Введение
Проблема выявления целиков и погребённых отработанных россыпей на лицензионных площадях нередко возникает, когда недропользователи, приступая к разработке месторождения, вскрывают уже перемытые рыхлые отложения, оставшиеся от хищнических отработок или неучтённой добычи прошлых лет. История золотодобычи на некоторых россыпных месторождениях насчитывает несколько сотен лет, такие россыпи отрабатывались многократно. Часто бывает, что документация со схемами отработки россыпи не сохранилась.
В перемытых рыхлых отложениях нередко находятся значимые остаточные содержания золота. В таком случае россыпи называются техногенными. Например, за период с 1848 по 2018 г. из россыпей на территории Тувы было добыто около 50 т золота [Прудников, Хертек, 2019]. При этом в разные этапы освоения россыпей на местах добычи формировались отвалы перемытых песков от мускульной, дражной и гидравлической отработки с содержанием золота до 379 мг/м3 [там же]. В связи с развитием технологий добычи техногенные россыпи стали представлять интерес для повторной отработки.
В случае нерекультивированных галеэфельных отвалов необходимость в оконтуривании отработанной россыпи не возникает. Если же в долине реки проводилась рекультивация, то при повторной отработке остро встаёт проблема определения границ перемытых отложений и целиков под планированными (разровненными) отвалами.
Мы предполагаем, что ранее задача выявления отработанных россыпей среди целиков считалась сложной, поскольку неясны были интерпретационные критерии распознавания таких объектов. Целью настоящей работы является определение специфических геоэлектрических признаков погребённых перемытых «песков» и «торфов», которые позволят отличать их от аллювиальных отложений в естественном залегании (целиков).
Геологическая модель
Геологическая модель аллювиальной россыпи в естественном залегании составлена на основе литературных данных [Kartashov, 1971; Баранников, 1984]. На коренных породах (плотике) залегают отложения фации кос и береговых отмелей, в которые вложено палеорусло, заполненное фацией плёсов и перекатов (рис. 1, а).
Породы плотика могут быть разными — карбонатные, песчаники, сланцы, метаморфические и магматические породы. В большинстве случаев эти породы на контакте с аллювиальными отложениями интенсивно трещиноватые или выветрелые до состояния щебня с суглинистым заполнителем или суглинка.
Пойменная фация формируется в периоды половодий и представляет собой супесчано-суглинистый материал.
Фация кос и береговых отмелей сложена мелким и хорошо промытым песчаным материалом с правильной крупной косой слойчатостью диагонального типа.
Фация плёсов и перекатов представляет собой валунно-галечниковые отложения. Именно эта фация богата россыпным золотом и является объектом поисков при геофизических исследованиях.
В процессе отработки россыпи гидравлическим или дражным способом на поверхности формируют галеэфельные отвалы. При рекультивации эти отвалы разравнивают бульдозерами, в результате чего получают слой техногенных отложений смешанного фациального состава (рис. 1, б).
Геоэлектрическая модель
Состав фаций определяет их электрические свойства. В обводнённых отложениях речной долины удельное электрическое сопротивление (УЭС) пород определяет не влажность, а гранулометрический состав. Здесь мы не учитываем влияние минерализации подземных вод на УЭС, считая, что в пределах речной долины она постоянна или изменяется незначительно.
Известно, что в ряду галечник-песок-супесь-глина УЭС пород закономерно уменьшается [Вахромеев и др., 1997; Schön, 2015]. Эта зависимость справедлива как для талых, так и для мёрзлых пород. Хорошо промытые валунно-галечниковые отложения имеют максимальное УЭС, достигающее первых тысяч Ом∙м. Песчаный и суглинистый заполнитель уменьшает УЭС валунно-галечниковых отложений, но оно по-прежнему остаётся высоким относительно УЭС пород других фаций.
Опыт наших исследований показал, что породы аллювиальных россыпей Сибири и Дальнего Востока имеют следующие электрические свойства.
УЭС песков фации кос и береговых отмелей изменяется в пределах первых сотен Ом∙м и зависит от крупности песка и примеси илистых частиц.
Пойменная фация имеет самое низкое УЭС (первые десятки Ом∙м), что связано с её высокой глинистостью.
Электрические свойства пород плотика также определяются их литологическим составом, степенью трещиноватости и выветрелости. УЭС карбонатных, магматических и метаморфических пород изменяется в пределах от первых сотен до первых тысяч Ом∙м, а в некоторых случаях до первых десятков тысяч Ом∙м. Низкое и весьма низкое УЭС (первые десятки — единицы Ом∙м) наблюдается у плотиков, сложенных аргиллитами, глинистыми сланцами, особенно пиритизированной черносланцевой формации. В коре выветривания пород плотика и в зоне экзогенной трещиноватости УЭС изменяется в пределах первых десятков Ом∙м [там же].
В условиях криолитозоны УЭС аллювиальных отложений возрастает в десятки-сотни раз. Мёрзлые отложения русловой фации аллювия имеют УЭС от нескольких тысяч до первых десятков тысяч Ом∙м.
Численное моделирование
Численное моделирование данных электротомографии выполнялось с помощью программы ZondRes2D [Kaminsky, 2017]. Использованы следующие параметры системы наблюдений: трехэлектродная прямая и обратная установки, количество электродов — 48, шаг между электродами — 2 м.
Для инверсии модельных данных использована программа Res2Dinv [Loke, 2003].
В случае целиковой россыпи двумерная геоэлектрическая модель представляет собой горизонтально слоистую среду с высокоомным включением, имитирующем палеорусло (рис. 2, а). Верхний слой — пойменная фация с УЭС 100 Ом∙м, ниже залегает фация кос и береговых отмелей (300 Ом∙м), внутри которой вложено высокоомное (2500 Ом∙м) палеорусло с отложениями фации плёсов и перекатов. Плотик в модели имеет УЭС 30 Ом·м, что соответствует выветрелым породам (элювий).
Геоэлектрическая модель рекультивированного полигона (рис. 2, б) представляет собой описанную выше трёхслойную горизонтально слоистую модель, в которой слой техногенных отложений полифациального состава имеет единое значение УЭС 300 Ом∙м. Незакономерное распределение валунов из палеорусла в техногенном слое не приводит к существенному увеличению УЭС последнего. Отсутствие высокоомного включения в модели погребённого отработанного полигона является главным отличием от модели целиковой россыпи. На этом и основана методика выявления отработанных россыпей по данным электротомографии.
На разрезе кажущегося сопротивления (rк), полученного по результатам решения прямой задачи, в случае целиковой россыпи выделяется аномалия повышенного rк от палеорусла (рис. 2, в).
В результате решения обратной задачи восстанавливается пространственное положение палеорусла, однако мощность русловой фации завышена (рис. 2, д).
Для модели рекультивированного полигона на разрезе rк отсутствует локальная высокоомная аномалия (рис. 2, г), а в результате инверсии с достаточной точностью восстанавливается горизонтально слоистое строение разреза (рис. 2, е) с однородным по УЭС слоем техногенных отложений.
Численное моделирование показало критерии распознавания целиковой россыпи и рекультивированного полигона отработанной россыпи по данным электротомографии. Такими критериями на разрезах УЭС по результатам 2-D инверсии являются наличие локальной высокоомной аномалии от палеорусла в случае целиковой россыпи и однородный по УЭС слой в случае рекультивированного полигона.
Примеры полевых исследований
Основы метода электротомографии, технологии измерений и обработки данных изложены в [Daily et al., 2005; Loke et al., 2011]. При полевых исследованиях применялась аппаратура Скала-48к12. Последовательность подключения электродов соответствовала одной из установок — Шлюмберже, дипольно-осевой, трёхэлектродной или их комбинации. Расстояние между электродами составляло 5 м.
В долине реки Горхон (Забайкалье) съемка ЭТ проведена на участках с известными границами рекультивированного полигона. В 1982–1990 годах россыпь в долине р. Горхон детально разведана, подсчитаны и утверждены балансовые и забалансовые запасы. Россыпь отработана дражным способом и частично рекультивирована. Общая мощность рыхлых отложений на реке составляла около 5 м, золотоносного пласта — 1,5 м. Коренные породы на участке представлены сланцами, гнейсами и гранитами. На геоэлектрическом разрезе по профилю через целик (рис. 3, а) в верхней части выделяется высокоомный слой (1000–15000 Ом∙м) аллювия на фоне низкоомных сланцев в плотике. Перспективные для будущей отработки отложения русловой фации (целик) выделяются в интервале 180–300 м. Значения УЭС более 5000 Ом∙м связаны как с литологическим составом валунно-галечниковых отложений, так и с их мерзлым состоянием. Мощность отложений русловой фации скорее всего меньше, чем толщина аномалии, как было показано ранее по результатам численного моделирования. На геоэлектрическом разрезе по профилю через рекультивированный полигон (рис. 3, б) в интервале 190–430 м рыхлые отложения выделяются выдержанным по мощности однородным геоэлектрическим слоем с УЭС, изменяющимся в узком диапазоне от 1900 до 2300 Ом∙м. Такой однородный геоэлектрический слой является признаком отработанной россыпи.
Ещё один пример. Исследования в долине реки Воскресенка в Кемеровской области проведены работы с целью определения рельефа плотика. Один из профилей пересекал залесённый участок с вековыми деревьями, и только заросшая водоотводная канава была признаком того, что в этом месте долины реки велась добыча россыпного золота много лет назад. По историческим сведениям, добыча золота на Воскресенском прииске проводилась с середины XIX века. Золотоносный пласт залегал на глубине от 1,5 до 6 м. Породы плотика представлены эффузивами. На геоэлектрическом разрезе (рис. 4, а) участок долины в интервале профиля 100–160 м в верхней части разреза представляет собой слой с УЭС 270–340 Ом∙м. Такой однородный геоэлектрический слой является признаком отработанной россыпи, так как ни в пределах современного русла р. Воскресенка, ни в остальной части долины не выделяются скопления высокоомных валунно-галечниковых отложений.
Подобные признаки рекультивированных полигонов были обнаружены и в Магаданской области на участке Гвардеец, где стояла задача поисков целиков, а также в Алтайском крае в долине реки Ануй на участке с техногенно изменённым рельефом. Это означает, что методика выявления целиков отработанных россыпей универсальна для разных регионов.
Анализ данных электротомографии аллювиальных россыпей показал, что рыхлые отложения рекультивированных полигонов отличаются однородностью распределения УЭС. Установлено, что целиковые (неотработанные) участки россыпей распознаются аномалиям высокого УЭС в верхней части геоэлектрического разреза. Если россыпь полностью отработана до плотика, то высокоомная аномалия в верхней части разреза отсутствует.
Независимо от района исследований и геологической ситуации геоэлектрические критерии выделения целикового руслового аллювия и рекультивированных полигонов сохраняются.
Заключение
По результатам численного моделирования и полевых исследований методом электротомографии целиковых и отработанных аллювиальных россыпей Сибири и Дальнего Востока нами установлены геоэлектрические признаки рекультивированных перемытых отложений, которые позволяют отличать их от аллювиальных отложений в естественном залегании (целики).
Численное моделирование показало, что критерием распознавания целиковой россыпи является наличие на двумерных геоэлектрических разрезах локальной высокоомной аномалии от палеорусла. Рекультивированный полигон отработанной россыпи выделяется по выдержанному по мощности слою с однородным УЭС в верхней части разреза. На этом и основана методика выявления отработанных россыпей по данным электротомографии.
Данные полевых исследований подтверждают результаты численного моделирования. Установленные критерии остаются неизменными для разных геологических ситуаций и геокриологических условий.
Мы показали, что метод электротомографии позволяет решать задачу выявления отработанных россыпей среди целиков и нетронутых участков в пределах рекультивированных полигонов, что необходимо внедрять в практику поисковых и разведочных работ на россыпное золото. Аналогичный подход следует применять и при изучении техногенных россыпей.
Исследования выполнены при поддержке проекта Программы фундаментальных научных исследований № FWZZ-2022-0024.
Список литературы
1. Баранников А.Г. Геология и разведка россыпных месторождений // Свердловск. — 1984. — 75 с.
2. Вахромеев Г. С., Ерофеев В.С., Канайкин В.С. Петрофизика //Томск: ТГУ. — 1997. — 462 с.
3. Прудников С.Г., Хертек Ч.М. Оценка ресурсов техногенных образований отработанных россыпей золота Кара-Чем, Проездной (Тува) //Успехи современного естествознания.—2019. — № 2. — С. 67–72.
4. Kartashov I. P. Geological features of alluvial placers //Economic Geology. — 1971. — Т. 66. — №. 6. — С. 879-885.
5. Schön J. H. Physical properties of rocks: Fundamentals and principles of petrophysics. — Elsevier, 2015. — 512 p.
6. Kaminsky A. E. ZondRes2D. Software for two-dimensional interpretation of DC resistivity and IP data //Zond Geophysical Software, Saint-Petersburg, Russia, 2010. — 139 p.
7. Loke M.H. RES2DINV-Rapid 2D Resistivity and IP Inversion Using the Least-Squares Method //Geotomo Software Manual, Malaysia, 2003. — 127 p.
8. Electrical resistance tomography – theory and practice / Daily W., Ramirez A., Binley A., LaBrecque D. // Near Surface Geophysics. — 2005. — No. 13. — P. 525–550
9. Loke M., Rucker D. F., Chambers J. E., Wilkinson P. B., Kuras O. Electrical resistivity surveys and data interpretation //Solid Earth Geophysics Encyclopedia (2nd Edition) «Electrical & Electromagnetic». — Springer Verlag, 2011. — P. 276–283.
Авторы
Осипова Полина Сергеевна, младший научный сотрудник Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН, 630090, Россия, г.Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3.
E-mail: OsipovaPS@ipgg.sbras.ru
Оленченко Владимир Владимирович, кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН, 630090, Россия, г.Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3.
E-mail: OlenchenkoVV@ipgg.sbras.ru