Геологические методы разведки месторождений полезных ископаемых

Разведка месторождений — сложный и многообразный научно-производственный процесс изучения с экономическим подходом, в котором используются те же методы, что и при поисках, но с большей детальностью и на более высоком качественном и технологическом уровнях. Поэтому основными методами разведки следует считать:

• — детальное геологическое картирование;
• — линейные подсечения тел полезных ископаемых системами буровых скважин и горных выработок;
• — геофизические исследования в горных выработках и скважинах;
• — геохимические и минералогические исследования;
• — инженерно-геологические;
• — геоэкологические исследования.

Отдельные виды исследований, проводимые при геолого-разведочных работах, можно отнести к дополнительным методам разведки. К ним относятся опробование разведочных выработок и скважин, построение разрезов и погоризонгальных планов по разведочным линейным подссчсниям, гак называемое графическое моделирование, а также оценочные сопоставления геолого-разведочных данных.

Детальное геологическое картирование выполняется на инструментальной графической основе: топографических планах поверхности в масштабе от 1 : 10 000 до 1 : 500 и маркшейдерских погоризонтальных планах масштаба 1 : 1000 и 1 : 500. Привязка обнажений, разведочных скважин и выработок на поверхности осуществляется с помощью теодолитных ходов и геометрического нивелирования, а пунктов наблюдений в подземных горных выработках — к маркшейдерским точкам теодолитных и вертикальной съемок. Составление детальных геологических карт, соответствующих указанному масштабу графической основы, приходится в основном на стадии предварительной разведки.

На геологическую карту наносят маркирующие горизонты и рудоносные формации пород, контуры рудных тел, элементы тектонических дислокаций, зоны гидротермальных метасоматических изменений пород. Рабочий вариант карты должен быть составлен на начальном этапе предварительной разведки, а затем дополняться и уточняться.

На последующих стадиях разведки проводят более детальные геологические съемки на базе маркшейдерских планов и составляют погоризонтальные геологические планы.

Линейные подсечения тел полезных ископаемых осуществляются либо разведочными системами буровых скважин, либо системами горно-разведочных выработок, либо комбинированными горнобуровыми системами. Ценной для разведки является геологическая и другая информация, получаемая в процессе проходки разведочных выработок и бурения скважин, а также они имеют определенное техническое назначение.

Число необходимых линейных подсечений определяется размерами тел и изменчивостью основных параметров, используемых в подсчете запасов. Оно должно быть оптимальным, обеспечивающим выполнение задач каждой стадии и соблюдение принципов разведки.

Геофизические исследования в скважинах и горных выработках являются универсальными по комплексу решаемых задач и высокоэффективными методами, применяемыми на всех разведочных стадиях. Они используются для корреляции геологических неоднородностей, в том числе рудных подсечений между разведочными выработками и скважинами, определения контуров продуктивных залежей в межскважинном пространстве, качества полезных ископаемых и других параметров для подсчета запасов и оценки прогнозных ресурсов.

Широко распространены и имеют важное значение геофизические исследования в скважинах, включающие каротаж и обычно сопровождающие его контрольные измерения за техническим состоянием скважин.

Каротаж основан на воздействии локальных естественных и искусственно вызванных физических полей внутри скважин на специальный зонд, в датчиках которого возникают сигналы, передающиеся по каротажному кабелю к регистрационным и обрабатывающим наземным приборам. Локальные естественные физические поля являются производными петрофизических свойств горных пород и руд, формы тел и структурных особенностей. Природа этих полей различная. Как видно на рис 4.2, для регистрации параметров электрического поля используют методы самопроизвольной поляризации (ПС) и кажущихся сопротивлений (КС). Радиоактивность пород в разрезе скважины

Рис. 4.2. Геофизические исследования (каротажные диаграммы) в разведочных скважинах:

• 1 — песчаники; 2 — известняки; 3 — алевролиты и аргиллиты;
• 4 — углистые породы; 5 — каменный уголь

фиксирует гамма-каротаж (ГК); изменение вертикальной составляющей магнитного поля измеряется с помощью магнитного каротажа (МК), тепловой режим определяют проведением термического каротажа.

Искусственно возбуждаемые физические поля качественно моделируются с учетом состава пород проектного разреза и решаемых задач. Они применяются для регистрации количественных изменений заданных свойств по разрезу скважины. На моделировании ядерно- физических процессов базируются метод плотностного гамма-гамма-каротажа (ГГК-П), различные виды нейтронного каротажа — нейтронный гамма-каротаж (НГК), нейтрон-нейтронный каротаж (ННК) и др. На модели электрических потенциалов пород основан метод вызванной поляризации (ВН).

Полнота и достоверность определения геологических характеристик (состав и свойства пород и руд, их мощность и очертания контактов, структурные особенности) обеспечиваются комплексированием различных методов и видов каротажа.

В рудных скважинах универсальными стали методы магнитного, электрического и ядерно-физического каротажа. Комплексирование магнитного и электрического методов каротажа эффективно применять при разведке ликвационных сульфидных медно-никелевых, пегматитовых слюдоносных, пьезооптического кварца, скарновых магнети- товых, медных и полиметаллических, метаморфогенных железорудных и многих других месторождений. Особенно широко используется комплексирование методов электрического и ядсрно-физического каротажа при разведке месторождений легирующих, цветных, благородных, редких и радиоактивных металлов различных генетических и промышленных типов, а также месторождений угля.

Электрический каротаж угольных скважин позволяет коррелировать их разрезы, выявить пласты угля и оценить их мощность. Это тем более важно, что они могли быть не зафиксированы в керне. ГГК-С используют для оценки зольности углей.

Термический каротаж помогает изучить криологические условия в разрезе скважины; с помощью КС ПС, НГК и ННК расчленяют породы по пористости, проницаемости и водообилыюсти.

Кроме указанных видов также применяют гравитационный и сейсмоакустический каротаж. Первый основан на проявлении в поле силы тяжести влияния слабоконтрастных по плотности породных и полезных минеральных образований, второй — на скорости и затухании в них упругих волн.

Сейсморазведочные исследования нефтегазоносных залежей проводят на всех геолого-разведочных стадиях. Они применяются в варианте многократного профилирования по методу отраженных волн — общей глубинной точки (МОВ ОГТ). Высокоэффективны инновационные методики сейсмопрофилирования тонкослоистых толщ. При резко меняющихся параметрах по латсрали и вертикали используют объемную (трехмерную ЗД) сейсморазведочную модель.

К геофизическим исследованиям, контролирующим техническое состояние скважин, относятся инклинометрия и каверпометрия.

Инклинометрия служит для замера зенитных и азимутальных углов скважин. Отклонения от заданных углов называется, соответственно, зенитным и азимутальным искривлением.

Каверпометрия фиксирует фактический диаметр скважины по ее разрезу.

Геофизические исследования в горных выработках проводятся преимущественно радиометрическими методами. При разведке месторождений урана, шеелита, алмазов и битуминозных образований применяют люминесцентный метод. На различных стадиях разведки рудных месторождений используется метод радиоволнового просвечивания, позволяющий получить радиоволновую тень от рудных тел, залегающих между пьезооптическими датчиками.

Кроме того, применяются шахторудные и межскважинные методы подземной гравиразведки, магниторазведки, электромагнитной эмиссии, акустические (шумовой эмиссии) и сейсмоакустического просвечивания, а также метод измерения температур и инфракрасного излучения в шпурах, взрывных и горнопроходческих скважинах.

Геохимические исследования при разведке месторождений проводятся с целью определения вероятной глубины эрозионного среза, увязки рудопродуктивных зон в смежных разведочных линейных подсечениях, экстраполяции оруденения за их пределы, оценки рудоносности глубоких горизонтов. Эго достигается путем систематического отбора геохимических проб в горных выработках и по керну разведочных скважин, последующей обработки и проведения полуко- личественного спектрального анализа проб, с построением по результатам анализа первичных ореолов рассеяния.

Первичный ореол рассеяния представляет собой око- лорудную область пород, обогащенную в процессе рудоо- бразования элементами-индикаторами и спутниками оруденения. Первичные геохимические ореолы, образующиеся совместно с эндогенными месторождениями, называются эндогенными геохимическими ореолами. Для них характерна объемная зональность, выраженная в трех направлениях: продольном (по простиранию); поперечном (по мощности); по ширине (по падению). Зональность по направлению крутого падения называется вертикальной или осевой зональностью. Сущность вертикальной зональности заключается в избирательности элементов в определенных горизонтах месторождения.

Так, в верхних частях рудных месторождений концентрируются барий, серебро и свинец, образуя надрудпые ореолы рассеяния. На нижних горизонтах устанавливаются ореолы с подрудными элементами — медью, висмутом, кобальтом, молибденом, оловом и вольфрамом (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Модель геохимической зональности первичных ореолов рассеяния (разрез):

1 — граниты, гранодиориты; 2 — рудное тело; 3 — первичные ореолы рассеяния (надрудные — Pb, Ag, Ва, подрудные — W, Sn, Mo, Со, Bi, Си); 4 — тектоническая зона дробления, совпадающая с осью рудного тела; 5 — эродированное рудное тело; 6 — линия

палеорельефа

Анализ минерального и химического состава, размеров и особенностей зонального строения ореолов позволяет решать указанные выше задачи на различных стадиях разведки.

Минералогические исследования направлены на решение следующих задач:

• — определение полного минерального состава руд и око- лорудных метасоматитов, минеральных форм нахождения и пространственного размещения основных и сопутствующих полезных компонентов, полезных и вредных элементов-примесей;
• — выделение природных типов руд по особенностям их минерального состава, текстурам и структурам;
• — изучение минералогической зональности в дополнение к геохимической.

Инженерно-геологические и гидрогеологические исследования входят в группу основных видов геолого-разведочных работ и служат предметом и методом изучения специальных учебных дисциплин, таких как «Инженерная геология», «Гидрогеология» и других аналогичного профиля. Задачи, вытекающие из содержания этих дисциплин, применительно к методике разведки месторождений полезных ископаемых изложены в Инструкции ГКЗ [22J в качестве требований к их изученности. Эти требования составлены в соответствии с Инструкцией по изученности инженерно-геологических условий месторождений твердых полезных ископаемых.

Инженерно-геологическими исследованиями должны быть изучены:

• — физико-механические свойства руд (первичных и зоны выветривания), вмещающих пород и перекрывающих отложений, определяющие их прочность в естественном и водонасыщенном состоянии;
• — инженерно-геологические особенности массивов пород месторождения (анизотропию массива, состав пород, их текстуры, трещиноватость с элементами тектоники, за- карстованность);
• — современные геологические процессы, которые могут осложнить разведку месторождения;
• — температурный режим массива (положение верхней и нижней границ многолетней мерзлоты), контуры и глубины распространения таликов, характер изменения физических свойств пород при оттаивании, глубина слоя сезонного оттаивания и промерзания.

Материалы инженерно-геологических исследований являются основой для прогнозной оценки устойчивости горных выработок и расчета основных параметров карьера.

Гидрогеологическим исследованиям подлежат:

• — основные водоносные горизонты, влияющие на обводненность месторождения; при этом предусматривается изучение химического состава и бактериологического состояния вод (их агрессивности по отношению к бетону, металлам, полимерам), содержания полезных и вредных компонентов;
• — участки и зоны с наибольшей обводненностью;
• — ожидаемые водопротоки в эксплутационные горные выработки;
• — вопросы использования рудничных вод для водоснабжения или извлечения из них полезных компонентов;
• — вопросы дренажа и сброса рудничных вод с оценкой их воздействия на действующие в районе месторождения водозаборы и окружающую среду в целом.

При разведке нефтегазовых месторождений гидрогеологические исследования, помимо вышеизложенных вопросов, предусматривают освещение:

• – водоносных интервалов, опробованных в открытом стволе пластоиспытателем и выделенных только по материалам ГИС;
• — содержание в подземных водах йода, бора, брома, гелия и возможности их промышленного освоения;
• — характеристики зоны продуктивных горизонтов (газового состава вод, температуры и пластового давления на уровне ВНК и ГВК).

Геокриологическими исследованиями устанавливают:

• — наличие зон многолетнемерзлых пород и погребенных пластовых льдов, их возраст, распределение и глубину залегания, изменчивость мощности по площади и температуры по разрезу;
• — гранулометрический и минеральный состав многолетнемерзлотных пород, содержание в них водорастворимых солей;
• – макро- и объемную льдистость, ее содержание и характер распределения в породах;
• – наличие межмерзлотных и подмерзлотных вод, их дебиты, химический состав и температуру;
• – прогноз динамики геокриологических явлений при разработке месторождения и рекомендации по их нейтрализации.

Другие виды геолого-разведочных работ как дополнительные методы разведки (создание системы разрезов, опробование полезного ископаемого и оценочное сопоставление) рассматриваются далее.