Учет фактора анизотропии при формировании геоэлектрических моделей рудных месторождений

УДК 550.837.31

В.И. Сапожников

УЧЕТ ФАКТОРА АНИЗОТРОПИИ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Рудоносные структуры, сформировавшиеся в областях интенсивного смятия с крутым залеганием горных пород, всегда рассматривались как анизотропные по электропроводности среды. Это связано с тем, что искажающее действие анизотропии проявляется достаточно ярко и фиксируется многими методами электроразведки.

Вместе с тем, обращаясь к вариантам геоэлектрических моделей рудных месторождений с относительно пологим или умеренно-крутым, а также разноменяющимся залеганием рудоносных толщ, приходится констатировать, что фактор электрической анизотропии для них учтен явно недостаточно [1, 6]. Объясняется это тем, что на подобных объектах действие анизотропии отчетливо обнаруживается лишь при интерпретации данных электрокаротажа или измерений электрических полей по скважинам, которая проводится на должном уровне редко.

Анизотропия рудоносных сред, вычисленная для слоистой модели

• Наиболее простой моделью рудовмещающей толщи является структура, состоящая из различных по электропроводности слоев. Применение такой модели оправдано из-за наличия следующих обстоятельств: гетерогенного состава смятых в пологие или крутые складки сочетаний вулканогенно-осадочных пород, ритмичной зональности рудовмещающих толщ, связанной с изменением геодинамических условий их формирования, согласной межслоевой и внутрислоевой трещиноватости, избирательного действия гидротермального метасоматоза, подчеркивающего неоднородность слоистого комплекса пород, и др. Имеется и многочислеюшй фактический материал, свидетельствующий о близости рудоносных массивов к слоистым структурам с чередованием геологических тел. отличающихся по электропроводности.

Автором составлена сводка данных по 46 рудным месторождениям, отражаклцая распределение удельного сопротивления (УС) Я рудоносных пород в пределах разбуренных разведочных блоков. В | л?

сводке представлены модальные значения и доли главнейших ^

к

геоэлектрических групп пород, однородных в статистическом отно- £ ^ шении, установленные при обработке диаграмм метода КС [5]. 5 Например, по медноколчеданному месторождению Осеннее (Ю.Урал) данные об У С в тыс.Ом м (доля в %) выглядят . 1 *5

сл^щим образом: 0.25(15), 0,58(7). 1,2(13), 3.2(28). 5(4).

10(33). Аналогичные сведения получены и по другим медноколче- анизотропии удельного сопрогив-данным, полиметаллическим, золото-сульфидным и железорудным лени я горных пород, вмещающих месторожде*шям Урала и других рудных провинций (В.Казахстан, Р>АНЫС месторождения (объем З.Узбекистан, В.Сибирь). Как показано в работе [5], разнообраз- выборки - 46 объектов) ный петрографический состав рудовмещающих горных пород мало сказывается на электрических свойствах, которые в основном зависят от характера и степени метаморфических преобразований.

Исходя из принятой слоистой структуры, для каждого из объектов сводки вычислены нормальное (рп), тангенциальное (рс) удельное сопротивление и коэффициент макроанизотропии (к) по формулам

р„= * Цр». РГ'= Е ЦрЛ Ь =

»=1 1=1

где К .и р4 - доля и УС ьй разновидности слоев. Например, для месторождения Осеннее имеем: рп= 4,6, р(= 1,04 (в тыс. Ом м), X =2,1.

Соответствующие характеристики получены и для других объектов, вошедших в сводку, а в качестве результирующего документа обобщения данных вычислений построена вариационная

173

кривая распределения А, в логарифмическом масштабе. Как видно из рис.1, она достаточно б/ соответствует логнормальному закону. Модальное значение равно 2,04, а 68% объектов вьн попадает в интервал 1,35-3,5, соответствующий двум логарифмическим стандартам.

Таким образом, подавляющее большинство рудоносных структур представляет собой анизотропные среды, и это обстоятельство должно непременно учитываться при формиро! геоэлектрических моделей рудных месторождений как при прогнозировании ожидаемых анс лий, так и при интерпретации измеренных полей. Например, из теории электрораз! известно, что на поверхности горизонтально-слоистого анизотропного полупространства от горизонтального диполя (модель аномалиеобразующего локального объекта) проявляется слабее, чем больше X , и действие анизотропии эквивалентно заглублению объекта в одно! среде в X раз.

Повышение внимания к фактору анизотропии очевидно требует и углубления представл« о том влиянии, которое оказывают типовые геологические структуры на характерис анизотропии и какие физические модели следует использовать для учета этого влияния.

Модель слоисто-неоднородной среды

200

я»

600

ю

а

20 ЭО ншсОмя

воет

Рис.2. Диаграмма КС и результаты ее осреднения по скважине 2036 Ново-Шемурского участка (а) и геоэлектрическая модель слоисто-

неолнородной структуры (б). Горные породы: А - андезиты, РД -риодациты, АД - андезито-дациты, АБ - андезит»-базальты, Б - базальты

Рассмотрим в качестве примера диаграмму КС по скважине 2036, пробуренной в пред Шемурской колчеданоносной структуры (рис.2,а). По виду эта диаграмм достаточно типи для периферийных участков рудных месторождений и хорошо отражает существование нек рых особенностей геологической структуры.

Во-первых отмечается чередование слоев относительно высокого и низкого УС с мощностью в несколько десятков метров. Эта многослойность хорошо заметна на кривой сглаживания диаграммы, и связана она с обычным для вулканических построек чередованием лав различного состава и проникновением в их толщу тел субинтрузий. Кислые породь; обычно более электропроводны, чем основные разности. Во-вторых, каждый из выделяемых мощных слоев неоднороден по электрическим свойствам, хотя считается относительно стабильным по петрографическому составу. Неоднородность слоев связана прежде всего с развитием трещин, по которым произошло преобразование пород, захватившее их значительный объем. Наиболее отчетливо заметно изменение физико-механических свойств, которое фиксируется по измерениям УС. В результате действия генетических и эпигенетических процессов и сформировалась слоисто-неоднородная среда.

Рассмотренный пример и весь опыт геофизической разведки рудных месторождений показывает, что более адекватной моделью рудовмещающей среды с локальными изменениями свойств слоев в результате диффузионного и инфильтра-уионного воздействия вулканических эксгаляции является слоисто-сгруичатая структура. Следы этого воздействия можно отождествлять по форме с системой линзующихся жил, имеющих многократные раздувы и пережимы, а также ответвления. Именно по этим участкам преобразованных пород распространяются часто элементы-индикаторы геохимических аномалий, а при определенных условиях развиваются и руды. В результате формируются хорошо известные прожилково-вкрапленные или сетчатые текстуры рудных ореолов.

Поскольку модель слоисто-сгруйчатой структуры сложна для математического описания, обратимся к се упрощенному варианту, в котором предполагается, что каждый слой насыщен макровключениями, однообразными по форме и ориемггировкс. При определенной степени насыщения можно получить систему включений, касающихся друг друга и образующих своеобразную сетку. Для формирования математической модели рудноносной структуры положим, что она состоит из двух разновидностей пластов 1 и 2 с соответствующими значениями УС. Кроме того, пусть в пределах каждого из слоев имеются включения эллипсоидальной формы с полуосями а, Ь, с, ориентированными по осям Х,У,2, соответственно, причем все включения подобны по

174

форме. Обозначим УС включений двойными индексами, отражающими их принадлежность к разновидностям пластов. Один из вариантов слоисто-неоднородной структурной модели, сформированный таким образом, показан на рис. 2,5.

Выражение УС вдоль оси X для двухкомпоненгной среды приведено в совместной статье автора с В.Е. Петряевым, представленной в этом же выпуске. Для разновидности слоев 1 следует использовать параметр ц =р,,/р, и коэффициент Мв1, а долю включений учитывать величиной V,. По аналогии могут быть записаны формулы для всех составляющих УС принятой модели.

Для вычисления интегральных значений УС структуры в целом необходимо знать доли каждой разновидности слоев: С1 и С^, причем С^Ч-С2=1. Тогда нормальное УС определяется формулой

Р.=Р.=С1ри+С2рл, •

а составляющие по осям X и У могут быть определены из уравнений

УР^/Р^/Р*

где е=Х,У.

Коэффициенты анизотропии в общем случае учитывают трехосную неоднородность структуры и равны [3]:

Х=(Р>,),ЯД=(Р,/р,)1Л.

Таким образом, располагая данными об УС и геометрических параметров элементов структуры, можно вычислить интегральные характеристики УС и коэффициенты анизотропии сложной слоисто-неоднородной-среды. Величины УС, а также доли V и С определяют по данным каротажа, а оценку формы включений, в соответствии с которой задаются коэффициентами М, делают исходя из типичной для изучаемого участка формы геологических тел.

В ряде случаев с целью упрощения модели структуры можно принять, что УС по осям X и У равны и существует подобие всех включений. Для определения коэффициентов деполяризации М полуоси включений выражают в долях самой большой из них а, что дает возможность воспользоваться подробныл\и таблицами Р.З.Муратова [2]. При определении величины р,(р2) следует ориентироваться на значения того компонента, представительность которого в смеси больше. В простейшем случае полагают. ^=^=N^=4^=0,5, однако и в этом случае следует определиться с тем, какой из компонентов является цементом, а какой отождествляется с включениями.

Применим полученные формулы для оценки анизотропии пачки неоднородных пластов, пересеченных скважиной 2036 (см. рис.2,а), ориентируясь на простейший вариант модели. С учетом геологических данных примем для включений соотношения полуосей: а=Ь=Зс, что позволяет принять их коэффициенты деполяризации равными: М4=М^=0,1В, Мс=0,64. Согласно диаграмме КС имеем (в тыс Ом.м): р.= 12, р,,=2, р:=30, рц=10. Проводя вычисления по формуле (2-4), в итоге получим: рв=12,4, р,=6,9, Х=1,34.

Положим теперь, что в рассматриваемом примере в пластах с относительно повышенной электропроводностью (разновидность 1) включения представляют реликты неизмененных пород, а преобразованные участки с низкими значениями УС образуют сетчатую структуру, т.е. являются связующим материалом. Тогда, принимая в тыс Ом.м р1=2, а ри=12, получим несколько иные характеристики структуры: рв=11,6, р=2,24 и А=2,27.

Как видим, изменение представления о роли элементов даже для одной разновидности пластов сильно повлияло нз величины продольного УС и коэффициент анизотропии. В данном случае принятие второго варианта модели маловероятно, но на этом примере наглядно проявляется важность располагать точными сведениями о структуре пластоз с включениями при оценке электрических свойств неоднородной среды. Необходимую информацию для этого может дать введение в комплекс исследований скважин измерений с потенциал-зондами большой длины (4-8 м).

Продолжим вычисления и будем теперь опираться на модель слоистой структуры, состоящей из четырех разновидностей однородных и равнопредставленных пластов. Применяя формулы (1), получим: ра=13,5 и р=5,7, а Х=1,54. Данные характеристики занимают промежуточное положение между ранее вычисленными значениями электрических свойств структуры для двух вариантов неоднородно-слоистой среды. Очевидно, что к применению слоистой модели следует прибегать в тех случаях, когда представления о строении изучаемого блока пород ограничены, так как ошибки в оценке параметров среды в этом случае будут сравнительно небольшими. Однако

175

в этом случае есть смысл произвести вычисления для слоисто-неоднородных моделей, получить некоторые предельные величины.

Для рассматриваемой скважины имелась возможность определить интегральные характер тики электрических свойст» среды путем обработки и интерпретации графиков относительн потенциала, измеренных для нескольких положений точечного источника на дневной поверхн ти. Полученная с применением способа деформации анизотропного полупространства велич Х=1.42 позволяет считать, что по структуре среда близка к слоистой, но анизотропия для н несколько ниже, чем вытекает из представления о плоско-параллельном залегании сл Напомним, что для такой модели Х= 1,54. Вероятно, слои имеют сужения, а местами и переж и проплаегки с повышенной электропроводностью могут рассматриваться как частично сооо ющиеся включения. Такая структура преобразования горных пород не характерна для 6л флангов месторождения, и поэтому можно заключить, что исследуемая скважина располож достаточно далеко от мест интенсивного минералообразования руд. Действительно, расстояние от этой скважины до Ново-Шемурского месторождения более 1 км.

Обратимся к рис.3, на котором представлен геоэлектрический разрез Ново-Шемурск месторождения, построенный по данным электрокаротажа. На его примере хорошо видно, насколько неоднородной по электрическим свойствам является рудовмещающая структура. Для нее характерны и слоистость пород, и насыщенность ориентированными включениями практи-

. Л2СГ

и ОО > .с

♦» <г> н

N <

м

м 1

ки с. 3. Геоэлектрический разрез по разведочно-* му профилю 92 Ново-Шемурского медноколче-дан но го месторождения, построенный по данным электро каротажа. Геоэлектричесхие группы пород с удельным сопротивлением в тыс Ом.м: 1 . 90 2 - 26, 3  8. 4  2.8

чески всего массива, поэтому неудивительно, что рудовмещающи й комплекс пород отличается высокой степенью анизотропии. Например, для скважины 2035, непосредственно пересекшей рудоносную толщу ниже уровня рудных тел по падению (на рис.3 ей соответствует скважина 2019), по данным обработки диаграмм КС получены следующие значения А.. Для слоистой модели Х=2.9, для модели слоисто-неоднородной среды с изолированными низкоомными включениями X—2,7, а в варианте с низкоомным связующим материалом Х=3,2.

Подобные определения коэффициента анизотропии выполнены по серии скважин в окрестностях рассматриваемого месторождения. Наиболее отчетливо отмечено нарастание этого параметра с приближением к оруденению в пределах толщи, условно относимой к продуктивной (андезито-дацитовые вулканиты, включающие субинтрузии липарито-дацитов и ореолы минерализации). Очевидно, что определения параметра анизотропии по .материалам каротажа могут дать ценную информацию об интенсивности процессов преобразования горных пород, в том числе и гидротермальными растворами, позволяющую более надежно локализовать центры рудообра-зования. Целесообразно также разрабатывать и применять методики оценки степени анизотропии с помощью скважинной электроразведки.

Влияние анизотропии на данные электроразведки

Учет фактора анизотропии необходим при решениях прямой и обратной задачи для наземной электроразведки. Рассмотрим для примера результаты расчета аномалий в методе срединного градиента при решении прямой поисковой задачи, когда локальный объект типа рудной залежи расположен в анизотропной наклонно-слоистой среде. В вычислениях будем опираться на простое решение для шара, позволяющее достаточно точно учесть влияние дневной поверхности (4). Исходные условия предполагают, что заданы параметры установки и вмещаю-

176

/

К анизотропной среды, а также тело в форме сфероида. Применим способ деформации шизотропной среды, при реализации которого все элементы геологической структуры расгяги-I «нотся вкрест простирания в X раз, и в преобразованном . #/

I золупространстве эффект анизотропии пропадает. При * л

[ згом изменяются размеры и форма установки и неодно-I тодностей. Естественно, что исходный сфероид должен I быть анизотропным и отношение его полуосей соответствует величине X. После вычисления характеристик поля ¿ля изотропной структуры они переносятся в соответствующие точки исходной анизотропной среды. Полученные таким путем графики КС и кажущейся поляризуемости являются наглядным примером влияния анизотропии ¡(рис.4).

Известно, что в изотропной среде экстремальные значения аномалий этих параметров соответствуют приподнятой части объекта и располагаются между проекциями на профиль наблюдений центра и верхней кромки

!тела. Кроме того, в сторону падения залежи аномалии затухают медленнее, чем в сторону восстания. В анизотропной же среде отмечается смещение экстремумов по восстанию пород, и может оказаться (как это и произошло для моделируемых условий), что наибольшей интенсивности аномалии достигают за пределами проекции тела. Графики исследуемых параметров принимают вид, по которому можно сделать ошибочный вывод о направлении падения объекта.

Выводы

Таким образом, анизотропия электропроводности характерна для всех рудовмещающих структур и для подавляющего числа изученных этих объектов коэффициент анизотропии находится в пределах 1,35-3,5. Высокая степень анизотропии горных пород, окружающих рудные залежи, является важным поисковым признаком, и поэтому требуется изучать распределение этого параметра в пространстве и использовать его наряду с другими характеристиками, отражающими интенсивность проявления рудообразующих процессов. При этом могут быть использованы как упрощенная модель слоистой структуры, так и предложенная в работе более приближенная к реальности модель слоисто-неоднородной среды, учитывающей наличие в каждом слое системы включений.

Приведенный и многие другие примеры решения прямой задачи электроразведки убедительно свидетельствуют о необходимости обстоятельного рассмотрения типовых аномалий в различных методах для условий анизотропной вмещающей среды и разработке на этой основе рекомендаций по интерпретации возмущающих полей.

/

//г ' / /

Ри:.4. Графики кажущихся удельного

сопротивления и поляризуемости метода срединного градиента, рассчитанные над сжатым сфероидом, погруженным в наклонно-слоистую анизотропную среду. Параметры срелы и тела: р =1, п1=0, р,=0,1, П=50%

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Геофизические методы разведки рудных месторождений/В.В. Бродовой, В.Д. Борцов, Л.Е. Подгорная и др.-М: Недра, 1990. - 296 с.

2. Муратов Р.З. Потенциалы эллипсоида.-М.: Атомизлат, 1978 - 144 с.

3. Редозубов A.A. Об электрическомсопротивлении порол, вмеирющи* колчеданные месторождения Урала//Метолика поисков и разведки глубокозалегающих рудных месторождений: Сб. ст. Вып. 128.-Свердловос Изд-СГИ, 1975. - С.53-61.

4. Сапожников В.М. Интерпретационные модели аномалий, создаваемых неглубокопогруженными телами простой формы, при квазиодноролном электрическом возбуждающем поле//Тезисы Российской конференции "Теория и практика интерпретации данных электрамашитных геофизических полей".-Екатеринбург Изд. Ин-та геофизики УрО РАН, 1996. - С. 27-28.

5. Сапож1гиков В.М. Использование диаграмм каротажа для петрофизического картирования рудовмещающих горных пород//Методика поисков и разведки глубокозалегающих рудных метсорожле-ний: Межвуз. науч. тсмат. сб.-Свердловек: Изд. УПИ, 1977. - С 11-19.

177

6. Электроразведка рудных полей методом заряда/М.В. Семенов, В.М. Сапожников, М.М. Ю.В. Голиков.-Л.: Недра, 1984. - 216 с.

УДК. 550.43

А.В.Кузин

ИНДИКАЦИЯ ВЕРХНЕ-АОБВИНСКОГО ЦЕНТРА АНДЕЗИТОВОГО МАГМАТИЗМА В ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЯХ

2 км

В преддверии геологического доизучения площадей рудных районов Среднего У] масштабе 1:200000 (ГДП-200) автор хотел бы привлечь внимание коллег-исследователе*]

возможностям использования физических полей выделения вулкано-плутонических ассоциаций струкция по проведению геологичеа картирования... [ 1 ] не включает составление вулканологических схем в разряд обязательной отче информации. Автору представляется, что на Урале. ; подавляющее большинство рудных месторо; контролируется распространением вулканогенных маций, выделение рудоконтролирую:_( вулкано-плутонических центров (ВГ1Ц), вулкано-г тонических ассоциаций (ВПА) должно выс1 одним из главных методических приемов при лении раздела отчета «Закономерности размещу полезных ископаемых и оценка перспектив рай< [3]. Именно выяснение связи рудных месторожде> с ВПА, ВПЦ позволит использовать такие мох принципы исследований, как принцип аналогии принцип актуализма. Они требуют и дают исследова-1 телю (и исследованию) столь необходимую широту глубину взгляда на решаемую проблему.

На примере анализа геолого-геофизической информации на Верхне-Лобвинском участке рассмотрим существенное различие оценки перспектив участка в случае использования палеовулканологических критериев прогнозирования и без них.

Участок располагается на Северном Урале, в 35 км к югу от г. Краснотурьинска, занимает площадь топопланшетз 0-41-13-В. Кратко опишем геологическое строение участка. Геологические структуры и комплексы пород участка формировались в процессе эволюции базальтоидного магматизма северной части Тагильской горно-складчатой системы. В лландовери-венлокское время, при функционировании вулканических аппаратов трещинного и центрального типов, сформировались толщи лава-пирокластических пород базальт-риолитовой колчеданоносной формации (2]. Плутонические породы представлены Верхне-Лобвинским интрузивом плагиогранитов размером в плане 7 х 1 км (рис.1). В пржидолий-жединское время породы колчеданоносной формации были перекрыты вулканогенными и вулканоплшо-осадочными образованиями трахиандезитовой формации. В средне-позднедевонское время толщи базальт-риолитовой и трахиандезитовой формаций были прорваны мелкими интрузивами диоритов. Самый крупный из них носит название Верхне-

178

Рис. 1. Схема геологического строения Верхне-Лобвинского участка (по .материалам Н .С. Лисова, 1978 ): 1- вулканиты базальт-риолитовой формации, 2-В.Лобвинский плагиогранитовый массив, 3-вулканиты трахиандезитовой формации, 4-диориты, 5- большой эллипс - контур положительной аномалии силы тяжести; малый эллипс - контур наиболее возвышенного и расчлененного рельефа дневной поверхности