На правах рукописи

Симанов Алексей Аркадьевич РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ХРАНЕНИЯ, ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗА ГРАВИМЕТРИЧЕСКИХ ДАННЫХ 25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2008

Работа выполнена в Горном институте Уральского отделения РАН

Научный консультант:

доктор физико-математических наук Долгаль Александр Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Серкеров Серкер Акберович (РГУ нефти и газа) кандидат технических наук Лобанов Александр Михайлович (РГГРУ) Ведущая организация - ГОУ ВПО Пермский государственный университет

Защита состоится л 27 ноября 2008 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д.212.121.07 при Российском государственном геологоразведочном университете по адресу 119997, г. Москва, ул. МиклухоМаклая, 23, ауд.638.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке РГГРУ Автореферат разослан л 2008 года

Ученый секретарь диссертационного совета А.Д. Каринский _.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы:

Основными тенденциями развития разведочной геофизики и в частности гравиразведки являются: расширение и усложнение круга решаемых геологических задач; применение новой аппаратуры, обеспечивающей более высокую точность наблюдений; внедрение новых эффективных методик полевых работ; широкое использование высокопроизводительной вычислительной техники и создание современных компьютерных технологий хранения, обработки и интерпретации геолого-геофизических данных. При обработке, интерпретации и комплексном анализе геолого-геофизических данных на компьютерах, наряду с использованием специализированных программ и автоматизированных систем, все шире начинают применяться геоинформационные системы (ГИС).

Разнообразные ГИС-технологии значительно облегчают работу с данными, ускоряют доступ к необходимой информации, позволяют производить операции с разнородными объектами намного быстрее, чем это делалось раньше. Таким образом, ГИС можно рассматривать как эффективное средство, позволяющее оптимизировать процедуры хранения, обработки и анализа данных, а также обеспечить представление результатов в удобном для восприятия виде.

В тоже время обзор геоинформационных систем и технологий, применяющихся в разведочной геофизике свидетельствует о том, что нет готовой, полноценной ГИС, ориентированной на решение актуальных геологических задач для любого региона, в частности - обеспечивающей обработку, интерпретацию и хранение результатов гравиметрических съемок и сопутствующей геолого-геофизической информации.

Поэтому весьма актуальной проблемой является разработка информационно-аналитических систем (ИАС) на основе ГИС-технологий, учитывающих специфику геологических задач и особенности региона исследований. В диссертационной работе представлена ИАС ГРАВИС, предназначенная для обработки, интерпретации и хранения результатов гравиметрических съемок и сопутствующей геолого-геофизической информации, включающая в себя новые алгоритмы вычисления поправок за влияние рельефа местности, трансформации геопотенциальных полей и сжатия данных.

Цели исследований: создание информационно-аналитической системы ГРАВИС на основе геоинформационной системы ArcGis 9.0, реализующей на качественно новом уровне процедуры обработки и интерпретации результатов полевых гравиметрических наблюдений, а также централизованное хранение разнородных геолого-геофизических данных в виде иерархически упорядоченной структуры объектов.

Основные задачи исследований:

Х обзор, анализ и оценка возможностей современных геоинформационных систем применительно к решению актуальных задач хранения, обработки и интерпретации результатов гравиметрических исследований, проводящихся для изучения глубинного геологического строения, прогноза и поисков месторождений углеводородного сырья и твердых полезных ископаемых;

Х разработка структуры базы данных, включающей в себя сочетание пространственной и атрибутивной геолого-геофизической информации (результаты полевых гравиметрических наблюдений, картографические материалы, аэрокосмические материалы и т.п.), использующей единые классификаторы объектов;

Х наполнение базы геолого-геофизических данных по территории Пермского края результатами ранее выполненных геофизических работ; материалами профильных и площадных гравиметрических съемок; непрерывно проводящихся научно-производственной экспедицией ГИ УрО РАН, а также информацией из всемирной глобальной сети Интернет;

Х выбор эффективной методики построения цифровых моделей рельефа местности, обеспечивающей необходимую точность его учета при редуцировании гравитационного поля, на основе анализа исходных картографических погрешностей и погрешностей последующего преобразования данных;

Х усовершенствование технологии определения поправок за влияние рельефа местности при гравиметрической съемке с применением аналитической аппроксимации высот земной поверхности двойным рядом Фурье, что позволяет автоматизировать учет влияния лцентральной зоны и обеспечивает различную детальность описания рельефа в зависимости от требуемой точности вычислений;

Х создание новых способов эффективного сжатия цифровой информации о геопотенциальных полях, учитывающих их морфологические особенности, с использованием методов фрактального и вейвлетного анализа;

Х формирование и внедрение в практику камеральных работ информационно-аналитической системы ГРАВИС, обеспечивающей выполнение широкого спектра операций по обработке, интерпретации, хранению гравиметрической и иной геолого-геофизической информации на основе ГИС ArcGis 9.0, с расширенным функциональным наполнением, представленным авторскими алгоритмами и программными модулями.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Х выполнена серия вычислительных экспериментов, результаты которых свидетельствуют о возможности использования моделей рельефа GT0P030 и SRTM, близких по точности к крупномасштабным топографическим картам, в качестве исходных материалов при вычислении поправок за влияние рельефа местности при определении аномалий Буге в гравиметрии;

Х предложен принципиально новый алгоритм высокоточного определения поправок за влияние рельефа местности при гравиметрических наблюдениях, базирующийся на использовании линейных аналитических аппроксимаций высотных отметок двойным рядом Фурье и представлены рекомендации для выбора параметров вычислительной схемы, обеспечивающих требуемую точность результатов применительно к различным геоморфологическим условиям;

Х разработаны эффективные способы сжатия цифровой информации о гравитационном и магнитном полях, основанные на синтезе методов истокообразной аппроксимации, фрактального подхода и вейвлет-анализа, которые обеспечивают не только компактное хранение данных, но и возможность восстановления различных компонент поля в произвольно выбранных точках пространства;

Х создана информационно-аналитическая система ГРАВИС на основе геоинформационной системы ArcGis 9.0, обеспечивающая на высоком технологическом уровне решение актуальных задач, связанных с хранением, обработкой и анализом гравиметрических и иных геолого-геофизических данных.

Практическая значимость исследований Применение информационно - аналитической системы ГРАВИС позволяет решать широкий круг прикладных задач, возникающих в современной разведочной геофизике. Разработанные программные средства на качественно новом уровне производят обработку и анализ гравиметрической и иной геолого-геофизической информации.

Созданная ИАС ГРАВИС и входящие в нее отдельные компьютерные технологии использовались при региональных и детальных гравиметрических работах, проводящихся с целями прогнозирования и поисков залежей углеводородного сырья и месторождений твердых полезных ископаемых, в пределах Пермской, Оренбургской, Свердловской, Кировской, Магаданской и Тюменской областей, в Республике Коми и Удмуртской Республике и в других регионах по контрактам с ООО ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ, ЗАО Байтек-Силур, ООО Севергазпром, ФГУП СНИИГГиМС (г.Новосибирск), Баженовская геофизическая экспедиция (г.Екатеринбург), ОАО Пермнефтегеофизика, ОАО Пермрудгеофизика, ОАО Оренбургская геофизическая экспедиция, ОАО Хантымансийскгеофизика, ОАО Уралкалий (г.Березники), ОАО Газпром, ООО ФГеоКонсалтинг (г.Тюмень), ОАО ГМК Норильский никель, ООО Севергазпром, ООО ГП Сибирьгеофизика (г.Лесосибирск), ООО Уралтрансгаз (г.Екатеринбург), Министерством промышленности и природных ресурсов Пермского края, Территориальным агентством по недропользованию "Пермьнедра" по заказу МПР России.

Апробация и публикации: Основные положения и результаты работы докладывались на Уральской молодежной научной школе по геофизике (Екатеринбург, 2004, 2006; Пермь, 2005, 2007); на региональной научно-практической конференции Геология и полезные ископаемые Западного Урала (Пермь, 2005, 2006); на Международных семинарах Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей им. Д.Г.Успенского (Екатеринбург, 2006; Москва, 2007); на третьих и четвертых научных чтениях памяти Ю.П.Булашевича (Екатеринбург, 2005, 2007); на Международном научном конгрессе ГЕО-Сибирь (Новосибирск, 2005, 2006); на Международной конференции Новые технологии в маркшейдерии и недропользовании (Пермь, 2005); на Международной научно - практической конференции Инженерная геофизика (Геленджик, 2005); на международной конференции EAGE (Санкт-Петербург, 2006); а также на научных сессиях Горного института УрО РАН (Пермь, 2005, 2006, 2007).

Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 31 печатной работе, три из которых в изданиях, рекомендованных ВАК (Доклады Российской Академии наук, журналы Геоинформатика и Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле).

Защищаемые положения:

1. Разработанный метод определения поправок за влияние рельефа местности при гравиметрической съемке, базирующийся на использовании линейных аналитических аппроксимаций высотных отметок двойным рядом Фурье с выбором оптимального числа коэффициентов и позволяющий использовать в качестве исходных данных векторизованные крупномасштабные топографические карты и цифровые модели рельефа планетарного уровня (GTOPO30, SRTM), обеспечивает высокую точность определения топографических поправок, полную автоматизацию вычислений (в т.ч. и для лцентральной зоны) и оценку качества получаемых результатов.

2. Применение новых способов сжатия цифровой информации о геопотенциальных полях, базирующихся на синтезе истокообразной аппроксимации с методами фрактального и вейвлетного анализа, позволяет производить компактное хранение информации в базах данных и последующее восстановление исходного поля и его различных трансформант в произвольно выбранных точках пространства, располагающихся выше эквивалентных источников.

3. Созданная на основе ГИС ArcGis 9.0 информационно-аналитическая система хранения, обработки и анализа гравиметрических данных ГРАВИС, адаптированная к условиям и потребностям современного процесса геофизических исследований, позволяет решать широкий круг задач, связанных с обработкой, интерпретацией и хранением цифровой гравиметрической и иной геолого-геофизической информации (в т.ч. задачи, связанные с изучением глубинного геологического строения, прогнозом и поисками месторождений углеводородного сырья и твердых полезных ископаемых).

Фактическая основа и личный вклад автора: Фактической основой исследований послужили результаты гравиметрических съемок, проводимых Горным институтом УрО РАН, полученные в процессе работы по договорной тематике с рядом нефте- и горнодобывающих предприятий России и при выполнении подпрограммы Минеральносырьевые ресурсы федеральной целевой программы Экология и природные ресурсы России (2002-2010 гг). Работа выполнена при поддержке Уральского отделения РАН (по результатам конкурса научных проектов молодых ученых и аспирантов 2007 г) и РФФИ (гранты № 07-05-96009, № 07-05-96011).

Автор принимал активное участие в РАЗРАБОТКЕ современных принципов создания эффективных компьютерных технологий на основе ГИС; постановке основных задач; разработке методов, вычислительных схем и алгоритмов обработки и анализа гравиметрической и иной геолого-геофизической информации. Лично автором создана информационно-аналитическая система ГРАВИС на базе геоинформационной системы ArcGIS 9.0, произведено наполнение единой базы геолого-геофизической информации, а также разработано программноалгоритмическое обеспечение, существенно расширяющие функциональные возможности базовой ГИС применительно к решению актуальных геологических задач. При непосредственном участии автора в период с 2004 по 2007 годы выполнены многочисленные камеральные и полевые исследования, которые и составляют основу данной диссертационной работы.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения общим объемом 160 страниц, содержит список литературы, включающий 167 наименований, а также иллюстраций и 12 таблиц.

Автор выражает глубокую благодарность коллективу лаборатории Горного института УрО РАН г. Пермь и заведующему лабораторией, к.г.-м.н. С.Г.Бычкову за внимание, непосредственную помощь и ценные советы. За неоценимую поддержку в процессе исследований автор благодарен д.г.-м.н., профессору В.М.Новоселицкому. За внимание, консультации и конструктивные замечания выражаю благодарность к.г.-м.н. И.Ю. Митюниной.

Особо хочу поблагодарить своего научного руководителя доктора физико-математических наук А.С. Долгалю за неоценимую всестороннюю помощь, поддержку, советы и консультации при написании диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ