ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЗАМЕРОВ УГЛА ПЛОСКОСТНЫХ СТРУКТУР К ОСИ НЕОРИЕНТИРОВАННОГО КЕРНА ПРИ ПОСТРОЕНИИ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ РАЗРЕЗОВ

USING ANGLES BETWEEN PLANAR GEOLOGICAL STRUCTURES AND THE REGULAR DRILLING CORE AXIS IN DRAWING GEOLOGICAL CROSS-SECTIONS

Viktor Slastnikov

leading geologist, Dongshang Investments Ltd, Dubai, UAE, postgraduate,

Saint-Petersburg mining university,

Russia, Saint-Petersburg

АННОТАЦИЯ

Цель проведенного исследования – выработка методики использования замеров углов к оси неориентированного керна как маркера изменения падения прослеживаемых бурением структур. Предложено решение поставленной проблемы с применением статистической обработки массивов замеров элементов залегания и углов к оси керна прослеживаемых структур. Способ базируется на расчете с определенным шагом возможных угла и азимута падения по углу к оси керна с поправкой на азимут и угол бурения. Измеренные элементы залегания прослеживаемой структуры или геологического тела сравниваются с массивом расчетных элементов залегания: их несовпадение по углу и азимуту падения служит показателем изменения падения прослеживаемой структуры или тела в месте пересечения его скважиной. Предлагаемая методика была успешно апробирована автором при исследовании структуры рудной зоны Водораздельная Многовершинного месторождения [8].

ABSTRACT

The aim of the investigation was to develop the method of trasing geological structures using their azimuth, dip and measured angles to the core axis as markers of changes in their dipping. The proposed method is based on discrete calculation of probable dipping azimuth and angle upon measured angle between a structure and the core axis. Measured dipping of the investigated structure or a geological body are to be compared with the calculated ones. Difference between them indicates change of dipping of the investigated structure, crossed by the well. The proposed method was probed in the author`s investigation of the geological structure of the Vodorazdelnaya ore zone, a part of the Mnogovershinnoye gold deposit [8].

Ключевые слова: колонковое бурение, керн, угол к оси керна, структурный анализ.

Keywords: core drilling, core description, angle to the core axis, analysis of geological structures.

Постановка проблемы

Бурение с отбором керна поставляет информацию о составе и строении горных пород. Диаметр столбика керна составляет около 10 см и, за редким исключением бурения вдоль выраженной границы различных образований, химический и минеральный составы изотропны в плоскости, нормальной оси керна. Таким образом, для определения содержания рудных элементов знать ориентировку столбика керна в пространстве не требуется: для отбора керновых проб для определения химического состава горных пород и руд ведется отбор неориентированного керна. Отбор азимутально ориентированного керна вследствие его относительной трудоемкости и, как следствие, дороговизны используется преимущественно для исследования технологических свойств горных пород на завершающих стадиях разведки месторождений [1, с. 579–588; 6, с. 180–182].

На сегодняшний день сложилась во многом парадоксальная ситуация: в комплекс разведочных и поисковых работ повсеместно входит колонковое бурение, сопровождаемое подробной документацией и опробованием неориентированного керна. При проведении документации проводится измерение углов к оси керна для контактов, прожилков, трещин [12, c. 105], эти данные заносятся в реляционные электронные базы данных (АГР, MS Access). Однако при обработке документации часть структурной информации не может быть использована при анализе строения месторождения по причине невозможности ее однозначной интерпретации: как было указанно выше, замеры углов к оси керна могут быть однозначно пересчитаны в элементы залегания только в случае проведения их по ориентированному керну, промаркированному с применением специальных устройств – керноориентаторов [11, с. 20–26]. Если же ориентировка керна в скважине не известна, то все возможные равновероятные положения элемента образуют конус, ось вращения которого совпадает с осью керна. Вышеописанное противоречие между способом отбора проб и его описания не рефлексируется: в базах данных накапливается огромный массив структурных данных, используемых лишь частично. В настоящее время ведущим методом в производственной практике является учет угла структурного элемента к оси неориентированного керна в одной ориентировке – в плоскости разреза по скважине, слева или справа от проекции скважины (Micromine), что оправданно только в случае, если падение пересеченных бурением границ, жил, трещиноватости известно.

Построение разрезов по результатам бурения

Составление планов и разрезов как основной способ визуализации результатов разведочных работ до конца ХХ века преимущественно выполнялось в аналоговом виде. Интенсивное развитие информационных технологий и рост производительности компьютерных систем вместе с их удешевлением позволил сегодня практически все графические построения выполнить при помощи специализированного программного обеспечения. То, что компьютерное программное обеспечение воспринимает только формализованное математическое описание объектов, обусловило слияние методов математического анализа и описания и визуализации результатов геологоразведочных работ. Примером может послужить визуализация серии разрезов и анализ по ней геологического строения участка работ на их основе. Модель скважины с вынесенными на нее результатами замеров может быть построена как на плоскости (на плане или разрезе), так и в трехмерном пространстве. Практически задача эта решена, если измеренный угол какого-либо элемента к оси керна рассмотрен как дополнительный к углу погружения ствола скважины к горизонту и вектор падения структурного элемента лежит в плоскости построения разреза. Рассмотрим построение модели структурных элементов по скважине в логике решения геометрической задачи.

Исходными данными для построения модели являются: инклинометрия по скважине; описание того или иного геологического объекта, включающее замер угла к оси керна: трещины, жилы, директивной текстуры и т. п. При использовании реляционных баз данных для хранения и обработки результатов документации керна информация по объекту описания может быть достаточно всесторонней и ранжируемой. Имеется возможность анализа полученных данных, построения отдельных моделей для различных типов объектов, как-то: жилы, сухие трещины, трещины с глинкой трения и т. п.

Использование данного подхода возможно для однозначно определенных элементов залегания: возможно либо при проходке открытых горных выработок, при проходке горных выработок с возможностью документации в забое (штольни и пр.), либо при отборе азимутально ориентированного керна. На практике, однако, на стадии разведки и подготовки месторождения к освоению работы ограничиваются проходкой открытых горных выработок и бурением скважин с неориентированным керном. Примерами могут быть разведочные работы на Уряхском рудном поле в 2007–2012 годах, разведка рудной зоны Чайная (Многовершинное месторождение золота) в 2013 году. Проходка подземных горных выработок, в виду высокой стоимости и трудоемкости работ, ведется только тогда, когда от нее нельзя отказаться. Бурение же скважин с ориентированным керном проводится преимущественно для геотехнологических исследований ввиду относительно высокой ее стоимости.

Расчет возможных элементов залегания по углу к оси керна

Расчет набора возможных элементов залегания для структурного элемента (контакта, прожилка, трещины и т. п.), соответствующего ряду его положений при повороте вокруг оси керна возможен в табличном процессоре (MS Excel, Open Office Calc) по приведенным ниже формулам. Вывод формул цитируется с сокращениями по [8, с. 135–136].

Пусть:

L – глубина замера по стволу скважины,

A – пикет замера инклинометрии на глубине L-l,

B – пикет замера инклинометрии на глубине L+l,

 α – угол бурения от горизонта,

β  –  азимут бурения,

γ –  угол падения элемента,

η  –  азимут падения элемента,

θ – угол  элемента к оси керна (о. к.), измеренный на глубине L,

M – плоскость бурения, A∈M, B∈M,

H – горизонтальная плоскость, γ_H=0, M⊥H.

1)  Рассчитаем угол падения элемента по методу расчета в программном продукте Micromine – как линейную сумму угла бурения и угла к о.к. Тогда γ∈[0º; 180º] и мы получаем два равновероятных положения элемента, отличающихся только поворотом элемента вокруг оси керна на 180º (ось керна — ось второго порядка). Чтобы разрешить эту неопределенность примем, что γ<α:

                                                           (1)

2)  Азимут и угол падения структурного элемента могут быть заданы в трехмерном пространстве с помощью вектора. Выберем декартову систему координат с началом отсчета в точке замера угла элемента к о. к. О на расстоянии L от устья скважины. Ориентировка осей стандартная для ГИС: ось Z направлена в зенит, X – на Восток, Y – на Север. Для каждой рассматриваемой ниже плоскости проецирования OD начало координат находится в точке O. Буквенное обозначение плоскости, на которую спроецирован вектор OD указывается в виде нижнего индекса. Так же указываются оси координат. Пример: OD_M — проекция вектора OD на плоскость M.

Рисунок 1. Вычисление угла падения элемента. 1 – устье скважины, 2 – ствол скважины, 3 – забой скважины, 4 – дневная поверхность, 5 – угол структурного элемента к оси керна

3)  Вращение элемента вокруг трассы скважины можно представить как поворот вектора OD_K вокруг начала координат на некоторый угол φ.

Пусть вектор OD такой что:      (2)

Построим плоскость K, такую что:          (3)

В плоскости K зададим двумерную систему координат так, чтобы:

                                 (4)

Спроецируем OD на плоскость K:

                      (5)

Выберем угол φ. Так как для решения задачи необходим и достаточен расчет положения структурного элемента в пределах одного полного поворота вокруг оси керна при одном известном положении

Вычислим координаты OD_K после поворота на угол φ:

                         (6)

4)  Вычисление угла падения. Рассчитаем θ': спроецируем повернутый вектор обратно на плоскость М, тогда по соотношению проекций на Y_K до и после вращения получим выполаживание тета через угол оси Y_M и OD':

, знак зависит от квадранта поворота:

если , то        ; если , то азимут падения элемента равен азимуту бурения.

Рисунок 2. Вычисление азимута падения элемента. 1 – устье скважины, 2 – ствол скважины, 3 – забой скважины, 4 – направление на Север, 5 – пикет замера инклинометрии, 6 – плоскость бурения, 7 – азимут бурения истинный

5)  Вычисление азимута падения

Спроецируем полученный вектор OD' на плоскость H. Угол между плоскостями H и K: , тогда:

 ; ;   (7)

Обозначим отклонение азимута при вращении как β(φ):

;       (8)

Используя полученные соотношения, рассчитаем для каждого нестандартного положения угол и азимут падения. Выберем угол поворота, удовлетворяющий нашим задачам: во-первых, его величина должна быть сопоставима с ошибками замеров азимута и угла падения. Во-вторых, требуется учет природной изменчивости измеряемых элементов залегания. Таким образом, при обычной точности замеров около 5º для жильного месторождения 3-4 группы сложности, соответствующей исследуемой рудной зоне [3, с. 36], угол поворота составит от 10º до 30º.

6)  Расчеты для угла к о.к., заданного в виде диапазона. В практике документации керна часто встречается запись не всех углов для ряда систем структурных элементов, а только минимальный и максимальный. В таком случае с шагом, равным выбранному углу φ, проводится расчет промежуточных значений угла к о. к.

Обсуждение результатов

Знание ориентировки систем трещин позволяет точнее коррелировать данные по различным скважинам на разрезах и планах, более аргументированно строить модель для подсчета запасов. В практике геологоразведочных работ на жильных объектах, таких как Уряхское рудное поле (рудное золото), Соболиное месторождение рудного олова, Многовершинное месторождение рудного золота, по опыту автора, наиболее обоснованные построения выполняются для крупных жил мощностью более нескольких метров, встречающихся в количестве одной – двух на разрез и хорошо на нем идентифицируемых, пересеченных несколькими скважинами. Увязка их по результатам бурения успешно решается прямой увязкой пересечений.

Более сложную задачу представляет увязка зон относительно тонкого, дециметрового (до сантиметрового и миллиметрового) по мощности прожилкования, которыми могут быть представлены рудные штокверки. Смежной с этой проблемой является увязка мощных жил и зон прожилкования, на которые они рассыпаются, образуя пережимы или структуры «конского хвоста». Данные по ориентировке жил относительно оси керна при отсутствии известного контролирующего фактора использовать возможно только полуколичественно, на уровне подразделения штокверков на параллельные оси бурения и поперечные ей. В рамках данного методологического подхода в 2013 году было выполнено моделирование штокверков Уряхского рудного поля коллективом компании ООО АрДжейСи. Ограниченность возможности увязки пересечений геологического тела в рамках вышеописанного подхода, в свою очередь, негативно влияет на степень достоверности моделирования месторождений и приводит к возможным дорогостоящим ошибкам при оценке экономического потенциала месторождения.

Полученный в результате расчетов набор пар азимутов и углов падения может быть использован как статистический качественный маркер прослеживаемости тел на глубину с определенными элементами залегания, изменчивости элементов залегания. Соответствие элементов залегания геологического тела и углы его контактов к оси неориентированного керна могут быть отождествлены с достаточной степенью достоверности только статистически. Так, для штокверков рудной зоны Чайная (Многовершинное месторождение, Хабаровский край) автором были построены модели, различающиеся их падением: 1) полученным прямой увязкой пересечений их в траншее, скважинах и 2) полученные замерами элементов залегания в траншее [9, c. 124–125]. Замеры падения штокверков по керну использовались для проверки: различие измеренных элементов залегания и набора последних, рассчитанных для замеров к оси керна, очевидно указывает на возможную ошибку интерполяции либо изменение падения тела. Глубина экстраполяции структурных данных с поверхности устанавливалась как максимальная граница влияния деформаций, сформировавших прослеживаемые системы разрывных нарушений по [2, с. 24; 5, с. 18].

Выводы

Расчет возможных элементов залегания для замеров угла к оси керна по предложенным выше формулам возможен на любом современном персональном компьютере – как в офисе, в камеральный период, так и непосредственно в поле.

Использование расчетных элементов залегания как часть исходных данных для моделирования геологического строения изучаемого объекта дискуссионно: достоверность построений, по нашему мнению, критически зависит от сложности изучаемого объекта и полноты его изученности методами структурной геологии.

Применение их как маркера вероятного изменения элементов залегания прослеживаемой структуры при наличии замеров ее элементов залегания позволит повысить точность построения разрезов по данным бурения на объектах со сложным геологическим строением – перейти от качественной к статистической оценке изменчивости падения тел на глубину.

Список литературы:

1. Афанасьев И.С., Блинов Г.А., Пономарёв П.П. и др. Справочник по бурению геологоразведочных скважин. / И.С. Афанасьев, Г.А. Блинов, П.П. Пономарёв, А.И. Кукес, Н.Н. Бухарев, О.В. Иванов, Ю.Т. Морозов, А.И. Осецкий, Э. К. Егоров, Н.Г. Егоров. – СПб.: ООО «Недра», 2000 – 712 с.
2. Войтенко В.Н., Худолей А.К. Стрейн-анализ в геотектонических исследованиях. / В.Н. Войтенко, А.К. Худолей. – В кн. Проблемы тектонофизики. К 40-летию создания М.В. Гзовским лаборатории тектонофизики в ИФЗ РАН. – М.: Изд. ИФЗ РАН, 2008, С. 9–27.
3. Викентьев В.А., Карпенко И.А., Шумилин М.В. Экспертиза подсчетов запасов рудных месторождений. – М.: Недра, 1988. – 199 с.
4. Классификация запасов и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых. Утверждена приказом МПР России от 11.12.2006 № 278. Электронное издание, 2006 – 6 с. Сайт https://www.mnr.gov.ru/upload/iblock/e4a/4581_prilozh278.doc (Дата обращения 01.06.2016).
5. Мишин Н.И., Степина Н.А., Панфилов А.Л. Структурная организация рудных полей. / Н.И. Мишин, Н.А. Степина, А.Л. Панфилов. – СПб.: Полиграфическая фирма «Автор, Акционер и Ко.» 2007 – 232 с., ил.
6. Морозов Ю.Т., Подоляк А.В. / Ю.Т. Морозов, А.В. Подоляк – Наукові праці ДонНТУ. Серія «Гірничо-геологічна». – 2011. – Вип. 14 (181). – С. 180–185.
7. Родыгин А.И. Методы стрейн-анализа: Учеб. пособие. 2-е изд., испр. и доп. / А.И. Родыгин – Томск: Изд-во Том. ун-та, 2006. – 168 с.
8. Сластников В.В. Структура Водораздельной рудной зоны Многовершинного месторождения золота: данные по открытым горным выработкам и керну скважин. / В.В. Сластников. – Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2016. – Т. 327. – № 4. – С. 130–141.
9. Сластников В.В., Пискунов В.В. Структурные особенности и моделирование зон прожилкования рудной зоны Чайная, Многовершинное золоторудное месторождение (Нижнее Приамурье). Естественные и математические науки в современном мире / В.В. Сластников, В.В. Пискунов Сб. ст. по материалам XIX междунар. науч.-практ. конф. № 6 (18). Новосибирск: Изд. «СибАК», 2014. С. 116–126.
10. Справочник бурового мастера. Научно-практическое пособие. Т. 1. – М.: «Инфра-инженерия», 2006 – 596 с.
11. Юшков А.С. Кернометрия. / А.С. Юшков – М., Недра, 1989.
12. Marjoribanks R. Geological Methods in Mineral Exploration and Mining. Second ed. Berlin, Heidelberg, Springer-Verlag, – 2010, – 238 p.