелируют с максимумами грозовой активности в основных центрах [59]. Интенсивность естественного поля в этом диапазоне может изменяться более чем в два раза в течение еуток. Во время магнитных бурь и повышенной солнечной активности интенсивность поля в низкочастотном диапазоне также значительно возрастает. С ростом частоты спектральная плотность естественного электромагнитного поля уменьшается, и достигает минимума на частотах 2-5 кГц. На основании большого числа наблюдений для диапазона чаетот 5-2000 Гц получена эмпирическая зависимость спектральной плотности шумовой и импульсной составляющей поля от частоты [77]:
На самом деле характер спада немного сложнее: амплитуда шумового магнитного поля на частоте 1 Гц составляет около 1 пТл и снижается со скоростью 10 дБ/декаду до частоты 100 Гц, в диапазоне 100-2000 Гц наклон характеристики составляет около 15—20 дБ/декаду.
Расстояние от поверхности Земли до нижней границы ионосферы составляет 60—100 км. Это расстояние имеет тот же порядок, что и длина СДВ, так что волны распространяются между двумя близко расположенными полупроводящими концентрическими сферами, одной из которых является Земля, а другой—ионосфера. Условия распространения при этом примерно такие же, как и в диэлектрическом волноводе. Как и во всяком волноводе, можно отметить оптимальные волны—волны, распространяющиеся с наименьшим затуханием, и критические волны—волны с предельной длиной волны, которые еще могут распространяться. Для волновода, образованного Землей и ионосферой, критической является волна длиной около 100 км (частота 3 кГц), к которой приурочен минимум амплитудного спектра. Оптимальными являются волны длиной 25—35 км (частотой 8,5-12 кГц), здесь в спектре наблюдается значительное увеличение интенсивности поля, связанное с атмосфериками. После локального максимума на частоте около 10 кГц, следует спад спектральной плотности шумов с наклоном 20 дБ/декаду в сторону высоких частот. При общей тенденции уменьшения спектральной плотности поля от низких частот к высоким, спектр поля атмосфериков почти всегда имеет большую неравномерность, вызванную состоянием волновода Земля -ионосфера. Так как распространение низкочастотных волн определяется состоянием ионосферы, интенсивность поля атмосфериков зависит от времени суток и времени года (рис. 1-3). Ночью поглощение поля в волноводе меньше и интенсивность поля больше, чем днём, а зимой меньше, чем летом [81]. Кроме того, интенсивность естественного поля в аудиомагнитотеллурическом диапазоне также зависит от широты и в общем случае уменьшается с увеличением широты, но иногда наблюдается обратная закономерность.
Значительная энергия электромагнитного поля в диапазоне частот 50 - 1000 Гц определяется техногенными источниками - главным образом она сосредоточена в узкой полосе частоты питающей сети 50 Гц (или 60 Гц) и их гармоник. Спектральная плотность шумов техногенных источников на этих частотах может на несколько порядков превышает спектральную плотность естественного поля.
Следующим важным источником электромагнитных сигналов искусственного происхождения являются СДВ радиостанции. Их диапазон вешания находится в пределах 10-30 кГц. Для радиоволн с частотой менее 30 кГц токи проводимости существенно преобладают над токами смещения, благодаря чему при распространении поверхностной волны происходит лишь незначительное поглощение энергии. Кроме того, сверхдлинные и длинные волны хорошо дифрагируют вокруг сферической поверхности Земли. Оба эти фактора обусловливают возможность распространения СДВ на расстояние до нескольких тысяч км. Начиная с расстояния 300—400 км, помимо земной волны, присутствует волна, отраженная от ионосферы. С увеличением дальности напряженность электрического поля отраженной от ионосферы волны увеличивается, и на расстояниях 700—1000 км напряженности полей земной и ионосферной волн становятся примерно равными. Суперпозиция этих двух волн дает интерференционную картину поля (рис. 1-4).
На расстоянии свыше 2000—3000 км земная и ионосферная волны не проявляются по отдельности. Распространение происходит подобно атмосферикам в сферическом волноводе Земля - ионосфера. Основное преимущество сигналов СДВР - это большая устойчивость напряженности электрического поля, которая не подвержена случайным изменениям и мало меняется в течение суток и в течение года. Наиболее мощные передатчики могут обеспечить достаточную для приема напряженность поля на расстоянии более 10 000 км. В настоящее время СДВР применяются в системах радиосвязи для подводного флота, радионавигации и передаче сигналов эталонных частот и единого времени (табл. 2).
Получение частотных спектров электромагнитных сигналов
В качестве управляющей программы для регистрации и предварительной обработки данных использовано программное обеспечение SpectraLAB фирмы Sound Technology Inc. (США). Программа может в режиме реального времени проводить визуализацию, обработку и запись сигналов, поступающих на вход звуковой карты ноутбука. Существует множество других стандартных программ, позволяющих выполнять все необходимые функции, например SpectraPLUS, SpectraRTA, Spectrum Lab, FFTScope и т.п. Кроме того, хорошие инструменты по регистрации и анализу сигналов предоставляет среда программирования MATLAB. Главным назначением программы SpectraLAB является расчет амплитудных и фазовых спектров сигналов, на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ). Вид входных электромагнитных компонент поля во временной области показан на рис. 2-Ю.
Перечислим основные характеристики и возможности используемого программного обеспечения SpectraLAB:
поддержка 8/16/24-битных АЦП с частотой дискретизации до 192 кГц;
режимы работы: реальный масштаб времени с буферизацией данных, запись данных, постобработка;
каналы: два измерительных и два канала обработки, вычислительные действия с каналами (осреднение, деление, перекрестные спектры, когерентность);
визуализация: временной ряд, амплитудный спектр, фаза сигнала, спектрограмма (водопад), ЗО-поверхность;
набор спектра: пиковый, линейный, экспоненциальный, векторный; со спектральной взвешивающей фильтрацией;
метод сглаживания: Бартлетта, Блэкмана, Кайзера, Хеннинга, Хэмминга, Парзена, линейный, триангуляционный;
масштабирование: линейное, логарифмическое, октавное (1/1, 1/3, 1/6, 1/9, 1/12, 1/24, 1/48, 1/96);
специальные виды обработки: преобразование Гильберта, интегрирование;
амплитудная калибровка каналов: среднеквадратическое значение, пиковый уровень, двойная амплитуда;
единицы измерений: вольты, милливольты, децибелы, пользовательские единицы;
сервис: курсорные измерения, маркеры, дополнительные меню, запоминание графиков, изменение цветовых схем окон;
импорт и экспорт текстовых и wav-файлов, копирование в буфер табличных данных и графических изображений;
дополнительные возможности: регистратор данных, срабатывание по триггеру, генератор сигналов, измерители различных характеристик сигналов (мощность, нелинейные искажения, отношение сигнал/шум и др.)
Как видим, программа содержит все необходимые функции для получения и визуализации спектров, отличается простотой и удобством в работе. Во время измерений создается временный файл аудио-потока, который можно сохранить в двоичном (BIN), текстовом (ТХТ), или аудио (WAV) файле. SpectroLAB не имеет избирательных фильтров, поэтому в случае высокого уровня промышленных помех, необходимо сохранять временные аудио-файлы, для их обработки в других программах. После необходимой отбраковки и фильтрации, файлы можно опять загрузить в SpectroLAB. Полученные спектры в табличном виде обычно переносятся в MS Excel для дальнейших операций обработки. Стандартным результатом БПФ "по умолчанию" является последовательность комплексных коэффициентов с линейным шагом по частоте, в то время как для интерпретации кривых АМТЗ требуется логарифмический шаг. В программе SpectroLAB имеется возможность задания логарифмической шкалы частот с равномерными (долеоктавными) отчетами (рис. 2-11.). При этом приходится увеличивать величину массива первичных данных, включаемых в обработку, что сказывается на быстродействии вычислений. Количество отсчетов на октаву можно выбрать из списка вариантов, составленного в соответствии со стандартом ISO. Наиболее часто используемые значения: 3, 6 и 9 отсчетов на октаву (1/3, 1/6 и 1/9 - октавные полосы).
В режиме реального времени, более наглядно работать непосредственно с отношениями амплитудных спектров электрического и магнитного каналов, которые являются ничем иным, как импедансом среды (рис. 2-12). Таким образом, мы сразу получаем представление о качественном характере изменений геоэлектрического разреза. При наборе спектра в режиме накопления, можно визуально контролировать время измерений, по истечении которого перестают сказываться случайные флуктуации отчетов. Особенно эффективно наблюдение за фазовым спектром сигналов (рис. 2-13), до его полной нормализации (2-3 минуты).
И несколько слов об аудиомагнитотеллурической регистрации в движении. Очевидно, что такие измерения возможны только с использованием стелющейся электрической линии. Запись возможна как на МРЗ-плейер, так и на ноутбук. Для привязки к местности, у аппаратуры «ОМАР-2м» предусмотрена кнопка "Отметка", при нажатии которой, в записи появляются своеобразные маркеры, которыми можно фиксировать характерные точки. Из-за сильной флуктуации отсчетов понадобится 10-20 кратное осреднение на выбранном интервале шага съемки. Если выбрать шаг равный 1 метру, при скорости движения 1 м/с и частоте дискретизации 32 кГц, понадобится как минимум 2048 отчетов для БПФ. Это ограничит НЧ-диапазон, при использовании 1/3 - октавной шкалы, частотой 160 Гц. Таким образом, регистрируемый диапазон частот составит 160 - 16000 Гц, количество частотных полос -21. Отсюда следует вывод, что съемка в движении возможна в рекогносцировочных целях, при этом снижается глубинность и точность измерений.
Система комбинированных наблюдений и технология оконного суммирования сейсмограмм в спектральной области
Если использовать стандартную систему наблюдений МПВ (см. рис. 3-3) и обработать ее с помощью стандартного MASW, то на одной стоянке мы получим вертикальное распределение Vs по существу в одной точке (в центре). Для начала попробуем повысить горизонтальное разрещение за счет сокращения вдвое длины участка обрабатываемого профиля. Принятая в инженерной сейсморазведке, стандартная установка МПВ содержит 24 сейсмоприемника, будем включать в обработку только 12 СП. Это ухудшит качество дисперсионных кривых, но зато увеличит количеетво точек зондирования на стоянке с одной (т.О) до трех (т.1, т.2, т.З) (рис. 3-9).
Изменение вида спектров фазовых скоростей при обработке по 24 трассам (СП 1-24) и 12 трассам (СП 7-18), отнесенных к одной и той же точке зондирования (т.О = т.2) показаны на рис. 3-Ю. Заметно, что в 12-канальном варианте качество выделения разных мод релеевских волн понизилось. Чтобы повысить качество данных, проведем накопление сигналов, за счет использования записей с других ПВ, и таким образом статистически скомпенсируем уменьшение отношения сигнал-шум. При схеме наблюдения принятой в МПВ, микширование трасс во временной области не возможно, однако ничто не мешает просуммировать спектры фазовых скоростей на одних и тех же интервалах профиля от разных ПВ [71]. Простейшим вариантом является сложение спектров прямой и встречной установки, которые близки друг другу из-за сходных условий возбуждения и приема (рис. 3-11).
Суммирование повысит соотношение сигнал-шум в Vn раз [37], где п -количество суммирований, а встречные установки позволят усреднить параметры разреза на выбранном интервале профиля, что поможет избежать сильного несоответствия при наклонных границах разделов.
На разных расстояниях от источника колебаний в записи будут преобладать разные длины поверхностных воли. Соответственно достоверность определения дисперсионной характеристики на разных частотах различна, в зависимости от расстояния до ПВ. На близких расстояниях точнее выделяется высокочастотная часть дисперсионной кривой, на удаленных ПВ более существенный вклад будут вносить низкочастотные составляющие. Таким образом, если просуммировать спектры фазовых скоростей от пунктов возбуждения, находящихся на разных расстояниях от косы, то получим более достоверную ДК в щироком диапазоне частот (рис. 3-12, рис. 3-13).
Одним из возможных способов повышения качества материала могут служить специальные виды математической обработки, в частности -пространственная автокорреляция (spatial autocoirelation - SPAC), широко применяемая в пассивном способе MASW. Применение пространственной автокорреляции позволяет избавиться от некогерентных помех и уверенней выделить ДК релеевских волн (см. рис. 3-13).
Возвращаясь к принципам сложения скоростных спектров, еще раз отметим необходимость использования одинакового числа прямых и встречных установок, а также определим минимальное количество суммирований в выделяемом окне: Zmm = 4. Тогда полная схема наблюдений с 24-канальной сейсмостанцией будет содержать 7 ПВ на одной стоянке. При этом количество интервалов (окон) суммирования можно будет изменять в соответствии с необходимым разрешением, определяемым расстоянием между точками зондирования (/). Это расстояние можно выразить в количестве СП между окнами; d = l/Лх, где Лх - шаг установки сейсмоприемников. Число d может составлять 6 (см. рис. 3-Ю), 4, 3, 2 и 1.
На рис. 3-14 показана предложенная система наблюдений и отработки двух стоянок комбинацией методов МПВ и MASW. Обработка годографов, построенных по первым вступлениям преломленных волн проводится томографическим способом (рефрагированных волн), с построением разреза Vp. Технология обработки поверхностных волн осуществляется суммированием скоростных спектров в скользящем окне, с промежутком между окнами в три сейсмоприемника (d= 3), что позволяет получить вполне приемлемое разрешение (/ = 6 м, при Ах = 2 м). В выбранной схеме наблюдений количество суммирований зависит от положения окна и составляет от 4 (красный цвет выделения) на стыке установок, до 6 (коричневый цвет) в центральной части. Дальнейшие операции выделения и инверсии ДК не отличаются от стандартных процедур MASW, конечной целью которых является построение скоростного разреза поперечных волн Vs.
Полдневское россыпное месторождение демантоидов
Полдневское месторождение демантоидов расположено в Полевском районе Свердловской области, в 4 км к западу от д. Кладовка. Месторождение находится в северной части Коркодинского массива, входящего в состав Серовско-Маукского пояса ультраосновных массивов офиолитовой ассоциации восточного склона Урала. В плане массив вытянут в меридиональном направлении на 12 км, ширина варьирует от 0,5 до 5 км, общая площадь составляет 20 км2. Ультраосновные породы подверглись влиянию зеленосланцевого метаморфизма с преобразованием в антигоритовые серпентиниты, жильный комплекс представлен диаллагитами. Массив прорван серией небольших тел габбро и диоритов, с которыми связаны тальк-карбонатные метасоматиты. Породами, вмещающими Коркодинский массив, являются терригенные и вулканогенно-осадочные образования ордовика и силура (О2-3- S). Коренные месторождения и рудопроявления демантоида приурочены к зонам повышенной трещиноватости среди антигоритовых серпентинитов, где гранат локализуется в сериях мелких трещин. На территории Коркодинского массива известно два коренных месторождения демантоида (Полдневское и Ново-Коркодинское), россыпное месторождение в долине р.Бобровка и ряд рудопроявлений (Крутобережное, Медвежское). Полдневское месторождение включает в себя коренные источники и россыпи по р.Бобровка и р.Хризолитка. Месторождения р.Хризолитка (коренные и россыпь) выработаны полностью в начале XX века. Россыпь по р.Бобровка в значительной степени переработана, коренные источники не выявлены [28, 1, 55,38].
Демантоид имеет невысокую твердость, неустойчив в условиях физического и химического выветривания, поэтому его россыпи расположены недалеко от коренных источников. Логично предположить, что коренные источники россыпи р.Бобровка существуют, находятся поблизости и не найдены ввиду плохой обнаженности территории и недостаточной детальности традиционных геологоразведочных работ. Решить данную проблему можно с помощью геофизических методов разведки. Поскольку известные месторождения демантоидов приурочены к трещиноватым зонам в серпентинизированных гипербазитах, целью данной работы является:
изучение возможностей геофизических методов для картирования тел серпентинитов и выделения разломов под чехлом рыхлых отложений,
разработка методики доразведочных работ на коренные источники демантоида с привлечением геофизических методов.
Исследования проводились по левобережному увалу, в 100 м к северу от русловой россыпи р.Бобровка. По результатам магнитных наблюдений построена карта аномального магнитного поля площади работ (рис. 4-7а).
По высоким значениям градиента магнитного поля выявлены отдельные блоки в строении участка и линейные зоны, предположительно связанные с породами разного состава и тектоническими нарушениями. На это указывают и геологические наблюдения, по данным которых центральная и северная часть участка сложена серпентинитами, на востоке присутствуют тальк- карбонатные породы, в северо-восточном углу и на юге найдены сланцы вмещающих пород (см. рис. 4-7а). Как известно, серпентипизированные породы отличаются повышенной магнитной восприимчивостью и выделяются при съемке положительными магнитными аномалиями, что и наблюдается в центральной части участка, в пределах которой найдены серпентиниты. При этом область их распространения можно оконтурить по высокому градиенту аномального магнитного поля, примерно по изолинии 500 нТл. Расчленить другие породы по магнитным свойствам, без привлечения дополнительной информации, проблематично. Из площадных электроразведочных работ была проведена только съемка ПЕЭП аппаратурой «ОМАР-2м», с 5-метровой заземленной линией по трем профилям в центре участка (ПР1-ПРЗ). Карта переменного естественного электрического поля центральной части участка представлена на рис. 4-76. На ней наблюдаются довольно интересные линейные аномалии напряженности электрического поля, указывающих на наличие вертикальных границ раздела в разрезе. При этом все аномалии находятся в пределах серпентинитовых тел, выделенных магнитной съемкой.
Чтобы изучить поведение электрических свойств по глубине, рассмотрим геоэлектрические разрезы по ПРЗ, полученные методами ДИЗ и радиокип ДВР (рис. 4-8). Мощность рыхлых отложений на участке работ по результату количественной интерпретации радиокип составляет 2-3 м. УЭС горных пород массива мало отличаются друг от друга, в таких условиях породы могут выделяться по повыщенной эрозии в области контакта, в результате которой развивается трещиноватость, также как и в зонах тектонических нарушений.
По трещинам глинистая фракция внедряется вглубь и электрическое сопротивление таких зон снижается. Таким образом, контакты горных пород и зоны тектонических нарушений могут выделяться в геоэлектрическом разрезе сходным образом - пониженными значениями УЭС. На разрезе ДИЗ явственно видны две зоны пониженных сопротивлений в интервалах 45-55 м и 70-75 м (см. рис. 4-8а), а на разрезе радиокип в этих же интервалах наблюдаются депрессии в рельефе коренных пород (см. рис. 4-86). Аномалия в районе 70-75 м возможно связана с контактом вмещающих хлоритовых сланцев и тальк-карбонатных пород, не отличающихся по магнитным свойствам и не выраженных на карте магнитного поля. Характер второй проводящей зоны выяснен в ходе заверки аномалии горными работами. Разведочная канава, пройденная в субщиротном направлении между ПР2 и ПРЗ вскрыла в интервале 45-55 м русло погребенного ручья, при опробовании которого найден крупный кристалл демантоида весом более 1 карата.
К сожалению, не все выявленные аномалии были заверены горными работами, с нашей точки зрения определенными перспективами на коренное рудопроявление обладают аномалии ПЕЭП по профилю 2 с центром 15 и 35 м. Хотя они имеют относительно небольшие значения (50-65 мкВ/м), обе они проявляются и в магнитном поле. Значительная же линейная аномалия ПЕЭП (80-100 мкВ/м) в интервале 45-50 м, связанная с палеоруслом, на карте магнитного поля никак не отображается (см. рис. 4-7).
Результаты исследований указывают на принципиальную возможность выявления погребенных россыпей и, в перспективе, коренных источников демантоидов, с помощью геофизических методов. В свете полученных данных можно определить этапы выполнения поисково-разведочных работ. На первом этапе необходимо провести площадную магнитную съемку, хорошо выделяющую тела антигоритовых серпентинитов, и съемку ПЕЭП для определения в них аномальных зон. На втором этапе понадобится более детальная съемка перспективных участков различными методами электроразведки, как в плане, так и на глубину. Для изучения электрических свойств разреза следует применять ВЭЗ и ДИЗ с измерением частотной дисперсии (ЧД). На заключительном этапе, по наиболее перспективным аномалиям проводятся горные работы со шлиховым опробованием. При обнаружении погребенных россыпей проводится их комплексная оценка с определением геологических признаков близости к коренным источникам, для дальнейшего обнаружения рудных тел.
Все известные месторождения и проявления демантоида Коркодинского массива были найдены с помошью шлихового опробования по руслам рек и ручьев совместно с поисковыми геологическими маршрутами. Однако массив следует считать еще недостаточно изученным из-за плохой обнаженности и достаточно перспективным на нахождение новых месторождений демантоидов. Это в первую очередь относится к погребенным россыпям ложкового типа и коренным источникам вблизи Полдневского россыпного месторождения на р.Бобровка.
На основании проведенных исследований, которые показали хорошие предпосылки для поиска перечисленных типов месторождений с помощью геофизических методов, можно сделать следующие выводы:
подтверждено, что магниторазведка уверенно картирует блоки серпентинизированных пород ультраосновного состава под чехлом рыхлых отложений;
доказана принципиальная возможность нахождения с помощью электроразведочных методов погребенных палеорусел с демантоидами;
предложена методика доразведочных работ на демантоиды с применением геофизических методов, определены основные этапы проведения работ;
для уточнения рудоконтролирующих электрометрических параметров, необходимо провести дополнительные опытно-методические работы над известными коренными месторождениями и рудопроявлениями демаитоидов.
