ГИС-моделирование строения кайнозойской толщи Брестской области для прогноза и оценки залежей нерудного сырья

Введение

К настоящему времени выполнено огромное количество исследований, нацеленных на решение задач прогнозирования и оценки нефтяных и газовых месторождений полезных ископаемых. Повышенный интерес к этим видам сырья определяется постоянным ростом спроса и цен на них. Кроме того, для таких исследований характерны большие объемы инвестирования как на государственном уровне, так и со стороны частных горнорудных компаний. В то же время общераспространенные полезные ископаемые (ОПИ)¹, имеющие важное социально-экономическое значение для развития местной промышленности регионов, достаточно часто незаслуженно обходят вниманием.

ОПИ призваны решать одну из значимых проблем для регионов разного ранга – обеспечение потребностей строительного комплекса местными видами сырья. Именно поэтому систематическое геологическое изучение таких ресурсов видится весьма актуальным направлением исследований на современном этапе. Важны геологические исследования сырьевой базы ОПИ и для территории Брестской области (Республика Беларусь), которая в геологическом отношении сложена мощной толщей осадочных, в первую очередь кайнозойских отложений. Именно с данной толщей генетически связаны наиболее доступные для освоения месторождения общераспространенных видов сырья как в регионе, так и в стране в целом.

Подробные исследования кайнозойских отложений Брестской области, прежде всего четвертичной толщи, проводились с середины XIX в. и были связаны с развитием строительства железных дорог и промышленных предприятий, ввиду чего возник спрос на строительное сырье [1]. Сегодня на территории региона уже разведаны многочисленные месторождения строительных материалов (глин, суглинков, песков и песчано-гравийных пород и др.). Значимая часть таких месторождений разрабатывается. Остальные служат резервными базами для предприятий региона.

Несмотря на достигнутые успехи в формировании и развитии сырьевой базы ОПИ Брестской области проблема прогнозирования и оценки таких ресурсов продолжает оставаться здесь насущной проблемой. Обусловлено это прежде всего необходимостью актуализации накопленных предшественниками результатов с использованием последних (наиболее полных) данных геологического бурения. На современном этапе наиболее эффективно данная задача может быть решена с применением методов компьютерного моделирования. Актуализация сведений о ресурсах ОПИ в регионе позволит геологам планировать дальнейшее изучение недр для развития минерально-сырьевой (МСБ) Брестской области и создать качественную основу для обеспечения заинтересованных организаций информацией о перспективных залежах строительного сырья.

На основании вышесказанного могут быть сформулированы цель и задачи настоящего исследования.

Цель исследования – создание цифровой геологической модели кайнозойских отложений территории Брестской области как основы для прогноза новых наиболее доступных для освоения залежей ОПИ в регионе и оценки перспектив их освоения.

Задачи исследования:

• систематизировать накопленные сведения о геологическом строении Брестской области;
• сформировать цифровую геологическую модель кайнозойской толщи территории Брестской области;
• разработать подход к группировке земель территории Брестской области по приемлемости к освоению залежей ОПИ;
• разработать обоснованную схему вовлечения прогнозных залежей ОПИ территории Брестской области в разработку.

Объектом исследования выступают кайнозойские отложения территории Брестской области.

¹ Межпарламентская Ассамблея государств – участников СНГ. Модельный кодекс о недрах и недропользовании для государств – участников СНГ. URL: https://base.spinform.ru/show_doc.fwx?rgn=29299 [Доступ 29 февраля 2024].

Исходные материалы

В качестве исходных данных для реализации настоящего исследования послужила база данных буровой изученности Брестской области, составленная авторами на основе материалов, предоставленных Государственным предприятием «Научно-производственный центр по геологии» и Государственным научным учреждением «Институт природопользования НАН Беларуси».

Описываемая база данных содержит информацию о более чем 5500 скважинах, которые были пробурены в разное время на территории региона. По каждому горизонту, вскрытому определенной скважиной, здесь даны более 20 характеристик. Среди них наиболее значимыми для цели реализуемого исследования являются следующие: местоположение, глубина залегания, стратиграфическое описание, литологическое описание, абсолютные отметки подошвы и кровли, мощность пород.

Характерной особенностью описываемой сети скважин является неравномерность ее распределения по территории Брестской области. Как видно на рис. 1, концентрация скважин в западной части области весьма высока, в восточной, напротив, крайне низкая. Эта особенность оказала значимое влияние на разработку цифровой геологической модели кайнозойских отложений региона.

Рис. 1. Концентрация буровых скважин на территории Брестской области

Методика исследования

В настоящее время существует большое количество разнообразных методик, посвященных решению задачи компьютерного геологического моделирования для прогноза полезных ископаемых. В то же время большая часть таких подходов, доказавших свою практическую эффективность, ориентированы на создание моделей применительно к прогнозу залежей горючих и рудных видов сырья. В меньшей степени эти подходы ориентированы на построение моделей недр для прогноза ОПИ. Это связано не только с меньшими объемами финансирования исследований в области прогноза общераспространенных видов сырья, но и со спецификой профильных ГИС-программ. Большое количество инструментов, представленных в таких ГИС, разрабатывались в контексте задач нефтеразведки, где сеть данных плотная и равномерная. Применение их к неоднородной и разреженной сети данных (наиболее присуща ОПИ) зачастую является невозможным. Именно поэтому создание моделей строения недр для прогноза нерудных полезных ископаемых весьма часто требует применения специально разработанных алгоритмов, методик и технологий.

Принимая во внимание вышесказанное, а также с учетом накопленного в отечественной и зарубежной практике опыта в сфере геологического моделирования [2–4] для достижения цели настоящего исследования предложена авторская методика прогноза и оценки залежей ОПИ, сконцентрированных в кайнозойских отложениях территории Брестской области [5]. Схема предполагает реализацию прогноза и оценки на основе цифровой геологической модели данной толщи. Основные блоки предложенной методики отражены на рис. 2. Далее подробнее остановимся на каждом из этих блоков.

Блок 1. Систематизация и актуализация сведений о геологическом строении Брестской области. Ввиду того что основной целью исследования является прогноз новых наиболее доступных для освоения залежей ОПИ в регионе, первой ступенью исследования, по мнению авторов, должна выступать систематизация накопленного обширного материала о геологическом строении Брестской области. Ведь именно геологическое строение выступает ключевым фактором, определяющим закономерности размещения МСБ региона и ее специфику. Кроме того, без понимания специфики геологического строения невозможно построить корректную геологическую модель.

Непосредственная реализация данного блока включала: 1 – сбор и обобщение многочисленных материалов о геологическом строении данной территории; 2 – уточнение сведений, полученных исследователями этой территории ранее, на основе авторского комплекта погоризонтных картосхем изопахит.

Рис. 2. Структурно-логическая схема методики прогноза и оценки залежей ОПИ Брестской области

Блок 2. Выбор программных продуктов для создания цифровой геологической модели. Ввиду того что поставленная в работе цель наиболее эффективно может быть решена с применением информационных продуктов, значимой частью исследования стал данный блок.

Как показывает практика, в качестве программной основы для геологического моделирования применяют разнообразные ГИС-пакеты, которые могут быть объединены в две группы [6]: недропользовательские ГИС (Rock-works, GMS, Surfer, Petrel и др.) и общегеографические ГИС (ArcGIS, MapInfo, QGIS и др.).

Применительно к созданию цифровой геологической модели исследуемого региона рассматривалось использование таких программ, как ГИС Petrel и ГИС ArcGIS 10.5. Но поскольку пакет Petrel разрабатывался для использования в секторе нефтеразведки и нефтедобычи, где сеть данных бурения является весьма плотной и равномерной, его применение для создания модели с целью прогноза залежей ОПИ не представилось возможным. Поэтому предпочтение было отдано общегеографической системе ArcGIS 10.5.

Помимо выбора ГИС как основной платформы моделирования, данный этап включал и отбор дополнительных программных средств, расширяющих базовый функционал выбранного ГИС-пакета. В качестве таких средств обосновано использование: СУБД MS Access, табличного процессора Microsoft Excel, программного обеспечения для создания трехмерной компьютерной графики Blender, системы компьютерной алгебры Wolfram Mathematica.

Блок 3. Цифровое геологическое моделирование. Рассматриваемый блок является ключевым блоком выполняемого исследования и самым продолжительным по времени реализации. Он включал следующие шаги:

– разработку алгоритма обработки материалов, представленных в базе данных буровой изученности, с целью выявления ошибочных показателей, присутствующих в них;

– создание трехмерной цифровой геологической модели региона [7];

– преобразование трехмерной модели в двухмерный формат;

– расчет наиболее значимых для ОПИ геолого-промышленных параметров (вертикальная мощность отложений, мощность вскрышных пород, коэффициент вскрыши);

– построение набора прогнозно-минерагенических картосхем, отражающих сведения о закономерностях размещения и перспективных площадях наиболее значимых по мощности видов нерудного сырья исследуемой территории.

Блок 4. Группировка земель Брестской области по приемлемости к разработке залежей нерудного сырья. Включение в оценочную схему блока, позволяющего учитывать тип земель района размещения залежей, связано со спецификой добычи ОПИ. Разработка таких видов сырья, как правило, осуществляется открытым способом, что приводит к негативному воздействию на компоненты окружающей среды. Это, в свою очередь, влечет увеличение затрат на освоение таких ресурсов ввиду необходимости последующего возмещения ущерба, в первую очередь связанного с деградацией разных видов земель.

Применительно к территории Брестской области использование такого блока значимо еще и в связи с тем, что здесь добыча строительного сырья зачастую проводится путем разработки внутрихозяйственных карьеров, в результате чего нарушенные земли крайне проблематично вовлечь в хозяйственный оборот.

Итоговым результатом рассматриваемого блока стал предложенный авторами подход к группировке земель Брестской области по отношению к возможности открытой добычи [8].

Блок 5. Классификация залежей нерудного сырья Брестской области по рациональному использованию. Завершающим блоком предложенной методики стала классификация выявленных в ходе моделирования залежей ОПИ Брестской области по приемлемости к освоению. Процедура классификации проводилась на основе комплексирования растровых покрытий, отражающих геолого-промышленные параметры по каждой залежи, и рассчитанных весовых коэффициентов, характеризующих приемлемость выделенных на этапе 4 групп земель Брестской области к разработке ОПИ. Более подробно алгоритм классификации залежей описан в работе [9].

Результаты и их обсуждение

Выполнен комплексный анализ геологического строения территории Брестской области как ключевого фактора, определяющего закономерности формирования минерально-сырьевой базы региона и ее специфику. Ниже дана краткая характеристика основных черт геологического строения территории региона.

Территория Брестской области расположена в западной части древней Восточно-Европейской платформы. С учетом глубины залегания поверхности пород кристаллического фундамента в ее границах выделяются следующие тектонические элементы: Подлясско-Брестская впадина (восточная часть), Полесская седловина, Припятский прогиб (западная часть), Микашевичско-Житковичский выступ кристаллического фундамента, Ивацевичский погребенный выступ Белорусской антеклизы, Луковско-Ратновский горст, Волынская моноклиналь Волыно-Азовской плиты. Отложения осадочного чехла залегают повсеместно и объединяются в структурные комплексы, последовательно сменяющиеся в разрезе формационных рядов и разделенные перерывами в осадконакоплении. Данные комплексы соответствуют основным тектоническим этапам развития территории: готскому, нижнебайкальскому, верхнебайкальскому, каледонскому, герцинскому, киммерийско-альпийскому.

Наиболее широкое распространение среди пород платформенного чехла исследуемого региона получили кайнозойские отложения, в первую очередь четвертичные. Накопление кайнозойских отложений происходило на протяжении трех геологических периодов, отличающихся палеогеографическими условиями, оказавшими влияние на характер осадконакопления и современное строение осадочного чехла региона.

Отложения палеогеновой системы занимают значительные площади в границах области. Абсолютные отметки залегания их подошвы изменяются от 30–40 м на севере, северо-западе до 150 м на юге, юго-западе. Мощность на большей части региона   20–30 м.

Отложения неогеновой системы в пределах Брестской области занимают обширные площади, перекрывая палеогеновые и подстилая четвертичные. Они залегают на абсолютных отметках 30–150 м, достигая максимальных значений на юго-западе. Средняя мощность составляет 15–20 м.

Отложения четвертичной системы повсеместно распространены на исследуемой территории и сплошным чехлом перекрывают образования более древних геологических систем. Мощность их варьируется от нескольких десятков до 240 м.

Ввиду того что именно с кайнозойскими отложениями связаны наибольшие перспективы развития МСБ региона, для уточнения особенностей их строения был выполнен комплект погоризонтных картосхем изопахит. Одна из них в качестве примера приведена на рис. 3.

Рис. 3.  Картосхема изопахит сожского подгоризонта припятского горизонта (Q₂pr₁ sz) четвертичной системы на территории Брестской области

Разработана цифровая геологическая модель кайнозойских отложений территории Брестской области. Она представляет собой сконцентрированную систему данных о структурных, литологических и горно-геологических особенностях строения кайнозойской толщи региона [7].

Ввиду многослойной структуры используемых для моделирования данных первоначально модель была сформирована в объемном виде. Трехмерная модель реализована на основе авторского алгоритма, исполненного с применением самостоятельно разработанного модуля на языке программирования C++. В основе данного алгоритма лежат построения на основе диаграммы Вороного. Как видно на рис. 4, объемная модель состоит из множества выпуклых многогранников в трехмерном пространстве. Смежные группы этих многогранников и представляют собой тела залежей осадочных пород, которые могут быть рассмотрены в качестве потенциальных для освоения ресурсов ОПИ в регионе.

Рис. 4. Пример сформированной объемной модели, отражающей распределение залежей песка в толще четвертичных отложений на территории Жабинковского района Брестской области, авторский алгоритм

Поскольку при создании трехмерной модели построения в отдельных частях базировались на редкой сети скважин, она в значительной степени отличается от классических объёмных моделей, которые представлены в научной литературе, посвященной моделированию нефтяных пластов. Это привело к необходимости проведения процедуры ее аппроксимации и формирования двухмерной модели, которая также наиболее привычна с точки зрения анализа для профильных специалистов. Алгоритм трансформации трехмерной модели в двухмерный формат подробно описан в [7].

В целом созданная двухмерная модель представляет собой структурированные в виде файловой базы геоданных ArcGIS наборы: 1 – векторных точечных слоев, полученных в ходе численной обработки «нарезанной» на слои объемной модели; 2 – растровых покрытий по каждому из 19 типов пород; 3 – классов полигональных объектов, отражающих предварительные границы распространения залежей ОПИ, их мощности, мощности перекрывающих отложений, отметки залегания.

Двухмерная модель послужила основой для создания базового набора цифровых прогнозно-минерагенических картосхем региона, который был выполнен для таких типов пород, как пески, валунно-гравийно-песчаные породы (песчано-гравийно-валунные породы), глины, суглинки и супеси, торф. Именно эти породы являются наиболее значимыми с точки зрения мощности и представительными по площади на исследуемой территории. Пример картосхемы из описываемого набора показан на рис. 5.

Рис. 5. Картосхема закономерностей размещения и прогноза залежей торфа в кайнозойских отложениях на территории Брестской области

Предложен подход к группировке земель территории Брестской области по приемлемости к освоению залежей ОПИ. При выделении групп земель были учтены: 1 – правовые нормы, регламентирующие возможность использования земель разных видов в Республике Беларусь для разработки карьеров²; 2 – применяемые в работах других исследователей подходы к группировке земель по приемлемости к освоению залежей ОПИ³ [10, 11]; 3 – подход к группировке земель по степени антропогенного воздействия на природные ландшафты, используемый в работе Б.И. Кочурова [12].

Группы земель – результат систематизации множества подтипов земель⁴ [13] базы данных земельно-информационной системы Брестской области. Всего в ходе группировки были выделены шесть групп земель (табл. 1).

Таблица 1

Группировка земель Брестской области с учетом приемлемости к освоению залежей строительного сырья

Для обеспечения возможности использования разработанной классификации при проведении оценки приемлемости освоения залежей ОПИ Брестской области по каждой группы земель были рассчитаны весовые коэффициенты на основе метода анализа иерархий Т. Саати [13, 14].

По итогам группировки земель и расчета весовых коэффициентов создана цифровая растровая модель (рис. 6), отражающая приемлемость выделенных групп земель региона к освоению залежей строительного сырья.

Рис. 6. Растровая модель, отражающая приемлемость различных групп земель Брестской области к освоению залежей строительного сырья

² Межпарламентская Ассамблея государств – участников СНГ. Модельный кодекс о недрах и недропользовании для государств – участников СНГ. URL: https://base.spinform.ru/show_doc.fwx?rgn=29299 [Доступ 29 февраля 2024]; Национальный правовой Интернет-портал Республики Беларусь. Кодекс Республики Беларусь о земле. URL: https://pravo.by/document/?guid=12551&p0=H12200195 [Доступ 29 февраля 2024]; Национальный правовой Интернет-портал Республики Беларусь. Кодекс Республики Беларусь о недрах. URL: https://pravo.by/document/?guid=3871&p0=Hk0800406 [Доступ 29 февраля 2024]; Правовой форум Беларуси. Проект постановления Совета Министров Республики Беларусь «О порядке размещения, разработки, рекультивации и учета внутрихозяйственных карьеров». URL: https://forumpravo.by/publichnoe-obsuzhdenie-proektov-npa/forum15/16239 [Доступ 29 февраля 2024].

³ Лютягин Д. В. Геолого-экономическое обоснование вовлечения в отработку месторождений общераспространенных полезных ископаемых. [Автореф. дисс. канд. экон. наук]. М.; 2006. 28 с.

⁴ Национальный правовой Интернет-портал Республики Беларусь. Земельно-информационная система Республики Беларусь. Порядок создания, ведения (эксплуатации и обновления). URL: https://pravo.by/document/?guid=12551&p0=W22137315&p1=1&p5=0 [Доступ 29 февраля 2024].

Разработана схема вовлечения прогнозных залежей ОПИ территории Брестской области в разработку. В результате создания растровой модели, отражающей приемлемость разных групп земель территории Брестской области к освоению залежей ОПИ, стало возможным обоснование рациональной последовательности включения выделенных в результате цифрового геологического моделирования залежей строительного сырья исследуемого региона в разработку. Для этого в программном пакете ArcGIS 10.5 была проведена процедура комплексирования нескольких типов растровых поверхностей: 1 – растров мощностей выявленных перспективных площадей местных видов сырья; 2 – растров мощностей вскрышных пород над выявленными залежами; 3 – растра, показывающего доступность земель Брестской области к освоению ОПИ [9].

По результатам комплексирования были сформированы наборы картосхем двух видов:

1. картосхемы, дающие общее представление о приемлемости разработки выявленных нерудных видов сырья области. Пример такой схемы представлен на рис. 7;
2. картосхемы, дающие детальное представление о приемлемости освоения каждой отдельной залежи. Пример такой схемы представлен на рис. 8.

Рис. 7.  Картосхема залежей торфа Брестской области по перспективности освоения

Рис. 8.  Картосхема, отражающая приемлемость освоения отдельной залежи песчано-гравийных пород в пределах Брестской области

Как хорошо видно на обоих рисунках, все залежи на картосхемах сгруппированы в виде пяти классов:

1. наиболее приемлемые для освоения, которые характеризуются близким залеганием к поверхности, отличаются значимыми мощностями продуктивной толщи и приурочены к неиспользуемым или слабо используемым с/х и лесным землям;
2. приемлемые для освоения, вскрышной коэффициент которых преимущественно равен единице, приуроченные к с/х и лесным землям с высокой интенсивностью использования;
3. освоение которых допускается при наличии острого спроса на сырье, в основном сконцентрированные под нарушенными землями, с вскрышным коэффициентом, равным единице или превышающим ее;
4. освоение которых крайне нежелательно, размещенные под застроенными землями с коэффициентом вскрыши, превышающим единицу;
5. освоение которых невозможно, залегающие под водными объектами и болотами, значения вскрышных пород которых значительно (в два и более раза) превышают значения мощностей продуктивной толщи.

При этом нельзя не отметить, что представленный подход к обоснованию целесообразности разработки залежей с учетом статуса земель стоит рассматривать как предварительный. Окончательное решение о приемлемости разработки конкретной залежи должно приниматься только после детального изучения района ее размещения. Это позволит более объективно оценить воздействие планируемых работ на компоненты природной среды.

Практическое применение результатов исследования

Полученные в ходе реализации исследования, описанного в настоящей статье, результаты уже нашли свое применение как в образовательном, так и в производственном процессе. В частности, разработанный алгоритм обработки данных геологических изысканий, набор инструментов, предназначенный для автоматизации его работы, используются в образовательном процессе и научно-исследовательской работе студентами кафедры городского и регионального развития факультета естествознания Брестского государственного университета имени А.С. Пушкина, а также студентами кафедры природообустройства факультета инженерных систем и экологии Брестского государственного технического университета, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.

Созданные наборы картосхем изопахит, прогнозно-минерагенических картосхем, картосхем приемлемости ввода залежей нерудных видов сырья территории Брестской области в освоение внедрены и используются при изучении кайнозойских отложений региона в лаборатории современной геодинамики и палеогеографии Института природопользования НАН Беларуси, а также в отделе четвертичной геологии филиала «Институт геологии» Республиканского унитарного предприятия «Научно-производственный центр по геологии».

Экономическая значимость полученных результатов может быть оценена в случае принятия соответствующих управленческих решений по освоению минерально-сырьевой базы региона и заключается в наличии актуальной и верифицируемой информации о геологическом строении территории, существенно облегчающей как задачи дальнейших поисков новых залежей минерального сырья, так и использования недр для целей, не связанных с освоением минеральных ресурсов.

Направления дальнейших исследований

Перспективы проведения дальнейших исследований по прогнозу и оценке залежей ОПИ Брестской области авторами видятся в дополнении предложенной методики блоком оценки доступности залежей. Под доступностью в данной работе предлагается понимать близость / удаленность залежей по отношению к узлам потребления сырья и по отношению к имеющейся транспортной инфраструктуре. Оценку доступности авторы предлагают проводить с использованием таких критериев, как:

• удаленность залежей по отношению к транспортным коммуникациям;
• удаленность залежей по отношению к узлам потребления [5].

Анализ последнего критерия может проводиться в двух направлениях:

• оценка удаленности относительно населенных пунктов как территорий потенциального возведения, расширения или ремонта различных строительных объектов, а также территорий, выступающих местами концентрации рабочей силы;
• оценка удаленности относительно профильных промышленных предприятий с учетом существующего с их стороны спроса на отдельные виды строительных ресурсов.

Заключение

В настоящем исследовании впервые с использованием методов компьютерного моделирования выполнены прогноз и оценка залежей минерального строительного сырья, сконцентрированных в кайнозойских отложениях территории Брестской области. Основные результаты проведенных работ могут быть обобщены в следующих выводах:

1. На основе материала, накопленного предшественниками и серии авторских цифровых погоризонтных картосхем изопахит выполнен анализ геологического строения исследуемого региона. Полученные в ходе анализа сведения обеспечили возможность проведения визуальной оценки корректности результатов, получаемых на разных этапах создания цифровой геологической модели кайнозойских отложений Брестской области.
2. Сформирована трехмерная цифровая геологическая модель кайнозойских отложений территории Брестской области. Для ее создания разработан авторский алгоритм, основанный на применении диаграммы Вороного. Ввиду того что созданная объемная модель в значительной степени отличается от классических двухмерных моделей, в алгоритме заложена возможность ее аппроксимации путем перехода к двухмерной модели. Полученная двухмерная модель дает целостное представление о геологическом устройстве кайнозойских отложений региона и послужила основой для создания серии цифровых картосхем, отражающих особенности пространственной локализации выявленных в ходе моделирования залежей ОПИ области.
3. Разработан подход к группировке земель территории Брестской области. На его основе все земли в регионе были объединены в шесть групп по приемлемости к добыче ОПИ. Для каждой группы земель были рассчитаны весовые коэффициенты и сформирована цифровая растровая модель, послужившая основой классификации залежей ОПИ Брестской области по «рациональной последовательности» ввода в освоение.
4. Предложен подход к классификации выявленных в ходе моделирования залежей ОПИ Брестской области по приемлемости ввода в разработку. Он базируется на учете таких характеристик, как мощность залежи, мощность вскрышных пород над залежью, весовое значение групп земель, под которыми расположена залежь. В результате проведенной классификации создан комплект картосхем, отражающих приемлемость ввода залежей ОПИ региона в освоение. К каждому объекту на сформированных цифровых схемах привязана атрибутивная информация. Полученные комплекты картосхем и связанные с ними базы данных атрибутивной информации могут представлять интерес для местных территориальных органов власти при разработке регионального плана действий по изучению, освоению, рациональному использованию залежей местных видов сырья.