НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых
Данильев С.М., кандидат геолого-минералогических наук, доцент Данильева Н.А., кандидат геолого-минералогических наук (Национальный минерально-сырьевой университет ««Горный»)
ИЗУЧЕНИЕ ВОЛНОВЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ЗОН ТРЕЩИНОВАТОСТИ МАССИВОВ СКАЛЬНЫХ ПОРОД НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
В виду мощного развития в последние десятилетие компьютерных технологий метод георадиолокации приобрел высокую популярность и доступность для исследователей. За счет своей высокой разрешающей способности, оперативности проведения полевых наблюдений метод является весьма перспективным при решении задач исследования трещиноватости. Для оперативной локализации зон трещиноватости волнового электромагнитного поля необходимо создание теоретических основ, базирующихся на результатах математического моделирования.
Ключевые слова: георадиолокация, трещиноватость, степень трещиноватости, моделирование, волновое поле, дифракция, ось синфазности, гипербола.
THE STUDY WAVE ELECTROMAGNETIC FIELDS FRACTURE ZONES OF HARD ROCK MASSES ON THE BASIS MATHEMATICAL MODELING
In view of the great advance in the last decade, computer technology GPR method has gained high popularity and accessibility for researchers. Due to its high resolution, efficiency of the field observation method is very promising in solving research problems fracture. For rapid localization fracture zones by wave electromagnetic field necessary to create a theoretical framework, based on the results of mathematical modeling.
Keywords: GPR, fracture, degree offracturing, modeling, wave field, diffraction, the axis of correlation, hyperbole.
Массивами скальных пород принято называть сравнительно небольшие участки земной коры, находящиеся в сфере инженерной деятельности человека. К скальным, относятся массивы осадочных, магматических и метаморфических пород, характеризующихся повышенными прочностными и деформационными свойствами. Основным показателем особенностей состояния скальных массивов являются характер и степень их трещиноватости [2].
Трещиноватостью массивов скальных пород обычно называют их рассеченность различными системами разномасштабных трещин. Трещиноватость - естественное состояние реальных скальных массивов, которое определяет важнейшее их свойство - дискретность, и существенно влияет на все характеристики состояния, а также показатели физико-механических и физических свойств горных пород в их естественном залегании. Трещины -разрывы сплошности породы без видимого смещения, размеры которых по простиранию и падению на несколько порядков больше их мощности (раскрытия) [1].
Отличительной особенностью трещиноватости скальных массивов является дискретность размеров трещин различных порядков, т. е. характерные параметры трещин, например, длина или ширина раскрытия, для трещин различных порядков меняются скачкообразно [9].
Количественное описание трещиноватости включает в себя как характеристику параметров отдельных трещин и систем, так и общую интегральную количественную характеристику трещиноватости, определяемую по установленным правилам.
Основными параметрами трещин являются их ориентировка, т. е. угол падения а в градусах, протяженность l, раскрытие Ah, расстояние между соседними трещинами а, а также тип материала заполнителя трещин. Кроме указанных параметров трещиновато-сти, характеризуемых средними их значениями, получаемыми в результате статистической обработки полевых материалов, широко распространены обобщенные показатели трещиноватости пород. К ним относятся модуль трещиноватости, коэффициент трещинной пустотности [8].
Количественная характеристика трещиноватости, т.е. степени нарушенности сплошности, монолитности горных пород в условиях естественного залегания, сопряжена с известными трудностями. Поэтому в большинстве случаев ограничиваются, сравнительной, количественной оценкой степени трещиноватости пород, выделением зон и участков, отличающихся разными степенями трещиноватости и, особенно, повышенной и высокой трещиноватостью.
Как показала практика исследования скальных массивов пород наиболее оптимальным показателем степени трещиноватости пород является коэффициент трещинной пустотности kp(%), - отношение площади свободного пространства s, занимаемого трещинами, к площади поверхности пород S, в пределах которой картируются и измеряются трещины
k тр = (s / S)-100
Л. И. Нейштадт, пользуясь этим показателем, предложила следующую классификацию пород но степени трещиноватости.
1. Породы слаботрещиноватые (ктр <2%). Наблюдаются трещины волосные и шириной менее 1 мм. Встречаются единичные трещины шириной до 2 мм. Трещины большей ширины отсутствуют.
2. Породы среднетрещиноватые (ктр — от 2 до 5 %). Наряду с трещинами шириной до 1 мм имеют место трещины шириной от 2 до 5 мм и единичные от 5 до 20 мм.
3. Породы сильнотрещиноватые (ктр — от 5 до 10 %)-Наряду с трещинами шириной до 5 мм наблюдаются трещины шириной от 20 до 100 мм.
4. Породы очень сильнотрещиноватые (ктр — от 10 до 20 %) и исключительно си-лыштрещиноватые (ктр >20 %). Наряду с трещинами шириной до 10 мм присутствуют трещины шириной от 20 до 100 мм и более.
Подводя итоги можно сформулировать задачи, стоящие перед георадиолокационными исследованиями, особенностей строения, скальных массивов:
1. Изучение трещин в массиве скальных пород при отработке месторождений облицовочного камня с целью оценки потенциального выхода блоков и повышения эффективности дальнейшей разработки месторождения облицовочного камня[1, 10].
2. Оценка степени трещиноватости скального массива при проектировании строительных работ. От степени трещиноватости зависит правильный выбор системы разработки и параметров буровзрывных работ. [3]
Математическое моделирование позволяет проанализировать и выявить особенности распространения волновых электромагнитных (ЭМ) полей в интервалах развития зон трещиноватости. Подходы изучения ЭМ волновых полей, основанные на результатах моделирования, позволяют решать следующие задачи:
1. исследовать особенности распространения ЭМ волн в среде, с целью установления связей между параметрами трещин и волнового ЭМ поля;
2. рассчитать волновые ЭМ поля для заданных условий с целью обоснования оптимальной методики полевых исследований;
3. оптимизировать методику обработки и интерпретации данных георадиолокационных исследований на основе анализа особенностей расчетных волновых ЭМ полей.
Структура волновых ЭМ полей зон деструкций напрямую зависит от влияния тре-щиноватости на электрофизические свойства изучаемого разреза. Расчет моделей массивов скальных пород, осложненных трещиноватостью, в волновых ЭМ полях с необходимой для моделирования детальностью обобщенно отражающей их геометрические и электрофизические свойства, предусматривает построение физико-геологической модели (ФГМ) разреза [5].
Согласно направлениям георадиолокационных исследований трещиноватости указанных выше, целесообразно построить две ФГМ, характеризующие параметры отдельных тектонических трещин и системы трещин выветривания. ФГМ отдельной тектонической трещины является параметрической, т. е. описывается геометрическими и электрофизическими свойствами трещины (Рис. 1). На рисунке 1 представлена ФГМ разреза скального массива с включением тектонической трещины, где Д I протяженность трещины; Хс, - координата центра трещины; ДИ раскрытие трещины; а - угол падения
трещины; Ис - глубина залегания центра трещины; 81 и 82 действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости вмещающей среды и материала заполнения трещины; о1, о2 параметры, характеризующие проводимость вмещающей среды и материала заполнения трещины.
Дистанция, м
Рис. 1. Физико-геологическая модель разреза скального массива осложненного
тектонической трещиной ФГМ системы трещин выветривания является стохастической, так как не содержит определенных геометрических параметров трещин, значения этих свойств имеют вероятностный характер [5]. Электрофизические свойства стохастической модели системы трещин учитывают свойства скального массива (о1,81); и материала заполнения трещин (о2,82), условно считая, что все трещины имеют одинаковый тип заполнителя (Рис. 2).
I | Скальный массив | Трещины выветривания
О! е2; о2
Рис 2. Стохастическая физико-геологическая модель разреза скального массива осложненного системой трещин выветривания
Для выполнения математического моделирования кинематических особенностей волновых ЭМ полей, ввиду схожести структуры данных в кинематических моделях волновых методов, можно использовать программные пакеты сейсморазведки, также с большой степенью достоверности в обоих случаях применим лучевой метод и основные законы геометрической оптики [6]. Однако, для достоверного изучения кинематических и динамических особенностей волновых ЭМ полей необходимо применение специальных алгоритмов учитывающих электрофизические свойства вмещающей среды и материала заполнения зон деструкции.
Моделирование сложных, неоднородных сред, включая многофазовые, базируется на точной схеме вычислений, основанной на методе конечных разностей. Моделирование методом конечных разностей позволяет учесть все особенности излучения и распространения ЭМ волн в исследуемой модели среды [7]. Синтез волновых ЭМ полей модели выполнен на основе решения уравнений Максвелла во временной области методом конечных разностей. Результатом расчета являются составляющие полей Е, Н в каждом узле рассматриваемых ячеек. Это делает возможность визуализации поля, что важно для понимания закономерностей распространения ЭМ волн в изучаемой среде.
Так как скорость распространения ЭМ волн в воде существенно меньше, в отличие от воздуха, следовательно, разрешающая способность (Х/2) исследований больше, поэтому целесообразно проводить исследования трещинноватости скальных массивов в межсезонье, когда трещины скальных пород преимущественно водозаполненные.
В соответствии с направлениями задач исследования трещиноватости скальных массивов, которые рассмотрены выше, и ФГМ тектонической трещины и сис
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.