Для эффективного и безопасного ведения горных работ при разработке алмазоносных россыпных месторождений криолитозоны необходима точная и надежная информация о строении и состоянии массива горных пород разрабатываемых месторождений. Россыпные месторождения алмазов Якутии разрабатываются открытым способом, при этом для подготовки россыпного месторождения к разработке с него предварительно удаляют пустые породы (торфа), покрывающие пласт полезного ископаемого (пески). Учитывая особенности залегания россыпных месторождений в условиях криолитозоны, возникает необходимость разупрочнения многолетнемёрзлых пород, с целью приведения их в состояние, при котором возможна их разработка. Мощность торфов на россыпях бывает различной и колеблется в пределах от десятков сантиметров до десятков метров. В зависимости от мощности и объемов торфов применяют различные способы рыхления горных пород, например бульдозерный, экскаваторный или буровзрывной. Однако практика добычных работ показывает, что крупные алмазодобывающие предприятия в основном используют буровзрывной способ, так как он наиболее эффективен в условиях короткого полевого сезона.
Буровзрывные работы (БВР) производятся в условиях, когда породные массивы при влиянии отрицательной температуры превращаются в прочно армированные монолиты за счет заполнения пор и трещин льдом [1, 2]. Для эффективного и оперативного выявления трещин в четвертичных отложениях криолитозоны требуется выбрать наиболее оптимальный метод исследования, для достижения этой цели необходимо провести аналитический обзор геологических и геофизических методов изучения строения массива горных пород.
Трещины рыхлых отложений образуются в результате такого криогенного процесса, как морозобойное растрескивание (процесс деформации мерзлых пород в изменяющемся градиентном температурном поле) [3]. Трещины возникают на поверхности, образуя полигоны, и в дальнейшем проникают вглубь массива горных пород. В условиях Крайнего Севера, где охлаждение массива горных пород зимой происходит резко и глубоко, возникают частые морозобойные трещины, расположенные на расстоянии от 1–1,5 до 100–200 м, а их форма в зависимости от степени однородности пород по составу и льдистости изменяется от правильной тетрагональной до пяти-, шестиугольной часто неправильной формы (рис. 1). При сезонном промерзании пород их глубина ограничивается мощностью промерзшего слоя, а в криолитозоне трещина может проникать на глубину 3–4 м и более за один зимний сезон. Глубина проникновения трещины пропорциональна температуре многолетнемёрзлых пород, т.е. чем ниже, тем глубже. Ширина трещин на поверхности массива горных пород может достигать 0,05–0,1 м.
Рис. 1. Морозобойные полигоны с системой повторно-жильных льдов на пойменной террасе р. Воллосовича (остров Котельный)
Морозобойное растрескивание, как правило, сопровождается заполнением трещин водой (а), воздухом (б), песком (в), обломочными породами (г), торфом и образованием полигонально-жильных ледяных структур (д), которые подразделяются на четыре типа: повторно-жильные льды, изначально-грунтовые жилы, первично песчаные жилы и псевдоморфозы по повторно-жильным льдам (рис. 2) [4].
Рис. 2. Модели разрезов, образованных в результате морозобойного растрескивания массива горных пород криолитозоны
Исследование трещин мёрзлых горных пород проводится в рамках детальных геолого-геофизических изысканий. При изучении трещин основное внимание уделяется [4-6]:
– пространственной ориентировке трещин и системам трещин, установлению главного или главных направлений развития трещин;
– морфологии трещин и их соотношению со слоями пород, складками, разломами с целью восстановления генетического типа и вида трещин;
– определению интенсивности трещиноватости пород с целью количественной оценки степени раздробленности пород, выделению участков, различающихся по интенсивности трещиноватости;
– определению длины, ширины (раскрытия) трещин.
Трещины изучаются следующими методами: 1) геологическими, 2) с помощью скважин, 3) зарисовок и фотографирования, 4) геофизическими. Геологические методы изучения трещиноватости требуют наблюдений на обнаженной поверхности пород. На территории Анабарского района (Якутия) геологические обнажения (рис. 3), выходы коренных пород встречаются крайне редко, в основном в руслах рек и ручьев, в остальном рельеф местности пологий, местами ровный, что не позволяет проводить изучение трещиноватости массива горных пород по традиционным методикам.
Рис. 3. Геологические обнажения по руслу р. Анабар
Метод бурения скважин
Проведение исследований трещины в массиве горных пород по данным бурения скважин обладает рядом особенностей. Оно может быть произведено с помощью обзора или фотографирования стенок скважины либо путем описания керна. Сравнивая керн и стенки скважин, можно отметить, что в керне наблюдаются как естественные, так и искусственные трещины. По трещинам керн разваливается, вследствие чего ширину трещин по керну определить совершенно невозможно, отчего неориентированном в керне невозможно определить азимут падения трещин. В противоположность этому в стенке скважины трещины сохраняют все параметры неискаженными или малоискаженными, но они труднодоступны, съемку стенок скважин можно провести лишь с применением сложных оптических приборов. Прибор позволяет фиксировать на стенках скважины следы трещин, определять местоположение трещин, ширину раскрытия и расстояние между ними. Наблюдение можно проводить непосредственно во взрывных скважинах до глубины 15–20 м. Из-за большой трудоемкости выполнения наблюдений и обработки результатов этот способ применяется как контрольный с другим способом оценки трещиноватости.
Исследования трещиноватости горных пород, извлеченных из скважины, не дают полной информации, поскольку, как правило, наиболее крупные и эффективные для фильтрации трещины не выявляются, так как по ним керн раскалывается. Из зоны повышенной трещиноватости извлекают наиболее плотные обломки пород. В связи с этим, естественно, возникает необходимость непосредственного наблюдения горных пород в скважинах, что осуществляется путем спуска в скважину телевизионного или фотоустройства. Эти оптические методы помогают получить качественную характеристику трещиноватости, определить, как и в каком состоянии залегают породы, установить характер трещиноватости в различных интервалах скважин, т.е. проследить ее изменчивость.
Метод зарисовок и фотографирования [7] применяется в основном для изучения структуры массива коренных пород и состояния уступов и бортов карьера. Метод является ручным и трудоёмким, а её конечный результат является субъективностью и неточностью. Альтернативой зарисовки является масштабированный фотоснимок, до недавнего времени его применение для геологического картирования карьеров было практически невозможно из-за отсутствия соответствующего оборудования. В настоящее время с помощью цифровых фотоаппаратов с высокой разрешающей способностью и высокоточных фотообъективов можно получить качественные снимки при любой погоде и даже с удаленного расстояния (до 2 км), кроме того, значительно снижается время их обработки. Исходя из задач геолого-структурного картирования следует выделить три вида фотодокументации: одного уступа по трассе геологического маршрута, группы уступов и получение обзорных фотопанорам бортов карьера. В результате фотоснимков полученный масштабированный фотоматериал разрешит установить позицию и тип деформации уступов карьера, которых недоступных для непосредственного исследования, обнаружить проблемные с точки зрения устойчивости уступов участки прибортовой зоны карьера, дать прогноз их развития на глубину.
В настоящее время для выявления трещин в массиве горных пород применяются разные геофизические методы: сейсмоакустический, оптический, плотностной гамма-гамма-каротаж, электрометрический и георадиолокационный.
Связь между трещиноватостью горных пород и акустическим показателем
|
Категория трещиноватости пород |
I |
II |
III |
IV |
V |
|
Акустический показатель трещиноватости |
менее 0,1 |
0,1–0,25 |
0,25–0,4 |
0,4–0,6 |
0,6–1,0 |
Сейсмоакустический метод
Из геофизических методов для оценки трещиноватости и степени нарушенности массива горных пород, сейсмоакустический метод применяется в основном для исследования глубоко залегающих трещин. Методика определения трещиноватости этим способом основана на сопоставлении скоростей продольных волн в зоне трещиноватых горных пород и находящихся вне ее пределов. Количественно степень трещиноватости пород оценивается акустическим показателем трещиноватости. Специально проведенными исследованиями на ряде карьеров в породах с различной трещиноватостью установлена зависимость [8, 9] между категорией пород по классификации Межведомственной комиссии по взрывному делу и акустическим показателем трещиноватости (таблица). Для определения скорости продольной волны в нарушенном массиве применяется метод продольного профилирования, который позволяет проводить исследования на расчищенных под бурение рабочих участках.
По результатам профилирования строится система встречно-нагоняющих годографов, по которым определяются: 1) интервальные скорости упругих волн; 2) мощность отдельных слоев, отличавшихся степенью трещиноватости; 3) акустические показатели трещиноватости по каждому слою; 4) зоны нарушений и отдельные раскрытые трещины. Результаты исследований наносятся на план участка, на котором приводится краткая геологическая характеристика пород, сейсмический разрез и указывается категория пород по крепости и трещиноватости. Однако положительные результаты можно получить только при горизонтальном или близко к горизонтальному залеганию слоев и если наблюдается возрастание скоростей упругих волн с глубиной от одного слоя к другому. При обратной картине методом преломленных волн определить степень трещиноватости нижележащих слоев породного массива не представляется возможным.
В этом случае успешно применяются сейсмоакустические исследования в скважинах (метод прозвучивания и ультразвуковой каротаж «УЗК») [10, 11]. Исследования проводятся с помощью двух скважин, в одной размещается источник упругих колебаний, в другой на такой же глубине приемник, при этом расстояние между ними принимается от 5–10 до 20 и более метров. Методика определения трещиноватости горных пород методом УЗК приводится в работе [11]. На каждой стоянке зонда в скважине производятся наблюдения по встречной системе, когда один из крайних датчиков поочередно включается в качестве излучателя упругих импульсов. При перемещении зонда по скважине с шагом 1 м по всей ее длине получается непрерывная система встречных годографов, на которых определяется скорость упругих волн в массиве. Результаты исследований методом УЗК наносятся на разрез скважины и служат для оценки степени трещиноватости и особенностей строения породного массива.
Электроразведочные методы
Для изучения трещин на малых глубинах (до 50 м) возможно применение следующих методов электроразведки: дипольного электромагнитного профилирования (ДЭМП), вертикального электрического зондирования (ВЭЗ), зондирований методом переходных процессов (ЗМПП), электропрофилирования (ЭП) и георадиолокации (ГРЛ) [12]. Каждый метод применяется для изучения трещин разными материалами заполнителя, в соответствии создаваемым его источником (рамка, петля, заряд, заземлённый кабель) и перемещением приёмного устройства (рамка, линия MN) относительно источника поля [13]. Метод ВЭЗ применяется для изучения горизонтально-слоистых сред с небольшими углами наклона границ (до 15–20 градусов). В частности, для поиска локальных объектов (вертикальных) принято применять метод ЭП. При благоприятных условиях обводнённые трещины выделяются пониженным сопротивлением, а «сухая» трещина (полости и трещины заполнены воздухом) – повышенным, которые легко оконтуриваются методом ДЭМП.
Рис. 4. Результаты количественной интерпретации ДЭМП по ПР-М1 (уч. 405, АО «Алмазы Анабара»)
Глубина трещины оценивается многоразносным профилированием или методом ВЭЗ, но кривые зондирования в этом случае могут быть существенно искажены [14]. Измерения методом ЭП производятся с такой же электроразведочной установкой, как в методе ВЭЗ, но только при одном-двух значениях разносов АВ. Установка профилирования перемещается по профилю наблюдений с шагом от 5–10 до 50–100 м, в зависимости от размеров объектов поиска и требуемой детальности съемки. Однако при выполнении работ в области распространения многолетнемёрзлых горных пород существуют значительные трудности с заземлением электродов (для методов ДЭМП, ВЭЗ, ЭП) и интерпретацией полученных данных, так как удельное электрическое сопротивление (УЭС) мёрзлых суглинков и супесей с массивной криотекстурой составляет 3*102 – 3*103 Ом*м, а у подземного льда 104–105 Ом*м [15] (рис. 4).
Указанные значения УЭС не являются контрастными и выявление подземного льда в многолетнемёрзлых горных породах методами ВЭЗ и ЭП не представляется возможным [16]. Толщи мёрзлых горных пород представляют собой экранирующие горизонты для зондирования методом переходных процессов (ЗМПП), а низкая контрастность электрических свойств льда, рыхлых отложений и скальных коренных пород не позволяет уверенно их дифференцировать. Следовательно, выявление трещины, в частности заполненной льдом, в массиве мёрзлых горных пород с помощью большинства электроразведочных методов сильно затруднено, в условиях современного уровня развития их методического и аппаратного обеспечения.
В настоящее время метод георадиолокации применяется для изучения в верхней части разреза (до 30 м). Принцип действия подповерхностного радиолокационного зондирования (в общепринятой терминологии – георадара) основан на излучении сверхширокополосных (наносекундных) импульсов метрового и дециметрового диапазона электромагнитных волн и приеме сигналов, отраженных от границ раздела слоев зондируемой среды, имеющих различную диэлектрическую проницаемость (ε') [17]. Для мёрзлых суглинков и супесей диэлектрическая проницаемость не превышает (ε = 6–9), для льда составляет (ε = 3,2), следовательно, отражение между этими средами будет достаточно контрастной.
В настоящее время большинство георадаров работают в диапазоне от 50 МГц до 2000 МГц, в зависимости от геометрических размеров и положение по глубине залегания трещин в рыхлых отложениях криолитозоны, выбираются соответствующие типы антенных блоков.
Исходя из априорных данных исследуемого участка проводится профилирование или площадная съемка по ранее намеченным профилям. По результатам профилирования получается волновая картина (радарограмма), по которой определяются: ширина трещины, материал заполнителя. Результаты исследований наносятся на план участка, на котором приводится геологический разрез с литологической колонкой опорных скважин, георадиолокационный разрез, и указываются трещины в четвертичных отложениях криолитозоны. Однако положительный результат можно получить, выполняя георадиолокационные работы при полном промерзании сезонно-талого слоя, чтобы талые и водонасыщенные горные породы не создавали дополнительные помехи и шумы, а также при правильном выборе антенного блока в зависимости от ширины и глубины залегания трещины.
Анализ ранее проведенных георадиолокационных исследований показывает, что в основном работы проводились для изучения тектонических трещин [18–20], где критерием выявления являются: разрыв осей синфазности [21–23], их смещения или резкое изменение угла наклона [24–26], образование дифрагированных волн в плоскости сместителя, уменьшение амплитуды и т.д. [27, 28]. Публикации по поиску трещин в мерзлых рыхлых отложениях, и в частности заполненных льдом, вовсе не встречаются. Однако имеются успешные георадиолокационные исследования полигональных, повторно-жильных и подземных льдов [29, 30]. Следовательно, для изучения трещиноватости четвертичных отложений криолитозоны с целью повышения эффективности проведения буровзрывных работ необходимо разработать соответствующую методику георадиолокационных исследований.
Заключение
В обзоре рассмотрены основные методы исследования трещин в четвертичных отложениях криолитозоны на территории Анабарского района Республики Саха (Якутия), где традиционными геологическими методами невозможно выявить зоны повышенной трещиноватости из-за отсутствия обнажений и выходов коренных пород. Для изучения на малых глубинах (до 50 м) возможно использование электроразведочных методов разных модификаций, для глубоко залегающих трещин применяется сейсмоакустический метод. Выбор конкретной модификации производится по особенностям электрофизических свойств заполнителя трещины, глубине и направлению залегания. Однако показано, что существуют сложности при выделении трещин, заполненных льдом в массиве многолетнемерзлых горных пород методами ВЭЗ и ЭП, так как УЭС льда и мерзлых пород в достаточной степени не являются контрастными. Аналитический обзор показал, что наиболее перспективным геофизическим методом для этих целей является метод георадиолокации, который является достаточно точным, хотя и не позволяет в некоторых случаях однозначно определить наличие трещин в многолетнемерзлых горных породах. Это вызвано тем, что множество других явлений, например неоднородности, валунистость и т.д., дают отражение георадиолокационных сигналов, сравнимых с отражением от трещин. Таким образом, для эффективного изучения трещин в четвертичных отложениях криолитозоны с помощью метода георадиолокации, необходимо разработать соответствующее методическое обеспечение обработки и интерпретации георадиолокационных данных, основанное на результатах современных исследований [31].
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ № 18-45-140061 р_а.