Формирование целевого комплекса экогеофизических исследований для решения геоэкологических задач

Размещено на http://www.allbest.ru/

Формирование целевого комплекса экогеофизических исследований для решения геоэкологических задач

геологический эрозионный колчеданный

Структура комплексных экогеофизических наблюдений, как правило, разрабатывается в соответствии со схемой. Последовательность действий иллюстрируется схемой, приведенной на рисунке 1.

Рис. 1. Структура комплекса экогеофизических наблюдений ФГМ - физико-геологические модели, ПДЭН - предельно-допустимые экологические нормативы

Постановка геоэкологической задачи предопределяет сбор и проработку результатов предшествующих исследований на площади проектируемых работ, а именно: изучение всех имеющихся фондовых материалов (атласы, карты, описание полевых наблюдений, качественные и количественные характеристики объектов, показатели загрязнения атмосферы, литосферы, гидросферы, данные о приуроченности участков исследований к аномальным зонам, геологические и геоэкологические разрезы, их изменённость в результате техногенных воздействий).

В результате сбора и проработки и предшествующих исследований должна быть определена необходимость геофизических исследований, т.е. наличие в системе геоэкологических работ геофизического модуля. Это, прежде всего, относится к крупным промышленным объектам: регионам нефтепромыслов, подземной разработки месторождений (угольные, рудные, соляные и др.), перерабатывающим предприятиям, гидро-, тепловым и атомным электростанциям и т.д. При этом, целесообразность выполнения геофизических наблюдений в первую очередь предопределяется тем, что геофизические исследования относятся к объемным, в отличие от дискретных, например, связанных с необходимостью проведения буровых работ. В то же время должны быть оценены и основные геофизические показатели верхней части разреза, их соотношения для слоёв пород, слагающих геологический разрез и находящихся в них локальных природных и техногенных объектов. Полученные сведения являются основой для составления физико-геологических моделей (ФГМ).

Этот этап формирования структуры комплексных экогеофизических наблюдений является основным, поскольку предопределяет необходимость постановки или отказа от выполнения тех или иных видов работ.

Физико-геологическое моделирование

Физико-геологическое моделирование является основой при выборе типовых, рациональных и оптимальных комплексов геофизических методов. Его разделы включают приемы формирования и классификацию ФГМ, условия применимости отдельных геофизических методов, расчет сети и точности наблюдений, непосредственно связанных с построением ФГМ, а также возможные оценки адекватности ФГМ реальным объектам.

Формирование ФГМ и их классификация

Формирование физико-геологической модели какого-либо геологического объекта, процесса или явления предусматривает несколько последовательных операций, к которым относятся:

постановка геологической задачи;

выбор объекта моделирования (земная кора, конкретный блок земной коры, геоэкологическая провинция, отдельные структуры, техногенные объекты и т.д.) с построением априорной геологической модели;

расчет аномальных петрофизических параметров моделируемого объекта и его вмещающей среды;

построение петрофизической модели и выделение на ее основе структурно-вещественных комплексов;

решение прямых задач геофизики для каждого метода, т.е. построение модели физических полей;

оценка адекватности сформированной ФГМ реальному объекту на эталонах, т.е. на объектах, аналогичных исследуемому, но с известным геологическим строением.

В развитии ФГМ и выбора на ее основе комплекса геофизических методов выделяются три фазы.

Первая фаза характерна для геофизических исследований при отсутствии опыта работ. При этом необходимо использовать принцип аналогии, при котором опираются на результаты работ в регионах со сходным геологическим строением, используя литературные источники, справочники, отчеты. На этой фазе формируется априорная ФГМ.

На второй фазе формирования ФГМ используются результаты опытно-методических исследований, которые играют роль натурного моделирования и при которых реализуется заведомо избыточный комплекс геофизических методов, что в дальнейшем дает возможность исключить методы, дублирующие результаты, и оценить информативность оставшихся.

Третья фаза формирования ФГМ связана с наличием существенного объема информации, накопленного при проведении производственных работ для решения поставленной геологической или геоэкологической задачи. Оценка информативности геофизических методов и их различных сочетаний при этом осуществляется на основе количественных оценок. Кроме того, здесь появляется также возможность получения оценок по экономической эффективности отдельных методов и их сочетаний, что в целом способствует выбору рационального комплекса.

Требования, предъявляемые к ФГМ, изменяются в зависимости от стадийности геологоразведочного процесса (принцип последовательных приближений). Так, например, задача поисков объекта сводится к выявлению перспективных аномалий с заданной вероятностью минимальным числом точек наблюдений (обычно, три). Густоту сети при этом рассчитывают по моделям физических полей, полученных для наименее благоприятных условий залегания моделируемого объекта. На стадии детализации перспективных аномалий уже подробно изучаются факторы, обусловливающие максимальную изменчивость физического поля, и анализируются те стороны ФГМ, которые специфичны для данного объекта исследований. С этой целью особую роль играют комплексный анализ и комплексная интерпретация геофизических данных.

Типы физико-геологических моделей

Расширение представлений о физико-геологическом моделировании изучаемых объектов неизбежно приводит к увеличению числа типов моделей.

Во-первых, выделяют априорные ФГМ, используемые для выбора типового комплекса геофизических методов на стадии проектирования, и апостериорные ФГМ, являющиеся результатом комплексной интерпретации геофизических данных после проведения производственных работ.

В зависимости от характера геологических задач различают двуалъ-тернативные ФГМ, предназначенные для решения задач типа "локальный объект" -"вмещающая порода", и многоальтернативные ФГМ, используемые при решении задач структурно-тектонического районирования территории, геокартирования, многоцелевых поисков разных видов минерального сырья.

В зависимости от способов описания физических полей можно выделить детерминированные ФГМ, построенные на основе расчета аномальных эффектов с помощью уравнений математической физики при жестко заданных значениях петрофизических и морфологических (размеры, форма, глубина, элементы залегания) параметров модели; и вероятностно-статистические ФГМ, создаваемые с учетом вероятностных распределений тех же параметров модели.

Среди вероятностно-статистических ФГМ реализуются либо статистические ФГМ, основой формирования которых служат методы корреляционно-регрессионного и факторного анализов, распознавания образов, проверки статистических гипотез, либо стохастические ФГМ, формируемые на базе вероятностных распределений самих параметров изучаемых моделей, т.е. когда при решении прямых задач аномальные эффекты задаются путем расчета математических ожиданий, дисперсий и корреляционных функций, описывающих возможный диапазон изменения состояний модели объекта. Вероятностно-статистическое моделирование особое значение приобретает при поисках и разведке слабоконтрастных геологических объектов, для которых аномальные эффекты соизмеримы с уровнем помех или ниже этого уровня ввиду большой глубины залегания объектов, их небольших размеров и слабой дифференциации по физическим свойствам.

Наконец, с учетом развития геологических процессов во времени различают статические ФГМ, фиксирующие состояние геологического объекта в определенный (исторический) момент времени и динамические ФГМ, отражающие изменение физических полей на разных стадиях развития геологических процессов в зависимости, например, от глубины проявления зон окисления, тектогенеза и т.д. Динамические ФГМ также отражают изменение физических полей при мониторинге окружающей среды, при режимных наблюдениях над нефтегазохранилищами и крупными месторождениями углеводородов, находящихся в длительной эксплуатации, естественных фильтрационно-диффузионных процессов при решении инженерных, гидрогеологических и геоэкологических задач.

Пример двуальтернативной детерминированной ФГМ колчеданного месторождения при поисково-разведочных работах приведен на рис. 2.

Статистическая ФГМ формируется при моделировании объектов сложного геологического строения, когда аномальные эффекты от изучаемых объектов соизмеримы с уровнем помех и даже ниже такого уровня и, следовательно, решение прямых задач по моделированию физических полей не эффективно. При этом необходимо использовать различные приемы фильтрации полей по обнаружению слабых аномалий (сигналов) и комплексного анализа геополей.

Для обнаружения слабых аномалий достаточно эффективен способ самонастраивающейся фильтрации, в результатах которого хорошо картируются линейно вытянутые зоны контактов пород и тектонических дислокаций. При комплексном анализе основное значение приобретают приемы факторного анализа. Пример такого анализа можно рассмотреть на статистической ФГМ участка сосредоточения редкометалльных пегматитов, рудное поле которых расположено в грабене, выполненном метаморфическими породами: конгломератами, кварц-биотитовыми, биотит-амфиболовыми сланцами, слабо различающимися в физических полях, несмотря на их существенные различия по физическим свойствам (табл.1).

Рис. 2. Физико-геологическая модель колчеданного месторождения с ожидаемыми физическими полями при разном положении эрозионного среза

1 - покровные мезо-кайнозойские отложения, к = 0100 Омм, = 12,4 г/см3, = (040)10-5 ед. СИ;

2 - надрудная толща андезито-базальтового состава, к = (37)103 Омм, = 2,752,9 г/смЗ, = (12125)10-5 ед. СИ, к = 13%;

3 - кислые рудовмещающие вулканиты, к = (13) 10-3 Омм, = 2,552,75 г/см3, = (025) 10-5 ед. СИ, к = (210%);

4 - гидротермально измененные серицито-хлоритовые породы с сульфидной минерализацией, к = 251000 Омм, = 2,83,3 г/см3, =(06)10-5 ед.СИ, к=540%;

5 - массивные колчеданные руды к =1100 Омм, = 3,54,6 г/см3, =0; к<3%;

I - III - уровни эрозионного среза

Таблица 1 Параметры статической ФГМ серии редкометальных пегматитовых жил

Так, плотность пегматитов, амфиболитов и вмещающих кварц-био-титовых сланцев соответственно равна 2,6; 2,95; и 2,73 г/см3, магнитная восприимчивость - 1010-6; 3010-6 и 240-10-6 ед. СИ, сопротивление 50 000, 20 000 и 20 000 Омм. Однако, малые размеры отдельных пегматитовых тел и наличие большого числа аномалий-помех от непродуктивных пегматитов ориентирует на создание статистической ФГМ, параметры которой приведены в табл. 1. Эти параметры получены на эталонных выборках объемом от 80 до 130 объектов каждого из трех классов. Нетрудно проследить, что в приведенной модели, несмотря на существенные перекрытия диапазонов изменений физических полей над тремя типами выделенных объектов, существуют статистически значимые различия средних значений, дисперсии (стандарта) и корреляционных матриц.

Построение стохастических ФГМ базируется на представлении о множестве случайных состояний модели объекта, т.е. состояний параметров модели объекта. Примером таких моделей является описание среды в виде модели ячеистого беспорядка. Геосреда при этом аппроксимируется совокупностью ячеек, каждая из которых принимает два состояния, например, "рудное" и "безрудное" (рис.3). Индикатором каждого из этих состояний является переменная Kр, равная 1 для "рудного" состояния и -1 для "безрудного" состояния.

Рис. 3. Случайная реализация сечения рудного тела (а), полученная при заданном распределении вероятностей в сечении модели (б) 1 и 2 - соответственно "рудное" и "безрудное" состояния ячейки модели

Примером динамической ФГМ может служить модель медно-порфирового месторождения, отражающая характер магнитного поля, полей электрического сопротивления и вызванной поляризации в зависимости от стадии рудообразования и масштаба проявления медно-молибденового оруденения (рис. 4).

В этой динамической ФГМ предрудная стадия отражает незначительные масштабы гидротермальных процессов, при которых появляются небольшие содержания ферромагнитных минералов, что вызывает соответственно повышение магнитного поля. Рудная стадия, подразделяемая на три подстадии, характеризуется в начальной подстадии выделением ферромагнитных минералов. Магнитные поля над такими участками достигают максимума в 1000 мТл. Аномалии вызванной поляризации составляют 4-6% на фоне в 2-3%. Процесс окварцевания приводит к росту к до 1500 Омм. Эти показатели соответсвуют месторождению меди. Гидротермальные изменения вмещающих пород при этом развиты слабо.

В среднюю подстадию гидротермально-метасоматические процессы активизируются. Магнитная восприимчивость рудных зон снижается, а поляризуемость возрастает до 10%. Накопление электронно-проводящих минералов приводит к уменьшению к.

Последняя рудная подстадия характеризуется исчезновением магнитных минералов. Эти изменения отражаются аномалиями поляризуемости в 12-14%, отрицательными значениями магнитного поля и снижением кажущегося сопротивления до первых сотен Омметров.

Послерудная стадия в физических полях практически не отображается.

В практике геологоразведочных работ находит применение большое число геофизических методов, и их количество продолжает увеличиваться. Тем не менее, несмотря на разнообразие геофизических методов и решаемых с их помощью геологических задач, можно сформулировать не зависящие от исследователя условия, необходимые и достаточные для эффективного применения методов прикладной геофизики.

Рис. 4. Динамическая ФГМ медно-порфирового месторождения, отражающая характер физических полей Z, к и к в зависимости от стадии рудообразования и масштаба проявления медно-молибденового оруденения

Минералы: 1 - ферромагнитные, 2 - изоляторы, 3 - сульфидные электронно-проводящие, 4 - прочие

К этим условиям относятся:

заметная дифференциация (контрастность) физических свойств пород и руд района работ;

благоприятные геометрические параметры (размеры, форма, глубина и элементы залегания) аномалиеобразующих источников, в частности, геоэкологических объектов;

относительно низкий уровень помех.

Перечисленные условия влияют на создание физико-геологических моделей изучаемых объектов, а выбор конкретного типа моделей непосредственно зависит от анализа условий применимости геофизического метода.

Петрофизическое моделирование

Изучение физических свойств пород требуется для создания петрофизических моделей (ПФМ) - составной части физико-геологических моделей изучаемых объектов.

Понятие о заметной дифференциации физических свойств для различных методов существенно меняется. Так, для применения гравиразведки при поисках большинства рудных месторождений достаточно различия плотностей вмещающих пород и руд на 0,3-0,4 г/см3, а при решении структурно-картировочных задач всего на 0,1 г/см3.

Для применимости магниторазведки и электроразведки необходимо, чтобы магнитная восприимчивость и сопротивление вмещающих пород и руд различались в несколько раз, в частности, для индуктивной электроразведки отношение сопротивлений пород и руд должно составлять около 100.

Физические свойства пород зависят от многих геологических факторов (возраста, глубины залегания, метаморфизма и др.), поэтому одни и те же литологические и структурно-вещественные комплексы для разных регионов могут быть существенно различными.

Таблица 2 Осредненные, часто встречающиеся значения физических свойств горных пород

Петрофизические классификации горных пород отличаются от геологических, построенных на отличиях по минеральному и химическому составам, за счёт дополнительной оценки фазового состояния. Одна из таких возможных классификаций дана в табл. 2. В ней приведены часто встречающиеся значения некоторых физических свойств горных пород: плотностных (плотности () и пористости (kП)), упругих (скорости продольных (Vр) и поперечных (Vs) сейсмических волн), магнитных (магнитная восприимчивость () и др.), электрических (удельное электрическое сопротивление () и др.

Размещено на Allbest.ru