Исследователь Кавказских гор
Читать на сайте Вестник КавказаНедавно «Вестник Кавказа» рассказал о фундаментальной монографии израильских исследователей Льва Эппельбаума и Бориса Хесина «Геофизические исследования на Кавказе», вышедшей в немецком издательстве «Шпрингер» (http://www.vestikavkaza.ru/articles/ekonomika/gaz/57549.html). Некоторых читателей из числа специалистов заинтересовала эта тема. Специально для них «ВК» рассказывает об одном из авторов монографии - Льве Эппельбауме и публикует одну из его работ.
Воспитанник азербайджанской школы геофизики, Лев Эппельбаум получил вторую степень по геофизике (1982) в Институте нефти и химии в Баку (Азербайджан) и третью степень (1989) в Южном отделении ВИИГеофизики (Баку) и Институте геофизики в Тбилиси. В 1982-1983 гг. он применял комплекс геофизических наземных и подземных методов на рудных месторождениях будучи сотрудником Южного отделения Института цветных и благородных металлов (ЦНИГРИ) в Баку. С 1983 по 1990 работал как младший и старший научный сотрудник лаборатории грави-магниторазведки Южного отделения ВИИГеофизики. В период с 1991 по 1993 гг. проводил исследования в постдокторате на кафедре геофизики Тель-Авивского университета. С 1993 по 2005 год занимал позиции научного сотрудника, старшего научного сотрудника и старшего лектора; в феврале 2005 г года получил на этой кафедре должность ведущего научного сотрудника.
Лев Эппельбаум – автор системы интерпретации потенциальных и квазипотенциальных геофизических полей (совместно с Хесиным), разработанной для сложных условий (наклонной поляризации, неровного рельефа местности и сложных сред). Эта система была успешно применена для решения многочисленных прикладных задач на Кавказе и Восточном Средиземноморье.
Профессор Эппельбаум - автор более чем 280 публикаций, включая четыре книги, он читает в Тель-Авивском университете курсы “Потенциальные геофизические поля”, “Прикладная геофизика” и “Археологическая геофизика” и состоит профессиональных обществ: Society of Exploration Geophysicists, Euroscience, International Society for Archaeological Prospection, EARSeL SIG (remote sensing and archaeology), American Geophysical Union, European Association of Exploration Geophysicists, Society of Mediterranean Geologists and Geophysicists, EuroScience, Geoinformatics (Japan), Israel Geological Society and Prehistoric Society of Israel.
Лев Эппельбаум рецензирует более чем 20 международных журналов и консультирует несколько организаций в области прикладной геофизики в Израиле и других странах. Его биография приведена в “Who’s Who in America”, “Who’s Who of Professionals”, “Who’s Who in the World”, “Dictionary of International Biography” (Cambridge), “American Biographical Institute”, и некоторых других. Эппельбаум был номинирован в 1998 г. на получение Государственной премии Израиля, и в 2011 г. – на медаль Христиана Гюйгенса Европейского геофизического общества.
Пять лет назад немецкое издательство «Шпрингер» заказало Эппельбауму и Хесину книгу о применении разработанной ими системы интерпретации геофизических данных и построения физико-геологических моделей. Проблематика книги охватывает как Азербайджан, так и всю территорию Большого и Малого Кавказа, Куринскую впадину, а также некоторые прилегающие области. Таким образом, монография Эпельбаума и Хесина может оказаться в равной степени интересной для геологов и геофизиков Азербайджана, Грузии, Армении, Турции и России, оказав им существенную помощь в поиске подземных вод, нефтегазовых полей, полиметаллических руд, месторождений золота, молибдена и других полезных ископаемых. Отдельное внимание уделено в книге построению трехмерных региональных физико-геологических моделей Кавказа.
Другим из приложений, использованных Эппельбаумом в опубликованной книге, стало увеличение резервов Катехского месторождения полиметаллических руд (южный склон Большого Кавказа) с помощью 3D-моделирования гравитационного поля. Анализ использования гравитационной съемки для разведки рудных месторождений свидетельствует о том, что этот метод играет значительную роль в рудной геологии и геофизике. Его эффективность зиждется на существенном контрасте плотности между рудой и окружающей средой. В то же время, детальное гравитационное исследование горных областей, где наиболее часто залегают рудные месторождения, осложняется множеством факторов. Типичное рудное месторождение чаще всего находится в деформированной среде, характеризующейся присутствием разнообразных тектонических структур и геологических образований, обладающих широким спектром физических свойств. Влияние окружающего рельефа также является весьма значительным осложняющим фактором. Все эти аспекты затрудняют выделение и интерпретацию гравитационных аномалий. Лев Эппельбаум и Борис Хесин с успехом применили 3D моделирование гравитационных и магнтных полей на нескольких рудных месторождениях Большого и Малого Кавказа. Например, эффективность расчета эффекта сильно пересеченной горной местности во время процесса 3D физико-геологического моделирования была продемонстрирована на примере комплексного геофизического исследования золотоносного месторождения Кызылбулах (Мехманинское рудное поле, Малый Кавказ) (Хесин, Алексеев и Эппельбаум, 1993).
«ВК» публикует перевод статьи, вышедшей в журнале «First Break» Европейской ассоциации геоученых и инженеров (EAGE) «Обнаружение новых запасов полиметаллических руд с использованием 3D-моделирования гравитационного поля на примере Большого Кавказа».
Лев Эппельбаум (Тель-Авивский университет, Факультет геофизики и планетарных наук) и Борис Хесин (Университет Бен Гуриона, Факультет геологии и наук об окружающей среде) представляют результаты своего исследования рудных месторождений Большого и Малого Кавказа с помощью 3D грави-магнитного моделирования.
Анализ использования гравитационных исследований для рудных месторождений свидетельствует о том, что этот метод играет значительную роль в обнаружении рудных месторождений и уточнении их запасов. Важной предпосылкой его эффективности является значительная разница плотностей искомой руды и окружающей геологической среды (эта разница может составлять 1000-3000 кг/м3). В то же время, детальное гравитационное исследование горных регионов, где чаще всего обнаруживают рудные месторождения, осложняется множеством факторов.
Типичное рудное месторождение чаще всего залегает в деформированной геологической среде, характеризующейся присутствием разнообразных тектонических структур и геологических образований, а также широким спектром физических свойств. Влияние окружающего рельефа также является серьезным осложняющим фактором. Все эти аспекты осложняют обработку и интерпретацию гравитационных аномалий.
Множество статей посвящено 3D моделированию гравитационных полей. Из последних публикаций можно отметить Буланже и Шуто (2001), Чакраварти и Сундарараджан (2004), Фурнесс (2000), Галлардо-Делгадо (2003), Холштейн (2003) Маурьела и Патела (2001), Жанг и др. (2004).
Авторы настоящей работы с успехом применили 3D моделирование гравитационного и магнитно полей на нескольких рудных месторождениях Большого и Малого Кавказа. Например, эффективность расчета влияния эффекта горной рельефа во время процесса 3D физико-геологического моделирования была продемонстрирована на примере комплексного геофизического исследования золотоносного месторождения Кызылбулах (Мехманское рудное поле, Малый Кавказ) (Хесин, Алексеев и Эппельбаум, 1993). Самый наглядный пример анализа гравитационного поля, показывающий геофизическое исследование Катехского рудного месторождения (Закатала-Белоканский район, северный Азербайджан) представлен ниже.
Краткое геологическое описание
Катехское месторождение полиметаллических руд залегает на южном склоне Большого Кавказа (северный Азербайджан) в области крайне пересеченного рельефа местности. Согласно данным ассоциации Азербайджангеология, геологический разрез данного района характеризуется главным образом переслаиваниями песков и глин верхнего Ааленского яруса. Катехское месторождение представляют два суб-параллельных стратифицированных рудных пласта. Тектонические разломы контролируют пространственные дислокации всех известных рудных тел. Большинство рудных объектов на этом месторождении имеют линзообразную форму. Однако сочетание продольных и поперечных разломов приводит к сильной раздробленности рудных объектов. Катехское месторождение было изучено до глубины 500 м с помощью штолен и скважин. Однако некоторые исследователи при этом отметили, что в связи со сложной тектоникой эти горно-проходческие работы не смогли обеспечить точную модель расположения рудных тел.
Следующие типы рудных текстур были выделены на местрождении Катех: 1) массивные, 2) жильно-обломочные, 3) рассеянно-вкрапленные. Основными рудными минералами Катехского месторождения являются пирит, сфалерит, медный колчедан, галенит. Вторичные рудные минералы представлены красно-коричневым пиритом, вюрцитом, арсенопиритом, и мельниковитом. Наличие серебра и золота отмечено в небольших количествах (Мехтиев и др. 1976; Зайцева и др. 1988).
Программа 3D грави-магнитного моделирования
Программа GSFC (геологическое пространственное исследование полей) была разработана для решения специальных задач 3D грави-магнитных исследований в сложных геологических условиях. Это программа позволяет вычислять поле силы тяжести, его производных и поля горизонтальных и вертикальной компонент магнитного поля в условиях горного рельефа и произвольного намагничения. Геологическое пространство может быть аппроксимировано: 1) трехмерными, 2) полубесконечными и 3) бесконечными телами - замкнутыми, полузамкнутыми и открытыми.
Кроме уже вышеуказанных, программа имеет следующие преимущества: 1) одновременный расчет магнитных и гравитационных полей; 2) описание рельефа с помощью нерегулярно заданных характерных точек; 3) расчет эффекта границы земля-воздух методом подбора во время процесса интерпретации; 4) моделирование выбранных профилей на произвольных уровнях с использованием задания характерных точек; 5) одновременное моделирование нескольких профилей; 6) возможность описания описание большого количества геологических структур и фрагментов.
Основной алгоритм, реализованный в программе - это решение прямого 3D расчета гравитационного и магнитных эффектов от горизонтальной многоугольной призмы, ограниченной по простиранию. Подробное описание аналитических выражений первой и второй производной гравитационного потенциала приблизительной модели горизонтальной многоугольной призмы и их связей с магнитным полем представлены в работе Хесина, Алексеева и Эппельбаума (1996).
Результаты 3D моделирования гравитационного поля
Комплексная 3D модель гравитационного поля и вертикальной компоненты магнитного поля была построена на основе следующей схемы. Детальная физико-геологическая модель Катехского месторождения длиной 800м и глубиной 400м была разработана на основе всей обобщенной геолого-геофизической информации. Для этого была использована вся доступная информация для этого района, включая плотности и намагниченности рудных объектов и окружающих тел. Для повышения точности учета искажающего эффекта окружающей топографии была создана цифровая модель рельефа. Выраженная направленность региональной топографии в районе Катехского месторождения с юго-запада на северо-восток обусловила выбор прямоугольной модели рельефа (длиной 20 км и шириной 600 м). При этом наш геологический профиль длиной 800 м находился в геометрическом центре модели. Для описания модели были выбраны 1000 характерных точек, более часто отобранных в центральной части модели, и реже – на ее периферии.
Аномалии магнитного и естественного электрического полей колеблются около нуля и не могут предоставить полезной информации об искомых объектах. Это может быть объяснено особенностями минералогического состава руд Катехского месторождения. Отсутствие магнитного минерала пирротина является причиной того, что исследуемые полиметаллические руды практически немагнитны. С другой стороны, значительная свинцовая компонента, присутствующая в руде, препятствует нормальному ходу реакции окисления-восстановления, необходимой для инициации интенсивных аномалий естественного поля. Таким образом, можно заключить, что основная геофизическая информация может быть взята лишь из анализа гравитационного поля.
Из анализа зафиксированных и вычисленных гравитационных полей следует, что в первоначальной физико-геологической модели сильно недостает аномальных масс. 3D моделирование гравитационного поля было выполнено с использованием 25 последовательных итераций. Два рудных тела массивного состава (не зафиксированные в предыдущей геологической модели) были выявлены в юго-западном и северо-восточном частях месторождения. Стоит заметить, что выводы о наличии неизвестного рудного тела в юго-западной части профиля соответствуют независимым исследованиям, включающим геотермальные наблюдения и наземное геохимическое опробование. Температурная аномалия 0.5-0.8 градусов Цельсия была зафиксирована в штольне 8 во время подземных температурных исследований в районе пикетов 250-300 м. Поверхностная зона, содержащая значительно количество свинца и цинка, была выявлена на пикетах 150-200м (согласно исследованиям С. Гинзбурга (ЦНИГРИ) и данных Азербайджанского управления геологии).
Заключение
Мы можем заключить, что детальный анализ гравитационных полей может играть значительную роль в разведке месторождений полиметаллических и других руд. В отличие от методов, связанных с наличием магнетных минералов в руде и необходимости возникновения реакций окисления-восстановления, существенная разница в плотности между полиметаллической рудой и окружающей средой (которая практически всегда существует), является важной предпосылкой использования гравитационной разведки. Комплексирование имеющейся геолого-геофизической информации с таким мощным средством как 3D моделирование гравитационного поля в условиях сложных сред позволило значительно увеличить резервы полиметаллической руды на Катехском месторождении Азербайджана (южный склон Большого Кавказа).