Разведка месторождений полезных ископаемых под ред

В книге изложены методологические основы разведки месторождений полезных ископаемых, практические приемы производства геологоразведочных работ и основы геолого-экономической оценки разведанных месторождений.

Большое внимание уделено научным основам разведки, методологии изучения неоднородности природных минеральных образований и наблюдаемой изменчивости их свойств. В качестве основного метода познания рассматриваются различные методы моделирования месторождений и важнейших свойств полезных ископаемых в недрах. Особое место отводится теоретическим основам опробования и идее трансформации представлений об объекте разведки под влиянием кондиций горной технологии. Рассматриваются технические средства разведки, методы опробования и изучения месторождений, практические приемы оптимизации условий геологоразведочных работ, вопросы их проектирования и организации.

С учетом современных требований народного хозяйства рассмотрены вопросы обоснования кондиций, подсчета запасов и оценки эффективности использования месторождений в народном хозяйстве. Описаны особенности проведения разведок на различных стадиях изучения недр, особенности разведок месторождений в зависимости от их морфогенетических типов и видов минерального сырья

Книга предназначена в качестве учебного пособия для студентов геологических специальностей вузов. Она может быть использована геологами, ведущими разведку полезных ископаемых, как методическое руководство.

В период развернутого строительства материально-технической базы коммунизма перед разведчиками недр поставлена задача совершенствования существующих и изыскания новых, более эффективных методов разведки полезных ископаемых и комплеконого использования природных богатств. В соответствии с «Основными направлениями развития народного хозяйства СССР на 1976— 1980 гг.», утвержденными XXV съездом КПСС, разведка недр должна обеспечить опережающий рост разведанных запасов минерального сырья по сравнению с темпами развития добывающих отраслей промышленности прежде всего в районах действующих горных предприятий, а также во вновь осваиваемых районах страны. При этом особое внимание разведчиков недр обращается на повышение   качества  подготовки   запасов  полезных   ископаемых.

Для решения перечисленных задач в нашей стране созданы все необходимые предпосылки. В условиях непрерывного роста производительных сил на основе научно-технической революции неуклонно повышается техническая оснащенность геологоразведочных работ, внедряются в производство новое высокопроизводительное оборудование, аппаратура и приборы. С 1 января 1976 г. действуют «Основы законодательства СССР и союзных республик о недрах», направленные на охрану, плановое, рациональное и комплексное использование недр .и обеспечивающие сохранение природных богатств для будущих поколений. Задачи по расширению минерально-сырьевой базы решаются на основе совершенствования научных методов прогнозирования месторождений полезных ископаемых, применения прогрессивных геологических, геофизических и геохимических методов, их поисков и разведок.

Грандиозность поставленных задач требует новых подходов при решении важнейших вопросов поисков, разведки, опробова-ния, подсчета запасов и геолого-экономической оценки месторождений полезных ископаемых. В условиях всесторонней интенсификации общественного производства и дальнейшего повышения его эффективности особо важное значение приобретает разработка методов геолого-экономической оценки разведуемых месторождений и определения эффективности проведения геологоразведочных работ. Геологам необходимо не только изучить закономерности размещения полезных ископаемых и выявить полный комплекс содержащихся в недрах полезных компонентов, но и обеспечить достоверную количественную информацию о запасах полезных ископаемых в недрах и об изменчивости их свойств, без чего невозможна объективная оценка полученных результатов, рациональное использование и охрана недр. 

В существующих учебных пособиях не уделяется достаточного внимания важнейшим методологическим положениям разведки недр: влиянию геометрии проб и геометрии разведочной сети «а представления о морфологии и строении залежей полезных ископаемых, вопросам распространения данных по разведочным пересечениям на прилегающие объемы недр, влиянию кондиций горной технологии на представления об объекте разведочных работ и др. На фоне быстрого развития геологических наук, совершенствования технических средств и методов геологоразведочных работ все более обособляются научные основы поисков полезных ископаемых и методов их разведки.

В данном учебном пособии рассматриваются научные основы разведки недр и геолого-экономической оценки месторождений полезных ископаемых, вопросы проектирования геологоразведочных работ. В основу книги положен курс лекций, который читается автором студентам геологоразведочной специальности МГРИ. По действующему учебному плану курсу разведки полезных ископаемых предшествует курс основ геолого-математического моделирования, в котором изучаются принципы и условия применения современных математических методов в геологии. Поэтому вопросы использования математических методов рассматриваются кратко, применительно к решению конкретных задач разведки, опробования и подсчета запасов.

Созданию курса способствовали многолетние целеустремленные исследования коллектива кафедры методики поисков и разведки ‘месторождений полезных ископаемых МГРИ по важнейшим проблемам методики разведки. При составлении пособия использован коллективный опыт преподавания курса методики разведки в институте, опыт проведения производственных практик, дипломного и курсового проектирования, а также многолетний опыт автора и преподавателей кафедры по экспертизе и оценке месторождений полезных ископаемых в ГКЗ СССР.

Автор искренне благодарит преподавателей и сотрудников кафедры В. Е. Бойцова, В. А. Викентьева, В. А. Воронцова, О. И. Гуськова, И. П. Кушнарева, М. Д. Полунину, Е. А. Сидор-кова, М. В. Шумилина, П. П. Ясковского и других за активное участие и помощь в создании курса и оформлении рукописи. Особую признательность автор выражает рецензентам книги Г. В. Рослякову и Н. П. Лаверову, ценные замечания которых учтены при доработке книги и способствовали заметному улучшению ее качества.

В системе народного хозяйства СССР геологоразведочные работы (рассматриваются как важнейшая отрасль материального производства, обеспечивающая выявление и оценку минерально-сырьевых ресурсов для всех отраслей промышленности и сельского хозяйства. В современном понимании геологоразведочные работы; включают проведение геологосъемочных, поисковых и собственно разведочных работ. В данной книге рассматриваются вопросы, связанные с проведением собственно разведочных работ, которые начинаются с момента выявления промышленных концентраций полезного ископаемого в пределах локального участка земной коры и завершаются с окончанием горно-эксплуатационных работ. Они включают: составление проекта разведочных работ, геологическое картирование поверхности, проходку горных выработок и скважин, проведение комплекса геодезических, геофизических, геохимических, гидрогеологических и инженерно-геологических наблюдений, изучение и опробование горных выработок и скважин, испытания и анализы образцов, рядовых, технологических и технических проб. По результатам геологоразведочных работ составляются планы и разрезы, отражающие условия залегания, морфолопию и строение полезных ископаемых, выясняется качественная характеристика полезного ископаемого и подсчиты-ваются его запасы. По совокупности полученных данных производится геолого-экономическая оценка месторождения как возможной минерально-сырьевой базы горнодобывающей промышленности. Решение всех этих задач создает условия для планомерного, рационального и научно обоснованного использо-ваниянедр, обеспечивает-полноту их изучения и потребности страны в минеральном сырье.Геологоразведочные работы представляют собой начальное звено горнодобывающей отрасли промышленности. Предметом труда для нее являются недра, а продуктом труда — разведанные и оцененные в недрах запасы минерального сырья. Вследствие специфических особенностей объектов исследований труд геологов далеко не всегда приводит к желаемому конечному результату. Только по завершении полного комплекса геологоразведочных работ труд разведчика получает материальную оценку, овеществляясь в разведанных запасах полезного ископаемого. В этом случае запасы приобретают потребительную стоимость и могут служить предметом труда, удовлетворяя потребности общества.

Цели и основные направления геологоразведки

Геологоразведочные работы — это мероприятия, направленные на выявление и подготовку к освоению в промышленных масштабах месторождений полезных ископаемых. В процессе выполнения таких работ в том числе изучается размещение пластов ископаемых, условия их образования и состав. Кроме того, изучаются компоненты, сопровождающие залежи полезных ископаемых, в том числе редкие металлы, попутный газ, сера и т. д., выясняется возможность их извлечения или же утилизации.

Геологоразведка сопряжена с анализом условий природы и климата в районах работ, социально-экономических предпосылок для реализации конкретных проектов. Она предусматривает изучение возможных способов добычи ископаемых при условии рациональной эксплуатации блоков и минимизации возможного вреда окружающей среде. Результатами осуществления работ по геологоразведке является расчёт и утверждение запасов полезных ископаемых, оценка их количественных ресурсов, в том числе прогнозная.

В случае, если залежи полезных ископаемых получают положительную оценку в результате поисково-оценочных мероприятий, проводится непосредственно разведка открытого месторождения. В её ходе выясняются геологическое строение участка, размеры, условия залегания и пространственное расположение залежей. Кроме того, вычисляются качество и количество ископаемых, технологические факторы, которые будут определять условия эксплуатации блока.

Сейсмическая, электрическая и гравитационная разведка

Одним из самых эффективных и популярных методов первичных геологических исследований месторождений, в основном залежей нефти и газа, является сейсморазведка. Её принцип базируется на регистрации сейсмических волн, которые создаются искусственным путём при помощи специального источника волн, в роли которого обычно выступает взрывчатка. Тротил размещается в неглубоких скважинах. Для инициирования как продолжительных, так и коротких импульсных колебаний могут применяться автомобильные вибраторы.

Вибрационная установка Nomad-65

С помощью источника в породе создаётся избыточное давление и распространяются колебания периодического типа. Эти волны наталкиваются на слои с разными показателями упругости, после чего меняют не только направление, но и амплитуду, а также создают новые колебания. По пути следования волн размещаются датчики-приёмники, которые фиксируют колебания и передают операторам полученные сигналы. Сейсмокомплексы представляют собой типовые системы, в состав которых входит один источник и до 300 приёмников, расположенных через 25–50 метров друг от друга. Если оператор правильно выбирает схему, это позволяет исследователям получать необходимую информацию без избыточных затрат.

Сейсмическая разведка: 1 — передающая система; 2 — приёмная система; 3 — сейсмоприёмники; 4 — сейсмическая волна; 5 — отражённая сейсмическая волна; 6 — нефтеносный пласт

В зависимости от того, как расположены друг относительно друга источники и приёмники колебаний, различают такие виды сейсморазведки:

• совмещённые источник и приёмник — 1D;
• расположение источника и приёмников на одной линии — 2D;
• расстановка приёмников на параллельных линиях по площади участка — 3D;
• периодическое повторение 3D-разведки при разработке месторождения — 4D.

После регистрации и записи колебаний проводится их анализ с целью определения особенностей распространения и свойств волн. В частности, извлекается геологическая информация о границах сейсмики. Полученные сейсмограммы требуют серьёзной обработки, поскольку они в условиях полевых работ обычно включают помехи. Что касается полезных волн, то они зачастую сложны для интерпретации. Для анализа данных применяется современная компьютерная техника.

Сигналы усиливаются, фильтруются, очищаются от нежелательных колебаний и конвертируются в цифровой формат, после чего поступают на сейсмостанцию для наблюдений. По результатам обработки геологи получают материал для дальнейшего толкования. Если на полученных геологических разрезах идентифицируются аномальные зоны распространения волн, то, как правило, это является свидетельством наличия залежей полезных ископаемых.

При наличии значительного преимущества — высокой точности измерений, сейсморазведка обладает рядом существенных недостатков. В частности, геологи не в состоянии определить качество залежей полезных ископаемых, не могут применять сейсморазведку на сложном рельефе местности. Кроме того, при наличии солевых горизонтов такая разведка неэффективна. Применение взрывчатки, в свою очередь, может негативно влиять на экосистему исследуемого района.

Закладка взрывного источника сейсмических колебаний

Ещё одним популярным видом геологоразведки является разведка электрическая. Данное направление включает способы исследования недр, которые применяются для изучения как верхних слоёв породы, так и для глубинной разведки. В свою очередь, они делятся на две большие группы.

Методы электрической разведки:

• Индукционные методы.
• Методы сопротивлений.

Исследование недр индукционными методами предусматривает создание электромагнитного поля за счёт эффекта магнитной индукции под влиянием переменного электрического поля или же магнитного поля. При обладании информацией о параметрах источника поля оператор может свободно измерить магнитные и электрические составляющие индуцированного поля и, следовательно, восстановить параметры среды их возникновения.

Магниторазведка

В свою очередь, методы сопротивлений основываются на пропускании через грунт электродов с постоянным током. Измеряется напряжение, которое вызвано данным током, поступающее от первой ко второй группе электродов. При наличии информации о напряжении и силе тока можно вычислить показатель сопротивления среды, через которую пропускается электричество. Благодаря конфигурации электродов точно устанавливается участок пространства, в которой меняется сопротивление.

Принципиальная схема электроразведки методами сопротивлений: 1 — питающая линия; 2 — измерительная линия; 3 — измерительные заземления; 4 — питающие заземления; 5 — область исследования; 6 — линии тока

Электроразведочная станция для вертикального электрического зондирования

Поиск возможных залежей полезных ископаемых производится в том числе способом гравитационной разведки. Он основан на принципе измерения показателя ускорения свободного падения. Последнее зависит не только от параметров планеты в целом, но и от аномальной плотности пород в районах поисков. Таким образом, неоднородность плотности подземных горизонтов легко вычисляется в гравитационном поле.

Гравиразведка

Поиск залежей твёрдых ископаемых

Хотя конкретные способы разведки месторождений зависят от возможности применения определённых технических средств в конкретных условиях, для выявления залежей твёрдых полезных ископаемых (руд, минералов и т. д.) соответствующие мероприятия, как правило, проводятся в шесть типовых стадий:

1. Геофизические и геолого-съёмочные работы. Данный этап включает исследование крупных геологических структур, в которых, вероятно, присутствуют полезные ископаемые. Перспективные площадки по завершению данной стадии передаются на специализированные поисковые работы.

2. Поиск месторождений. Геологи работают над обнаружением запасов определённых видов полезных ископаемых. Работы осуществляются в несколько промежуточных этапов. Вначале проводится поиск общего характера с целью выявления границ зоны потенциального размещения ископаемых. После этого обустраиваются горные выработки или скважины для выполнения структурно-геологических исследований. По результатам оценивается потенциальное промышленное значение месторождений. Если исследования оказались продуктивными, в этом случае осуществляется подсчёт ресурсов в категории C2. Составляются прогнозы добычи в количественном плане, а также разрабатывается технико-экономическое обоснование (ТЭО) продолжения геологоразведки.

3. Предварительная разведка. Геологи определяют промышленное значение участка, параметры месторождения, технологические свойства и размеры формаций полезных ископаемых, условия залегания. Составляется предварительная характеристика условий освоения блока. Результатами этой работы являются расчёт запасов не только в категории C2, но и C1, а также ТЭО на проведение детальной разведки. На этапе предварительной разведки применяется бурение (глубокое, колонковое или ударно-канатное). При изучении месторождений цветных металлов обустраиваются штольни, небольшие шахты, шурфы с целью отбора проб.

4. Детальная разведка. Данный этап работ проводится исключительно на участках с доказанной промышленной ценностью запасов. Осуществляется дополнительный подсчёт запасов в категориях A и B. По завершению этого этапа должны быть собраны данные, достаточные для начала промышленной эксплуатации месторождения согласно требованиям к изученности исследуемой зоны, в соответствии с классификацией запасов и прогнозными ресурсами.

5. Доразведка. Проводится на участках, которые были в недостаточной степени изучены на предыдущих этапах работы. Кроме того, она осуществляется в пределах флангов, обособленных участков, в глубоких горизонтах горных отводов. На этой стадии проводится последовательный перевод ресурсов из категорий C1 и C2 в более высокие классы, подсчитываются новые выявленные запасы. На ряде объектов при этом строятся глубокие шахты как разведочного, так и эксплуатационно-разведочного назначения.

6. Эксплуатационная разведка. Такой вид разведки проводится одновременно с проходческой работой, направленной на подготовку выработок. Мероприятия по разведке реализуются до момента начала очистных работ с целью обеспечения добычи на текущем этапе, а именно для уточнения информации о залежах, полученной на стадиях детальной разведки. Речь идёт о данных относительно качества, условий залегания, строения и морфологии пластов. На этапе эксплуатационной разведки проходка вертикальных, горизонтальных и наклонных выработок является основным методом работ. Кроме того, возможно обустройство перфораторных — безкерновых — или же колонковых скважин для получения керна.

Особенности разведки нефтегазовых месторождений

Специфика геологоразведки нефтегазовых месторождений обусловлена особенностями залегания и природными свойствами этих полезных ископаемых. Отличительной чертой нефти и газа является то, что их залежи находятся обычно в одних и тех же районах. Газ может быть как растворён в нефти, так и образовывать газовые шапки в верхней части пространства, занимаемого «чёрным золотом».

Накопление углеводородного сырья происходит в осадочных оболочках планеты. В общей сложности в мире выявлено порядка шести сотен нефтегазоносных бассейнов. Нефть и газ находятся на глубинах от одного до нескольких километров и распределены по микроскопическим пустотам. Около 85% запасов сконцентрированы в алевритовых песчаных породах с глиняной прослойкой, остальные ресурсы — в породах карбонатного типа. Огромны запасы шельфовых месторождений, однако степень их изученности крайне мала. Пронедра писали ранее, что, по данным Минприроды, более 90% площади арктического шельфа не разведаны.

Геологические экспедиции, которые занимаются изучением нефтегазовых месторождений, выполняют комплекс работ по исследованию структуры блоков, выделению продуктивных пластов, вычислению предполагаемых дебитов нефти, газа и конденсата, давления в залежах. Все эти данные используются для составления проектов эксплуатационных работ, а также для расчётных обоснований промышленной разработки участков.

Стартует геологоразведка по стандартной схеме — со съёмки и составления геологических карт. В дальнейшем применяется гравитационная разведка. Выявление запасов по данной методике обусловлено отличительной особенность пород, насыщенных нефтью и газом — их плотность меньше, соответственно, и меньшим будет ускорение свободного падения. Нефтегазовые ресурсы выявляются в том числе с применением специфической аэромагнитной разведки, направленной на выявление антиклиналей — геологических ловушек для углеводородов мигрирующего характера на глубинах до семи километров.

Аэромагнитная съёмка выполняется с помощью магнитометров, расположенных в хвостовом коке самолёта

Особенностью же проведения сейсморазведки является то, что такой вид исследования при поиске нефтегазовых запасов осуществляется не только для выявления залежей, но и с целью определения оптимальных мест для бурения скважин разведочного назначения. Одним из эффективных методов обнаружения ресурсов «чёрного золота» и «голубого топлива» является низкочастотное сейсмическое зондирование. Данный способ основан на анализе аномального изменения спектра естественного сейсмического фона в районе размещения залежей на частотах до 10 герц.

Оборудование для сейсморазведки

Нефть и газ также выявляются при помощи методики геохимической разведки. Геологи анализируют состав подземных вод на предмет содержания органических компонентов и газов. Рост концентрации таких элементов в единице объёма пробы воды может указывать на близость пласта. Тем не менее, самым достоверным и эффективным способом разведки углеводородов в настоящее время является непосредственное бурение скважины для выявления степени достаточности их объёмов для промышленного освоения месторождения. В среднем только в трети случаев после бурения обнаруживаются такие запасы.

Бурение разведочной скважины «Шахринав-1п», Таджикистан

В современной России геологоразведка нефтегазовых ресурсов производится не только с целью немедленной разработки конкретных блоков, но и для общего прироста количества углеводородов в соответствии с требованиями Энергетической стратегии, рассчитанной до 2020 года. Напомним, что, по мнению Владимира Путина, геологоразведка крайне важна для экономики России. Открытие и изучение новых месторождений — это работа на перспективу, поскольку выявленные ресурсы фактически являются сырьевым вкладом в будущее страны.