Геолого-геофизические изыскания в геофизике

Для поисков рудных месторождений  и рудных тел проводят гравиразведочные работы в масштабе 1 : 25 ООО и крупнее. Наиболее успешно гравиразведка применяется при поисках хромитов и медных колчеданных руд, имеется положительный опыт непосредственного обнаружения залежей корунда и свинцово-цинковых руд. Гравиразведка уверенно выявляет железные руды собственно магматического, скарнового и метаморфогенного происхождения, но с этой целью она применяется в ограниченных объемах, так как более экономично такая задача решается магниторазведкой.

Гравиразведка используется и при  поисках ряда других полезных ископаемых. Гравиразведку часто комплексируют с магнитной съемкой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКА

Электроразведка объединяет многочисленные геофизические  методы исследования геологического строения земной коры, поисков и разведки месторождений полезных ископаемых, основанные на изучении постоянных или переменных электромагнитных полей естественных и искусственно созданных источников.

Существование большого числа методов электроразведки объединяется как использованием электромагнитного поля разного типа и происхождения, так и многообразием возможностей его изучения в широком диапазоне частот (от 0 до 10⁸ Гц) и различным влиянием среды на характер электромагнитного поля, определяемым каждым из электромагнитных свойств. Четко проявляющееся влияние среды на характер изучаемого электромагнитного поля на разных частотах, общность способов его возбуждения и исследования положены в основу классификации методов электроразведки. По этим признакам можно выделить 4 основные группы.

1. Методы сопротивлений, основанные на изучении искусственно созданного поля постоянного тока (различные виды электропрофилирования, электрозондирования и метод заряда).
2. Методы изучения полей физико-химического происхождения (методы естественного поля, вызванной поляризации, частичного извлечения металлов и контактный способ поляризационных кривых).
3. Методы низкочастотного электромагнитного поля (индуктивные методы — дипольного индуктивного профилирования, длинного кабеля, переходных процессов, электромагнитные зондирования — частотные, становлением поля и магнитотеллурические методы — зондирования, профилирования и теллурических токов).
4. Радиоволновые методы (метод радиокомпарации и пеленгации и радиоволновое просвечивание).

Большинство из перечисленных методов используется при наземных электроразведочных исследованиях, а также в скважинах и подземных горных выработках большого сечения, но некоторые низкочастотные и радиоволновые методы применяются и в аэроварианте. В ограниченных объемах проводят электроразведочные работы на акваториях. В основном это зондирования, магнитотеллурические и становлением поля, а при малых глубинах моря электрическое профилирование и зондирование, измерения естественной и вызванной поляризуемости.

Электроразведка используется при решении широкого круга геологических и инженерно-геологических  задач, но обоснование применимости конкретного метода в каждом частном случае требует знания электрических свойств геологического разреза.

1. Электромагнитные свойства горных пород и руд

Наиболее  важными для электроразведки  свойствами горных пород и руд являются удельное электрическое сопротивление ρ, диэлектрическая ε и магнитная µ проницаемости, поляризуемость η

Удельное  электрическое сопротивление р — это сопротивление кубического метра вещества, оказываемое электрическому току протекающему между противоположными гранями куба.

Удельное  сопротивление горной породы зависит  не только от удельного сопротивления  слагающих ее минералов, но и от пористости, влажности, удельного сопротивления жидкости, структурно-текстурных особенностей, температуры и давления.

По  характеру электрической проводимости все минералы делят на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики.

К группе проводников относятся редко  встречающиеся в природных образованиях самородные металлы, удельное сопротивление которых составляет 10^-6—10^-4 Ом·м.

Для полупроводников, в группу которых входит большинство рудных минералов, имеющих электронную проводимость, характерен широкий диапазон изменения удельного сопротивления. В зависимости от элементов-примесей ρ одного и того же минерала, например магнетита, может изменяться в диапазоне 10^-3—10⁴ Ом·м. Среди минералов-полупроводников наименьшим сопротивлением обладают пирит, халькопирит, пирротин, галенит, борнит, ковеллин, графит    (10^-5—10^-3 Ом·м). Ряд рудных минералов (сфалерит, молибденит, вольфрамит, сидерит) имеет более высокое сопротивление (10²—10³ Ом·м), а такие, как киноварь, лимонит, стибнит и некоторые другие, относятся к диэлектрикам.

Большинство породообразующих минералов, в том  числе все минералы класса силикатов, сульфаты, карбонаты, некоторые окислы (кварц, корунд), хлориды, являются диэлектриками  и имеют сопротивление 10⁸—10¹⁴ Ом·м.

Удельное  электрическое сопротивление жидкостей, заполняющих поры и трещины в горных породах, зависит от концентрации растворенных солей и температуры раствора. С ростом минерализации и температуры удельное электрическое сопротивление водных растворов убывает, в связи, с чем глубинные сильноминерализованные воды имеют сопротивление от 10^-2 Ом·м до единиц ом-метров. Среди поверхностных вод наиболее низкие значения ρ (0,7 Ом м) характерны для морских. Воды поверхностных водотоков обладают сопротивлением 10^-1—10² Ом·м, а дождевые — Ю²—10³ Ом·м.

Из изложенного следует, что электрическая проводимость горных пород, минеральный каркас которых сложен минералами-диэлектриками, определяется ионной (электролитической) проводимостью водных растворов, заполняющих поры и трещины. Поэтому удельное сопротивление горных пород редко превышает 10⁴ Ом·м. .

При полном насыщении порового пространства влагой увеличение пористости пород сопровождается пропорциональным уменьшением сопротивления пород.

При замерзании воды в порах и  трещинах удельное сопротивление пород скачкообразно возрастает на 2—3 порядка. Поэтому все мерзлые, особенно многолетнемерзлые, породы имеют высокое удельное сопротивление порядка 10³—10⁵ Ом·м и слабо дифференцируются по этому параметру.

При заполнении порового пространства нефтью (ρ=10⁹—10¹⁶ Ом·м) или газом удельное сопротивление пород возрастает в соответствии с коэффициентом их нефте- или газонасыщенности.

Зависимость удельного электрического сопротивления пород от давления обусловлена изменением структуры  порового пространства и характерна для пористых пород. По мере роста давления отмечается увеличение удельного сопротивления пород, при этом для глинистых разностей скорость изменения ρ выше, чем для карбонатных.

Слоистые горные породы, а тем  более сланцеватые, имеющие упорядоченную  ориентировку пор и трещин или хорошо проводящих минералов, обладают неодинаковым электрическим сопротивлением поперек (ρ_n) и вдоль (ρ_i) слоистости или сланцеватости. Такие породы называют анизотропными, а степень их неоднородности по сопротивлению оценивают коэффициентом анизотропии Ʌ=√ρ_n/ρ_i , значение которого колеблется от 1 у массивных пород до 2—3 у слоистых глин и графитизированных сланцев.

Изверженные горные породы имеют наиболее высокие значения ρ (10³—10⁶ Ом·м), обусловленные низкой пористостью этих пород. Осадочным породам свойственны более низкие значения ρ (10^-1—10² Ом·м), исключение составляют сухие пески и грубозернистые осадки, малопористые, плотные гидрохимические осадки, удельное сопротивление которых близко к сопротивлению магматических пород.

Удельное сопротивление метаморфических  пород определяется составом исходных пород и характером и степенью их метаморфического преобразования. Породы низких ступеней регионального  метаморфизма по удельному электрическому сопротивлению практически неотличимы от пород, по которым они образовались, но обладают большей анизотропностью. При возрастании степени метаморфизма дифференциация пород по удельному сопротивлению уменьшается, а значения р увеличиваются. Исключение представляют породы, в составе которых имеется углистое вещество. При возрастании степени метаморфизма эти породы преобразуются в графитизированные сланцы, удельное сопротивление которых благодаря присутствию графита, обладающего электронной проводимостью, неотличимо от р сульфидных руд.

Удельное сопротивление большинства руд зависит от процентного содержания минералов с электронной проводимостью и их взаимного расположения, т. е. текстурно-структурных особенностей руд. Наиболее низкое удельное сопротивление (10^-2— 1 Ом·м) имеют массивные колчеданные и полиметаллические руды. Удельное сопротивление вкрапленных и прожилково-вкрапленных руд зависит от взаимного расположения рудных и нерудных минералов.

Электропрофилирование

Сущность электропрофилирования состоит в измерении кажущегося сопротивления установкой при ее перемещении вдоль заданных направлений (профилей). Взаимное расположение электродов при этом сохраняется постоянным. Исключение составляет съемка срединных градиентов.

Электропрофилирование применяется преимущественно на стадии поисков месторождений полезных ископаемых; его задачами являются обнаружение рудных тел, картирование контактов пород, даек, жил, зон разрывных нарушений, выявление складчатых структур. Используют его и при инженерно-геологических взысканиях.

Электропрофилирование выполняют в крупных масштабах: 1:25000, 1:10 000,      1:5000.

Электрозондирование

Электрозондирование применяется для установления глубины залегания горизонтальных или пологопадающих границ раздела пород с разным электрическим сопротивлением. Его основными геологическими задачами являются расчленение разреза осадочных толщ платформ и прогибов, изучение поведения кровли фундамента и оценка мощности рыхлых отложений, перекрывающих коренные породы.

В зависимости  от вида применяемых установок различают симметричное вертикальное электрозондирование (ВЭЗ), двухэлектродное-потенциал-зондирование, трехэлектродное—градиент-зондирование и дипольные электрозондирования: дипольно-азимутальное (ДАЗ), дипольно-экваториальное (ДЭЗ), дипольноосевое (ДОЗ). Ниболее широко применяются на практике ВЭЗ.

Методы погруженных электродов и вертикального градиента.

Оба метода основаны на изучении постоянных полей точечных источников и применяются в основном при детальных поисках рудных дел, отличающихся высокой проводимостью.

В методе погруженных электродов одно из заземлений питающей линии АВ располагают в скважине, второе — на земной поверхности в «бесконечности» или в другой удаленной скважине.  Измерения выполняют по профилям, расположенным на поверхности. Разносы приемной линии и расстояния между точками измерения колеблются от 20 до 50 м. Расположение питающего электрода в скважине позволяет увеличить глубинность поисков за счет его приближения к рудному объекту.

3.2. Методы изучения полей физико-химического происхождения

Метод естественного электрического поля.                      

Метод естественного поля (ЕП) основан на изучении постоянных естественных электрических полей, обусловленных различными электрохимическими процессами, самопроизвольно протекающими в земной коре. Наибольший практический интерес представляют поля природных электронных проводников (сульфидных руд, магнетита, графита, антрацита), которые получили название «рудных» или электрохимических полей. Наряду с ними существуют «нерудные» поля, возникающие при фильтрационных, диффузионных и термокинетических явлениях, а также поля теллурических и блуждающих токов, грозовых разрядов и др.

Чаще всего метод ЕП применяют  при детальных поисках сульфидных руд, графита, антрацита, при решении некоторых гидро- и инженерно-геологических задач. Работы проводят в масштабах 1: 10 ООО, 1: 5000 по сети соответственно 100X20 и 50X(10÷20) с детализацией по сети 20X(5÷10)

Метод вызванной поляризации

Вызванная поляризация (ВП) — это  электрохимическое явление, происходящее на границе обладающих ионной проводимостью пород или электронных проводников (руд) с окружающей их жидкостью-электролитом под действием пропускаемого в земле электрического тока и сопровождаемое возникновением вторичных э. д. с., которые существуют некоторое время после выключения тока в питающей цепи.

Поляризуемость горных пород с  ионной проводимостью зависит от минерального состава каркаса породы, структуры и размера

пор, содержания и размера глинистых частиц, водонасыщенности минерализации и химического состава подземных вод, а также от силы, длительности, полярности поляризующего тока и от момента времени измерения. Используются три следующих особенности поля ВП: 1) большая поляризуемость у песков и супесей, чем у глин; 2) большая поляризуемость у пород, насыщенных пресной водой, чем у насыщенных минерализованной; 3) меньшая скорость спада напряжения ВП у крупнозернистых песков и гравия, чем у мелкозернистых песков и глин.

Поляризуемость горных пород колеблется от 1 до 4 % и составляет в среднем 2—3 %; массивные магматические и метаморфические породы имеют 1-2 %, песчано-глинистые отложения, насыщенные пресной водой,—3-4 %, а те же отложения, насыщенные минерализованной водой, — 1 %.

Метод частичного извлечения металлов

Метод частичного извлечения металлов (ЧИМ) основан на способности некоторых минералов растворяться под действием постоянного электрического тока; их заряженные растворенные компоненты перемещаются в растворах и накапливаются на питающих электродах. На этих электродах создаются специальные элементоприемники (ЭлПР), в которых происходит накопление приносимых элементов, в частности ионов (преимущественно катионов) металлов.

Основной вариант метода ЧИМ чаще всего используют в скважинной модификации с целью определения вещественного состава руд и уточнения их положения в разрезе.