§ 4. Поиски и разведка месторождений угля

Применение гравиразведки в угленосных бассейнах имеет сорока­летнюю историю. В России гравиразведочные работы в угленосных бассейнах впервые были проведены в 1929 г. в Донбассе для решения структурно-картировочных задач. В дальнейшем эти исследования развивались в бассейнах Урала, Казахстана, Средней Азии.

Угли по плотности резко отличаются от вмещающих их пород: плотность каменного угля составляет 1,5 - 1,7 г/см³, бурого 0,8 - 1,2 г/см³. Однако в большинстве случаев поиски угольных пластов оказываются невозможными из-за малой мощности пластов и условий их залегания. Основной же целью гравиметрических работ является решение задач обще геологического порядка: определение границ угленосного бассейна, мощности угленосных отложений, оценка глубины и формы рельефа подстилающих образований и т. д. Только в некоторых случаях можно зафиксировать отдельные угольные пласты, это относится к бурым углям, мощность пластов которых иногда составляет многие десятки и даже сотни метров.

Гравиразведочные работы в Донбассе стали классическим при­мером подобного рода исследований в угленосных бассейнах. Донбасс принадлежит к числу бассейнов полуоткрытого типа: в его центральной части угленосные отложения каменноугольного возраста обнажены и доступны для непосредственной разработки, на периферии же бассейна эти отложения перекрыты более молодыми образованиями мезо-кайнозоя. Основная проблема Большого Донбасса заключалась в выяснении истинных контуров бассейна, в пределах которого угленосные отложения находятся на глубине, доступной для эксплуатации. Эта задача решалась комплексом геофизических методов, в числе которых была и гравиразведка. Применение гравиразведки основывалось на значительном перепаде между плотностью отложений С (2,3 - 2,7 г/см³) и перекрывающих их образований Mz - Kz (1,5 - 2,2 г/см³). Колебания плотности пород одного возраста в основном связаны с различной степенью метаморфизма. Породы С в центре Донбасса интенсивно дислоциро­ваны и имеют максимальную плотность, к периферии бассейна плот­ность этих пород уменьшается. Подобная же закономерность, хотя и менее отчетливо, наблюдается и в поведении плотности перекры­вающих образований.

Отложения каменноугольного возраста имеют структурно-эрозионную поверхность, на периферии бассейна наблюдаются резкие уступообразные погружения, связанные с тектоническими нарушениями и размывом. Этими погружениями ограничивается центральная область неглубокого залегания угленосных отложений, за пределами которой эти отложения находятся на большой глубине, недоступной для эксплуатации. Выявить положение уступообразных погружений и являлось основной задачей гравиразведки. Наиболее успешно эта задача решалась г равиразведкой в юго-восточной части Донбасса, где избыточная плотность отложений С относительной перекрывающей толщи Mz - Kz максимальна и составляет 0,7 - 1,0 г/см³ (см. рисунок). По кривой аномалии силы тяжести выделяются два уступообразных погружения и поднятие угленосных отложений в южной части профиля.

На северной окраине бассейна плотность образований каменноугольного возраста резко меняется. Поэтому при количественной интерпретации гравиразведочных данных следует учитывать это изменение, а также влияние рельефа кристаллического фундамента (см рисунок), для чего привлекались д анные других методов, в частности сейсморазведки и мелкого бурения.

Перед гравиразведкой в Донбассе стояла еще задача определения глубины и рельефа докембрийского кристаллического фундамента, на котором залегают девонские известняки, подстилающие каменно­угольные образования. Однако решить эту задачу гравиразведкой не удалось ввиду малой разницы плотности пород докембрия и палео­зоя, а также непостоянной плотности докембрийских и каменноуголь­ных образований. В случаях, когда угленосная и подстилающая ее толщи резко различаются по плотности и при этом каждая из них характери­зуется относительно по­стоянной плотностью, гравиразведочными работами можно оконтурить области развития угленосных отложений, определить глубину и рельеф кровли подстилающих угленосные отложения пород, а в от­дельных случаях и найти мощность собственно угленосных толщ.

Подобные соотношения наблюдаются в ряде угленосных бассейнов Урала, Казахстана и Средней Азии, где угленосные песчано-глинистые образова­ния J или Р - С подстила­ются более плотными по­родами Pz (см. рисунок). Перед гравиразведочными исследованиями в этом районе стояла задача - оконтурить площади раз­вития угленосных образо­ваний Р - С, перекрытых отложениями Mz - Kz. Плотность пород Mz - Kz 1,9 г/см³, угленосных образований Р - С 2,3 г/см³, пород, подстилающих угленосные, около 2,7 г/см³. Таким обра­зом, здесь есть две гравитационно активные границы: подошва угленосной толщи и подошва пород мезо-кайнозоя, перепад плот­ности на каждой границе равен 0,4 г/см³. Следовательно, мульды, выполненные отложениями Mz - Kz и Р - С, должны отмечаться минимумами гравитационного поля. По данным бурения известно, что мощность мезо-кайнозойских образований меняется незначи­тельно, поэтому основной гравитационный эффект наблюдается вследствие изменения рельефа подстилающих угленосную толщу пород. На основе количественной интерпретации гравиметрических данных построен схематический геологический разрез, показыва­ющий поведение угленосной толщи; выявлены тектонические нару­шения, ограничивающие мульду, выполненную угленосными образованиями, с северо-востока. Последующие буровые работы под­твердили правильность выводов, сделанных на основе результатов гравиразведочных работ.

В благоприятных условиях гравиразведка применялась для выделения в угленосной толще отдельных угольных свит и даже угольных пластов. Наибольшие возможности в этом отношении пред­ставляют буроугольные месторождения, в которых мощность пластов может составлять более ста метров. Такие работы проводились в России на буроугольных месторождениях восточного склона Урала. Рассмотрим результаты вариометрической съемки на буроугольном месторождении Д желиондейл в Австралии (см. рисунок). Бурые угли этого месторождения (σ = 1,1 г/см³), имеющие мощность до 100 м и более, приурочены к песчано-глинистой толще миоцена-плиоцена (σ = 1,9 г/см³) и подстилаются юрскими песчаниками (σ = 2,4 г/см³). При интерпретации необходимо, очевидно, учитывать недостаточную плотность угля (-0,8 г/см³) относительно вмещающих пород и избы­точную плотность (0,5 г/см³) юрских песчаников. Сравнение наблю­денной и теоретической кривых U_xz показывает, что определяющее значение в создании гравитационной аномалии имеет пласт бурого угля.