Рязанцев_диссертация
advertisement
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ КАРЕЛЬСКОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК _____________________________________________________________________________ На правах рукописи РЯЗАНЦЕВ Павел Александрович ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗВЕДКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ОБЛИЦОВОЧНОГО КАМНЯ НА ОСНОВЕ МЕТОДИКИ ЭЛЕКТРОТОМОГРАФИИ Специальность 25.00.10 – Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук Научный руководитель: Шаров Николай Владимирович, доктор геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник ПЕТРОЗАВОДСК 2015 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................................... 4 Глава 1 ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗВЕДКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ОБЛИЦОВОЧНОГО КАМНЯ ......................................... 10 1.1 Параметры оценки месторождений облицовочного камня ............................. 10 1.1.1 Геологические критерии ................................................................................ 10 1.1.2 Технологические критерии ............................................................................. 14 1.1.3 Горнотехнические критерии ......................................................................... 15 1.2 Стадии поиска и разведки месторождений облицовочного камня .................. 16 1.3 Влияние горно-геологических условий на эксплуатацию месторождений ... 19 1.4 Геолого-экономические аспекты разведки облицовочного камня ................. 22 1.5 Комплексное использование геологических и геофизических методов ........ 24 1.6 Выводы к главе 1 .................................................................................................. 27 Глава 2 ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ РОПРУЧЕЙСКОГО СИЛЛА ГАББРОДОЛЕРИТОВ И ЕГО ОБРАМЛЕНИЯ ................................... 28 2.1 Общее описание геологии района ...................................................................... 28 2.1.1 Тектоническая характеристика района ..................................................... 33 2.1.2 Минералогическое описание габбродолеритов ........................................... 35 2.2 Геофизическая изученность Ропручейского силла ........................................... 38 2.3 Геолого-геофизическая характеристика детального участка работ «Шелтозеро Другая Река» ...................................................................................... 42 2.3.1 Геофизическая изученность .......................................................................... 45 2.3.2 Тектонические нарушения ............................................................................. 47 2.4 Условия формирования месторождений облицовочного камня в восточной части Ропручейского силла ....................................................................................... 50 2.5 Выводы к главе 2 .................................................................................................. 52 Глава 3 ТРЕЩИНОВАТОСТЬ ГОРНОГО МАССИВА И ЕЕ СВЯЗЬ С ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ .................................................. 53 3.1 Методы геофизики при разведке месторождений облицовочного камня ...... 53 3.1.1 Высокоточная магниторазведка .................................................................. 55 3.1.2 Малоглубинная сейсморазведка..................................................................... 56 3.1.3 Георадиолокация ............................................................................................. 58 3.1.4 Электроразведка ............................................................................................ 60 3.2 Удельное электрическое сопротивление горных пород................................... 62 3.3 Связь трещиноватости горных пород и УЭС .................................................... 65 3 3.4 Исследование электрических свойств габбродолеритов ................................. 68 3.5 Корреляция геологических и геоэлектрических параметров .......................... 72 3.6 Выводы к главе 3 .................................................................................................. 74 Глава 4 ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОТОМОГРАФИИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ТРЕЩИНОВАТОСТИ ГОРНОГО МАССИВА .................. 75 4.1 Основы метода сопротивлений на постоянном токе ........................................ 75 4.2 Методика электротомографии ............................................................................ 78 4.2.1 Основные виды электроразведочных установок ........................................ 81 4.2.2 Чувствительность электроразведочных установок ................................. 84 4.2.3 Решение прямой задачи в методике электротомографии........................ 87 4.2.4 Инверсия данных электротомографии........................................................ 89 4.3 Аппаратура для сбора данных методикой электротомографии ...................... 92 4.4 Моделирование трещиноватости в поле УЭС ................................................... 95 4.4.1 Математическое моделирование локальных проводящих объектов ....... 95 4.4.2 Моделирование геометрических параметров трещиноватости ........... 100 4.4.3 Сопоставление синтетической и реальной модели ................................. 105 4.5 Выводы к главе 4 ................................................................................................ 108 Глава 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗУЧЕНИЯ НАРУШЕННОСТИ ГОРНОГО МАССИВА МЕТОДИКОЙ ЭЛЕКТРОТОМОГРАФИИ ПРИ РАЗВЕДКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ОБЛИЦОВОЧНОГО КАМНЯ .................................... 109 5.1 Локализация крупных тектонических дислокаций......................................... 109 5.2 Выделение тектонических нарушений и блоков горного массива ............... 116 5.3 Результаты изучения сырья облицовочного камня на действующем карьере «Другорецкое-3»......................................................................................... 120 5.3.1 2D-электротомография для выделения зон трещиноватости .............. 121 5.3.2 Детальная оценка горного массива 3D-электротомографией ............... 124 5.4 Выделение структурно-однородных блоков горного массива при разведке месторождения облицовочного камня ................................................................... 131 5.4.1 Структурирование месторождения метабазальтов «Летний»........... 132 5.4.2 Структурирование месторождения пироксенитов «Нинимяки-1» ...... 136 5.4.3 Структурирование месторождения габбро «Красное» ......................... 142 5.5 Выводы к главе 5 ................................................................................................ 148 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 149 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ....................................................................................... 151 4 ВВЕДЕНИЕ В настоящее время добыча облицовочного камня – динамично развивающаяся область горнопромышленного комплекса [Зиннуров, 2012]. Однако при разведке месторождений существует вероятность, достигающая 50 %, что геологический прогноз не будет соответствовать реальному выходу блоков [Синельников, 2011]. В связи с этим необходимо внедрять в цикл геологоразведочных работ новые методики для повышения достоверности конечного результата. Следует отметить, что основные усилия при разведке месторождений такого типа направлены на изучение трещиноватости горного массива. Эта характеристика является определяющей для таких параметров, как распределение и качество сырья. Одним из способов повышения эффективности геологоразведочных работ на месторождениях облицовочного камня могут служить методы геофизики. Это связано с тем, что тектонические нарушения горного массива имеют контрастное отражение в геофизических полях. Существует ряд положительных результатов использования такого подхода, например исследования, проводимые в соседних с Карелией Скандинавских странах [Heldal et al., 2008; Magnusson, 2010], Финляндии [Luodes, 2008; Luodes, Sutinen, 2011; Selonen et al., 2011], а также в нашей стране [Глазунов, Ефимова, 2009; Соколов и др., 2011]. Специфика месторождений облицовочного камня такова, что необходимо использовать геофизические методики с высокой разрешающей способностью. Электротомография является современной методикой электроразведки на постоянном токе, позволяющей получить геоэлектрические разрезы, отражающие изменение свойств изучаемого объекта с высокой детальностью. Она хорошо зарекомендовала себя при изучении верхней части геологической среды, обладает чувствительностью к маломощным неоднородностям, решает широкий круг задач, обладает высокой производительностью и относительно низкой стоимостью. Следует отметить, что для электротомографии хорошо изучены общие принципы получения и обработки данных, тогда как специфические условия при 5 исследовании трещиноватости горного массива требуют отдельных детальных исследований и испытаний. Для внедрения электротомографии в практику геологической разведки облицовочного камня требуется обоснование ее эффективности, определение поисковых атрибутов, выделение особенностей интерпретации данных, а также разработка методики применения. Апробация результатов исследований осуществлялась в пределах восточной части Ропручейского достаточной силла геологической промышленности по добыче габбродолеритов, изученностью, которая наличием облицовочного камня характеризуется развитой и горной существованием предпосылок для обнаружения новых месторождений. Кроме того, для всестороннего изучения применимости электротомографии выполнялись работы на месторождениях других типов пород. Цель работы Разработка способа идентификации и оценки зон трещиноватости горного массива при поиске и разведке месторождений облицовочного камня с помощью методики электротомографии на примере габбродолеритов Ропручейского силла. Основные задачи исследований 1. Анализ основных типов естественной трещиноватости, характерной для скального массива, выделение ее свойств, характеристик и взаимосвязи с геоэлектрическими параметрами (на примере габбродолеритов Ропручейского силла). 2. Создание математических моделей различных видов трещин горного массива в поле удельных электрических сопротивлений (УЭС) и выделение их поисковых атрибутов. 3. Определение особенностей получения данных электротомографии и процедур для их обработки при изучении контрастных маломощных объектов. 4. Обоснование способа выделения зон трещиноватости и структурно-однородных блоков горного массива на основе данных электротомографии. 5. Апробация разрабатываемого подхода для повышения эффективности разведки месторождений облицовочного камня. 6 Научная новизна • Установлены поисковые атрибуты и визуальные образы для трещиноватости горного массива в поле УЭС, что позволяет идентифицировать подобные объекты на геоэлектрических моделях. • Обоснована эффективность электротомографии при исследовании трещиноватости массива горных пород на месторождениях облицовочного камня, определены главные особенности накопления и параметры обработки данных. • Разработан способ структурирования горного массива по состоянию нарушенности на основе анализа значений УЭС, полученных методикой электротомографии. • Выявлены системы дислокаций, влияющие на распределение месторождений облицовочного камня в пределах восточной части Ропручейского силла, обнаружен ряд новых перспективных участков. Защищаемые положения 1. Определение взаимосвязи между параметрами трещиноватости скального массива и его геоэлектрическими свойствами позволяет установить предпосылки использования и поисковые атрибуты для метода сопротивлений при изучении нарушенности горных пород (на примере габбродолеритов Ропручейского силла). 2. Математическое моделирование разрывных нарушений массива магматических горных пород в поле УЭС, а также результаты экспериментальных измерений обеспечивают выявление основных критериев для идентификации и оценки зон трещиноватости на основе методики электротомографии. 3. Предложенный способ изучения массива магматических горных пород, основанный на применении методики электротомографии, обеспечивает локализацию тектонических нарушений и выявление структурно- однородных блоков, исходя из распределения значений УЭС, что повышает эффективность разведки месторождений облицовочного камня. 7 Методика исследований Для решения поставленных задач было проведено изучение типов различных видов трещиноватости и ее свойств. Это позволило получить ряд физико-геологических моделей (ФГМ), по которым в программе Res2dmod решалась прямая задача, чтобы оценить отражение трещин в поле УЭС. Далее проводились полевые наблюдения на объектах с известной картиной трещиноватости для сопоставления геологических и геофизических наблюдений. Такая методика позволила оценить возможности электротомографии при изучении трещиноватости и определить атрибуты для ее выделения. Выполнялись наблюдения УЭС для определения монолитных областей на различных месторождениях облицовочного камня. Обработка данных осуществлялась в программах DC2DinvRes, Res2dinv, Surfer 11. Полученные результаты сопоставлялись с геологическими наблюдениями и горными выработками. Достоверность Достоверность проведенных исследований опирается на использование современной многоэлектродной аппаратуры, программные средства обработки, сопоставление геологической и геофизической информации. Кроме того, достоверность исследований подтверждается практическим применением на месторождениях «Другорецкое-3», «Красное», «Летний», «Нинимяки-1» и др., где большинство результатов было подтверждено скважинами, опытными карьерами и данными отработки горной массы. Практическая значимость Разработанный и обоснованный способ для локализации и определения параметров зон трещиноватости, а также выделения структурно-однородных зон горного массива на основе электротомографии повышает эффективность проведения геологоразведочных работ на месторождениях облицовочного камня. Использование предлагаемого подхода позволяет точнее оценить горногеологические характеристики месторождения и планировать горные работы в его пределах, что приведет к более рациональной и экономически выгодной эксплуатации. 8 Практическая часть диссертационной работы выполнена при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.»), контракты № 10087р/16824 и № 11660р/17193. Реализация результатов работ Разрабатываемый методический подход для идентификации трещиноватости на основе методики электротомографии, предложенный в данной работе, использовался на месторождениях облицовочного камня «Другорецкое-3» (ЗАО «Интеркамень»), «Южно-Другорецкое» (ЗАО «Роскамень»), «Скальный» (ЗАО «Артель Новая») с целью выделения крупных зон дробления. Предлагаемый способ структурирования горного массива применен на месторождениях «Красное», «Летний», «Нинимяки-1» (ООО «Спутник»), что позволило определить места заложения карьеров и направление горных работ. Личный вклад автора Основой для формирования диссертационной работы стал теоретический и фактический материал по геолого-геофизическим изысканиям на месторождениях облицовочного камня в Республике Карелия. Все исследования выполнены при непосредственном участии автора в 20102014 гг. в рамках НИР № 147 ИГ КарНЦ РАН «Тектонофизические закономерности формирования месторождений блочного камня в юго-восточной части Фенноскандинавского щита». Апробация результатов исследования Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях и совещаниях: «Каменные строительные материалы России» (Петрозаводск, 2010); 2-я и 3-я конференции молодых ученых памяти академика А. П. Карпинского (С.-Петербург, 2011, 2013); V Всероссийская школа-семинар имени М. Н. Бердичевского и Л. Л. Ваньяна по электромагнитным зондированиям Земли (Петродворец, 2011); «Геофизика-2011» и «Геофизика-2013» (Петродворец, 2011, 2013); XXII и XXIII молодежные конференции памяти К. О. Кратца «Актуальные проблемы геологии докембрия, геофизики и геоэкологии» (Апатиты, 2011; Петрозаводск, 2012); 4-я научно-практическая конференция 9 молодых ученых «Геология, поиски и комплексная оценка месторождений твердых полезных ископаемых» (Москва, 2012); XIII и XIV Уральская молодежная школа по геофизике (Екатеринбург, 2012; Пермь, 2013); XI международный геофизический научно-практический семинар «Применение современных электроразведочных технологий при поисках месторождений полезных ископаемых» (С.-Петербург, 2013). Публикации По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России. Благодарности Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю доктору геолого-минералогических наук, профессору Н. В. Шарову за всестороннюю помощь и поддержку при выполнении работы, а также всем коллегам, чьи участие и советы помогли завершить эти исследования: А. В. Климовскому, М. Ю. Нилову, С. Я. Соколову. Автор благодарен доктору геолого-минералогических наук В. С. Куликову, директору ИГ КарНЦ РАН доктору геолого-минералогических наук В. В. Щипцову, В. Г. Пудовкину, А. А. Иванову, кандидату геолого-минералогических наук В. А. Шекову за помощь, обсуждение и конструктивную критику результатов работы. За внимание, проявленное к исследованиям, автор выражает свою благодарность геологам-производственникам: Ю. И. Белову, В. В. Калмыкову, а также А. И. Тыркину, директору ООО С. А. Кевель, «Спутник» А. Б. Григорчуку. Объем и структура работы Диссертационное исследование состоит из введения, четырех глав, заключения и представлена на 169 страницах, включает 60 иллюстраций, 11 таблиц и библиографический список из 192 наименований. 10 Глава 1 ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗВЕДКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ОБЛИЦОВОЧНОГО КАМНЯ 1.1 Параметры оценки месторождений облицовочного камня При разведке месторождения облицовочного камня существует целый ряд параметров, которые необходимо учитывать для получения достоверной оценки. Сюда входят прочностные и декоративные свойства, производственные и горнотехнические и т. д. [Григорович 1976; Беликов, Петров, 1977; Петров, 1992; Методические…, 2007; Романовский, Тутакова, 2008; Papertzian, Farrow, 1995; Dimension stone…, 2004; Ashmole, Motloung, 2008; Mosh, 2009]. Главные характеристики, являющиеся определяющими при оценке месторождений, разделяются на три группы в зависимости от степени влияния на горно-экономические показатели: 1. Геологические критерии. 2. Технологические критерии. 3. Горнотехнические критерии. Как правило, для оценки месторождения по ряду параметров используют балльную систему [Тутакова, 2007а; Mosch, 2009]. Таким образом, в дальнейшем становится возможным создать упорядоченную методологическую последовательность поиска и разведки месторождений облицовочного камня. 1.1.1 Геологические критерии Главным требованием для облицовочного камня является возможность получения блоков необходимых размеров, формы и характера поверхности, позволяющих изготовлять стандартные плиты. Под блоком понимают продукт, состоящий из горной породы, имеющий форму параллелепипеда и предназначенный для дальнейшей переработки с целью получения изделий из природного камня. Требования к качеству блоков определены ГОСТ 9479-2011 «Блоки из горных пород для производства облицовочных, архитектурностроительных, мемориальных и других изделий» (таблица 1.1). 11 Таблица 1.1 – Группа блоков в зависимости от их объема [ГОСТ 9479-2011] Наименование Группа блоков показателя I II III Объем блока, м3 Свыше 5,0 Свыше 2,0; до 5,0 включительно Свыше 0,5; до 2,0 включительно Цель геологоразведочных работ (ГРР) на облицовочный камень, как пишется в работе [Карасев, Бакка, 1997], «выделение из массива горных пород участков с показателями блочности, позволяющими при применяемой технологии вести добычу с положительным балансом экономики. Размер блоков определяется главным образом расположением трещин и их густотой. Наиболее оптимальным является наличие в породе трех взаимно перпендикулярных систем трещин, расположенных на расстоянии 13 метра». Блочность горных пород пространственно и генетически связана с их трещиноватостью и определяется формой и размерами естественных отдельностей, возникающих в процессе образования и развития горного массива. Поэтому невозможно рассматривать возникновение, характер и закономерности проявления блочности в горном массиве в отрыве от генезиса и морфологии образующих ее трещин [Альмухаметов, 1985; Карасев, Бакка, 1997; Шеков, Иванов, 2011]. Трещиноватость горных пород – явление разделения горных пород земной коры трещинами различной протяженности, формы и пространственной ориентировки. В оценке качества месторождения облицовочных материалов и установлении его пригодности для добычи блоков решающую роль играют наличие систем трещин в массиве, их количество, характер и расположение (таблица 1.2). Различают четыре главные генетические группы трещин: трещины отдельности, выветривания, тектонические, искусственные, а также четыре системы трещин в массивах пород: поперечные, продольные, пластовые и диагональные (рисунок 1.1). Существуют и другие классификации, которые характеризуют трещиноватость с различных точек зрения и поэтому не исключают, а дополняют друг друга [Рац, Чернышев, 1970; Григорович, 1976]. 12 Таблица 1.2 – Характеристики трещиноватости [Бакка, Ильченко, 1992] Среднее расстояние между трещинами всех систем, м Модуль трещиноватости, м1 Макс. размер отдельности в массиве, м I Чрезвычайно трещиноватые До 0,1 Более 10 0,6 II Сильнотрещиноватые 0,10,5 210 0,61,2 III Среднетрещиноватые 0,51,0 12 1,21,9 IV Малотрещиноватые 1,01,5 10.65 1,93,5 V Практически монолитные Свыше 1,5 < 0,65 > 3,5 Категории Степень трещиноватости горных массивов Рисунок 1.1 – Модель трещиноватости массива по Р. Болку (плоскости трещин отдельности: S – продольные; L – пологие; D – диагональные; Q – поперечные) Оценка характера и степени трещиноватости включает разнообразный перечень данных [Анощенко, 1983; Альмухаметов и др., 1985; Епифанцев, Плетенчук, 2008]: 1. Пространственная ориентировка трещин и системы трещин, установление главного или главных направлений развития трещин. 13 2. Морфология трещин и их соотношение со слоями пород, складками, разломами с целью восстановления генетического типа и вида трещин и для выделения региональных и локальных трещин. 3. Определение интенсивности трещиноватости пород с целью количественной оценки степени раздробленности пород, выделение участков, различающихся по интенсивности трещиноватости. 4. Определение длины, ширины (раскрытия) трещин, сопротивление сдвига по трещине. 5. Оценка влияния трещин и систем трещин как поверхностей и зон ослабления на прочность, деформируемость и водопроницаемость пород, оценка их влияния на горный массив. В результате распределения трещин возникают отдельности – характерная форма блоков (глыб, кусков) горной породы, образующаяся при раскалывании. Отдельность, по сути, и является отражением блочности месторождения. Трещиноватость изучается разными способами: зарисовками, фотографированием и картированием [Михайлов, 1956; Рац, Чернышев, 1970; Амбарцумян, 1974; Анощенко, 1983; Чернышов, 1983; Альмухамедов и др., 1985; Шеков и др., 2001; Епифанцев, Плетенчук, 2008; Шеков, Иванов, 2009; Mosh, 2009]. Кроме того, на сегодняшний день перспективными направлениями для повышения достоверности определения трещиноватости в горном массиве являются численное моделирование [Тутакова, 2007б; Валуев, Шабловская, 2011; Маслов, 2012; Mosh et al., 2011; Elmouttie, Poropat, 2012] и использование геофизических методов [Копылов, Пустовойтова, 2006; Соколов и др., 2011; Magnusson et al., 2010; Luodes, Sutinen, 2011]. После изучения трещиноватости, исходя из полученных данных, идет расчет блочности различными способами. Таким образом, при разведке месторождений природного камня изучение трещиноватости и связанной с ней блочности играет определяющую роль. Важными характеристиками природного камня, которые следует упомянуть отдельно, являются его декоративность и радиационная безопасность. Эти показатели также определяют перспективность месторождений. 14 1.1.2 Технологические критерии При разведке месторождений природного камня следует учитывать физикомеханические свойства горного массива, а именно: прочность, пористость, водопоглощение, истираемость, морозостойкость, электропроводность и т. д. Их изучают по специально подготовленным образцам. Следует отметить, что часть характеристик выступает в качестве определяющего фактора практического использования природного камня. Основные понятия и характеристики природного камня и методы их определения стандартизированы. В настоящее время широко применяются европейские стандарты, базирующиеся на национальных стандартах Италии мирового лидера отрасли. За рубежом, с целью упрощения понятия «природный камень и его разновидности», применяется коммерческая классификация природного облицовочного камня, делящая все горные породы, используемые в камнеобработке, на четыре категории в зависимости от комплекса их свойств [Казарян, 2008]. В таблице 1.3 приведены параметры, которыми должны обладать горные породы. Таблица 1.3 – Требования к физико-механическим свойствам облицовочного камня [ГОСТ 9479-2011] Значение Горная порода Гранит Средняя Водопоглощеплотность, ние, %, 3 кг/м , не более не менее Предел прочности в сухом состоянии, МПа (кг/см2) Породы прочные 2500 0.75 100 (1000) Снижение Сопротивлепрочности ние удару, см, в водонас. не менее состоянии, % 25 50 Породы среднепрочные Габбро 2500 0,75 70 (700) 25 50 Мрамор 2600 0,75 60 (1600) 30 30 30 20 Породы низкопрочные Песчаник Не нормируется 40 (400) 15 Кроме того, следует учитывать, что добыча облицовочного камня ведется на глубинах, в той или иной степени затронутых выветриванием, поэтому эту особенность следует изучать отдельно [Пудовкин, 1983; Harma, Selonen, 2008]. 1.1.3 Горнотехнические критерии Как отмечается в труде [Карасев, Бакка, 1997], «технология добычи облицовочного камня по отношению к объекту разработки принципиально отличается от технологии других полезных ископаемых, здесь надо максимально сохранить естественную монолитность и целостность извлекаемых отдельностей, для этого добыча должна быть щадящей по всей технологической цепи». Сохранить целостность камня при добыче возможно только ограничением разрушающих усилий в плоскости отделения блока от массива (рисунок 1.2). Наиболее эффективный путь здесь, по утверждению многих авторов [Григорович, 1976; Карасев, Бакка, 1997; Mosch, 2009], это совмещение данной плоскости с плоскостями структурного ослабления массива, вызванного естественными трещинами. Подавляющее большинство месторождений облицовочного камня расположено близко к земной поверхности, поэтому они разрабатываются открытым способом и характеризуются значительными размерами продуктивной толщи, малой мощностью вскрыши, наличием естественной трещиноватости массива и зоны выветрелых пород. Все эти предпосылки необходимо учитывать при разведке и эксплуатации месторождения. Наиболее перспективный путь для этого – создание цифровой модели для каждого отдельного горного предприятия. Также решению задачи может способствовать изучение взаимосвязи анизотропных свойств пород с их структурно-текстурными особенностями [Дивель, 1988; Бакка, Ильченко, 1992]. Важным фактором является то, что для месторождений облицовочного камня характерно использование селективного подхода к обработке. Анализ работы карьеров облицовочного камня, представленный в труде [Карасев, Бакка, 1997], показывает, что при использовании закономерностей расположения трещин в массиве и микроориентировки минералов в камне можно увеличить выход товарной продукции с 1520 до 60 % . 16 1.2 Стадии поиска и разведки месторождений облицовочного камня Задачей геологоразведочных работ по изучению месторождений облицовочного камня является решение большого количества вопросов: выявление условий залегания полезного ископаемого, выявление закономерностей пространственной изменчивости важнейших его свойств, качественных показателей, подсчет запасов. Стадийность геологического изучения имеет своей целью наиболее полное и экономичное осуществление геологических поисков и разведки [Альмухаметов и др., 1985]. На основе анализа литературных источников [Гроховский, 1974; Григорович, 1976; Беликов, Петров, 1977; Поротов, 2005; Еремин, 2007; Методические…, 2007; Авдонин и др., 2007; Коробейников, 2009] выделяются три стадии выполнения оценки месторождений облицовочного камня: стадия поиска и оценки, на которой происходит выделение перспективных областей на площади горного характеризуется массива; стадия непосредственно разведки будущее и освоения, месторождение; при и которой детальная (эксплуатационная) стадия, определяющая контуры запасов и характеристику участков. 1. Стадия поиска и оценки. Поиски месторождений облицовочного камня проводятся главным образом в промышленно освоенных районах или в районах намечаемого строительства. Среди геологических поисковых критериев по [Григорович, 1976] учитывают: стратиграфические, тектонические, метаморфогенные, геоморфологические. Поисковые работы на первых стадиях, как правило, носят маршрутный характер, однако в зависимости от применяемого метода изменяется как плотность и расположение маршрутов, так и характер исследований в маршрутах. На первой стадии поисков выявляется положение в районе массивов, горизонтов, толщ, пластов, представляющих интерес для более детального обследования, общие условия залегания их и участки, доступные для открытой разработки. Вторая стадия поисков заключается в более детальном обследовании участков, 17 выявленных на первой стадии, с целью выбора одного или нескольких, перспективных для постановки на них предварительной разведки. На этой стадии, наряду с использованием естественных обнажений, обычно приходится закладывать горные выработки или скважины с таким расчетом, чтобы получить общую характеристику условий залегания полезной толщи на каждом из перспективных участков, а также выяснить примерную качественную характеристику камня, выдержанность его состава и основных свойств. В зависимости от общей геологической обстановки обследование перспективных участков и заложение на них выработок ведется по профилям или по сети. Месторождения, обнаруженные в процессе поисков, должны быть оценены как с количественной, так и с качественной стороны. Наряду с определением физико-механических свойств и предварительных сведений о выходе блоков устанавливаются и декоративные свойства камня [Григорович, 1976; Бакка, Ильченко, 1992; Казарян, 2008]. 2. Стадия разведки и освоения. В задачи разведочной стадии входят: изучение поверхности и контуров месторождений или участка, выбранного для более детального изучения, определения в его пределах мощности полезной толщи, особенностей ее строения и состава, качества камня; выявление основных систем трещин, развитых на месторождении; предварительное определение выхода блоков. В полезной толще выделяются основные литологические типы пород и уточняются их особенности. На карте необходимо выделить пласты и пачки пластов, характеризующиеся различными физико-механическими свойствами, элементы складчатых структур и дизъюнктивных дислокаций, контакты и линии нарушений [Григорович, 1976]. Для разведки месторождений облицовочного камня применяются как горные выработки, так и буровые скважины. В горных выработках можно непосредственно наблюдать и зафиксировать все необходимые для разведки и промышленной оценки факторы: контакты пород, условия и элементы залегания, минеральный и петрографический состав и строение, текстуру, структуру, трещиноватость и т. д. 18 Целесообразная степень изучения месторождений (участков), подготавливаемых для промышленного освоения, определяется сложностью их геологического строения и распределения полезных ископаемых, количества запасов, а также экономических факторов затрат средств и времени, требуемых на производство геологоразведочных работ и на вовлечение месторождения в отработку. 3. Детальная (эксплуатационная) стадия. Задача детальной разведки – получение материалов, достаточных для утверждения запасов камня и составления проекта разработки месторождения. Кроме того, в ходе ее уточняются и конкретизируются результаты изучения трещиноватости предыдущих стадий для правильной оценки запасов, расчета блочности и выбора рациональной системы отработки. Изучение качественных и количественных характеристик трещиноватости на данном этапе связано с выявлением связей трещиноватости и блочности с важнейшими элементами геологического строения [Альмухаметов и др., 1985]. Детальная разведка может проводиться и на действующем карьере для уточнения фронта работ. Для каждого месторождения рациональная сеть разведочных выработок обосновывается результатами тщательного анализа всех имеющихся геологоразведочных материалов и данных по разработке этого или аналогичных месторождений: об условиях залегания, морфологии и размерах тел полезного ископаемого, его внутреннего строения, предполагаемой степени изменчивости качества полезной толщи [Григорович, 1976]. Как видно, стандартные методики поиска и разведки носят явно стадийный характер. Однако в них уделяется недостаточное внимание комплексному подходу на основе геолого-геофизических исследований и его регулярному использованию. Это, как показывает практика, негативно влияет на разведку месторождений со сложным геолого-тектоническим строением, а также в областях распространения средне- и мелкоблочного сырья. Поэтому в данной работе предлагается новый подход к разведке на основе применения методов геофизики. 19 1.3 Влияние горно-геологических условий на эксплуатацию месторождений Выше отмечено, что добыча облицовочного камня по технологическим процессам и механизации существенным образом отличается от добычи других полезных ископаемых, требуя совершенно иного порядка и последовательности выполнения горных работ в пределах карьерного поля. Эти отличия определяют также особые варианты вскрытия и системы разработки. Поэтому необходимо более подробно остановиться на специфике разработки карьеров. Карьеры облицовочного камня, как правило, имеют небольшую годовую производительность по добыче блоков и, как следствие, весьма малые скорости подвигания фронта работ и линии забоев (до нескольких метров). При геометризации карьерного поля необходимо определить объемы добычных и вскрышных работ по годам и этапам существования карьера (т. е. установить режим горных работ). Исходным материалом для анализа режима горных работ должна являться модель месторождения, представляющая совокупность фактических материалов, отражающих объективную информацию о структурных особенностях массива горных пород [Карасев, Бакка, 1997; Косолапов, 2011]. По размерам и форме залежей, изменчивости их мощности, внутреннему строению и качественным показателям месторождения строительного и облицовочного камня соответствуют 1- и 2-й группам «Классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых», утвержденной приказом № 278 МПР России от 11 декабря 2006 г. К 1-й группе относятся: • месторождения, представленные массивными залежами изверженных пород однородного состава с выдержанными физико-механическими свойствами, ненарушенным или слабо нарушенным залеганием. Обычно они приурочены к областям развития магматических пород или к выходам на поверхность кристаллического фундамента платформ; • месторождения, представленные горизонтально залегающими или полого падающими пластообразными телами, ненарушенные или слабо нарушенные 20 тектоническими процессами, сложенные осадочными, эффузивными и метаморфическими горными породами, развитыми на больших площадях; • месторождения, представленные моноклинально залегающими, крутопадающими или смятыми в складки пластами и пластообразными телами, выдержанными по строению, мощности и качеству сырья, слабо затронутые разрывной тектоникой. Ко 2-й группе относятся месторождения, представленные линзо- и пластообразными залежами, штоками, дайками и жилами с невыдержанными качественными показателями и интенсивным развитием разрывной тектоники или процессов. Месторождения строительного и облицовочного камня, относящиеся к 3-й и 4-й группам Классификации, практического значения не имеют. Лишь в случае уникальной декоративности или крайнего дефицита камня месторождения 3-й группы могут представлять промышленный интерес. Принадлежность месторождения к той или иной группе устанавливается, исходя из степени сложности геологического строения основных тел полезного ископаемого, заключающих преобладающую часть запасов месторождения [Методические…, 2007]. Задача извлечения монолитов на месторождении облицовочного камня должна решаться для всего карьера не одинаково, а по отдельным участкам массива. Это обусловлено значительной изменчивостью трещиноватости горного массива по площади и в глубину. Такие участки называют структурнооднородными [Бакка, Карасев, 1997]. Количество монолитов, раскроенных по площади участка (горизонта), будет зависеть от ориентации монолитов относительно систем крутопадающих трещин (таблица 1.4). Последнее определяется режимом горных работ, принятым в результате анализа карьерного поля. Решение такой задачи предполагает более глубокое изучение горного массива, выявление в нем закономерностей развития плоскостей структурного ослабления [Бакка, Карасев, 1997; Mutlutürk, 2007; Ashmole, Motloung, 2008; Mosch, 2009; Mosch et al., 2011]. 21 Таблица 1.4 – Классификация массивов облицовочного камня (по Н. Т. Бакке) Характеристика Характеристика Характери- Удельная Макс. объем Характерные особенности массивов по массивов стика трещино- блока горно-геологического строения степени сложности по степени пород по ватость, м/м2 в скальной скальной вскрыши разработки трещиноватости блочности Легко Сильно- Мелко- разрабатываемые трещиноватые блочные вскрыши, м3 129 0,7 Трещины отдельности всех систем; мощность выветрелых пород >1 м; разрывы горных пород трех порядков Средней трудности Средне- Средне- разработки трещиноватые блочные 96 1,2 Трещины отдельности всех систем; мощность выветрелых пород до 3 м; разрывы горных пород трех порядков Трудно- Слабо- Крупно- разрабатываемые трещиноватые блочные 62 4,0 Трещины отдельности всех систем; мощность выветрелых пород до 1,5 м; затронутых выветриванием до 0,5 м; разрывы горных пород в основном 3-го порядка 21 затронутых выветриванием 1 м; 22 1.4 Геолого-экономические аспекты разведки облицовочного камня Рассматривая горно-технологические характеристики любого месторождения, сдедует обратиться и к экономическим показателям. Для минерального сырья основным показателем являются кондиции – комплекс требований потребителей к минеральному сырью, на основании которых определяется экономическая целесообразность разработки месторождений и его участков. Важными показателями кондиций, во многом определяющими эффективность разработки месторождений облицовочного камня, как отмечается в работе [Карасев, Бакка, 1997], являются: минимально допустимый коэффициент вскрыши, минимально допустимый выход облицовочной продукции из товарных блоков. На сегодняшний день добыча облицовочного камня – перспективная область горнопромышленного комплекса [Зиннуров, 2012]. Один из путей повышения экономической привлекательности промышленности по добыче облицовочного камня горнодобывающей – отрасли. уменьшение Так, различных например, для отраслевых производства рисков каменных строительных материалов величина интегральных рисков равна 17,7 % [Боярко, 2002]. Существует классическая схема классификации стратегических отраслевых рисков горнодобывающей промышленности, геологические риски в которой занимают отдельное место. Геологические риски характеризуют недостаточную степень изученности запасов, нехватку геологической и геофизической информации о тех или иных свойствах месторождения и т. д., вследствие чего существует вероятность нерациональной разработки, более ранней выработки, занижения уровня извлечения полезного ископаемого, увеличения издержек. Геологический риск обусловлен неопределенностями геологического строения исследуемого участка, поэтому потенциал геологических рисков необходимо оценивать для каждого месторождения отдельно [Рязанцев и др., 2012]. 23 Важной характерной чертой разведки месторождений каменных строительных материалов в Карелии является недооценка уровня геологических рисков, указанных выше. Это связано с тем, что большинство усилий горнопромышленников сосредоточено на непараметрических рисках. В результате чего создается парадоксальная ситуация, когда детальное геологическое изучение месторождения рассматривается как дополнительное препятствие, а не как эффективный механизм регулирования рисков [Синельников, Соколов, 2010]. Важно помнить, что степень геологических рисков напрямую сопоставляется со степенью изученности, которая выражается в категории подсчета запасов. Отдельно необходимо остановиться на производстве облицовочного камня в Карелии. Товарная стоимость всех месторождений такого типа в республике оценивается в 5,5 млрд долларов [Бархатов, 2002]. Однако для месторождений облицовочного камня геологические риски велики вследствие сложности определения главного параметра – блочности. Это связано с вероятностной методикой оценки блочности при разведке и неопределенностью распределения трещиноватости в горном массиве. По свидетельству мирового лидера по добыче блоков – фирмы Red Graniti (Италия), в 20 % случаев после вскрытия карьера наличие в нем блочного камня не подтверждается, в России этот показатель значительно выше – 50 %. Наряду со стоимостью открытия карьера 1 млн долларов это резко повышает риски при инвестировании [Синельников, 2011]. При этом затраты на геологоразведку редко превышают 10 % от указанной суммы, что вкупе с отсутствием грамотного поэтапного изучения и освоения, а также бизнес-планирования приводит в дальнейшем к низкому экономическому эффекту от инвестиций. Низкое капиталовложение при геологоразведке обусловлено спецификой производства каменных строительных материалов, месторождения которых рассматриваются как не требующие детального изучения, а технологическая линия производства представляется простой и короткой. 24 1.5. Комплексное использование геологических и геофизических методов Комплексное использование геолого-геофизических данных позволяет избежать ряда ошибок и точнее оценить качество и объем запасы при разведке месторождений природного камня. Геологические методы определяют условия формирования, характер трещиноватости пород, их выдержанность по структуре и составу и т. д. Методы геофизики позволяют оценивать горный массив, перекрытый четвертичными отложениями, выявлять его неоднородности и структурировать по физическим свойствам [Рязанцев, 2012в; Рязанцев, 2012г]. Обобщив весь объем имеющейся информации, можно сформулировать систему поисково-оценочных исследований для месторождений облицовочного камня. Как основа используются принцип стадийности геологоразведочных работ [Поротов, 2005; Авдонин и др., 2007; Коробейников, 2009] и установленные нормы [Методические…, 2007]. Предлагаемая система включает в себя различные методы геофизики, применяемые так, чтобы на каждом этапе обеспечивать наибольшую информативность и рациональность использования (рисунок 1.2). Стадия поиска и оценки – по геолого-геофизическим данным проводятся рекогносцировочные работы с целью выбора наиболее пригодного участка по совокупности предъявляемых критериев. Основным методом здесь является тектонофизическое районирование на основе комплексных крупномасштабных исследований и картирование основных геологических структур. Для этого используют геоморфологический анализ по данным топографических карт и космоснимков, карты геофизических полей, геологические карты района. На данном этапе выявляются крупные тектонические нарушения, формирующие отдельность изучаемого массива, основные направления их распространения, которые заверяются региональной геофизической съемкой. В отдельных случаях при помощи геофизики могут выделиться структурные особенности строения породного массива. По результатам комплексного анализа выделяют совокупные критерии поиска в границах района исследований и по ним выделяют перспективные участки. 25 Рисунок 1.2 – Блок-схема системы поисково-оценочных работ для месторождений облицовочного камня 26 Стадия разведки и освоения – в пределах перспективных областей выполняются площадные геологические и геофизические работы. Производится анализ тектонических нарушений, определение литологических типов пород и структурных неоднородностей горного массива в пределах исследуемого участка. На основе изучения трещин определяется тип месторождения по характеру трещиноватости, рассчитывается предварительный выход блоков по геологическим выработкам и керну скважин. Кроме того, рассчитываются запасы полезного ископаемого. Выделяются основные зависимости геолого-геофизических параметров, характерные для данного объекта. Выполняются геофизические работы по площади и профилям (заверяемые бурением и разведочными выработками) различными методами для определения изменений физического состояния массива горных пород. По результатам комплексной обработки данных строится физико-геологическая модель (ФГМ) исследуемого участка, которая позволяет уточнить критерии поиска месторождений. Следует отметить, что на основе созданной ФГМ при необходимости выполняется оптимизация либо коррекция поисковых критериев и методов исследования. По ФГМ выделяются структурнооднородные зоны, анализ которых позволяет локализовать наиболее перспективную область для проведения детальных работ. Детальная (эксплуатационная) стадия – в пределах локального участка по необходимости выполняются детальные работы для определения наиболее перспективных областей, уточнения запасов, контроля горных работ, прогнозирования уровня добычи, оценки объема вскрышных работ и т. д. Для этого используются сейсморазведка детальные 2D–3D, методы, такие электротомография как георадиолокация 2D–3D, и высокоточная магниторазведка, массовые замеры трещиноватости и т. д. С целью оценки и структурирования горного массива проводится численное моделирование, которое заключается в создании прогнозной модели месторождения [Тутакова, 2007; Коробейников, 2009; Mutluturk, 2007; Mosch et al. 2011; Luodes, Sutinen, 2011]. 27 Для этого подбираются те или иные показатели месторождения, рассчитываются параметры (геометрия, объем и т. д.), анализируется результат. Благодаря чему становится возможным прогнозировать сырье на месторождении, выделять продуктивные области и величину отвала. Обязательным условием использования численной модели является ее самопроверка и коррекция по результатам горных работ, что позволяет постоянно повышать качество прогноза. На основе создания такого массива данных перспективный участок разделяется на области различного качества сырья, которые определяются, исходя из уровня соответствия геолого-геофизических параметров, т. е. выполняется структурирование горного массива. 1.6 Выводы к главе 1 1. Исследование главных особенностей месторождений облицовочного камня позволило выделить главные геологические параметры, характеризующие эти объекты. Проведен краткий обзор горно-геологических и горно- экономических аспектов как дополнительных факторов, влияющих на освоение месторождений такого типа, для обоснования необходимости совершенствования методики поиска и разведки. 2. На основе анализа литературных источников и опыта предыдущих исследований установлены атрибуты, характеризующие сырье на месторождениях облицовочного камня, главным из которых является трещиноватость. Изучены характеристики трещиноватости и способы ее изучения в горном массиве. Кроме того, изучена стадийность поиска и разведки месторождений облицовочного камня, что позволило определить место геофизических методов при их исследовании. 28 Глава 2 ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ РОПРУЧЕЙСКОГО СИЛЛА ГАББРОДОЛЕРИТОВ И ЕГО ОБРАМЛЕНИЯ 2.1 Общее описание геологии района Геологическое строение района отражено на геологической карте, которая составлена по материалам тематических работ масштаба 1:200000, а также в нескольких обобщающих трудах, описывающих геологию региона [Гарбар, 1971; Геология Карелии, 1987; Онежская…, 2011]. Расчленение геологических образований и их номенклатура приведены в соответствии с «Легендой к листам Государственных геологических карт масштаба 1:200000» [Корсакова, 1998] и монографией «Онежская палеопротерозойская структура» [Онежская…, 2011]. Район расположен в пределах Южно-Онежской мульды, являющейся составной частью Туломозерско-Онежской подзоны Центрально-Карельской структурно-формационной зоны, выделенных в Карельской геотектонической области. Южно-Онежская мульда имеет форму, близкую к овальной, и протягивается от г. Петрозаводска в юго-восточном направлении более чем на 120 км (за пределы Карелии), достигая 5070 км по ширине. В геологическом строении района принимают участие терригенные отложения вепсийского надгоризонта нижнего протерозоя и интрузивные образования ропручейского плутонического комплекса, которые перекрываются осадками венда и девона (рисунок 2.1). Возрастная последовательность развитых в районе образований представлена ниже (от молодых к древним) в таблице 2.1. Северо-восточное крыло Южно-Онежской мульды сложено моноклинально падающими на юго-запад слабо метаморфизированными (в низкотемпературной субфации фации зеленых сланцев) и слабодислоцированными нижнепротерозойскими отложениями петрозаводской и шокшинской свит, которые образовались в условиях протоплатформенного режима. В разрезе шокшинской свиты присутствуют пластовые тела габбродолеритов, которые и являются объектом исследований. 29 Рисунок 2.1 – Геологическая схема района работ [по: Кевель, 2008]: девон – 1) нерасчлененные саргаевский и пашинский горизонты глин; венд – 2) нерасчлененная котлинская свита глин; палеопротерозой – (35): 3) нерасчлененная шокшинская свита песчаников, кварцитопесчаников, конгломератов, алевролитов; 4) нерасчлененная петрозаводская свита кварцитопесчаников, песчаников, конгломератов; 5) ропручейский интрузивный комплекс габбродолеритов, мелкозернистых диабазов; 6) крупные тектонические нарушения 30 Эратема Надгоризонт Горизонт Свита Подсвита Интрузивный комплекс 2 3 4 5 6 7 Девонская система (D) Саргаевский Породы 8 Глины, алевролиты, песчаники, пески, доломиты. Мощность до 70 м Глины плотные, песчаники, алевролиты, гравелиты. Мощность до 120 м Ропручейский Котлинская нерасчлененная Котлинский Пашинский Вендская система (V) Мезопротерозой Палеозойская 1 Фанерозой Эонотема Таблица 2.1 – Стратиграфическая колонка Южно-Онежской мульды Ропручейский габбродолеритовый комплекс: долериты, габбродолериты, габбро, в т. ч. оливиновые, сиенодиориты ( Vp). Возраст 1770 12 млн лет [Бибикова и др., 1990] Верхняя Средняя Петрозаводская (pt) Верхняя Нижняя Нижняя Шокшинская (sk) Шокшинский (Vp2) Петрозаводский (Vp1) Вепсийский (V2) Верхний карелий Палеопротерозой Песчаники с полевым шпатом, алевролиты Кварциты крупно-средне-мелкозернистые сиреневые, алевролиты темноокрашенные, конгломераты. Мощность 270500 м Кварциты крупно-среднезернистые розовые, алевролиты, сланцы и сланцеватые брекчии. Мощность 70290 м Кварциты крупно-среднезернистые малиновые и красные, алевролиты, сланцы, конгломераты. Мощность 20140 м Песчаники кварцевые крупно-среднемелкозернистые. Линзы конгломератов кварцевых. Мощность 100120 м Песчаники полевошпат-кварцевые грубокрупно-среднезернистые, конгломераты полимиктовые. Мощность 160220 м 31 Терригенные отложения занимают обширную площадь вдоль западного побережья Онежского озера и представлены преимущественно образованиями вепсия, подразделенными на две свиты: полевошпат-кварцевую сероцветную – петрозаводскую (Vp1) и кварцевую красноцветную – шокшинскую (Vp2), которые формировались в условиях окраины континентального массива субплатформенного характера [Галдобина, 1958; Гарбар, 1971]. Граница между отложениями петрозаводской и шокшинской свит нечеткая и проводится по появлению в разрезе нижней подсвиты шокшинской свиты большого количества прослоев сланцев и изменения окраски пород с серой на красноцветную. Петрозаводская свита, выделенная [Галдобина, Михайлюк, 1966] в районе г. Петрозаводска (стратотипом является разрез в карьере «Каменный Бор»), развита по западному берегу Онежского озера. Свита подразделяется на две подсвиты: нижнюю – сероцветную песчаниковую и верхнюю – пестроцветную кварцитопесчаниковую. Вскрытая мощность подсвиты достигает 550 м. Верхняя подсвита пользуется несколько большим распространением и связана с нижней постепенными переходами. Породы верхней подсвиты характеризуются большей крупностью зерен, меньшим количеством цемента, карбонатного и органического вещества. Она сложена песчаниками с редкими прослоями тонкозернистых песчаников, алевролитов, алевролитовых и глинистых сланцев, полимиктовых конгломератов и осадочных брекчий. Мощность свиты не превышает 250 м. Шокшинская свита занимает большую часть изучаемого участка, однако очень плохо обнажена и изучена, в основном по скважинам [Симанович, 1966; Гарбар, 1971; Кайряк, 1973]. По литолого-петрографическим признакам делится на три подсвиты: нижнюю красноцветную кварцитопесчаниковую, среднюю пестроцветную песчано-сланцевую и верхнюю красноцветную кварцитовую. Для пород шокшинской свиты характерны: розовато-красная окраска, среднезернистое (от грубо- до мелкозернистого) сложение, существенно кварцевый состав обломочного материала, интенсивная регенерация кварцевых зерен, наличие частых размывов, ритмичность осадков, косая слоистость, знаки ряби и трещины усыхания. 32 Интрузивные (плутонические) образования в районе представлены мощным силлом габбродолеритов (уст. габбродиабазов) ропручейского комплекса позднекарельского (вепсийского ~1,77 Ga) возраста (Vp) [Бибикова и др., 1990]. По данным структурного бурения и геологического картирования, общую площадь распространения габбродолеритов силла можно оценить в 910 тыс. км2 при средней мощности 170 м. Силл обнаруживает признаки выклинивания и воздымания с низких на более высокие уровни вмещающих осадочных пород в северо-западном направлении. На поверхность габбродолериты выходят в восточном крыле (от ст. Деревянка до с. Щелейки) и в районе р. Свирь. В остальной части площади они не обнажены. Породы в восточном крыле характеризуются в основном юго-западным падением с углами наклона от 010 до 25º, залегают согласно с вмещающими осадочными образованиями шокшинской свиты и вместе с ними участвуют в складчатости. К восточному крылу структуры, более ярко выраженному в орографическом отношении, приурочены практически все известные проявления и месторождения строительных материалов габбродолеритов. Кроме главного силла основных пород, выделяются одиночные дайки диабазовых порфиритов и маломощные пластовые тела [Громов, 1982; Кевель, 1988]. Дайки имеют мощность 34 м, субширотное простирание, субвертикальное падение и секущее положение с отложениями нижней подсвиты шокшинской свиты. В лежачем и висячем боках силла фиксируются две пластовые интрузии мощностью до 35 м, сложенные мелко- и тонкозернистыми диабазами. Четвертичные отложения (QIII, QIV) в районе работ характеризуются частой сменой фаций и резкими колебаниями мощностей от первых десятков сантиметров до 70 м. Наименьшее количество наносов наблюдается в прибрежной полосе Онежского озера и на грядах, сложенных основными породами. Выделяются ледниковые (флювиогляциальные, озерно-ледниковые), а также озерные, аллювиальные и торфяно-болотные отложения. 33 2.1.1 Тектоническая характеристика района Процессы тектогенеза внесли существенный вклад в формирование современного облика района Южно-Онежской мульды. Терригенные отложения, а также согласно дислоцированные с ними пластовые тела габбродолеритов имеют северо-западное простирание и пологое (510°, реже до 2030°) падение на юго-запад. Важно отметить, что формирование Ропручейского силла габбродолеритов приходится на конец карельской тектонической эпохи, когда происходил переход от колебательных движений свекофеннской складчатости к относительно спокойному режиму [Сыстра, 1993]. Породы смяты в пологие продольные и поперечные складки протяженностью от первых километров до 15 км и шириной от нескольких сотен метров до 35 км. Северо-восточные крылья продольных синклинальных складок обычно пологие, юго-западные более крутые (до 2540°). Эти складки, в свою очередь, осложнены пликативными дислокациями более высоких порядков [Гарбар, 1971]. Крупные поперечные антиклинальные складки характеризуются пологим падением крыльев, а более мелкие синклинальные сравнительно крутыми (2040°). В южной части мульды выделены второстепенные субмеридиональные синклинальные складки: Важинская и Прионежская, которые разделены Таржепольской антиклиналью. На севере выделяется Ужесельгская синклиналь [Онежская…, 2011]. Все образования района разбиты многочисленными разнонаправленными разрывными нарушениями на ряд крупных и мелких блоков. Преимущественное развитие имеют разломы северо-западного (СЗ) и северо-восточного (СВ) простирания. СЗ нарушения относятся к системе Прионежского глубинного разлома, проходящего под акваторией Онежского озера и отграничивающего Южно-Онежскую мульду с северо-востока, заложены в раннем протерозое в виде раздвигов и испытали в дальнейшем неоднократное подновление. С ними связано внедрение силла, создание грабеноподобной структуры Онежского озера, образование блоков, ступенчато-сброшенных в северо-восточном направлении; смещение пластов и т. д. [Громов, 1982; Онежская…, 2011]. 34 Разломы северо-восточного простирания являются составной частью Бураковско-Кожозерской глубинной зоны, начавшей свою активность в середине раннепротерозойского времени и неоднократно омоложенной. Они обусловили возникновение блоков, ступенчато-опущенных в юго-восточном направлении. Одна из ветвей этой зоны (Шелтозерская) является границей Белозерского и Онежского региональных блоков. Кроме крутых разломов, определяющих блоковую внутреннюю структуру Южно-Онежской мульды, в ее пределах встречены нарушения иной морфологии, относящиеся главным образом к шокшинской свите. Меридиональные нарушения являются самыми молодыми и смещают породы шокшинской свиты и тела габбродолеритов и долеритов, создавая мелкоблоковое строение территории [Гарбар, 1971; Громов, 1982]. Большинство установленных разрывов характеризуется крутыми углами падения (7590°), и лишь отдельные трещины северо-западного простирания имеют пологое (1030°) падение на юго-запад. Все они представлены зонами дробления и трещиноватости мощностью от первых десятков сантиметров до первых метров. К ним местами приурочены дайки диабазов, жилы габбродиоритов, сиенит-диоритов и аплитов, прожилки кварц-гематитового, эпидотальбитового, кварц-эпидотового и другого состава. В пределах разрывных нарушений породы, как правило, или совсем не изменены, или испытали слабую хлоротизацию, эпидотизацию и гематитизацию по трещинам. Структуры субслойного тектонического течения отмечены в залегающих субгоризонтально породах петрозаводской и шокшинской свит [Леонов и др., 1995]. Исследования, посвященные изучению эпигенетических изменений шокшинских песчаников, позволили с достаточной ясностью восстановить историю литификации этих пород [Копелиович, Симанович, 1964], а вместе с данными К. О. Кратца и П. Л. Кацеблина о характере приконтактовых изменений в зоне воздействия интрузии габбро-долеритов дали основание сделать вывод о том, что между временем накопления осадков, складчатостью, обусловившей современный структурный план территории, и магматизмом, сопутствующей ей, существовал значительный временной перерыв [Онежская…, 2011]. 35 2.1.2 Минералогическое описание габбродолеритов Практически повсеместно габбродолерит представляет собой мелкосреднезернистую породу (от серого до темно-серого, почти черного цвета), с массивной текстурой (весьма однородной, без значительных изменений). Структура породы определяется вторичных как габбродиабазовая, т. е. переходная между габбровой и диабазовой, отклоняясь в ту или иную сторону. Габбродолерит характеризуется весьма выдержанным минеральным составом, без существенных колебаний в содержании отдельных минералов. Основными породообразующими минералами в породе Ропручейской интрузии являются плагиоклаз, пироксен, рудный минерал, в измененной – плагиоклаз и амфибол. В качестве вторичных и акцессорных минералов в свежей породе присутствует амфибол (роговая обманка), биотит, кварц, апатит, рутил, в измененных габбродолеритах приконтактовых частей и тел апофизов присутствуют хлорит, серицит, калиевый полевой шпат, карбонат, сфен, эпидот. В теле силла прослеживаются три разновидности габбродолерита [Громов, 1982; Кевель, 1988; Белов, 1999]: 1) серые и темно-серые с белыми и розовато-белыми скоплениями зерен полевого шпата, от мелко- до крупнозернистой структуры (так называемый порфировидный, «пегматоидный» габбродолерит); 2) темно-серые, реже серые, мелкозернистые; 3) темно-серые, серые, мелко-среднезернистые, среднезернистые. По минеральному и химическому составу разновидности габбродолерита схожи по всей площади силла (таблица 2.2). Однако «пегматоидные» разновидности отличаются от мелкозернистого и среднезернистого габбродолерита повышенным содержанием кварца и меньшим содержанием пироксена. В связи с этим характеристика основных породообразующих минералов по «пегматоидным» разновидностям приводится отдельно. 36 Талица 2.2 – Минеральный состав габбродолеритов на различных участках Содержание минералов, от до, % Участок Плагио- Пироксен Титано- Кварц магнетит клаз Роговая Биотит Апатит обманка Рыбрека 40,0–56,0 16,0–33,0 4,7–9,0 0,2–3,5 8,0–21,8 1,3–6,7 0,2–0,8 Другая 45,0–50,0 25,0–35,0 3,0–10,0 1,0–5,0 3,0–10,0 0,4–0,8 0,2–0,6 50,0–60,0 10,0–20,0 3,0–4,0 – 3,5–5,5 – – Шелтозеро 45,0–53,0 20,0–40,0 3,0–9,0 3 4 – До 1 Река Шокша • Плагиоклаз образует шестоватые зерна удлиненные, размером реже 0,062,8 широкие мм. призматические Участками и проявлена соссюритизация с образованием тонкозернистой массы. • Пироксен представлен призматическими зернами размером 0,061,3 мм. Зерна пироксена окантованы амфиболом, который местами частично замещает пироксен. • Титаномагнетит (рудный) образует пластинчатые, скелетовидные и изометричные зерна размером 0,051,0 мм, часто прорастают зерна пироксена. • Амфибол образует каемки по биотиту, местами замещается биотитом и присутствует в виде призматических, частично ограненных зерен размером. • Кварц образует ксеноморфные зерна размером 0,050,6 мм. • Апатит наблюдается в виде шестиугольных и удлиненных игольчатых зерен в плагиоклазе размером 0,030,9 мм. • Биотит наблюдается в виде удлиненных и таблитчатых лейст, встречается в срастании с амфиболом и пироксеном, окаймляет рудный минерал. Размер зерен 0,050,5 мм. Наличие вредных примесей, отрицательно влияющих на долговечность и декоративность облицовочных материалов, не установлено (таблица 2.3). Включения магнетита не оказывает отрицательного действия на декоративные 37 свойства камня, поскольку этот минерал является устойчивым к процессам окисления и при выветривании с большим трудом поддается гидратации. Таблица 2.3 – Химический состав габбродолеритов на различных участках Участок Компоненты Рыбрека Другая Река Шокша Шелтозеро SiO2 51,56 50,6 50,5 50,3 TiO2 0,57 2,05 1,07 2,5 Al2O3 11,12 13,25 12,88 12,3 Fe2O3 9,8 3,22 4,57 4,1 FeO 7,9 11,49 7,09 10,9 MnO 0,88 0,2 0,12 0,14 MgO 3,27 5,24 4,43 5,3 CaO 7,68 8,46 8,97 8,2 Na2O 2,8 2,9 2,27 3 K2 O 1,2 1,1 1,69 1,1 H2 O 0,8 0,11 0,33 0,7 п.п.п. 1,4 0,85 5,82 1 P2O5 0,3 0,28 0,15 0,35 SO3 0,6 0,02 0,01 Габбродолерит характеризуется высокими физико-механическими свойствами, относится к группе прочных пород и пригоден для производства облицовочных материалов. 38 2.2 Геофизическая изученность Ропручейского силла Геофизические исследования, охватывающие Ропручейский силл, проводятся с 1933 г. [Левин, 1964]. Это прежде всего аэромагнитные и гравиметрические региональные исследования (рисунок 2.2). К региональным работам относятся аэрогеофизические съемки масштаба 1:200 000, проведенные в 19451946 гг. Карельской аэрогеофизической партией экспедиции № 9 ЗГТ (А. А. Логачев, В. В. Сусленников) станцией АЭМ-9Л, и съемки того же масштаба, выполненные в 1959 г. станцией АСТМ-25 (В. В. Сусленников, Г. А. Портова). В 1960 г. партией ВИРГ совместно с Северной экспедицией СЗГУ выполнена аэромагнитная съемка масштаба 1:25000. По ее данным отчетливо выделилась полоса габбродолеритов, которые выходят на поверхность в периферийных частях Южно-Онежской мульды. В 1977 г. издана сводная карта аномального магнитного поля в изолиниях масштаба 1:500000 (ред. Р. С. Сокол), которая включала и Ропручейский силл. Одной из последних в 19952000 гг. завершена аэромагнитная съемка масштаба 1:50000 1:100000 территории Ладожско-Онежского региона и акватории Онежского озера. По результатам этих крупномасштабных съемок с использованием региональной опорной сети была составлена сводная цифровая карта аномального магнитного поля ΔTa по сети 200 200 м [Ефимов, Степанов, 2000; Зуйкова, Шилова, 2000]. Гравиметрические исследования регионального характера выполнялись в масштабе 1:200000 в 1952 г. Онежско-Ладожской экспедицией ЗГТ (О. М. Кабанов) и в 1961 г. Белозерской партией (З. И. Меерсон). По данным гравиметрической съемки масштаба 1:200000 устанавливается соответствие областей пониженных значений гравитационного поля синклинорным зонам, локальные положительные аномалии силы тяжести объясняются наличием интрузий основного состава, верхняя кромка которых залегает на глубине порядка 8 км [Левин,1964]. 39 39 Рисунок 2.2 – Карты потенциальных полей [Онежская…, 2011]: А – карта аномального магнитного поля ΔTa по материалам среднемасштабных аэромагнитных съемок; Б – карта гравитационного поля в редукции Буге с плотностью промежуточного слоя σ = 2,67 г/см3 40 Основные петрофизические свойства пород, распространенных в районе исследования, представлены в таблице 2.4. Таблица 2.4 – Петрофизические характеристики пород района Южно-Онежской мульды (по материалам ПГО «Невскгеология», СЗГТ, ИГ КарНЦ РАН) Плотность, Магнитная Удельное г/см3 восприимчивость, сопротивление, χ·106 кОм · м Группы пород мин макс сред мин макс сред мин макс сред Шокшинская свита Песчаники 2,58 2,71 2,65 0 13 3 1 9 Кварцитопесчаники, 2,55 2,72 2,66 1 50 7 10 25 2,72 2,87 2,78 10 35 19 1 5 кварциты Алевролиты, сланцы Петрозаводская свита Песчаники 2,40 2,80 2,65 1 50 8 1 9 Кварцитопесчаники, 2,55 2,72 2,66 1 50 8 10 25 2,71 2,87 2,79 10 58 32 1 5 кварциты Алевролиты, сланцы Интрузивные породы Долериты 2,70 3,20 2,92 0 8000 500 1 8 Габбродолериты 2,72 3,21 3,00 34 16500 700 1 10 Габбродиориты 250 340 300 Диориты 25 90 50 Габбродолериты 60 110 80 катаклазированные 41 Детальные геофизические исследования масштаба 1:25000 и крупнее проводились преимущественно с целью поисков месторождений железа и концентрировались в западной части района. В соответствии с целевым назначением этих работ основным методом геофизических исследований была магниторазведка. В очень небольших объемах для решения частных задач применялась электроразведка на переменном и постоянном токах. Кроме того, ряд детальных геофизических работ проводился в восточной части района ПГО «Невскгеология» при поисках урановых месторождений. Основными методами были наземная магниторазведка и электроразведка на постоянном токе. Ряд геофизических изысканий в восточной части Ропручейского силла был выполнен сотрудниками Института геологии КарНЦ РАН [Рязанцев, 2011а; Рязанцев, 2012а; Рязанцев, Куликов, 2012]. При изучении глубинного строения территории большое значение играет профиль МОВЗ, проходящий в восточной части изучаемого района вдоль Онежского озера [Глубинное строение…2004]. Он располагается в пределах Бураковско-Кожозерской шовной зоны с гомогенизированной средой, которая в свою очередь разделяется на Прионежский, Петрозаводский, Центральный, Свирский и Оятинский блоки. Глубинное строение района характеризуется как сложное с большим количеством транскоровых нарушений и раздробленностью коры на блоки [Онежская…, 2011]. Предполагаемая схема глубинного строения в целом согласуется с общепринятыми современными представлениями о тектоническом состоянии Фенноскандинавского щита. Большинство выявленных глубинных нарушений можно отождествить с известными геологическими структурами [Глубинное строение…, 2004]. Таким образом, благодаря анализу геофизической информации, уточнено геологическое строение региона, а также выделен ряд особенностей, влияющих на тектонофизическую и морфоструктурную картину и факторы распределения различных полезных ископаемых. 42 2.3 Геолого-геофизическая характеристика детального участка работ «Шелтозеро Другая Река» С габбродолеритами и долеритами связано большинство известных в Прионежском районе месторождений и проявлений облицовочного и строительного камня. Это разрабатываемые месторождения «Голодай-Гора», «Шокшинское», «Гора Железная», «Шелтозерское» (южное и северное), ряд месторождений и проявлений района пос. Рыбрека (Ропручейская группа), а также месторождения облицовочного камня района пос. Другая Река – пос. Каскесручей (Другорецкое месторождение, включающее 13 лицензионных площадей), и др. На сегодняшний день основные действующие карьеры сосредоточены в юго-восточной части Ропручейского силла, что обуславливает интерес именно к этой области, как с научной, так и практической точки зрения. С горноэкономической точки зрения район расположен в пределах Шокшинского промышленно-сырьевого месторождений и узла (ПСУ), который камнеобрабатывающих представляет предприятий, собой относящихся ряд к производству каменных строительных материалов [Богатство недр…, 2007]. В геоморфологическом отношении данный район приурочен к грядообразным возвышенностям с обрывистым восточным склоном. Большинство выходов коренных пород приурочено к нижней части склона, где скальные крутые уступы высотой от 23 до 1012 м протягиваются на 30100 м параллельно склону. Представленная геологическая схема (рисунок 2.3) имеет в основе геологическую съемку масштаба 1:50000, выполненную ПГО «Невскгеология» на Прионежской площади в 1977 и 1981 гг. [Громов, 1982]. На участке выделяются два основных класса пород: магматический, представленный силлом габбродолеритов, и осадочный, включающий кварцитопесчаники, темные кремнистые сланцы и алевролиты шокшинской и петрозаводской свит. Особый интерес вызывают «верхнее, «главное» и нижнее» тела и их распределение в толще вмещающих пород. 43 Рисунок 2.3 – Геологическая схема детального участка работ «Шелтозеро Другая Река», [Громов, 1982] с дополнениями автора 44 Рисунок 2.4 – Геологические разрезы по детальному участку следований «Шелтозеро – Другая Река» (разрезы составлены на основе: [Мартынов, 1961; Громов, 1982; Кевель, 2008]) 45 Таким образом, исходя из имеющейся информации, можно сделать выводы о сложном строении изучаемого участка. Четыре геологических разреза (рисунок 2.4), построенные по данным бурения и полевых геологических наблюдений, выступают в качестве опорных при дальнейшем изучении. 2.3.1 Геофизическая изученность Данные по геофизической изученности восточной части Ропручейского силла (рисунок 2.5) получены из анализа работ [Левин, 1964; Вигдорчик, Зельдина, 1968; Громов, 1982; Калмыков, 2007; Онежская…, 2011]. По результатам аэромагнитной съемки магнитное поле исследуемого района четко разделяется на два типа. Первый тип поля – распространенный, отмечается спокойным характером, положительными значениями ΔT (0,51,5 мЭ), отсутствием локальных аномалий и отвечает областям развития осадочных отложений. Второй тип характеризуется сложным мозаичным строением, резким контрастом от 5 до 10 мЭ, что связано с габбродолеритами Ропручейского силла. Ярко выраженная асимметрия поля указывает на пологое залегание тела. Локальные магнитные аномалии имеют, как правило, согласные с простиранием границ силла направления, ширину от первых сотен до 1 км и протяженность до нескольких километров. Существенно влияют на уровень поля рыхлые отложения, мощность которых может достигать 4060 м. Среди дифференцированного поля достаточно уверенно выделяются положительные и отрицательные аномалии, прослеживающиеся на расстояние до 1 км при ширине до 100 м. Чередование этих аномалий отражает неравномерность распределения магнитных минералов в теле габбродолеритов, а также связано с изменением направления вектора остаточной намагниченности. По данным магниторазведки выделены многочисленные разломы, которые в магнитном поле фиксируются по нарушению корреляции элементов, по линейным границам раздела аномалий и полей различного типа, а также по линейным отрицательным аномалиям, секущим основное простирание пород. Правомерность сопоставления элементов магнитного поля с разрывными нарушениями доказана бурением [Мартынов, 1961; Громов, 1982]. 46 Рисунок 2.5 – Схема элементов геофизических полей в пределах участка детальных исследований [Громов, 1982] 47 По данным гравиметрической съемки масштаба 1:50000, 1:10000 [Левин, 1964; Громов, 1982], поле силы тяжести территории спокойное, положительное со значениями Δg от 6 до 16 мГал. Уровень поля повышается в западном направлении, что объясняется погружением «главного» силла габбродолеритов в этом направлении и возрастанием его мощности. Нижняя граница силла четко выражена в поле Δg зоной относительно высоких (25 мГал) горизонтальных градиентов. Она везде смещена в юго-западном направлении на 200500 м относительно геологически установленной границы за счет пологого падения тела. Разломы трассируются в гравитационном поле слабо выраженными линейными зонами повышенных (12 мГал) горизонтальных градиентов и линиями нарушения корреляции элементов поля Δg. Электроразведочными работами методом срединного градиента установлено, что поле кажущихся сопротивлений варьируется в широких пределах. Основные породы характеризуются кажущимися удельными сопротивлениями 15 Ом · м. По данным электроразведки, в районе выделяются аномалии повышенной проводимости протяженностью 58 км и шириной от десятков метров до первых сотен. Большинство аномалий обусловлено разрывными нарушениями. Детальные электроразведочные работы позволяют обнаружить локальные зоны трещиноватости. 2.3.2 Тектонические нарушения В пределах изучаемого участка породы смяты в пологие складки и разбиты многочисленными разрывными нарушениями различных порядков и направлений, что создает сложное мелкоблоковое строение территории. По результатам геологогеофизических полевых работ, анализу топографических карт и космоснимков, в районе работ выделены крупные нарушения. Наиболее широко проявлены разломы северо-восточного простирания, относящиеся к системе Бураковской глубинной зоны. Уверенно картируются крупные тектонические нарушения Другорецкое и Шелтозерское (рисунок 2.6). В работе [Громов, 1982] они прослежены на расстоянии от 78 до 1318 км при ширине от 0,7 до 23 км, состоят из серии субпараллельных, ветвящихся и веерообразных разрывов. 48 Рисунок 2.6 – Схема тектонических нарушений восточной части Ропручейского силла 49 Северо-западные нарушения, принадлежащие к системе Прионежского глубинного разлома, представлены дизъюнктивными тектоническими нарушениями (Сарыйярвинское, Ишанинское). Согласно исследованиям [Громов, 1982], крупные зоны имеют длину 1417 км и ширину от 0,8 до 2,3 км и состоят из серии субпараллельных и ветвящихся разрывов. Они выполнены дроблеными и трещиноватыми породами. Кроме того, выделены Другорецкий разлом, описание которого встречается в работах [Кевель, 1988; Кузьминых, 2001] и Каккаровский разлом, отмеченный в работе [Мартынов, 1961]. Меридиональные нарушения представлены Ропручейским и Верхручейским разломами. Они характеризуются длинной от 7 до 12 км и шириной первые десятки метров и представлены зонами дробления и трещиноватости. В большинстве зон изменения проявлены слабо или вообще отсутствуют [Мартынов, 1961; Громов, 1982]. Во всех разрывах отмечаются проявления различной степени гематитизации, окварцевания, хлоритизации, карбонитизации и ожелезнения по плоскостям трещин вне зависимости от состава пород. Для разломов всех указанных направлений, как правило, характерно крутое падение в разных румбах под углами от 7580 до 90°. Однако некоторые разрывные нарушения северозападного и реже северо-восточного направления падают полого под углами 1020° на юго-запад и юго-восток соответственно. Амплитуды смещения по разломам обычно составляют первые десятки метров (до 120 м). Кроме разрывных нарушений, на исследуемой площади выделяется крупное пликативное нарушение, относящееся к Прионежскому глубинному разлому, представленное пликативным нарушением [Рязанцев, Куликов, 2012; Рязанцев, 2013б]. По данным геофизики, это нарушение прослеживается по всему участку вдоль силла габбродолеритов, и его размеры варьируются от 1,5 до 5 км. По материалам [Громов, 1982], на участке можно выделить поперечные и продольные складчатые направления структуры. уверенно Среди поперечных прослеживается структур Другорецкая северо-восточного и Шелтозерская антиклинальные складки, имеющие пологое падение крыльев, длину от 3,5 до 5,5 км и ширину от 1,5 до 4 км. Сопряженные с ними синклинали, как правило, выражены очень слабо. 50 2.4 Условия формирования месторождений облицовочного камня в восточной части Ропручейского силла Проведенные исследования выявили целый ряд разрывных нарушений, формирующих структурную картину трещиноватости в пределах восточной части Ропручейского силла. Часть из них заверяются геологическими наблюдениями, а некоторые картируются впервые. Это позволило провести детальный анализ изучаемой площади с целью выявления наиболее перспективных участков для добычи облицовочного камня. По результатам исследований определены четыре основные системы трещин: • трещины системы I ориентированы согласно простиранию интрузии, угол падения 75–85°, среднее расстояние между трещинами 1,14–1,63 м; • трещины системы II ориентированы перпендикулярно простиранию интрузии, угол падения 70–80°, среднее расстояние 1,24–1,96 м; • трещины системы III субгоризонтальные, с преобладающим пологим падением на запад северо-запад, среднее расстояние 0,55–0,93 м; • трещины системы IV ориентированы диагонально простиранию интрузии, расположение хаотичное, невыдержанное. Комплексная обработка информации геологической и геофизической информации позволяет построить схему, описывающую основные тектонические нарушения восточной части интрузии (как наиболее освоенной) и позволяющую определить факторы, контролирующие их (рисунок 2.7). К таким факторам относятся: 1. Глубинные разломные зоны – Прионежская и Бураковско-Кожозерская, а также связанные с ними тектонические нарушения, высокоамплитудные вертикальные смещения и синклинальная складчатость. В результате анализа установлено, что самые продуктивные области располагаются в пределах приподнятых и обособленных блоков горного массива. 2. Пликативное нарушение, представленное складкообразным перегибом, влияющее на структуру отдельности силла и образование трещиноватости. 51 Этот фактор необходимо учитывать на стадии поиска месторождений при выделении средней части интрузива, так как она является наименее трещиноватой и наиболее выдержанной. Рисунок 2.7 – Модель тектонических нарушений участка работ: 1 – кварцитопесчаники шокшинской свиты; 2 – габбродолериты Ропручейского силла; 3 – кварцитопесчаники петрозаводской свиты; 4 – верхняя выветрелая часть габбродолеритов; 5 – продольные и поперечные тектонические нарушения первого порядка; 6 – продольные и поперечные тектонические нарушения второго порядка; 7 – диагональные трещины; 8 – пластовая отдельность; 9 – Прионежский разлом; 10 – Бураковско-Кожозерская разломная зона 3. Неоднородность силла, наблюдаемая в эрозионном срезе, обусловленная процессами тектогенеза и выветривания. По полученным данным установлено, что наиболее продуктивные месторождения располагаются в областях, где верхняя толща силла уничтожена (срезана) ледниковой эрозией. 4. Основные типы и направления развития тектонических нарушений, определяющие размер и форму природной отдельности. Детальный анализ азимутов простирания и углов падения позволяет установить главные направления развития трещиноватости в пределах площади исследований. 52 2.5 Выводы к главе 2 1. Проведенные геолого-геофизические исследования позволили обобщить информацию об основных чертах строения, минерального состава, отражения в геофизических полях Ропручейского силла. Анализ этого материала позволяет установить главные структурные и тектонические факторы, контролирующие закономерности распределения месторождений облицовочного камня. Благодаря их учету выделены предпосылки, на основе которых необходимо проводить отбор площадей для поиска и разведки месторождений облицовочного камня. Благодаря учету этих факторов можно выделить площади, которые наименее подвержены влиянию негативных факторов. 2. По результатам работы установлено, что наиболее весомый вклад в формирование отдельности горного массива габбродолеритов Ропручейского силла вносят трещины I и II систем. Детальное изучение этих систем показало, что они имеют размеры, варьирующиеся от 0,02 до 0,5 м. Материаломзаполнителем являются продукты выветривания и каталаза габбродолеритов, привнесенные рыхлые отложения с интенсивным обводнением. 53 Глава 3 ТРЕЩИНОВАТОСТЬ ГОРНОГО МАССИВА И ЕЕ СВЯЗЬ С ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ 3.1 Методы геофизики при разведке месторождений облицовочного камня Современные геологоразведочные работы представляют собой сложный процесс, который включает ряд взаимосвязанных стадий исследования, каждая из которых решает определенный круг задач по изучению закономерностей размещения полезных ископаемых. Поскольку интерпретация геологических данных – задача сложная, то необходимо комплексировать различные методы ее исследования, в том числе геофизики. «Основная цель геофизических методов – обеспечение надежности однозначного решения поставленных геологических задач и определения основных параметров исследуемых объектов и вмещающей среды» [Хмелевской, 1999]. На сегодняшний день изучение месторождений природного строительного камня с использованием геофизики носит эпизодический характер, не являясь строго обязательным к применению. Однако, как показывает практика, применение геофизических методов позволяет получить информацию, повышающую эффективность геологоразведочных работ. При помощи геофизики, исходя из работ [Григорович, 1976; Беликов, Петров, 1977; Хмелевской, Бондаренко, 1989б; Бакка, Ильченко; 1992], могут решаться следующие задачи: оконтуривание областей, перспективных для получения блочной продукции в плане и разрезе; выявление в пределах месторождения наиболее благоприятных участков по минеральному (химическому) составу, физико-механическим и прочностным свойствам; определение мощности вскрыши; картирование тектонических нарушений, зон повышенной трещиноватости, обнаружение карстов, установление геологических включений, выветрелых зон; оценка горнотехнических и гидрогеологических условий разработки месторождений. Для этого применяются разнообразные поисковые методы: электроразведочные, сейсморазведочные, магниторазведочные и многие другие. 54 Главным их достоинством является возможность охарактеризовать объем геологической среды при относительно малых затратах, основываясь на изменениях физического состояния пород, что позволяет проводить более качественную оценку. Можно выделить различные способы для определения неоднородностей массива горных пород геофизическими методами, так как любое нарушение и изменения первичного состава находит свое отражение в геофизических полях. Вследствие чего геофизические методы позволяют разделить (структурировать) массив горных пород, в том числе перекрытый четвертичными отложениями, по степени нарушенности. Существует ряд успешных примеров использования современных геофизических методов для изучения массивов горных пород и определения нарушенности и локальных неоднородностей в них [Яковлев и др., 2005; Копылов, Пустовойтова, 2006; Соколов и др., 2011; Гайсин и др., 2011; Nguyen et al., 2005; Nimmer et al., 2007; Luodes, 2008; Heldal et al., 2008; Francese et al., 2009; Magnusson et al., 2010; Selonen et al., 2011; Luodes, Sutinen, 2011]. Методы геофизики, применяемые при оценке месторождений облицовочного камня, должны обладать рядом характеристик для эффективного решения поставленной задачи. Во-первых, при разведке, исходя из специфики добычи природного камня открытым способом до первых десятков метров, целесообразно использование малоглубинных методов. Во-вторых, для получения более качественной и детальной информации о строении изучаемого объекта необходима высокая плотность измерений. В-третьих, проводимые исследования должны сопоставляться с геологической информацией на основе взаимодополняемости. И последним условием применимости геофизических методов является экономическая эффективность – геофизические работы должны иметь низкую себестоимость вследствие относительно невысокой цены природного камня по сравнению с другими полезными ископаемыми, а также способствовать сокращению общих расходов на разведку [Пашкевич, 1980; Гольдман, 2000]. Как отмечалось выше, наиболее качественную информацию о геологическом строении среды можно получить, используя комплексирование методов, 55 основанных на различных свойствах изучаемой среды. Однако различные горные породы, перспективные для добычи облицовочного камня, требуют индивидуального методологического подхода. Выбор комплекса определяется как задачами, так и геологическим строением для каждого конкретного объекта. Так, например, в Республике Карелия распространены кристаллические породы Фенноскандинавского щита, пригодные для использования в качестве облицовочных камней. Эти породы обладают рядом ярко выраженных физических особенностей (повышенное сопротивление, скорость распространения упругих волн и т. д.), которые как повышают контрастность получаемых данных, так и усиливают возможные ошибки. Далее будут рассмотрены примеры применения некоторых геофизических методов на месторождениях облицовочного камня в Карелии. 3.1.1 Высокоточная магниторазведка Магниторазведка – один из основных методов прикладной геофизики. Она является самым производительным методом для определения структурных и вещественных неоднородностей геологической среды, исходя из данных о поверхностном распределении аномалий геомагнитного поля, возникающих при различной намагниченности пород с различными минеральными составами. Что обуславливается как первичным распределением магнитных минералов (таких как магнетит, ильменит, титаномагнетит, гематит, пирротин), так и последующими изменениями, вызванными процессами различной природы. Получаемые в результате аномальные значения магнитного поля позволяют изучить массив горных пород, перспективный для добычи облицовочного камня, качественно определив структурные элементы [Ревякин и др., 1986; Хмелевской, 2002; Гершанок, 2006]. Целью высокоточной магниторазведки является обнаружение и изучение слабомагнитных сред, вызывающих аномалии интенсивности 130 нТл, а также повышение разрешающей способности при изучении аномалий большей интенсивности [Ревякин и др., 1986]. Такой подход особенно эффективен при изучении месторождений неметаллических полезных ископаемых, таких как 56 природный камень, вследствие возможности локализации малоамплитудных нарушений и трещин в массиве горных пород. Для решения подобных задач может использоваться методика магнитных наблюдений [Гершанок, 2006] с автоматическим учетом геомагнитных вариаций, основанная на измерениях отдельных приращений. Магнитная съемка при таком подходе выполняется двумя идентичными магнитометрами. Величина разности между отсчетами на двух соседних пунктах свободна от влияния вариаций. Измерения выполняются синхронно, с поочередной стоянкой. В результате чего получаем сигнал, отражающий влияние геологии и не осложненный помехами. В качестве примера можно привести работы на Салминском массиве гранитоврапакиви (рисунок 3.1). Применение высокоточной магниторазведки на обнажении позволило выделить крупные субвертикальные трещины массива. Рисунок 3.1 – Карта аномальных значений магнитного поля на обнажении (пунктиром обозначены установленные трещины массива) 3.1.2 Малоглубинная сейсморазведка Предпосылкой исследования упругих свойств для выявления зон нарушения целостности горного массива является рассеивание в этих областях энергии упругих колебаний и резкое снижение скорости их распространения. Разными авторами опубликовано большое количество материалов, посвященных изучению трещиноватости горного массива методами сейсморазведки, например 57 [Семерикова, 2011]. Из этих работ следует, что выявленные области пониженных скоростей должны соответствовать зонам наиболее нарушенных пород исследуемого объема среды. Изучение трещиноватости может проводиться как методом преломленных волн (МПВ), так и отраженных (МОВ). В качестве примера использования МПВ приведены профильные работы на карьере по добыче габбродолеритов (рисунок 3.2). Зоны вертикальной трещиноватости отмечаются понижением эффективной скорости до 4050 м/с и изменением характера волнового поля. Изменение характера волнового поля выражается в уменьшении или увеличении амплитуд сейсмического сигнала и в смещении фаз. Зона горизонтальной трещиноватости определяется положением преломляющей границы. Рисунок 3.2 – Схема распределения скоростей и преломляющей границы на массиве габбродолеритов Также широкий спектр данных может быть получен при использовании томографического подхода, когда строится двухмерный скоростной разрез, что позволяет получить картину распределения скоростей в горном массиве, которая соотносится с областями разной степени нарушенности (рисунок 3.3). Как показала практика, такой подход позволяет проводить интегральную оценку трещиноватости. 58 Рисунок 3.3 – Профиль лучевой сейсмотомографии, выполненный на массиве гранитов-рапакиви 3.1.3 Георадиолокация Георадиолокация является современным средством для проведения инженерных изысканий с высокой разрешающей способностью, основанным на использовании классических принципов радиолокации [Владов, Старовойтов, 2004]. Передающей антенной прибора излучаются сверхкороткие электромагнитные импульсы (единицы и доли наносекунды), имеющие 1,01,5 периода квазигармонического сигнала и достаточно широкий спектр излучения. Центральная частота сигнала определяется типом антенны. Выбор длительности импульса определяется необходимой глубиной зондирования и разрешающей способностью прибора. Излучаемый в исследуемую среду импульс отражается от находящихся в ней предметов или неоднородностей среды, имеющих отличную от среды диэлектрическую проницаемость или проводимость, принимается приемной антенной, усиливается в широкополосном усилителе, преобразуется в цифровой вид при помощи аналого-цифрового преобразователя и запоминается для последующей обработки. Результатом георадиолокационного зондирования является набор трасс, отображающийся методом переменной плотности в виде радарограммы, по которой можно определить местонахождение, глубину залегания и протяженность искомых объектов. Важным моментом является то, что требуется существенная обработка радарограмм для их интерпретации. Кроме того, интерпретация георадарных данных сильно зависит от человеческого фактора. 59 Исходя из специфики методики георадиолокации, ее использование может обеспечивать выделение отдельных относительно маломощных нарушений в горном массиве, на эту тему существует множество работ, в том числе и о месторождениях облицовочного камня [Глазунов, Ефимова, 2009; Данильев, 2011; Luodes, 2008; Luodes, Sutinen, 2011]. Это связано с тем, что области наиболее разрушенных пород содержат множество мелких контрастных границ (поверхности обломков, трещины с различным заполнением), которые в свою очередь являются площадками формирования отраженной волны. Такие зоны на радарограмме фиксируются областями с хаотичной волновой картиной без продолжительных осей синфазности с многочисленными перекрывающимися дугами дифракции. Применение георадара для изучения месторождений облицовочного камня позволяет решать целый круг задач, таких как определение мощности рыхлой вскрыши и рельефа коренных пород, выделение крупных тектонических зон, а также определение на стадии эксплуатации карьера блоков, обусловленных природной отдельностью. Несмотря на очевидные достоинства метода георадилокации, следует отметить его недостатки и ограничения при изучении трещиноватости горного массива: 1. Глинистые включения в рыхлых отложениях вызывают быстрое затухание полезного сигнала. В результате чего, из-за особенностей строения четвертичных отложений, в некоторых случаях георадар неэффективен. 2. В зависимости от типа пород данные георадиолокации имеют разную глубину проникновения и детальность. Кроме того, наличие рудных минералов в горной породе может приводить к возникновению различного рода помех, которые усложняют обработку (рисунок 3.4). 3. Для методически правильной и наиболее информативной эксплуатации георадар необходимо применять на плоских поверхностях, что ограничивает его использование при разведке месторождений облицовочного камня детальной стадией, когда технологические уступы карьера. имеются протяженные расчистки или 60 Рисунок 3.4 – Георадарные профили, выполненные по: А – массиву габбродолеритов; Б – массиву гранитов-рапакиви В качестве примера приводятся две радарограммы, полученные по разным типам пород при помощи георадара ОКО-2 с центральной частотой 150 Гц. Первая из них (рисунок 3.4, А) представляет собой профиль, выполненный по массиву габбродолеритов. По профилю отчетливо выделяются георадарные комплексы, соотносящиеся с субгоризонтальной нарушенностью. Следует отметить, что эффективная глубина исследований не превышает 5 м; кроме того, присутствует ряд ярко выраженных помех, обусловленных как геологией объекта, так и техническими особенностями применяемого метода. Вторая радарограмма (рисунок 3.4, Б) получена на массиве гранитов-рапакиви. На ней характер волнового поля резко отличается, при этом отчетливо прослеживаются субгоризонтальные нарушения до глубины 13 м. Приведенный пример наглядно демонстрирует зависимость эффективности георадарных исследований от типа горных пород. Исходя из чего можно констатировать необходимость методически обоснованного применения георадара для изучения трещиноватости. 3.1.4 Электроразведка Электроразведочные методы широко используются для изучения верхней части геологической среды при разведке месторождений полезных ископаемых, 61 инженерных изысканиях, решения гидрогеологических задач и т. д. Могут они применяться и для оценки месторождений облицовочного камня, что связано с повышением проводимости горных пород в областях развития трещиноватости. Существуют примеры выделения ослабленных зон горного массива при помощи электроразведки как на переменном токе [Meju, 2005], так и на постоянном [Иванов и др., 2005; Копылов, Пустовойтова, 2006; Рязанцев и др., 2011]. Следует отметить, что, по утверждению [Огильви, 1990], из всех параметров трещиноватости лучше всего изучены электрофизические. Наиболее широкое распространение для изучения приповерхностной части горного массива получили методы сопротивления на постоянном токе, такие как профилирование, трещиноватости которое по позволяет площади; картировать азимутальные субвертикальные вертикальные зоны зондирования, позволяющие проследить направление трещиноватости и электротомография (методика, детально рассмотренная в данной работе). Применение электроразведки позволяет получить интегральную картину распределения удельных сопротивлений горного массива, которую достаточно просто соотнести с распределением нарушенных областей [Рязанцев, 2011б]. Исходя из существующих предпосылок, можно сделать вывод о применимости электроразведки для изучения трещиноватости горного массива. Наиболее оптимально применение электроразведочных методов изучения месторождений облицовочного камня при поисковых и разведочных стадиях. К их достоинствам относятся: относительная простота сбора и обработки данных, четко определенная физика процессов, возможность применения в сложных природных условиях, высокая детальность при необходимости, относительно невысокая цена. Наряду с этим возникает необходимость проведения дополнительных исследований. Их целью является определение поисковых геоэлектрических атрибутов зон трещиноватости и их параметров для идентификации и оценки в поле УЭС. Такие работы позволяют обосновать применимость методики электротомографии. 62 3.2 Удельное электрическое сопротивление горных пород При ведении электроразведки методами сопротивления необходимо понимать отличие изучаемого объекта тела, слоя, пласта и т. д. от вмещающих пород. По определению, данному в [Хмелевской, 1984], «удельное электрическое сопротивление (УЭС) характеризующим его горных пород способность является пропускать параметром электрический вещества, ток при возникновении электрического поля». УЭС измеряется в Ом · м, так как является интегральной величиной, характеризующей некоторый интервал исследуемого объекта. Горные породы принято рассматривать в геофизике как трехфазную среду, т. е. сочетание твердого минерального скелета, в котором присутствуют трещины или поры, заполненные газом или жидкостью [Хмелевской, 1999]. Исходя из чего токопроводящая среда в горных породах представляет собой раствор солей (электролит), распространяющийся через сложную структуру взаимосвязанных пор и трещин. Сопротивление таких пород напрямую зависит от количества присутствующей воды, минералов, содержащихся в воде, и степени взаимосвязи между порами. В работе [Электроразведка…, 1994] факторы, обуславливающие сопротивление горных пород, разделяются на внутренние (минеральный состав, строение, текстурные особенности) и внешние (давление, водонасыщенность, температура, трещиноватость). В большинстве случаев скальные породы являются плохими проводниками, однако геологические процессы существенно влияют на изменение их проводимости. К таким процессам относятся выветривание, растворение, гидротермальные изменения и т. д. Кроме того, вносят свой вклад и тектонические процессы, например процессы образования систем дислокаций; они увеличивают пористость и проницаемость горных пород, что также приводит к уменьшению УЭС. Следовательно, сопротивление следует рассматривать как параметр, меняющийся в широких пределах не только для разных видов пород, но и в пределах одной конкретной формации. 63 Текстура породы также оказывает сильное влияние на проводимость (см. рисунок 3.5). Это связано с тем, что для протекания тока поры должны быть соединены, если этого не происходит (случаи так называемого несвязанного или тупикового порового пространства), то порода имеет низкую проницаемость и высокие показатели УЭС. Типичным примером такого случая является базальт, который имеет высокую пористость и низкую проводимость [Stummer, 2003]. Рисунок 3.5 – Текстуры пористости горных пород (по Ward, 1990): а – базальт; б – известняк; в – гранит Множество петрофизических исследований, сделанных на образцах горных пород, позволили установить соотношения между типами горных пород и УЭС (рисунок 3.6). Несмотря на широкий диапазон изменения УЭС у разных пород, основные закономерности установлены достаточно четко [Хмелевской, Бондаренко, 1989а]. УЭС изверженных и метаморфических горных пород имеют наибольшие значения. Осадочные породы обладают невысокими показателями УЭС, которые сильно зависят от крупности слагающих их частиц и сопутствующей глинистости. Рыхлые отложения из-за обводненности еще более проводящие. Руды проводимы, их УЭС зависит от состава. На практике на распределение тока в реальных условиях влияет множество факторов, таких как неоднородности среды, эффекты анизотропии и т. д., что не позволяет установить точные значения УЭС. Поэтому вводится специальное понятие – кажущееся удельное электрическое сопротивление (КУЭС) которое отличается от истинного и носит фиктивный характер. , 64 Рисунок 3.6 – Удельное электрическое сопротивление некоторых горных пород (составлено по данным: [Петрофизика, 1992; Ward, 1990; Loke, 2010]) Измерения УЭС используются в течение многих десятилетий при поиске и разведке месторождений рудных полезных ископаемых, гидрогеологических исследованиях и т. д. [Хмелевской, 1984]. В процессе изучения УЭС приходится использовать те или иные модели зависимости удельного сопротивления породы от определяющих его факторов [Электроразведка…, 1994]. 65 3.3 Связь трещиноватости горных пород и УЭС Явление трещиноватости можно рассматривать как нарушение сплошности горного массива, в результате чего возникают эффекты, имеющие отражение в геофизических полях, в том числе и в удельном электрическом сопротивлении. Различными исследованиями установлено, что образование отдельных трещин в зависимости от их типа может приводить к изменению УЭС, на которое также оказывают влияние ширина раскрытия и вещества заполнителя трещин [Sentenac, Zielinski, 2009; Magnusson, 2010; Schmutz, 2011]. Важным фактом является то, что геоэлектрические характеристики приповерхностной части горного массива тесно связаны с процессами водонасыщения, поэтому, как правило, образование трещин приводит к уменьшению УЭС. Одно из первых уравнений, которое описывает отношение между удельным сопротивлением породы и жидкостным показателем насыщения, называется уравнением Арчи [Петрофизика, 1992]. Это уравнение применимо для определенных типов горных пород и осадков. Электрическая проводимость в нем принята в соответствии с жидкостным наполнением пор в породе. Уравнение Арчи выглядит следующим образом: где ρf – удельное сопротивление пласта, ρw – удельное сопротивление порового флюида, Ф – пористость песчаников в отсутствие глинистых минералов, F – фактор формирования, a – коэффициент насыщения, m – фактор цементации. Для тока, текущего вдоль трещины, заполненной электролитом, сопротивление гораздо ниже, чем сопротивление межзернового пространства породы такого же объема. Для горной породы с неустановленными системами трещин (с так называемой хаотической трещиноватостью) проводимость в общем виде выражается [Итенберг, 1987] в виде: 66 где ρтр, ρм, ρж – удельные сопротивления трещиноватой породы, нетрещиноватой (межзерновой) ее части и жидкости, заполняющей трещины. Величина множителя A в зависимости от геометрии систем трещин изменяется от 1 до 2, оставаясь равной 1,5 для изотропной породы хаотической трещиноватости. Следовательно: ( ) Откуда легко можно получить выражение: ( ) Существует ряд исследований, в которых установлено наличие взаимосвязи электрических свойств горных пород с состоянием их нарушенности. Так, ранние исследования [Brace, Orange, 1968] посвящены зависимости проводимости породы от ширины раскрытия трещины и величины пористости (рисунок 3.7, А). В работе [Roberts et al., 2001] лабораторно доказано, что существует связь между трещинами и влажностью, а также экспериментально определено, что изменение удельного сопротивления относительно водонасыщенности происходит (рисунок 3.7, Б) по экспоненциальному закону: где ρ0 – удельное сопротивление при нулевой водонасыщенности, C – наклон, Sw – величина водонасыщенности. Отдельно следует отметить исследования А. М. Нечая, представленные в монографии [Огильви, 1990], где выведена принципиальная зависимость трещинной пустотности пород и УЭС. Так, например, для случая хаотичного распределения трещиноватости в массиве ее связь с УЭС имеет вид: где ρтр – сопротивление трещиноватых пород, kтр – коэффициент трещинной пустотности, ρз – сопротивление заполнителя, ρм – сопротивление массивных пород. 67 Рисунок 3.7 – Модель [Brace, Orange, 1968] взаимосвязи проводимости трещин и их пористости для некоторых видов горных пород (А); модель [Roberts et al., 2001] отношения удельного сопротивления и водонасыщенности при разных температурах (Б) Также в данной работе показано, что при наличии одной или двух систем трещин существует обусловленная ими анизотропия пород, тогда как при трех системах трещин или их хаотичном распределении породы рассматриваются как изотропные. Кроме того, установлен факт, что при наличии пористости более 10 % влияние трещиноватости сильно снижается. В статье [Backstrom, 2005] определено изменение УЭС гранитов от плотности трещин массива, эти значения имеют линейную обратную зависимость, такие выводы получены и в работе [Копылов, Пустовойтова, 2006]. Дополнительно стоит отметить исследования [Шевнин и др., 2006], которые определяют связь между глинистостью породы и ее УЭС, а также статью [Карпов, 2013], где обсуждаются зависимости УЭС от петрофизических параметров. Таким образом, можно констатировать о наличии явной связи между УЭС и трещиноватостью горных пород. Наряду с этим следует отметить, что эта связь обусловлена рядом факторов и в каждом типе горных пород может проявляться по-разному. Поэтому для достоверного определения предпосылок использования метода сопротивлений необходимы отдельные исследования электрических свойств габбродолеритов. 68 3.4 Исследование электрических свойств габбродолеритов В результате миграции влаги возникают новые условия, которые контрастно проявляются в поле УЭС. Для основных пород (таких как габбродолерит) в нормальном состоянии значения УЭС – десятки тысяч Ом · м, тогда как нарушенные породы подобного типа обладают пониженным сопротивлением [Ward, 1990; Вахромеев и др., 1997]. По петрофизическим исследованиям, удельное сопротивление габбродолеритов составляет в среднем 1 · 107 Ом · м в сухом состоянии и 6 · 105 Ом · м в водонасыщенном [Петрофизика, 1992]. При испытаниях в сухом состоянии большую роль играют породообразующие минералы образца. По параметрическим измерениям [Голод и др., 1979] нормальные значения УЭС ненарушенных габбродолеритов составляют 4 · 103 – 6 · 103 Ом · м. Для исследуемого массива габбродолеритов на основе обобщающего анализа установлены осредненные характеристики, связанные с трещиноватостью: удельная трещиноватость составляет 1,48 м/м2, модуль трещиноватости 0,75 м1, пористость 0,65 %. В качестве примера, представляющего зависимость удельной трещиноватости и УЭС, приводятся работы, выполненные на карьере по добыче облицовочного камня «Другорецкое-3». Наличие такой площадки позволяет провести как детальные геофизические наблюдения, так и подготовить прямую геологическую документацию трещиноватости. Как пример показаны исследования, выполненные на обнажении горного массива (рисунок 3.8). В качестве параметров, описывающих трещиноватость, использовались удельная трещиноватость (как характеристика, наиболее часто используемая при разведке месторождений облицовочного камня) и модуль трещиноватости (этот показатель чаще используется в инженерной геологии, однако он удобен при профильных геофизических исследованиях). Построение карты-плана удельной трещиноватости по прямым геологическим наблюдениям (рисунок 3.8, А) и последующее ее сопоставление с картой КУЭС (рисунок 3.8, Б) наглядно демонстрируют обратную зависимость 69 между этими показателями. Областям с низкой удельной трещиноватостью (xПК 5–10, yПК 0–12; xПК 16–27, yПК 2–15) соответствует высокое сопротивление (7 кОм · м и более). Рисунок 3.8 – Сопоставление удельной трещиноватости и кажущегося УЭС массива габбродолеритов Ропручейского силла: А – план удельной трещиноватости; Б – план распределения кажущегося УЭС В общем виде взаимосвязь между трещиноватостью и УЭС для габбродолеритов Ропручейского силла имеет вид, как видно из рисунка 3.9, обратной линейной зависимости. Наличие такой зависимости позволяет оценивать (на качественном уровне) степень нарушенности горного массива габбродолеритов по показателю УЭС. Рисунок 3.9 – Зависимость логарифма УЭС и удельной трещиноватости 70 Для изучения электрических свойств областей трещиноватости габбродолеритов Ропручейского силла были проведены исследования, которые включали петрофизическое изучение электрических свойств и параметрические замеры. Первый этап включал в себя отбор проб в стенке уступа с шагом 0,5 м вкрест крупного субвертикального нарушения, относящегося к системе трещин данного горного массива. Далее выполнялись параметрические измерения по верху уступа. электрических Такой подход свойств позволил породы в качественно области оценить развития изменение трещиноватости. Параметрические измерения проводились четырехэлектродной установкой, аппаратурой TLR-003 TLT-30 производства ЗАО «Теллур-СПб» (подробнее рассмотрено в главе 4) с шагом 0,5 м и измерением кажущегося УЭС и вызванной поляризации. Лабораторные измерения удельного сопротивления проводились двухэлектродной установкой по методике, описанной в [Эме, 1967; Петрофизика, 1992], прибором Е8-2, применяемым для измерения емкостей и проводимостей, и измерительной ячейкой. Образец, представляющий собой круглую таблетку толщиной l см, изготовленную из пробы, отобранной штуфным способом и полностью высушенной в естественных условиях, укладывается между двух медных электродов и измеряется сначала с одной стороны, а потом с другой. За значение принималось среднее двух замеров. Далее рассчитывались удельное сопротивление в 107 Ом по формуле: Следует отметить, что для получения более правдоподобных замеров необходимо проводить измерения образцов при определенных значениях водонасыщенности и давления. Также необходимо учитывать, что измерения проводятся при помощи тока высокой частоты, тогда как при полевых работах используется низкочастотная аппаратура. На рисунке 3.10 представлены результаты петрофизического изучения УЭС габбродолеритов поперек трещины, а также измерения кажущегося УЭС и вызванной поляризации. 71 Рисунок 3.10 – Изучение электрических свойств трещиноватости габбродолеритов Ропручейской интрузии: А – исследуемая зона трещиноватости; Б – графики изменений: 1 – удельное сопротивление по петрофизическим данным; 2, 3 – кажущееся удельное сопротивление и вызванная поляризация по полевым наблюдениям Установлено, что вследствие процессов разгрузки происходит изменение внутренней структуры габбродолеритов, приводящее к образованию каналов миграции влаги и, как следствие, повышению проводимости. Этот эффект имеет отражение и в полевых наблюдениях кажущегося удельного сопротивления вкрест простирания трещины. Кроме того, трещиноватость характеризуется понижением значений вызванной поляризации за счет окисления и выноса рудных минералов, в данном случае титаномагнетита из габбродолеритов. Все графики имеют схожую форму распределения, выражающуюся в минимальных значениях в центре нарушения и нарастанием к периферии. Проведенные исследования позволили определить основные свойства трещиноватости для габбродолеритов. Выявлено, что трещинам соответствует область влияния на горный массив в 10 и более раз превышающая их ширину, что является следствием вторичного изменения пород, из-за чего в поле УЭС они выделяются протяженными аномалиями с обрамлением градиентными зонами. 72 3.5 Корреляция геологических и геоэлектрических параметров На сегодняшний день известно несколько способов оценки трещиноватости горного массива, использующих установленные корреляционные соотношения трещиноватости с геофизическими характеристиками горных пород. Справедливо это и для методов сопротивления, в частности электротомографии. Обеспечить совместное использование данных из разных источников можно при помощи нахождения корреляционных зависимостей, что является стандартной методикой при использовании комплексного подхода [Никитин, Хмелевской, 2004]. Для этого необходимо использовать геостатистическую модель, которая, цитируя [Поротов, 2006], «рассматривает изучаемый объект как геометрическое поле с определенным законом пространственной изменчивости и с вполне определенным значением изучаемого объекта в каждой его точке». Применение вероятностно-статистического подхода при обработке геоданных обусловлено характерной особенностью геофизических наблюдений [Никитин, Петров, 2008]. В качестве примера по результатам опытно-методических работ на карьере «Другорецкое-3» вычислен коэффициент Спирмена для определения силы связи между двумя признаками высокой блочности: удельным сопротивлением и удельной трещиноватостью. В результате проведенных расчетов получается коэффициент ранговой корреляции. Его значения заключены в интервале между +1 и –1. Чем ближе по абсолютной величине r к единице, тем сильнее связь между свойствами. Коэффициент Спирмена рассчитывается по формуле ∑ В нашем случае получается отрицательная зависимость rs = 0,886, которую можно охарактеризовать как высокий уровень обратной связи. Кроме того, определены критические значения, подтверждающие статистическую значимость корреляции. То есть практическим примером подтверждается явная обратная зависимость трещиноватости от сопротивления, или: чем выше сопротивление, тем ниже трещиноватость, и наоборот. 73 Для анализа информации необходимо из двух признаков (удельное сопротивление и удельная трещиноватость) получить один, который и охарактеризует выбранную область. Наиболее просто этот процесс, как отмечено в работе [Хмелевской и др., 2004], можно осуществить на примере функции комплексного показателя (ФКП). Расчет ФКП основан на усилении полезного эффекта. В данном случае присутствует обратная зависимость, поэтому имеет смысл ранжировать исследуемую площадь на основе выделения экстремумов. То есть находить наибольшие и наименьшие значения ФКП, которые соответствуют областям наибольшей и наименьшей блочности соответственно. По полученным наборам данных рассчитывался ФКП, представляющий собой интервал от –1 до 1, где 1 – области максимума, –1 – области минимума. На рисунке 3.11 представлено определение ФКП между удельными сопротивлениями и измеренными трещинами массива горной породы (см. рисунок 3.8), полученными на уступе карьера «Другорецкое-3». Рисунок 3.11 – Карта распределения комплексного параметра Анализируя полученный результат, по комплексной карте можно выделить три основные структурно-технические зоны: 1-я характеризуется коэффициентом от 0 и выше и соотносится с наибольшей блочностью; 2-я, с коэффициентом от –0,4 до 0, соотносится с мелкоблочным сырьем; 3-я, с коэффициентом менее –0,4, относится к неперспективным зонам исследуемого участка. 74 3.6 Выводы к главе 3 1. Проведенный обзор показывает широкие возможности методов геофизики для изучения нарушенности горных пород. Исследование основ метода сопротивлений, механизмов образования проводимости различных горных пород и факторов их обуславливающих, а также анализ зависимости УЭС от трещиноватости позволили установить, что явление трещиноватости контрастно проявляется в скальных горных породах в виде изменения уровня УЭС. 2. Определено, что существует обратная линейная зависимость между характеристиками трещиноватости – удельной трещиноватостью и удельным сопротивлением. Это позволяет определить атрибуты для выделения зон трещиноватости по данным электроразведочных методов на постоянном токе. Дальнейшее изучение этой зависимости показало, что коэффициент корреляции имеет высокие значения (–0.8). 3. Петрофизические и параметрические измерения электрических свойств нарушенной зоны в массиве габбродолеритов Ропручейского силла доказали, что такие области имеют значения электрических свойств на порядок меньше фоновых. При этом область влияния трещиноватой зоны до 10 раз превышает ее мощность. Это, вероятнее всего, связано с образованием новых каналов проводимости в поровой структуре габбродолеритов при протекании тектонофизических процессов трещинообразования. 75 Глава 4 ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОТОМОГРАФИИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ТРЕЩИНОВАТОСТИ ГОРНОГО МАССИВА 4.1 Основы метода сопротивлений на постоянном токе Электроразведка, по определению авторов [Якубовский, Ренард, 1991], – совокупность методов геофизического изучения геологической среды, основанная на исследовании распространения естественных либо искусственных возбуждаемых электромагнитных полей. Теория электроразведочной геофизики базируется на изучении законов распространения электрических полей в неоднородной проводящей среде [Жданов, 1986; Матвеев, 1990]. Для метода сопротивлений фундаментальным является то, что плотность тока напрямую связана с электрическим полем и величиной проводимости. Это соотношение выражается дифференциальным законом Ома: ⃗ где ⃗⃗ ⃗⃗ – удельная электрическая проводимость, а ⃗⃗ – электрическое поле. Величина, обратная носит название удельного электрического сопротивления (УЭС) и определяется как: В работе [Gunter, 2004] отмечается, что, как правило, удельное сопротивление используется для описания петрофизических параметров, а удельная проводимость тесно связана с гидрогеологическими параметрами, такими как пористость и соленость. Под термином «удельная» понимается явление определения того или иного параметра в некотором интервале среды, в пределах которого выполняется измерение. Идеальной моделью для расчетов электрического поля в однородном полупространстве является точечный источник. Потенциал для него вычисляется следующим образом: 76 Однако на практике в большинстве случаев в качестве источника тока используется питающий диполь. Разность потенциалов для четырехэлектродной установки рассчитывается, исходя из известной геометрии расстановки электродов и известного тока (рисунок 4.1). Для гомогенного изотропного полупространства она выражается через формулу: ( ) ( ) где r11 – расстояние между С1 и P1, r12 – C2 и P1, r21 – C1 и P2, r22 – C2 и P2. Рисунок 4.1 – Распределение электрического тока в однородном полупространстве Разность потенциалов (напряжение) зависит от трех параметров: удельного сопротивления полупространства, силы тока и геометрии измерительной установки. Используя уравнение (4.4), можно выразить УЭС: где геометрический фактор K (который характеризует точку замера, исходя из геометрии установки) в общем виде определяется как: 77 В дальнейшем, после проведения соответствующего анализа, позволяет судить о распределении УЭС в геологической среде. Существуют два классических подхода к проведению исследований методом сопротивлений. Первый из них – профилирование, позволяющее получать горизонтальные карты распределения кажущегося УЭС по площади. Способ хорошо зарекомендовал себя при изучении субвертикальных тел и границ, а также при картировочных работах (в модификации срединного градиента). Второй подход – зондирования, позволяющие оценить изменение сопротивления геологической среды по вертикали на основе изучения кривой изменения по глубине КУЭС. Служит эффективным средством для изучения горизонтально-слоистых разрезов. Еще одной ключевой характеристикой при проведении полевых работ методом сопротивлений является геометрия электродной установки. Так, например, чем больше параметр половины разноса питающей линии АВ/2, тем глубже проникает ток в землю и тем больше глубина исследований. Значения АВ/2 выбирают в зависимости от требуемой глубины исследований [Куфуд, 1984; Электроразведка...1994; Колесников, 2007]. Центральным вопросом на сегодняшний день, как отмечается в статье [Шевнин, Колесников, 2011], в характеристике удельного сопротивления является разрешение и контраст получаемого параметра на разных уровнях. Метод сопротивлений на постоянном токе играет большую роль при решении геоэкологических, гидрогеологических и инженерно-геологических задач, а также в разведке месторождений полезных ископаемых [Хмелевской, 1999]. С развитием многоэлектродных и многоканальных систем сбора информации и программного обеспечения для двумерного (2D), трехмерного (3D) моделирования съемка методом сопротивления с высокой разрешающей способностью стала важным элементом исследований приповерхностной части геологического разреза. 78 4.2 Методика электротомографии Развитие аппаратурных и программных возможностей метода сопротивлений на постоянном токе привело к возникновению новых подходов к изучению геологической среды. Следует отметить появление многоканальных регистрирующих систем с автоматической коммутацией каналов и разработку программных пакетов, позволяющих решать обратную задачу. Кроме того, повысилось качество получаемой информации, регистрируемые сигналы имеют лучшее соотношение сигнал-шум, точность, запись в цифровом виде, также увеличилось количество входящей информации. Таким образом, как отмечается в работах [Электроразведка…, 1994; Манштейн, 2002; Dahlin, 2001; Geophysics…, 2002], в конце XX века метод сопротивлений вышел на новый уровень. На сегодняшний день широко распространенной модификацией метода сопротивления на постоянном токе является методика электротомографии, которая, как удачно отмечается в работе [Бобачев и др., 2007], «представляет собой целый комплекс, включающий в себя как методику полевых наблюдений, так и технологию обработки и интерпретации полученных данных». За рубежом она известна под терминами electrical resistivity imaging и electrical resistivity tomography. С ее помощью можно получать данные о параметрах сопротивления и вызванной поляризации изучаемой геологической среды как в двумерном (2D), так и в трехмерном (3D) виде [Dahlin, 2001]. В настоящее время электротомография переживает период развития и расширения сферы применения в область разведки месторождений полезных ископаемых и геологического картирования [Gelis et al., 2010; Neyamadpoura, 2011; Chambers et al., 2012], инженерных и археологических изысканий [Модин и др., 2010; Ерохин, 2012], гидрогеологии и решения геоэкологических задач [Clifford, Binley, 2010; Mastrocicco et al., 2010; Ustra et al., 2012]. Следует отметить, что электротомография включает в себя черты как методики зондирований, так и профилирования, и опирается на фундаментальные принципы метода сопротивлений на постоянном токе. 79 Для электротомографии характерны следующие особенности: 1. Использование в качестве питающих и измерительных одних и тех же фиксированных на профиле наблюдения электродов, что приводит к уменьшению общего числа рабочих положений электродов при существенном увеличении плотности замеров (рисунок 4.2). Рисунок 4.2 – Схематичное изображение методики электротомографии 2. Применение аппаратуры с автоматической коммутацией электродов, что позволяет избежать ошибок при расположении питающих и приемных электродов, а также уменьшить время, необходимое для измерений. 3. Получение геоэлектрической характеристики среды с высокой детальностью (которая напрямую зависит от числа и плотности измерений), при этом глубина исследования может варьировать от нескольких метров до первых сотен метров. 4. Обработка получаемых результатов при помощи алгоритмов, реализованных в специальном программном обеспечении, что позволяет оперировать крупными массивами данных для получения геоэлектрической модели, отражающей строение изучаемой геологической среды, с достаточной высокой точностью. 80 В развитии электротомографии условно можно выделить два периода. В первый период (1970–1990 гг.) закладывались теоретические основы методики: были разработаны подходы для моделирования распределения УЭС в среде и решения прямой задачи геоэлектрики [Mufti, 1976; Edwards, 1977; Dey, Morrison, 1979; Barker, 1989], предложены многоэлектродные аппаратурные решения с ручной и автоматической коммутацией каналов [Barker, 1981; Griffiths, Turnbull, 1985; Griffiths et al., 1990]. Во второй период (1990–2010 гг.) происходило наиболее бурное развитие электротомографии и ее внедрение в различные сферы деятельности. Следует отметить работы, посвященные разработке алгоритмов инверсии [Li, Oldenburg, 1992; Sasaki, 1994; Loke, Barker, 1996; LaBrecque et al., 1996], а также ряд публикаций, в которых рассматриваются базовые принципы практического применения этой методики [Griffiths, Barker, 1993; Dahlin, 1996; Kemna et al., 2000; Chambers et al., 2006; Loke, 2012]. В России электротомография развивалась обособленно. Так, на кафедре геофизических методов исследования земной коры геологического факультета МГУ она известна под термином «сплошные электрические зондирования» [Бобачев и др., 1996; Модин, 2004]. В дальнейшем сотрудники кафедры внесли большой вклад в популяризацию этой методики в нашей стране [Бобачев, Горбунов, 2005; Бобачев и др., 2007; Бобачев, Модин, 2008]. Интересный метод «внутреннего скользящего контакта» (MISC) был предложен сотрудниками Кольского научного центра РАН А. А. Жамалетдиновым, А. Д. Токаревым и Ю. А. Виноградовым в 1992 г. [Zhamaletdinov et al., 1995]. Его использование включает в себя черты и зондирований, и профилирования, что позволяет рассматривать MISC как специфическую разновидность электротомографии, к сожалению, широкого распространения этот метод не получил. Аппаратура для электротомографии может быть классифицирована по различным свойствам [Балков и др., 2010]. Выделяют одноканальные и многоканальные станции в зависимости от количества единовременных измерений на разных парах электродов. Также аппаратуру можно разделить по способу коммутации: существуют пассивные системы с переключением электродов вне кабеля и активные системы с переключением на кабеле. 81 На сегодняшний день существует ряд различный программ, позволяющих выполнять инверсию данных электротомографии. К ним относятся коммерческие продукты, такие как: Res2dinv (Geotomo software, www.geoelectrical.com), ERTLab (Multi-Phase Technologies, www.ertlab.com), Earthimager (AGI, www.agiusa.com), а также академические разработки DC2dInvRes (автор T. Gunter, www.resistivity.net) и ProfileR (автор A. Binley, www.es.lancs.ac.uk). Отдельно следует отметить отечественное ПО Zond, разработанное А. Е. Каминским (zond-geo.ru). 4.2.1 Основные виды электроразведочных установок Под электроразведочной установкой понимается взаимное расположение питающих электродов AB и приемных электродов MN. В работе [Электроразведка…, 1994] отмечается: «Выбор установки является важнейшим элементом методики электроразведки методом сопротивления и зависит от геологических задач, технологических условий, используемой аппаратуры, глубинности исследований, уровня помех». Следовательно, изучение особенностей той или иной электроразведочной установки – важный фактор для получения качественного конечного материала. Электроразведочные установки можно разделить на два типа – симметричные и асимметричные, что обусловлено конфигурацией расположения приемного и питающего диполей. Также выделяют типы установок в зависимости от количества рабочих электродов, т. е. двухэлектродные, трехэлектродные, четырехэлектродные. Рассмотрим некоторые основные виды таких установок (рисунок 4.3), основываясь на работах [Жданов, 1986; Кауфман, Андерсон, 2013], наиболее часто применяемых при электротомографических измерениях: 1. Прямолинейная четырехэлектродная установка Веннера (рисунок 4.3, А). Питающая пара электродов расположена между приемными. Разносы у нее равны и увеличиваются одинаково, при этом коэффициент установки равен: 82 Рисунок 4.3 – Виды электроразведочных установок: А – симметричная Веннера; Б – симметричная Шлюмберже; В – дипольная осевая (диполь-дипольная); Г – трехэлектродная (поль-дипольная); Д – двухэлектродная (поль-польная) 83 2. Симметричная четырехэлектродная установка Шлюмберже (рисунок 4.3, Б). Наиболее распространенный вид с положением питающих и приемных электродов симметрично центра О. 3. Четырехэлектродная дипольная осевая установка (рисунок 4.3, В). При ее использовании питающие AB- и приемные MN-электроды группируются в диполи. Существует несколько видов дипольных установок: осевая, радиальная, экваториальная, азимутальная, параллельная. Если расстояние между питающими электродами и точкой наблюдения для такой установки r >> MN, то она тоже может выступать в качестве предельной. 4. Трехэлектродная установка (рисунок 4.3, Г). Эта установка получается при помощи выноса одного питающего электрода B на расстояние, которое условно можно считать бесконечным. В случае использования предельной трехэлектродной установки Гуммеля) установки (так называемой 84 5. Двухэлектродная (потенциальная) установка. Получается из трехэлектродной, если приемный электрод N выносится на бесконечность. При электротомографии используются многоэлектродные системы, которые сужают диапазон возможных установок; кроме того, геометрия выбранной системы наблюдения напрямую зависит от параметров используемой электродной косы. Каждая из описанных установок обладает рядом специфических характеристик, таких как глубинность исследований, плотность и относительное распределение замеров, соотношение сигнал/шум и т. д. Существует ряд работ, в которых были проанализированы их возможности для разных геологических случаев, например [Dahlin, Zhou, 2004; Martorana et al., 2009; Wilkinson et al., 2012]. Такие исследования позволяют оптимизировать электротомографические работы на ранних этапах, подобрав электроразведочную установку, исходя из строения объекта исследований и поставленных задач. 4.2.2 Чувствительность электроразведочных установок Распределение чувствительности играет большую роль при расчете УЭС, поэтому следует остановиться на нем подробнее. Глубину исследования электроразведочных установок можно оценить количественно с помощью функции чувствительности, которая выражается через производную Фреше [McGillivray, Oldenburg, 1990]. Функция чувствительности отражает степень, в которой изменение в сопротивлении области геологической среды будет влиять на разность потенциалов, получаемую на приемных электродах. Чем выше такое влияние, тем больший вклад измеряемый интервал пространства вносит в измеряемые значения потенциала [Loke, 2012]. Расчет функции можно проводить для разных установок и разных моделей сред, как, например, показано в работе [Spitzer, 1998]. 85 Чувствительность S для определенного источника и приемника может быть выражена как скалярное произведение плотности тока js и jr, произведенные силой тока I в позициях источника и приемника, интегрируемое по объему dV: ∭ Отмечается, полупространства. что В чувствительность случае когда не зависит используется от сопротивления 2D-инверсия (самый распространенный вариант инверсии), ячейки с координатами (x, z) имеют бесконечный размер в направлении y. Вследствие чего интегральную функцию чувствительности представляют [Loke, Barker, 1995]: ∫ [ ] [ ] В методике электротомографии изучаемое пространство представляется в виде набора элементарных блоков (ячеек). Значение чувствительности является мерой количества информации о реальном сопротивлении единичного блока модели, содержащейся в измеряемых данных. Чем больше ее значение, тем более обоснованным является рассчитываемое УЭС. Например, приповерхностные блоки модели имеют большую чувствительность из-за близости к электродам, а с увеличением глубины чувствительность уменьшается экспоненциально. Для всех типов электроразведочных установок с увеличением разносов изменение чувствительности происходит не одинаково [Furman et al., 2005; Dahlin, Zhou, 2004; Loke, 2012]. Анализ контуров ее распределения позволяет оценить реакцию разных установок на разные типы геологических структур. На рисунке 4.4 изображено смоделированное распределение чувствительности в гомогенной среде для основных типов электроразведочных установок, которая изменяется от отрицательных значений к положительным (градация от синего цвета к красному). Это отражает области, в которых уменьшение или увеличение сопротивления приведет соответственно к уменьшению или увеличению кажущегося УЭС. 86 Рисунок 4.4 – Разрезы чувствительности для разных электроразведочных установок: 1 – установка Веннера; 2 – установка Шлюмберже; 3 – дипольная установка (диполь-дипольная); 4 – трехэлектродная установка (поль-дипольная); 5 – двухэлектродная установка (поль-польная) 87 Сначала рассмотрим симметричные четырехэлектродные установки Веннера (рисунок 4.4, 1) и Шлюмберже (рисунок 4.4, 2). Для них характерно наличие последовательного изменения положительных и отрицательных значений чувствительности вблизи электродов. В центральной части, между приемными электродами MN, сконцентрированы положительные значения. У установки Веннера они распространенные горизонтально и плавно убывают с глубиной, тогда как установка Шлюмберже обладает более сфокусированным распределением чувствительности в центральной части. Это свидетельствует о том, что такая геометрия электродов хорошо подходит для выделения изменений по вертикали, т. е. обнаружения горизонтальных геологических объектов с высокой разрешающей способностью. Электроразведочные установки дипольная осевая (рисунок 4.4, 3) и трехэлектродная (рисунок 4.4, 4) обладают характерным распределением чувствительности, выраженном в крутом погружении положительных значений между источником и приемным диполем. Эта особенность делает их наиболее чувствительными к горизонтальным вариациям геологической среды, т. е. вертикально залегающим объектам. Двухэлектродная установка (рисунок 4.4, 5) обладает самым широким горизонтальным охватом и глубиной исследований, однако относительно малые значения чувствительности свидетельствуют о слабой разрешающей способности. Анализ чувствительности позволяет оптимизировать процесс измерения и обработки данных электротомографии. Кроме того, изучив особенности различных электроразведочных установок, можно выделить оптимальный тип для поиска и локализации того или иного вида геологических объектов, а также определить наличие разного рода помех и искажений на геоэлектрических разрезах, обусловленных распределением чувствительности. 4.2.3 Решение прямой задачи в методике электротомографии Под прямой задачей понимается получение набора синтетических данных, описывающих распределение электрического потенциала для определенной модели. В настоящее время, благодаря развитию теоретических подходов, 88 произошел значительный прогресс в решении прямой задачи электроразведки на постоянном токе при помощи использования методов конечных элементов (finite element) и конечных разностей (finite difference). Эти подходы позволяют разложить поле электрических потенциалов на фоновую (первичную) и аномальную (вторичную) составляющие. В общем случае [Yuguo, Spitzer, 2002] для имеющегося распределения проводимости σ(x,y,z), где источник тока локализован в точке (xq,yq,zq), первичный потенциал U(x,y,z) определяется исходя из уравнения: [ ] ( ) ( ) ( ) где δ – функция Дирака. Для однородного полупространства с источником тока на поверхности решение этого уравнения имеет вид: √( где ) ( ) расстояние от точки измерения до источника. Метод конечных разностей для моделирования произвольных структур в 2D-виде с линейными источниками тока предложен [Mufti, 1976] и впоследствии усовершенствован [Dey, Morrison, 1979] путем использования расчетов с точечными источниками. Основой для него является построение дискретной модели в виде прямоугольных ячеек с узлами в углах. Причем для каждой ячейки присваивается значение сопротивлений, а в каждом узле определяется потенциал. Ограничением метода конечных разностей является использование для разложения регулярной прямоугольной сетки, геометрия которой, как правило, не отвечает строению геологической среды, что приводит к нарастанию погрешностей. Эта проблема может быть решена путем уменьшения размеров сетки вблизи геологических неоднородностей, однако это, в свою очередь, приводит к существенному увеличению времени вычислений [Stummer, 2003]. Метод конечных элементов реже используется для моделирования удельных электрических сопротивлений, хотя при наличии топографических 89 поверхностей он эффективнее, чем конечных разностей. Этот метод предложен [Coggon, 1971] и успешно внедрен в процесс математической инверсии в работе [Sasaki, 1994]. Для моделирования пространства в нем используются стандартные треугольные элементы первого порядка. Упрощенным видом метода конечных элементов является метод граничных элементов, в нем интегрируются только границы между средами постоянного сопротивления. Появление новых вычислительных систем привело к дальнейшему совершенствованию аналитических исследований в этой области, таких как расчет численных моделей произвольных наборов сопротивлений в 2D- и 3Dслучаях, а также реализация новых схем инверсии. Следует отметить, что расчет прямых моделей является неотъемлемой частью любой программы для обработки данных электротомографии. Так, например, для решения прямых задач в методике электротомографии широко используется программа свободного доступа Res2dmod (Geotomo software, www.geoelectrical.com), позволяющая моделировать те или иные объекты. Использование подобного программного обеспечения позволяет на первых этапах работ подобрать оптимальную электродную установку, глубину исследования, плотность измерений и т. д. для оптимизации электротомографических работ и получения оптимального результата. 4.2.4. Инверсия данных электротомографии Целью инверсии УЭС является получение реконструированного распределения удельных сопротивлений среды, исходя из измеренных кажущихся удельных сопротивлений получаемого псевдоразреза. Главная проблема инверсии – неустойчивый конечный результат из-за наличия большого количества значений и эквивалентности получаемых решений. Ранние исследования алгоритмов инверсии имели ограничения, связанные с определением параметров модели [Pelton et al., 1978; Tripp et al., 1984]. Современные подходы основаны на использовании произвольного распределения УЭС, автоматическом расчете параметров, нелинейных методах оптимизации. 90 В общем случае при помощи инверсии подбирается модель, которая дает представление о фактических значениях УЭС геологических объектов с той или иной степенью достоверности. Такую модель можно рассматривать как идеализированное математическое представление некоторого объема геологической среды, обладающей рядом параметров, которые и определяются исходя из наблюденных данных [Loke, 2012]. Связь между параметрами модели предусмотрена конечно-разностным методом или методом конечных элементов. Для решения обратной задачи пространство разделяется на ячейки с некоторыми значениями искомого параметра УЭС, который может занимать как группы ячеек, так и одиночные ячейки. Все методы оптимизации, используемые для обработки данных электротомографии, основаны на итеративном способе построения моделей, чтобы различия между результатом моделирования и наблюденными данными были минимальны. В 3D-варианте используется такой же подход с введением в цикл вычисления учета дополнительного направления. В общем случае алгоритм инверсии данных УЭС можно представить так (рисунок 4.5): Рисунок 4.5 – Схема алгоритма инверсии 91 Наиболее популярной техникой для выполнения инверсии является использование метода наименьших квадратов Гаусса Ньютона [Loke, Barker, 1996; Loke, Dahlin, 2002]. Его применение позволяет определить изменение в параметрах модели, которые должны уменьшить ошибку квадратов суммы: 𝐽𝑇 𝐽 𝑞 𝐽𝑇 𝑔 где Δq – вектор приращений параметров модели; J – матрица частных производных (Якобиан); g – вектор расхождения. Элементы матрицы считаются: 𝜕𝑓 𝜕𝑞 𝐽𝑗 В общем виде уравнение с ограничением гладкости имеет вид: 𝐽𝑇 𝐽 𝐽𝑇 𝑔 , λF 𝑓𝑥 𝑓𝑥𝑇 𝑓𝑧 𝑓𝑧𝑇 , где λ – дампинг-фактор; fx – горизонтальный плоский фильтр; fy – вертикальный плоский фильтр; d – вектор отклонений модели. Для повышения достоверности используются различные способы регуляризации – введение ограничений целевой функции, чтобы в результате выполнения инверсии изображение не получалось слишком «гладкое» или слишком отличное от некоторой указанной модели, т. е. используется опорная информация. В результате модификации формула может иметь вид: 𝐽𝑇 𝐽 𝑅 λFR 𝛼𝑥 𝐽𝑇 𝑞 𝑇 𝑥 𝑥 𝑑𝑔 𝛼𝑦 λFR qk 𝑇 𝑦 𝑦 𝛼𝑧 𝑇 𝑧 𝑧 где Rm, Rd – матрицы стандартных отклонений; С – сглаживающая матрица по направлениям x, y, z; α – сглаживающий фильтр. Рассмотренный алгоритм является не единственным, так как существуют и другие механизмы инверсии как для 2D-, так и 3D-случая. Кроме того, в зависимости от геологической ситуации в выражение могут вводиться дополнительные условия [Auken, Christiansen, 2004]. Разработан ряд алгоритмов инверсии для специфических геологических условий [Loke et al., 2003], например так называемые гладкая (smoothness inversion), контрастная (robust inversion), комбинированная (Marquardt and Occam inversion) и др. 92 4.3 Аппаратура для сбора данных методикой электротомографии Особенностью электротомографии, как отмечалось выше, является определенная методика полевых наблюдений, которая напрямую связана с используемой аппаратурой. Выполняться наблюдения могут как при помощи использования стандартных электроразведочных комплексов, не имеющих многоэлектродных кос, систем коммутации и многоканальности, так и современных многоэлектродных и многоканальных электроразведочных станций. Измерения в первом случае осуществляются при помощи ручной перестановки приемных и питающих электродов, либо за счет использования дополнительных коммутирующих устройств, как наглядно показано в [Бобачев, Модин, 2008]. К особенностям такого способа относятся крайне низкая производительность, ручной контроль измерений, повышенная ошибка за счет смещения приемных и питающих электродов, но зато низкие затраты на покупку аппаратуры. В диссертационной работе (на ее первом этапе) получение измерений УЭС и ВП осуществлялось при помощи аппаратуры (производства ЗАО «ТеллурСПб») для проведения стандартного профилирования, ВЭЗ и ВЭЗ-ВП. В нее входит ресивер TLR-IP-003 и трансмиттер TLT-30, их краткая характеристика приведена в таблицах 4.1 и 4.2 соответственно. Таблица 4.1 Краткие технические характеристики измерителя TLR-IP-003 Входное сопротивление, не менее 2 Мом Длительность импульса и паузы 0,4113,1 с Подавление помехи 50 и 100 Гц 100 дБ Количество стробов 414 Основная погрешность измерений +/ 1 % Компенсация постоянной составляющей на входе +/ 1,2 В Интерфейс с компьютером Размеры Масса RS-232 230 × 140 × 120 мм 2 кг 93 Таблица 4.2 Краткие технические характеристики генератора TLT-30 Выходное напряжение Выходной ток Выходная мощность 50300 В 10200 мА До 30 Вт Режим работы РПИ-1, РПИ-2 Длительность импульсов 6,4 мс 13,1 с Точность стабилизации Размеры Масса +/ 0,5% 260 × 100 × 200 мм 3 кг При проведении исследований, отраженных в диссертационной работе, также использовалась многоэлектродная одноканальная электроразведочная станция «СКАЛА-48», разработанная в ИНГГ СО РАН и произведенная в ООО «КБ Электрометрии». Ее краткие характеристики приведены в таблице 4.3. Для получения замеров использовались две 24-электродные косы с шагом 5 м. Таблица 4.3 Краткие технические характеристики станции «СКАЛА-48» Выходное напряжение, максимальное 750 В Выходной ток, максимальный 400 мА Выходная мощность до 110 Вт Точность измерений Рабочие частоты Входное сопротивление Подавление помехи промышленной частоты Число каналов Разрядность АЦП Форма выходного тока Тип коммутатора Интерфейс Размеры Масса 1% 2,44; 4,88 Не менее 5 МОм Не менее 70 дБ 1 24 бита Меандр с 0 промежутком Матричный USB 340 × 300 × 180 мм 13 кг 94 К достоинствам этой аппаратуры относится использование кос и коммутирующего устройства, что позволяет получать большое количество данных как УЭС, так ВП (заряжаемость) за сравнительно малый промежуток. Также «СКАЛА-48» может получать замеры установками Веннера, Шлюмберже, дипольной, трехэлектродной, что значительно повышает информативность и расширяет круг решаемых задач. Кроме того, существует возможность программного подбора различных протоколов измерений, фильтрации данных и их экспорта в необходимый формат. Данная электроразведочная станция зарекомендовала себя как надежный инструмент решения геологических задач в различных условиях (рисунок 4.6). Рисунок 4.6 – Применение многоэлектродной станции «СКАЛА-48» при разведке месторождения облицовочного камня 95 4.4 Моделирование трещиноватости в поле УЭС Перспективной методикой для изучения нарушенности горного массива является электротомография, которая хорошо зарекомендовала себя при изучении верхней части геологической среды. Существует ряд примеров ее использования для определения нарушенности и трещиноватости горного массива [Nguyen et al., 2005; Diaferia et al., 2006; Francese et al., 2009; Gelis et al., 2010; Magnusson et al., 2010]. С целью повышения достоверности обработки и интерпретации результатов электротомографии при изучении трещиноватости горного массива в диссертационной работе проведено математическое моделирование, а также выполнены параметрические измерения в реальных условиях для сопоставления геологической и геофизической информации и оценки общей адекватности предлагаемого подхода. 4.4.1 Математическое моделирование локальных проводящих объектов Математическое моделирование осуществляется при помощи расчета поля УЭС для заданной 2D-модели дифференциальных уравнений конечно-разностным методом с разбиением пространства на элементарные ячейки, в узлах которых рассчитывается потенциал [Loke, 1994]. Подбирая плотность съемки и размер моделируемых ячеек, можно получить характеристики достаточно малых геологических объектов. Следует отметить, что для каждого отдельного случая геологического строения или методологии проводимых работ существует своя специфика создания моделей. Все построения выполнены в программе Res2dmod. Исходными данными для моделирования являются однородная среда с сопротивлением 10 кОм · м, представляющая собой ненарушенный горный массив магматических пород, и отдельные маломощные проводящие объекты разного положения и геометрии с сопротивлением 1 кОм · м, соотносимые с отдельными трещинами, заполненными обводненным рыхлым наполнителем. Такая ситуация наиболее характерна для магматических пород в Карелии, в частности габбродолеритов Ропручейского силла. Алгоритм расчета был следующим: задается физико-геологическая модель (ФГМ), соответствующая 96 геологическим условиям, происходит восстановление поля УЭС для модельных условий (решение прямой задачи), выполняется инверсия полученных синтетических данных (решение обратной задачи), сопоставляются полученный результат и исходная ФГМ. Выполнено моделирование разных случаев проявления трещиноватости: вертикальной, горизонтальной, наклонной. Кроме того, проанализирован эффект использования различных измерительных установок, так как изменение конфигурации приемных и питающих электродов позволяет получить различное распределение электрического сигнала в среде, что, в свою очередь, влияет на общую чувствительность и детальность получаемых геоэлектрических моделей [Stummer et al., 2004; Dahlin, Zhou, 2004; Loke, 2012]. Полученные результаты позволяют оценить возможности методики электротомографии для выделения и локализации как отдельных трещин, так и областей трещиноватости. В качестве примера приведены результаты численного эксперимента для двух электроразведочных установок – симметричной установки Веннера и дипольной осевой с шагом 2 м по профилю. Отметим, что выбранные установки характеризуются различной чувствительностью, детальностью и соотношением сигнал–шум [Dahlin, Zhou, 2004]. Анализ каждого случая позволяет определить, насколько меняется поведение поля УЭС в зависимости от характеристик геологического разреза, достоверность различных а также оценить уровень электроразведочных чувствительности установок при и изучении трещиноватости. Подобный подход зарекомендовал себя при проведении инженерных изысканий, как показано в работе [Ganerod et al., 2006]. Как видно из рисунков 4.7 и 4.8, для проводящих и относительно маломощных тел в поле УЭС при использовании методики электротомографии характерно возникновение ряда специфических аномалий. Особенно ярко проявляют себя обрамляющие аномалии (в 1,52 раза превышающие установленный уровень), возникающие при моделировании субвертикальных объектов, что можно рассматривать как дополнительный поисковый атрибут (рисунок 4.7, А). 97 Наклонные нарушения (рисунок 4.7, Б) также обладают характерным поведением поля УЭС – «теневой» областью, располагающейся под проводящим объектом, что является следствием эффекта экранирования и наличием связанной с этим эффектом контрастной аномалии в области, противоположной направлению падения. Анализ формы аномальной зоны, характерной для наклонных тел, позволяет определять трещиноватость с разными углами падения при проведении полевых наблюдений. Моделирование нескольких отдельных трещин (рисунок 4.7, В и Г) показывает, что основные черты поведения поля УЭС сохраняются для каждой из них, при этом общая сложность строения геоэлектрического разреза увеличивается. Следует отметить, что все субвертикальные нарушения наиболее достоверно определяются в особой части геоэлектрического разреза (интервале контрастности), где соотношение детальности, чувствительности и уровня помех оптимально для определения истинных параметров искомого объекта. Горизонтальные нарушения имеют собственные особенности (рисунок 4.7, Д), отражающиеся в поле УЭС, главной из которых является увеличение области влияния проводящего объекта. Если существует подобное нарушение, залегающее ниже (рисунок 4.7, Е), его границы выделяются еще менее точно, а при применении некоторых электродных установок оно не выделяется вообще. При изучении контрастных субгоризонтальных объектов следует учитывать, что верхняя граница определяется достоверно, тогда как нижняя граница смещается. Увеличение области влияния аномального слоя изменяется в зависимости от его размера относительно шага электродов по профилю, который определяет геометрию модельных ячеек и разности УЭС слоя с фоновыми значениями. Чем больше такие соотношения, тем с большей погрешностью будет определена нижняя граница. Это является следствием изменения функции чувствительности [Loke, 2012] и достаточно часто встречается в геофизической практике при изучении массивов магматических пород [Рязанцев и др., 2013; Рязанцев, 2013в]. 98 Рисунок 4.7 – Синтетическое моделирование трещиноватости (УЭС): А – вертикальная трещина (d = 1 м); Б – наклонная трещина (d = 1м, угол 45°); В – две вертикальные трещины (d = 1 м); Г – три вертикальные трещины (d = 1 м); Д – горизонтальная трещина (d = 1 м, глубина залегания 2,7 м); Е – две горизонтальные трещины (d = 1 м, глубина залегания 2,7 и 5 м) 99 Рисунок 4.8 – Синтетическое моделирование (чувствительность): А – вертикальная трещина (d = 1 м); Б – наклонная трещина (d = 1м, угол 45°); В – две вертикальные трещины (d = 1 м); Г – три вертикальные трещины (d = 1 м); Д – горизонтальная трещина (d = 1 м, глубина залегания 2,7 м); Е – две горизонтальные трещины (d = 1 м, глубина залегания 2,7 и 5 м) 100 Математическое моделирование разрывных нарушений и аналитическое исследование распределений УЭС в разрезе служит основой для получения критериев определения трещиноватости горного массива по данным электротомографии [Рязанцев, 2014б]: 1. Трещины горного массива можно выделить, исходя из характерного распределения аномалий УЭС в геоэлектрическом разрезе; 2. Применяемые поисковые атрибуты напрямую зависят от геоэлектрических параметров среды, а также от типа и геометрии трещин, материала заполнителя; 3. Субвертикальная трещиноватость характеризуется наличием обрамляющих локальных аномалий; 4. Субгоризонтальная трещиноватость на геоэлектрическом разрезе имеет увеличенную область распространения в зависимости от соотношений шаг электрода/мощность трещины, УЭС трещины / фоновые УЭС; 5. Наклонная трещиноватость в диапазоне 30°–70° создает характерные аномалии, позволяющие ее идентифицировать; 6. Наиболее информативной областью для определения трещиноватости является интервал в верхней трети геоэлектрического разреза; 7. Эффективными для изучения трещиноватости являются асимметричные электроразведочные установки. 4.4.2 Моделирование геометрических параметров трещиноватости Результаты проведенных исследований показали, что сильное влияние на показатели УЭС при изучении трещиноватости оказывают геометрические параметры трещиноватости, такие как угол наклона и ширина раскрытия. Определенный угол падения трещины создает особое распределение УЭС, которое затрудняет интерпретацию получаемых данных. С целью изучения подобных эффектов смоделированы трещины с различным углом падения (рисунок 4.9). На этих моделях трещина представляется как составная проводящая область (см. главу 3), имеющая хорошо проводящую центральную часть (1кОм · м) и обрамляющие области (5 Ом · м). 101 Рисунок 4.9 – Моделирование наклона трещины в поле УЭС: А – вертикальная трещина, угол 90°; Б – субвертикальная трещина, угол 80°; В – трещина, угол 45°; Г – полого падающая трещина, угол 30°; Д – горизонтальная трещина, угол 0° 102 Анализ полученных моделей подтверждает наличие характерного поведения поля УЭС для разных углов падения трещин. В результате можно определить главные атрибуты поиска для трещин с разным углом падения: 1. Вертикальная трещина – две обрамляющие высокоомные аномалии. 2. Субвертикальная трещина – аномалия с высоким сопротивлением в противоположной стороне от азимута падения и наличие низкоомной аномалии под телом трещины. 3. Трещина под углом 45° – такие же атрибуты, что и у субвертикальной, только более контрастно проявленные. 4. Полого падающая трещина – четко определяемый угол наклона, наличие низкоомной аномалии под телом трещины. 5. Горизонтальная трещина – наличие интенсивной низкоомной аномалии под телом трещины. В свою очередь, ширина раскрытия трещины имеет прямое влияние на размер проводящей области, получаемой на геоэлектрическом разрезе. Для демонстрации такой зависимости проведено моделирование единичных нарушений (рисунок 4.10) различного сечения, состоящих из трех зон: 1. Центральная проводящая зона; соответствует раскрытой трещине, заполненной рыхлым обводненным наполнителем (УЭС = 500 Ом · м). 2. Боковые зоны; прилегают к трещине и имеют повышенное содержание поровой влаги из-за обильной микротрещиноватости и контакта с водопротоком в центральной зоне (УЭС = 1000 Ом · м). 3. Дальние слабонарушенные зоны, расположены в области влияния процессов, происходящих при образовании трещины, вследствие чего отличаются от вмещающего массива (УЭС = 5000 Ом · м). Такое строение моделей отражает градиентное изменение геоэлектрических свойств трещиноватости (см. главу 3). При увеличении ширины раскрытия трещины от 10 см (рисунок 4.10, А) до 60 см (рисунок 4.10, В) происходит соразмерное увеличение проводящей области на геоэлектрическом разрезе. При этом меняется конфигурация боковых аномалий, являющихся поисковым 103 атрибутом вертикальной трещиноватости. В целом полученный разрез отражает все характерные черты заданной модели. Рисунок 4.10 – Моделирование ширины раскрытия трещины в поле УЭС: А – ширина 10 см, обрамляющая зона 20 см; Б – ширина 30 см, обрамляющая зона 30 см; В – ширина 60 см, обрамляющая зона 40 см Кроме самой зоны трещиноватости в разрезе может присутствовать относительно проводящая область выветривания, для которой характерно разуплотнение и повышенная обводнённость пород. Влияние такого приповерхностного слоя исследовано на ряде моделей. Как видно из рисунка 4.11, верхний проводящий слой относительно небольшой мощности, соразмерный ширине нижележащей трещины (рисунок 4.11, А) или в несколько раз её больше (рисунок 4.11, Б), не препятствует её однозначному определению. Тогда как значительное увеличение выветрелой зоны искажает геоэлектрический образ трещин, что значительно осложняет их выявление (рисунок 4.11, В). Следует отметить, что для магматических горных пород, рассматриваемых в данной работе, область выветривания не превышает первые десятки сантиметров. 104 Рисунок 4.11 – Моделирование изменения мощности коры выветривания А – мощность выветрелого слоя 10 см; Б – мощность выветрелого слоя 20 см; В – мощность выветрелого слоя 50 см Более сложным для изучения является геометрическое распределение трещиноватости, т. е. сети трещин. За основу при создании моделей бралась классификация сетей трещин, предложенная С. Н. Чернышевым для прикладных целей [Чернышев, 1983]. Моделировались три основные сети: системная (рисунок 4.12, А), полигональная (рисунок 4.12, Б) и хаотичная (рисунок 4.12, В). Как видно по получившимся геоэлектрическим разрезам, каждая из них имеет собственный характерный образ, отражающий геометрические особенности распределения трещин, что позволяет анализировать трещиноватость горного массива в более широком виде. Наряду с этим для всех моделей сохраняется правило области контрастности, т. е. наиболее достоверно сеть трещин определяется в верхней трети разреза. В нижней части разреза большое влияние на образ трещиноватости оказывают эффекты экранирования от наклонных трещин, исключающие возможность идентификации нижележащих объектов. 105 Рисунок 4.12 – Моделирование в поле УЭС основных сетей трещиноватости: А – системная сеть; Б – полигональная сеть; В – хаотичная сеть 4.4.3 Сопоставление синтетической и реальной модели Апробация предлагаемого подхода осуществлялась путем сопоставления результатов геоэлектрической модели, полученной по прямым геологическим наблюдениям с моделью, полученной по результатам электротомографии. Экспериментальные работы проводились на действующем карьере по добыче габбродолеритов «Другорецкое-3». Использовалась следующая методика исследований: по технологическому уступу карьера выполнялся профиль электротомографии, в этом же интервале вдоль уступа проводилось картирование крупных трещин, привязанное к пикетажу профиля. Измерения выполнялись электроразведочной аппаратурой «СКАЛА-48» с двумя 24-электродными косами. Использовалась дипольная осевая установка с шагом электродов 2 м, что позволило получить разрез длиной 94 м и эффективной глубиной 20 м. По геологическим наблюдениям составлена ФГМ (рисунок 4.13), решение прямой задачи на ее основе позволяет получить поле кажущегося УЭС, соответствующее заданным параметрам трещиноватости. Далее осуществлялась двухмерная математическая инверсия в программе DC2DinvRes синтетического и 106 измеренного наборов данных. Геоэлектрические разрезы сопоставлялись для оценки методики электротомографии для изучения трещиноватости. Рисунок 4.13 – Физико-геологическая модель уступа на карьере На основе сравнения смоделированной (рисунок 4.14, 1) и измеренной (рисунок 4.14, 2) матриц значений УЭС отмечается явное сходство формы их распределения в обоих случаях, что свидетельствует о верном подборе ФГМ. Первичный анализ позволяет сделать выводы о сильном влиянии приповерхностных неоднородностей, а также четком выделении разуплотненной части геоэлектрического разреза, которая соответствует мощности уступа. Кроме того, выделяется общая зашумленность полевых данных, связанная с неоднородностями горного массива и погрешностями при измерениях. Сравнивая синтетический (рисунок 4.14, 3) и полевой (рисунок 4.14, 4) разрезы, полученные по результатам двухмерной инверсии, следует отметить их совпадение по форме распределения блоков УЭС. Наибольшей степенью совпадения обладают область высоких сопротивлений, соответствующая монолитной части разреза, верхняя обводненная область и приповерхностные относительно проводящие тела. Совпадение трещиноватости по разрезам менее явное. Трещины, расположенные в пределах высокоомной области полевого разреза, выделяются слабо, главным образом по градиенту изменения УЭС, тогда как трещины, расположенные по краям разреза, определены достоверно. В итоге можно сделать вывод, что полевые и синтетические данные в целом согласуются друг с другом, несмотря на наличие погрешностей. Это подтверждает корректность проведенных измерений, а также применимость электротомографии для изучения трещиноватости. 107 107 Рисунок 4.14 – Геоэлектрические модели вдоль уступа на карьере «Другорецкое-3»: 1 – распределение кажущегося УЭС для синтетических данных; 2 – распределение кажущегося УЭС для измеренных данных; 3 – 2D-модель, полученная на основе синтетических данных; 4 – 2D-модель, полученная на основе измеренных данных 108 4.5 Выводы к главе 4 1. Исследованы теоретические и практические аспекты методики электротомографии. Детально рассмотрены базовые принципы ее применения для решения геологических задач. Изучены принципы обработки полевых данных. Анализ этой информации позволил обосновать применимость электротомографии для изучения трещиноватости горного массива. 2. Проведенное численное моделирование различных видов трещин в поле УЭС позволило выявить параметры для их идентификации и оценки. Экспериментальными наблюдениями установлена сходимость геологических и геофизических наблюдений, а также определен ряд характерных особенностей, возникающий при изучении трещиноватости горного массива методикой электротомографии. Учет таких факторов позволяет повысить качество интерпретации трещиноватости. данных электротомографии при изучении 109 Глава 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗУЧЕНИЯ НАРУШЕННОСТИ ГОРНОГО МАССИВА МЕТОДИКОЙ ЭЛЕКТРОТОМОГРАФИИ ПРИ РАЗВЕДКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ОБЛИЦОВОЧНОГО КАМНЯ 5.1 Локализация крупных тектонических дислокаций Важной задачей разведки месторождений облицовочного камня является определение условий и факторов формирования геологического тела, в пределах которого происходят поисково-оценочные работы. Использование геофизических методов позволяет произвести предварительную оценку исследуемой территории, выделив в ее пределах наиболее представительные тектонические дислокации, что особенно актуально на площадях, перекрытых четвертичными отложениями. Для ее решения в пределах восточной части Ропручейского силла проведены комплексные опытно-методические работы, которые заключались в выполнении структурного профиля комплексом геофизических методов вкрест простирания интрузии [Рязанцев, 2012]. Главная цель исследований: изучение силла методами геофизики – особенностей его строения, неоднородностей. Электротомография в этих исследованиях сыграла ключевую роль для выделения и пространственной локализации тектонических нарушений. Анализ и интерпретация полученных результатов позволили выделить новые факторы, влияющие на размещение перспективных площадей для разведки месторождений облицовочного камня, а также определить закономерности их распространения. Профиль находится в северо-западной части Ропручейского силла и расположен вкрест простирания интрузии на уровне эрозионного среза с выходами во вмещающие породы. Профиль выбран в интервале, наиболее пригодном для получения корректных результатов с наименьшими затратами. Геологической основой для проведения геофизических работ служат карты и разрезы, построенные специалистами КГЭ [Кевель, 1988]. Однако, в связи с отсутствием бурения и детальной геологической съемки в районе, схема и разрез АБ (рисунок 5.1) отражают его геологию в упрощенном виде. 110 Рисунок 5.1 – Схема геологического строения участка Ржаное – Анашкино [по: Кевель, 2008]: 1 – Ропручейский габбродолеритовый силл – габбро, долериты; 2–5 – Шокшинская свита: верхняя подсвита (2 – песчаники, алевролит; 3 – кварциты, конгломераты); средняя подсвита (4 – сланцы, кварциты, алевролиты); нижняя подсвита (5 – кварциты, сланцы, алевролиты); 6–7 – Петрозаводская свита: верхняя (6) и нижняя (7) подсвиты – песчаники, конгломераты; 8 – геофизический профиль В–Г; 9 – геологический профиль А–Б; 10 – крупные тектонические нарушения; 11 – автомобильная дорога 111 Для решения поставленных задач применялись следующие методы: профильные вертикальные электрические зондирования (ВЭЗ), обработанные по электротомографической технологии, магнитометрия и электропрофилирование (ЭП) методикой срединного градиента (СГ). Предпосылки выбора такого комплекса методов – контрастность габбродолеритов, слагающих Ропручейский силл, по сопротивлению и значениям аномалий магнитного поля на фоне вмещающих пород, представленных в основном кварцитами и кремнистыми сланцами. По результатам геоэлектрических работ строились геоэлектрические модели, отображающие геологическое строение района работ. Для сравнения и оценки возможностей электротомографии использовались как классическая 1Dобработка, так и 2D-инверсия. Применение разных подходов к решению обратной геофизической задачи, как отмечается в статье [Шевнин, Бобачев, 2009], позволяет вводить регуляризационную модель на основе одного типа обработки и использовать ее для увеличения корректности другой. Сначала рассмотрим 1D-модель УЭС. На полученном геоэлектрическом разрезе силл уверенно выделяется во вмещающих породах, представленные типы пород контрастно разделяются по сопротивлениям, а положение контактов пород в приповерхностной части согласуется с геологической информацией. Анализ модели позволяет выделить пространственные неоднородности, представленные резким изменением мощности силла с 100-го пикета (ПК), а также наличием высокоомного включения между ПК –1500 и –500, которое, вероятно, является включением вмещающих пород. Следует отметить разницу сопротивлений в области отрицательных и положительных пикетов, это объясняется влиянием крупного тектонического нарушения, пересекающего профиль исследования под острым углом (рисунок 5.2). Однако неоднородности внутри интрузива выделяются нечетко, что не позволяет проводить корректную интерпретацию, поэтому была выполнена 2D-инверсия. 112 Рисунок 5.2 – 1D-модель сопротивлений по профилю В–Г При 2D-инверсии используется моделирование при помощи двумерных ячеек с координатами x, y и учетом взаимодействия между ними. Вследствие чего оценка распределения геоэлектрических параметров в горизонтальном направлении достовернее, чем при 1D. Как видно, полученная модель удельных сопротивлений (рисунок 5.3) более гладкая, благодаря чему основные границы геологических образований прослеживаются увереннее, а также отдельные контрастные малоразмерные тела лучше локализуются. Это наблюдается на ПК 1400 и 1600, где четко выделяется граница вмещающих пород шокшинской свиты и габбродолеритов Ропручейского силла; на ПК 800…600 и 800–1200 фиксируются локальные включения в силле вмещающих пород; между ПК 1400 и 1000 отчетливо прослеживается крупное тектоническое нарушение. При построении 2D-модели присутствовал высокий процент невязки между измеренными и рассчитываемыми данными (до 30 %), что связано с недостаточным количеством зондирований и, как следствие, малой плотностью данных. Однако использование механизмов регуляризации позволило уменьшить погрешность до приемлемого уровня (погрешность невязки 8,7 %) и получить более корректный результат. 113 113 Рисунок 5.3 – 2D-модель сопротивлений по профилю В–Г . 114 В качестве дополнительной информации, заверяющей полученную геоэлектрическую модель, использовались результаты магнитометрии и ЭП, анализ которых выполнялся в комплексе. Для лучшего восприятия графиков и их сопоставления построен схематический геологический разрез. На графике аномальных значений магнитного поля хорошо прослеживаются границы пород на ПК 1500 и 1400, это отражается в более спокойном поведении поля и отсутствии относительно длиннопериодных аномалий (рисунок 5.4, А). В свою очередь, на графике кажущегося сопротивления такие области фиксируются понижением значений (рисунок 5.4, Б). Также для него характерно понижение уровня тренда в сторону отрицательных пикетов, что является следствием негоризонтального залегания силла (в левой части преобладают габбродолериты, в правой – кварциты и кремнистые сланцы) и влияния разломной тектоники. В результате анализа графиков на схематическом разрезе выделяются отдельные блоки, ограниченные малыми тектоническими нарушениями, ПК 1000… 500; 300…0; 0–500 (рисунок 5.4), а после сопоставления с 2D-моделью – включения вмещающих пород на ПК 750…550 и 700–1000. Еще одна особенность, выявленная в ходе исследований, – лучшая корреляция результатов ЭП и магнитометрии с 2D-обработкой ВЭЗ по сравнению с 1D-обработкой По результатам проведенных исследований установлено, что силл имеет сложную структуру с неоднородным отображением в геофизических полях. Геоэлектрическая модель, полученная с помощью 2D-инверсии, наглядно демонстрирует высокую информативность и детальность электротомографического подхода. Анализируя полученную картину, можно предположить, что моноклинальное залегание пород, по геологическим наблюдениям, осложнено пликативными дислокациями на интервале ПК 0–1600. На разрезе выделяются ранее некартированные крупные тектонические нарушения одной генетической природы, параллельные главному тектоническому нарушению ПК 1400…1000, а также два крупных включения, относящихся, вероятно, к материалу вмещающих пород. Полученные результаты согласуются с геологией района работ и дополняют имеющуюся информацию новыми данными. 115 Рисунок 5.4 – Графики приращения модуля вектора индукции магнитного поля (А), кажущегося сопротивления (Б) и схематичный геологический разрез (В) для геофизического профиля В–Г: 1 – четвертичные отложения; 2 – габбродолериты; 3 – кварциты; 4 – кремнистые сланцы; 5 – зоны тектоники; 6 – корреляционные линии для тектоники; 7 – корреляционные линии для границ пород 116 5.2 Выделение тектонических нарушений и блоков горного массива Методика электротомографии хорошо зарекомендовала себя при изучении тектонических нарушений отдельными рекогносцировочными профилями [Ganerod et al., 2006; Francese et al., 2009; Gelis et al., 2010]. Рассмотрим пример локализации отдельных направлений трещиноватости при помощи двух профилей вдоль Другорецкой группы месторождений (восточная часть Ропручейского силла, Республика Карелия). Данная группа месторождений расположена на кряже, представляющим собой возвышенность, ограниченную с востока скальным обрывом, расположенную на территории Прионежского района Республики Карелия, в 5 км от д. Другая Река. В геологическом плане Другорецкая группа приурочена к восточной части Ропручейского силла. Большинство выходов коренных пород наблюдается в нижней части склона, где скальные крутые уступы высотой от 2–3 до 30 м протягиваются на 30–100 м параллельно склону. Абсолютная отметка кряжа 149,8 м, относительные превышения над окружающей местностью – 50–70 м. Территория Другорецкой группы месторождений неоднократно изучалась на наличие различных видов сырья. С начала 1990-х гг. по настоящее время проведены поисково-оценочные облицовочного камня по работы заявкам и на ряде участков техническим для заданиям добычи различных организаций. Следует отметить, что за годы изучения этого участка выполнен большой объем измерений контролирующий трещиноватости, выход природных так как блоков это основной габбродолерита показатель, на горном предприятии [Кузьминых, 2001; Калмыков, 2007; Кевель, 2008]. Четко проявлены трещины отдельности трех систем (I, II и III), что характерно для всех участков Другорецкой группы месторождений: трещины системы I ориентированы согласно простиранию интрузива; трещины системы II ориентированы перпендикулярно его простиранию; трещины системы III – субгоризонтальные, с преобладающим пологим падением на запад – северо-запад. 117 Часть крупных зон трещиноватости (преобладают нарушения системы II) отчетливо проявляются в рельефе (см. рисунок 5.5). Однако общая картина трещиноватости характеризуется невыдержанной зональностью, из-за чего требуется ее детальное изучение. В соответствии с методикой поиска и разведки месторождений облицовочного камня исследования территории Другорецкого кряжа относятся к разведочной стадии, когда необходимо изучение всего месторождения как единого геологического образования и выделение в его пределах отдельных структурно-однородных зон. Рисунок 5.5 – Схема тектонических нарушений в районе Другорецкой группы карьеров по добыче облицовочного камня: 1 – тектонические нарушения северо-западного направления; 2 – тектонические нарушения северо-восточного направления; 3 – субмеридиональные нарушения; 4 – положение профилей наблюдений методикой электротомографии; 5 – действующие карьеры по добыче облицовочного камня (а – ЗАО «Интеркамень», б – ООО «Другорецкое», в – ООО «Кара-Тау», г – ЗАО «Черный камень», д – ЗАО «Другая Река») 118 Измерения выполнялись аппаратурой «СКАЛА-48», диполь-дипольной электродной установкой с шагом 5 м по профилю и технологией непрерывной съемки roll-along. Полученные данные обрабатывались для получения модели удельных сопротивлений, характеризующей изменения электрических свойств в геологической среде на глубину до 50 м. Создана база данных, включающая более 16 тыс. замеров [Рязанцев, 2012д]. В результате проведенных работ построены и интерпретированы две геоэлектрические модели (рисунок 5.6), на которых фиксируется ряд зон трещиноватости, характеризующиеся модельными УЭС 1500 Ом · м и менее. Следует отметить, что начиная с ПК 400 происходит повышение общего уровня УЭС на профиле № 1. Это связано с его пересечением подстилающей шокшинской свиты, сложенной кварцитопесчаниками. Уверенно выделяется нарушенная зона в интервале ПК 300–400 на двух профилях, она обозначена на геологической карте и имеет свое отражение в рельефе дневной поверхности. Также похожее нарушение установлено на ПК 900– 1000 профиля № 1 и на ПК 700–800 профиля № 2. Эти две зоны ограничивают отдельный блок, предположительно, наиболее монолитный. Часть разломов, фиксируемая на профиле № 2, не прослеживается на профиле № 1, что обусловлено процессами вторичного тектогенеза и связанными с ним поднятиями участков силла. Разрывное нарушение, проходящее вдоль уступа, отсекает распространение трещин, фиксируемых на профиле № 2, в область, пересекаемую профилем № 1. На профиле № 2, начиная с ПК 1100, происходит переход в протяженную область пониженных УЭС, которая обусловлена субмеридиональной тектонической зоной. Полученные результаты коррелируются с геологическими наблюдениями. Анализ расположения основных действующих предприятий показывает, что большинство из них находятся на краевых частях структурно-однородных блоков, выделяющихся в пределах исследуемой площади, с движением карьерной отработки к центру этих блоков. Таким образом, исследование горного массива при помощи электротомографии позволяет определить участок заложения будущего карьера в пределах наиболее цельной части горного массива. 119 119 Рисунок 5.6 – Геоэлектрические разрезы вдоль Другорецкой группы месторождений: 1 – мощные зоны трещиноватости (до 20 м); 2 – отдельные крупные трещины; 3 – интервалы монолитных областей; 4 – рельеф коренных пород 120 5.3 Результаты изучения сырья облицовочного камня на действующем карьере «Другорецкое-3» Детальные исследования проводились в пределах отдельного горнотехнического предприятия – карьера по добыче блоков габбродолеритов «Другорецкое-3» (ЗАО «Интеркамень»), расположенного в пределах Другорецкой группы месторождений (рисунок 5.5) восточной части Ропручейского силла [Рязанцев, 2011в]. Такие исследования необходимы для подтверждения достоверности и практической применимости электротомографии к разведке месторождений облицовочного камня. Это достигалось путем сравнения полевых наблюдений, полученных по физико-геологическим моделям, с результатами практической отработки месторождения. В результате работ на объекте (рисунок 5.7) получено три профиля вдоль технологических уступов для создания 2Dмоделей и шесть профилей в пределах локального участка для создания 3Dмодели. Рисунок 5.7 – Схема расположения отдельных профилей и детального участка исследования на карьере «Другорецкое-3»: 1 – зоны трещиноватости; 2 – профили исследований; 3 – зоны высокой блочности; 4 – зоны низкой блочности по данным отработки карьера; красным прямоугольником обозначен детальный участок 121 Поскольку основным критерием нахождения качественного сырья является трещиноватость, именно детальное изучение горного массива при помощи электротомографии позволяет определить местоположение кондиционного сырья в горном массиве. Под детальным изучением подразумевается перекрытие объема породной толщи плотной, регулярной сеткой замеров. 5.3.1 2D-электротомография для выделения зон трещиноватости Выделение крупных зон трещиноватости является важной задачей на карьерах по добыче облицовочного камня. Такая задача решена на карьере «Другорецкое-3», где были проведены электротомографические работы на технологических уступах. Для сбора данных использовался комплект электроразведочной аппаратуры «Теллур», измерялись два параметра УЭС и ВП. Измерения выполнялись дипольной электродной установкой. Шаг позиций электродов равнялся 4 м, глубина исследований 15 м. Из полученных замеров ρk сформированы три набора данных по технологическим уступам карьера, характеризующие общую картину его трещиноватости. Каждый разрез содержит порядка 500 замеров, что является достаточным для обнаружения нарушенных областей размером более 10 м. На основе полученных данных построены геоэлектрические разрезы УЭС и вызванной поляризации (рисунок 5.8) по каждому уступу. На горизонтах 138 и 114 в дополнение к электроразведочным работам проводились магниторазведочные работы, которые служат источником вспомогательной информации. Сопоставление полученных геоэлектрических разрезов позволяет проследить крупные зоны трещиноватости в карьере. При рассмотрении моделей УЭС выделяются две основные высокоомные зоны, расположенные на ПК 30–80 и 95–110 на горизонте 138 и на ПК 23–68 и 82–100 на горизонте 132. Можно утверждать, что эти две области тянутся на два горизонта со смещением 10 м, их разделяет субвертикальная ослабленная зона, прослеживающаяся на технологическом горизонте 138 между ПК 8090 и на технологическом горизонте 132 между ПК 7080, характеризуемая понижением сопротивлений. 122 Рисунок 5.8 – Геоэлектрические разрезы электротомографии (УЭС и ВП): а) по горизонту +138; б) по горизонту +132; в) по горизонту +114 123 Также выделяется некоторая низкоомная часть (крупное единичное нарушение), проявляющаяся на профиле 138 между ПК 4555 и продолжающая на этих же пикетах профиля 132, и некоторая ослабленная зона между ПК 0–15 на горизонте 132. Профиль 114 находится на значительном расстоянии от двух предыдущих, что затрудняет корреляцию геофизических аномалий. Однако крупные зоны трещиноватости на ПК 1530 и высоких сопротивлений на ПК 3080 можно проследить и сопоставить с вышележащими профилями. Следует отметить, что верхние части геоэлектрических разрезов характеризуются резким понижением сопротивлений по сравнению с нижележащими областями. Это связанно с рядом факторов, но прежде всего с обводненностью технологического горизонта. Для заверки результатов была выполнена детальная магнитная съемка, которая подтвердила пониженными значениями магнитного поля наличие крупных нарушений. Что касается измерений вызванной поляризации, то аномалии ВП, как правило, совпадают с высокоомными частями геоэлектрических разрезов УЭС. Некоторое различие между данными УЭС и ВП может быть связано с небольшими колебаниями минерального состава, структурным изменением габбродолеритов, а также количеством поровой (связанной) влаги, содержащейся в породе. Исходя из этого можно предположить наличие неоднородностей и в монолитных частях исследуемого участка. Также корреляция наблюдается между магнитными аномалиями и уровнем удельного сопротивления. Аномалии магнитного поля с уровнем в 300 нТл, расположенные на ПК 2455 и 86110, четко совпадают с областями высокого сопротивления на двух горизонтах, аналогичная ситуация наблюдается и на горизонте 114. Результаты исследований сопоставлены с практической отработкой (уровнем добычи). Наблюдается корреляция в определении местоположения зон трещиноватости и областей с наибольшим выходом кондиционных блоков, что на практике доказывает целесообразность развития и дальнейшего применения данного комплекса для изучения месторождений. 124 5.3.2 Детальная оценка горного массива 3D-электротомографией Более детальную оценку трещиноватости можно выполнять на карьере, используя 3D-съемку, как показано в работе [Magnusson et al., 2010; Рязанцев, 2012б]. Для апробации такого подхода на объекте исследования выбран отдельный участок на уступе № 126 (рисунок 5.7). Чтобы упростить дальнейшее моделирование, он задан прямоугольником с размерами 25 × 50 м. Шаг позиций электродов равнялся 1 м, такая геометрия (исходя из установки) позволила получить максимальную глубину 6,5 м, что является достаточным для выполнения поставленной задачи, так как высота уступа не превышает 6 м. Длина профилей (общим количеством 6) составляла 50 м, расстояние между ними 5 м (рисунок 5.9). Используемая сетка измерений позволила сформировать массив данных, включающий более 7 тыс. замеров ρk. Следует отметить, что, несмотря на сложные условия заземления (вскрытое скальное основание), а также наличие множества приповерхностных неоднородностей, аппаратура позволила получить приемлемые результаты на протяжении всего участка измерений. Рисунок 5.9 – Вид исследуемого участка: А – многоэлектродная электроразведочная станция «СКАЛА-48»; Б – положение профилей на исследуемом участке; В – типичные приповерхностные неоднородности На основе полученных данных строятся объемные модели горного массива, и по результатам комплексной обработки делаются выводы о продуктивности выбранного участка [Рязанцев, 2014а]. В качестве основы для создания первой объемной модели использовались измерения элементов залегания трещин, 125 выполненные вдоль технологических уступов карьера, в пределах которых располагается участок исследования (рисунок 5.10, Б). Для упрощения дальнейшей интерпретации измерялись только вертикальные и субвертикальные трещины, так как, по геологическим данным, они преобладают. Построение диаграмм трещиноватости позволило определить три системы трещин: система I, имеющая угол падения 79° и азимут падения 332°; II – 84 и 59°; система III – 85 и 104° соответственно (рисунок 5.10, А). Рисунок 5.10 − Трещиноватость исследуемого участка: А − диаграммы трещиноватости; Б − схема пространственного распределения систем трещиноватости на объекте исследований: 1 − система I (СВ простирания, красный цвет); 2 − система II (СЗ простирания, синий цвет); 3 − система III (диагональная, зеленый цвет); 4 − площадь детальной геофизической съемки; В − вид уступа с выделенными системами трещин 126 Необходимо отметить, что если полюс системы I четко локализован, то системы II и особенно III имеют больший разброс. Это может объясняться вариациями азимутов отдельных трещин, а также наличием различных оперяющих трещин более крупных систем и наведенной техногенной трещиноватостью. По результатам измерений построены две объемные модели. Первая модель основана на измерениях трещиноватости и выступает в качестве вспомогательной фактуры (рисунок 5.11, А). Фактором разделения изучаемого объема выступает расстояние между отдельными трещинами, т. е. на модели отображаются только области с расстояниями между трещинами 1 м и более. Выбор дистанции обусловлен возможностью вписать полноценный блок между трещинами, все наиболее перспективные области тяготеют именно к таким интервалам. В результате фильтрации неперспективных областей остаются только участки с наибольшей вероятностью выхода кондиционных блоков. Наибольшее количество предположительно крупных блоков горной породы сосредоточено между ПК x0–x20 – y5–y20 и x30–x45 – y15–y25. Вторая модель представляет собой «геоэлектрический параллелепипед» удельных сопротивлений (рисунок 5.11, Б). Для исследуемого участка было определено медианное значение удельных сопротивлений, равное 6000 Ом · м. Данная величина условно принимается как показатель «кондиционности» (т. е. возможность высокого выхода блоков из горной массы) сырья. Все области, характеризующиеся такими удельными сопротивлениями и выше, относятся к перспективным природно-однородным зонам. При построении модели отфильтровывались низкие значения удельного сопротивления, что позволяет оценить вероятное распределение областей наибольшей блочности. В результате выделяются две основные зоны: x0–x30 – y0–y15 и x20–x40 – y15–y25, их разделяет область пониженных сопротивлений. Большинство перспективных областей, выделенных на двух моделях, соответствуют друг другу, однако имеется некоторое смещение, которое, вероятней всего, объясняется недостаточно точной привязкой, разной природой модельных данных (и, как следствие, разной проекцией реального объекта). 127 Рисунок 5.11 − Модели горного массива на технологическом горизонте карьера: А − модель распределения трещин в объеме; Б − геоэлектрическая модель Наглядным примером служит часть исследуемой толщи на пикетах x24–x48 – y0–y15 (рисунок 5.11). Имеющиеся достаточные промежутки между отдельными трещинами не подтверждаются геоэлектрической моделью. Это можно связать с тем, что в данной области происходил сброс напряжений крупного разлома, относящегося к системе I (СВ простирания). В результате образовалась оперяющая его зона микротрещиноватости, сложно определяемая визуальными наблюдениями, но имеющая пониженное сопротивление вследствие наличия влаги в пространстве микротрещин. Этот факт позволяет исключить область из разряда перспективных. Причинами расхождения, кроме того, могут 128 быть: изменение геометрии, направление распространения и степень залеченности трещин, а также выбранная сеть наблюдений, условия измерений и т. д. Для локализации областей наибольшей блочности имеет смысл проанализировать распределение удельных сопротивлений по глубине и попытаться сопоставить области проводимости с основными направлениями трещиноватости. Методика 3D-электротомографии позволяет легко получить набор необходимых глубинных срезов. На рисунке 5.12 представлены пять срезов удельных сопротивлений, наиболее полно характеризующие участок. Так как открытие трещины предполагает ее обводненность, понижение сопротивления следует относить именно к распространению разрывных нарушений. На срезах по проводящим областям цветом выделены трещины, которые качественно можно соотнести с системами, характерными для данного участка. Сравнение ориентировки и плотности трещин с удельным сопротивлением на различных глубинах позволяет детальней оценить изучаемый объем породы, а также выделить область наибольшей эффективности исследований. Так, наибольшей степенью сопоставления трещиноватости и низких значений сопротивления обладает интервал 1,9…2,7 м. Это можно объяснить тем, что в методике электротомографии при изучении трещиноватости, как показывает практика, наибольшей информативностью обладает интервал от верхней трети до середины абсолютной глубины исследований. Этот интервал менее подвержен влиянию приповерхностных неоднородностей относительно вышележащих уровней, а также обладает достаточной чувствительностью и разрешающей способностью для выделения малоразмерных объектов, таких как отдельная трещина. Это можно наблюдать по количеству выделяемых нарушений, которое уменьшается с глубиной (рисунок 5.12). По результатам анализа срезов перспективная зона x0–x30 – y0–y15 имеет мощность около 3 м, глубже она прерывается крупной трещиной. В свою очередь вторая перспективная зона x20– x40 – y15–y25 примерно с этой же глубины расширяется. Это является наглядным примером неоднородно-блокового строения горного массива. 129 Рисунок 5.12 – Срезы удельных сопротивлений 3D-электротомографии по детальному участку на технологическом уступе +120 с выделенными трещинами: 1 – система I; 2 – система II; 3 – система III 130 При интерпретации данных выделяется ряд особенностей, учет которых необходим для получения корректного результата. Во-первых, структурирование массива по геоэлектрическим свойствам возможно только в рамках элементарных ячеек. Это отражается на разрешающей способности и точности локализации аномалий удельных сопротивлений в среде. Кроме того, подбор модели на основе такого подхода не может полностью отразить геологию изучаемого объекта. Вовторых, расстояние между трещинами (и, как следствие, возможность вписать блок в промежуток) не может являться единственным критерием, так как массив горных пород может содержать разное число скрытых, залеченных трещин, а также области микротрещиноватости. Из-за влияния подобных факторов выделяются области, которые подходят по критериям блочности на одной модели, однако не имеют подтверждения на другой. Поэтому использование комплексного подхода, заключающегося в подтверждении и уточнении геологических наблюдений геофизическими измерениями, позволяет избежать ошибок в определении качества сырья и подсчете запасов. После интерпретации полученных результатов с учетом осложняющих факторов строится физико-геологическая модель, отражающая распределение областей наибольшей и наименьшей нарушенности. При первоначальной обработке выделены две, предположительно, высокоблочные зоны, а также секущие их нарушения. Проведенный анализ на основе графических построений демонстрирует, что порядка 30 % всего изучаемого объема породы характеризуются низкими показателями нарушенности. Это позволяет предположить высокий выход блоков из горной массы в этих областях. По результатам отработки месторождения «Другорецкое3» на технологических уступах +120 и +126 в окрестностях изучаемой области выход блоков варьируется от 20 до 35 %. Сопоставление экспериментальных работ и практической отработки имеет удовлетворительную сходимость. Однако для разделения горного массива по более обоснованным критериям и повышения точности и достоверности конечного результата необходимы совершенствование методики полевых измерений, разработка новых алгоритмов сопоставления геолого-геофизических моделей и расчета объема и геометрии природных блоков. 131 5.4 Выделение структурно-однородных блоков горного массива при разведке месторождения облицовочного камня При разработке подходов к применению электротомографии для поисковоразведочных работ использовалась концепция горно-геологического освоения месторождений облицовочного камня, основанная на выделении структурнооднородных блоков горного массива, которая может служить, как неоднократно отмечалось [Альмухаметов и др., 1985; Карасев, Бакка, 1997; Mosh, 2009], эффективным способом повышения продуктивности. Под термином «структурно-однородный блок» понимается часть горного массива, расположение и размеры которого обусловлены природными факторами, прежде всего трещиноватостью. В общем виде структурирование на основе электротомографии заключается в выполнении следующих этапов: • анализ геоморфологических особенностей изучаемой площади для выделения главных направлений тектонических нарушений в ее пределах; • выполнение профильных исследований в пределах контура подсчета запасов методикой электротомографии на постоянном токе; • определение поисковых атрибутов для зон трещиноватости на месторождении и выделение их геоэлектрических образов; • разделение изучаемой площади по состоянию нарушенности горного массива, исходя из получаемых значений УЭС; • локализация структурно-однородных блоков на площади месторождения и крупных тектонических нарушений их контролирующих; • подтверждение полученных результатов бурением и опытными карьерами и создание прогнозной модели месторождения. Предлагаемый способ структурирования внедрен в геологоразведочный цикл на нескольких месторождениях облицовочного камня. 132 5.4.1 Структурирование месторождения метабазальтов «Летний» Месторождение «Летний» расположено в Сегежском районе Республики Карелия, в 30 км от г. Сегежи. Горные породы данного участка недр представлены метабазальтами. Для выделения зон наибольшей блочности с целью планирования добычи, определения мощности вскрыши, а также определения границы вмещающих пород выполнены геофизические работы (рисунок 5.13). Рисунок 5.13 – Схема геофизических профилей на участке «Летний» На участке выполнено девять профилей, шесть из которых расположены по азимуту 90–270° вкрест основному направлению тектонических нарушений. Измерения выполнялись многоэлектродной аппаратурой «СКАЛА-48». Шаг по профилю составлял 5 м, длина питающей линии 235 м, также использовалась технология непрерывной съемки roll-along. В результате построено девять геоэлектрических псевдоразрезов, геологической среде (рисунок 5.14). отражающих распределение УЭС в 133 Рисунок 5.14 – Профили электротомографии на участке «Летний» в пределах перспективной площади На основе полученных данных выполнялось определение структурнооднородных блоков горного массива, которые заверялись скважинами (рисунок 5.15). Сопоставление всех профилей в единой системе (рисунок 5.15, А) позволило структурировать площадь месторождения, покрытую съемкой. 134 134 Рисунок 5.15 – Структурирование месторождения облицовочного камня «Летний»: А – пространственная схема расположения профилей: 1 – образ СВ системы трещин; 2 – образ СЗ системы трещин; 3 – образ субширотной системы трещин; Б – карта структурно-однородных блоков (обозначены полигонами) 135 Прежде всего выделялись зоны, обладающие высокими и выдержанными параметрами УЭС со значениями более 20 кОм · м, которые можно оконтурить как структурно-однородные блоки горного массива. Установлено положение тектонических нарушений, характеризующихся УЭС порядка 5 кОм · м и менее. Характеристики трещиноватости по геоэлектрическим образам соответствуют геологическим наблюдениям, по которым четко выделяются две системы трещин отдельности: СВ азимутом простирания 78°, углом падения 45° (рисунок 5.15, А.1); СЗ азимутом простирания 153°, углом падения 80°(рисунок 5.15, А.2). Также существует невыраженная субмеридиональная система с азимутом простирания 26°, углом падения 80° (рисунок 5.15, А.3). Кроме структурирования горного массива, данные электротомографии могут быть обработаны для получения карт мощности вскрышных работ (рисунок 5.16). Мощность вскрыши необходимо учитывать при оценке месторождения как дополнительный горно-экономический фактор определения зон кондиционного сырья. Рисунок 5.16 – Карты месторождения облицовочного камня «Летний»: А – глубина залегания кондиционного сырья по данным электротомографии; Б – мощность рыхлой вскрыши по комплексным геофизическим данным 136 5.4.2 Структурирование месторождения пироксенитов «Нинимяки-1» Месторождение облицовочного камня «Нинимяки-1» расположено в Сортавальском районе Республики Карелия, вблизи п. Кааламо. Горные породы месторождения представлены массивом пироксенитов, средне-крупнозернистых, темноцветных. С целью выделения наиболее монолитных участков и определения области заложения карьера выполнялись геофизические изыскания. Для изучения геоэлектрических свойств горного массива в пределах месторождения было выполнено восемь профилей электротомографии общей протяженностью 3800 м. Следует отметить, что из-за особенностей рельефа профиль 4 разделен на две части. В контуре горного отвода была разбита сеть профилей, расположенная по азимуту 9189°, шагом 100 м (рисунок 5.17). Рисунок 5.17 – Схема геофизических профилей на участке «Нинимяки-1» Комплексный анализ полученных геоэлектрических моделей (рисунок 5.18) позволил выделить положение зон наибольшего сопротивления, которые можно соотнести с предположительно наиболее блочными областями горного массива. 137 Определение проводящих зон позволяет локализовать области трещиноватости. На разрезах отчетливо наблюдается дифференциация площади месторождения. Полученные модели имеют широкий диапазон УЭС от первых сотен до десятков тысяч, что является характерным при изучении трещиноватости скальных массивов. В качестве перспективных выделялись области, имеющие высокие показатели УЭС, а также его плавное распределение, без резких градиентов. Рисунок 5.18 – Профили электротомографии на участке «Нинимяки-1» 138 Для оценки изменения УЭС по площади был построен срез (рисунок 5.19) в интервале абсолютных отметок 4565 м (что позволило учесть рельеф местности). Установлено, что наиболее монолитные зоны, выделяющиеся по уровню УЭС более 5 кОм · м, локализованы в восточной части месторождения. Также уверенно выделяется на всех профилях и ряд нарушений. Для них, в общем случае, характерны УЭС в интервале 1001000 Ом · м, но в случае локализации отдельного нарушения в монолитной области УЭС могут быть и выше. Кроме того, проведенные работы позволили оценить величину разуплотненной верхней части, которая малопригодна для получения товарных блоков. Рисунок 5.19 – Срез УЭС в интервале 4565 м на участке «Нинимяки-1» 139 Кроме выделения монолитных областей, в результате обработки электротомографии определена глубина залегания высокоблочного сырья. По полученным данным построена общая карта распределения глубины залегания на участке «Нинимяки-1» (рисунок 5.20). Наименьшая концентрация вскрыши определяется в восточной и юго-восточной части участка, где она составляет в среднем 6 м. Западный фланг площади имеет высокую мощность вскрыши (до 25 м), что не позволяет рассматривать его как перспективный для отработки. Полученные значения согласуются с рельефом участка. Значения глубины залегания соответствуют возвышенностям, тогда как нарастание вызвано наличием депрессий и тектонических нарушений. Рисунок 5.20 – Карта глубины залегания сырья на участке «Нинимяки-1» 140 Сопоставление всех профилей в единой системе позволило структурировать площадь месторождения, покрытую съемкой (рисунок 5.21, А). Прежде всего выделялись зоны, обладающие высокими и выдержанными значениями удельного электрического сопротивления со значениями более 10 кОм · м, которые можно оконтурить как структурно-однородные блоки горного массива. Комплексный анализ геологических и геофизических данных позволил выделить основные тектонические нарушения на участке и структурнооднородные блоки, ими создаваемые (рисунок 5.21, Б). Как правило, все интервалы с низким сопротивлением обусловлены влиянием тектонических нарушений СЗ и СВ направления. Такие разрывные нарушения характерны для данного участка, имеют угол падения 80–90°, уверенно выделяются как по геофизическим наблюдениям, так и геоморфологическим способом. Также, по результатам исследований, определено наличие субмеридиональной системы трещин с углом падения 40–70°, которые встречаются реже, что следует учитывать при последующем определении структурных блоков горного массива. Выделение в пределах исследуемого участка структурно-однородных зон производится по набору параметров, который включает в себя не только показатель нарушенности, но и мощность вскрыши, природную ориентацию трещиноватости и т. д. В результат участок был разделен на несколько областей (рисунок 5.21, Б). Наиболее перспективными для заложения карьера и получения высокого выхода сырья являются две зоны, расположенные в восточной части участка. Они выражены возвышенностями, не имеющими резких перепадов рельефа, которые ограничены тектоническими нарушениями. Дополнительно выделена область в центре участка, где стоит ожидать хороший показатель выхода блоков, однако глубину залегания сырья здесь следует ожидать выше. Вдоль западной границы горного отвода расположена область, не имеющая перспектив для разработки облицовочного камня в ее пределах, это связано с наличием мощной вскрыши и отсутствием монолитных частей. 141 141 Рисунок 5.21 – Структурирование месторождения «Нинимяки-1»: А – карта геоэлектрических моделей; Б – карта структурно-однородных зон (обозначены полигонами): 1 – образ трещиноватости СВ направления; 2 – образ трещиноватости СЗ направления; 3 – образ субмеридиональной трещиноватости 142 5.4.3 Структурирование месторождения габбро «Красное» Участок недр «Красное» расположен в Медвежьегорском районе Республики Карелия, в 7 км от д. Остречье. В его пределах планируется разрабатывать интрузивное тело (силл), сложенное метаморфизованными габбро, с целью получения товарных блоков природного камня. На участке проведены все необходимые геологоразведочные работы, и подсчитанные запасы поставлены на баланс. Для выделения зон наибольшей блочности с целью планирования добычи дополнительно были использованы геофизические методы. Оценочные работы выполнялись по схеме (рисунок 5.22). Рисунок 5.22 – Схема распределения профилей наблюдения в пределах горного отвода (красные линии – профили электротомографии) 143 Для определения наиболее монолитного участка горного массива в пределах участка «Красное» было выполнено семь профилей электротомографии общей протяженностью 1900 м. Шаг по профилю составлял 5 м при длине питающей линии 235, также использовалась технология непрерывной съемки rollalong. Полученные данные обрабатывались для получения характеристик изменения электрических свойств в геологической среде на глубину до 30 м. На геоэлектрических профилях, проходящих по азимуту 160–340° (рисунок 5.23), а также по профилям по азимуту 60–240° (рисунок 5.24) наблюдается дифференциация площади месторождения. Наиболее монолитные зоны, выделяющиеся по уровню УЭС более 50 кОм · м, локализованы в его восточной части. Также уверенно выделяется на всех профилях и ряд нарушений. Для них, в общем случае, характерны УЭС в интервале 110 кОм · м, но в случае локализации отдельного нарушения в монолитной области УЭС могут быть и выше. Кроме того, проведенные работы позволили оценить величину разуплотненной верхней части, которая малопригодна для получения товарных блоков. Над наиболее монолитной зоной, которую будем считать перспективной, она, в среднем, составляет 5,7 м. Рисунок 5.23 – Профиль электротомографии, проходящий по азимуту 340–160° 144 Рисунок 5.24 – Профили электротомографии, проходящие по азимуту 60–240° 145 Использование высокой плотности замеров на участке «Красный» позволило определить мощность вскрышных работ на его площади. Под вскрышными работами понимается мощность горной массы, которая перекрывает кондиционное сырье. В результате обработки данных получена карта распределения глубины залегания перспективного сырья (рисунок 5.25). По ней можно проследить области, наиболее пригодные для начала горных работ. Рисунок 5.25 – Карта глубины залегания сырья на участке «Красное» 146 Комплексная обработка результатов геолого-геофизических работ позволяет структурировать участок, выделяя в его пределах структурнооднородные зоны. Определение таких зон производится по параметру кондиций, который включает в себя не только параметры нарушенности, но и мощность вскрыши, природную ориентацию трещиноватости и т. д. В результат чего площадь месторождения была разделена на несколько областей (рисунок 5.26, Б), которые соответствуют разной степени кондиционности. Эти данные увязаны с главными направлениями трещиноватости. Так, по геологическим наблюдениям выделяются три системы трещин отдельности, которые нашли свое отражение в поле УЭС в виде геоэлектрических образов. Первая система с азимутом простирания 65° и углом падения 82° (рисунок 5.26, А.1); вторая система с азимутом простирания 314° и углом падения 57° (рисунок 5.26, А.2); третья система с азимутом простирания 353° и углом падения 73° (рисунок 5.26, А.3). Наиболее перспективной областью для заложения карьера и получения высокого выхода товарной продукции является центральная часть контура горного отвода. В геоморфологическом плане она выражена возвышенностью, протянувшейся с юго-востока на северо-запад, которая сформирована крупными нарушениями СЗ и субмеридионального простирания и разбита на отдельные блоки нарушениями СВ простирания. Именно к этой возвышенности приурочены главные области высоких сопротивлений с наименьшей мощностью вскрыши, полученные по результатам электротомографии. Кроме того, в центре выделена область, соответствующая самой монолитной части в пределах месторождения «Красный», где стоит ожидать самый высокий показатель выхода блоков. 147 147 Рисунок 5.26 – Структурирование месторождения «Красное»: А пространственная схема расположения профилей: 1 образ СЗ системы трещиноватости; 2 образ СВ системы; 3 образ субмеридиональной системы; Б карта структурно-однородных зон с нанесенными зонами трещиноватости и блоками (обозначены полигонами) 148 5.5 Выводы к главе 5 1. По результатам использования электротомографии при изучении нарушений в восточной части Ропручейского силла установлено наличие протяженной пликативной дислокации, выраженной складкоообразным перегибом, ранее неизвестным. Данный факт позволяет по-новому оценивать условия формирования месторождений облицовочного камня в этом районе. 2. На основе применения методики электротомографии в пределах Другорецкой группы месторождений выделен ряд крупных разрывных тектонических нарушений, влияющих на трещиноватость и блочность месторождений облицовочного камня. Также выделены отдельные структурно-однородные блоки горного массива и определена их связь с продуктивностью карьеров. 3. Практическая апробация электротомографии в 2D- и 3D-виде на действующем карьере при последующем сопоставлении с результатами горной отработки продемонстрировала ее эффективность в решении задач определения нарушенных зон горного массива. Предлагаемый подход к разведке месторождений облицовочного камня внедрен в цикл геологических изысканий Применение на участках недр «Летний», электротомографии позволило «Нинимяки-1», структурировать «Красное». площадь месторождения, оценить мощность скальной вскрыши, определить место заложения карьера и спланировать движение его отработки. 149 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Диссертационная работа представляет собой законченную научно- квалификационную работу, в которой предлагается обоснование применения методики электротомографии для повышения эффективности поисково- разведочных работ на месторождениях облицовочного камня за счет выделения тектонических нарушений (зон трещиноватости) и структурно-однородных блоков горного массива по уровню УЭС на примере Ропручейского силла габбродолеритов. На основе аналитического исследования параметров и свойств трещиноватости массива горных пород, ее математического моделирования в поле УЭС, а также экспериментальных наблюдений в естественных условиях при помощи методики электротомографии достигнуты следующие результаты: 1. Выделены главные системы трещиноватости, характерные для восточной части Ропручейского силла габбродолеритов, формирующие отдельность горного массива. Установлены геоэлектрические свойства зон трещиноватости этого района, что позволило определить поисковые атрибуты для метода сопротивлений. 2. Исследована применимость методики электротомографии для изучения трещиноватости на основе результатов математического моделирования и экспериментальных опытно-методических работ. Подобраны параметры получения и обработки данных электротомографии при изучении трещиноватости. 3. Установлено, что трещины горного массива в поле УЭС выделяются как контрастные проводящие объекты, имеющие специфические особенности, такие как влияние геоэлектрического свойств разреза и и геометрии существование трещин на обрамляющих параметры аномалии повышенных значений УЭС. 4. Обоснован способ повышения эффективности геологической разведки облицовочного камня при помощи выделения тектонических нарушений и 150 структурно-однородных блоков горного массива методикой электротомографии, исходя из экспериментальных и фактических данных, полученных на действующих месторождениях. 5. Реализован новый подход для изучения трещиноватости горного массива на основе применения электротомографии путем внедрения его в цикл производственных геологоразведочных работ на месторождениях облицовочного камня в Республике Карелия. 6. Проведенные исследования расширяют область применения методики электротомографии. Обосновав поисковые атрибуты для трещиноватости горного массива в поле УЭС, результаты электротомографии можно использовать в качестве средства изучения нарушенности и естественной отдельности магматических горных пород и, как следствие, применять для оценки месторождений облицовочного камня. Развитие такого подхода позволяет повысить эффективность геологоразведочных работ, а также дает новую информацию для планирования деятельности горного предприятия. 151 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Авдонин, В. В. Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых : учебник для вузов / В. В. Авдонин, Г. В. Ручкин, Н. Н. Шатагин, Т. И. Лыгина, М. Е. Мельников. – Москва : Академический проект. Фонд «Мир», 2007. – 540 с. Альмухаметов, Б. Я. Методические рекомендации по изучению трещиноватости и блочности горных пород на месторождениях облицовочного и стенового камня / Б. Я. Альмухаметов, Т. Е. Гончарова, Я. Л. Боровский, Н. И. Киселева. – Казань : ВНИИгеолнеруд, 1985. – 111 с. Амбарцумян, Ф. А. Оценка степени трещиноватости и блочности месторождений природного камня / Ф. А. Амбарцумян // Облицовочные камни. – Москва : Наука, 1974. – С. 87–92 Анощенко, Н. Н. Геометрический анализ трещиноватости и блочности месторождений облицовочного камня / Н. Н. Анощенко. – Москва : МГИ, 1983. – 268 с. Бакка, Н. Т. Облицовочный камень : геолого-промышленная и технологическая оценка месторождений : справочник / Н. Т. Бакка, И. В. Ильченко. – Москва : Недра, 1992. – 303 с. Балков, Е. В. Электротомография : аппаратура, методика и опыт применения [Электронный ресурс] / Е. В. Балков, Г. Л. Панин и др. – 2010. – 21 с. – URL : www.nemfis.ru, свободный. Яз. рус. Бархатов, А. В. Основы стоимостной оценки минерально-сырьевых ресурсов Карелии / А. В. Бархатов, В. А. Шеков. – Петрозаводск : КарНЦ, 2002. – 334 с. Беликов, Б. П. Облицовочный камень и его оценка / Б. П. Беликов, В. П. Петров. – Москва : Наука, 1977. – 138 с. Белов, Ю. И. Отчет о детальной разведке Южного участка Другорецкого месторождения габбро-диабаза, проведенной в Вепсской национальной волости Республики Карелия в 1995–1998 гг. Инв. № 497 / Ю. И. Белов. – Петрозаводск : ФГУ «ТГФ по Республике Карелия», 1999. – 199 с. 152 Бибикова, Е. В. UPb-изотопный возраст вепсия Карелии / Е. В. Бибикова, Е. И. Кирнозова, Ю. Н. Лазарев // ДАН СССР. – 1990. – Т. 310. – № 1. – С. 212– 216. Бобачев, А. А. Многоэлектродные электрические зондирования в условиях горизонтально-неоднородных сред / А. А. Бобачев, И. Н. Модин, Е. В. Перваго, В. А. Шевнин. – Москва : Геоинформмарк, 1996. – 50 с. Бобачев, А. А. Двумерная электроразведка методом сопротивлений и вызванной поляризации : аппаратура, методики, программное обеспечение / А. А. Бобачев, А. А. Горбунов // Разведка и охрана недр. – 2005. – № 12. – С. 52–54. Бобачев, А. А. Электротомография – высокоразрешающая электроразведка на постоянном токе / А. А. Бобачев, А. Г. Яковлев, Д. В. Яковлев // Инженерная геология. – 2007. – № 3. – С. 31–35. Бобачев, А. А. Электротомография со стандартными электроразведочными комплексами / А. А. Бобачев, И. Н. Модин // Разведка и охрана недр. – 2008. – № 1. – С. 43–47. Боярко, Г. Ю. Стратегические отраслевые риски горнодобывающей отрасли : дис. … д-ра эконом. наук : 08.00.05 / Боярко Григорий Юрьевич. – Томск, 2002. – 370 с. Валуев, А. М. Развитие вероятностного подхода к оценке запасов облицовочного камня / А. М. Валуев, Е. А. Шабловская // Горный информационно- аналитический бюллетень. – 2011. – № 10. – С. 284–288. Вахромеев, Г. С. Петрофизика : учебник для вузов / Г. С. Вахромеев, Л. Я. Ерофеев, В. С. Канайкин, Г. Г. Номоконова. – Томск : Изд-во ТГУ, 1997. – 462 с. Вигдорчик, М. Е. Отчет о комплексной геолого-гидрогеологической съемке масштаба 1:200000 бассейна среднего течения реки Свири в 1964–1968 гг. Инв. № 1681 / М. Е. Вигдорчик, Е. А. Зельдина. – Петрозаводск : ФГУ «ТГФ по Республике Карелия», 1968. – 475 с. Владов, М. Л. Введение в георадиолокацию : учебное пособие / М. Л. Владов, А. В. Старовойтов. – Москва : Изд-во МГУ, 2004. – 153 с. 153 Гайсин, Р. М. Опыт электротомографического исследования геомассива в зоне расположения коллекторов / Р. М. Гайсин, В. В. Набатов, Т. Ю. Дудченко // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2011. – № 10. – С. 118– 121. Галдобина, Л. П. Иотнийские образования района Прионежья КАССР / Л. П. Галдобина // Изв. КФ АН СССР. – 1958. – № 5. – С. 10–18. Галдобина, Л. П. Литология и палеогеография осадочных образований среднего протерозоя Карелии / Л. П. Галдобина, Е. М. Михайлюк // Проблемы литологии докембрия. – Ленинград : Наука, 1971. – С. 144–152. Гарбар, Д. И. Стратиграфия Верхнепротерозойские : Верхний (постиотнийские) протерозой. Йотнийская магматические серия, образования / Д. И. Гарбар // Геология СССР. Т. 1. Ленинградская, Псковская и Новгородская области. – Москва : Недра, 1971. – С. 64–81. Геология Карелии / В. А. Соколов, В. С. Куликов, М. М. Стенарь. – Ленинград : Наука, 1987. – 231 с. Гершанок, Л. А. Магниторазведка : учебное пособие / Л. А. Гершанок. – Пермь : ПГУ, 2006. – 364 с. Глубинное строение и сейсмичность Карельского региона и его обрамления / ред. Н. В. Шаров. – Петрозаводск : КарНЦ РАН, 2004. – 353 с. Голод, М. И. Электропроводность горных пород Карелии / М. И. Голод, Б. Н. Клабуков, А. С. Гришин // Петрофизические исследования КарелоКольского региона. – Петрозаводск : КФ АН СССР, 1979. – С. 124–134. Голубев, А. И. Геохимия базальтов платформенного вулканизма Карелии / А. И. Голубев, А. П. Светов. – Петрозаводск : Карелия, 1983. – 192 с. Гольдман, Е. Л. Экономика геологоразведочных работ / Е. Л. Гольдман, З. М. Назарова, А. А. Маутина. – Москва : Руда и металл, 2000. – 400 с. ГОСТ 9479–2011 Блоки из горных пород для производства облицовочных, архитектурно-строительных, мемориальных и других изделий. Технические условия. – Москва : Стандартинформ, 2012. – 8 с. 154 Григорович, М. Б. Оценка месторождений облицовочного камня при поисках и разведке / М. Б. Григорович. – Изд. 2, перераб. – Москва : Недра, 1976. – 151 с. Громов, Ю. А. Отчет о результатах прогнозно-геологических работ масштаб 1: 50000 партии № 8 и 7 на Прионежской площади в 1977 и 1981 гг. Инв. № 3297 / Ю. А. Громов. – Петрозаводск : ФГУ «ТГФ по Республике Карелия», 1982. – 157 с. Гроховский, Л. М. О промышленной оценке месторождений облицовочного камня и недостатках их изучения / Л. М. Гроховский // Облицовочные камни. – Москва : Наука, 1974. – С. 20–30. Данильев, С. М. Обоснование методики георадиолокационных исследований зон деструкции инженерно-геологических объектов : автореф. дис. … канд. геол.мин. наук : 25.00.10 / Данильев Сергей Михайлович. – Санкт-Петербург, 2011. – 20 с. Дивель, В. В. Влияние анизотропии физико-механических свойств массива на эффективность добычи гранитных блоков / В. В. Дивель // Экспрессинформация. Сер. Промышленность нерудных и неметалорудных полезных ископаемых. – Вып. 7. – Москва : ВНИИЭСМ, 1988. – 98 с. Епифанцев, О. Г. Трещиноватость горных пород: основы теории и методы изучения / О. Г. Епифанцев, Н. С. Плетенчук. – Новокузнецк : СибГИУ, 2008. – 41 с. Еремин, Н. И. Неметаллические полезные ископаемые / Н. И. Еремин. – Москва : Академкнига, 2007. – 459 с. Ерохин, С. А. Применение электротомографии при решении рудных, инженерных и археологических задач : автореф. дис. … канд. геол.-мин. наук : 25.00.10 / Ерохин Сергей Анатольевич. – Москва : Изд-во МГУ, 2012. – 22 с. Ефимов, А. В. Опережающая аэромагнитная съемка масштаба 1:50000 – 1:100000 на акватории Онежского озера и прилегающей территории суши А. В. Ефимов, К. И. Степанов. – Санкт-Петербург : Фонды СЗГУ, 2000. – 155 с. Жданов, М. С. Электроразведка / М. С. Жданов. – Москва : Недра, 1986. – 316 с. / 155 Зиннуров, Р. Р. Мировой рынок природного камня: место России / Р. Р. Зиннуров // Экономика и предпринимательство. – 2012. – № 5. – С. 117–119. Зуйкова, Ю. Л. Составление сводных аэрогеофизических карт на ЛадожскоОнежскую площадь / Ю. Л. Зуйкова, Т. М. Шилова. – Санкт-Петербург : Фонды СЗГУ, 2000. – 180 с. Иванов, А. А. Прогноз блочности на месторождении гранитов «Пувашвара» / А. А. Иванов, С. Я. Соколов, В. А. Шеков // Проблемы рационального использования природного и техногенного сырья Баренцева региона и технологии строительных и технических материалов : материалы 2-й международной научной конференции. – Петрозаводск : КарНЦ РАН, 2005. – С. 78–80. Иванов, А. А. Методологические основы оценки месторождений блочного камня / А. А. Иванов, В. А. Шеков // Горный журнал. – 2012. – № 5. – С. 44–47. Итенберг, С. С. Интерпретация результатов геофизических исследований скважин : учебное пособие / С. С. Итенберг. – Москва : Недра, 1987. – 375 с. Казарян, Ж. А. Природный камень в строительстве: обработка, дизайн, облицовочные работы / Ж. А. Казарян. – Москва : Петрокомплект, 2008. – 282 с. Кайряк, А. И. Бесовецкая серия в Онежской структуре / А. И. Кайряк. – Ленинград : Недра, 1973. – 176 с. Калмыков, В. В. Оценка эффективности освоения Другорецкого месторождения габбро-диабазов. Инв. № 1236 / В. В. Калмыков. – Петрозаводск : ФГУ «ТГФ по Республике Карелия», 2007. – 81 с. Карасев, Ю. Г. Природный камень. Добыча блочного и стенового камня : учебное пособие / Ю. Г. Карасев, Н. Т. Бакка. – Санкт-Петербург : Изд-во Горного института, 1997. – 428 с. Карпов, Р. Б. Электрическое сопротивление горных пород и факторы на него влияющие [Электронный ресурс] / Р. Б. Карпов // Георазрез. – 2013. – № 1. – URL: http://georazrez.uni-dubna.ru, свободный. 156 Кауфман, А. А. Принципы методов наземной и скважинной электроразведки / А. А. Кауфман, Б. И. Андерсон. – Тверь : АИС, 2013. – 488 с. Кевель, С. А. Отчет о поисковых и оценочных работах на блочный камень для прецизионного машиностроения в Прионежском районе Карельской АССР в 19871988 гг. Инв. № 1696 / С. А. Кевель. – Петрозаводск : Фонды КГЭ, 1988. – 167 с. Кевель, С. А. Отчет о результатах поисковых и оценочных работ на Каскесручейском месторождении габбродиабаза (облицовочный камень), проведенных в Прионежском районе Республики Карелия в 19982007 гг. Инв. № 1837 / С. А. Кевель. – Петрозаводск : Фонды КГЭ, 2008. – 123 с. Колесников, В. П. Основы интерпретации электрических зондирований / В. П. Колесников. – Москва : Научный мир. 2007. – 248 С. Копелиович, А. В. Структуры кварцитопесчаниках иотнийских дифференциального толщ Прионежья скольжения / в А. В. Копелиович, И. М. Симанович // ДАН СССР. – 1963. – Т. 151. – № 3. – С. 61–79. Копылов, М. И. Опережающие геофизические и петрофизические исследования при поисках и разведке строительных материалов на Дальнем Востоке / М. И. Копылов, И. В. Пустовойтова // Тихоокеанская геология. – 2006. – Т. 25. – № 4. – С. 69–78. Коробейников, А. Ф. Прогнозирование и поиски месторождений полезных ископаемых : учебник для вузов / А. Ф. Коробейников. – Томск : Изд-во Томского политехнического ун-та, 2009. – 253 с. Корсакова, М. А. Легенда Карельской серии листов государственной геологической карты РФ масштаба 1:200 000 (издание второе). Инв. № 475 / М. А. Корсакова. – Петрозаводск : ФГУ «ТГФ по Республике Карелия», 1998. – 67 с. Косолапов, А. И. Геомеханические процессы при разработке месторождений облицовочного камня / А. И. Косолапов // Горный журнал. – 2011. – № 5. – С. 11–15. 157 Кузьминых, Е. Н. Отчет о результатах оценки и разведки габбро-диабаза (облицовочный камень) участка «Центральный Другорецкий», выполненных в Вепсской национальной волости Республики Карелия в 20002001 гг. Инв. № 606 / Е. Н. Кузьминых. – Петрозаводск : ФГУ «ТГФ Республики Карелия», 2001. – 137 с. Куфуд, О. Зондирование методом сопротивлений / О. Куфуд. – Москва : Недра, 1984. – 270 с. Левин, Г. М. Отчет о работах, выполненных Южно-Онежской геофизической партией за 1963 г. Инв. № 2873 / Г. М. Левин. – Петрозаводск : ФГУ «ТГФ по Республике Карелия», 1964. – 98 с. Леонов, М. Г. Структуры протоплатформенного тектонического чехла течения в массива / Карельского отложениях М. Г. Леонов, С. Ю. Колодяжный, М. Л. Сомин // Бюлл. МОИП. – 1995. – Т. 70. – Вып. 3. – С. 20–32. Манштейн, А. К. Малоглубинная геофизика : учебное пособие / А. К. Манштейн. – Новосибирск : Изд-во НГУ, 2002. – 136 с. Мартынов, А. П. Отчет о детальных геологоразведочных работах, проведенных в 1960 г. на Ропручейском месторождении габбродиабазов, расположенном в Прионежском районе КАССР. Инв. № 2827 / А. П. Мартынов. – Петрозаводск : ФГУ «ТГФ по Республике Карелия», 1961. – 250 с. Маслов, В. И. Разработка прогнозной модели блочности на основе геометризации месторождений облицовочного камня : автореф. дис. … канд. геол.-мин. наук : 25.00.16 / Маслов Виталий Игоревич. – Москва : Изд-во МГГУ, 2012. – 24 с. Матвеев, Б. К. Электроразведка / Б. К. Матвеев. – Москва : Недра, 1990. – 368 с. Методические рекомендации по применению классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых : строительный и облицовочный камень. – Москва : ФГУ ГКЗ, 2007. – 28 с. Михайлов, А. Е. Полевые методы изучения трещин в горных породах / А. Е. Михайлов. – Москва : Госгеолтехиздат, 1956. – 87 с. 158 Модин, И. Н. Метод сопротивлений на постоянном токе : современные методы обработки и интерпретации данных : методическое пособие / И. Н. Модин. – Москва : Изд-во МГУ, 2004. – 30 с. Модин, И. Н. Электротомография – инновационный геофизический метод для эффективного решения инженерно-геологических задач / И. Н. Модин, М. Н. Марченко, О. И. Комаров, Н. П. Семейкин // Трубопроводный транспорт : теория и практика. – 2010. – № 1. – С. 33–37. Никитин, А. А. Теоретические основы обработки геофизической информации / А. А. Никитин, А. В. Петров. – Москва : Изд. РГГУ, 2008. – 112 с. Никитин, А. А. Комплексирование геофизических методов / А. А. Никитин, В. К. Хмелевской. – Тверь : ГЕРС, 2004. – 294 с. Огильви, А. А. Основы инженерной геофизики / А. А. Огильви. – Москва : Недра, 1990. – 502 с. Онежская палеопротерозойская структура : (геология, тектоника, глубинное строение и минерагения) / отв. ред. Л. В. Глушанин, Н. В. Шаров, В. В. Щипцов. – Петрозаводск : КарНЦ РАН, 2011. – 431 с. Пашкевич, Н. В. Экономическая эффективность геологоразведочных работ и пути ее повышения / Н. В. Пашкевич. – Ленинград : ЛГУ, 1980. – 166 с. Петров, В. П. Важнейшие неметаллические полезные ископаемые : (строительные материалы : кремнистые минералы и горные породы) / В. П. Петров. – Москва : Наука, 1992. – 363 с. Петрофизика : справочник. Кн. 1 : Горные породы и полезные ископаемые / под ред. Н. Б. Дортман. – Москва : Недра, 1992. – 391 с. Поротов, Г. С. Прогнозирование и поиски месторождений полезных ископаемых / Г. С. Поротов. – Санкт-Петербург : Изд-во Горного института, 2005. – 116 с. Поротов, Г. С. Математические методы моделирования в геологии / Г. С. Поротов. – Санкт-Петербург : Изд-во Горного института, 2006. – 223 с. Пудовкин, В. Г. Зона современно выветривания на некоторых месторождениях облицовочного камня Карелии / В. Г. Пудовкин // Облицовочный камень Карело-Кольского региона. – Москва : Наука, 1983. – С. 60–67. 159 Рац, М. В. Трещиноватость и свойства трещиноватых горных пород / М. В. Рац, С. Н. Чернышев. – Москва : Недра, 1970. – 164 с. Ревякин, П. С. Высокоточная магниторазведка / П. С. Ревякин, В. В. Бродовой, Э. А. Ревякина. – Москва : Недра, 1986. – 272 с. Романовский, А. З. облицовочного Критерии камня оценки Карельского проявлений перешейка и / месторождений А. З. Романовский, А. Я. Тутакова // Горный журнал. – 2008. – № 1. – С. 19–22. Рязанцев, П. А. Изучение пространственной дислокации Ропручейского силла при помощи профильных вертикальных электрических зондирований / П. А. Рязанцев // Геология, геофизика и геоэкология : исследования молодых : материалы XXII молодежной научной конференции, посв. памяти чл.-корр. АН СССР К. О. Кратца. – Апатиты, 2011а. – С. 160–162. Рязанцев, П. А. Прогноз качества сырья на месторождении облицовочного камня по данным электротомографии / Рязанцев П. А. // Материалы V Всероссийской школы-семинара имени М. Н. Бердичевского и Л. Л. Ваньяна по электромагнитным зондированиям Земли. – Санкт-Петербург, 2011б. – С. 393– 396. Рязанцев, П. А. Применение комплекса геофизических методов для изучения облицовочного сырья габбродолеритов Ропручейского силла / П. А. Рязанцев // Материалы Второй конференции молодых ученых и специалистов памяти акад. А. П. Карпинского. – Санкт-Петербург, 2011в. – С. 34–38. Рязанцев, П. А. Возможности современных методик электроразведки при изучении приповерхностных частей докембрийских образований Карелии / П. А. Рязанцев, М. Ю. Нилов, А. В. Климовский, С. Я. Соколов // Геология и полезные ископаемые Карелии. – Вып. 14. – Петрозаводск, 2011. – С. 207–211. Рязанцев, П. А. Прогноз геологических рисков для месторождений нерудных полезных ископаемых в Карелии / П. А. Рязанцев, М. Ю. Нилов, А. В. Климовский // Горный журнал. – 2012. – № 5. – С. 42–44. Рязанцев, П. А. Особенности строения восточной части Ропручейского силла и их изучение геофизическими методами / П. А. Рязанцев, В. С. Куликов // Геология 160 и полезные ископаемые Карелии. – Вып. 15. – Петрозаводск, 2012. – С. 165– 172. Рязанцев, П. А. Комплексный геофизический профиль через Ропручейский силл габбродолеритов на участке Ржаное – Анашкино / П. А. Рязанцев // Труды КарНЦ РАН. Петрозаводск. – 2012а. – № 3. – С. 165–171. Рязанцев, П. А. Использование 3-D-электротомографии на месторождении облицовочного камня / П. А. Рязанцев // Геофизические методы исследования Земли и ее недр : материалы VIII международной научно-практической конкурс-конференции молодых специалистов «ГЕОФИЗИКА-2011». – СанктПетербург, 2012б. – С. 110–115. Рязанцев, П. А. Методика дифференциации горного массива месторождений облицовочного камня на основе геолого-геофизических данных / П. А. Рязанцев // Материалы XIII Уральской молодежной школы по геофизике. – Екатеринбург, 2012в. – С. 181–184. Рязанцев, П. А. Система комплексной разведки месторождений облицовочного камня в Карелии / П. А. Рязанцев // Геология, поиски и комплексная оценка месторождений полезных ископаемых : тезисы докладов 4-й научнопрактической конференции молодых ученых и специалистов. – Москва, 2012г. – С. 96–98. Рязанцев, П. А. Выделение тектонических нарушений на Другорецком месторождении габбродолеритов по данным электроразведки / П. А. Рязанцев // Актуальные проблемы геологии докембрия, геофизики и геоэкологии : материалы XXIII молодежной научной школы-конференции, посвященной памяти чл.-корр. АН СССР К. О. Кратца. – Петрозаводск, 2012д. – С. 118–119. Рязанцев, П. А. Особенности интерпретации результатов электротомографии при изучении трещиноватости массива магматических горных пород / П. А. Рязанцев, М. Ю. Нилов, А. В. Климовский // Геология и полезные ископаемые Карелии. – Вып. 16. – Петрозаводск, 2013. – С. 117–122. Рязанцев, П. А. Использование геофизических наблюдений для выделения особенностей Ропручейского силла габбродолеритов (южная Карелия) / П. А. 161 Рязанцев // Материалы 3-й конференции молодых ученых и специалистов памяти акад. А. П. Карпинского. – Санкт-Петербург, 2013б. – С. 823–827. Рязанцев, П. А. Особенности геоэлектрического моделирования при изучении нарушенности гранитного массива / П. А. Рязанцев // Материалы XIV Уральской молодежной школы по геофизике. – Пермь, 2013в. – С. 222–225. Рязанцев, П. А. Применение объемного моделирования для изучения трещиноватости и блочности на месторождении облицовочного камня / П. А. Рязанцев // Разведка и охрана недр. – 2014а. – № 1. – С. 22–27. Рязанцев, П. А. Особенности геоэлектрического моделирования при изучении нарушенности гранитного массива / П. А. Рязанцев // Материалы XV Уральской молодежной школы по геофизике. – Екатеринбург, 2014б. – С. 201–204. Симанович, И. М. Эпигенез и начальный метаморфизм шокшинских кварцитопесчаников / И. М. Симанович // Труды ГИН АН СССР. – Вып. 153. Москва : Наука, 1966.– 143 с. Синельников, О. Б. Природный камень России : потенциал и проблемы добычи / О. Б. Синельников // Горный журнал. – 2011. – № 5. – С. 4 Синельников, О. Б. Совершенствование законодательства по недропользованию применительно к добыче блочного камня / О. Б. Синельников, М. И. Соколов // Горный журнал. – 2010. – № 7. – С. 18–20. Семерикова, И. И. Изучение трещиноватости вблизи разрывных нарушений на основе сейсмического подхода / И. И. Семерикова // Горный информационноаналитический бюллетень. – 2011. – № 12. – С. 104–111. Соколов, С. Я. Геофизические методы изучения породной толщи на объектах облицовочного камня / С. Я. Соколов, П. А. Рязанцев, А. В. Климовский, М. Ю. Нилов // Горный журнал. – 2011. – № 5. – С. 15–19. Сыстра, Ю. Й. Тектонические эпохи Карельского региона / Ю. Й. Сыстра // Проблемы геологии докембрия Карелии. – Петрозаводск : КарНЦ РАН, 1993. – 138 с. Тутакова, А. Я. Геология и критерии оценки месторождений облицовочного камня карельского перешейка : автореф. дис. … канд. геол.-мин. наук : 25.00.11 162 / Тутакова Анна Яковлевна. – Санкт-Петербург : Изд-во Горного института, 2007а. – 17 с. Тутакова, А. Я. Количественная оценка выхода блоков на месторождениях облицовочного камня с помощью трехмерного компьютерного моделирования / А. Я. Тутакова // Записки горного института. – 2007б. – Т. 173. – С. 31–32. Хмелевской, В. К. Электроразведка / В. К. Хмелевской. – Изд. 2-е. – Москва : МГУ, 1984. – 422 с. Хмелевской, В. К. Электроразведка : справочник геофизика. Кн. 1 / 2 / В. К. Хмелевской, В. М. Бондаренко. – Москва : Недра, 1989а. – 378 с. Хмелевской, В. К. Электроразведка : справочник геофизика. Кн. В. К. Хмелевской, В.М. Бондаренко. – Москва : Недра, 1989б. – 378 с. Хмелевской, В. К. Геофизические методы исследования земной коры. Кн. 2. Региональная, разведочная, инженерная и экологическая геофизика / В. К. Хмелевской. – Дубна : Изд-во Международного университета природы, общества и человека, 1999. – 184 с. Хмелевской, В. К. Геофизические методы исследований / В. К. Хмелевской, Ю. И. Горбачев и др. – Петропавловск-Камчатский : Изд-во КГПУ, 2004. – 232 с. Чернышев, С. Н. Трещины горных пород : учебник / С. Н. Чернышев. – Москва : Наука, 1983. – 240 с. Шевнин, В. А. 2D-инверсия данных, полученных по обычной 1D-технологии ВЭЗ [Электронный ресурс] / В. А. Шевнин, А. А. Бобачев // Георазрез. – 2009. – № 3. – URL: http://georazrez.uni-dubna.ru, свободный. Яз. рус. Шевнин, В. А. Оценка глубинности ВЭЗ для однородной и слоистой среды [Электронный ресурс] / В. А. Шевнин, В. П. Колесников // Георазрез. – 2011. – № 1. – URL : http://georazrez.uni-dubna.ru, свободный. Яз. рус. Шевнин, В. А. Оценка петрофизических параметров грунтов по данным метода сопротивлений / В. А. Шевнин, А. А. Рыжов, О. Делгадо-Родригес // Геофизика. – 2006. – № 4. – С. 37–43. Шеков, В. А. К оценке блочности массива на основе модели трещиноватости / 163 В. А. Шеков, В. А. Кузнецов, В. А. Киль, М. В. Шеков, Ю. И. Шурупов // Геология и полезные ископаемые Карелии. – 2001. – Вып. 3. – C. 137–141. Шеков, В. А. Типы месторождений блочного камня по характеру трещиноватости / В. А. Шеков, А. А. Иванов // Геология и полезные ископаемые Карелии. – 2009. – Вып. 12. – C. 165–172. Шеков, В. А. Методологические основы классификации месторождений блочного камня / В. А. Шеков, А. А. Иванов // Горный журнал. – 2011. – Вып. 5. – С. 5–8. Электроразведка методом сопротивлений / отв. ред. В. К. Хмелевской, В. А. Шевнин. – Москва : Изд-во МГУ, 1994. – 160 с. Эме, Ф. Диэлектрические измерения / Ф. Эме – Москва : Химия, 1967. – 224 с. Яковлев, А. В. Оценка зон трещиноватости в прибортовом массиве по комплексу геофизических и гидрогеологических параметров / А. В. Яковлев, В. А. Синицын, Н. И. Ермаков // Записки Горного института. – 2005. – № 7. – С. 122–129. Якубовский, Ю. В. Электроразведка / Ю. В. Якубовский, И. В. Ренард. – Москва : Недра, 1991. – 358 с. Ashmole, I. Dimension stone: the latest trends in exploration and production technology / I. Ashmole, M. Motloung // Surface Mining. – 2008. – P. 35–70. Auken, E. Layered and laterally constrained 2D inversion of resistivity data / E. Auken, A. Christiansen // Geophysics. – 2004. – V. 69. – № 3. – P. 752–761. Backstorm, A. A study of impact fracturing and electric resistivity related to Lockne impact structure, Sweden / A. Backstorm // Impact structures. – Springer, 2005. – P. 398–404. Barker, R. The offset system of electrical resistivity sounding and its use with a multicore cable / R. Barker // Geophysical Prospecting. – 1981. – V. 29. – P. 128– 143. Barker, R. Depth of investigation of collinear symmetrical four-electrode arrays / R. Barker // Geophysics. – 1989. – V. 54. – P. 1031–1037. Bentley, L. Two- and three-dimensional electrical resistivity imaging at a heterogeneous site / L. Bentley, M. Gharibi // Geophysics. – 2004. – V. 69. – P. 674–680. 164 Brace, W. F. Electrical resistivity changes in saturated rocks during fracture and frictional sliding / W. F. Brace, A. S. Orange // Journal of geophysical research. – 1968. – V. 73. – № 4. – P. 1433–1445. Chambers, J. Electrical resistivity tomography applied to geologic, hydrogeologic, and engineering investigations at a former waste-disposal site / J. Chambers, O. Kuras, P. Meldrum, R. Ogilvy // Geophysics. – 2006. – V. 71. – P. 231–239. Chambers, J. Bedrock detection beneath river terrace deposits using three-dimensional electrical resistivity tomography / J. Chambers, P. Wilkinson et al. // Geomorphology. – 2012. – V. 177. – P. 17–25. Clifford, J. Geophysical characterization of riverbed hydrostratigraphy using electrical resistance tomography / J. Clifford, A. Binley // Near Surface Geophysics. – 2010. – V. 8. – P. 563–574. Coggon, J. H. Electromagnetic and electrical modeling by the finite element method / J. H. Coggon // Geophysics. – 1971. – V. 36. – P. 132–155. Dahlin, T. 2D resistivity surveying for environmental and engineering applications / T. Dahlin // First Break. – 1996. – V. 14. – P. 275–284. Dahlin, T. The development of DC resistivity imaging techniques / T. Dahlin // Computers&Geosciences. – 2001. – V. 27. – P. 1019–1029. Dahlin, T. A Numerical Comparison of 2-D Resistivity Imaging with Ten Electrode Arrays / T. Dahlin, B. Zhou // Geophysical Prospecting. – 2004. – N 52. – P. 379– 398. Dey, A. Resistivity modelling for arbitrarily shaped two-dimensional structures / A. Dey, H. Morrison // Geophysical Prospecting. – 1979. – V. 27. – P. 106–136. Diaferia, I. Detailed imaging of tectonic structures by multiscale Earth resistivity tomographies: The Colfiorito normal faults / I. Diaferia, M. Barchi, M. Loddo, D. Schiavone, A. Siniscalchi // Geophysical research letters. – 2006. – V. 33. – P. 752–761. Dimension stone 2004 – New Perspectives for a Traditional Building Material / Edited by R. Prikryl. – Prague: Taylor&Francis, 2004. – 338 p. 165 Edwards, L. S. A modified pseudosection for resistivity and IP / L. S. Edwards // Geophysics. – 1977. – V. 42. – P. 1020–1036. Elmouttie, M. K. A Method to Estimate In Situ Block Size Distribution / M. K. Elmouttie, G. V. Poropat // Rock Mechanics and Rock Engineering. – 2012. – V. 45. – P. 401–407. Francese, R. A structural and geophysical approach to the study of fractured aquifers in the Scansano-Magliano in Toscana Ridge, southern Tuscany, Italy / R. Francese, F. Mazzarini et al. // Hydrogeology Journal. – 2009. – V. 17. – P. 1233–1246. Furman, A. A sensitivity analysis of electrical resistivity tomography array types using analytical element modeling / A. Furman, P. A. Ferre, A. W. Warrick // Vadose Zone Journal. – 2005. – V. 2. – P. 416–423. Ganerod, G. V. Comparison of geophysical methods for sub-surface mapping of faults and fractures zones in a section of the Viggja road tunnel, Norway / G. V. Ganerod, J. S. Ronning et al. // Bulletin of Engineering and the Environment. – 2006. – V. 65. – P. 231–243. Gelis, C. Potential of Electrical Resistivity Tomography to Detect Fault Zones in Limestone and Argillaceous Formations in the Experimental Platform of Tournemire, France / C. Gelis, A. Revil et al. // Pure and Applied Geophysics. – 2010. – V. 167. – P. 1405–1418. Geophysics in engineering investigations / P. W. McDowell, R. D. Barker et al. – London : CIRIA, 2002. – 252 p. Griffiths, D. Two-dimensional resistivity imaging and modelling in areas of complex geology / D. Griffiths, R. Barker // Journal of Applied Geophysics. – 1993. – V. 29. – P. 211–226. Griffiths, D. A multi-electrode array for resistivity surveying / D. Griffiths, J. Turnbull // First Break. – 1985. – V. 3. – P. 16–20. Griffiths, D. Two-dimensional resistivity mapping with a computer-controlled array / D. Griffiths, J. Turnbull, A. Olayinka // First Break. – 1990. – V. 8. – P. 121–129. Günther, T. Inversion Methods and Resolution Analysis for the 2D/3D Reconstruction of Resistivity Structures from DC Measurements: PhD Thesis / Thomas Günther. – 166 Freiberg : Technischen Universitat Bergakademie, 2005. – 150 p. Harma, P. Surface weathering of rapakivi granite outcrops implications for natural stone exploration and quality evaluation / P. Harma, O. Selonen // Estonian Journal of Earth Sciences. – 2008. – V. 57. – № 3. – P. 135–148. Heldal, T. National treasure of global significance Dimension-stone deposits in larvikite Oslo igneous province, Norway / T. Heldal, I. Kjolle, G. Meyer, S. Dahlgren // Geological Survey of Norway Special Publication. – 2008. – V. 11. – P. 5–18. Kemna, A. Complex resistivity tomography for environmental applications / A. Kemna, A. Binley, A. Ramirez, W. Daily // Chemical Engineering Journal. – 2000. – V. 77. – P. 11–18. LaBrecque, D. The effects of Occam inversion of resistivity tomography data / D. LaBrecque, M. Miletto, W. Daily, A. Ramirez, E. Owen // Geophysics. – 1996. – V. 61. – P. 538–548. Li, Y. Approximate inverse mappings in dc resistivity problems / Y. Li, D. W. Oldenburg // Geophysical Journal International. – 1992. – V. 109. – P. 343– 362. Loke, M. H. Tutorial: 2-D and 3-D electrical imaging surveys [Electronic resource] / M. H. Loke. – 2012. – 148 p. – URL: www.geotomo.com, свободный. Яз. англ. Loke, M. H. A comparison of smooth and blocky inversion methods in 2D electrical imaging surveys / M. H. Loke, I. Acworth, T. Dahlin // Exploration Geophysics. – 2003. – V. 34. – P. 182–187. Loke, M. H. Least-squares deconvolution of apparent resistivity pseudosections / M. H. Loke, R. D. Barker // Geophysics. – 1995. – V. 60. – P. 1682–1690. Loke, M. H. Rapid least-squares inversion of apparent resistivity pseudosections using a quasi-Newton method / M. H. Loke, R. D. Barker // Geophysical Prospecting. – 1996. – V. 44. – P. 131–152. Loke, M. H. A comparison of the Gauss-Newton and quasi-Newton methods in resistivity imaging inversion / M. H. Loke, T. Dahlin // Journal of Applied Geophysics. – 2002. – V. 49. – P. 149–162. 167 Luodes H. Natural stone assessment with ground penetrating radar / H. Luodes // Estonian Journal of Earth Sciences. – 2008. – V57. – №3. – P. 149–155 Luodes, H. Evaluation and modelling of natural stone rock quality using ground penetrating radar (GPR) / H. Luodes, H. Sutinen // Geological Survey of Finland. Special Paper. – 2011. – V. 49. – P. 83–90. Magnusson, M. Geoelectrical imaging in the interpretation of geological conditions affecting quarry operations / M. Magnusson, J. Fernlund, T. Dahlin // Bulletin of Engineering Geology and the Environment. – 2010. – № 3. – P. 465–486. Martorana, R. Comparative tests on different multi-electrode arrays using models in near-surface geophysics / R. Martorana, G. Fiandaca, A. Ponsati, P. Cosentino // Journal of Geophysics and Engineering. – 2009. – V. 6. – P. 1–20. Mastrocicco, M. Surface electrical resistivity tomography and hydrogeological characterization to constrain groundwater flow modeling in an agricultural field site near Ferrara (Italy) / M. Mastrocicco, G. Vignoli, N. Colombani, N. Zeid // Environmental Earth Science. – 2010. – V. 61. – P. 311–322. McGillivray, P. R. Methods for calculating Frechet derivatives and sensitivities for the nonlinear inverse problem – a comparative-study / P. R. McGillivray, D. W. Oldenburg // Geophysical Prospecting. – 1990. – V. 38. – P. 499–524. Meju, M. A. Non-invasive characterization of fractured crystalline rocks using a combined multicomponent transient electromagnetic, resistivity and seismic approach / M. A. Meju // Petrophysical Properties of Crystalline Rocks. – 2005. – P. 195–206. Mosch, S. Optimierung der Exploration, Gewinnung und Materialcharakterisierung von Naturwerksteinen: Dissertation of PhD / S. Mosch. – Univers. Gottingen, 2009. – 276 р. Mosch, S. Optimized extraction of dimension stone blocks / S. Mosch, D. Nikolayew, O. Ewiak, S. Siegesmund // Environmental Earth Sciences. – 2011. – V. 63. – P. 1911–1924. Mufti, I. R. Finite-difference resistivity modeling for arbitrarily shaped two-dimensional structure / I. R. Mufti // Geophysics. – 1976. – V. 41. – P. 62–78. 168 Mutluturk, M. Determining the amount of marketable blocks of dimensional stone before actual extraction / M. Mutluturk // Journal of Mining Science. – 2007. – V. 43. – № 1. – P. 67–82. Neyamadpoura, A. Field test to compare 3D imaging capabilities of three arrays in a site with high resistivity contrast regions / A. Neyamadpoura // Studia Geophysica et Geodaetica. – 2011. – V. 55. – P. 755–769. Nguyen, F. Image processing of 2D resistivity data for imaging faults / F. Nguyen, S. Garambois, D. Jongmans, E. Pirard, M. H. Loke // Journal of Applied Geophysics. – 2005. – V. 57. – № 4. – P. 260–277. Nimmer, R. E. resistivity imaging of conductive plume dilution in fractured rock / R. E. Nimmer, J. L. Osiensky, A. M. Binley, K. F. Sprenke, B. C. Williams // Hydrogeology Journal. – 2007. – V. 15. – № 5. – P. 877–890. Papertzian, C. Dimension Stone: A Guide to Prospecting and Developing / C. Papertzian, D. Farrow. – Ontario Geological Survey. – 82 p. Pelton, W. H. Mineral discrimination and removal of inductive coupling with multifrequency IP / W. H. Pelton, S. H. Ward, P. G. Hallof, W. R. Sill, P. H. Nelson // Geophysics. – 1978. – V. 43. – P. 588–609. Roberts, J. Laboratory and Field Measurements of Electrical Resistivity to Determine Saturation and Detect Fractures in a Heated Rock Mass [Electronic resource] / J. Roberts, A. Ramirez, S. Carlson, W. Ralph, B. Bonner, W. Daily. – 2001. – 17 p. URL: http://www.doc.gov/bridge Sasaki, Y. 3-D resistivity inversion using the finite element method / Y. Sasaki // Geophysics. – 1994. – V. 59. – P. 1839–1848. Schmutz, M. Spectral Induced polarization detects cracks and distinguishes between open and clayfilled fractures / M. Schmutz, A. Ghorbani, P. Vaudelet, A. Revil // Journal of Environmental and Engineering Geophysics. – 2011. – V. 16. – P. 85–91. Selonen, O. Magmatic constraints on localization of natural stone deposits in the Vehmaa rapakivi granite batholiths, southwestern Finland / O. Selonen, C. Ehlers, H. Luodes, F. Karell // Bulletin of the Geological Society of Finland. – 2011. – V. 83. – P. 25–39. 169 Sentenac, P. Clay fine fissuring monitoring using miniature geo-electrical resistivity arrays / P. Sentenac, M. Zielinski // Environmental Earth Science. – 2009. – V. 59. – P. 205–214. Spitzer, K. The three-dimensional dc sensitivity for surface and subsurface sources / K. Spitzer // Geophysical Journal International. – 1998. – V. 134. – P. 736–746. Stummer, P. New developments in electrical resistivity imaging: PhD Thesis / Peter Stummer. – Leoben : University of Leoben, 2003. – 199 p. Stummer, P. Experimental design: Electrical resistivity data sets that provide optimum subsurface information / P. Stummer, H. Maurer, A. Green // Geophysics. – 2004. – V. 69. – P. 120–139. Tripp, A. C. Two-dimensional resistivity inversion / A. C. Tripp, G. W. Hohmann, C. M. Swift // Geophysics. – 1984. – V. 49. – P. 1708–1717. Ustra, A. Case study: a 3D resistivity and induced polarization imaging from downstream a waste deposal site in Brazil / A. Ustra, V. Elis, G. Mondelli, L. Zuquette, H. Giacheti // Environment Earth Science. – 2012. – V. 66. – P. 763– 772. Ward, S. H. Geotechnical and Environmental Geophysics. Chapter Resistivity and Induced Polarization Methods / S. H. Ward // Investigations in Geophysics. – 1990. – № 5. – P. 147–189. Wilkinson, P. B. Practical aspects of applied optimized survey design for electrical resistivity tomography / P. B. Wilkinson, M. H. Loke et al. // Geophysical Journal International. – 2012. – V. 189. – P. 428–440. Yuguo, L. Three-dimensional DC resistivity forward modelling using finite elements in comparison with finite-difference solutions / L. Yuguo, K. Spitzer // Geophysical Journal International. 2002. V. 151. P. 924–934. Zhamaletdinov, A. A. Electrical profiling by the MISC and Slingram methods in the Pechenga-Pasvik area / A. A. Zhamaletdinov, J. S. Ronning, Y. A. Vinogradov // Nor. geol. unders. 1995. Spec. Pub. 7. P. 333–338.