CC BY
19
УДК 553.3:552.574 (470.5)
А.В.Кузин
СЕЙСМОГЕОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КАМЕННОГО УГЛЯ ВОСТОЧНОГО СКЛОНА СРЕДНЕГО УРАЛА
В последние годы в связи с необходимостью вовлечения в хозяйственный оборот местных углей возникает задача оценки количества, мощности пластов, степени их сохранности в условиях высокой тектонической нарушенности угленосных толщ Восточного Зауралья [1], задача оценки физико-механических свойств горных пород в местах проектирования неглубоких (до 100 м) карьеров для разработки пластов углей открытым способом [6]. Если первая из задач может быть решена при разведке месторождений бурением и стандартным комплексом ГИС, то вторая - комплексом ссйсмоакустических исследований.
Дтя составления сейсмогсологической модели угольных месторождений нами проведены определения плотности и скорости продольных ультразвуковых колебаний (УЗК) в образцах горных пород и углей, хранящихся в учебных коллекциях кафедры геологии месторождений полезных ископаемых УГТГА. Аппаратура УЗК - дефектоскоп У КБ -I М. Частота УЗК 60 кГц. Определение скорости проведено методом прозвучивания: с одной стороны к образцу прижимали пьезоэлектрический датчик УЗК. с противоположной -приемник. Скорость рассчитывалась как частное от деления длины образца (пробега волны) на время пробега волны через образец Длина образцов составляла от 30 до 120 мм. Всего было исследовано около 90 образцов горных пород и 26 образцов углей. Среди образцов выделены несколько литологичсских групп. При расчетах средних значений плотности и скорости УЗК для различных литологичсских групп выборки проверялись на соответствие распределения измеренных значений нормальному закону распределения. Для оценки погрешности определения скорости выполнено 24 повторных замера. Средняя относительная погрешность составила 13%. Результаты измерений приведены в табл. I.
Таблица I
Средине значения скорости УЗК в образцах горных порол и углей на месторождениях Восточного Зауралья
Литологическпк Количество Скорость, 11.101» ость. Возраст тсиши
разность измерений м/с г/см' Месторождения
Песчашосн 21 1850 ±323 2.66±0.12 С| 1-У
Алевролиты 20 2030 ±406 2.66±0.12 Епонскос, Махневекос,
Ерзовскос
Аргиллиты 16 1980 ±350 2.58±0.08
Угли камешсыс 9 800 ±90 1.52±0.12
Угли каменные 17 873 ± 220 1.37±0.10 Ъ -Зг
Швестняки 4 2800 ± 210 Б\-ланашскос
Гравелиты и 8 2300 ± 325 2.65Ю.03 Е'цаднское
конгломерата
Коэффициенты корреляции между значениями плотности и скорости в литологических группах оказались низкими - порядка 0.05-0.3
Для геологических условий Полдневского месторождения каменных углей езннекаменноугольного возраста, располагающегося в южной части Сухо л ожско-Каменской угленосной полосы, составим сейсмогеологическую модель и оценим возможность
проведения на месторождениях тех или иных видов сейсморазведомных работ.
Л» }.*> *st гя'А*'
иезиноиич
t 2 j * s с i а
Рис 1. Структурно-всщсствениые комплексы Полдневского месторождения каменных углей:
I • известняхи, 2 - песчаники иолимиктовые, 3 - алевролиты, А • конгломераты полимиктозые, 5 • переслаивание алевролитов, глинистых пссчяиихон, пропластхов утля, 6 - аргиллиты известковые, 7 - каменный уголь, 8 - сечение для расчетной сейсмогеалогической модели Цифрами указаны параметры; плотность (г/см3), :корость продольных ноли (м/с), коэффициент поглощения (дб/м)
Главная особенность геологического строения угольных месторождений Восточного Зауралья [1,6] - крутое (30-75°) залегание стратифицированных угленосных толщ (рис.1). Потому расположение сейсмических профилен вкрест простирания крутопадающих толщ нецелесообразно, т.к. это приведет к регистрации чрезвычайно сложной волновой картины, потребует специфических приемов возбуждения и регистрации еолн, применения специальных алгоритмов обработки [2J.
Рассмотрим возможности полевой сейсморазведки при расположении профилей вдоль простирания крутопадаюшнх толщ. Для этого составим сейсмогеологичсскую модель для разреза, секущего по нормали напластование слоев. Для расчетов (табл.2) значения скоростей сейсмических волн в горных породах приняты равными скоростям УЗК в образцах пород, значения плотности слоев - по измерениям и литературным источникам [4], значения коэффициентов поглощения упругих волн (см. рис.1) - из [5]. Для сейсмогеологической модели рассчитаны параметры: эффективная скорость (V^,), вертикальное время (to), коэффициент отражения (к), длина волны (X) для частоты полезных волн 80-120 Гц
Резкий скачок скоростей (Vi/V2=0,43,CM.Ta6n.l) на подошве глин четвертичного возраста обусловливает появление головной волны Г>, распространяющейся с кажущейся скоростью волн
в нижележащем слое конгломератов. Концентрация сейсмической энергии в слое глин, характеризующихся низкой акустической жесткостью, приведет к образованию интенсивных поверхностных волн рслеевского типа со скоростью порядка 400-600 м/с (рис.2).
у Головная волна Г| придет к приемникам
первой. Она может иметь 3-4 фазы колебаний с периодом каждой фазы порядка 20 мс [2, 3] . т.е. на сейсмограмме они займут 60-80 мс записи и перекроют фазы первых вступлений отраженных волн от 2, 3, 4 границ.
Как видно на теоретических годографах, фазы колебаний прямой волны, рслесвских волн перекроют волновое поле полезных отраженных волн.
Изменение по простиранию сейсмического профиля углов падения пластов изменит вертикальное время хода сейсмических лучей до отражающих и преломляющих границ, и это изменение невозможно отличить от изменения вертикального времени, обусловленного воздыманием, погружением или поворотом пластов.
Сильные отражающие границы (к=0,5) на подошве и кровле пластов углей создадут Рис.2. Теоретические годографы условия для концентрации сейсмической
сейсмических волн на месторождении энергии внутри пластов. Их на месторождениях,
каменного угля. как правило, несколько.
Пояснения в тексте
Таблица 2
Параметры сейсмогсологичсской модели месторождения каменных углей Восточного Зауралья
Глубина Н. м Мощность Км Литология Плотность, г/см' Пластовая скоросл, V«. м/с Номер границы Коэфф. отражения. к Длим вол ИМ >.. м
20 20 Глины 2.00 1000 1 0.5 8-11
60 40 Конгломераты 2.60 2300 2 -0.07 19-26
90 30 Алевролиты 255 2030 3 -0.53 17-22
95 5 Угли 1.60 1000 4 0.49 8-11
145 50 Песчаники 2.50 1850 5 0.13 15-21
245 100 Конгломераты 2.64 2300 6 -0.08 19-26
345 100 Аргиллиты 2.58 1970 7 г 16-22
А коэффициент поглощения упругих волн 8 углях (см рие.i) самый высокий. То есть пласты угля выступят волноводами, в которых энергия упругих волн сильно затухает. Расчетное отношение амплитуды полезной волны (без учета поглощения), прошедшей приповерхностный слой глин, отразившейся от подошвы пласта и вернувшейся к приемникам на поверхности земля, к амплитуде прямой волны (помехи) составит 0.125. Такое же отношение для отраженной волны, прошедшей через два слоя угля, составит 0.031. т.е. отношение помеха - сигнал составит величину 32.
При расчетной частоте полезных волн в 80-120 Гц длины волн в исследуемых пластах горных пород составят 15-25 м, что позволит разделять фазы волн от пластов мощностью более 10 м. Пласты угля, имеющие мощность 1-5 м, являются "тонкими", т.с особенности их строения наземными методами сейсморазведки установить не удастся.
Из всех вышеприведенных обстоятельств следует сделать вывод о сложных сейсмогеологнческих условиях на месторождениях угля Восточного Зауралья для постановки на mix наземных методов сейсморазведки MOB И МПВ.
Для определения пластовых скоростей продольных и поперечных волн на угольных месторождениях целесообразно применить метод вертикального сейсмического профилирования (ВСП). Пункт возбуждения следует располагать в 40-80 м от устья скважин, по направлению падения пород, с тем, чтобы получить непродольные годографы прямых проходящих волн. При одновременной регистрации трехкомпонентными скважинными приемниками продольных и поперечных волн [2] следует отдать предпочтение методическим приемам возбуждения поперечных волн, так как продольные волны придут в первых вступлениях, а фазы поперечных волн придется выделять на фоне обменных волн-помех И для ВСП пласты угля останутся "тонкими" и будут значительно ослаблять амплитуду проходящих волн.
Исследование пластов угля в межскважинном пространстве: возможные пережимы, раздувы мощности, смещение по тектоническим нарушениям и т.п. - целесообразно провести по методике межскважинного прозвучивания [3], используя распространение в угольных пластах-волноводах "каналовых" волн, изучая их энергетические и спектральные характеристики.
Детальное расчленение пластов горных порс& и углей по скоростям продольных и поперечных волн, по коэффициентам затухания продольных н поперечных волн может быть выполнено по методике многоволнового акустического каротажа [2,5],
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Геология угольных месторождений Урала: Сб. иауч трудов.- Свердловск: УНЦ АН СССР, 1986. - 104 с.
2. Исследовании по многоволновому акустическому каротажу н сейсмомодслированню: Сб. науч. трудов/АН СССР. Сиб. отделение ИГнГ СО АН СССР. 1990 - 163 с.
3. Карус Е.В., Кузнецов О.Л., Файзуллин И.С. Межскважнниое прозвучнваиис. - М.:Недрз, 1986.- 149 с.
4. Семенов Б.Г., Сухорукое А.М., Казачнхни В.А. Применение геофизических методов при поисках угля в Среднем Зауралье (некоторые результаты и методика прогнозирования)//Глубнннос строение и развитие Урала: Материалы научно-производственной конференции, посвященной 50-летню Баженовской геофизической экспедиции. - Екатеринбург: Наука. Урал.отделение. 1996. - С. 173-185.
5. Скобочкнн Ю.А. Исследование эффективности и разработка методики акустического каротажа при изучении горно-геологических особенностей месторождений каменного угля: Авторсф. ...
канд.геол.минер.наук. - Екатеринбург - 1997, - 24 с.
6 Угольная база Урала. Состояние и перспективы развит ия./Кривнхнн C.B., Сухорукое А.М., Алексеев В.Г1 и др. //Известна вузов. Горный журнал. - 1993. - N5. - Специальный выпуск: Уральское горное обозрение. - 1993. - N1. - С. 19-29.
УДК 550.837
С. С. Сысков
АНИЗОТРОПИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ТРЕЩИНОВАТОЙ ПОРОДЫ
На основании многолетних исследований кафедры прикладной геофизики по объемному изучению анизотропии электропроводности рудовмещаюшнх пород, выполненных во многих рудных районах Урала, было доказано широкое распространение трехосных анизотропных сред [1,5.7], реальность которых ранее не признавалась [10]. Для оценки анизотропии пород использовались как специальные измерения, так и результаты метода заряда при заземлении в безрудные скважины. При таких исследованиях удастся получить осредненную характеристику анизотропии электрических свойств для больших массивов породы объемом в десятки миллионов кубометров и более. По результатам этих измерений определялись ориентировка осей тензора удельного электрического сопротивления (УЭС) в пространстве и значения УЭС на этих осях, а
затем вычислялись полный коэффициент анизотропии Я и т.н. коэффициент анизотропии в
плоскости сланцеватости Л( . характеризующий наличие в породе трехосной анизотропии, если
Я>ЯС > 1 [5].
Геологическая природа трехосной анизотропии пород связана, главным образом, с наличием в них разноориентнрованных систем заполненных водой трещин различной формы, зависящей от структурно-текстурных особенностей и метаморфических изменений. Для трещиноватых водонасыщснных малопористых пород с объемной пористостью менее 3-5% по теоретическим исследованиям и практическим измерениям на образцах и стенках горных выработок коэффициент
анизотропии Яг обычно не превышал 1,4-1,5.
Более высокие значения Яг наблюдались только при наличии в горных породах нензометричных упорядочение ориентированных электропроводных включений, например
скоплений рудной вкрапленносп\ Поэтому аномально высокие значения Я. предлагалось рассматривать как дополнительный критерий при оценке потенциальной рудоносностн участка Основанный на этом принципе метод поисков гидротермальных месторождений был признан изобретением СССР [1] . и длительное время основной целью изучения объемной анизотропии пород являлось картирование участков рудовмешающнх метасоматитов с повышенными, более 14
- 1.5, значениями коэффициента анизотропии Я. .
Исследование объемной анизотропии в различных районах Среднего и Южного Урала показало, что более чем в 80 % случаев анизотропия пород объясняется их трешиноватостью. Поэтому имеет смысл использовать полученные характеристики анизотропии электропроводности для количественной оценки объемной трещинной пористости как для массива в целом, так и для главных направлений тензора электропроводности. Рассмотрим в этой связи наиболее часто
