Эффективность освоения месторождений твердых полезных ископаемых криолитозоны во многом зависит от совершенствования технологических приемов эксплуатационной разведки, которые были бы адаптированы к специфическим горно-геологическим особенностям их строения и состояния, а также к осложнениям в условиях ведущихся горных работ. Наиболее прогрессивным методом для решения подобных задач является метод георадиолокации, позволяющий дистанционно и оперативно осуществлять исследования массива горных пород [1–3]. Однако очевидно, что получение геофизической информации методикой непрерывного профилирования на действующих месторождениях затруднено, а местами невозможно [4]. Это связано с наличием естественных и искусственных преград на пути перемещения георадара: изрезанность рельефа, завалы валунов, водоемы и болота, инженерно-технические сооружения, горная техника и т.п. Неравномерное перемещение георадара между отвалами или вблизи горной техники приводит к искажению данных непрерывной съемки. Кроме этого, на неровных участках и в местах скопления валунов не обеспечивается оптимальный режим излучения из-за потери контакта антенн с поверхностью. Недостаток информации может привести к искажению трехмерных построений при георадиолокационном картировании [5]. Повышение качества полевых данных может быть достигнуто разработкой новых способов регистрации сигналов георадиолокации [6].
Таким образом, исследования, направленные на разработку более совершенного методического подхода по изучению строения и свойств горных пород в межпрофильном пространстве и получению данных георадиолокации в условиях пересеченной и ограниченной местности, позволяющего расширить область применения и повысить информативность георадиолокационного картирования массива горных пород россыпных месторождений криолитозоны, являются актуальными [7].
Материалы и методы исследования
Возможности метода георадиолокации в условиях пересеченной и ограниченной местности при исследовании строения грунтов и горных пород показаны в работах исследователей, занимающихся радиолокацией и использующих переориентацию антенн как способ получения данных из одного местоположения в стесненных условиях [8–10]. Однако применяемые устройства и способы не лишены недостатков, существенным из которых является то, что зондирование осуществляется в отрыве от поверхности исследуемых пород и грунтов. В результате часть волн отражается от поверхности и рассеивается, при этом возможно появление сигналов-помех от окружающих объектов. Для устранения вышеуказанных недостатков автором предлагается методика углового георадиолокационного сканирования (УГС) для изучения строения и состояния массивов горных пород из одного местоположения в контакте с исследуемой поверхностью [11]. В случае ограниченной и пересеченной местности комплексное использование непрерывного профилирования и методики УГС позволит существенно повысить информативность данных площадных измерений при изучении строения и состояния массива горных пород на действующих месторождениях. Для этого полевые исследования проводятся по равномерной сети параллельных профилей, а в недоступных для прохождения местах измерения дополняются локальными зондированиями в опорных точках по методике углового георадиолокационного сканирования (рис. 1). Данные георадиолокации по профилям и в опорных точках синхронизируются с координатами системой спутникового позиционирования по площади картирования. Количество и расположение опорных точек определяется поставленной задачей и условиями местности. На приведенной для примера схеме на рис. 1 предложены три опорные точки. Точка УГС-1 – расположена на окраине участка, между объектами, препятствующими прохождению непрерывного георадиолокационного профиля. Другие опорные точки (УГС-2 и УГС-3) расположены перед объектами инженерно-технической инфраструктуры, до которых невозможно выполнить профилирование по причине изрезанности рельефа. В результате исследования в опорных точках должны дать более точную информацию о форме и условиях залегания искомого геологического объекта. Его границы подтверждаются по возможности данными бурения.
Исследования в опорных точках по методике углового георадиолокационного сканирования выполняются особым способом с использованием доработанного антенного блока (АБ) георадара (рис. 2) [12, 13]. Для этого в массиве горных пород подготавливают углубление полуцилиндрической формы и помещают в него антенный блок георадара (рис. 2, а). Изъятым грунтом по бокам углубления формируется насыпь с уклоном, соответствующим предельным углам сканирования. Перед каждым зондированием производится корректировка положения АБ по стрелке-отвесу и шкале, подсыпается или изымается грунт для достижения максимально возможного контакта АБ с поверхностью (рис. 2, б). Изменения углов происходят в секторе 70° с шагом 5°. В каждом из 15 угловых положений записывается файл длиной 100 трасс зондирований. Такое накопление трасс сигналов делается из соображений улучшения визуального восприятия радарограммы оператором при обработке и интерпретации, так как одной или единичных трасс для этого недостаточно. По завершении сканирования из всех файлов собирается синтезированная радарограмма общей длиной 1500 трасс.
Волновая картина УГС будет более приближена к картине, получаемой профилированием, чем стационарным зондированием (непрерывным накоплением трасс на одном месте), так как происходит пространственное изменение положения антенного блока и условия зондирований изменяются.
Рис. 1. Схема георадиолокационного картирования структурных неоднородностей массивов многолетнемёрзлых горных пород с использованием УГС в опорных точках в условиях пересеченной и ограниченной местности, где профилирование невозможно
а) б)
Рис. 2. Угловое георадиолокационное сканирование: а) схема выполнения углового георадиолокационного сканирования; б) доработанный антенный блок георадара «ОКО-2»
Для примера на рис. 3 представлены геологические разрезы и схемы формирования волновых картин в однородных слоистых средах и с присутствием локального объекта. Приемник и передатчик при угловом сканировании совмещены, поэтому в волновых схемах приняты как одна точка, из которой во все стороны распространяется сферическая волна. Каждая точка поверхности, на которую падает волна, становится источником сферических волн. Их регистрация в различных угловых положениях обеспечивается широкой диаграммой направленности экранированных антенн типа «бабочка» (рис. 2, а) [6, 14]. Построение отраженных волн в схемах выполнено с учетом закона Снеллиуса (угол падения равен углу отражения) и принципа Ферма (распространение волны происходит по кратчайшему пути), а углы преломления при переходе через границу не учитываются для упрощения построений. В схемах маленькими стрелками указаны направления падающей и отраженной волны по нормали к отражающей поверхности, так как эти волны будут достигать приемника, а остальные рассеются и поэтому не рассматриваются.
Как видно на рис. 3, а, горизонтальная граница при двухслойном разрезе формирует волновую картину, состоящую из слегка изогнутой оси синфазности отраженных сигналов. Ее искажение на временном разрезе составит не более ∆t (для антенны 250 МГц георадара «ОКО-2», ∆t составит не более 2,3 нс) и фактически связано с формой углубления, где выполняют угловое сканирование (рис. 1). Это практически незаметно на радарограмме для горизонтальных геологических границ в естественных условиях с неидеально ровными контактными поверхностями горных пород и грунтов.
В случае, когда граница между слоями горных пород наклонная, на радарограмме формируется схожая по направлению наклона ось синфазности, но изогнутая в вершине, напоминающая годограф, вершина которого смещена в сторону подъема границы (рис. 3, б).
Формирование волновой картины от локального объекта при угловом сканировании схоже с радарограммой профилирования (рис. 3, в). Дифрагированными волнами образуется ось синфазности, схожая с гиперболой, что позволяет различить на радарограмме волновые образы локальных объектов и протяженных отражающих границ между слоями горных пород. Возможно, это является главным преимуществом УГС перед стационарным зондированием, с помощью которого также можно получать локальные данные. Однако во всех трех случаях, приведенных выше (рис. 3), данные, получаемые стационарным зондированием, сформируют волновую картину из горизонтальных осей синфазности и потому будут недоступны для некоторых критериев оценки, например для определения конфигурации осей синфазности отраженных волн (параллельные, наклонные, волны дифракции), фазы и времени регистрации.
Рис. 3. Схемы формирования волновой картины для различных геологических разрезов при угловом георадиолокационном сканировании: а) горизонтально-слоистый разрез, б) наклонно-слоистый разрез, в) однородный разрез с включением локального объекта
Физическое моделирование в емкости с песком показало, что при угловом сканировании происходит накопление отраженных сигналов от исследуемой горизонтальной границы [11]. В результате накопления данных зондированиями из одного местоположения интенсивность регулярных сигналов на радарограмме возрастает, а непостоянные сигналы-помехи распределяются по временной области, теряя свою интенсивность, за счет этого повышается точность и достоверность исследований.
На данный момент возможностей стандартного программного обеспечения GeoScan32, входящего в комплект поставки георадара «ОКО-2», достаточно для обработки результатов углового сканирования. Первичная обработка включает сборку радарограмм углового сканирования из отдельных файлов и выбор временного окна обработки. Далее осуществляется обработка радарограммы с применением различных процедур (фильтрация, коррекция затухания, регулировка контрастности радарограмм и т.д.) с целью выделения осей синфазности от отражающей границы.
Результаты исследования и их обсуждение
Описанная методика изучения горного массива в условиях ограниченной и пересеченной местности методом георадиолокации успешно апробирована на месторождении россыпного золота р. Аллах-Юнь. Для выявления водоносного горизонта и кровли коренных пород георадиолокационные исследования проведены георадаром «ОКО-2» с центральной частотой антенного блока 250 МГц. На участке, подготавливаемом к дражной отработке, получены данные профилирования, стационарного зондирования и углового георадиолокационного сканирования. При интерпретации использована информация по ближайшему шурфу (шурф № 9, шурфовая линия № 46), расположенному на удалении 0,5 км (рис. 4).
По данным профилирования на глубине около 2 м выявлен водоносный горизонт в толще мерзлых песчано-гравийно-галечных отложений. На радарограмме он представлен протяженной осью синфазности (линия, соединяющая импульсы волн с одной фазой), образованной высокоамплитудными сигналами от верхней границы водоносного горизонта.
По аналогичным признакам водоносный горизонт прослеживается и на радарограмме стационарного зондирования. При угловом сканировании в результате изменения пространственного положения антенного блока, сигналы-помехи (волны дифракции от валунов, гальки и прочего обломочного материала) разошлись по времени регистрации, благодаря чему появилась возможность выделить протяженные оси синфазности сигналов, соответствующих верхней и нижней границе водоносного горизонта, а также кровлю коренных пород.
Рис. 4. Результат применения разработанной методики УГС для локального сбора данных георадиолокации на подготавливаемом к дражной отработке участке
Результаты апробации показали, что угловым георадиолокационным сканированием, в отличие от стационарного зондирования, получают радарограмму с набором уникальных трасс сигналов, записанных под различными углами к отражающей границе из одного местоположения. При этом на радарограмме формируется волновая картина, позволяющая выделить оси синфазности сигналов от искомых объектов и оценить фазу и время регистрации сигнала для достоверной интерпретации данных по различным критериям выявления геокриологических структур. Локальность сбора георадиолокационных данных по методике УГС позволяет получить достаточную информацию о поисковых объектах в межпрофильном пространстве и на участках, где профилирование невозможно, что обеспечивает в комплексе с данными георадиолокационного профилирования эффективное изучение особенностей строения и состояния массива горных пород россыпных месторождений криолитозоны по площади картирования.
Заключение
Площадные георадиолокационные исследования, проводимые на участках месторождений, осложненных изрезанным рельефом или присутствием горной техники и инженерно-технических сооружений, могут быть дополнены точечными измерениями в труднодоступных местах по методике углового георадиолокационного сканирования. На основе выполненных построений волновых картин для однородных слоистых сред и с включением локальной неоднородности установлено, что георадиолокация по методике углового георадиолокационного сканирования позволяет выявлять на радарограмме волновые образы локальных объектов и протяженных отражающих границ между слоями горных пород, что является существенным преимуществом перед альтернативным способом получения точечных данных – стационарным зондированием. Апробация методики углового георадиолокационного сканирования в натурных условиях показала возможность выделения на волновой картине осей синфазности сигналов от искомых объектов, оценки фазы и времени регистрации сигнала и, соответственно, возможность применения различных критериев интерпретации данных.
В результате показано, что развитие методики георадиолокации в условиях ограниченной местности позволяет охватить исследованиями ранее недоступные для георадиолокации участки и тем самым повысить детализацию и информативность картирования геологических объектов на действующих горнодобывающих предприятиях.
При проведении полевых работ использовано оборудование ЦКП ФИЦ ЯНЦ СО РАН (грант № 13.ЦКП.21.0016).