Геофизика нашла руду на глубине 1000 м. Шутите?

Месторождения становятся глубже, условия залегания усложняются, и для их поиска нужны новые технологии. Но обычно на этом разговор и заканчивается: что именно подразумевается под «новыми технологиями» почти никогда не объясняют. Вот, например, в геофизике у геологов и недропользователей нередко формируются нереалистичные ожидания, особенно когда на очередной презентации им предлагают «новый метод». Одни начинают воспринимать геофизику как чудо-кнопку, которая сразу решит все задачи. Другие, наоборот, уверены, что за такими технологиями ничего не стоит.

В этом материале я хочу на примере своих работ в Британской Колумбии показать конкретную методику, которая позволяет исследовать глубины до 1000 метров. Метод основан на известных принципах электромагнитных исследований, но реализован так, что снимает ограничения классических наземных и воздушных съемок. Я разберу его физическую основу, организацию работ и приведу пример применения на известном месторождении.

И наконец, в этой статье речь пойдет не о маркетинговых обещаниях, а о конкретике: что именно стоит за словами «новые технологии в геофизике» и как они работают на практике.

Физика, которая помогает искать руду

Прежде чем перейти к практике, давайте ненадолго вернёмся в «школу» и вспомним один из базовых принципов геофизики — электромагнитное исследование. Этот физический закон напрямую работает на нашу задачу: поиск и разведка месторождений.

Методика, о которой идёт речь, основана на явлении электромагнитной индукции: когда изменяется магнитное поле, возникает электрическое поле — и наоборот. Задача геофизика состоит в том, чтобы организовать такие изменения поля, при которых в проводниках на глубине — например, в телах массивных сульфидов — генерировалось вторичное поле, доступное для регистрации.

Как это работает на практике? На земле раскладывается петля и подключается источник тока. При резком отключении тока в петле возникает быстрое изменение магнитного поля, которое индуцирует во вмещающих породах вихревые токи. Эти токи создают собственное — вторичное — магнитное поле, которое и фиксирует приёмник.

Глубина зондирования в таком методе определяется несколькими факторами. Размер петли: чем она больше, тем глубже распространяется первичное поле и тем более глубокий отклик можно получить. Сила тока: чем выше ток, тем мощнее сигнал и тем надежнее его регистрация. Частота: именно пауза после отключения тока задаёт время, в течение которого фиксируются затухающие отклики, и тем самым определяет глубину «видимости».

Что дают классические электромагнитные методы

Электромагнитные исследования (ЭМ) особенно востребованы там, где другие методы трудно применимы. Например, на каменистых участках, в курумах или зимой, когда невозможно качественно заземлить электроды для классических электроразведочных работ. ЭМ исследования хорошо работают и в случаях, когда в недрах ожидаются проводники — массивные сульфидные руды.

Здесь возможны два варианта организации работ. Первый — наземный: петля раскладывается по поверхности, измерения проводятся рядом. Это дает хороший сигнал и глубину зондирования, но требует больших физических усилий и сильно ограничивает скорость работ. Второй — воздушный: оборудование поднимается вертолетом, и за один полет можно обследовать сотни погонных километров. Но размер петли в этом случае ограничен десятками метров, а глубина — обычно не больше 150–200 м.

Оба подхода работают и применяются до сих пор, каждый в своей задаче. Но у наземного метода главный минус — трудоемкость и низкая производительность, у аэрогеофизики — малая глубинность. Именно поэтому появился новый метод, который объединяет плюсы обоих подходов, снимая их ограничения.

Новый подход: скорость аэро и глубина наземки

Именно здесь появляется новый подход — методика HeliSAM. Он объединяет скорость аэрогеофизики и глубинность наземных исследований, убирая слабые стороны каждого из них. Как это устроено? Сначала вертолёт раскладывает на земле большую передающую петлю, через которую пропускается ток с паузами. В отличие от классических аэро электромагнитных исследованиях, где размер петли ограничен десятками метров, здесь используются километровые контуры — например, 1×1 км или даже 2×2 км. На укладку такой петли уходит около 40 минут. После этого вертолет вылетает уже для съемки.

Съемка выполняется с помощью магнитного датчика, подвешенного на тросе длиной 30–50 метров, так что он летит примерно в 30 м над землей. В геофизической практике такой датчик называют «птичкой». Это квантовый магнитометр, который фиксирует изменения магнитного и электромагнитного полей; сигналы от него по кабелю передаются в приемник, установленный в самом вертолёте. Принцип работы магнитометра основан на колебаниях атомов цезия, что обеспечивает очень высокую чувствительность.

Такое расположение позволяет исключить помехи от самого вертолёта и вести измерения максимально близко к поверхности. Магнитометр регистрирует десятки тысяч значений в секунду, а затем данные усредняются в равномерные интервалы: примерно каждые 5 м для магнитных измерений и около 20 м для электромагнитных каналов.

Для тех, кто не работает с геофизикой, это можно сравнить с наземной съемкой, где геофизик вручную делает замеры через те же расстояния. По детализации результаты сопоставимы с «ручной» работой, но собираются на скорости полёта вертолёта и на больших площадях.

В итоге мы получаем производительность аэрогеофизики — десятки и сотни километров профилей за день — и глубинность наземных систем. Метод позволяет картировать проводящие тела на глубинах до 1000 м.

Как это работает на реальном месторождении? Давайте посмотрим кейс на медно-колчеданном месторождении в Канаде — Lalor в Манитобе.

Кейс: медно-колчеданное месторождение Lalor, Канада

Месторождение Lalor расположено в Манитобе и известно как объект с медно-цинково-золотой минерализацией. Его рудные тела находятся на глубине 700–1000 м и были открыты в 2007 году с помощью наземных электромагнитных исследований.

Для проверки методики HeliSAM была разложена большая передающая петля размером около 1,7 × 1,7 км. На укладку потребовалось менее часа. Вертолёт выполнял облеты с подвесным датчиком — так называемой «птичкой», в которой установлен квантовый магнитометр. Высота полета составляла порядка 30–40 м над поверхностью, длина троса — 30–50 м.

За один полёт удалось собрать данные по профилям общей протяженностью около 93 км. Интервал выборки составил примерно 5 м для магнитных измерений и 20 м для электромагнитных. Это сопоставимо с детальностью наземной съёмки, но охват территории был в десятки раз больше.

Результаты показали наличие аномалии, совпадающей с известным рудным телом. На временных каналах прослеживался отклик, соответствующий минерализованному телу на глубине до километра. Дополнительное моделирование позволило уточнить размеры и ориентацию проводника, и эти параметры соответствовали геологическим данным.

Таким образом, метод подтвердил возможность картировать проводящие тела на глубинах, которые обычно считаются недостижимыми для аэрогеофизики.

Как отличить обещания от работающих технологий

На рынке геофизических услуг до сих пор хватает «волшебных коробочек» и громких обещаний. Ошибиться в такой ситуации легко — и это нормально. Геологи и инвесторы не обязаны разбираться в тонкостях датчиков или нюансах обработки сигналов. Но именно поэтому важно иметь простые ориентиры, как отличить работающий метод от красивой завлекалки.

Новые технологии в геофизике не рождаются из неведомых физических эффектов. Они развиваются за счёт уже проверенных принципов — через новые поколения датчиков, более совершенные приборы и современные алгоритмы обработки. Каждый новый гравиметр лучше фиксирует малые изменения поля, чем предыдущий. То же самое с магнитометрами и электромагнитными установками: они позволяют регистрировать более слабый сигна или  выделять полезный сигнал на уровне шума. Интерпретация тоже шагнула вперёд: искусственный интеллект и специализированное ПО превращают «пятно аномалии» в модель тела с конкретными размерами и глубиной.

Поэтому главный совет тем, кто выбирает методику: не ждите чуда от модного названия. Начинайте с геологии: определите тип месторождения, условия залегания рудных тел и их физические свойства. Важно понимать, чем эти свойства отличаются от вмещающих пород — проводимость, магнитная восприимчивость, плотность. Именно это должно определять выбор геофизического метода. Если речь идет о массивных сульфидах на глубине 500–1000 м, как в моём проекте в Британской Колумбии, — тогда имеет смысл использовать глубинный и более дорогой метод с вертолётом. Но если цель — верхние горизонты, подойдут совсем другие решения.

Еще один важный критерий — открытость и практика. Уважающий себя подрядчик должен показать, где метод уже применялся и какие результаты дал. Должно быть понятно, что у компании есть оборудование, специалисты и программное обеспечение для обработки и интерпретации данных.

От себя добавлю: для меня это было уникальной возможностью — поработать с HeliSAM, системой, которая вышла на рынок совсем недавно в 2022 году. Это показало, как геофизика развивается: не только в программах и алгоритмах, но и в «железе», в организации полевых работ, в самой методике. И это развитие открывает новые горизонты для поиска месторождений, которые еще десять лет назад казались недостижимыми.

Материал подготовлен при поддержке Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.