М. Л. Хацкель, Н. С. Калинчин, О. М. Харитонов. Опыт применения методов гравиразведки и электроразведки при изучении малоамплитудных тектонических нарушений на угольных месторождениях Восточного Донбасса

Выявление элементов малоамплитудной дизъюнктивной тектоники в процессе разведки угольных месторождений в Восточном Донбассе является чрезвычайно важной и трудоемкой задачей для традиционных геологических методов - съемки и бурения.

Привлечение сравнительно дешевых и высокоэффективных геофизических методов для решения этой задачи может значительно удешевить разведку шахтных полей и значительно повысить общую геологическую эффективность разведочных работ на уголь.

Примером этого могут служить геофизические исследования, выполненные на Воркутинском и Воргашорском месторождениях Печорского бассейна Б. Д. Полетаевым, В. Н. Розенбергом [2].

В условиях Восточного Донбасса геофизические исследования с целью выявления и трассирования малоамплитудных разрывных нарушений в толще каменноугольных образований впервые начаты в 1969 г. Волго-Донским территориальным геологическим управлением и на первом этапе носят опытно-производственный характер. При этом была применена высокоточная гравиметрическая съемка в комплексе с электроразведочными работами методом ВЭЗ и частично другими методами (комбинированное профилирование, естественное электрическое поле, метод вызванной поляризации). Работы проводились на Зверево-Грязновской угленосной площади.

Надкарбоновые отложения площади представлены суглинками, глинами, песками, перекрывающими отложения среднего карбона. Каменноугольные отложения представляют собой переслаивание песчаников, аргиллитов, алевролитов и углей.

Гравиметрические измерения проводились двумя спаренными гравиметрами ГЛК-7Т со 100% повторением по сети 100x50 м. Высокая точность определения аномальных значений гравитационного поля (± 0,035 мгл) позволила построить отчетные карты с сечением изоаномал через 0,10 мгл. Учет влияния помех на гравитационное поле осуществлялся в двух направлениях: определение поправок за влияние дневного рельефа и учет влияния поверхностных неоднород-ностей, обусловленных переменной мощностью и дефектом плотности (0,70 г/см³) рыхлых образований. Влияние дневного рельефа в ближней зоне (0-50 м) определялось по результатам нивелировки площадок вокруг гравиметрических пунктов и составило от 0,001 до 0,130 мгл. Учет влияния рыхлых образований осуществлялся эмпирическим способом, основанным на выявлении связи мощности рыхлых образований, полученной по результатам интерпретации кривых ВЭЗ по профилю детальных геофизических работ, с характером гравитационного поля (рис. 1) и последующем учете этой связи с использованием полученного уравнения регрессии.

Рис. 1. Определение связи аномального гравитационного поля с мощностью рыхлых образований: 1 - кривая Δga; 2 - региональный ход кривой Δga; 3 - разрез рыхлых образований по данным ВЭЗ; 4 - поле корреляции величия Δg и h; 5 - прямая регрессии Δg-h

В качестве исходного материала для вычислений были приняты построенные по результатам интерпретации ВЭЗ карты изомощностей рыхлых образований. Погрешность определения аномальных значений силы тяжести, исправленных за влияние рельефа карбона, составила 0,08 мгл.

С целью локализации выделяемых аномалий осуществлялись различные трансформации гравитационного поля общепринятыми способами [1].

Электроразведочные работы методом ВЭЗ решали задачи непосредственных поисков зон тектонических нарушений (на участках с небольшой мощностью рыхлых образований) и определения глубин залегания поверхности карбона для учета влияния рыхлых образований на гравитационное поле.

Наблюдения проводились в точках гравиметрических измерений. Большинство полученных кривых отображают трехслойный разрез типа «Н» (p₁ > р₂ > р₃).

Количественная интерпретация кривых ВЭЗ проводилась известными способами. По результатам интерпретации ВЭЗ были построены карты изомощностей рыхлых образований и карты изогипс кровли карбона. Для количественной интерпретации строились разрезы и графики р_к, а такие графики трасформаций значений, наблюденных р_к в значения трех-электродной питающей установки по методике Я. С. Сапужака [3].

В опытном порядке на участках съемки опробовались: методы двухгоризонтного электропрофилирования [АО = ОВ = 85 (42,5) м, MN = 10 м, шаг измерений 10 м]; метод естественного электрического поля; метод вызванной поляризации в модификации срединного градиента (АВ = 1000 м, MN = 20 м).

На участках работ проводилась площадная магнитная съемка по сети 100x25 м, точность измерений ±5,6 γ и микромагнитная съемка (шаг измерений 3 м, среднеквадратическая погрешность ±1,2 - 2,2 γ).

Высокоточные гравиметрические наблюдения, проведенные на площади участков и на отдельных профилях, совмещенных с буровыми разведочными линиями, позволили в комплексе с электрометрическими работами отметить большинство ранее известных тектонических нарушений с амплитудой 20-30 и более метров и наметить к проверке бурением ряд перспективных аномальных зон. При этом наиболее уверенные результаты получены на участках с маломощным чехлом рыхлых образований (3-5 м). При увеличении мощности наносов до 25-35 м (на 70% исследованной площади каменноугольные отложения перекрыты наносами мощностью свыше 10-15 м) по электрометрическим исследованиям практически невозможно выделить зоны тектонических нарушений из-за экранирующего воздействия наносов. В гравитационном поле необходимо учитывать влияние эффекта от рельефа подошвы рыхлых образований, который в отдельных случаях из-за сравнительно неглубоко залегающей гравитирующей поверхности полностью уничтожает эффект от зон тектонических нарушений. Полученные предварительные результаты геофизических исследований показывают, что как в гравитационном, так и электрическом поле непосредственное отображение получает зона дробления пород, приуроченная к плоскости тектонического контакта, достигающая величины 10-15 м и характеризующаяся аномальными физическими параметрами - дефектом плотности (0,5-0,7 г/см³) и повышенной электропроводностью за счет проникновения грунтовых вод. При этом известные тектонические нарушения отмечаются локальными понижениями гравитационного поля интенсивностью 0,05-0,20 мгл и уменьшением величины кажущегося сопротивления на несколько десятков омм. Направление падения плоскости контакта отмечается по характеру локальных кривых Δg и направлению изоом. Полученные результаты показывают, что при комплексном рассмотрении наблюдённых полей, их трансформаций и результатов количественных расчетов зоны тектонических нарушении могут быть выделены по наличию следующих признаков:

1) линейно-вытянутые локальные понижения наблюденного и исправленного за влияние рыхлых образований аномального гравитационного поля;

2) линейно-вытянутые понижения регионального гравитационного поля, ослабленного от влияния поверхностных неодпородностен:

3) линейно-вытянутые зоны увеличения мощности рыхлых образовании и коры выветривания каменноугольных образований, по данным ВЭЗ;

4) зоны пониженных значений кажущихся сопротивлений как в плане, так и по вертикальным разрезам р_к;

5) участки пониженных значений плотности промежуточного слоя, являющейся производной нескольких факторов - характера дневного и погребенного рельефов, мощности рыхлых образований.

Сопоставление вышеназванных признаков позволяет более уверенно выявлять предполагаемые зоны тектонических нарушений, но не позволяет судить о глубинном распространении выделяемых зон и нарушенности разведываемых пластов угля.

В качестве примера можно привести результаты геологической интерпретации материалов комплексных геофизических работ на участке поля шахты Шерловской (рис. 2).

В пределах участка ранее буровыми работами были выделены три тектонических нарушения: Калиновский сброс, Поперечный сброс и безымянный, располагающийся между двумя вышеуказанными нарушениями. Существование последнего не было уточнено как геофизическими, так и последующими буровыми работами. Калиновский и Поперечный сбросы характеризуются небольшой амплитудой (15-20 м) и крутыми углами падения плоскости сместителя. На построенной схеме элементов интерпретации геофизических материалов четкое отображение получил Поперечный сброс (см. рис. 2). Он отмечается широкой (50-100 м) зоной совмещения линейно-вытянутых локализованных минимумов (δΔga) гравитационного поля, частично минимумов р_к с локальными понижениями в рельефе карбона и увеличением мощности рыхлых образований, с зоной пониженных значений плотности промежуточного слоя, т. е. всеми признаками, принятыми нами для выделения тектонических нарушений.

Калиновский сброс, проекция которого на дневную поверхность составляет с направлением геофизических профилей угол 40-50⁰, отмечается „на геофизических материалах менее отчетливо и по меньшему числу признаков. Южная часть сброса отмечается в региональном гравитационном поле, северная часть на всем своем протяжении - минимумом наблюденного гравитационного поля и частично минимумом гравитационного поля, исправленного за влияние рыхлых образований. Увеличение смещения аномальной зоны с северо-востока на юго-запад относительно проекции сброса на дневную поверхность свидетельствует об уменьшении угла наклона плоскости сместителя в юго-западном направлении. Подобное же рассмотрение Поперечного сброса может свидетельствовать о более крутом угле наклона плоскости его сместителя го сравнению с Калиновскнм сбросом.

Рис. 2. Упрощенная схема элементов интерпретации физических полей на участке Шерловский; 1 - тектонические нарушения по данным бурения; 2 - тектонические нарушения и зоны трещиноватости по результатам дешифрирования и графических построений (ДонбассНИЛ); 3 - разведочные скважины (цифрами обозначены скважины, упоминаемые в тексте); 4 - профиль детальных геофизических работ; 5 - зоны тектонических нарушений, предполагаемые по результатам детальных геофизических работ; 6 - аномальные зоны, выделенные по результатам интерпретации физических полей, (совместно по гравиразведке и электроразведке) при площадной съемке; 7 - по двум признакам одного из методов, преимущественно гравиразведки

На остальной части изученной территорий нами отмечено большее количество аномальных зон преимущественно северо-восточного простирания. Наибольшее количество их приурочено к блоку, ограниченному Калиновским и Поперечным сбросами. Перспективными на выявление тектонических нарушений, оперяющих Калиновский и Поперечный сбросы, а также ослабленных зон в кровле карбона (трещиноватость), являются зоны совмещения двух и более признаков, отмеченных ранее.

В некоторых случаях (зоны 3, 4, 7) наблюдается удовлетворительная сходимость с результатами работ ДонбассНИЛ по дешифрированию аэрофотоснимков. Выделенные мелкие аномальные зоны подтверждены в большинстве своем более детальными исследованиями на параметрическом профиле 1 (рис. 3), пересекающем участок в южной части вдоль профиля буровых скважин. Здесь, кроме Калиновского и Поперечного сбросов, выделяются семь аномальных зон, перспективных на выявление тектонических нарушений.

При тщательном анализе каротажных диаграмм и кер-нового материала ранее пробуренных скважин ряд нарушений, определенных полевой геофизикой, подтвержден в разрезах скважин. Это зона № 4 (подтверждена скв. 3857, амплитуда сброса Н=2-3 м), зона № 5 (скв. 3177, Н=2-4 м), зона № 7 (скв. 3800, Н=7,5 м), а также зоны нарушений, отмечаемые на пласте К₄², (скв. 3812, Н=4-5 м) и пласте к₂ (скв. 3612 и 3916, Н=4-5 м) профиль 1 (см. рис. 2, 3) нарушения № 7 и 4 прослеживаются от поверхности до глубины 350-400 м.

В результате опытных работ были выяснены некоторые вопросы методики и комплектования различных геофизических методов. Получены обнадеживающие результаты по методу комбинированного злектропрофилирования. Этот метод следует применять на расчетных профилях. Положительные результаты получаются при картировании каменноугольных отложений под наносами мощностью до 5 м методом дипольного электропрофилирования. Опытные работы показали также, что тектонических нарушений на графиках естественных и вызванных потенциалов, а также в магнитном поле не отмечается (см. рис. 3).

Рис. 3. Результаты параметрических и опытных работ на детальном профиле участка Шерловского: 1 - наблюденная аномальная кривая Δga (δ=2,67 г/смsup3/sup); 2 - локальные понижения гравитационного поля; 3 - вертикальный разрез рsubк/sub по данным ВЭЗ; 4 - кривая рsubr/subsup,,,/supпо результатам трансформации кривых ВЭЗ; 5 - кривые рsubк/sub комбинированного профилирования; 6 - кривая ВП; 7 - тектонические нарушения, выделяемые по геофизическим данным и выявленные бурением; 8 - тектонические нарушения, предполагаемые по геофизическим данным

Проведенные на Зверево-Грязновской угленосной площади геофизические исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Комплексирование высокоточной гравиразведки и электроразведки методами ВЭЗ и электрического профилирования является весьма эффективным при изучении тектоники шахтных полей в условиях небольшой мощности над карбоновых отложений (до 35 м).

2. Лля определения элементов залегания тектонических нарушений и определения их глубинности необходимо применять специальные приемы количественной интерпретации грави-и электроразведочных материалов и включать в комилекс исследований сейсморазведки MOB по отдельным расчетным профилям.

3. В условиях значительной мощности надкарбоновых отложений (100 и более метров) применение электроразведки, по-видимому, является нецелесообразным и изучение тектоники шахтных полей возможно лишь методами гравиразведки и сейсморазведки.

Литература

1. Б. А. Андреев, М. Г. Клушшн. Геологическое истолкование гравитационных аномалий. М., «Недра», 1965.

2. Б. Д. Полетаев, В. Н. Розенберг. Изучение тектоники Печорского угольного бассейна геофизическими методами. В сб.: «Геология угольных месторождений», т. 1. М., «Наука», 1969.

3. Я. С. Сапужак. Высшие производные электрического потенциала в геофизической разведке. Киев, «Наукова думка», 1967.