Авторы статьи преследовали цель разработать системный подход при организации беспилотной магнитометрической съемки, применяемой для структурно-геологического картирования. Материалы, на основе которых было проведено исследование, были получены в рамках проекта в Нерюнгринском районе Якутии. Был выполнен анализ и авторская модификация камеральной обработки данных магнитометрии, а также создана физико-геологическая модель исследуемого участка.
Итогом работы стала актуализация геологической основы и выделение перспективных рудных участков для их детализации в рамках планируемых крупномасштабных геолого-геофизических изысканий.
Введение. Тема работы связана с двумя актуальными аспектами: картированием элементов структурного контроля эндогенных золоторудных проявлений и применением беспилотной авиации. В качестве геологического полигона рассмотрена одна из перспективных площадей Якутии. Золотодобыча в данном регионе ведется чуть менее века при оценке ресурсов (Центрально-Алданский рудный район, Южная Якутия – 1000 т золота). Рассмотрены золоторудные месторождения в областях Южной Якутии, характеризуемых на большей своей площади широким развитием мезозойского магматизма, интрузивные продукты которого пронизывают карбонатные толщи перекрывающих осадков. Выбранный геологический полигон размещен в пределах Тимптоно-Беркакитской площади (бассейны рек Иенгра, Беркакит, Тимптон, Чульман). Ближайшими к геологическому полигону детально разведанными эндогенными (коренными) месторождениями золота с промышленными запасами являются месторождения Куранах, Лебединое и Рябиновое, расположенные севернее (на расстоянии порядка 170-180 км) от центра полигона.
Месторождение Куранах сформировано окисленными золотоносными рудами с исходно высоким содержанием сульфидов, отличается комплексным характером оруденения (полиметаллов, вольфрама и серебра). В первичном своем проявлении золото Куранахского рудного поля относят к образованиям гидротермального типа, где выделяют руды двух генераций: микроскопические вкрапления, ассоциированные с пиритом; миллиметровые вкрапления различной морфологии, ассоциированные с кварцем и пиритом. Месторождение Рябиновое представляет собой массивы вкрапленных в щелочных мезозойских комплексах золото-сульфидных руд. Месторождение Лебединое образовано залежами частично окисленных золото-сульфидных руд, ассоциированных с кварцевыми жилами, пронизывающими карбонатные породы. Все три месторождения относят к разным геолого-промышленным типам: минерализованные залежи золото-пирит-адуляр-кварцевых руд (Куранах); кварц-золото-сульфидные рудные скопления и жилы (Лебединское); золото-порфировые медные руды прожилково-вкрапленной морфологии (Рябиновое). Если первые два типа тяготеют к карбонатным породам и их контактам с интрузивными комплексами, то третий тип формируется непосредственно в интрузивных комплексах.
В пределах выбранного геологического полигона, где при субмеридиональном движении наблюдается резкая смена геологической обстановки (от моноклинального залегания осадочных и вулканогенно-осадочных толщ юрского возраста на севере через выраженную контактную зону к крутопадающим архейским комплексам, представленным чередующимися продуктами кислого и щелочного магматизма в центральной и южной частях полигона), оруденение, тяготеющее к контактной зоне магматогенных и осадочных комплексов и древним кристаллическим формациям. Выбранный геологический полигон находится практически посередине между двумя рудно-россыпными районами: Эвотинским – севернее полигона (включает рассмотренные выше месторождения), Гувилгринским – на юге и юго-востоке относительно полигона. Опубликованная геологическая основа демонстрирует детерминированную структурную картину в окрестности геологического полигона: он тяготеет к области пересечения субмеридиональной дизъюнктивной зоны, связывающей оба указанных рудно-россыпных района, и дизъюнктивной полосовой зоны северо-западного простирания, пересекающую, кроме Гувилгринского района, Талангинский рудно-россыпной район. Согласно работам, данная область пересечения определяется как дискордантная структура, а отмеченные дизъюнктивные зоны рассматриваются в качестве каналов миграции рудонасыщенных растворов и расплавов, что гипотетически способно сформировать в пределах избранного геологического полигона промышленно значимый золоторудный массив.
Методология. Площадь выбранного полигона более 40 км2, что делает проблематичным его представительные оценки на основе только наземных изысканий. В то же время имеет место плохое состояние специализированного (геолого-геофизического) аэропарка: в условиях массового притока на отечественный рынок импортной измерительной аппаратуры российская геологическая отрасль сохранила единичные аэроотряды, в числе которых – действующие подразделения АО НПП «Аэрогеофизика» (Москва), летные отряды филиалов ВСЕГЕИ (Санкт-Петербург), ЗАО «Аэрогеофизическая разведка» (Новосибирск). Такой дефицит техники при аэрогеофизической съемке неизбежно влечет рост ее себестоимости и, как следствие, понижение рентабельности изысканий. Поэтому анонсировано применение малотоннажных и малоразмерных беспилотников с геофизической полезной нагрузкой. Возможность их использования позволила сотрудничать с фирмой ООО «Геоскан», имеющей собственное производство аэроносителей и многолетний опыт их применения в различных задачах. Несмотря на популяризацию применения дронов, в частности в геологии и геофизике, следует обратить внимание на такие особенности, как подверженность аппарата влиянию атмосферных потоков, на малую полезную нагрузку, неизбежно определяющую уменьшение размеров сенсора, т.е. его разрешающей способности. Данные особенности не являются единственными и представляют собой источник совершенствования методологии применения беспилотной специализированной (здесь – магнитометрической в комплексе с геоморфологической) съемки. Поэтому целью изысканий выступают анализ и подбор вариантов модификации методики комплексной геоморфологической и аэромагнитометрической разведок, включающей разработку системы интерпретации, обеспечивающей совместный анализ разнородных геополей (здесь – поля оптической плотности дистанционного образа и аномального магнитного поля (АМП) в привязке к задаче прогноза проявления эндогенного оруденения.
Технические основы аэромагнитной съемки с беспилотного летательного аппарата (БПЛА). Аэромагнитная съемка с применением БПЛА выполняется с помощью комплекса «Геоскан 401 Геофизика», который включает в себя квадрокоптер мультироторного типа и квантовый рубидиевый магнитометр Geoscan GeoShark. Магнитометр установлен на БПЛА с помощью капронового шнура длиной 20 м. Техника произведена компанией ООО «Геоскан». Основные технические характеристики квадрокоптера «Геоскан 401»: длительность полета – до 60 мин; продолжительность полета – до 22 км; горизонтальная и вертикальная скорости – до 50 и 5 км/ч соответственно; высота – 500 м; максимальная скорость ветра – до 10-12 м/с; масса полезной нагрузки – 2 кг; рабочие температуры – от –20 до +40 °С. Характеристики магнитометра GeoShark: чувствительность – 1 пТл/√Гц; диапазон измерения поля – 20000-100000 нТл; общая девиационная ошибка – < 0,3 нТл; частота измерений – 1000 Гц; диапазон допустимых углов датчика – ±45°; диапазон рабочих температур – от –20 до +40 °С; масса датчика/электронного блока – 120/300 г.
Методической особенностью беспилотной аэромагнитной съемки выступает маловысотность, обусловленная стремлением минимизировать удаление сенсора от горного массива и снижением воздействия атмосферных потоков на малотоннажный дрон. Необходимым элементом данного типа аэросъемки оказывается предварительное картирование локальных форм рельефа и сопутствующих им лесных массивов и инженерных конструкций для обеспечения безаварийного полета магнитометрического беспилотника. Опережающая съемка локальных форм ландшафта (геоморфологической съемки) осуществляется на больших, чем при магниторазведке, высотах (до 2 км) с борта дрона типа «летающее крыло» на основе радарного или лазерного сканирования, комплексируемого с фотографированием (реализуется посредством спектрозональной цифровой камеры). Стандартная камеральная обработка результатов опережающей съемки сводится к формированию географически увязанной цифровой модели относительных превышений земной поверхности (матрица превышений загружается в память магнитометрического дрона). В случае изысканий, реализуемых в рамках рассматриваемой тематики, данная методика, многократно отработанная экспедиционными группами, дополнена авторским блоком оптимизации простирания измерительных маршрутов. Общеизвестна потребность ориентировать эти маршруты вкрест доминирующего простирания геоструктурных элементов, к которым относятся проявленные в современном ландшафте стратиграфические и тектонические контакты структурно-вещественных комплексов. Таким образом, в состав камерального анализа результатов опережающей геоморфологической съемки включен автоматизированный параметрический анализ линеаментных структур, восстанавливаемых на основе цифровой модели рельефа (ЦМР), комбинированного с фотообразом местности, и применения авторского алгоритма дешифрирования. На данной стадии изысканий геоструктурный образ местности, получаемый после линеаментного дешифрирования, оказывается менее значимым, чем интегральная роза доминирующих простираний геоструктурных элементов (в данном случае – северо-восточные доминирующие простирания). При проведении измерительных (магнитометрических) работ по системе маршрутов северо-западного простирания обязательно устанавливается магнитовариационная станция на базе квантового магнитометра для регистрации суточных вариаций геомагнитного поля Земли и их последующего учета в обработке.
Аэромагнитные съемки с борта БПЛА и камеральная обработка при доразведке коренных золоторудных проявлений. Уточняя приведенный геологический обзор, необходимо отметить позицию площади работ: Нерюнгринский район Республики Саха (Якутия), Тимптонский золотопромышленный район (в пределах листа О-51-XXX). Контуры данного листа относятся к югу Алданского нагорья, району бассейна р. Тимптона (правого притока р. Алдан) в среднем ее течении. В геологическом строении рассматриваемой части этого региона принимают участие сложнодислоцированные и глубокометаморфизованные слоисто-кристаллические образования архейского возраста, морские карбонатные породы нижнего кембрия, континентальные отложения юры и рыхлые четвертичные отложения различного генезиса. Интрузивные образования наблюдаются только в пределах площади распространения докембрийских кристаллических пород, а на участках, занятых нижнекембрийскими и юрскими образованиями, проявлений интрузивной деятельности не отмечено. По времени внедрения интрузивные породы территории разделяются на архейские и нижнепротерозойские. Рудное золото, ассоциируемое преимущественно с сульфидами, в основном своем объеме сформировано в пределах исследуемого полигона, как и в пределах всего Алдано-Станового щита, на этапе мезозойской тектоно-магматической активизации. Применительно к выбранному геологическому полигону данные руды сингенетичны протяженным дизъюнктивным структурам, имеющим глубинное заложение и рудоконтролирующую значимость. Золоторудные проявления Верхне-Тимптонского района тяготеют к гранитоидным штокам и дайкам, маркирующим указанные разрывные структуры регионального проявления.
Работы в пределах обозначенного геологического полигона проводились в октябре-ноябре 2019 г. Общая площадь работ (после опережающих оптимизационных оценок) составила 30 км2, длина рядовых маршрутов – 327,8 км, опорных – 9,2 км. Съемка выполнялась с расположением магнитометра на высоте 40 м над уровнем рельефа, квадрокоптера – 60 м. Расстояние между профилями – 100 м.
После проведения полевых работ все материалы были проверены на корректность и переданы на камеральную обработку. Основная цель камеральной обработки данных аэромагниторазведки заключается в получении на площади съемки цифровой модели АМП и оценки погрешности полученных результатов измерений геомагнитного поля.
Для решения поставленных задач необходимо последовательно выполнить несколько видов работ независимо от типа используемого при съемке носителя:
- создать базы данных аэромагнитных наблюдений в формате пакета обработки данных;
- ввести поправки за суточные вариации геомагнитного поля Земли;
- вычислить АМП ∆Та (поправка за нормальное поле Земли);
- взаимно увязать опорные и рядовые маршруты;
- оценить среднеквадратическую погрешность съемки по повторным измерениям;
- учесть влияние локальных форм рельефа на структуру итоговой цифровой модели АМП.
Если первые пять пунктов относятся к отработанным операциям, дающим относительно однозначный результат, то учет взаимосвязи магнитного поля и локальных форм рельефа земной поверхности тяготеет к разряду научных задач. Полет дрона с огибанием локальных форм рельефа можно рассматривать по аналогии с наземным движением оператора: корректно представлять поверхность измерений в качестве условной плоскости; решать относительно данной плоскости обратную задачу; при визуализации ее результатов вносить геометрическую коррекцию, привязывая вычисленные элементы залегания к локальным аномалиям форм земного рельефа. Однако есть ряд проблем, которые такой подход не решает. Первая из проблем состоит в определении соотношения линеаментных структур, закартированных по дистанционному образу ландшафта, с геоструктурными реконструкциями (аналог линеаментов) по АМП. Здесь ставится цель выяснить, какие из линеаментов отражают глубинную (эндогенную) составляющую ландшафта, а какие связаны с приповерхностными процессами. В данном случае актуальным оказывается снижение корреляционной связи между АМП и полем относительных превышений. Другой проблемой оказывается выявленная на эмпирическом уровне функциональная связь между амплитудными и морфологическими особенностями магнитных аномалий и характеристиками земного рельефа. Данная функциональная связь обсуждается в научных публикациях с середины 20 в. (Б.Д.Микрова, 1963).
Обобщая, можно выделить два подхода к введению поправок за рельеф в АМП: аналитический и статистический. В аналитическом подходе есть два ключевых (для данных изысканий) недостатка: потребность решать прямую задачу, что исключает автоматизацию в технологии расчета поправки за рельеф; зависимость точности поправки от уровня физико-геологической информации о приповерхностных толщах. В статистическом подходе доминирует примитивизм: построение аппроксимационной зависимости значений АМП от относительных превышений (абсолютных высот) рельефа земной поверхности с последующим пересчетом этих превышений в коррелируемую с ними составляющую АМП. Как показали исследования А.С.Долгаля, этот подход отличается относительной строгостью только в рамках модели линейной статистики, тогда как интервальные оценки демонстрируют выраженную нелинейность отмеченной аппроксимации. В силу данного противоречия предложен альтернативный способ учета рельефа, опирающийся на расчет функции когерентности:
Ψ2(ΔT,Rl)(ω)=|S(ΔT,Rl)(ω)|2/(SΔT(ω)SRl(ω)),
где ω – пространственная частота, S(ΔT,Rl) – кросс-спектр, вычисляемый на основе прямого преобразования Фурье взаимно-корреляционной функции между АМП и ЦМР; SΔT, SRl – энергетические спектры АМП и ЦМР соответственно.
Принимая за параметр функциональной взаимосвязи АМП и ЦМР выраженную положительную и отрицательную корреляцию между ними, можно сформировать на основе функции когерентности фильтр для вычисления компоненты АМП, коррелируемой с ЦМР. Полосы пропускания такого фильтра будут отвечать условию 0,5 ≤ Ψ2 ≤ 1, что, согласно работе Р.Отнеса (1982), эквивалентно положительной и отрицательной корреляции между разночастотными составляющими АМП и ЦМР, превышающей 0,7. Исключение из АМП компоненты, коррелируемой с земным рельефом, демонстрирует выраженное падение итогового коэффициента парной корреляции (по опытным полигонам – менее 0,3 по модулю). В результате камеральной обработки были отстроены карты изолиний АМП (с внесенной поправкой за локальные формы рельефа), графиков АМП и трансформанты, а также рассчитана оценка среднеквадратической погрешности съемки, которая составила ±5,52 нТл.
Характеристика основных трансформаций магнитного поля, составляющих сущность первого этапа реализованной процедуры качественной интерпретации, приведена в табл.1. Как можно увидеть из рис.1, отображающего итог некоторых трансформант, на фоне доминирующих простираний северо-восточного азимута проявляется транзитная структура север-северо-западного простирания, отображающая гипотетическую шовную зону.
Рис.1. Трансформации АМП: а – вертикальная компонента вектора градиента АМП; б – горизонтальная компонента; в – модуль вектора; г – тилт-трансформация
На основании полученных материалов построена физико-геологическая модель горного массива (рис.2). Представления о допустимых формах и содержании физико-геологической модели зафиксированы как в классической геофизической литературе, так и в последней редакции геологического словаря (ВСЕГЕИ, 2012). Физико-геологическая модель имеет вид разреза, особенности которого выведены на основе комплексирования и анализа различной геофизической и геологической информации, и отображает литологические и физические характеристики геологической среды, позицию стратиграфических и тектонических контактов.
Рис.2. Физико-геологическая модель исследуемой территории, показывающая контакт двух геоблоков разной структуры и возраста
1 – юрская система, нижний отдел. Юхтинская свита нерасчлененная. Песчаники, гравелиты, алевролиты, базальные конгломераты; 2 – кембрийская система, нижний отдел. Юдомская свита. Доломиты с пластами песчаников и конгломератов переменной мощности в основании; 3 – архейская группа, иенгрская серия. Федоровская свита, нижняя подсвита. Амфиболитовые, биотит-амфиболитовые, пироксеновые гнейсы и кристаллические сланцы; 4 – аляскитовые нерасчлененные граниты: биотитовые, биотит-амфиболитовые и аляскитовые; 5 – архейские глубоко гранитизированные породы и гранито-гнейсы; 5 – установленное разрывное нарушение
Переход к производным более высокого порядка традиционно относится к повышению разрешающей способности метода.
Данные для построения физико-геологической модели сформированы среднемасштабной (1:200000) геологической основой (геологической картой и разрезом), предоставленной картографическим online-ресурсом ВСЕГЕИ, а также данными лабораторного анализа пробоотбора и первичными количественными оценками по карте АМП. В структуре модели отражена область формирования шовной зоны, разделяющей интервал подъема кристаллического основания от зоны развития осадочного субстрата. Тектонически эта шовная зона маркирует элемент краевого шва Предстанового прогиба на южной окраине Алданского плоскогорья и играет роль рудоконтролирующего фактора по отношению к одному из эталонных объектов с золотосульфидной полезной нагрузкой. Как видно из рис.2, большая часть территории исследуемого полигона приходится на северный фланг флексуры, сложенной метаморфогенными и магматогенными породами архейского возраста, в системе которых наблюдается погружение поверхностей напластования на северо-запад при угле падения порядка 30°. В северной части полигона данная структурная картина сменяется моноклинальным залеганием осадочных формирований юрского возраста.
Таблица 1
Характеристика использованных трансформаций АМП
По распределению магнитной восприимчивости в пределах данной модели наблюдается заметная дифференциация, связанная с различным объемным процентом содержания магнетита. Так, аляскитовые граниты, залегающие в центральной и северной частях полигона, характеризуются магнитной восприимчивостью в диапазоне от 10–5 до 10–3 ед., что дает в пределах этого комплекса вариацию магнитного поля на несколько сотен нТл (до 500). Контактирующие с аляскитовыми гранитами амфиболит-пироксеновые гнейсы и сланцы федоровской свиты обладают магнитной восприимчивостью в диапазоне от первых единиц до первых десятков единиц СИ, что проявляется скачком магнитного поля на 2000 нТл относительно значений для аляскитовых гранитов. В пределах федоровской свиты вариация составляет нескольких сотен нТл (до 800). Контактирующим с комплексами федоровской свиты в южной части полигона гранито-гнейсам отвечает магнитная восприимчивость от 10–3 до 10–2, что определяет малую изменчивость магнитного поля в пределах гранито-гнейсов (до 200 нТл) и промежуточное значение среднего уровня по отношению к среднему уровню магнитного поля, свойственного аляскитовым гранитам, федоровским гнейсам и сланцам.
Последующий морфоструктурный анализ реализован посредством авторских программ картирования – линеаментных структур (на основе данных дистанционного зондирования Земли) и геоструктурных элементов (на основе АМП), их классификации и последующей разбраковки с применением расчета областей пространственной стационарности геополей. В качестве исходных материалов для параметрического линеаментного дешифрирования применялись инфракрасный канал космической съемки с межпиксельным интервалом порядка двух метров, комбинированный с ЦМР. Конечным результатом разбраковки и генерализации схемы линейных морфоструктурных элементов выступает ранжированный морфоструктурный образ полигона (рис.3).
Рис.3. Результаты комбинированного морфоструктурного анализа: а – инфракрасный канал дистанционного образа исследуемого полигона, комбинированный с ЦМР; б – общий вид стратиграфических и тектонических границ на первичной геологической основе полигона (известные рудопроявления маркированы коричневыми кружками); в – АМП в 8-битовом полутоновом представлении; г – образ линеаментных структур, исходно картируемый по дистанционной основе (рис.3, а) и разбраковываемый с применением цифровой модели АМП (рис.3, в); д – результат первичного ранжирования разбракованной линеаментной схемы по степени контрастности проявления протяженных структур
1 – линеаментные протяженные структуры малой контрастности и сильной раздробленности; 2 – протяженные структуры, формирующие квазипериодические системы разной контрастности (а – 0,5-0,7; b – 0,4-0,6; с – 0,3-0,4)
Анализ материалов, отраженных на рис.3, демонстрирует общность морфологии геополей (рис.3, a, в) и ее корреляцию с первичной геологической основой (рис.3, б). Обращаясь к дистанционному снимку местности, как материалу высокой пространственной разрешающей способности, видно разделение полигона на две области, обладающие своей пространственно стационарной структурой: северную часть полигона, занимающую более трети его площади и характеризующуюся сложной морфологией структурных поверхностей при доминирующем их субширотном простирании; среднюю и южную часть полигона, обладающую монотонной пространственной динамикой структурных поверхностей при их общем субмеридиональном и север-северо-западном простирании. Можно увидеть, что линеаментное и геоструктурное дешифрирования (рис.3, г) выделяют по отношению к заявленным азимутам простирания субортогональные транзитные структуры. Как демонстрирует первичная геологическая основа, к области пересечения некоторых из этих структур тяготеют известные рудопроявления. Наложение разбракованной линеаментной схемы на дистанционную основу (рис.3, а) и полутоновое представление АМП (рис.3, в) отражает наличие в современном ландшафте и потенциальном геополе откликов, порожденных одними и теми же эндогенными объектами. Разбракованная линеаментная схема в отсутствие каких-либо ранжирований подобна структуре «битой тарелки» (рис.3, г) – не отображает значимых закономерностей. Поэтому на этапе первичных оценок применялась классификация линеаментных структур по контрастности их проявления (рис.3, д). Даже в таком варианте примитивной градации можно заметить организацию сонаправленных протяженных структур в квазипериодические семейства, к узлам пересечения которых тяготеют отмеченные рудопроявления. Окончательный вариант ранжирования в проекте реализован на основе алгоритма эллиптического скользящего окна, длина полуосей которого определяется радиусами автокорреляции, а ориентировка большой полуоси – доминирующим простиранием изолиний в малой окрестности центра окна. На основании ограниченной выборки точек измерений геополя, попадающей в пределы скользящего окна, вычисляется радиус автокорреляции, поле значений которого отображено на рис.4, а:
где R – автокорреляционная функция исходного геополя (АМП).
Вынося с исходной геологической основы (см. рис.3, б) маркеры позиции эталонных объектов (золоторудных проявлений) на схему изолиний скалярного поля радиуса автокорреляции (рис.4, а), можно отметить, что все эталонные маркеры попадают в градиентные области этого поля. При этом наблюдается тяготение эталонных маркеров к детерминированной зоне значений коэффициента автокорреляции от 180 до 280 м, а сами градиентные области организуются в пересекающиеся (дискордантные) протяженные структурные оси. Размещая эталонные маркеры в узлах реконструируемой решетки дискордантных структур, получаем закономерную квазипериодическую систему, в пределах которой позиция эталонов укладывается в детерминированный диапазон, определяемый как прогнозный маркер или аналог рудного интервала. Обобщая отмеченные особенности, имеются три объективно наблюдаемых феномена:
- рудоконтролирующие дискордантные структуры верифицируются как в поле значений радиуса автокорреляции (рис.4, а – в области сочленения градиентных зон разного простирания, проявленных в данном поле), так и в независимо полученном семействе ранжированных линеаментов (рис.4, б);
- узлы реконструированной квазипериодической сетки дискордантных структур, где размещены маркеры, прогнозные на золоторудное проявление, тяготеют к градиентным зонам в поле значений радиуса автокорреляции (рис.4, а), как и эталонные объекты;
- в системе геоблоковых структур (рис.4, в), границы которых прослеживались по градиентным зонам в поле на рис.4, а, эталонные и прогнозные маркеры тяготеют к элементам разрывной тектоники либо к границам геоблоков.
Рис.4. Морфоструктурный прогноз, реализуемый по ограниченному семейству геополей: а – схема распределения областей пространственной стационарности АМП (в терминах радиуса автокорреляции); б – верификация рудоконтролирующих соосных структур посредством сравнения со схемой ранжированных линеаментов, приведенной на рис.3, д; в – актуализация геологической основы по рис.4, а и верификация морфоструктурных прогнозных маркеров
1 – области пространственной стационарности – геоблоки; 2 – разбракованные линеаментные структуры высокой контрастности – элементы дизъюнктивной тектоники; 3 – дискордантные рудоконтролирующие структуры высокой (а) и малой (b) контрастности; 4 – маркер эталонного (а) и прогнозируемого (b) золоторудного проявления
Данная система прогнозирования укладывается в парадигму волнового структурирования геологической среды, неравновесной в плотностном отношении. В рамках выполненной апробации можно настаивать на представительности выделенных прогнозных маркеров, размещенных в пределах области задания эталонных маркеров (коренных золоторудных проявлений) или на расстоянии единичного «рудного интервала» за пределами этой области.
После завершения верификации реализованного морфоструктурного прогноза, применяется решение обратной задачи, включающей два этапа:
1. Аналитическое продолжение АМП с линии наблюдений в объем горного массива с получением параметрического разреза в форме разночастотных составляющих этого поля, отнесенных к разным глубинам. Принцип отнесения детерминированной составляющей АМП к строго заданной глубине опирается на общеизвестное соотношение:
S(ω,h)=S(ω,0) exp(h|ω|),
где S(ω, 0) – Фурье-спектр магнитного поля, измеренного на земной поверхности; h – глубина аналитического пересчета; S(ω, h) – Фурье-спектр магнитного поля, пересчитанного на глубину h.
2. Применение к полученному параметрическому разрезу семейства градиентных фильтров G(τ) в режиме свертки:
F ̃(x,h)=∬F(x,h)G(x±τx, h±τh) ∂τx ∂τh,
где F(x, h) – результат обратного преобразования Фурье с переходом из спектральной плоскости, где задана S(ω, h) в предметную плоскость; G(τ) – два последовательных фильтра, реализующих сначала расчет пространственной изменчивости аналитически продолженного геополя, затем – сглаживание с помощью весовой функции Гаусса. Для повышения детальности итогового изображения к данным фильтрам добавляется расчет пространственной производной первого порядка по избранному (доминирующему) простиранию.
Результат глубинной реконструкции приведен на рис.5, б, где вынесены проекции позиций эталонных и прогнозных маркеров: 2600 и 5500 м по линии профиля – для эталонных маркеров; 1600-1700, 4000 и 4500 м – для прогнозных маркеров (рис.5, а). В структуре параметрического разреза можно видеть наличие крутопадающих структурных поверхностей на позиции 2600 и 5000 м (полутоновой образ), коррелирующихся с образом субвертикальных «плюмов» (в распределении кажущейся намагниченности). Принимая эти особенности в качестве прогнозирующих параметрических маркеров, получаем:
- на прогнозной позиции 1600-1700 м имеет место крутопадающая структурная поверхность, комбинируемая с малоконтрастным «плюм»-образом;
- на прогнозной позиции 4000 м наблюдается крутопадающая структурная поверхность и контрастный «плюм»-образ;
- на прогнозной позиции 4500 м наблюдается малоконтрастная крутопадающая структурная поверхность и малоконтрастный «плюм»-образ.
Привязка эталонных и прогнозных маркеров к линии профиля осуществляется посредством нанесения метража на линию профиля и проекции на эту линию ближайших маркеров (рис.5, а). На параметрическом разрезе (в терминах безразмерного распределения кажущейся намагниченности (рис.5, б) достоверные эталонные и прогнозные маркеры коррелируют с образом резкого нарушения монотонности залегания структурных поверхностей в форме «плюм»-структур.
Рис.5. Отбор значений АМП по профилю, проложенному вкрест доминирующих простираний рудоконтролирующих структур (а) с последующим аналитическим продолжением (б)
Таким образом, получена основа для ранжирования объектов, перспективных на золоторудное проявление, в части очередности планируемых детализационных (наземных) изысканий. Завершая интерпретационные оценки, нужно отметить, что параметрический разрез на рис.5, б противоречит физико-геологической модели на рис.2, так как наряду с субвертикальной расслоенностью горного массива отражает субгоризонтальную его стратификацию. Это противоречие оценивается как кажущееся, и субгоризонтальная расслоенность разреза относится к уменьшению в интрузивных комплексах объемной плотности трещин с глубиной и, соответственно, к уменьшению с глубиной объемного содержания магнетита, преимущественно метаморфогенного.
При планировании детализационных изысканий рекомендуется результат полученных прогностический построений комбинировать с прошлыми геолого-геохимическими исследованиями. Так, единичные признаки золота в пределах картографического листа О-51-XXX обнаружены в шлиховых пробах р. Тимптон выше устья р. Чульмакан, Горбыллах и в отдельных пробах р. Улахан Мелемкен. Возможно источниками золота в шлиховых пробах по названным водотокам выступают размываемые реками россыпи металла за пределами листа. Рудопроявление золота на правом берегу р. Чульман установлено в 2002 г. С.А.Черновым и связывалось с эксплозивными брекчиями. Исходя из этих положений, предложены четыре участка (рис.6) для проведения поисковых работ, где наибольшими перспективами выявления золотоносной минерализации обладают зоны пересечения разнонаправленных тектонических нарушений в пределах гранитизированных комплексов.
Рис.6. Планирование очередности детализационных работ (зеленые прямоугольники с нумерацией) на фоне упрощенного представления первичной структуры АМП
1 – изолинии рельефа через 20 м; 2 – реки и ручьи; 3 – участок аэромагнитной съемки; 4 – рудопроявления золота в эксплозивных брекчиях; 5 – шлиховая проба со значительным содержанием золота; 6 – канавы; 7 – перспективные потоки рассеяния; 8 – предполагаемые золоторудные тела; 9 – россыпи золота; 10 – ореол россыпной золотоносности; 11 – низкая намагниченность; 12 – высокая намагниченность; 13 – региональная тектоническая зона; 14 – зоны трещиноватости; 15 – архейские нерасчлененные аляскитовые граниты; 16 – амфиболовые, биотит-амфиболовые, пироксеновые гнейсы и кристаллические сланцы; 17 – архейские глубоко гранитизированые породы и гранито-гнейсы; 18 – поисковые участки
Обсуждение. Аэромагнитная съемка с БПЛА обладает рядом преимуществ по сравнению с наземной и самолетной съемками. Сравнительный анализ видов магнитной съемки приведен в табл.2.
Таблица 2
Сравнение видов магнитной съемки
| Параметр | Наземная съемка | Съемка с БПЛА | Большая авиация |
| Стоимость работ, руб./км | От 6500 | От 2000 | От 1500 |
| Точность | Высокая подверженность шуму | Высокая, прецизионная | Средняя, сложная компенсация помех |
| Производительность, км/день | В среднем 15 | До 220 | До 1000 |
| Подготовка к работам | Сложная | Простая | Сложная/дорогая |
| Человеческий фактор | Высокая вероятность ошибки | Отсутствует | Средняя вероятность ошибки, риск жизни экипажа |
На основании данных, полученных на участке исследований и прошлого опыта применения БПЛА при магниторазведке в России и за рубежом, поставлена цель совершенствования методики аэромагнитной съемки с БПЛА так, чтобы качество получаемых данных оказывалось соизмеримым с качеством наземных и самолетных типов магнитных съемок. Для этого разработаны рекомендации к беспилотной аэромагнитной съемке:
1. Увеличение числа контрольных маршрутов. В аэромагнитной съемке с БПЛА их объем определяется формально – на основе масштаба и задач, согласно техническому заданию. В соответствии с инструкцией по магниторазведке за 1981 г., рекомендованный объем контрольных измерений составляет не менее 5 % от общего количества рядовых маршрутов, а при опытно-методических съемках – не менее 10 %. При проведении аэромагнитной съемки с БПЛА необходимо всегда покрывать не менее, чем 10 % площади съемки контрольными измерениями, но не более 20 %, что определяется фактором экономической рентабельности. Такой объем контрольных измерений необходим для корректной оценки среднеквадратической ошибки съемки, как критерия качества аппаратурных измерений:
где Δi – разности ординат окончательных графиков ΔТ или ΔТа на рядовых и независимых диагональных секущих маршрутах в точках их пересечения; n – число разностей Δi, n > 50.
2. «Нахлест» на опорных и секущих маршрутах. Согласно стандартным требованиям, опорные и секущие маршруты должны выполняться за один пролет в день выполнения рядовых пролетов. Данное условие не всегда соблюдается при съемке с борта дрона: максимальная длительность полета квадрокоптера составляет 1 ч (с полезной нагрузкой в виде магнитометра максимальное время полета будет не более 45 мин), и по техническим параметрам дрон может не долететь до конца маршрута на большом участке съемки. Для минимизации влияния данного фактора предлагается выполнять «нахлест» 200-500 м между полетом по одному и тому же опорному и секущему маршрутам в один и тот же день. Затем участки необходимо «сшивать» в процессе первичной (до интерпретации) обработки данных магнитной съемки.
3. «Контрольный пролет» до и после рядового маршрута по одному и тому же участку за пределами площади съемки (аналогично контрольному пункту при наземном варианте магнитной съемки). Необходим для проверки корректности работы аппаратуры. Данные «пролеты» иногда используются для предварительной грубой увязки результатов аэромагнитной съемки. Если среднеквадратическая ошибка будет более 5 нТл, то необходимо выполнить перелет рядового маршрута.
4. «Звезда» – форма полета, реализуемого перед началом системных измерений на площади для проверки корректности работы оборудования. Это нужно для вычисления ориентационной погрешности комплекса (среднее квадратическое отклонение фактического положения гондолы от заданного не должно превышать двух метров) и последующего введения поправок при обработке данных.
5. Увеличение числа разворотов измерительного комплекса за контуром участка работ необходимо для увеличения времени, отводимого магнитометру для принятия стабильного положения на подвесе при минимизации его раскачивания. Процедура позволит свести к минимуму технически обусловленные «вылеты» получаемых значений магнитного поля и обеспечить корректность данных. Рекомендуемая длина разворотов составляет минимум 150 м.
6. Обеспечение разновысотной съемки для верификации результатов аналитического продолжения и получения в разной степени генерализованных образов аномалеобразующих объектов. Процедуру возможно выполнить только средствами беспилотной авиации в отсутствие таковых при наземной съемке и экономической нерентабельности в условиях применения большетоннажных аэроносителей. Аппаратурные оценки структуры поля при реализации разновысотных срезов отличаются единственным характером, тогда как обратная задача определяется как некорректная из-за множественного характера конечного решения.
7. Реконструкция вертикальных профилей для более корректной интерпретации данных и сужения эквивалентного множества решения обратной задачи теории потенциала. С этой целью квадрокоптер с постоянной скоростью совершает полет по вертикальной траектории сначала вверх на определенную высоту, затем с такой же скоростью вниз. Данная процедура рациональна для угловых точек площади съемки и в своей реализации обладает методической особенностью: магнитометр должен быть жестко и неподвижно закреплен на подвесе для минимизации влияния на измерения сильных атмосферных потоков и снижения ориентационной погрешности измерительного комплекса.
8. Создание ЦММ (цифровой модели местности) и ЦМР для участка съемки. ЦММ в силу своей большей детальности призвана исключить аварийный контакт БПЛА с природными и техногенными локальными формами земной поверхности. ЦМР должна обеспечить полеты с избирательным и детальным огибанием локальных форм рельефа. Файлы с ЦММ и ЦМР предназначены для загрузки в память магнитометрического квадрокоптера.
9. Грамотный выбор масштаба съемки. Для достоверного дешифрирования, особенно в условиях складчатых и тектонических структур, нужно проводить аэромагнитную съемку в более крупных масштабах, чем 1:25000 или 1:10000. Необходимые масштабы – 1:5000; 1:2000 и т.д. Для этого применяется техническое правило: расстояние между маршрутами должно быть сопоставимо с высотой наблюдения полета магнитометра. В случае корректной ориентации профилей вкрест доминирующего простирания геоструктурных элементов, проявленного в розе направленности линеаментов, АМП фиксирует большую часть структурно-литологических и структурно-петрографических аномалий полигона. Глубинный характер этих аномалий определяется корректным внесением поправки в АМП, учитывающей влияние на его амплитудно-частотный состав локальных форм земного рельефа.
10. Использование двух и более измерительных комплексов одновременно для обеспечения режима накопления и увеличения соотношения сигнал/помеха в режиме прямых измерений.
11. Беспроводная передача данных по Wi-Fi-сети через систему ретрансляторов. В комплексе «Геоскан 401 Геофизика» реализуется запись данных магнитометрии и позиционирования в автоматическом режиме на съемную flash-карту. Процедура беспроводной передачи данных способна обеспечить комплекс предварительного (в режиме реального времени съемок) качественного и количественного анализа магнитного поля. Актуальность процедуры связана с непредсказуемыми погодными факторами и издержками организации самих полевых работ.
12. Применение безотказной спасательной системы измерительного комплекса, которая напрямую определяет рост рентабельности беспилотных геофизических измерений за счет редукции необратимых потерь как самого измерительного комплекса, так и накопленных им данных. Предлагается два варианта спасательных систем для каждой из составляющих комплекса:
а) для квадрокоптера – парашют; кнопка экстренного выброса парашюта, встроенная в модем связи, будет срабатывать даже при выходе наземной станции управления из строя;
б) для магнитометра – система автоотцепа капронового шнура с прибором от беспилотного летательного аппарата.
13. Разработка бесперебойной системы позиционирования, предполагающей как комбинирование спутниковых навигационных систем GPS и ГЛОНАСС, так и зарекомендовавшую себя в период доспутниковых аэросъемок методику триангуляции по системе наземных радиомаяков. В используемом магнитометре установлен GPS-датчик компании НАВИС с точностью позиционирования примерно ±10 м. Несмотря на данный относительно качественный показатель, точность пространственной привязки можно увеличить за счет внедрения альтернативных датчиков. Так, датчик швейцарской фирмы U-blox позволит реализовать точность определения положения до ±5 м. Введение поправок в специализированной программе MAGNET Tools для полученных данных с датчика U-blox допускает рост точности привязки до ±20-30 см (при сильных шквалах ветра максимум до ±50 см).
Приведенный способ прогнозирования дополняется в рамках научно-производственных работ распознаванием образов с обучением, включающим:
- формирование активационной функции на основе обученных нейросетей;
- реконструкцию вероятностных ореолов, детектирующих степень достоверности прогноза при нелинейном (модифицированном) дискриминантном анализе;
- оценку множественной корреляции между произвольной и эталонной спектральными сигнатурами, выделяемыми в структуре данных дистанционного зондирования (спектрозональной съемки).
Несмотря на теоретическую потребность в поэтапном уточнении результатов рассмотренного морфоструктурного прогноза, отмеченные способы распознавания с обучением требуют увеличения объема экспериментальной выборки, как правило, за счет применения геополей, измеренных физически независимыми способами. Имитация расширения выборки за счет накопления трансформант одного геополя часто приводит к накоплению первичной погрешности измерений, что на выходе определяет сильно диспергированную структуру прогнозных карт. Разработанный и апробированный способ морфоструктурного прогноза отличается применимостью в условиях ограниченной выборки: в данном случае – инфракрасным каналом дистанционной съемки и распределением значений АМП. В рамках рассмотренной методики беспилотной аэромагнитной съемки, увеличение объема анализируемой выборки может быть реализовано посредством включения в стадию количественного анализа ЦММ и ЦМР, а также комплексирования магнитометрических измерений с тепловизионными и аэрогамма-спектрометрическими оценками.
Методика морфоструктурного прогноза активно дополняется безэталонными маркерами аномального состояния горного массива, что можно назвать принципиальным в условиях некоторой неоднозначности рассмотренных интерпретационных построений. Примером такой неоднозначности может выступать генерализованный морфоструктурный образ полигона (см. рис.3, г): переход от семейства разрозненных локальных линеаментов к закономерной системе протяженных структур и их дискордантных соотношений опирается на регуляризирующий функционал. Другой пример неоднозначных построений (рис.4, а): структура подразумевает потребность в итерационном подборе точной позиции градиентных зон, обеспечивающей минимальное среднеквадратичное отклонение от оси этих зон эталонных рудных объектов. Третий пример относится к множественности гипотез, касающихся проявления в измеряемых геополях рудоконтролирующих факторов. Отвлекаясь от концепции соосных и дискордантных рудоконтролирующих структур, предлагается обратить внимание на рис.5, а, где семейство эталонных и прогнозных рудных объектов тяготеет к периферии кольцевой структуры, контрастно проявленной в полутоновом образе АМП. Контуры этой структуры отражены на рис.7. Вместе с отмеченной неоднозначностью можно сказать, что картирование рудоконтролирующей кольцевой структуры, к контурам которой тяготеет 100 % эталонных и прогнозных рудных маркеров, дополнительно верифицирует обоснованный итог морфоструктурного анализа. В южной части области задания АМП можно наблюдать подобную циркоидную форму, при том, что некоторые из рудоконтролирующих протяженных геоструктур явно простираются в направлении центра кривизны южной циркоидной структуры. Таким образом, может быть поднят вопрос расширения площади детализации наземными съемками при выяснении рудогенеза в южной части полигона.
Рис.7. Образ нелинейной (циркоидной) рудоконтролирующей структуры, альтернативный образу соосных и дискордантных рудоконтролирующих структур на рис.4: а – полутоновой образ АМП с нанесенными на него эталонными и прогнозными маркерами при подборе азимута подсветки, контрастирующей образ рудоконтролирующей циркоидной структуры; б – результат дешифрирования контуров рудоконтролирующей кольцевой структуры в северной части полигона и кольцевой структуры близкой морфологии и линейных размеров в южной части полигона
Заключение. Магнитометрические съемки, в том числе с борта беспилотных носителей, апробируются около 30 лет в России и за рубежом, успев зарекомендовать себя на рынке как надежный геофизический метод. Отмеченная надежность формируется на основе ряда методических ухищрений и технологических совершенствований, которые со временем сформируют единую методическую основу, зафиксированную в нормативной документации. На данный момент такой документации не существует даже для применения БПЛА в кадастровой съемке, не учитывая геолого-геофизические изыскания. Поэтому система сформулированных рекомендаций по улучшению качества и повышению рентабельности беспилотной аэромагниторазведки обладает выраженной актуальностью. Особенно это относится к пунктам, касающимся авторских методик оптимизации простирания полетных маршрутов и внесения поправки, учитывающей влияние локальных форм земного рельефа на структуру АМП. Первый из этих пунктов касается параметрической разработки реконструкции геоструктурного образа полигона, которая в своей алгоритмической реализации составляет выраженную конкуренцию отечественной WinLESSA и канадской PCI Geomatica. Ознакомившись с сайтами этих программных разработок, предложенный алгоритмический модуль, опираясь на критерий минимизации дисперсионного функционала, способен выделять не только интегральные характеристики линеаментного поля (как Win-LESSA) и очевидные пространственные структуры (как PCI Geomatica), но и картировать малоконтрастные геоструктурные элементы, включая циркоидные. Особую значимость модуль морфоструктурной реконструкции приобретает в части единой критериальной основы для качественной интерпретации потенциальных и непотенциальных полей при их комплексировании. На этом фоне апробация технологии внесения поправки в АМП за локальные формы рельефа позволяет определить позицию линеаментных структур, отвечающих эндогенным геоструктурным формам, в большинстве представленным элементами разрывной тектоники, активизированными в настоящее время.
Разрабатываемая дополнительно к технологии самих магнитометрических съемок методика качественной и количественной интерпретации призвана решать две принципиальные задачи: прогнозирование коренных рудных объектов в условиях минимума геолого-геофизической фактуры и сокращение временного разрыва между полевой съемкой и ее геоструктурной интерпретацией. Необходимы стандартные методы распознавания образов с обучением (дискриминантный анализ, метод k-средних) как можно большего числа независимых геолого-геофизических признаков, детектирующих эталонный объект. Эта же необходимость присутствует в технологии нейросетевых оцениваний. В представленном алгоритме применяются волновые аналогии, допускающие прогнозные построения на основании только первичных геоморфологических съемок с построением и комплексированием ЦММ и ЦМР при разбраковке результата на основе морфоструктурного анализа АМП. Присваивание какого-либо ранга значимости выявленным перспективным объектам оказывается возможным, апеллируя к итогам количественного истолкования АМП, опирающегося на те же волновые аналогии. Применимость последних как в рамках геолого-разведочных задач, так и для решения менее глубинных и более предметных инженерно-геофизических задач, подтверждается 20-м опытом.
Побочным итогом представленных изысканий выступает экспресс-оценка результатов дистанционного зондирования на этапе формирования ЦММ и ЦМР или на стадии магнитометрических измерений. Если в первом случае имеются в виду линеаментные реконструкции, то во втором – количественная интерпретация АМП по отдельным маршрутам (до стадии увязки и выравнивания сети наблюдений). Таким образом, открывается возможность формирования единого аппаратно-программного конгломерата, способного в режиме реального времени формировать геологически значимый результат. В отношении данного конгломерата нужно отметить направление безэталонного прогноза, развиваемого отделами ВИРГ «Рудгеофизика» в советский период становления геологической отрасли в РФ: концепцию рудоконтролирующих дискордантных структур, развиваемую Т.А.Милаем и В.К.Орловым, маркирование ослабленных зон центрами тектонических напряжений в программном комплексе LEGRA (MARS). В данной работе эти критерии получили свое представление на примере геологического полигона – одного из перспективных золоторудных регионов.
Мовчан , И. Б., Шайгаллямова , З. И., & Яковлева , А. А. (2022). Записки Горного института, 254, 217-233.