Badania petrofizyczne

Aby oszacować możliwość zastosowania metod GPR i ERT do okonturowania stref okruszcowanych miedzą (Cu) oraz akcesorycznie żelazem (Fe) i ołowiem (Pb) zadecydowano, że należy w pierwszej kolejności wykonać badania laboratoryjne na próbkach skalnych pobranych z miejsc wytypowanych do badań dołowych, tj. z pochylni A5F, z rejonu SR14 (Fig. 4.14) oraz z upadowej D2, z rejonu Jm21 (Fig. 4.15). Na próbkach dostarczonych przez O/ZG „Polkowice-Sieroszowice”, wyznaczono w ramach realizacji umowy nr: KGHM-KP-U-0340-2011, następujące parametry petrofizyczne skał:

 względną przenikalność elektryczną,  kąt stratności,

 względną przenikalność magnetyczną i podatność magnetyczną,  oporność i przewodność elektryczną,

 współczynnik polaryzacji.

Wybrane wyniki badań przedstawiono w pracach Gołębiowski i in. (2013b, 2017).

Jak omówiono w części teoretycznej doktoratu (Rozdział 3), parametrami petrofizycznymi istotnymi z punktu widzenia badań GPR i ERT są: względna przenikalność elektryczna r oraz oporność elektryczna  i jej odwrotność, tj. przewodność elektryczna . Dlatego też, tylko te trzy parametry zostały omówione w niniejszym rozdziale, natomiast pozostałe parametry petrofizyczne zostały opisane w sprawozdaniu z umowy nr: KGHM-KP-U-0340-2011.

Skały, z punktu widzenia fizyki (elektromagnetyzmu), można potraktować jako dielektryki. Parametry dielektryczne skał opisuje przenikalność dielektryczna, definiowana identycznie jak przenikalność elektryczna  [F/m], tzn. (Plewa i Plewa 1992):

''

' 



  i

gdzie: ’ – rzeczywista część przenikalności dielektrycznej, która opisuje interakcję pola elektromagnetycznego z ośrodkiem, ” – urojona część przenikalności dielektrycznej, która opisuje, z jaką intensywnością fala elektromagnetyczna będzie tłumiona w ośrodku.

Strona | 78

Fig.4.14. Pionowe profile geologiczne przez serię złożową, na ociosie pochylni A5F, w rejonie SR14. Objaśnienia: 1 – zasięg serii złożowej, 2 – kamień pod i nad serią złożową,

3 – seria węglanowa, 4 – łupek, 5 – numer sekcji, 6 – numer próby. Kolorem niebieskim zaznaczono profile, z których pobrano próbki do badań petrofizycznych

Fig.4.15. Pionowe profile geologiczne przez serię złożową, na ociosie upadowej D2, w rejonie Jm21. Objaśnienia: 1 – zasięg serii złożowej, 2 – kamień pod i nad serią złożową, 3 – seria węglanowa, 4 – łupek, 5 – piaskowiec, 6 – numer sekcji, 7 – numer próby. Kolorem

Strona | 79

W fizyce stosuje się również wielkość nazywaną tangensem kąta stratności, który opisuje tłumienie fali e-m (tzn. straty energii fali), i wyznaczany on jest z części rzeczywistej i urojonej przenikalności dielektrycznej (Plewa i Plewa 1992):

' ' '' tan











Laboratoryjne wyznaczenie przenikalności elektrycznej (dielektrycznej)  przeprowadzono przy użyciu rezonatora dielektrycznego (Fig. 4.16). Na podstawie pomierzonych wartości ’ i ” obliczono wartości r i tangensy kątów stratności tan dla próbek skalnych.

Wnęka rezonansowa rezonatora w kształcie cylindra o średnicy zewnętrznej ok. 70 mm i wysokości ok. 50 mm, od góry i dołu zamknięta jest przez dwa okrągłe dekle wykonane z metalu. Dokładnie w osi wnęki rezonansowej umieszczona jest tuleja ceramiczna o odpowiednich parametrach dielektrycznych oraz rurka teflonowa o średnicy d, w której umieszcza się badany materiał. Sygnał mikrofalowy jest doprowadzany i odbierany z wnęki rezonansowej za pośrednictwem pętli sprzęgających (Fig. 4.16). Źródłem oraz przetwornikiem sygnału mikrofalowego jest wektorowy analizator sieci (użyto analizatora 8722ES, firmy Agilent). Rezonator pracuje na częstotliwości rezonansowej równej 2,45 GHz.

Fig.4.16. Przekrój poprzeczny wzdłuż osi symetrii rezonatora dielektrycznego (Krupka i in. 2004) Określenie parametrów dielektrycznych mierzonego materiału sprowadza się do pomiaru częstotliwości rezonansowej f oraz dobroci Q rezonatora dla trzech przypadków: (a) pustego

Strona | 80

rezonatora, (b) rezonatora z pustą rurką teflonową, (c) rezonatora z rurką teflonową wypełnionej badanym materiałem. Określenie wartości częstotliwości rezonansowej f i dobroci Q opiera się na analizie zmian krzywej opisującej transmisję sygnału przez strukturę rezonatora dielektrycznego. Ogólnie można powiedzieć, że wartość ’ badanego materiału wpływa na przesunięcie częstotliwości (f-f0) pomiędzy częstotliwością zmierzoną dla pustej rurki teflonowej (f0) i częstotliwością zmierzoną dla rurki teflonowej wypełnionej materiałem (f). Wartość ” badanego materiału bezpośrednio wpływa na mierzoną wartość dobroci Q (Krupka i in. 2004). Własności dielektryczne materiału wyznacza się w wyniku numerycznego rozwiązania układu równań nieliniowych (4.3, 4.4). Równania opisują przesunięcie częstotliwości pomiędzy częstotliwością (f0) i częstotliwością (f) oraz zmiany dobroci Q dla rurki teflonowej o średnicy d wypełnionej badanym materiałem jako funkcje niewiadomych: ’ i ’” (Krupka i in. 2004).

0 ) ( ) ' ' , ' , ( ₀ 1 d  f  f  F   F₂(d,','')Q0 _{(4.3, 4.4)} Na kolejnych figurach pokazano zestawienie wyliczonej wartości względnej przenikalności elektrycznej r dla profili, z których pobierano próbki (Fig. 4.14, Fig. 4.15), tzn.:

 Fig. 4.17 – pochylnia A5F, rejon SR14, profil SR14-2831,  Fig. 4.18 – pochylnia A5F, rejon SR14, profil SR14-2833,  Fig. 4.19 – pochylnia A5F, rejon SR14, profil SR14-2835,  Fig. 4.20 – upadowa D2, rejon Jm21, profil Jm21-503,  Fig. 4.21 – upadowa D2, rejon Jm21, profil Jm21-506,  Fig. 4.22 – upadowa D2, rejon Jm21, profil Jm21-509.

Na Fig. 4.174.22, zamiast dotychczas używanego pojęcia względnej przenikalności elektrycznej, użyto pojęcia równoważnego dla dielektryków (skał) i częstotliwości używanych w metodzie GPR, tj. względna stała dielektryczna. Wyznaczone wartości względnej stałej dielektrycznej korelowano na wykresach z informacjami otrzymanymi z kopalni, nt. zawartości Cu+Fe (upadowa A5F) oraz Cu (pochylnia D2) w badanych próbkach. Dla upadowej A5F analizowano sumaryczną zawartość Cu+Fe, ponieważ domieszki Fe w próbkach byłe relatywnie duże. Kopalnia dostarczyła również informacje nt. zawartości w próbkach Ag i Pb, lecz ze względu na bardzo małe wartości liczbowe tych dwóch metali, nie brano ich pod uwagę w analizach.

Na Fig. 4.17 nie umieszczono wartości dla próbki nr 105, ponieważ cechowała się ona wartościami parametrów elektromagnetycznych, które trudno było logicznie interpretować.

Strona | 81

Fig.4.17. Korelacja względnej stałej dielektrycznej r z zawartością Cu i Fe w badanych próbkach, dla profilu SR14-2831

Fig.4.18. Korelacja względnej stałej dielektrycznej r z zawartością Cu i Fe w badanych próbkach, dla profilu SR14-2833

Strona | 82

Fig.4.19. Korelacja względnej stałej dielektrycznej r z zawartością Cu i Fe w badanych próbkach, dla profilu SR14-2835

Fig.4.20. Korelacja względnej stałej dielektrycznej r z zawartością Cu w badanych próbkach, dla profilu Jm21-503

Strona | 83

Fig.4.21. Korelacja względnej stałej dielektrycznej r z zawartością Cu w badanych próbkach, dla profilu Jm21-506

Fig.4.22. Korelacja względnej stałej dielektrycznej r z zawartością Cu w badanych próbkach, dla profilu Jm21-509

Strona | 84

Analizę zmienności wartości względnej stałej dielektrycznej (względnej przenikalności elektrycznej) dla pochylni A5F, rejon SR14 oraz dla upadowej D2, rejon Jm21 wykonano wspólnie, ponieważ są to te same formacje geologiczne i to samo złoże miedzi.

Analizując Fig. 4.174.22 można stwierdzić, że wartości r zmieniają się bardzo nieznacznie i wahają się w przedziale ogólnie od ok. 2,5 do ok. 4,5 z wyjątkiem trzech próbek łupka, dla których r55,5. Dla poszczególnych formacji geologicznych, względna stała dielektryczna zmienia się następująco (Fig. 4.23):

 piaskowiec: r=2,53,0 – średnia 2,8,  dolomit: r=2,74,4 – średnia 3,4,  łupek: r=3,15,5 – średnia 4,1.

Pomiary dołowe były prowadzone na profilach zaprojektowanych na ociosach wyrobisk, a więc w płaszczyznach równoległych do granic geologicznych. W takiej sytuacji nie jest istotna różnica (kontrast) r na granicach pomiędzy poszczególnymi formacjami geologicznymi (tj. piaskowiec, łupek, dolomit), ponieważ kolejne profile będą w całości przebiegać albo w piaskowcu albo w łupku lub w dolomicie. Z punktu widzenia możliwości okonturowania stref podwyższonej mineralizacji polimetalicznej istotna jest natomiast różnica (kontrast) r pomiędzy okruszcowanym i nieokruszcowanym (lub słabo okruszcowanym) fragmentem górotworu.

Fig.4.23. Zmiany względnej stałej dielektrycznej r w funkcji zawartości Cu+Fe w próbkach; nie aproksymowano rozkładu dla łupków, ze względu na duży rozrzut wartości Cu+Fe

2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 Wz gl ęd n a stał a d ie le ktr yc zn a r [-]

Zawartość Cu+Fe w próbkach [%]

Dolomit Łupek Piaskowiec Liniowa (Dolomit) Liniowa (Piaskowiec)

Strona | 85

W metodzie GPR przyjmuje się, że różnica względnych stałych dielektrycznych pomiędzy dwoma utworami geologicznymi (lub strefą okruszcowaną i nieokruszcowaną) musi być większa niż 1, aby współczynnik odbicia r (3.20) był na tyle wysoki, że na radargramach zarejestrowane zostaną interpretowalne refleksy. Oczywiście rejestracja GPR zależna jest również od niejednorodności i anizotropii ośrodka, istnienia systemu spękań, porowatości, obecności i typu medium wypełniającego pory i spękania i innych czynników, których nie badano laboratoryjnie, a należy zdawać sobie z nich sprawę podczas interpretacji radargramów.

Przeanalizujmy więc wpływ obecności metali na zmianę wartości względnej stałej dielektrycznej dla poszczególnych formacji geologicznych. Analizując Fig. 4.23 (która powstała na bazie Fig. 4.174.22) można ogólnie stwierdzić, że zawartości metali w próbkach poniżej 1% są poza możliwościami detekcyjnymi metody GPR i trudno znaleźć w takich przypadkach jakąkolwiek korelację.

Dla dolomitu Fig. 4.23, widać wyraźny wzrost wartości r wraz ze wzrostem zawartości Cu+Fe w badanych próbkach, co wskazuje, że istnieje duże prawdopodobieństwo możliwości okonturowania stref nagromadzenia Cu+Fe przy pomocy metody GPR, jeśli w strefach tych będziemy obserwować koncentrację metali rzędu kilku procent.

W przypadku łupków Fig. 4.23 nie powinno być problemu okonturowania przy pomocy metody GPR stref dużego nagromadzenia Cu+Fe, ponieważ dla niewielkiej mineralizacji, ok. 0,51%, wartość r równa jest średnio 3,1, a gdy koncentracja wzrasta do 5,58% wartość r również wzrasta do 55,5.

Dla piaskowców Fig. 4.23, wspominana już wcześniej różnica r zbliżona do wartości 1, pojawia się prawdopodobnie, gdy w złożu sumaryczne zawartości Cu+Fe będą większe od 3%, podobnie jak miało to miejsce dla łupków i dolomitów.

Porównując informacje z dwóch rejonów badań dołowych (Fig. 4.174.22) można stwierdzić, że jeśli przyjąć średnią wartość r dla pochylni A5F jako 3, to ze względu na znacznie większe zawartości Cu w próbkach z upadowej D2 średnia wartość r rośnie tutaj do ok. 44,5.

Należy na zakończenie analizy zmienności wartości względnej stałej dielektrycznej (względnej przenikalności elektrycznej) podkreślić, że nawet przy kilkuprocentowej zawartości metali w próbkach (czy w badanym ośrodku) metoda GPR pozwoli jedynie na okonturowanie stref o największej zawartości metali (powyżej 3%), bez możliwości wydzielania pod-stref z różną zawartością metali w zakresie mniejszym niż 3%.

Strona | 86

Pomiar oporu elektrycznego R [] dla próbek skalnych wykonano metodą dwuelektrodową w trybie czteroprzewodowym (Żogała 2013), w temperaturze symulującej warunki dołowe, w których planowano pomiary geofizyczne, tj. 30OC. W trybie czteroprzewodowym prąd testowy jest mierzony z wykorzystaniem jednej pary elektrod pomiarowych, a spadek napięcia przy mierzonej rezystancji – przy pomocy drugiej pary. W efekcie wynik pomiaru jest dokładniejszy, szczególnie dla małych rezystancji, niż przy standardowym trybie dwuelektrodowym oraz zapewnia większą powtarzalność wyników w danym cyklu pomiarowym. Na Fig. 4.24 pokazano schemat stanowiska pomiarowego do pomiaru oporu próbek skał. W skład stanowiska pomiarowego wchodzą:

 miernik elektryczny PICOTEST M3500A (1),

 dwie elektrody ze stali nierdzewnej o średnicy 46,50mm każda (2),

 pojemnik na próbkę – nieprzewodząca prąd elektryczny rura PCV o długości 200mm i średnicy wewnętrznej 47,50mm (3),

 badana próbka (4),  uchwyt na pojemnik (5),  dwie podkładki izolacyjne (6),  ściskacz (7).

Fig.4.24. Schemat stanowiska do pomiaru oporu elektrycznego próbek skał (Żogała 2013) Przed rozpoczęciem pomiarów każda próbka była suszona w suszarce laboratoryjnej, w temp. 80OC przez 48 godzin. Założono, że po takim czasie wilgotność danej próbki będzie bliska zeru. W trakcie pomiarów próbka z przyłożonymi głowicami była ściskana z siłą 10kN dla zapewniania kontaktu elektrycznego.

Dla każdej próbki opór mierzono przez 30 min., a odczyty rejestrowano od 5-tej minuty, z częstotliwością co 5 min. Dla każdej próbki zarejestrowano 6 wartości oporu, a wartość średnią przyjęto do obliczenia oporności właściwej próbek  [m], zgodnie z zależnością (3.24).

Strona | 87

Na Fig. 4.254.30 zestawiono wyznaczone wartości oporności elektrycznej właściwej  z zawartością Cu+Fe (pochylnia A5F) i Cu (upadowa D2) w badanych próbkach. Na figurach nie zamieszczono wartości przewodności elektrycznej właściwej , ponieważ jest ona odwrotnością oporności (3.24), więc zmienność oporności elektrycznej będzie odnosić się również do zmienności przewodności elektrycznej. Dyskusję uzyskanych wyników zarówno dla przewodności jak i oporności elektrycznej właściwej przeprowadzono dla wykresów zbiorczych przedstawionych na Fig. 4.31 i Fig. 4.32.

Należy w tym miejscu dodać, że spadek oporności elektrycznej (a więc wzrost przewodności) decyduje w metodzie GPR o spadku zasięgu głębokościowego metody, w wyniku wzrostu tłumienia ośrodka, zgodnie z wzorami (3.15). Można przyjąć za MALA (2003), że graniczną wartością przewodności jest 10 mS/m, która odpowiada oporności 100 m; jeśli próbka wykazuje oporność mniejszą niż podana wartość graniczna, pomiary georadarowe tracą sens ze względu na silny wzrost tłumienia ośrodka. Analizując Fig. 4.254.30 widać, że na żadnym profilu nie została przekroczona graniczna wartość 100 m; jedynie na profilu Jm21-506 (Fig. 4.29) dwie próbki, nr 103 i 105 wykazują wartości zbliżające się do granicy stosowalności metody GPR.

Dla zdecydowanej większości próbek (Fig. 4.254.30) stwierdzono bardzo wyraźną korelację oporności elektrycznej właściwej  z koncentracją metali. Z analizy wykresu zbiorczego (Fig. 4.31) (skonstruowanego na podstawie informacji z Fig. 4.254.30) wynika logiczny wniosek, tzn.: ze wzrostem koncentracji Cu (lub Cu+Fe) szybko maleje wartość oporności elektrycznej , co wskazuje, że strefy niskooporowe na mapach oporności uzyskanych z badań ERT będzie można korelować ze strefami podwyższonej mineralizacji polimetalicznej. Oporność elektryczna w dużej mierze zależy od rodzaju skały; przy takiej samej koncentracji Cu (lub Cu+Fe) dla różnych typów skały wartość oporności była różna i tak: dla danej koncentracji metali oporność w dolomitach była najwyższa, w łupkach pośrednia, zaś w piaskowcach najniższa.

Podobnie jak podczas analizy zmienności względnej stałej dielektrycznej, nie będzie możliwości wydzielania na obrazach ERT pod-stref z równą zawartością metali, w zakresie poszczególnych procentów, lecz raczej wydzielane będą strefy zawierające powyżej 23% metali, w stosunku do górotworu nieokruszcowanego lub mało-okruszcowanego.

Na Fig. 4.32 przedstawiono tylko dla porządku zmienność elektrycznej przewodności właściwej  (a więc odwrotności oporności), a konkluzje wynikające z tego rysunku i odnoszące się do badań ERT, są identyczne jak dla analizy oporności elektrycznej.

Strona | 88

Fig.4.25. Korelacja wartości oporności właściwej  z wynikami zawartości Cu i Fe w badanych próbkach, dla profilu SR14-2831

Fig.4.26. Korelacja wartości oporności właściwej  z wynikami zawartości Cu i Fe w badanych próbkach, dla profilu SR14-2833

Strona | 89

Fig.4.27. Korelacja wartości oporności właściwej  z wynikami zawartości Cu i Fe w badanych próbkach, dla profilu SR14-2835

Fig.4.28. Korelacja wartości oporności właściwej  z wynikami zawartości Cu w badanych próbkach, dla profilu Jm21-503

Strona | 90

Fig.4.29. Korelacja wartości oporności właściwej  z wynikami zawartości Cu w badanych próbkach, dla profilu Jm21-506

Fig.4.30. Korelacja wartości oporności właściwej  z wynikami zawartości Cu w badanych próbkach, dla profilu Jm21-509

Strona | 91

Fig.4.31. Zależność oporności elektrycznej właściwej  dla danego rodzaju skały w funkcji koncentracji Cu

Fig.4.32. Zależność przewodności elektrycznej właściwej  dla danego rodzaju skały w funkcji koncentracji Cu

Strona | 92