ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2013, № 3, с. 9—29
УДК 550.837
ВОЗМОЖНОСТИ МЕТОДОВ МАГНИТОТЕЛЛУРИКИ В ЗАДАЧАХ
РУДНОЙ ГЕОФИЗИКИ © 2013 г. Ив. М. Варенцов1, В. А. Куликов2, 3, А. Г. Яковлев2, 3, Д. В. Яковлев3
Центр геоэлектромагнитных исследований — филиал Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Троицк E-mail: ivan_varentsov@mail.ru 2Геологический факультет, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, г. Москва
E-mail: vic@nw-geophysics.ru 3OOO "Северо-Запад", г. Москва
E-mail: mail@nw-geophysics.ru Поступила в редакцию 21.05.2012 г.
В последнее десятилетие наблюдается интенсивное развитие рудных приложений магнитотеллури-ческого метода электроразведки. В настоящей статье подводятся первые итоги этого развития. Обсуждаются особенности геоэлектрических моделей в рудных задачах. Современные возможности метода, опирающиеся на синхронные системы наблюдения и процедуры совместной интерпретации магнитотеллурических и магнитовариационных откликов, рассматриваются с учетом специфики рудных приложений. Представляются результаты моделирования типичной рудной аудио-магнитотеллурической съемки. На этих имитационных данных и материалах реальных зондирований обсуждаются и иллюстрируются эффективные подходы к решению задач их обработки, анализа и инверсии. Рассматриваются пути дальнейшего развития рудной магнитотеллурики.
Ключевые слова: рудная геофизика, электроразведка, магнитотеллурическое и магнитовариацион-ное зондирования, синхронные системы наблюдения, передаточные операторы электромагнитного поля, обратные задачи.
БО1: 10.7868/80002333713030174
ВВЕДЕНИЕ
Магнитотеллурический (МТ) и родственный ему магнитовариационный (МВ) методы электромагнитного (ЭМ) зондирования Земли [Бер-дичевский, Жданов, 1981; Бердичевский, Дмитриев, 2009; Варенцов, 2006] основаны на определении электрического сопротивления земных недр по операторам линейной связи (передаточным операторам) между различными компонентами естественного переменного ЭМ поля Земли. Высокая энергетика и широкий частотный диапазон этого поля, порождаемого токовыми системами магнитосферы и ионосферы Земли и электрическими разрядами в атмосфере, дают возможность на единой методической основе изучать геоэлектрическую структуру всей литосферы и решать множество частных региональных, поисковых и разведочных задач. Методология передаточных операторов позволяет для целого ряда практически важных моделей возбуждения естественного ЭМ поля исключать влияние его возбудителей [Бердичевский, Жданов, 1981], а современные многоточечные схемы их оценивания [Варенцов
и др., 2003; Варенцов, Соколова, 2003; \arentsov, 2007Ь] — вести анализ, ограничиваясь интервалами времени наблюдения ЭМ полей с возбуждением, отвечающим этим классам. Принцип частотного зондирования обеспечивает возможность изучения среды под непроводящими и умеренно проводящими объектами-экранами, причем выбор частотного диапазона позволяет фокусировать исследования в заданном интервале глубин. Простота структуры возбуждающего поля облегчает решение задач моделирования и инверсии МТ/МВ данных в двумерно (2Э) и трехмерно (3Э) неоднородных средах, обеспечивая детальную имитацию ЭМ откликов реальных геологических структур. Соответственно, данные методы выходят за рамки простого картирования аномалий электрического сопротивления и построения отдельных геоэлектрических разрезов и, по мере развития методов 3Э интерпретации, становятся эффективным средством объемного изучения среды.
В последние два десятилетия, по сравнению с практикой 1960-80-х гг., существенно расшири-
лись области применения МТ методов. Одним из принципиально новых направлений стали (в комплексе с другими геофизическими методами) поиск и разведка месторождений твердых полезных ископаемых. Возможность применения МТ технологий при поисках малоглубинных объектов появилась в результате широкого внедрения высокочастотной модификации — метода аудио-МТ (АМТ) зондирования. Во многих случаях МТ метод стал средством прямого поиска массив-ных/прожилковых рудных объектов повышенной электропроводности. Однако роль ЭМ геофизических методов на стадии поиска и разведки полезных ископаемых не сводится только к непосредственному выделению минеральных масс, имеющих промышленное значение. При изучении месторождений сложного геологического строения с невыдержанным содержанием полезных ископаемых на первый план выходят задачи определения и последующего поиска различных косвенных рудоконтролирующих признаков, таких как высоокоомные интрузивные массивы определенного состава или низкоомные разломные зоны.
Причины быстрого и эффективного вхождения МТ метода в рудный электроразведочный комплекс подробно представлены в работах [Андреева и др., 2006; Куликов, Яковлев, 2008]. Среди них: существенное увеличение поисковых глубин в рудных задачах (более 1 км), появление надежной, высокоточной и компактной аппаратуры, мобильность метода — отсутствие громоздких и дорогостоящих искусственных возбудителей ЭМ поля, развитие помехоподавляющих синхронных систем наблюдения, существенный прогресс в методах 2D/3D интерпретации данных. Важную роль сыграла методическая общность МТ технологий различной глубинности, позволившая широко использовать в рудных приложениях инструментарий, накопленный при решении задач глубинных ЭМ исследований [Бердичевский, Дмитриев, 2009; Varentsov, 2007a; 2007b; Варенцов и др., 2012].
Геофизическая компания ООО "Северо-Запад" в кооперации с Геологическим факультетом МГУ и ЦГЭМИ ИФЗ РАН накопила богатый опыт применения МТ методов на рудных объектах. За последних восемь лет более 10000 МТ/АМТ зондирований выполнено на различных стадиях геологоразведочных работ на месторождениях разных типа [Куликов и др., 2011]. Работы велись в Норильской рудной зоне и на Кольском п-ове (поиск расслоенных интрузий с медно-никелевым оруде-нением), в Якутии (поиск трубок взрыва и месторождений золота); на Рудном Алтае (поиск полиметаллических руд), в Забайкалье (поиск и картирование скарновых полиметаллических месторождений), а также на Полярном Урале, в Тиманском регионе и в Архангельской области, на Воронежском массиве, в Азербайджане и Ка-
захстане, во многих других регионах. По мере накопления опыта значительно расширился круг решаемых задач, реализовались новые методические возможности. Внедрение синхронных схем МТ зондирования существенно повысило помехозащищенность метода, делая возможным его применение в районах с высоким уровнем ЭМ помех [Ernst et al., 2008; Varentsov, 2007b; Варенцов и др., 2012]. Существенное развитие получила методика детальных профильных наблюдений и 2D методов интерпретации, опирающихся на комплекс МТ и МВ данных и учитывающих их 3D искажения [Варенцов, 2006; 2011; Андреева и др., 2006; Варенцов и др., 2012].
Малая длительность АМТ наблюдений (десятки минут—первые часы) обеспечила значительное повышение производительности труда и позволила перейти от отдельных профильных наблюдений к плотной площадной съемке. В Норильском регионе и Забайкалье отработаны площадные массивы размерностью 300—1000, а в Казахстане — 1000—3000 зондирований, накоплены данные для решения задач 3D интерпретации данных и получен первый опыт построения объемных моделей рудных зон [Куликов и др., 2007; 2008а; 2008б;2009].
Статья имеет следующую структуру: в первом разделе рассматриваются особенности геоэлектрической структуры рудных тел и вмещающей среды; во втором — современные модификации МТ метода с учетом их характеристик, существенных в рудных приложениях; в третьей части обсуждаются специфические аспекты МТ технологий решения рудных задач, а в последней — представлены результаты МТ зондирований на ряде рудных объектов, полученные с верификацией бурением. Она, прежде всего, отражает опыт, накопленный авторами на этапе становления рудной магнитотеллу-рики, и их представления о путях ее дальнейшего развития. Более широкий взгляд на развитие ЭМ методов рудной геофизики, включая магни-тотеллурический, дают обзорные работы, например [Smith, 2012].
ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ОБРАЗЫ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Величина и тип электропроводности горных пород определяются рядом факторов, решающими среди которых являются: фазовый и минеральный состав породы, ее структура и текстура, температура и давление. Породообразующие минералы, составляющие скелет породы, в большинстве случаев являются диэлектриками, газовая фаза также представляет собой изолятор для электрического тока. Удельное сопротивление жидкой фазы обычно на несколько порядков меньше сопротивления породообразующих минералов и фактор флюидо-насыщенности играет важнейшую роль в форми-
Удельное электрическое сопротивление рудных минералов (Ом м)
Оксиды
Сульфиды
Кварц 1012-1016 Пирит 10-5-100
Магнетит 10-2-10-5 Галенит 10-5-100
Лимонит 102-106 Халькопирит 10-4-10-1
Ильменит 10-3-100 Пирротин 10-6-10-4
Титаномагнетит 10-4-100 Молибденит 102-103
Гематит 10-1-102 Никелин 10-5-100
ровании удельного электрического сопротивления горной породы.
Среди хорошо проводящих электрический ток минералов (таблица) выделяются электронные проводники — рудные минералы (сульфиды, окислы некоторых металлов) и углефициро-ванные/графитизированные породы (гнейсы, сланцы, алевролиты и песчаники). Сульфиды в земной коре составляют примерно 0.15% от общей массы и встречаются в различных породах в виде рассеянной вкрапленности, прожилков или массивных скоплений. Большинство сульфидов обладает весьма малым удельным сопротивлением — от 102 до 10-5 Ом м (см. таблицу), соответственно, большая часть массивных сульфидных скоплений (серный колчедан, различные полиметаллические, медно-никелиевые, медные и пирротиновые руды) являются весьма хорошими проводниками. Заметное повышение электрического сопротивления пород наблюдается при содержании в них сульфидов ниже 5— 10% и объясняется нарушением связанности токовых каналов.
Массивные сульфидные месторождения
Низкие удельные сопротивления рудных минералов являются предпосылкой успешного использования электроразведочных методов (в том числе магнитотеллурических) для поиска и изучения месторождений, представл
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.