ВВЕДЕНИЕ 3
1. Криолитозона как объект геофизического исследования 4
1.1. Криолитозона и особенности ее строения 4
1.2. Типы мерзлотных разрезов и особенности их строения 8
1.3. Применение геофизических методов для изучения строения и процессов в
вечномерзлых породах 10
2. Строение и свойства мерзлых пород 13
2.1. Состав и строение мерзлых пород 13
2.2. Физические и физико-химические процессы в промерзающих, мерзлых и
оттаивающих породах 14
2.3. Электрические свойства мерзлых пород 15
2.3.1. Удельное электрическое сопротивление 15
2.3.2. Поляризуемость 17
3. Общие положения теории вызванной поляризации 19
3.1. Вызванная поляризация во временной и частотной области 19
3.2. Спектральная вызванная поляризация 22
4. Материалы и методы 24
4.1. Аппаратура и лабораторное оборудование 24
4.2. Синтетические образцы горных пород и их характеристика 27
4.3. Методология экспериментальных работ 27
4.4. Компьютерная рентгеновская микротомография 30
5. Результаты и их обсуждение 31
5.1. Удельное электрическое сопротивление 31
5.2. Фазовые спектры 33
5.3. Параметры модели Коул-Коул 35
5.3.1. Стационарная поляризуемость 36
5.3.2. Время релаксации 38
5.3.3. Показатель степени модели Коул-Коула 40
5.3.4. Взаимосвязь параметров ВП 41
5.4. Микро - КТ 44
ВЫВОДЫ 48
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 49
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 51
В мерзлой зоне располагается большинство горнорудных районов России. Тенденция поиска и разведки рудных месторождении также направлена на северные регионы нашей страны (Дальний Восток, Якутия, Сибирь).
Одним из основных геофизических методов при поиске рудных месторождений, представленных вкрапленными рудами или сопровождаемых рассеянной рудной минерализацией, является метод вызванной поляризации (ВП). В то же время, для мерзлых пород особенности и физико-химические процессы, порождаемые ВП, изучены плохо. Последнее может приводить к ошибкам при проектировании поисковых работ и/или геологической интерпретации результатов полевых работ методом ВП.
Изучением особенностей ВП в мерзлых породах в настоящее время занимаются несколько авторов (Duvillard, 2018., Revil, 2019., Агеев, 2019 и др.). К подобным работам можно отнести проведение измерений ВП при высушивании образцов (Gao et al., 2019), учитывая, что появление воздуха аналогично появлению льда в породе, где оба являются изоляторами. Однако, полученные к настоящему времени данные не позволяют описать особенности ВП в мерзлых породах, содержащих электронопроводящие включения.
Настоящая работа направлена на экспериментально изучение особенностей ВП вкрапленных руд при их переходе из талого состояния в мерзлое. Данная цель предполагала проведение измерений на синтетических смесях песка с зернами криптомелана. Образцы отличались различным объемным содержанием криптомелана и электропроводностью поровой влаги. Достижение цели основывалось на выполнении нескольких задач:
• Сбор, анализ и обобщение литературы
• Тестирование лабораторной установки, аппаратуры, технологии измерений
• Подготовка синтетических образцов
• Оценка петрофизических свойств
• Лабораторные измерения СВП
• Рентгеновская микротомграфия образцов при темпереатурах от +5 до -10 °C
В рамках исследовательской работы были проведены измерения спектральной вызванной поляризации на смесях песка и зерен криптомелана, различающихся объемным содержанием и электропроводностью поровой влаги.
По результатам исследований было установлено, что в мерзлом состоянии порода с включениями электронопроводящих минералов (в том числе и вкрапленные руды) обладает достаточно высокой поляризуемостью. При переходе породы из талого в мерзлое состояние ее поляризуемость снижается всего в два раза. Таким образом, эффективность метода ВП в пределах площадей распространения вечной мерзлоты (Дальний Восток и Арктический сектор) снижается несущественно, что подтверждается многолетним опытом проведения полевых работ в данных районах.
Высокая поляризуемость пород с включениями электронопроводящих минералов в мерзлом состоянии возможна лишь в случае наличия незамерзшей поровой влаги. Наличие незамерзшей поровой влаги и капилляров между зернами было установлено при помощи микро-КТ. Применение микро-КТ совместно с анализом поведения параметров ВП позволило доказать применимость модели электродной поляризации
электронопроводящих включений В.А. Комарова (1994) для пород в мерзлом состоянии. В свою очередь, модель ВП породы с металлическими включениями А. Ревиля (2015) оказывается хуже применима для объяснения полученных экспериментальных данных, так как не позволяет объяснить снижение интенсивности поляризации породы при ее переходе в мерзлое состояние.
Выполненные автором лабораторные исследования заложили основу для последующего изучении ВП пород при переходе из талого в мерзлое в лаборатории кафедры Геофизики Института наук о Земле СПбГУ. Требуется продолжить измерения ВП на синтетических образцах пород с включениями различных электронопроводящих минералов при большей электропроводности насыщающей их воды (т.к. проследить динамику ВП ниже -50С не удалось), а также различными металлическими вкраплениями. Также необходимы исследования на природных образцах для более четкого установления поведения параметров ВП.
