złoża kopalin skalnych drogowych
dokumentowanie geologiczne

Janusz ANTONIUK, Jerzy GÓRECKI,
Włodzimierz J. MOŚCICKI, Edyta SZWED * GOT

GEOFIZYCZNE WSPOMAGANIE PRAC
DOKUMENTACYJNYCH NA ŚWIĘTOKRZYSKICH
ZŁOŻACH KOPALIN WĘGLANOWYCH

Pokazano na przykładzie kilku dokumentowanych ostatnio złóż kruszywowych w rejonie świętokrzyskim, jak efektywne jest stosowanie wybranych metod geofizycznych przy uściślaniu modelu budowy wewnętrznej serii złożowej i utworów nadkładowych. Skuteczność badań geoelektrycznych (sondowań elektrooporowych i profilowań indukcyjnych) jest uwarunkowana m.in. dobrą współpracą geofizyków i geologów dokumentujących.

Badania geofizyczne umożliwiają szybkie określenie grubości nadkładu, ujawniają formy krasowe w przypowierzchniowych partiach złóż, wykrywają zaburzenia typu uskokowego oraz charakteryzują stopień spękania i „mocności” masywu skalnego.

W dokumentowaniu geologicznym wykorzystywane są rozmaite środki techniczne rozpoznania. O wyborze sposobu rozpoznania decydują czynniki geologiczne
i ekonomiczne. Najważniejszym czynnikiem geologicznym jest forma złoża (np. pokładowa, masywowa, żyłowa itd.), ale nader istotnym pozostaje w każdym przypadku czynnik ekonomiczny, na który składają się szybkość, efektywność i koszty stosowanych technik rozpoznawczych. Spośród wyrobisk rozpoznawczych najczęściej projektowane są otwory wiertnicze, ale ich koszt - choć znacznie niższy od kosztu wyrobisk górniczych - w decydującym na ogół stopniu wpływa na całkowitą cenę sporządzenia dokumentacji geologicznej.

Jednym ze źródeł obniżania kosztów prac dokumentacyjnych jest stosowanie badań geofizycznych. Na złożach przewidzianych do eksploatacji lub już eksploatowanych tym sposobem szczególnie użyteczne są metody geofizyczne powierzchniowe, realizowane z zastosowaniem coraz lepszego sprzętu i przy rosnących możliwościach efektywnej interpretacji danych. Dokumentowanie złóż kopalin skalnych drogowych (kruszywowych) w coraz większym stopniu wykorzystuje geofizyczne wspomaganie

__________

* AGH, Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków.

robót i prac geologicznych. Metody geofizyczne są tam bardzo przydatne przy kartowaniu szczegółowym utworów nie odsłoniętych na powierzchni - do wykrywania niejednorodności budowy wewnętrznej złóż, uskoków i stref skrasowienia, oceny grubości nadkładu oraz stopnia osłabienia strukturalnego masywu skalnego [3]. Ciągle w zbyt małym stopniu wykorzystuje się badania geofizyczne (zwłaszcza geoelektryczne i sejsmiczne) do wyznaczania granic złoża. Ma to swoje źródło w dawnych przyzwyczajeniach do formalnego prowadzenia granic po skrajnych pozytywnych wyrobiskach rozpoznawczych, ewentualnie przy bardzo skromnym wykorzystaniu zasady interpolacji bądź ograniczonej ekstrapolacji. O badaniach geofizycznych w odniesieniu do rozpoznania złoża w kat. C₂ i wyższych nie mówi zresztą Rozporządzenie Ministra Środowiska z dn. 19.12.2001r. w sprawie dokumentacji geologicznej [5]. Wykorzystanie badań geofizycznych zalecono dopiero w „Zasadach dokumentowania złóż...” [4]. Można oczekiwać pojawienia się stosownego zapisu w tej sprawie w przygotowywanej zmianie w/w rozporządzenia - zmianie w ramach nowelizacji prawa geologicznego i górniczego.

Powierzchniowe badania geofizyczne, poprzedzające rozpoznanie wiertnicze, służą często racjonalnemu projektowaniu rozmieszczenia otworów.

Efektywne stosowanie badań geofizycznych w dokumentowaniu geologicznym złóż wymaga bardzo dobrej współpracy geologów i geofizyków. Sztuka skutecznej interpretacji wyników polega na wzajemnym rozumieniu partnera, tzn. jest warunkowana dobrym przygotowaniem zawodowym geologów-dokumentatorów z zakresu podstaw geofizyki stosowanej i umiejętnym wykorzystaniu wiedzy geologicznej przez geofizyków. Ta oczywista zasada nie zawsze znajduje odzwierciedlenie w praktyce dokumentowania geologicznego złóż.

1. CELE I UWARUNKOWANIA STOSOWANIA BADAŃ
GEOELEKTRYCZNYCH PRZY DOKUMENTOWANIU ZŁÓŻ DOLOMITÓW

Dokumentowanie złóż kopalin skalnych wymaga stosowania kompleksowych badań geologicznych i geofizycznych oraz robót wiertniczych. Łączenie różnych metod zwiększa efektywność badań i obniża ich koszty. Badania geofizyczne (najczęściej geoelektryczne, sejsmiczne) prowadzone są często na przedpolach wyrobisk eksploatacyjnych w celu rozpoznania budowy nowych partii złoża. Metody geoelektryczne stosowane są przede wszystkim do badania grubości nadkładu, wykrywania i kartowania dużych form krasowych oraz przebiegu dyslokacji tektonicznych [1, 2, 6]. Podstawowym warunkiem umożliwiającym wykorzystanie metod geoelektrycznych do wymienionych wyżej celów jest występowanie kontrastu pomiędzy opornością elektryczną utworów geologicznych tworzących nadkład lub wypełniających formy krasowe a opornością utworów stanowiących złoże (dolomitów, wapieni, margli itp.). Dolomit jest skałą charakteryzującą się dużą (kilkaset do kilku tysięcy Ωm) opornością. Tak więc, dogodne warunki do zastosowania metod geoelektrycznych występują wtedy, gdy nadkład lub przynajmniej warstwa bezpośrednio leżąca na złożu będą miały małe oporności - np. iły (5-25 Ωm), gliny (25-80 Ωm).

Rys. 1. Piskrzyn. Wyniki badań geoelektrycznych - Profil P3 a - wykresy profilowań indukcyjnych,
b - przekrój oporności pozornej, c - interpretacja ilościowa sondowań elektrooporowych

Fig. 1. Piskrzyn. Results of geoelectrical survey - Profile P3. a - EM34-3 induction profiles;
b - apparent resistivity cross-section; c - quantitative interpretation of DC resistivity soundings

Natomiast sytuacja jest niekorzystna, gdy dolomity są przykryte przez utwory o takiej samej lub zbliżonej oporności, np. czyste piaski. Wówczas granica pomiędzy nadkładem a złożem jest „niewidzialna” dla metod odróżniających jedne skały od drugich na podstawie ich oporności elektrycznej. W artykule przedstawiono badania geoelektryczne przeprowadzone w otoczeniu wyrobiska kopalni dolomitu „Piskrzyn” oraz na niezagospodarowanym złożu dolomitów „Janczyce”.

2. METODYKA BADAŃ GEOELEKTRYCZNYCH

W przedstawianych niżej przykładach wykorzystywane były dwie metody geoelektryczne: dipolowe profilowania indukcyjne (electromagnetic terrain conductivity measurements at low induction numbers) oraz sondowania elektrooporowe czteroelektrodowym układem Schlumberger'a. Proporcje w ilościowym udziale wymienionych metod przy badaniu złoża zależą od jego budowy geologicznej, charakterystyki geoelektrycznej i postawionych celów. Często zdarza się, że wyniki otrzymywane w trakcie wykonywania pomiarów terenowych zmuszają do skorygowania metodyki oraz zmiany koncepcji lokalizacji stanowisk i profilów pomiarowych w stosunku do zakładanych w projekcie.

2.1. DIPOLOWE PROFILOWANIA INDUKCYJNE

Pomiary wykonano aparaturą EM34-3DL firmy Geonics. Aparatura ta mierzy tzw. przewodność pozorną ośrodka σ_a , tj. wypadkową przewodność elektryczną utworów geologicznych znajdujących się w „polu widzenia” układu pomiarowego. W badaniach wykorzystano układ pomiarowy HD - tzn. układ horyzontalnych dipoli magnetycznych (dwie pionowe cewki: nadawcza i odbiorcza ustawione współpłaszczyznowo) o rozstawach 10; 20 lub 40 m pomiędzy cewkami. Im większy rozstaw cewek tym większe „pole widzenia” i głębokość penetracji układu pomiarowego. Największy - 40-metrowy układ umożliwia rozpoznanie budowy geologicznej do głębokości około 30-40 metrów. W trakcie pomiarów układ cewek przemieszczany jest wzdłuż linii profilu pomiarowego. W przeprowadzonych profilowaniach krok przesuwania się układu pomiarowego wynosił 5 m. Wyniki pomiarów przedstawiane są w formie wykresów i map przewodności (lub oporności) pozornej. Niekiedy, dla łatwiejszego porównywania pomiarów indukcyjnych z rezultatami sondowań elektrooporowych, przewodności pozorne σ_a mierzone w mS/m przeliczone są na oporności pozorne σ_a wyrażone w Ωm. Interpretacja wykresów i map otrzymanych z profilowań indukcyjnych umożliwia wyciąganie wniosków odnośnie budowy geologicznej. W przypadku tzw. profilowań wielopoziomowych, czyli pomiarów układami o różnych rozstawach można śledzić zmiany budowy geologicznej zachodzące w kierunkach poziomych do różnych głębokości w zależności od wielkości wybranych rozstawów.

2.2. SONDOWANIA ELEKTROOPOROWE

Sondowania elektrooporowe wykonywano cyfrową aparaturą GDRM-Elmes
stosując układ Schlumbergera AMNB. Rozstawy układu pomiarowego zwiększano w postępie geometrycznym od AB/2 = 1,47 m do AB/2 = 100 m. Krzywe sondowania pomierzono stosując trzy wielkości dipoli MN (MN/2 = 0,4m; 2,0 m i 10,0 m). Przetwarzanie i interpretację sondowań elektrooporowych przeprowadzono przy pomocy autorskiego pakietu programów komputerowych [6]. W pierwszym etapie interpretacji sondowań wykonano zestawienia krzywych sondowań, oraz mapy i przekroje oporności pozornej ρ_a. Materiały te pozwoliły wyciągać wnioski o charakterze jakościowym odnośnie budowy geologicznej na badanym obszarze. Po analizie jakościowej przeprowadzano interpretację ilościową sondowań elektrooporowych w oparciu tzw. model 1D (ośrodek horyzontalnie warstwowany). W rezultacie, dla każdego sondowania otrzymano zgeneralizowany, głębokościowy profil geoelektryczno-geologiczny. Następnie, dla ciągów sondowań rozmieszczonych wzdłuż linii, profile głębokościowe zestawiane były w przekroje geoelektryczno - geologiczne. W przypadkach, gdy punkty sondowań pokrywały w miarę równomierną „siatką” obszar badań, na podstawie wyinterpretowanych profili głębokościowych sporządzano mapy grubości nadkładu i stropu złoża.

3. WYBRANE WYNIKI BADAŃ GEOELEKTRYCZNYCH

3.1. KOPALNIA DOLOMITU „PISKRZYN”

W kopalni dolomitu „Piskrzyn” planowana jest eksploatacja nowej partii złoża na obszarze bezpośrednio przylegającym do wyrobiska. W związku z tym na przedpolu wyrobiska przeprowadzono badania geoelektryczne, których podstawowym zadaniem było określenie grubości nadkładu. W pierwszym etapie prac zrealizowano pomiary na profilu, wytyczonym w odległości około 100 m na wschód od wyrobiska (profil P3). Linia tego profilu przebiega równolegle do ściany odkrywki. Na profilu tym wykonano dipolowe profilowania indukcyjne układami HD o rozstawach: 10; 20 i 40 m oraz ciąg 12 sondowań elektrooporowych (s1-s12) w odstępach co 50 m. Wyniki pomiarów i rezultaty ich interpretacji przedstawiono na Rys.1. Część „a” przedstawia wykresy profilowań indukcyjnych, a „b” przekrój oporności pozornej otrzymany z sondowań elektrooporowych. W oparciu o analizę tych materiałów można wydzielić w badanym ośrodku dwie strefy wyraźnie różniące się miedzy sobą rozkładem przestrzennym oporności elektrycznej. Strefa pierwsza, obejmuje północną część profilu P3 (do 350 metra), a strefa druga część południową od 400 metra do końca profilu. Generalnie strefa pierwsza cechuje się wyższymi wartościami oporności pozornej dla danego rozstawu układu pomiarowego. Dotyczy to zarówno wartości otrzymywanych z pomiarów indukcyjnych jak i elektrooporowych. Na przekroju oporności pozornej (rys. 1b) widać, że przy powierzchni występują skały o stosunkowo małych opornościach (< 100 m), a pod nimi wysokooporowe „podłoże” (oporności od kilkaset do kilku tysięcy m), które należy identyfikować z dolomitami. Widać również, że miąższość niskooporowego nadkładu (najprawdopodobniej glin) w strefie drugiej jest kilkakrotnie większa i strop dolomitów znajduje się dużo głębiej niż w strefie pierwszej. Przejście pomiędzy strefami jest dość gwałtowne, co może wskazywać na obecność uskoku. W celu potwierdzenia obecności uskoku i zbadania jego przebiegu wykonano dodatkowe profilowania indukcyjne układem HD20 na trzech profilach: P3a; P3b i P3c, równoległych do profilu P3. Na podstawie tych profilowań sporządzono mapę oporności pozornej - rys.2. Widoczne są na niej obie wyżej opisane strefy: pierwsza - wysokooporowa, obejmująca północno-zachodnią część obszaru badań, związana z płytkim występowaniem stropu złoża oraz strefa druga - niskooporowa, położona w południowo-wschodniej części mapy, gdzie dolomity zalegają głębiej, pod kilkunastometrowej grubości nadkładem glin. Kontakt pomiędzy tymi strefami zaznacza się dużym gradientem zmian wartości oporności pozornej (zagęszczenie izolinii na mapie) i ma linearny przebieg, co sugeruje obecność uskoku.

Rys. 2. Piskrzyn. Mapa oporności pozornej na podstawie badań indukcyjnych. Izolinie w m.
Grubą linią zaznaczono przebieg wykrytego uskoku

Fig. 2. Piskrzyn. Apparent resistivity contours based on EM34-3 measurements. Izolines in Ohmm.
Fat, black line - propable fault

Na rys.1c przedstawiono zgeneralizowany przekrój geoelektryczno-geologiczny otrzymany na podstawie interpretacji sondowań elektrooporowych w oparciu o model 1D (horyzontalnie warstwowana półprzestrzeń). Na przekroju zaznaczono granicę, którą należy utożsamiać ze stropem złoża - granicę pomiędzy wysokooporowym „podłożem” identyfikowanym z dolomitami a niskooporowym nadkładem. Komentarza wymaga przebieg tej granicy na południe od przypuszczalnego uskoku (tzn. strefie nazywanej wcześniej strefą drugą lub niskooporową). Jak widać, w tej części przekroju występują, licząc od powierzchni: cienka warstwa o opornościach 68-172 m (może to być gleba piaszczysta, piaski lub gliny piaszczyste), następnie niskooporowa warstwa glin (wskazują na to wyinterpretowanie oporności 20-30 m) o miąższości od kilku do kilkunastu metrów. Głębiej, pod glinami a powyżej wysokooporowego podłoża (o opornościach od 850 do 2400 m) - utożsamianego ze „zwięzłymi” dolomitami, wyodrębniono warstwę o opornościach 60-85 m i miąższości od kilkunastu do kilkudziesięciu metrów. Takie oporności mogą mieć różne skały, np. piaski zaglinione lub zawodnione, rumosz dolomitowy wymieszany z gliną, czy spękane dolomity „impregnowane” materiałem gliniastym. W tym przypadku jednoznaczna ocena charakteru litologicznego tej warstwy na podstawie wartości oporności jest niemożliwa, ale można jej dokonać, porównując profil „geoelektryczny” nadkładu z profilem obserwowanym na pobliskiej skarpie nadkładowej wyrobiska odkrywkowego.

3.2. ZŁOŻE DOLOMITÓW „JANCZYCE”

Badaniami geoelektrycznymi objęto obszar o powierzchni około 15 ha. Celem badań było określenie głębokości na jakiej występuje strop złoża dolomitów. W trakcie wstępnych pomiarów przeprowadzonych na jednym profilu (P1) wykonano profilowania indukcyjne układem HD dla trzech rozstawów: 10; 20 i 40 m. Po analizie wyników tych doświadczalnych profilowań do dalszych pomiarów wybrano układ HD20. Tym układem przeprowadzono profilowania indukcyjne wzdłuż dwunastu profili tworzących, w przybliżeniu, siatkę prostokątną pokrywającą wytypowany obszar. Dane pomiarowe, po przetworzeniu, posłużyły do sporządzenia mapy rozkładu oporności pozornej dla układu HD20. Mapa ta - nie prezentowana w artykule - dostarczyła jakościowej informacji o głównych czynnikach wpływających na pomierzony rozkład oporności pozornych, takich jak: głębokość występowania stropu skał wysokooporowych (identyfikowanych z dolomitem) oraz wykształcenie litologiczne (i związane z nim zróżnicowanie oporności) utworów tworzących nadkład. Rozkład izolinii na mapie generalnie odzwierciedlał rzeźbę stropu złoża dolomitu. W oparciu o wyniki profilowań indukcyjnych wytypowano lokalizację sondowań elektrooporowych. Sondowania (na 26 stanowiskach) wykonano w drugim etapie prac. W toku interpretacji ilościowej otrzymano dla każdego sondowania zgeneralizowany, głębokościowy profil geoelektryczno-geologiczny. Przykładowo, na rys. 3 przedstawiono krzywą sondowania elektrooporowego S19 i podano wyniki jej interpretacji.

Rys. 3. Janczyce. Krzywa sondowania elektrooporowego S-19 i jej interpretacja

Fig. 3. Janczyce. DC resistivity sounding curve S19 and its interpretation

Na podstawie wyników takiej interpretacji wszystkich sondowań Strop złoża występuje na większych głębokościach na północnym i wschodnim obrzeżeniu rozpoznawanego terenu.

Rys. 4. Janczyce. Mapa miąższości nadkładu (metrach) na podstawie badań geoelektrycznych

Fig. 4. Janczyce. Map of the overurden thickness (in meters) based on geoelectric survey
interpretation

Zakres ilościowy wykonanych pomiarów i rozmieszczenie linii profili indukcyjnych oraz stanowisk sondowań elektrooporowych dobrane zostały tak, by w rezultacie badań otrzymać mapy o pożądanej szczegółowości. Lokalizacja badań geoelektrycznych widoczna jest na rys. 4. Aby zwiększyć efektywność badań geofizycznych, w omawianym obszarze zaprojektowano i zrealizowano również powierzchniowe badania sejsmiczne - sondowania refrakcyjne. Wyników tych badań nie przedstawiono w niniejszym artykule, ale dzięki nim uzupełniono wiedzę nt. nadkładu i rozdzielenia przypowierzchniowej partii dolomitów o różnym stopniu spękania, zwięzłości, wytrzymałości, skrasowienia itp.

4. PODSUMOWANIE I WNIOSKI

Przedstawione przykłady wykorzystania badań geofizycznych (geoelektrycznych) w dokumentowaniu złóż potwierdzają wysoką skuteczność geofizycznego wspomagania prac dokumentacyjnych.

W przypadku złoża Piskrzyn udało się uniknąć nietrafnych decyzji o rozszerzeniu granic złoża poza kontur wyrobiska odkrywkowego w obszar za nieznanym wcześniej uskokiem, gdzie duża grubość nadkładu wyklucza szanse zagospodarowania górniczego tej części obszaru złożowego.

Praca wykonana częściowo w ramach badań własnych WGGIOŚ AGH nr 10 10 140 055 i badań statutowych WGGIOŚ AGH nr 11 11 140 06.

LITERATURA

[1] ANTONIUK J., MOŚCICKI W. J., Badanie miąższości nadkładu oraz kartowanie form krasowych w stropie złóż wapieni metodą elektrooporową, Materiały Konferencji Naukowej Geologiczne i geofizyczne badania podstawowe w poszukiwaniach, rozpoznawaniu i ocenie złóż surowców skalnych, Krynica, 1995, 17-25.

[2] ANTONIUK J., MOŚCICKI W. J., Zastosowanie badań geoelektrycznych do rozpoznawania i dokumentowania złóż gipsów, Materiały Konf. Nauk. Geologiczne i geofizyczne badania podstawowe w poszukiwaniach, rozpoznawaniu i ocenie złóż surowców skalnych, Krynica, 1995, 9-15.

[3] NIEĆ M., Geologia kopalniana, Wyd. Geol., Warszawa, 1990.

[4] NIEĆ M. [red.], Zasady dokumentowania złóż kopalin stałych, MŚ-DGiKG, KZK, Warszawa, 2002.

[5] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 19 grudnia 2001r. w sprawie szczegółowych wymagań, jakim powinny odpowiadać dokumentacje geologiczne złóż kopalin. Dz.U., nr 153, poz. 1778, rok 2001.

[6] RUDZKI M., Zastosowanie metody tomografii elektrooporowej do lokalizacji struktur krasowych, Geofizyka Toruń Sp. z o.o, www.geofizyka.pl, 2003.

GEOPHYSICAL SUPPORT OF EXPLORATION IN THE GÓRY ŚWIĘTOKRZYSKIE
CARBONATE ROCKS DEPOSITS

The effectiveness of differing geophysical methods based on a specific model of the internal structure of a series of deposits and pockets of overburden has been demonstrated in a few aggregate explorations throughout the Góry Świętokrzyskie region. The success of the geoelectrical research (electroresistance soundings and induction profiles) is helped by the benevolent cooperation between geophysicists and geologists.

Geophysical research allows swift determination of overburden thickness, presents karstic forms in subsoil deposit areas, discovers fault disturbances and also confirms the degree of cracking as well as the strength of the rock massif.

Recenzent: prof. Marek Nieć, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków.

10

11

Prace Naukowe Instytutu Górnictwa

Nr 109 Politechniki Wrocławskiej Nr 109

Konferencje Nr 41 2005

---