Zastosowanie metody elektrooporowej do rozpoznania złóż surowców skalnych

Zwiększenie popularności metody elektrooporowej

Metoda elektrooporowa w ostatnich latach staje się coraz bardziej popularna                          w problematyce  rozpoznawania płytkiej budowy przypowierzchniowej. Ma to bezpośredni związek z ogromnym postępem technologicznym, jaki miał miejsce w ostatnich latach           w dziedzinie aparatur elektrooporowych, przede wszystkim związanych z tomografią elektrooporową. Dynamiczny rozwój urządzeń pomiarowych oraz większa moc obliczeniowa komputerów spowodowały, że metoda ta stała się precyzyjnym, efektywnym i stosunkowo tanim narzędziem, możliwym do wykorzystania w szerokim spektrum poszukiwawczym. Coraz częściej metoda elektrooporowa stosowana jest w zagadnieniach inżynierskich, kształtowaniu i ochronie środowiska, hydrogeologii, archeologii, a także w pracach związanych z poszukiwaniem i eksploatacją złóż kopalin.

Geofizyczne badania, do których zalicza się tomografię elektrooporową czy sejsmikę inżynierską,  dostarczają cennych informacji z zakresu poszukiwań i eksploatacji złóż surowców skalnych. Stosowanie różnych metod geofizycznych pozwala na oszacowanie zasobów złoża oraz ułatwia planowanie eksploatacji. Dzięki ich wykorzystaniu w łatwy             i skuteczny sposób możliwe jest wyznaczenie granicy oraz głębokości potencjalnego złoża, jak  również określenie właściwości fizycznych skał. Powierzchniowe metody geofizyczne są ekonomiczne i szybkie w porównaniu z tradycyjnymi wierceniami. Mogą być prowadzone przed lub w ramach procesu prospekcji. Stanowić mogą metodę komplementarną wysokobudżetowych prac tj. wiercenia.

Firma GeoVolt  przeprowadziła wiele prac nad oceną ilościową złóż surowców skalnych oraz kruszyw naturalnych. Sprzęt oraz oprogramowanie wykorzystywane do tych celów są najnowocześniejszymi na rynku, co w połączeniu z doświadczeniem kadry pracowniczej pozwala efektywnie wyznaczyć granice poziome i pionowe złoża.

Wybrane przykłady zastosowań

Poniżej zostały przedstawione przykłady realizacji badań geofizycznych w wariancie tomografii elektrooporowej, wykonane  w celu ustalenia opłacalności wykupu działek, na których w przyszłości miałaby odbywać się eksploatacja w kopalniach odkrywkowych, określenia głębokości stropu warstwy złożowej czy też zidentyfikowanie stref związanych z działalnością krasową. Dzięki przeprowadzonym badaniom możliwym było rozpoznanie złóż, ze szczególnym naciskiem na określenie głębokości spągu złoża, występowania dyslokacji w postaci uskoków oraz stref zwietrzałych i spękanych.

W przypadku wszystkich przykładów wybór metody pomiarowej uwarunkowany był przede wszystkim korzystnym z punktu widzenia prac geoelektrycznych, bardzo wyraźnym kontrastem opornościowym pomiędzy wysokooporowymi skałami, które docelowo miały być eksploatowane, a niskooporowym nadkładem. Przy projektowaniu pomiarów brano również pod uwagę konieczność uzyskania odpowiedniej rozdzielczości pionowej i poziomej                 (w zależności od postawionego zadania) oraz osiągnięciu zadowalającej głębokości penetracji.

I. Przykłady wykorzystania metody elektrooporowej w badaniach poprzedzających wykup działek pod planowaną eksploatację

Dzięki zastosowaniu tego typu badań, przed rozpoczęciem eksploatacji możliwe jest właściwe ukierunkowanie dalszych badań z wykorzystaniem wierceń. W przypadkach, gdy przeprowadzone pomiary dają jednoznaczne wyniki możliwe jest zaniechanie prowadzenia inwestycji na obszarze nierentownym, czy też rozpoczęcie eksploatacji na terenach, które zostały zdefiniowane jako ekonomicznie korzystne.

Warto również zwrócić uwagę na całkowitą bezinwazyjność oraz szybkość pomiarów elektrooporowych, co może być czynnikiem decydującym w przypadku negocjacji między przyszłym inwestorem  a posiadaczem gruntu.

Określenie zasięgu przestrzennego piaszczysto-żwirowych osadów

Badania przeprowadzono w celu określenia występowania, miąższości oraz głębokości zalegania osadów piaszczysto-żwirowych. W celu prawidłowego rozpoznania geologicznego przeprowadzono dwa profile pomiarowe. Zarejestrowane oporności mieszczą się                    w przedziale 40-160 Ωm. Oporności nieprzekraczające 50Ωm łączone są z występowaniem     w podłożu warstwy gruntów spoistych, wyższe oporności (powyżej 60 Ωm) identyfikowane są z obecnością poszukiwanych osadów piaszczysto-żwirowych.

Fig. 1 Przekrój elektrooporowy P1, osady piaszczysto żwirowe

Fig. 2 Przekrój elektrooporowy P2, osady piaszczysto żwirowe

Na obu przekrojach bardzo wyraźnie zaznacza się granica pomiędzy warstwami piaszczysto-żwirowymi oraz utworami spoistymi. Na pierwszym z profili nad częścią warstwy złożowej znajduje się nadkład, którego grubość waha się od 1 do 9 m. Miąższość poszukiwanych osadów zmienia się w granicach od 4,5 do 25 m.

Poszukiwana warstwa ma większą miąższość na profilu pierwszym. Co więcej, do 160 m jej strop zalega bardzo płytko. Jest to obszar najbardziej korzystny pod względem planowanej eksploatacji. Warto również zauważyć, że oporności zarejestrowane na tym profilu są wyższe, świadczy to o większej procentowej zawartości frakcji najgrubszej lub lepszym wysortowaniu zdeponowanego materiału.

Określenie ciągłości złoża na obszarach przylegających do kopalni bazaltów

Celem badań geofizycznych było rozpoznanie szczegółowej budowy geologicznej działek leżących w bezpośrednim sąsiedztwie kopalni bazaltów. Jako, że bazalty charakteryzują się opornościami elektrycznymi wyraźnie większymi niż utwory czwartorzędowe zastosowanie metody tomografii elektrooporowej okazało się być właściwym wyborem.

Wykonane pomiary elektrooporowe wskazały na brak ciągłości złoża skał bazaltowych           w bezpośrednim sąsiedztwie badanego obszaru. Na żadnym z czterech wykonanych profili nie zarejestrowano obecności skał o oporności odpowiadającej bazaltom (oporność bazaltu zwykle przekracza wartość 1000 Ωm). Wzrost oporności jest zbyt mały, aby mógł być utożsamiany ze skałami magmowymi. Ma on związek z występowaniem piaszczysto-żwirowej warstwy przypowierzchniowej, powstałej w wyniku działalności przepływającej       w pobliżu rzeki. Zalegają one na kompleksie niskooporowym, odpowiadającym gruntom spoistym.

Fig. 3 Przekrój elektrooporowy P2, brak poszukiwanych złóż bazaltowych

Określenie występowania wapienia w ramach planowania otwarcia kamieniołomu

Podobnie jak skały magmowe, wapienie charakteryzują się wysokimi opornościami. Z punktu widzenia badań elektrooporowych jest to sytuacja bardzo korzystna, pozwala bowiem w sposób jednoznaczny wyznaczyć granice występowania złóż.

Na obszarze planowanej eksploatacji zaprojektowano 3 profile elektrooporowe. Uzyskane wartości oporności sklasyfikowano w 3 grupach: kompleks I  – utwory spoiste niskooporowe, kompleks II – utwory średnio i wysokooporowe odpowiadające spękanym, częściowo nasyconym wodą wapieniom, kompleks III – utwory bardzo wysokooporowe, identyfikowane jako wapienie zbite, suche.

Uzyskane wyniki przedstawiono w sposób  następujący:

Fig. 4 Przekrój elektrooporowy P1, złoża wapieni

Fig. 5 Przekrój elektrooporowy P2, złoża wapieni

Fig. 6  Przekrój elektrooporowy P3, złoża wapieni

Powyższe przekroje elektrooporowe wskazują na występowanie wapieni na zbadanym obszarze. Ich ciągłość jest zaburzona, warstwa złożowa nie ciągnie się na całym obszarze, występują liczne wkładki materiału spoistego.

Profile zostały wykonane równolegle do siebie, profil trzeci oddalony był od dwóch pierwszych o znaczną odległość (Fig.7). Wyraźnie widoczna jest korelacja wyników z profilu na profil oraz zanik przypowierzchniowej warstwy złożowej w kierunku południowo-wschodnim.

Fig. 7 Mapa sytuacyjna, złoża wapieni

Obszary związane z występowaniem złoża bezpośrednio p.p.t. znajdują się między profilami P1 oraz P2. Powierzchnia tych obszarów jest niewielka, co w połączeniu z brakiem ciągłości między nimi powoduje, iż  planowana eksploatacja nie będzie ekonomicznie uzasadniona.

Kopalnia odkrywkowa piaskowców

Piaskowce, których zbadanie było celem przeprowadzonych pomiarów na pobliskim terenie zalegają stosunkowo płytko pod powierzchnią. W miejscu prowadzonych prac wykonano       3 profile elektrooporowe, wynik uzyskany na jednym z nich zaprezentowany został na Fig.8.

Przy interpretacji geologicznej otrzymanych wyników przyjęto następujące założenia dotyczące wartości oporności elektrycznej dla utworów występujących na terenie badań:

·       warstwa gruntów przypowierzchniowych – około 20-60 Ωm, oporności
te identyfikowane są z nadkładem pylasto-gliniastym,

·       skała spękana – od 60 do 150 Ωm (skała o różnym stopniu spękania, zwietrzała),

·       skała lita (lub mało spękana)  - od 150 do 500 Ωm.

Fig. 8 Przekrój elektrooporowy P1, kopalnia odrkywkowa piaskowców

Strop skalnego podłoża stanowiący cel poszukiwań łączony jest z występowaniem granicy elektrooporowej pomiędzy niskooporowym kompleksem przypowierzchniowym                      a dominującym kompleksem wysokooporowym. Granica ta przebiega na głębokości               9-12 m p.p.t. Na całej długości profilu obserwuje się rozbudowaną strefę przejściową pomiędzy niskooporowym nadkładem a wysokooporowym podłożem. Jest to strefa                o opornościach na poziomie około 60-150 Ωm i miąższości 7-8 m. Oporności te charakterystyczne są dla skał spękanych lub silnie zwietrzałych.

Najważniejszą z punktu widzenia przyszłej eksploatacji jest warstwa położona najniżej. Charakteryzuje się ona wysokimi opornościami typowymi dla mocno zlityfikowanego podłoża. Podwyższenia oporności w tej warstwie świadczą o obecności w tych miejscach największych, najmniej spękanych formacji skalnych. Obniżenie oporności identyfikować można natomiast z obecnością skały silnie spękanej w obrębie złoża.

II. Przykłady wykorzystania metody elektrooporowej w celu ustalenia miąższości nadkładu oraz identyfikacji stref zwietrzałych

W przypadku gdy eksploatacja na danym terenie ma już miejsce inwestorzy wykorzystują badania geofizyczne w celu szczegółowego rozpoznania złoża. Dzięki zastosowaniu metody elektrooporowej możliwe jest określenie grubości nadkładu, rozpoznanie zmian w obrębie złóż (np. skrasowienia złóż kopalin węglanowych) czy też określenie nieodsłoniętych granic złoża (w szczególności w złożach zakrytych).

Badania mające na celu ustalenie głębokości zalegania stropu złoża oraz wyznaczenia stref związanych z występowaniem zjawisk krasowych w kopalni odkrywkowej dolomitu

W ramach przeprowadzonych badań wykonano 12 profili pomiarowych, dzięki którym udało się wyznaczyć miąższość nadkładu (Fig.13). Ponadto badania miały na celu zlokalizowanie skał w większym stopniu spękania oraz miejsc, w których widoczne jest działanie procesów krasowych. W celu kompleksowego rozpoznania budowy geologicznej badania te zostały zaprojektowane tak, aby linie pomiarowe przebiegały przez punkty, w których wcześniej wykonano otwory wiertnicze. Dzięki temu możliwym było skorelowanie uzyskanych obrazów elektrooporowych z danymi z wierceń.

W przypadku badań geofizycznych złóż węglanowych w bezpośrednim sąsiedztwie wyrobisk przyjmuję się, że najwyższe zarejestrowane oporności odpowiadają materiałowi skalnemu dominującemu w lokalnych warunkach geologicznych. Najniższe oporności związane są           z obecnością nadkładu (zazwyczaj materiału spoistego), natomiast oporności pośrednie to skały

Rys1. Prace geofizyczne w kopalni odkrywkowej

węglanowe w znacznym stopniu spękane, w kompleksie tym możliwy jest rozwój wietrzenia, przede wszystkim procesów krasowych. Dzięki tego typu uproszczeniom obraz elektrooporowy staje się bardziej czytelny dla osób niezwiązanych z geofizyką. Klasyfikacja ta została również wykorzystana podczas wizualizacji w tym przypadku.

Fragment przekroju elektrooporowego nr 2 został zaprezentowany na Fig.9. Ponadto, naniesiono na nim również profil uzyskany podczas danych archiwalnych z wierceń. Nie trudno zauważyć bardzo dobrą korelację miedzy obiema metodami. W górnej części                  o najniższej oporności występuje nadkład zbudowany z utworów gliniastych, poniżej znajduje się spękana część skały, która częściowo uległa wietrzeniu. W miarę przesuwania się po profilu strefa skał zwietrzałych zanika ustępując miejsca wysokooporowemu podłożu         o charakterze litym, niespękanym.

Fig. 9 Fragment profilu elektrooporowego nr 2 w rejonie otworu archiwalnego nr 0-8

Strefy, w których doszło do bardzo intensywnego wietrzenia zostały zarejestrowane na profilu nr 8, którego fragment zaprezentowany został na Fig.10. Są to dwa niskooporowe ośrodki, które mogą być utożsamiane z dolomitem, w którym występują liczne kawerny          i spękania, ich źródłem są procesy krasowe. W nadkładzie podobnie jak na Fig.9 dominuje glina, jego miąższość nie przekracza 6 m. Również i w tym wypadku zarejestrowane oporności są bardzo dobrze skorelowane z profilem uzyskanym podczas wierceń.

Fig. 10 Fragment profilu elektrooporowego nr 1 z rejonu otworu archiwalnego nr 0-5

Profil nr 4, przedstawiony na Fig.11 wiernie odzwierciedla zapis elektrooporowy nadkładu. Powyżej 130 m. b. profilu nadkład został zdjęty, a strefę przypowierzchniową stanowią tutaj dolomity częściowo zwietrzałe. Pozostawiony na początkowym odcinku profilu gliniasty nadkład jest doskonale widoczny na obrazie elektrooporowym. Jego oporności są znacznie niższe od pozostałych formacji.  Poza granicą 130 m. b. lokalne spadki oporności związane są z wyjątkowo silnym oddziaływaniem procesów krasowych. Ich kształt oraz wartości oporności wskazują na obecność pustek i kawern wypełnionych niskooporowym materiałem gliniastym.

Fig. 11 Profil elektrooporowy nr 4, określenie miąższości nadkładu oraz stref skrasowiałych

Nadkład osiąga dużo większe miąższości - przekraczające miejscami 10 m - między innymi na profilu nr 5, jego fragment przedstawia Fig.12.

Fig. 12 Profil elektrooporowy nr 5, określanie miąższości nadkładu

Końcowym wynikiem wykonanych prac geofizycznych było wytypowanie miejsc objętych krasowieniem oraz mapa miąższości nadkładu.

Fig. 13 Mapa dokumentacyjna, kopalnia wapienia

Wyznaczenie głębokości zalegania stropu wapieni

W celu ustalenia miąższości nadkładu przeprowadzono 6 profili elektrooporowych (pięć          z nich było równoległych, jeden - prostopadły do pozostałych). Wyniki uzyskane na jednym       z nich przedstawiono poniżej. Bazując na znajomości geologii badanego terenu oraz przekrojach uzyskanych podczas wierceń archiwalnych przyjęto następujące założenia dotyczące wartości oporności elektrycznej dla utworów występujących w rejonie badań:

Fig. 14 Typowy profil opornościowy

Jeden z zarejestrowanych przekrojów elektrooporowych zaprezentowano na Fig.15

Fig. 15 Profil nr 4, określanie miąższości nadkładu

Na profilu 4 obecność niskooporowego pakietu stanowiącego nadkład oraz podobnego pakietu podścielającego złoże, sprawia, iż w obrazie elektrooporowym pojawia się wysoki kontrast opornościowy pomiędzy poszczególnymi seriami osadów. Z punktu widzenia badań elektrooporowych jest to sytuacja bardzo korzystna. Miąższość nadkładu na tym profilu nie przekracza 8 m, natomiast spąg warstwy złożowej w miarę przesuwania się po profilu maleje. Na środku zaznaczono oporności zarejestrowane na profilu 6, prostopadłym do profilu 5, który przecina go na 62 m. Wyniki bardzo dobrze się korelują.

Wyznaczanie głębokości leja krasowego oraz jego rozciągłości w złożu wapieni

W celu określenia głębokości oraz rozciągłości leja krasowego, a także kierunku postępu procesu krasowienia wykonano 5 profili. Przedmiotem badań były wapienie dewońskie oraz znajdujący się w ich obrębie lej krasowy wypełniony osadami trzeciorzędowymi takimi jak piaski, muły, iły. Nadkład stanowią utwory czwartorzędowe.

Przy interpretacji geologicznej otrzymanych wyników przetwarzania danych pomiarowych przyjęto następujące założenia dotyczące wartości oporności elektrycznej dla utworów występujących na terenie badań:

·       warstwa gruntów przypowierzchniowych – od  30 do 80 Ωm identyfikowana                z nadkładem piaszczystym lub gliniastym oraz osadami wypełniającymi lej krasowy,

·       skała lita (lub mało spękana) - od 80 do 1500 Ωm.

Dwa z wykonanych profili przedstawione zostały na Fig.16 i Fig.17

Fig. 16 Profil elektrooporowy P1, lej krasowy

Na profilu P1 wyróżnione zostały dwa bloki o odmiennych opornościach. Pierwszy, niskooporowy identyfikowany jest z nadkładem. Blok wysokooporowy odpowiada wapieniom dewońskim. Kontrast elektrooporowy pomiędzy w/w blokami jest bardzo wysoki, a wyinterpretowane granica elektrooporowa utożsamiana ze stropem podłoża skalnego jest  wyraźna.

Na odcinku pomiędzy 30 a 210 m przekroju badawczego obserwuje się spadek oporności do poziomu około 30 Ωm. Obniżenie wartości oporności świadczy o występowaniu w tym rejonie leja krasowego wypełnionego osadami mioceńskimi, którego maksymalna głębokość sięga 48 m.

W stropowej części osadów mioceńskich pomiędzy 70 a 200 m profilu następuje wzrost oporności wywołany obecnością osadów małospoistych, prawdopodobnie piasków trzeciorzędowych. Kompleks ten ma miąższość około 2-9 m.

W końcowym fragmencie przekroju na odcinku pomiędzy 210 a 346,5 metrem przekroju obserwuje się praktycznie płasko-równoległą granicę bloków opornościowych pomiędzy niskooporowym nadkładem, a skałą starszego podłoża. Granica ta zalega na głębokości około 5 m p.p.t.

Fig. 17 Profil elektrooporowy P2, lej krasowy

Profil P2 wykazuje znaczne podobieństwo do profilu  P1. Na obu profilach zaobserwowano zasięg występowania leja krasowego, jednakże na profilu P2 zasięg głębokościowy osadów mioceńskich jest płytszy i osiąga maksymalną głębokość 34 m. Wskazuje to na stopniowe wypłycanie osadów trzeciorzędowych w kierunku północnym.

Wynikiem końcowym przeprowadzonych badań była mapa obrazująca głębokość do stropu skały 

(Fig.18).

Fig. 18 Mapa obrazująca głębokość do stropu skały

Podsumowanie

Rozwój jaki dokonał się w przedmiocie badań elektrooporowych w ostatnich latach spowodował wyraźny wzrost znaczenia tego typu prac w szczegółowym rozpoznaniu geologicznym złóż. Jej zastosowanie pozwala między innymi na określenie miąższości nadkładu czy też identyfikację stref objętych procesami wietrzenia (np. krasowienia).

Tomografia elektrooporowa może z powodzeniem być stosowana nie tylko jako metoda uzupełniająca, ale także jako niezależne źródło danych geologicznych. Użycie tylko tej metody wydaje się być szczególnie atrakcyjne w przypadkach, gdy wykonywane są badania rekonesansowe, przedekspolatacyjne. Skutkuje to znaczną redukcją kosztów jakie należałoby przeznaczyć na wiercenia, które są szczególnie nierentowne w przypadku stwierdzenia braku użytecznej warstwy złożowej.

W sytuacjach, w których stwierdza się obecność użytecznej warstwy złożowej warto oczywiście wykorzystać metodę elektrooporową jako metodę komplementarną dla wierceń. Połączenie wyników badań punktowych (wierceń) oraz liniowych (tomografii elektrooporowej) pozwala na pełne, szczegółowe udokumentowanie złoża.

Literatura

·       Fajklewicz, Z. (1972) Zarys Geofizyki Stosowanej. Wydawnictwo Geologiczne, Warszawa

·       Gruszczyk H., (1984) Nauka o złożach , Wydawnictwa geologiczne, Warszawa

·       Sorokin L., (1956) Geofizyka poszukiwawcza. Wydawnictwa geologiczne, Warszawa

·       Wiatr I., Marczak H. (1989) Geologia Ogólna – Podstawy geologii złóż i hydrogeologii, Wydawnictwa uczelniane, Politechnika Lubelska

·       Ślusarczyk R. (2001) Możliwości zastosowania geofizyki inżynierskiej w problematyce budownictwa lądowego i wodnego. Geofizyka w inżynierii i ochronie środowiska dla potrzeb samorządności lokalnej Dębe marzec 2001

·       Antoniuk J., Mościcki J., (2001) Metody geoelektryczne w badaniach I ochronie środowiska geologicznego poddanego antropopresji. Geofizyka w inżynierii i ochronie środowiska dla potrzeb samorządności lokalnej Dębe marzec 2001

·       Przekroje elektrooporowe z zasobów własnych