Компьютерная технология локализации сингулярных источников потенциальных полей применительно к задачам параметризации физико-геологической среды

Методы грави-, магнитои электроразведки используются на всех стадиях поисков и разведки месторождений полезных ископаемых. Основной задачей интерпретации полученных геофизических данных является извлечение из результатов наблюдений заложенной в них полной и достоверной информации с целью построения адекватной реальности модели интересующих геологических объектов. Особую ценность приобретают методы интерпретации, позволяющие решать обратные задачи геофизики при минимуме априорной информации о возмущающих объектах, в частности методы локализации особых точек аналитических функций. В настоящее время, когда подавляющая часть интерпретационных задач решается с применением электронно-вычислительных машин особую актуальность приобретает создание не просто отдельных программ, а единой компьютерной технологии, обеспечивающей решение геофизических задач на основании единого алгоритмического и методического подхода. Представляемая компьютерная технология базируется на едином подходе к интерпретации потенциальных полей различной природы (гравитационного, магнитного, электрического) и включает в себя два программных комплекса: первый — локализация сингулярных источников, второй — моделирование физико-геологической среды. Разработанная компьютерная технология обеспечивает геофизику возможность более эффективно и качественно проводить работы по параметризации физико-геологической среды, строя начальные приближения при минимуме априорной информации и уточняя параметры искомых объектов с привлечением всей имеющейся информации.

Алгоритм, положенный в основу программного комплекса «Особые точки», предназначен для локализации сингулярных источников и реализует метод, разработанный Г. А. Трошковым, А. А. Грозновой. Второй программный комплекс «Прямая задача», предназначенный для моделирования физико-геологической среды, основан на решении прямой задачи гравии магниторазведки по алгоритму В. Н. Страхова.

Целью данной работы является повышение эффективности геолого-геофизических работ путем создания компьютерной технологии интерпретации потенциальных полей (гравитационного, магнитного, электрического, некоторых видах электромагнитного) на основе метода локализации сингулярных источников (особых точек) и неформализованного подбора физико-геологической модели возмущающей среды в интерактивном режиме.

Для реализации поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

— разработать концепцию компьютерной технологии, состоящую из двух комплексов: локализация сингулярных источников и моделирование физико-геологической среды (двухмерный и трехмерный варианты);

— разработать и реализовать методику адаптивной регуляризации, с целью обеспечения возможности выбора оптимальных параметров настройки алгоритма, что позволило усовершенствовать алгоритм локализации сингулярных источников в двухмерном варианте;

— разработать алгоритм локализации сингулярных источников в трехмерном варианте;

— разработать и включить в компьютерную технологию программный комплекс неформализованного подбора параметров физико-геологической среды (задачи гравии магниторазведки);

— провести опробование разработанной компьютерной технологии на ряде задач грави-, магнитои электроразведки.

На основе компьютерной технологии разработана эффективная методика выделения верхней поверхности слоя магнито-активных источников, которая может быть отнесена к верхней эрозионной поверхности складчатого консолидированного фундамента Русской плиты.

Разработанная компьютерная технология, предназначенная для интерпретации геофизических данных на PC IBM, широко применялась при решении различных геофизических задач в ВИРГ-Рудгеофизика, ВСЕГЕИ, ГНПП «Севморгео», ГП НИ-ПИокеангеофизика, «Якутскгеология» и др.

Выводы.

1. Согласно разрабатываемым в ВИРГ-Рудгеофизика «Требованиям по созданию геофизической основы Госгеолкарты-1000» составной частью геофизической основы карт масштаба 1:1 000 000 должны быть вертикальные разрезы с распределением сингулярных источников. Данная компьютерная технология позволяет в рамках единого интерпретационного процесса получить: — распределение сингулярных источников (особых точек) по любому выбранному по карте изолиний профилю или системе профилей- - по полученному распределению особых точек в интерактивном режиме подобрать физико-геологическую модель разреза- - провести фильтрацию особых точек по одному или нескольким признакам (глубине залегания, интенсивности источника, типу особой точки) — - по выделенным особым точкам построить поверхность, причем в построении поверхности могут быть использованы координаты двухмерных тел, полученные при подборе по каждому профилю- - на основании распределения особых точек и двухмерных моделей перейти к построению трехмерной физико-геологической модели.

2. Результаты опробования компьютерной технологии на хранящихся в банке данных «Гравимаг» в виде электронных матриц гравитационных и магнитных полей, по которым строятся карты масштаба 1:1 000 000, показали, что эти данные пригодны для получения информации о распределении магнитоактивных источников и плотностных неоднородностей. Методика и результаты опробования компьютерной технологии на примере определения верхней поверхности магнитоактивного слоя были приведены в работах [12,111]. Компьютерная технология позволяет проводить экспресс-анализ распределения магнитоактивных источников и плотностных неоднородностей.

4.2. Опробование программного комплекса «Особые точки» пользователями сторонних организаций.

Программный комплекс «Особые точки» неоднократно опробован пользователями-геофизиками в различных геологических организациях. Примеры использования программного комплекса подтверждают, что, во-первых он является законченным, готовым к применению инструментом, предоставляющим геофизику возможность проводить комплексную интерпретацию геопотенциальных полей, а, во-вторых, программный комплекс является гибкой системой, позволяющей геофизику выбирать параметры настройки алгоритма и рассматривать результаты интерпретации применительно к конкретной геофизической ситуации.

В отделе геофизики ВСЕГЕИ А. А. Духовским программный комплекс «Особые точки» был опробован при объемном геологическом картировании Кличкинского рудного района Восточного Забайкалья, результаты интерпретации опубликованы в работе [38].

В качестве примера рассмотрены результаты интерпретации кривой Дg по одному из профилей (№ 10) через Кличкинский рудный район Восточного Забайкалья при сопоставлении их с глубинным геологическим разрезом по этому профилю (см. Приложение 2). На рассматриваемом профиле выделяются несколько крупных вскрытых и невскрытых геологических тел и структур, создающих как относительно положительные, так и относительно отрицательные аномалии и множество более мелких приповерхностных геологических неоднородностей, отмечающихся локальными высокочастотными аномалиями Дg небольшой амплитуды. Протяженность на глубину крупных геологических тел и структур колеблется от 0.5−0.7 км до 3 км. -0.7 км до 3 км. Ниже следует относительно однородная геологическая среда, представленная гранито-гнейсовым слоем кристаллического фундамента. Для интерпретации была использована кривая Дg, снятая в 43 точках при шаге съемки 100 м. Особые точки рассчитывались при различных параметрах преобразования: шаг задания поля -200 и 400 мвысота пересчета изменялась от 1 до 50 шагов задания поля. В результате вычислений при таких значениях параметров настройки алгоритма было получено множество особых точек, из которых были отбракованы несущественные точки. Анализ их распределения в вертикальной плоскости и сопоставление с геологическим разрезом показывает, что по этим точкам не удается выделить тела простой геометрической формы и оценить все их параметры, но зато мы получаем достаточно надежное представление о вертикальной дифференциации геологического разреза в целом. Распределение особых точек на разрезе образует «слой» переменной мощностиот 0.5 — 0.7 км до 3 км. Он полностью совпадает со «слоем», в пределах которого расположены все геологические тела и структуры. Особые точки с типом 2 и 3 распределены в плоскости разреза до глубины 3 км. Нижняя граница их распространения совпадает с границей дифференцированной части геологического разреза. Аналогичные результаты были получены и по другим профилям Кличкинского рудного района.

Результаты проведенной интерпретации позволили сделать пользователям программного комплекса «Особые точки» следующие выводы: «при изучении геологического разреза метод особых точек позволяет без всяких априорных сведений о геологическом разрезе оценить его дифференцированность на глубину и выделить ту часть нижнего полупространства, в пределах которой располагаются все изучаемые геологические тела и структуры».

Результаты интерпретации методом особых точек кривой Дg по профилю 10 через Кличкинский рудный район представлены в приложении 2, выполненном Д. Н. Панфильцевым и Н. А. Артамоновой.

А — наблюденная кривая Ag в условном уровнеБраспределение в плоскости разреза особых точек разных типовВ — глубинный геологический разрез.

1 — верхнеюрские вулканогенно-осадочные отложения- 2 -мезозойские отложения- 3 — граниты различного возраста- 4 -терригенно-карбонатные отложения верхнего рифея и венда- 5 -гнейсо-граниты, мигматиты раннедокембрийского кристаллического фундамента- 6- разломы- 7 — особые точки на разрезе: а — типа 1 (верхние угловые точки пласта большой мощности, бтипа 2 (вершина тонкого пласта), в — типа 3 (центр тяжести тела) — 8 — кривая, ограничивающая распространение на глубину особых точек разных типов и совпадающая с резко дифференцированной верхней частью геологического разреза земной коры.

В НИПИ океангеофизика (г. Геленджик) опробование программного комплекса «Особые точки» проводилось в отделе морской гравиметрии и магнитометрии В. А. Лыгиным.

2>5.

Интерпретация проводилась по геофизическим данным, полученным на структуре Лудловская в Баренцевом море, структурах Приразломная, Медынская, Алексеевская в Печерском море (1994;95г.г. и 1998 г.) и на структурах Черного моря (1993, 1995 г. г.). В 1998 году работы проводились на Ахтанинском лимане (Азовское море). Отличительной особенностью этих работ является то, что они проводились на мелководье (0−2 метра) и на некоторых профилях были проведены сейсмические исследования (MOB ОГТ) и электрометрия (метод ВП и ИВП), длина профиля около 9 км, данные магнитометрии фиксировались примерно через 17 метров. Параметры сингулярных источников получены при пересчетах на высоты от 70 м до 5 км (11 инетрвалов) при использовании 2, 4, 6 производных. При совмещении результатов интерпретации магнитометрии, электрометрии с сейсмограммой наблюдается как корреляция границ изменения скоростей, расположения «особых точек», геоэлектрических неоднородностей, так и явное их расхождение. И первое, и второе очень важно с геологической точки зрения. Корреляция границ магнитных «особых точек» и границ геоэлектрического временного разреза более четкое, что позволяет говорить об общей природе электрических и магнитных неоднородностей в разрезе.

4.3. Опробование программного комплекса «Особые точки» на примерах магнитного и гравитационного полей, вычисленных от модельных источников, в трехмерном варианте.

Программа, реализующая метод локализации особых точек в трехмерном варианте, была опробована на модельных полях: гравитационном Лg, магнитных Z и АТ, а также при осложнении поля Ъ 10% помехой, распределенной по нормальному закону. В качестве модельных возмущающих тел были выбраны пять прямоугольных октаэдров, имитирующие следующие тела: -вертикальный стержень, — сфера, — пласт большой мощности, -тонкий вертикальный пласт, — тонкий горизонтальный пласт, координаты вершин тел приведены в таблицах 4.3.1−4.3.5, в верхней строке указаны значения трех составляющих намагниченности по осям координат (1Х, 1у ,) и значение плотности (а) для случая гравитационной задачи. Вычисления проводились при шаге =1 км, линейные размеры также указаны в км, магнитные поля и намагниченности — в нТл, плотность — г/см3.

Заключение

.

Представленная компьютерная технология предназначена для проведения в едином процессе интерпретации наложенных потенциальных полей различной физической природы (гравитационного, магнитного, электрического, некоторые виды электромагнитного) применительно к геофизическим съемкам любого масштаба как по системе профилей для двухмерного варианта интерпретации, так и по участку поля для решения трехмерной задачи. Задача создания такой компьютерной технологии является особенно актуальной в настоящее время, когда подавляющая часть интерпретационных задач решается с применением программ для электронно-вычислительных машин. Примеры опробования компьютерной технологии на широком круге геолого-геофизических задач подтвердили актуальность ее создания и эффективность применения.

Отличительной особенностью данной компьютерной технологии является то, что она позволяет проводить интер-преттацию, начиная при минимальном количестве априорной информации, с последующим привлечением всех имеющихся априорных сведений с целью проведения детальной параметризации физико-геологической среды. Компьютерная технология состоит из двух программных комплексов: «Особые точки» и «Моделирование». Программный комплекс «Особые точки» предназначен для локализация сингулярных источников (особых точек) с использованием адаптивной регуляризации при минимуме априорной информации. Второй программный комплекс «Моделирование» позволяет по полученному распределению сингулярных источников, а также с привлечением имеющейся априорной информации проводится моделирование и подбор физико-геологической модели среды в двухмерном и трехмерном вариантах в интерактивном режиме. Единое пространство выделенных особых точек позволяет провести объемное моделирование для задач гравии магниторазведки.

Разработанная компьютерная технология опробована на модельных и практических примерах в задачах электроразведки на этапе выделения сингулярных источников, а для задач гравии магниторазведки как на этапе выделения сингулярных источников, так и моделирования. С использованием разработанной компьютерной технологии составлена и опробована методика определения глубина залегания верхней поверхности слоя магнитоактивных источников, которая может быть отнесена к верхней эрозионной поверхности складчатого консолидированного фундамента Русской плиты.

Являясь готовым инструментом, предоставляющим геофизику возможность проводить интерпретацию потенциальных полей в рамках единого процесса, разработанная компьютерная технология, широко применялась при решении различных геофизических задач в таких организациях как ВИРГ-Рудгеофизика, ВСЕГЕИ, «Севморгео», ГП НИ-ПИокеангеофизика и др. Компьютерная технология «Особые точки» была использована при составлении «Методического руководства по объемному геологическому картированию рудных районов» (СПб, ВСЕГЕИ, 1998 г.), а также «Рекомендаций по методике построения объемных геологог геофизических моделей земной коры при подготовке Госге-олкарты-1000» (СПб, ВИРГ-«Рудгеофизика», 1996;1998г.г.). В ГП НИПИокеангеофизика компьютерная технология использовалась в работах на шельфовой зоне Черного моря и для интерпретации данных съемки 1:50 000 масштаба на Алексеевской, Медынской приразломных структурах и Луз-ловском нефтяном месторождении в Баренцевом море. В отделе геологического картирования ВИРГ-«Рудгеофизика» компьютерная технология применялась для построения объемных геолого-геофизических моделей земной коры.

Очевидно, что компьютерная технология найдет и дальнейшее применение при решении перечисленных, а также и новых задач. В частности в ВИРГ-Рудгеофизика компьютерная технология может более широко применяться для решения задач параметризации физико-геологической среды при составлении геофизической основы Госгеолкарты-1000 и проведения объемного моделирования земной коры.

Представленная компьютерная технология является законченным, готовым для эксплуатации программным продуктом. В то же время, возможно и необходимо дальнейшее развитие компьютерной технологии, как в плане программно-технических усовершенствований, так и в области совершенствования алгоритма и методики применительно к различным геофизическим задачам.

Примеры интерпретации модельных полей, рассмотренные в главе 4 показывают, что желательно повысить устойчивость метода при локализации особых точек, относящихся к вершинам трехмерных пластов большой мощности. Возможно дальнейшее совершенствование алгоритма локализации, в частности путем продолжения вниз на небольшую глубину (до области существования возмущающих объектов) линейной части функции отклика вблизи особой точки.

В работе рассмотрены примеры опробования программного комплекса «Особые точки» на примерах задач электроразведки, показана возможность локализации сингулярных источников электромагнитного поля в случае изолированных тел. В дальнейшем предполагается отработка методики использования программного комплекса на сложных интерференционных полях и его связь с программным комплексом прямых задач электроразведки.

В связи с быстрым и непрерывным развитием вычислительной техники (повышение быстродействия, увеличение объема памяти), а также развитием стандартного программно-математического обеспечения (ПМО), намечены следующие пути модернизации программных комплексов: — создание программы-оболочки средствами языка Visual Basic- - организация входных и выходных данных средствами базы данных Access. Такая модернизация позволит расширить объем используемой памяти, улучшит визуализацию исходных данных и результатов интерпретации, облегчит интерфейс со стандартным ПМО.

Компьютерная технология является открытой системой, что позволит оперативно проводить ее методическую и функциональную модернизацию при необходимости, которая, по всей видимости, будет возникать в процессе эксплуатации компьютерной технологии и расширения круга задач, решаемых с ее помощью.