Стартовой точкой для развития данной работы послужило решение производственной задачи интерпретационных построений по комплексу геофизических и смежных методов, которые выполняются с помощью беспилотных летательных аппаратов и полезных нагрузок на них производства отечественной компании «Геоскан». В данной статье рассматривается вопрос повышения геологической содержательности интерпретационных пересчетов комплекса аномального магнитного поля, поля абсолютных высот цифровой модели рельефа и полутонового поля фотоаномалий многоканальной дистанционной основы. Целью работы является разработка способов фильтрации и глубинных параметрических пересчетов, инвариантных относительно типа обрабатываемого геополя.
- Введение
- Методология полевых и камеральных изысканий
- Комплексная геолого-геофизическая интерпретация
- Заключение
Введение
На сегодняшний день применение беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в гражданских целях имеет достаточно длительную историю развития как в России, так и во всем мире. В России есть несколько ведущих организаций, которые выполняют съемки с применением БПЛА для геологоразведочных нужд.
В настоящей работе были использованы данные, полученные в ходе выполнения съемки одним из российских лидеров в части применения БПЛА в практике проведения геологоразведочных работ, а именно ГК «Геоскан» в полевом сезоне 2022 года.
В качестве изучаемого полигона в работе рассматривается один из перспективных участков в Ловозерском районе Мурманской области. Рассматриваемое рудопроявление, развитое в верховьях реки Териберка, образовано семейством кулисообразно залегающих линз двупироксен-магнетитовых кварцитов мощностью до 100-140 метров и длиной от 100 метров до 1.5 км при глубине прогноза магнетитовых и гематит-магнетитовых руд до 500 метров. Рудный узел, наряду с Центрально-Кольским и Шолтъярвским рудными узлами, входит в состав Центрально-Кольской железнорудной металлогенической зоны (МЗ). В области её формирования месторождения железистых кварцитов тяготеют к линейным шовным структурам, представляющим собой реликты архейских зеленокаменных поясов, а также узкие прогибы в обрамлении гранито-гнейсовых куполов. В окрестности лицензионного участка развиты кристаллические комплексы, контактные поверхности которых обладают северо-западным азимутом простирания. На этом фоне картируется область пересечения (дискордантная структура) двух региональных разломов, северо-восточного и субмеридионального простираний, попадающая в лицензионные границы. Пространственная приуроченность исследуемой территории к дискордантной структуре позволяет ожидать проявление в морфологии измеренных геополей маркеров кольцевой структуры с центром в отмеченной области пересечения региональных разломов.
Строение Центрально-Кольской МЗ, к которой тяготеет рассматриваемое месторождение, отличается уплощенной конфигурацией тоналитовых линз вплоть до пластообразной формы, при этом разрезы большинства рудопроявлений образованы чередованием «пластов» тоналитовых гнейсов и кристаллосланцев, включающих линзы железистых кварцитов. Другая особенность ЦентральноКольской МЗ – это значительная доля комплексов, метаморфизованных в условиях гранулитовой фации, и полное отсутствие здесь не только крупных месторождений, но даже крупных рудных тел. В большинстве разрезов доминируют основные кристаллосланцы, хотя на рудопроявлениях рассматриваемого участка таковые практически отсутствуют и железистые кварциты залегают в толще биотитовых и глиноземистых гнейсов.
Методология полевых и камеральных изысканий
Площадь участка исследований составляет порядка 30 км2 , что делает проблематичным проведение наземных геофизических изысканий. В связи с этим было принято решение о выполнении работ с привлечением такого оборудования, как малотоннажные и малоразмерные беспилотники с различными полезными нагрузками.
На участке был выполнен комплекс работ, включающий в себя аэромагнитную съемку с применением БПЛА, а также аэрофотограмметрическая съемка со сканированием локальных форм рельефа. Все работы были проведены силами и оборудованием ГК «Геоскан». В первую очередь выполняются аэрофотосъемочные работы с целью создания карты высот для последующих полетов с БПЛА с детальным огибанием рельефа. При выполнении аэромагнитной съемки используется комплекс «Геоскан 401 Геофизика», который состоит из малотоннажного квадрокоптера мультироторного типа и установленного на дрон квантового магнитометра Geoscan GeoShark. Полеты при выполнении аэромагнитной съемки выполняются на минимально возможной высоте. Данный момент является очень важным, так как при соблюдении обозначенного условия минимизируется удаление сенсора от горного массива, что позволяет получать более качественный сигнал, который не будет потерян на фоне сигнала от более крупных объектов.
Стандартная камеральная обработка результатов полевых магниторазведочных работ с применением БПЛА сводится к последовательному выполнению следующих операций: введение поправки за суточные вариации геомагнитного поля Земли; введение поправки за нормальное поле Земли; взаимная увязка опорных и рядовых маршрутов; оценка СКО.
Основная цель обработки данных аэромагниторазведки заключается в получении на площади съемки цифровой модели аномального магнитного поля и оценки погрешности полученных результатов измерений, а также построении карты аномального магнитного поля и карт-трансформант (рис. 1).
Рисунок 1. Карты, исследуемого полигона, полученные по результатам полевых аэромагнитных работ с БПЛА и камеральной обработки:
а. карта аномального магнитного поля;
б. карта вертикальной производной аномального магнитного поля;
в. карта полного горизонтального градиента аномального магнитного поля
Комплексная геолого-геофизическая интерпретация
Переходя к количественной и качественной геолого-геофизической интерпретации хочется обозначить основную последовательность действий, которая будет описана более подробно далее, а именно:
- Постадийная морфоструктурная реконструкция рудоконтролирующих факторов на основе дешифрирования дистанционной основы (ДО). Реконструкция представляет собой линеаментное дешифрирование дистанционных снимков на разных масштабных срезах с формированием генерализованного образа рудоконтролирующей структуры.
- Внесение в аномальное магнитное поле поправки за локальные формы рельефа и последующая верификация с разбраковкой результатов дешифрирования дистанционной основы с применением технологии автоматизированного дешифрирования аномального магнитного поля.
- Оптимальная фильтрация аномального магнитного поля с локализацией откликов в виде интенсивных полосовых аномалий, пространственно коррелируемых с позицией железистых кварцитов.
- Расчет геоблоковой структуры полигона на основе преобразования аномального магнитного поля в скалярное поле значений параметра пространственной стационарности.
- С применением редукции аномального магнитного поля и последующим внесением поправки за локальные формы рельефа земной поверхности реализуется аналитическое продолжение с поверхности наблюдений в объем горного массива.
- Конечный итог выполненных преобразований имеет вид сводной прогнозной схемы, где на априори заданные контуры (рудных тел и проекции контактных поверхностей на картографическую плоскость) вынесены актуализированные элементы (новые прогнозные контуры рудных тел).
ДО представлена полутоновым инфракрасным каналом, привлекаемая к обработке из соображений регистрации рудоконтролирующей структуры, проявленной на площади, большей, чем лицензионная площадь. По отношению к ДО проводятся следующие процедуры: повышение общей контрастности за счет нормирования гистограммы распределения яркости; поиск краёв протяженных элементов (линеаментов) на основании оператора Собела; GRB-комбинация с цифровой моделью рельефа и региональным магнитным полем и контрастирование линеаризованных структур на основе трассировки изолиниями выявленных линейных контуров.
Итог процедуры представляет собой локализацию обособленных линеаментных структур, в системе которых может быть заключена закономерность пространственного распределения рудных объектов (рис. 2). Наложение реконструкции структурного плана первого порядка на элементы априори заданной геологической основы демонстрирует следующие закономерности: отчетливо локализуется дискордантная структура, попадающая в область кулисообразного изгиба известных контуров рудных тел; пучность априори известных пунктов рудной минерализации совпадает с областью локализации дискордантной структуры и с центром циркоидной структуры, вероятно маркирующей процессы поэтапных вертикальных подвижек относительно области максимальной проницаемости горного массива (дискордантной структуры); элементы структурного плана первого порядка однозначно коррелируются с априори заданным семейством дизъюнктивов; в системе радиальных разломов выявляются фрагментированные полосовые зоны, коррелируемые с контурами известных рудных объектов.
Рисунок 2. Реконструкция рудоконтролирующих элементов в структурном плане первого порядка. Условные обозначения:
1. априори заданные элементы геол. трещиноватости;
2. априори заданные и заверенные пункты рудной минерализации;
3. априори известная проекция на картографическую плоскость контактная поверхность вулканогенной и вулканогенно-терригенной формаций;
4. контуры рудных тел;
5. реконструкция структурного плана первого порядка (а. циркоидное образование; б. радиальные дизъюнктивы, контролирующие известные рудные объекты)
Переходя к обработке аномального магнитного поля, прежде всего, выполним оценку его функциональной связи с локальными формами рельефа земной поверхности. Данная оценка ориентирована на внесение в структуру аномального магнитного поля поправок, исключающих отклики от локальных форм земного рельефа. Актуальность данных поправок связана с разбраковкой или верификацией линеаментного образа, полученного на основе ДО, посредством его сравнения с глубинным (эндогенным) геоструктурным образом, выведенным из анализа магнитного поля, а также с обеспечение количественных пересчетов аномального магнитного поля с плоской поверхности, параллельной поверхности геоида.
Для реализации отмеченной оценки вычисляем коэффициент парной корреляции между аномальным магнитным полем и полем абсолютных высот рельефа земной поверхности. Коэффициент парной корреляции |r(Ta,Rel)|=0.21<0.5, что означает наличие слабовыраженной линейной связи между магнитным полем и локальными формами рельефа земной поверхности. Тем не менее, для обеспечения предельного отсутствия функциональной зависимости между аномальным магнитным полем Та и локальными формами земного рельефа R выводим линейную функцию вида:
Ta = -4443.814+16.394 * R ,
на основании которой, для любого значения R вычисляем составляющую аномального магнитного поля δTa, обусловленную локальными формами рельефа R. Вычитание δTa из фактических данных аномального магнитного поля определяет нулевой коэффициент парной корреляции между Та и R.
Выполним по магнитному полю трассирование геоструктурных осей после внесения поправки δТа. Основу операции построения геоструктурных осей составляет пересчет площадного распределения значений аномального магнитного поля в параметр кривизны виртуальной (магнитудной) поверхности этого поля, проявленной в направлении вектора градиента магнитного поля для любой, где это поле определено. Отрицательная кривизна, отраженная на рис. 4,а темно-серой заливкой, указывает на антиформу в структуре виртуальной поверхности поля.
С применением полутоновой заливки схемы изолиний параметра К и при исключении из схемы образа самих изолиний имеем пространственную схему геоструктурных осей, весьма детально отображающую линейные и нелинейные структурные элементы, сдвиговую кинематику, а также локальные области дискордантных пересечений. Комбинация трансформант ДО и эндогенного геоструктурного плана позволяют восстановить элементы геоструктурного образа 2-го порядка, подчиненного геоструктурному образу 1-го порядка.
Рисунок 3. Реконструкция геоструктурного плана 2-го порядка и его объединение с геоструктурным планом 1-го порядка:
а. Трансформация цифровой модели аномального магнитного поля в геоструктурный образ лицензионной площади;
б. совместное дешифрирование трансформанты на Рис.5.9., «а» и трансформант ДО на Рис. 5.4. с образованием обобщенного геоструктурного образа исследуемой территории (в легенде: 5 – элементы геоструктурного образа 1-го порядка; 6 – то же 2-го порядка)
Наложение на итоговую геоструктурную схему элементов априори заданной крупномасштабной геологической основы позволяют допускать наличие двух фрагментированных полосовых зон, контролирующих развитие искомых рудных объектов: одна полосовая зона верифицирует позицию известных рудных контуров; вторая полосовая зона размещена несколько севернее и тяготеет больше к вулканогенной формации.
Следующая стадия обработки аномального магнитного поля заключается в локализации аномальных зон, связанных непосредственно с эталонами. Для этого реализован вариант низкочастотной фильтрации. Как демонстрирует сопоставление априори известной геологической основы, первичного образа аномального магнитного поля (рис. 4, а) и результата фильтрации (рис. 4, б): отклики от контактной поверхности вулканогенной и вулканогенно-терригенной формаций в аномальном магнитном поле проявлены слабо и сглаживаются на фоне интенсивных аномалий, порождаемых железистыми кварцитами; южнее проекции этой контактной поверхности на картографическую плоскость размещено семейство полосовых положительных магнитных аномалий, верифицирующих априори заданные контуры рудных тел; севернее проекции этой контактной поверхности на картографическую плоскость размещено сильно фрагментированное семейство положительных аномалий, которые, как отмечалось ранее, по интенсивности сопоставимы с аномалиями, свойственными северной части априори известных контуров рудных тел.
Рисунок 4. Результат оптимальной фильтрации аномального магнитного поля:
а. контрастированный образ аномального магнитного поля;
б. высокочастотная компонента аномального магнитного поля;
в. наложение на рис. 4, б априори известных контуров рудных тел (красный пунктир) и контакта между СВК (зеленая линия)
Расчет параметра пространственной стационарности (рис. 5) контрастирует расположенные севернее контакта вулканогенного и вулканогенно-терригенного СВК семейства интенсивных положительных магнитных аномалий.
Рисунок 5. Распределение параметра пространственной стационарности аномального магнитного поля, контрастирующее зональность, проявленную в пределах участка
Переходя к трехмерной количественной интерпретации аномального магнитного поля, отметим, что работа выполнялась исключительно с его остаточной составляющей: пересчет вниз выполнялся с условной плоской поверхности наблюдений; интенсивные экстремумы в структуре аномального магнитного поля, нивелирующие прочие его особенности и связанные с влиянием рудных тел наблюдаются в узком глубинном диапазоне и, по мере роста глубины пересчета, теряют четкие конфигурации, что истолковывается как выход за пределы аномалеобразующего источника.
Собственно, пересчет вниз опирается на известную последовательность операций вида (по мере роста глубины пересчета): пересчет аномального магнитного поля в спектр Фурье; контрастирование спектральных гармоник, относящихся к детерминированной глубине аналитического продолжения аномального магнитного поля; пересчет преобразованного спектра Фурье в предметную плоскость с получением образа аномального магнитного поля для фиксированной глубины пересчета; вычитание из исходного магнитного поля образа поля.
Результатом пересчета служит набор горизонтальных сечений трехмерной блок-диаграммы горного массива, в котором каждое из сечений сформировано схемой распределения интенсивности образа аномального магнитного поля, свойственного детерминированной глубине. Такой пересчет способен выявлять глубину максимального проявления намагниченной рудной фракции (здесь – зоны формирования железистых кварцитов), маркируя её локальными интенсивными откликами. Как можно наблюдать из приведенных на рис. 6 трех сечений, до глубины порядка 50 метров наблюдается сильно дифференцированная структура интенсивных полосовых магнитных аномалий как в области априори известных рудных контуров, так и севернее их.
Рисунок 6. Результат аналитического пересчета магнитного поля на глубину:
а. 50 м;
б. 200 м;
в. 500 м.
Заключение
Таким образом, на основании всего вышеупомянутого, можно сделать выводы, что на глубине 200 метров наблюдается выраженное сглаживание контуров интенсивных магнитных аномалий, что позволяет говорить о выходе за пределы области локализации особых точек (верхних и нижний кромок аномалеобразующего объекта). На глубине 500 метров наблюдаются лишь трендовые следы аномальных зон, что даёт основу рассматривать 500-метровую глубинную отметку как предельную в формировании трассируемых рудных тел.
Обобщая приведенные выше построения, определим в качестве прогнозной на формирование железистых кварцитов северную группу полосовых магнитных аномалий (рис. 7).
Рисунок 7. Прогнозная зона, приведенная на фоне априори заданных элементов крупномасштабной геологической основы:
синим обозначена прогнозная зона;
красным обозначены контуры рудных тел;
зеленым отмечен контакт вулканогенной и вулканогенно-терригенной формаций.
В северо-западной части выделенных на (рис. 7) перспективных объектов наблюдается их приуроченность к контакту вулканогенно-терригенного и вулканогенного СВК. По мере движения на восток, прогнозная полосовая зона смещается относительно обозначенного контакта севернее, в её структуре проявляется более выраженная, чем в априори заданных рудных контурах, сегментирование по плоскости дизъюнктивов со сдвиговой кинематикой. В структуре прогнозной полосовой зоны присутствует эшелонирование – наличие субпараллельных полосовых образований, мощность которых сокращается при движении с юго-запада на северо-восток.
Ссылки на источники, используемые в статье, были удалены. Библиография доступна в оригинальной публикации.
Авторы статьи: З.И. Садыкова, И.Б. Мовчан, А.А. Яковлева, Д.А. Гоглев.
Опубликовано в научном журнале «Геология и полезные ископаемые Западного Урала», 2023. № 6 (43), С. 161–169.