Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2021, № 5, стр. 87-93

ВВЕДЕНИЕ

При проектировании строительства сооружений над зонами возможных подработок золотоносных даек березитов и кварцевых жил применение геофизических исследований в составе инженерно-геологических обязательно¹¹. Маркшейдерская служба рудников не всегда располагает сведениями о старательских приповерхностных выработках, пройденных в XVIII – начале XX веков. Такая ситуация наблюдается, в частности, на Среднем Урале на старейшем золоторудном Березовском месторождении [1, 3].

Задачи перед геофизическими исследованиями следующие: определение мощности рыхлых делювиально-элювиальных образований, поиск в толще коренных пород даек березитов (березитизированных гранит-порфиров), кварцевых жил, обнаружение в них старательских выработок (шахт, дудок, штолен, карьеров) глубиной в единицы–первые десятки метров, которые чаще всего после отработки заполнялись рыхлыми глинистыми грунтами, но могут быть заполненными грунтовой водой или оставаться полыми. Глубина исследований, как правило, не превышает 8–20 м.

Для решения вышеуказанных задач геофизическими методами существуют благоприятные геологические и петрофизические предпосылки. Искомые объекты – дайки березитов и кварцевые жилы – чаще всего имеют субвертикальное залегание, резкие границы с вмещающими их базальтами, андезитами, хлоритовыми сланцами, серпентинитами [1, 3, 5]. Физические свойства рыхлых и скальных пород верхней части разреза различны, что дает возможность изучать геофизическими методами их литологический состав и структурные взаимоотношения. Таблица физических свойств этих пород на Березовском рудном поле приведена авторами ранее [4, 5], потому укажем их типичные значения лишь в тексте при описании применения различных геофизических методов для решения инженерных задач.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

На одном из участков изысканий с известными дайками мощностью около 10 м известной по бурению мощностью рыхлых образований проведены комплексные геофизические исследования методами электроразведки, магниторазведки, гравиразведки. Поэтому есть возможность сравнить информативность применяемых методов. Применение этих же методов на других участках, а также метода малоглубинной сейсморазведки и радиометрии позволяет оценить эффективность всех этих геофизических методов более объективно.

На рис. 1 приведен план значений кажущегося удельного электрического сопротивления (УЭС) горных пород на глубине порядка 20–25 м. Он составлен по данным съемки планшета методом срединного градиента (МСГ) размером 100 × 80 м по сети 20 × 10 м. Разнос питающей линии составлял 220 м. Участок располагается в юго-восточной части Березовского. Значения кажущегося УЭС изменяются в диапазоне 60–280 Ом м. Это указывает степень выветривания скальных пород до состояния щебенисто-глинистого агрегата. Для условий Березовского рудного поля такая степень выветривания скальных на исследуемой глубине типична [4, 5]. По данным ВЭЗ № 5/5, мощность делювиальных суглинков в 10 м к западу от дайки № 53 достигает 16 м. К востоку от нее в 30–80 м – по данным Березовского рудника – до 12–16 м.

Рис. 1.

План значений кажущегося удельного электрического сопротивления на глубине порядка 20–25 м по данным планшета МСГ. Указано положение даек березитов, точки ВЭЗ, скважины и некоторые сооружения.

Значения кажущегося УЭС порядка 70–130 Ом м на планшете МСГ характеризуют распространение в разрезе выветренных базальтов [1, 3].

Дайки березитов Диагональная II и № 53 проявляются линейными зонами повышения кажущегося УЭС до 180–280 Ом м. По данным Березовского рудника, они не подвергались разработке. Верхняя кромка дайки Диагональная II скважиной № 7 вскрыта на глубине 8.5 м. В керне виден щебень светло-зеленых каолинизированных березитов с прожилками кварца, вкрапленностью кубических кристаллов сульфидов размером 2–4 мм, фактически это метаморфозы лимонита по пириту. По кривой ВЭЗ № 2/1, снятой вблизи скважины, кровля выветренных березитов с УЭС 138 Ом м залегает на глубине 7.8 м, кровля более прочных скальных березитов – на глубине 12.6 м, их УЭС достигает 206 Ом м.

Нерасчлененный по геоэлектрическим данным ВЭЗ № 2/1 слой рыхлых делювиальных и элювиальных суглинков светло-бурого, желтого цветов обладает УЭС порядка 35 Ом м. Это значение в полтора-два раза выше, чем УЭС бурых суглинков по базальтам в других частях исследованной точками ВЭЗ площади. Это обусловлено тем, что над дайками березитов, кварцевых жил в составе рыхлых присутствуют вторичные минералы аморфного кварца: опал, халцедон [5]. Таким образом, по данным электроразведки методами сопротивлений по значениям УЭС элювиальных суглинков можно предполагать литологический состав коренных пород.

Данные двух профилей дипольного электрического профилирования (ДЭП, питающий диполь 10 м, приемный 10 м, расстояние между непарными электродами 10 м), оценивающих кажущееся УЭС отложений на глубине порядка 5 м, также показывают, что в толще делювиальных суглинков над дайками березитов отмечается повышение УЭС. Над Диагональной II – до 40–50 Ом м, над дайкой № 53 – до 40 Ом м при фоновых значениях УЭС глинистого элювия по базальтам порядка 20–30 Ом м.

Отметим решение одной из важных структурных задач инженерно-геофизических исследований площадок: по данным планшета МСГ, дайка № 53 проходит под дорогой, а не в 10 м западнее ее, как это указано на геологических схемах. Такое в рудном поле отмечается нередко: не подвергавшиеся разработке дайки могут быть указаны на геологической карте и схемах с погрешностью в несколько метров, так как их истинное положение было некогда определено разведочными линиями через 100–250 м, а между ними их положение – интерполировано.

На профиле 2 длиной 90 м планшета МСГ проведены магниторазведочные и гравиразведочные работы шагом 5 м (рис. 2). Диапазон аномального магнитного поля – от минус 350 до 800 нТл относительно фонового значения геомагнитного поля 56 000 нТл. Резкая изменчивость поля от пикета к пикету обусловлена наличием металлических предметов (трубы, стальная арматура и др.) на месте бывших теплиц. Нами дополнительно были проведены исследования по трем соседним профилям. Графики аномального магнитного поля столь же изменчивы и между собой не коррелируются. Однако следует сослаться на опыт магниторазведочных работ на участке рудного поля, не осложненного техногенными помехами: над дайкой березитов в толще базальтов, перекрытых 5-метровым слоем суглинков, установлена локальная линейная отрицательная аномалия магнитного поля интенсивностью до сотни нТл. Магнитная восприимчивость березитов составляет (5–10) ⋅ 10^–5 ед. СИ, базальтов – в 5–10 раз выше [4].

Рис. 2.

Кривые ρ_к аномального магнитного и гравитационного полей на профиле № 2 планшета метода срединного градиента вкрест даек Диагональная II и № 53.

Гравитационное поле на профиле имеет региональное понижение 0.9 мГал с запада на восток. На фоне регионального снижения выделяются локальные участки понижения и повышения интенсивностью 0.1–0.3 мГал. Обе дайки березитов локальными отрицательными аномалиями не проявляются. Плотность березитов 2.6 г/см³, базальтов 2.8 г/см³. Расчетная локальная отрицательная аномалия от пласта мощностью 10 м с недостатком плотности должна составлять 0.3 мГал. Отсутствие аномалии в наблюденном поле обусловлено выступом выветренных березитов с плотностью порядка 2.5–2.6 г/см³ в толщу элювиальных суглинков с плотностью порядка 2.0 г/см³. Здесь образуется гравитирующий объект с избыточной плотностью. Таким образом, относительно легкие дайки березитов, а также кварцевые жилы, залегающие в рудном поле в толще относительно тяжелых базальтов, андезитов, хлоритовых сланцев, гравиразведкой, обнаружить затруднительно, так как искомые объекты в зоне гипергенеза более стойки к выветриванию и формируют в слое относительно легких перекрывающих суглинков выступы-гряды с избыточной плотностью.

Описанная выше структурная особенность верхней части разреза с дайками березитов и кварцевыми жилами является благоприятной предпосылкой для исследования предполагемых зон подработок малоглубинной сейсморазведкой. Кровля скальных под слоем суглинков и глинисто-щебенистой коры выветривания скальных является сильной отражающей и преломляющей сейсмической границей. На толще базальтов, андезитов, березитов она резкая, так как переходный слой глинисто-щебенистой коры имеет мощность небольшую – 2–4 м. Скорость упругих волн в толще делювиальных суглинков – 400–800 м/с, в базальтах – 1500–2000 м/с, в березитах – до 3000 м/с. Любой из методов малоглубинной сейсморазведки – КМПВ²², МОГТ³³ – установит мощность слоя рыхлых над вмещающими дайку породами основного состава и структурный выступ дайки скальных березитов в толщу рыхлых. Такой геосейсмический разрез был получен над дайкой золотоносных гранитов в районе Гагарского месторождения. Локальные старательские выработки сечением 1–2 м в толще березитовой дайки возможно обнаружить, если волновое сейсмическое поле будет исследовано в частотном диапазоне более 1 КГц.

Гранит-порфиры Березовского рудного поля (березиты) обладают естественной гамма-активностью порядка 15–25 мкР/час. Это в 2–5 раз выше, чем гамма-активность вмещающих дайки пород основного состава и кварцевых жил. Однако слой делювиальных суглинков мощностью даже в 2–3 м с фоновыми значениями гамма-активности порядка 5–10 мкР/час не позволяет широко применять полевую радиометрию для уточнения положения в разрезе даек березитов.

Что касается решения важнейшей инженерно-геологической задачи обнаружения в верхней части разреза возможных старательских выработок, то она представляется для существующего геофизического комплекса проблемной. Вопросы разрешающей способности электроразведки методами сопротивлений, гравиразведки при поисках локальных объектов рассмотрены [6, 7] в 1980-е годы и остаются столь же неутешительными, несмотря на разработку более чувствительной аппаратуры и некоторых новых методов. Фактически полую выработку (изолятор) можно обнаружить по отрицательной аномалии гравитационного поля, если глубина до ее верхней кромки не превышает ее диаметра. Однако сеть исследований должна быть соизмерима с размером искомой выработки, т.е. порядка 2 × 2 м. Если выработка заполнена глинистыми образованиями, интенсивность аномалии от нее уменьшается до 0.05–0.2 мГал, она становится соизмеримой с аномалиями от многочисленных плотностных неоднородностей в верхней части разреза, которые исследователю неизвестны.

На рис. 3 и 4 приведены материалы геофизических работ, проведенных на трех профилях, пересекающих красичную жилу № 255. Расстояние между профилями около 30 м, длина их 60 м. Жила № 255 имеет северо-западное простирание, субвертикальная, мощностью 4–6 м, длина ее более 100 м, она выработана и заполнена грунтом. Жила пересекает 10-метровой мощности дайку гранит-порфиров субмеридиональной ориентировки с УЭС 600–1000 Ом м. По данным планшета МСГ с разносом питающей линии 220 м (глубина оценки ρ_к порядка 25–30 м), длиной приемного диполя 10 м, выработанная кварцевая жила на фоне картины изоом, характеризующих УЭС лиственитов (300–400 Ом м), базальтов (100–200 Ом м), гранит-порфиров (600–1000 Ом м) не проявляется. По данным планшетов МСГ с разносами питающей линии 130 м (глубина оценки ρ_к порядка 12–15 м), длина приемной линии 5 м, жила проявляется локальными понижениями и повышениями кажущегося УЭС (см. рис. 3). Последнее подтверждает известное положение о необходимости соизмеримости длины и шага исследований с размерами искомых объектов.

Рис. 3.

Фрагмент плана изоом сводных планшетов МСГ с разносами питающей линии 130 м (глубина оценки ρ_к порядка 12–15 м) с отражением элементов выработанной красичной жилы № 255: в северо-западной части остатки жильного кварца или полые выработки проявляются относительным повышением ρ_к; в восточном борту высокоомного тела гранит-порфиров заполненное глинистым материалом пространство выработанной жилы проявляется относительным снижением ρ_к. Красные линии – оси предполагаемых тектонических нарушений. Голубые и зеленые квадратики – возможные локальные изоляторы и проводники в интервале глубин 12–15 м.

Рис. 4.

Вертикальные карты сопротивления по данным ВЭЗ (условная глубина принята в 0.25 от разносов питающей линии) над профилями вкрест выработанной до глубины 17 м красичной кварцевой жилой № 255 мощностью 4–6 м и фрагмент аномального гравитационного поля в редукции Буге, указаны фоновые значения поля над вмещающими породами к юго-западу от жилы. Голубыми линиями показано предполагаемое положение глинистого заполнения на месте выработанной жилы.

Детализационные работы на профилях методами ВЭЗ, гравиразведки, магниторазведки шагом 5 м показывают (см. рис. 4) довольно однообразную двухслойную структуру верхней части разреза. Магнитное поле на рисунке не приведено, так как оно ровное безаномальное на всех профилях на всей их протяженности в 60 м. Гравитационое поле в северо-восточной части профилей, над зоной выработки дайки, пониженное, что вызвано недостатком массы из-за заполнения выработанного пространства рыхлым глинистым материалом. Однако при наличии 6–10-метрового покрова таких же относительно легких глинистых делювиально-элювиальных суглинков на профиле по гравитационным аномалиям невозможно определить мощность пластоообразного тела суглинков, заполняющих выработанное пространство кварцевой жилы до глубины 17 м.

По данным ВЭЗ (симметричная установка, приемный диполь 2 м, полуразносы питающей линии АВ/2 равнялись 2, 3, 5, 9, 15, 25 м) на глубине порядка 8–10 м выделяется опорная высокоомная граница по кровле скальных пород. Положение пласта-проводника из суглинистого заполнителя выработанной жилы не проявляется в верхней рыхлой части разреза и среди скальных до глубины порядка 12 м.

Таким образом, по детализационным геофизическим работам над отработанной кварцевой жилой можно сделать вывод о заполнении отработанного пространства глинистым рыхлым электропроводным материалом. Глубину отработки установить не удается. И можно сделать вывод об отсутствии пустот в недрах.

Применение георадарной съемки для исследования зон подработок даек березитов и кварцевых жил возможно и целесообразно, если мощность рыхлых глинистых образований над искомыми объектами не превышает первые метры – из-за высокой поглощающей способности суглинков для ультракоротких радиоволн.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, опыт проведения инженерных геофизических исследований зон подработок березитовых даек и кварцевых красичных жил на площади Березовского рудного поля позволяет сделать вывод об информативности различных геофизических методов. Самыми информативными в комплексе методов являются электроразведочные методы сопротивлений (МСГ, ВЭЗ, СЭП) и малоглубинная сейсморазведка. При отсутствии техногенного загрязнения участков исследований истинное положение даек березитов и кварцевых жил можно выявить магниторазведкой.

Обнаружение полых выработок в толще дайки березитов или кварцевой жилы возможно при их размерах, соизмеримых с глубиной до их верхней кромки, а также при использовании георадарной съемки над участками, не перекрытыми толщей делювиально-элювиальных суглинков.