Новые методы интерпретации геофизических данных, повышающие эффективность разведки золоторудных месторождений. Примеры извлечения параметров ВП из ЭМ данных в аэроварианте
G.Fiandaca — University of Aarhus
Y.L. Cooper — CSIRO
L.Hardy — Abra Mining
Введение
В целях разведки золоторудных месторождений исторически используются геофизические электроразведочные методы, включающие в себя наземные методы (ВП, методы постоянного тока и ЭМ методы) и методы в аэроварианте (частотные и становление поля). С точки зрения экономической целесообразности геофизические методы в аэроварианте предпочтительнее, так как позволяют за короткое время покрыть большую площадь поисковых работ, однако они являются эффективными только в случае ассоциации золота с массивными сульфидными образованиями, позволяющими выделять аномалии проводимости. В случае вкрапленного или гнездового оруденения (месторождения порфирового типа и пр.) наиболее эффективными являются наземные методы вызванной поляризации (ВП), применение которых, однако, существенно увеличивает стоимость поисковых работ.
Исследования, проведенные компанией Aarhus Geophysics (Дания) совместно с университетом Архуса и при поддержке научно-исследовательской лаборатории CSIRO (Австралия), позволили разработать эффективную методологию извлечения в ряде случаев некоторых ВП параметров из аэроЭМ данных, полученных методом становления поля (TDEM). Ниже приведены теоретические исследования этого явления, подкрепленные практическими примерами из Канады (месторождение Mt. Milligan, Британская Колумбия) и Австралии (месторождение Abra, Западная Австралия). Данная методология позволяет повысить эффективность разведки золоторудных месторождений даже в случае высокоомного разреза, извлекая качественно новую информацию из уже существующих данных. Используя этот алгоритм, можно получить очень важную информацию о поляризуемости горных пород, которая является одним из основных поисковых признаков золоторудных месторождений, не прибегая к дорогостоящим наземным исследованиям методом ВП.
С начала использования метода становления поля в аэроварианте были неоднократно замечены и задокументированы так называемые «ВП эффекты». Эффект вызванной поляризации в аэро-ЭМ данных выражается в искажении формы нормальной «кривой затухания», которая вместо экспоненциального затухания в положительной области демонстрирует чрезмерно быстрый спад, иногда уходя в отрицательную область значений. Это явление можно объяснить только дисперсионной моделью среды (подразумевающей изменение физических свойств с частотой ЭМ сигнала). Такая модель подразумевает разделение накопленных электрических зарядов (поляризацию). Самая популярная количественная модель, описывающая это явление была предложена Cole и Cole в 1941 году (Cole and Cole, 1941). Эта модель связывает электропроводность среды с ее поляризуемостью и активно используется при интерпретации наземных измерений методом ВП. Дисперсионная модель (комплексное сопротивление) в частотной области в средах описывается уравнением 1:
В этом уравнении ρ — электрическое сопротивление; m0 — поляризуемость, τ — временная константа (время релаксации дисперсионной модели) и с — безразмерный частотный параметр. Уравнение (1) наиболее точно отражает закономерности, возникающие при эффекте ВП.
Несмотря на очевидные ВП эффекты в аэро-ЭМ данных, при решении обратной задачи (инверсии) эти эффекты не принимались в расчет и игнорировались, что приводило к следующим последствиям:
1. Артефакты в моделях электропроводности, полученных в результате решения обратной задачи (инверсии данных).
2. Искажения в интерпретируемой глубине проникновения ЭМ сигнала (занижение глубины).
3. Потеря важной информации о физических свойствах (поляризуемости пород).
Нами предлагается применение математической модели Cole и Cole к задачам инверсии данных становления поля в аэроварианте. Несмотря на то, что в математическом смысле задача является некорректной, мы выражаем уверенность, что в присутствии значительных ВП эффектов мы в состоянии рассчитать основные ВП параметры при помощи использования концепции, предложенной в Viezzoli et al (2013). Метод извлечения ВП параметров основан на численном методе, применимом для аэро-ЭМ данных (Fiandaca et al, 2012).
Рис. 1. Зависимости возникновения ВП эффекта в данных системы VTEM от высоты полета, с зафиксированными параметрами «ρ», «τ», и «c», рассмотренные для значений поляризуемости: (а) «m0» = 500 mV/V; (б) «m0» = 200 mV/V
Возможность извлечения параметров ВП из аэро-ЭМ данных является весьма привлекательной и неоднократно рассматривалась в литературе (Flis et al, 1989; Smith and Klein, 1996; El-Kaliouby et al, 1997; Kratzer and Macnae, 2012). Привлекательность заключается в возможности извлечения из существующих данных дополнительных параметров (поляризуемость «m0», время релаксации дисперсионной модели «τ» и частотный параметр «с»), из которых особенно интересной для нас является поляризуемость «m0», как одно из основных физических свойств, чувствительных к присутствию золоторудных месторождений в случае вкрапленной сульфидизации (DeLong et al, 1991). В некоторых случаях вкрапленные оруденения показывают значительно более заметные аномалии поляризуемости, чем электропроводности.
Теоретическое обоснование
В качестве теоретического обоснования нами предлагается систематизированное прямое моделирование и фокусированная инверсия с целью извлечения ВП параметров из синтетических данных для системы VTEM в однородном полупространстве.
Система VTEM — это одна из самых передовых в мире аэрогеофизическх систем, работающая в режине становелния поля (TDEM) на базовой частоте 30 Гц. Система VTEM обладает дипольным моментом до 600000 A*m2, при пиковом значением тока в источнике до 250 А. Форма сигнала — трапециевидная с шириной пульса до 7,2 мс и временем спада до 1,6 мс. Измерения проводятся во временной области в диапазоне от 70 мкс до 12 мс. Система VTEM широко используется по всему миру (в том числе и в России и Казахстане) для поиска золоторудных месторождений.
На базе университета Архуса сотрудниками Aarhus Geophysics были разработаны программы, позволяющие решать обратную задачу для модели комплексного импеданса (Cole and Cole, 1941). Систематизированное моделирование было выполнено с использованием набора ВП параметров как для однородного полупространства, так и для реальных геоэлектрических моделей, которые были взяты на основе существующих золоторудных месторождений (Kidd Creek, Lornex и Copper Cities).
Определенная комбинация параметров ρ, m0, τ и с приводит к появлению существенного ВП эффекта в синтетических данных, который проявляется с возрастающей задержкой по мере увеличения высоты полета. Иногда ВП эффект приводит даже к смене знака рассчитанного поля модели.
На рисунке 1 приведен пример расчета синтетических кривых затухания временной производной магнитной индукции (dB/dt) для однородных полупространств с изменением высоты полета системы VTEM.
Далее была исследована зависимость синтетических кривых от изменений параметров «m0» и «с», для зафиксированных значений электрического сопротивления «ρ» и времени релаксации «τ» на высоте полета 30 м (рис. 2).
Рис. 2. Влияние на возникновение ВП эффекта (а) изменения значений поляризуемости «m0» (б) изменения значений константы «c», рассчитанные для системы VTEM, на неизменной высоте полета (30 м)
Эти результаты схожи с полученными El-Kaliouby в 1997 году для измерений на поверхности Земли. Электрическое сопротивление «ρ» и поляризуемость «m0» — это единственные параметры, которые всегда напрямую связаны с усилением эффекта ВП. Параметры «с» и «τ» демонстрируют немонотонную зависимость, изменение этих параметров может смещать эффект ВП как в более ранние, так и в более поздние времена на кривых затухания, в зависимости от значений других параметров.
Было также выявлено, что эффект ВП зависит от формы сигнала, генерирующего первичное поле в аэро-ЭМ системах. Это показано на примере сравнения эффектов ВП, возникающих на синтетических кривых затухания, в зависимости от длительности спада тока в источнике первичного поля при прочих зафиксированных параметрах (рис. 3).
Последнее можно объяснить исходя из следующих соображений: поляризация происходит по мере индукции токов, возникающих под воздействием ЭДС, а следовательно, она пропорциональна времени спада первичного поля. Чем длиннее спад, тем больше диапазон времени релаксации «τ». (Flis et al, 1989). Короткие спады не в состоянии эффективно зарядить поляризуемый материал.
Рис. 3. Влияние времени спада тока в источнике первичного поля на возникновение ВП эффекта в данных VTEM, при фиксированных «ρ», «m0», «c» на одинаковой высоте полета (30 м), рассчитанные для (а) «τ» = 0.01 с, а для (б) «τ» = 0.0001 с
На рисунке 4 представлены результаты анализа различий ВП эффектов, вызванных изменениями величины дипольного момента при помощи усиления пикового значения тока в генераторе первичного поля (с зафиксированным временем релаксации «τ»). Как видно из этих кривых, влияние амплитуды сигнала не так ярко отражается на возникновении ВП эффекта, как изменение времени спада.
Рис. 4. Влияние силы тока, возбуждающего первичное поле на возникновение ВП эффекта в данных системы VTEM, при зафиксированных константах «ρ», «m0», «τ», «с» и неизменной высотой полета (30 м)
Наконец, были построены синтетические модели для параметров из реальных золоторудных месторождений (Kidd Creek, Lornex и Copper Cities). Результаты этого моделирования представлены на рисунке 5.
Инверсия синтетических данных
На сегодняшний день существует два алгоритма решения обраной задачи (геофизической инверсии) в режиме ВП, применяющихся Aarhus Geophysics:
1. AarhusINV Laterally Constrained Inversion (LCI) — одномерная инверсия аэро-ЭМ данных с учетом (или без учета) эффекта ВП.
2. AarhusINV Spatially Cоnstrained Inversion (SCI) — квазитрехмерная инверсия аэро-ЭМ данных с учетом (или без учета) Эффекта ВП. В случае SCI инверсии обратная задача решается сразу по всем данным, с использиованием трехмерной конструкции регуляризирующего оператора в функционале невязки. Регуляризирующий оператор сконструирован таким образом, что возможно использование фокусировки инверсии по трем направлениям (Spatially Constrained Inversion). Прямая задача рассчитывается в этом случае для одномерной модели, как и в случае LCI инверсии (Fiandaca et al, 2012).
В качестве начального эксперимента, синтетические данные, полученные в результате прямого моделирования (рис. 5) были искусственно засорены шумами и далее инвертированы в полупространстве. В таблице 1 представлены результаты этих инверсий. Как видно из данных в таблице, точность подбора достаточно высока для всех стартовых моделей, кроме последней, которая максимально далека от реальных значений. Полученные результаты убедили нас в целесообразности применения алгоритма к полевым данным.
Применение методики на месторождении Mt. Milligan (Британская Колумбия, Канада)
Mt. Milligan — это крупнейшее медно-золоторудное месторождение, расположенное в провинции Британская Колумбия, Канада (рис. 6). Оно хорошо исследовано геофизически, включая наземные измерения ВП и залеты методом становления поля в аэроварианте (VTEM). С геологической точки зрения это пример вкрапленного оруденения порфиритово-монцонитового штока «MBX» (интрузивного массива). Этот интрузивный массив прорывает андезиты и вулканиты группы Talka «WBX», «DWBX» (DeLong et al, 1991). Это месторождение порфирового типа, вмещающее почти 500 млн тонн вкрапленных руд, в том числе свыше млн тонн меди и свыше 6 млн унций золота.
Рис. 5. Синтетические кривые, рассчитанные для набора параметров, взятых из данных по реальным золоторудным месторождениям: (а) Copper Cities (США), «ρ» = 155 Ом.м; (б) Kidd Creek (Канада), «ρ» = 16 Ом.м и (в) Lornex (Канада), «ρ» = 126 Ом.м.
Аномальная поляризуемость — особенно важное физическое свойство этого месторождения, так как оно практически не дает аномалии электропроводности, и в случае месторождения Mt. Milligan поляризуемость является основным геофизическим поисковым признаком. Delong et al (1991), в частности, отмечает, что повышенные содержания золота в этом месторождении соответствуют повышенным значениям поляризуемости этих пород ввиду особенности геохимических процессов, повлекших золотоносное оруденение (Oldenburg et al, 1997). На рисунке 7 (стр. 69) показаны данные становления поля в аэроварианте, полученные системой VTEM и осложненные ярковыраженным эффектом ВП (VTEM профиль 540). Также на рисунке 7 (стр. 69) показан геологический профиль AA', который проходит через месторождение, в частности через дайку «Rainbow», которая обладает наивысшим содержанием золота (DeLong et al, 1991).
Данные по 9 профилям, залетанным системой VTEM, были инвертированы с учетом ВП эффекта при помощи программы AarhusINV (SCI) — программы квазитрехмерной инверсии, разработанной на базе университета Архуса (Дания). Результаты инверсии были импортированы в Aarhus Workbench, оболочку объединяющую геофизические данные и ГИС данные и использующуюся сотрудниками Aarhus Geophysics для интерпретации результатов инверсий. Результаты инверсии по профилю 540 показаны на рисунке 8.
Рис. 6. Расположение месторождения Mt. Milligan, Канада
Один из профилей наземных измерений ВП совпадает с профилем 540, залетанным системой VTEM. Результаты инверсии наземных данных ВП были продемонстрированы в Oldenburg et al, 1997. Мы приводим сравнительный анализ этих профилей (рис. 9) на базе Aarhus Workbench. Как видно из рисунка 9, приповерхностное распределение поляризуемости, рассчитанное при помощи алгоритма AarhusINV (SCI), очень хорошо совпадает с приповерхностным распределением поляризуемости, полученным в результате инверсии наземных ВП данных. Более глубинное распределение поляризуемости, которое соответствует непосредственно месторождению (рис. 9, б), находится глубже максимальной интерпретируемой глубины для используемого нами метода (рис. 9, a). Из личной коммуникации с профессором университета RMIT (Мельбурн, Австралия), который также занимается проблеммой эффекта ВП в аэро-ЭМ данных, стало понятно, что одним из ограничений метода является ограниченная возможность наблюдать эффект ВП над субвертикальнозалегающими поляризуемыми объектами (Macnae, 2015).
Рис. 7. Данные, измеренные системой VTEM над месторождением Mt. Milligan (Канада), осложненные ВП эффектом: (а) ВП эффект на индивидуальной кривой затухания; (б) ВП эффект в данных по профилю 540; (в) расположение профиля 540 (VTEM) и геологического профиля АА' над месторождением
Несмотря на это, глубинное поляризуемое тело находит некоторое проявление в приповерхностном распределении поляризуемости. Исходя из этого можно заключить, что методика может быть качественно эффективной даже в случае глубинного залегания поляризуемого объекта.
Далее, нами было получено распределение поляризуемости и электрического сопротивления по геологичекому профилю AA', на основе интерполяции результатов инверсии на базе Aarhus Workbench. На рисунке 10 показано распределение поляризуемости. Как видно из рисунка 10 лучше всего выявлены приповерхностные поляризуемые объекты, которые совпадают с верхней частью зоны DWBX (DeLong et al, 1991). Также повышенные значения поляризуемости наблюдаются над зоной 66 (66 zone) и дайкой «Rainbow», которая обладает самыми высокими содержаниями золота по месторождению Mt. Milligan (DeLong et al, 1991, Oldenburg et al, 1997).
Рис. 8. Инверся данных VTEM по профилю 540 над месторождением Mt. Milligan: (a) электрическое сопротивление «ρ»; (б) поляризуемость «m0»; (в) время релаксации «τ»; (г) параметр «с»; (д) невязка данных
На рисунке 11 показано распределение поляризуемости по глубине на двух уровнях (1050 м и 1060 м). Из рисунка 11 видно, что зона 66 в целом показывает аномальное распределение поляризуемости и может быть откартирована в первом приближении на основе данных поляризуемости, полученных из аэро-ЭМ данных.
Рис. 9. (а): результаты инверсии по данным наземного ВП (Oldenburg et al, 1997); (б) результаты инверсии данных VTEM (поляризуемость), по профилю 540.
Далее, на рисунке 12 показано сравнение геоэлектрических разрезов, полученных без учета эффекта ВП и с учетом эффекта ВП. Оба геоэлектрических разреза показаны с учетом реальной глубины проникновения сигнала, на основе анализа кривых затухания. В случае, когда эффект ВП не учитывается, та часть кривой затухания, где этот эффект проявлен особенно явно выбрасывается и не принимает участия в инверсии. Как видно из рисунка 12, моделирование ВП эффекта позволяет не только получить данные о поляризуемости пород, но и улучшить геоэлектрический разрез.
Рис. 10. (a): Геологический разрез через месторождение Mt. Milligan (DeLong et al, 1991); (б): интерполированные результаты инверсии AarhusINV (SCI) на базе AarhusWorkbench, сопоставленные с разрезом AA'
Применение методики на месторождении Abra (Западная Австралия)
Месторождение Abra находится в Западной Австралии. Это рудное месторождение гидротермального типа с преобладанием свинцовых руд и высокими содержаниями Zn, Cu и Аu. Основное оруденение находится в осадочной толще группы Edmund между формациями Irregully и Kiangi Creek на глубине около 200 м (рис. 13). Месторождение перекрывает группу жил с различными степенями оруденения, которые являются подводящими каналами гидротермальной системы (Hardy, 2013). Его общее содержание руды превышает 60 млн тонн, в том числе содержит около 175000 унций золота.
Рис. 11. Распределение поляризуемости, полученной над месторождением Mt. Milligan в результате инверсии AarhusINV (SCI) на уровне (а): 1050 м; (б): 1060 м
С геофизической точки зрения месторождение изучено очень хорошо, с применением методов электроразведки, гравиразведки и магнитометрии. Оно было залетно системой VTEM и, как в случае с месторожденем Mt. Milligan, наблюдается осложнение сигнала ВП эффектом.
Нами была построена одномерная трехслойная геоэлектрическая дисперсионная модель месторождения Abra и рассчитаны кривые затухания, с учетом эффекта ВП для системы VTEM (рис. 14).
Как видно из этой модели, при благоприятных условиях даже поляризуемое тело, залегающее на большой глубине (>200 м), может создать достаточный ВП отклик в кривых затухания аэро-ЭМ системы. Ключевым фактором для выделения такого отклика и его интерпретации является уровень шума в системе. Нами был выбран уровень шума, который в реальности задокументирован в системе VTEM, таким образом, достоверность ВП эффекта в полевых данных и его возможная связь с поляризуемостью месторождения Abra были проверены при помощи моделирования.
Рис. 12. Сравнение геоэлектрических разрезов по одному и тому же профилю, полученных (а): в случае, когда эффект ВП не учитывается; (б): когда эффект ВП учитывается, на основе (в): редактированной кривой затухания и (г): полной кривой затухания. Разрезы представлены поверх геологического профиля АА' (DeLong et al, 1991)
Данные VTEM были инвертированы как с учетом эффекта ВП, так и без его учета. На рисунке 15 показано сравнение результатов инверсии по профилю 4040, выполненной для многослойной модели (А): распределение электрического сопротивления, полученного при помощи программы GA LEI (CSIRO); (Б): распределение электрического сопротивления, полученного при помощи алгоритма AarhusINV (LCI) и (В): распределение поляризуемости, полученного из аэро-ЭМ данных (AarhusINV). На профиле (Б) черной линией показана глубина проникновения сигнала, а красной линией показана невязка подбора данных, на профиле.
Мы видим повышенные значения поляризуемости, соответствующие месторождению. Этот пример показывает целесообразность применения алгоритма даже в некоторых случаях глубинного (>200 м) залегания поляризуемого материала.
Нами была проведена привязка параметров, полученных в результате инверсии аэро-ЭМ данных, с учетом ВП эффекта к геологическому разрезу, а также к результатам наземной ВП съемки, которая проводилась над объектом. Рисунок 15 показывает эти результаты.
Рис. 13. Расположение месторождения Abra (Австралия)
Как видно из рисунка 15, инверсия аэро-ЭМ данных, с учетом ВП эффекта, дает достаточно правдоподобные результаты, которые полностью совпадают с известной геометрией месторождения. При сравнении данных поляризуемости, полученной из наземной ВП съемки, с данными поляризуемости, полученными из аэро-ЭМ съемки, необходимо принимать в учет разницу единиц, в которых данные представлены на рисунке 16. В случае с вариантом (б) — это mV/V (амплитуда), а в случае варианта (г) — это mRad (фаза), поэтому, строго говоря, эти данные не должны совпадать.
Рис. 14. Кривые затухания, рассчитанные по одномерной трехслойной геоэлектрической модели по месторождению Абра, с изменяющейся поляризуемостью нижнего слоя, который соответствует местотождению
Заключение
На примере прямого моделирования были показаны зависимости возникновения ВП эффекта в аэро-ЭМ данных (методы становления поля), были исследованы влияния формы сигнала источника ЭМ поля, электропроводности (сопротивления), поляризуемости, временной константы и высоты полета, была продемонстрирована возможность извлечения в ряде случаев значений поляризуемости при помощи инверсии и показаны примеры практического применения новой технологии для поиска золоторудных месторождений. Для наиболее точного извлечения значений поляризуемости и фокусирования инверсии важно использовать близкие к реальным значения временной константы «τ», в противном случае результаты инверсии подвергаются негативному влиянию.
Рис. 15. Инверсия данных VTEM над месторождением Abra (Австралия): (А) инверсия электрического сопротивления без учета эффекта ВП; (Б) инверсия электрического сопротивления с учетом эффекта ВП; (В) инверсия поляризуемости из данных VTEM.
На примерах месторождений Mt. Milligan и Abra были продемонстрированы очень серьезные успехи практического применения технологии, в случае Mt.Milligan предложенная технология оказалась единственным способом извлечь прямые поисковые признаки месторождения из данных, полученных в аэроварианте. В случае Mt. Milligan нам удалось не только извлечь информацию о поляризуемости из данных VTEM, но и существенно улучшить геоэлектрический разрез. В случае с месторождением Abra нам удалось извлечь информацию о поляризуемости с глубины более 200 м, опираясь только на аэро-ЭМ данные, что, по сути, является прямой альтернативой наземной ВП съемке. Мы продолжаем наши исследования в области геофизической инверсии и надеемся, что предложенная выше технология найдет широкое применение при разведке золоторудных месторождений в России.
Рис. 16. (а) Геологический разрез через месторождение Abra; (б) поляризуемость полученная из аэро-ЭМ данных (mV/V); (в) электрическое сопротивление, полученное из аэроданных; (г) поляризуемость полученная из наземных данных (mRad).
1. Cole, K. S., Cole, R. H., 1941, Dispersion and absorption in dielectrics I: Journal of Chemical Physics, 9–4, 341–351.
2. DeLong, R. C., Godwin, E. I., Harris, M. W. H., Caira, N. M., and Rebagliati, C. M., 1991, Geology and alteration at the Mt. Milligan Gold-Porphyry Deposit, Central British Columbia, in Geological Fieldwork 1990, British Columbia Ministry of Energy, Mines, and Petroleum Resources-Geological Survey Branch, Paper 1991–1, 199–205.
3. El-Kaliouby, H., El-Diwany, E., Hussain, S., Hashish, E., Rahim Bayoumy, A., 1997, Optimum negative resposnse of a coincident-loop electromagnetic system aboive a polarizable half space. Geophysics, 62, 75–79.
4. Fiandaca, G., Ramm, J., Binley, A., Gazoty, A., Christiansen, A. V., and Auken, E., 2012, Resolving spectral information from time domain induced polarization data through 2-D inversion: Geophysical Journal International.
5. Flis, M. Newman, G., Hohmann, G., 1989, Induced polarization effects in time domain electromagnetic measurements. Geophysics, 54, 514–523.
6. Hardy, L., 2013, SouthBangemall Projects Information Memorandum, Report prepared for Abra Mining Pty Ltd.
7. Kratzer, T., and Macnae, J.C., 2012, Induced polarization in airborne EM: Geophysics, 77, E317–E327.
8. Macnae, J.C., 2015, личное общение.
9. Oldenburg, D.W., Li, Y., Ellis, R.G., 1997, Inversion of geophysical data over a copper gold porphyry deposit: A case history for Mt. Milligan, Geophysics, 62–5, 1419–1431.
10. Smith, R. and Klein, J., 1996. A special circumstance of airborne induced-polarization measurements. Geophysics, 61(1), 66–73.
11. Viezzoli A., Fiandaca, G., Segio, S., Auken., E., 2013, Constrained inversion of IP parameters from Airborne EM data, ASEG-PESA Expanded abstracts, Melbourne, Australia.
Опубликовано в журнале «Золото и технологии», № 1 (27)/март 2015 г.
