Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
На правах рукописи
ГАЛУЕВ Владимир Иванович
МЕТОДИКА И КОМПЬЮТЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ФИЗИКО-ГЕОЛОГИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СТРОЕНИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ (ГИС ИНТЕГРО-ГЕОФИЗИКА)
Специальность 25.00.35 - Геоинформатика
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Москва, 2009
Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации Всероссийском научно-исследовательском институте геологических, геофизических и геохимических систем (ГНЦ РФ ВНИИгеосистем).
Научный консультант доктор технических наук, профессор Черемисина Евгения Наумовна.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Серкеров Серкер Акберович;
доктор физико-математических наук, профессор Петров Алексей Владимирович;
доктор геолого-минералогических наук Баранов Юрий Борисович.
Ведущая организация - кафедра геофизических методов исследования земной коры МГУ.
Защита состоится л___ ________ 2009 г. в _____ на заседании Диссертационного совета Д. 216.011.01 при Всероссийском научно-исследовательском институте геологических, геофизических и геохимических систем в конференцзале ВНИИгеосистем по адресу Варшавское шоссе, д. 8, Москва, 117105.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИгеосистем.
Автореферат разослан л___ ________ 2009 г.
Ученый секретарь Диссертационного совета, доктор геолого-минералогических наук В.В. Муравьев
Актуальность проблемы. Проблема изучения глубинного строения земной коры и верхней мантии является одним из стратегических направлений геофизических исследований, обеспечивающих развитие наук о Земле.
Эта же проблема актуальна и для решения чисто прикладных задач: от создания глубинной геолого-геофизической основы строения земной коры до минерагенического прогноза перспективных на поиски новых месторождений регионов. Изучение глубинного строения земной коры представляет приоритетную проблему для агентства по недропользованию Министерства природных ресурсов России.
В настоящее время изучение земной коры производится посредством комплекса геофизических методов сейсморазведки, методом отраженных и преломленных волн, гравиразведки, магниторазведки и электроразведки методом МТЗ на региональных и опорных профилях. Каждый из методов опосредственно характеризует строение земной коры и не обладает единственностью решения обратной задачи. В связи с этим существенно, определение как автономной информативности каждого метода, так и выработки приемов сопоставления (комплексирования) получаемых результатов, обеспечивающих построение наиболее вероятных моделей строения земной коры.
Учитывая неоднозначность решения обратной задачи, существенную роль играет априорная информация, в качестве которой используются современные гипотезы о развитии земной коры, а также вся имеющаяся геологогеофизическая информация по изучению осадочного чехла и фундамента в полосе опорных профилей.
В связи со сказанным, для обеспечения технологии обработки и интерпретации данных комплекса геофизических методов, полученных на опорных профилях, необходимо наличие многофункциональной базы данных, позволяющей оперировать разнородной геофизической информацией, отличающейся не только по физической природе используемых полей, но и по детальности отображения неоднородного строения земной коры.
Необходимость совместной обработки геолого-геофизической информации требует создания алгоритмических и программно-технологических средств анализа, обработки и интерпретации данных.
Существующие методы решения подобных задач, как правило, ограничиваются комплексированием двух методов. Известные решения на эту тему предложены В.Н. Страховым, Г.Я. Голиздрой, Н.П. Смилевец, А.И. Кобруновым. Предложенные ими решения ориентированы, в основном, на изучение осадочного чехла и, как правило, используют значительный объем априорной информации, ограничивающей диапазон изменения искомых характеристик в отдельных слоях осадочного чехла.
Поэтому решение методических и технологических проблем построения физико-геологических моделей земной коры на базе геоинформационной системы представляется актуальным.
Цель исследований - создание методики и компьютерной технологии физико-геологического моделирования при изучении глубинного строения земной коры.
Задачи исследований:
Х анализ современного состояния методик и компьютерных технологий, направленных на изучение глубинного строения земной коры;
Х создание методологии построения физико-геологических моделей земной коры на основе интегрирования разнородной геологогеофизической информации;
Х определение принципов и приемов построения согласованных комплексных физико-геологических моделей земной коры;
Х разработка компьютерной технологии физико-геологического моделирования при изучении глубинного строения земной коры;
Х аппробация созданной компьютерной технологии на опорных профилях Восточно-Европейской платформы, Восточной Сибири и Дальнего Востока.
Научная новизна исследований определяется:
Х методикой обработки и интерпретации гравимагнитных полей, предусматривающей построение разрезов различных модификаций плотностных и магнитных моделей на основе многообразия решения обратной задачи и использования коллектива решающих правил;
Х технологией построения согласованных по комплексу физических свойств и геометрических параметров моделей земной коры путем вычисления дифференциально-нормированных характеристик, представленных дифференциалами по глубине логарифмов физических параметров, подобных по форме глубинному динамическому разрезу, и их взаимного сопоставления в вертикальной плоскости опорного профиля;
Х геоинформационной технологией формирования физико-геологических моделей и прогнозом структурно-вещественного состава пород корыприменительно к геофизическим исследованиям на опорных профилях;
Х созданием ГИС ИНТЕГРО-ГЕОФИЗИКА, обеспечивающей интегрирование комплекса геологических и геофизических данных на единой геоинформационной основе при построении согласованных по физико-геометрическим параметрам моделей глубинного строения земной коры.
Достоверность разработанной технологии физико-геологического моделирования при изучении глубинного строения земной коры определяется непротиворечивостью построенных моделей исходным геофизическим полям и соответствием прямым следствиям процессов, протекающих в земной коре, в зонах тектоно-магматической активизации и результатам исследования образцов пород, доступных в обнажениях и в керновом материале.
Практическая значимость работы определяется:
Х унификацией процесса построения физико-геологических моделей для различных регионов на базе ГИС ИНТЕГРО-ГЕОФИЗИКА, обеспечивающей возможность сравнения результирующих моделей, полученных разными исследователями;
Х построением методных и согласованных комплексных физикогеологических моделей земной коры по конкретным опорным профилям;
Х построением согласованных комплексных физико-геологических моделей по опорным профилям 1-ЕВ для Восточно-Европейской платформы, 1-СБ, 2-СБ и 3-СБ по Восточной Сибири, 2-ДВ для Дальнего Востока;
Х региональным прогнозом участков, благоприятных для скопления углеводородного сырья в переделах осадочных бассейнов и твердых полезных ископаемых в пределах древних платформ;
Х подготовкой материалов к созданию АТЛАСА Опорные геологогеофизические профили России;
Х оценкой планового положения минерагенически перспективных районов путем совместного учета глубинных критериев и положения известных месторождений;
Х новыми данными о строении земной коры и осадочного чехла Восточно-Европейской платформы, Восточной Сибири и Дальнего Востока.
Защищаемые научные положения.
1. Разработанная методика и программно-технологические средства обработки и интерпретации гравитационных и магнитных полей, базирующиеся на многообразии решения обратной задачи и использовании коллектива решающих правил, реализуют построение глубинных физических моделей (2D и 3D) по плотности и намагниченности как в окрестности опорного профиля, так и по самому профилю.
2. Компьютерная технология построения согласованных по физическим свойствам и геометрическим параметрам моделей земной коры, включающая вычисление дифференциально-нормированных характеристик (вертикальных, горизонтальных, полных) и геометризацию среды в вертикальной плоскости опорного профиля, обеспечивает в совокупности повышение информативности применяемого комплекса геофизических методов.
3. Построение единой согласованной физико-геологической модели позволяет осуществить прогноз структурно-вещественных комплексов, слагающих геологическую среду путем расчета статистических характеристик (среднего, дисперсии) для каждого физического свойства в пределах замкнутых контуров и их обобщения, что обеспечивает районирование разреза земной коры на квазиоднородные области по эффективным параметрам среды.
4. ГИС ИНТЕГРО-ГЕОФИЗИКА, представляющая собой многофункциональную интерактивную систему и использующая существующие стандартные информационно-аналитические средства и оригинальные алгоритмы, обеспечивает построение комплексных согласованных физикогеологических моделей земной коры.
5. Применение ГИС ИНТЕГРО-ГЕОФИЗИКА позволило осуществить изучение глубинного строения земной коры по материалам геофизических исследований на опорных профилях 1-ЕВ, 1-СБ, 2-СБ, 3-СБ и 2 ДВ и выполнить региональный прогноз углеводородного сырья в пределах осадочных бассейнов Восточной Сибири и твердых полезных ископаемых в пределах кристаллических щитов Восточной Сибири и Дальнего Востока.
Апробация.
Основные положения диссертационной работы докладывались на научных семинарах и международных конференциях, в том числе на Международной научной конференции Геофизика и современный мир (МГУ, Москва, 1993 г.), на научном семинаре Использование результатов геофизических исследований на региональных профилях при геологическом изучении недр (Международный университет природы, общества и человека Дубна, г. Дубна, 1999 г.), на Международной научной конференции Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе (Международная академия информатизации, Гурзуф, 2002, 2003 гг.), на Международной научной конференции Углеводородный потенциал фундамента молодых и древних платформ (г. Казань, 2006 г.), на VI и VIII Международной конференции Новые идеи в науках о Земле (РГГРУ, Москва, 2005, 2006 гг.), на VII Международной конференции Геофизические чтения имени В.В. Федынского (Научный мир, Москва, 2006 г.), на Международном научнопрактическом семинаре Модели земной коры и верхней мантии (ВСЕГЕИ, Санкт-Петербург, 2005, 2007 гг.), на Международной геофизической конференции ГЕОМОДЕЛЬ-2006, 2007 (EAGE, ЕАГО, г. Геленджик, 2006-2007 гг.), на конференции Современные геофизические и геоинформационные технологии (РГГРУ, Москва, 2008 г.), на 33-м Международном геологическом конгрессе (г. Осло, Норвегия, 2008 г.), на ежегодных рабочих совещаниях, проводимых во ВСЕГЕИ.
ичный вклад.
Диссертация основана на методических исследованиях и технологических разработках, выполненных автором в период 1991-2008 гг.
Основные методологические, методические и технологические результаты получены непосредственно диссертантом.
Автором разработана методология формирования информационного обеспечения региональных геофизических исследований и физикогеологического моделирования строения земной коры, предложены новые методические приемы построения моделей по гравимагнитным полям и технология создания комплексных согласованных физико-геологических моделей земной коры, реализована компьютерная технология ГИС ИНТЕГРО-ГЕОФИЗИКА и на ее основе осуществлено построение физикогеологических моделей по региональным профилям 1-ЕВ, 1-СБ, 2-СБ, 3СБ, и 2-ДВ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 181 стр. текста и 35 рисунков, список литературы включает 62 источника.
Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту профессору Черемисиной Е.Н. за ценные советы и постоянное внимание, профессору Никитину А.А., к.т.н. Каплану С.А., а так же сотрудникам лаборатории геоинформатики к.т.н. Пимановой Н.Н. и к.т.н. Малининой С.С.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе Современное состояние методологии и методики физико-геологического моделирования глубинного строения земной коры проанализировано современное состояние методологии и методик физико-геологического моделирования глубинного строения земной коры, рассмотрены существующие компьютерные технологии комплексного анализа геолого-геофизических данных по опорным и региональным профилям.
Целью исследований по сети опорных геофизических профилей является изучение глубинного строения участков земной коры (получение новых данных о параметрах строения, физического и геоэкологического состояния литосферы) и прогнозирование полезных ископаемых как в кристаллическом фундамента, так и в осадочном чехле. Эта цель и решение сопутствующих ей задач достигаются применением комплексных геофизических исследований и современной технологии комплексной обработки и интерпретации.
Вопросам физико-геологического моделирования земной коры и верхней мантии посвящены работы А.В. Егоркина, Н.И. Павленковой, Ю.К. Щукина, В.Н. Глазнева, Н.В. Шарова, Т.Б. Яновской, А.М. Петрищевского, В.И.
Старостенко, Р.Г. Берзина, А.К. Сулейманова, А.В. Липилина, Ю.М. Эринчека, Е.Д. Мильштейн, С.Н. Кашубина и многих других исследователей работавших в различных регионах России.
Изучение глубинного строения земной коры сравнительно долго проводилось на основе монометодных геофизических технологий. Скоростные характеристики земной коры при этом исследуются с помощью созданных Г.А. Гамбурцевым методов ГСЗ и КМПВ, применение которых для изучения строения земной коры и верхней мантии отражены в работах Н.И. Павленковой, А.В. Егоркина и многих других. Для планомерного изучения земной коры на территории Западной и Восточной Сибири на базе ГСЗ существенную роль сыграли проведенные в 70-е годы ХХ века по инициативе В.В. Федынского исследования по региональным профилям общей протяженностью 20 тыс. км с использованием подземных ядерных взрывов (Л.Н. Солодилов, Е.А. Попов).
Начало изучения электромагнитных свойств земной коры следует связывать с разработкой М.Н. Бердичевским метода МТЗ, в развитии и применении которого принимали участие Л.Л. Ваньян, В.П. Бубнов, В.В. Аксенов, П.Ю Пушкарев, В.А. Шевнин, И.А. Яковлев.
Большое число исследований по изучению глубинного строения земной коры и верхней мантии связано с использованием гравитационного и магнитного полей (М.А. Алексидзе, Е.Г. Буллах, А.А. Булычев, В.Н. Глазнев, С.С. Красовский, А.Н. Петрищевский, Т.В. Романюк, В.Н. Страхов, В.И. Шрайбман и др.).
В 70-е годы начинается комплексное применение методов сейсморазведки и потенциальных полей для изучения строения земной коры и верхней мантии. При этом следует выделить разработки и рекомендации таких исследователей, как М.А. Алексидзе, М.Е. Артемьева, З.А. Крутиховской, С.А. Субботина, В.И. Старостенко. Методика комплексной интерпретации геофизических данных реализуется в работах Б.А. Андреева, Г.Я. Голиздры, В.И. Гольдшмита, А.В. Егоркина, Г.И. Каратаева, И.Г. Клушина, Н.Я. Кунина, Д.Ф. Калинина, Н.И. Павленковой и др.
Появление в 90-х годах ХХ века геоинформационных технологий послужило мощным стимулом к развитию методов комплексной интерпретации геофизических данных. Большинство современных геоинформационных технологий предназначено, в основном, для ее реализации на основе данных двух методов: сейсморазведка и гравиразведка (технология GCIS - А.И. Кобрунов, А.П. Петровский, технологии института геофизики Украины - В.И. Старостенко, В.Г. Козленко), сейсморазведка и электроразведка методом ЗСБ (технология СЭВР и COMINTER - Н.П. Смилевец), гравиразведка и магниторазведка (технология СИГМА-3D - Ю.И. Блох, Mult Alt - Ф.М. Гольцман, Д.Ф. Калинин), которые используются при изучении осадочного чехла и кристаллического фундамента.
Комплекс методов при изучении глубинного строения по региональным профилям включает:
Х сейсморазведку в модификациях КМПВ, ГСЗ, МОВ-ОГТ;
Х гравиметрическую съемку;
Х региональную электроразведку, представленную обычно двумя видами исследований: магнитотеллурические съемки в модификациях МТЗ, АМТЗ;
Х аэромагнитную съемку; инфракрасную съемку со спутников и самолетов.
Сущность обычно реализуемой постановки задачи комплексной интерпретации для принятого набора геофизических методов заключается в получении некоторого начального решения для отдельно взятого метода и использовании априорно принятой функциональной (как правило, линейной) зависимости между изучаемыми свойствами среды с целью расчета исходной модели среды для какого-либо другого метода. Последующее решение прямой задачи в рамках этого метода позволяет проверить соответствие наблюденного геофизического поля принятой модели среды. Если имеется заметное расхождение наблюденного и рассчитанного полей, то в модель вносят некоторые коррективы до тех пор, пока такое расхождение полей не достигает величины заданной точности подбора. В такой постановке правила, устанавливающие связи между параметрами среды, не подвергаются сомнению.
Обычно в качестве реперного метода, определяющего начальную геометрию модели, выступает сейсморазведка. При этом не учитывается дополнительная информация, которую можно извлечь из другого метода независимой обработкой и интерпретацией для уточнения параметров модели, и построенная в результате комплексная модель будет наследовать ошибки в определении параметров самого реперного метода. Количественные взаимосвязи между параметрами в различных физико-геологических ситуациях мало изучены и также подлежат определению. Следовательно, такой подход решает лишь частные задачи комплексной интерпретации.
Комплексная интерпретация данных трех и более методов осуществляется на качественном и количественном уровне. При качественной комплексной интерпретации совмещаются, в плоскости профиля, методные модели и исследователь на основе такого анализа формирует модель строения земной коры, определяя геометрические и физические характеристики выделенных объектов. Для районирования разреза по комплексу методов на этом этапе широко используются методы таксономии.
Количественный подход к комплексированию методов геофизики и комплексной интерпретации данных получил развитие в работах Страхова В.Н.
и Голиздры Г.Я., в которых сформулированы основы критериально-целевого подхода к комплексной интерпретации.
Комплексная интерпретация подразумевает, что для принятого набора методов осуществляется объединение решений каждого отдельного метода в общем согласованном представлении параметров среды. Под комплексной моделью геосреды понимается совокупность предположений и допущений о связи отдельных физических моделей геосреды. При изучении глубинного строения земной коры рассматриваются следующие виды комплексных моделей (Голиздра Г.Я.): модели, в которых источники полей не совпадают; источники полей полностью совпадают, т.е. совпадают граничные поверхности разных моделей, а численные значения физических параметров связаны функциональными или тесными статистическими зависимостями; модель промежуточного типа имеет как связанные, так и независимые параметры разных физических моделей, при этом связь между совпадающими параметрами должна быть заранее указана. Таким образом, тип комплексной модели определяет взаимоcвязь параметров разных моделей в нижнем полупространстве. Для каждого из этих типов моделей дается формулировка задачи комплексирования, сводящейся к минимизации функционалов, построенных на параметрах среды. Решение систем уравнений с наложенными на них ограничениями сводится к задаче оптимизации. Тип комплексной модели определяет также подход к математической формулировке и численному решению задач комплексной интерпретации.
Выбор и обоснование типа комплексной модели в конкретной физикогеологической обстановке определяется процедурой согласования методных моделей. На этом этапе уточняются или пересматриваются параметры моделей одних методов за счет информации, полученной с помощью других методов, устанавливаются качественные и количественные связи между параметрами методных моделей, между геофизическими полями разных методов, а также между параметрами моделей и полями.
Нужно отметить важную роль априорной физико-геологической информации в процедуре комплексной интерпретации, которая используется как при методной обработке и интерпретации, так и при формировании комплексной модели.
Показано, что информационной основой геолого-геофизических исследований при изучении глубинного строения являются пространственнопривязанные данные различных типов: геологические карты, разрезы, результаты наблюдений в скважинах, геофизические данные разных методов.
Вследствие этого организацию эффективной взаимосвязи между данными различных типов и оперирование ими следует строить в среде географических информационных систем (ГИС).
Развитие современных методов интерпретации геоданных определяет основные элементы аналитического обеспечения методологии обработки геофизических данных для формирования моделей поля и среды, решения прямых и обратных задач геофизики по отдельным методам, проведения комплексного анализа и интерпретации данных двух, трех и т.д. методов, оптимизации моделей.
В настоящее время в отрасли накоплен большой опыт комплексной интерпретации геолого-геофизических данных и создан целый ряд реализующих ее технологий. Существующие геоинформационные технологии комплексной интерпретации разделяются на два типа: технологии комплексного анализа геоданных для решения задач районирования и технологии количественной комплексной интерпретации, главным образом, двух методов - сейсморазведка-гравиразведка, сейсморазведка-геофизические исследования скважин, сейсморазведка-электроразведка, грави-магниторазведка.
Для решения задач геокартирования и районирования по комплексу геополей наиболее развитыми являются геоинформационные системы (ГИС):
ГИС ИНТЕГРО (ВНИИГеосистем), ГИС ПАРК (ООО ЛАНЭКО), и автоматизированные системы АС-ПАНГЕЯ (ОАО Пангея), COSCAD (РГГРУ).
Технология ГИС ИНТЕГРО позволяет также решать достаточно широкий круг прогнозно-поисковых задач на разные виды минерального сырья, недропользования и геоэкологии с привлечением данных дистанционных и наземных наблюдений. Технология COSCAD реализует построение объемных моделей, районирование с использованием комплекса геополей и их различных статистических характеристик, вычисляемых в скользящем окне живой формы. Некоторые частные задачи количественной комплексной интерпретации реализованы в ГИС ИНТЕГРО и в АС ПАНГЕЯ.
Компьютерные технологии количественной комплексной интерпретации ориентируются прежде всего на сейсмическую модель геосреды. Наиболее развитые компьютерные технологии по построению сейсмоплотностных моделей представлены Институтом геофизики НАН Украины (Старостенко В.И.) и Ухтинским государственным техническим университетом (Кобрунов А.И.). Первая реализует построение глубинных разрезов, вторая предназначена для решения прогнозно-поисковых задач нефтегазовых залежей.
Компьютерная технология комплексной интерпретации данных сейсморазведки и электроразведки по методу зондирования становлением поля создана в НВ НИИГГ и ОАО Геонефтегаз (Смилевец Н.П.) и реализует построение согласованных сейсмоэлектрических временных разрезов (СЭВР).
Ряд технологий комплексной интерпретации данных сейсморазведки и геофизических исследований скважин, такие как ИНТЕГРАН - С.А. Каплан (ВНИИГеосистем), ПАРМ-КОЛЛЕКТОР (ВНИИГеофизика, Г.Е. Руденко) и др., предназначен, главным образом, для решения задачи поисков углеводородов и литологического расчленения разреза в пределах первых километров по глубине.
Компьютерная технология обработки и интерпретации гравимагнитных данных DVOP-REIST-ROMGAS (Блох Ю.И.) создана в ГНПП Аэрогеофизика с целью построения псевдоплотностных и псевдомагнитных 2D и 3D моделей геосреды.
Ведущие зарубежные технологии комплексной обработки и интерпретации в основном ориентированы на изучение залежей углеводородов, коллекторских свойств пластов и другие нефтегазовые задачи.
Анализ современного состояния методик и технологий комплексного анализа и интерпретации геофизических данных при изучении глубинного строения позволяет сделать следующие выводы:
Х Основная цель комплексной интерпретации геофизических полей при изучении глубинного строения - построение согласованной по всем полям комплексной физико-геологической модели геосреды. Эффективность комплексного анализа и интерпретации достигается вовлечением в процедуру комплексного анализа различных методных моделей с дальнейшим согласованием параметров этих моделей.
Х Анализ существующих автоматизированных систем и ГИС-технологий комплексного анализа геоданных указывает на отсутствие компьютерных технологий комплексной интерпретации геофизических данных для изучения глубинного строения, позволяющих согласовывать результаты интерпретации данных нескольких методов - сейсмического, электрического, гравитационного, магнитного.
Х Необходима разработка технологии комплексной интерпретации, которая учитывала бы результаты независимой интерпретации данных отдельных геофизических методов и соответствующих им моделей, используя методический и аналитический опыт, накопленный в отрасли.
Х Компьютерная технология комплексного анализа и интерпретации геолого-геофизических данных, полученных по опорным и региональным профилям, должна быть ориентирована на одну из развитых ГИСтехнологий с единой информационной базой, используемой в интерактивном режиме, с применением процедур комплексного анализа и количественной комплексной интерпретации, и направлена на оптимизацию моделей.
Во второй главе Методика обработки и интерпретации геофизических данных рассматриваются этапы комплексного анализа с точки зрения основных видов используемой информации и операций, необходимых для их выполнения. В работе создана общая методическая схема решения задачи комплексного анализа и интерпретации геолого-геофизических данных при изучении земной коры по опорным и региональным профилям (рис. 1).
Рис. 1. Общая схема решения задачи комплексной интерпретации геолого-геофизических данных при изучении глубинного строения земной коры на региональных профилях На первом этапе проводится построение априорной интерпретационной модели на основе анализа всей имеющейся по региону геологогеофизической информации. Априорная модель строится исследователем с учетом различных современных концепций эволюции Земли. Результатом этого этапа может быть как физико-геологическая модель, содержащая предполагаемую геометрию и петрофизику объектов, так и набор суждений о глубине залегания, контрастности свойств на границе раздела и соотношении объектов. Сформированные априорные методные интерпретационные модели определяют постановку задачи, граф обработки и интерпретацию методных данных.
На втором этапе проводится построение методных моделей, получаемых в результате углубленной обработки и интерпретации данных каждого геофизического метода - сейсморазведки, электроразведки, гравиразведки и магниторазведки.
Построение моделей по сейсмическим и электроразведочным данным осуществляется специализированными пакетами методной обработки и в работе представлена лишь краткая характеристика основных типов моделей, получаемых в результате методной обработки.
По результатам методной обработки сейсморазведочных данных основными источниками информации о глубинном строении являются временные и глубинные сейсмические разрезы, а также основанные на них карты изолиний скоростей, которые и участвуют в комплексном анализе и интерпретации.
Результатом углубленной методной обработки-интерпретации электроразведочных данных являются фазовые, геоэлектрические и др. типы разрезов.
Автором разработана методика построения 2D и 3D петрофизичиских моделей по гравимагнитным данным на основе широкого набора методов решения обратных задач и оценки пределов эквивалентности аномалообразующих объектов. Для построения методной модели по гравимагнитным данным исходной информацией являются результаты площадных гравитационных и магнитных съемок региона геотраверса, а также результаты высокоточных гравитационных и аэромагнитных измерений вдоль профиля. При построении методных гравимагнитных моделей последовательно решаются следующие задачи:
Предобработка гравимагнитных данных с целью разделения полей и выявления полезной составляющей. Большую роль на этом этапе играют модельные представления о поле и среде и априорная информация, которые определяют необходимость проводимой обработки, ее цель, выбор параметров обработки.
Площадная обработка гравимагнитных полей с целью выделения границ однородных блоков разного порядка, выделение элементов тектоники.
Выделение блоков производится на основе анализа статистических, градиентных, корреляционных характеристик поля, отражающих его уровень и изменчивость, амплитуду, контрастность, размер, форму и ориентировку аномалий на площади. Разделение полей на участки, однородные по одному или комплексу характеристик поля, проводится как на экспертном уровне, так и с помощью методов распознавания и таксономии. Выделение элементов тектоники проводится экспертно на основе визуального анализа линейных аномалий, а также с применением аппарата фильтрации и обнаружения слабых аномалий в слабоконтрастных геологических средах.
Формирование 3D моделей распределения эффективных источников гравимагнитных данных. Физической основой такого формирования является изменение спектральных и статистических характеристик потенциальных полей при пересчете на различные уровни. Эти характеристики оцениваются аналитическим продолжением потенциальных полей в нижнее полупространство, расчетом статистических и корреляционных параметров в окнах разных размеров. Также процедуры позволяют получить 3D модели изменения распределения псевдоисточников гравимагнитных полей, оценить поведение их статистических и корреляционных параметров по глубине.
Формирование модели распределения эффективных параметров по выбранному линейному сечению. Положение сечения выбирается так, чтобы с одной стороны, оно было максимально близко к геотраверсу, а с другой - пересекало бы изучаемые структуры вкрест их простирания. Для полученных на втором этапе 3D моделей выбираются сечения по заданному направлению с целью формирования 2D моделей распределения фиктивных источников на глубину. Для согласования этих моделей в нижнем полупространстве привлекается вся имеющаяся априорная и полученная на предыдущих этапах обработки информация. В результате совместного анализа и согласования обеспечивается построение псевдогравитационной (псевдомагнитной) модели, представленной в виде карты изолиний фиктивного параметра.
Геометрическое описание объектов в этой модели носит интервальный характер, а физические параметры определяются псевдоплотностными единицами. Для получения модели, в которой объекты описываются уже избыточными плотностями (магнитной восприимчивостью) с уточненной геометрией необходимо перейти к следующему этапу.
Формирование петрофизических 2D и 3D моделей осуществляется на основе карт изолиний фиктивного физического псевдоплотностного и псевдомагнитного параметра методами решения обратных задач. Карты изолиний определяют для каждого аномального объекта возможные границы его положения, что позволяет оценить пределы эквивалентности аномальных объектов по их геометрии. Решая линейные обратные задачи, аппроксимационные задачи (метод Цирульского) и используя методы подбора для каждого аномального объекта определяется диапазон изменения его физических свойств, т.е. пределы эквивалентности по физическим параметрам. В линейных обратных задачах аппроксимация осуществляется двумерными призмами. В методе подбора для плоских задач аномальные объекты могут быть представлены многоугольниками, для трехмерных задач аппроксимация обычно осуществляется многогранниками.
Далее в работе обосновывается, что построение комплексной модели геосреды проводится на основе пространственного согласования методных моделей, согласования моделей по источникам (согласования по геометрическим и физическим параметрам моделей), формирования комплексной модели первого приближения, постановки задач комплексной интерпретации, выбора способа решения, комплексной обработки и интерпретации, выбора оптимальной комплексной модели и геологической интерпретации результата.
Пространственное согласование методных моделей подразумевает взаимную увязку результатов методной интерпретации как в плоскости наблюдений, так и по глубине.
Необходимость увязки моделей в плоскости наблюдений вызвана тем, что профили наблюдений разными геофизическими методами, призванные осветить строение по одному региональному профилю, по ряду причин (геоморфологические, техногенные) не совпадают. Согласование полученных методных моделей должно проводиться экспертом на основе анализа площадной информации - геологической карты, а также результатов интерпретации площадных геофизических данных. Проецирование методных моделей или их фрагментов на единый профиль становится возможным в результате учета результатов районирования территории по геофизическим данным.
На основе априорной информации представляется возможность согласовать модели в нижнем пространстве по глубине. Обычно согласование моделей по глубине происходит на основе визуального сопоставления и поиска общих черт в интерпретационных методных картинах - выявление и прослеживание общих контактных поверхностей, границ блоков, тектоники и т.д.
Далее проводитcя наложение согласованных в пространстве моделей с целью согласования их по источникам полей Анализ взаимосвязи геометрических и физических параметров моделей проводится с привлечением качественных и количественных приемов комплексной интерпретации. Качественный визуальный анализ базируется на сопоставлении образов геофизических моделей и выявление пространственного совпадения их геометрических характеристик. Количественная комплексная интерпретация определяет количественные оценки взаимосвязи параметров различных моделей и их полей. Она включает приемы корреляционно-регрессионного анализа, спектрального анализа аномальных полей, приемы таксономии и распознавания. Количественная комплексная интерпретация включает также решение прямых и обратных задач для разных геофизических методов.
Качественная и количественная комплексная интерпретация осуществляется как в плоскости разреза, так и по площади наблюдений - для гравитационных и магнитных полей, с дальнейшим вынесением результатов интерпретации на плоскость разреза.
Анализ выявленных качественных и количественных взаимосвязей между параметрами моделей позволяет сформировать комплексную модель первого приближения и осуществить постановку задачи комплексной обработки и интерпретации. На этом этапе для определенных типов моделей проводится построение первого приближения модели с учетом априорной физикогеологической информации, формулируется постановка задачи комплексной интерпретации, выбирается метод решения.
Далее проводится комплексная интерпретация данных программами совместной обработки данных двух, трех и т.д. методов.
В процессе комплексной интерпретации, в зависимости от различных постановок задачи и с учетом разных геологических концепций, в общем случае возникает несколько комплексных физико-геологических моделей.
Этап выбора оптимальной модели связан с решением проблемы по разработке критериев сравнения альтернативных комплексных физикогеологических моделей. Выбор оптимальной модели осуществляется в настоящее время, главным образом, методом подбора (Страхов В.Н.), где критерием сравнения выступает разность расчетных и наблюдаемых полей. При сравнении моделей комплексной интерпретации предлагается использовать также метод расчета обобщенного расстояния по комплексу геофизических полей в виде (Никитин А.А.):
=- ( ) k fijнабл fijмод , i где fijнабл - значение i-го поля в j-й точке наблюдения, fijмод - теоретиче( ) ски (путем решения прямой задачи для заданных параметров геосреды) рассчитанное поле. Весовые коэффициенты ki представляют собой собственный вектор, соответствующий максимальному собственному значению корреляционной матрицы, которая строится по коэффициентам корреляции отклонений теоретически рассчитанных полей от наблюденных.
Далее в работе обоснованы операции обратных связей каждого этапа комплексной и методной интерпретаций. Эти связи вызваны возможной противоречивостью методных моделей по геометрическим, либо по физическим параметрам. Проверка этих противоречий позволяет пересмотреть априорную интерпретационную модель, определить новые параметры обработки и интерпретации.
Таким образом, предложенная во второй главе работы схема анализа и комплексной интерпретации геолого-геофизических данных позволяет зафиксировать следующие методические результаты:
Х Предложена методика комплексного анализа и интерпретации геологогеофизических данных, которая позволяет эффективно использовать независимую информацию, получаемую разными геофизическими методами, посредством осуществления обратных связей с этапами методной обработки и интерпретации.
Х Разработана методика построения физических моделей по площадным гравимагнитным данным, позволяющая учитывать сложное трехмерное строение аномальных объектов, и повышающая таким образом информативность и достоверность методной интерпретации.
Х Создано методическое обеспечение согласования методных моделей.
В третьей главе Технология построения монометодных и комплексных моделей разреза земной коры описывается созданная компьютерная технология комплексного анализа геолого-геофизических данных на опорных профилях, основанная на вышеизложенной методике, и созданное программное обеспечение технологии.
Построение монометодных, т.е. по данным отдельно взятых геофизических методов, моделей земной коры осуществляется по результатам обработки и интерпретации материалов конкретного метода.
Построенные монометодные модели земной коры в дальнейшем проходят согласование и увязку между собой по глубинам залегания контактных поверхностей, положению тектонических дислокаций и являются основой создания комплексной согласованной физико-геологической модели земной коры.
Помимо этого, имеющаяся информация по гравиметрическим и магнитным полям масштаба 1:200 000 позволяет осуществлять геологическое районирование на поверхности Земли, а по результатам зондирования полей строить разрезы эффективных значений плотностей и намагниченностей земной коры.
Основой построения моделей земной коры по данным сейсморазведки являются система PRIME (ООО Геолпрайм) и программно-методический комплекс ИНТЕГРАН.
С целью создания согласованной по данным комплекса геофизических методов модели земной коры, данные сейсморазведки позволяют обеспечить:
Х построение модификаций сейсмического разреза на всю глубину исследований масштаба 1:200 000, 1:500 000: временного, глубинного динамического, сейсмоэнергетического, параметров относительного спектра и сейсмогеологического;
Х построение модификаций сейсмических разрезов, более крупных масштабов, предназначенных для детализации строения осадочного чехла и верхней части фундамента до глубин 5-7 км.
Построение глубинно-скоростной модели как для осадочного чехла, так и для земной коры в целом, проводится по значениям t0 отражающих горизонтов и экстремумов горизонтальных спектров скоростей в рамках слоистой локально-однородной среды с использованием обобщенного метода взаимных точек. При этом в интервале времен, соответствующем толще земной коры, прослеживаются условные отражающие горизонты, объединяющие фрагмента сейсмической записи, отличающиеся относительно повышенной энергией волновых пакетов.
Затем проводится типизация моделей земной коры по их физикогеологическим признакам (скорости, энергии, частотно-зависимого поглощения), их сопоставление с особенностью строения имеющихся известных месторождений полезных ископаемых.
Картирование тектонических нарушений при построении глубинноскоростных моделей земной коры осуществляется по следующим критериям:
Х участки смещения отражающих горизонтов или волновых пакетов;
Х зоны потери корреляции осей синфазности;
Х границы резкого изменения скоростных и энергетических параметров.
Глубинно-скоростная модель и сейсмоэнергетический разрез составляют основу базы интерпретации данных для компьютерной технологии ГИС ИНТЕГРО-ГЕОФИЗИКА.
С целью построения двумерной модели проводимости геосреды применяется двумерная инверсия МТ-данных. При двумерной инверсии МТ-данных в настоящее время используется два типа программ. К первому типу относятся программы, позволяющие получить сглаженный геоэлектрический разрез.
Такие программы не требуют наличия априорной геолого-геофизической информации. Необходимо лишь задать степень сглаживания, которая обычно тем больше, чем выше погрешности наблюденных данных и двумерной аппроксимации. Ко второму типу относятся программы, предназначенные для восстановления сопротивлений областей среды (т.н. блоков), границы которых имеют фиксированное положение. В этом случае требуется априорная информация, на основе которой задается положение всех вероятных геоэлектрических границ.
При недостаточном количестве априорной информации на начальном этапе необходимо применять программы первого типа. Имеющаяся информация, полученная по данным гравиметрии и сейсморазведки, на первом этапе не может быть использована, поскольку не известно, как геоэлектрические параметры коррелируются с параметрами этих методов. На втором этапе, анализируя геоэлектрические и сейсмические разрезы, может быть установлено соответствие между некоторыми сейсмическими и геоэлектрическими границами. Тогда, при двумерной инверсии геометрию этих границ можно будет закреплять по данным сейсморазведки и, следовательно, перейти к использованию программ второго типа.
Для получения информации о глубинной части разреза выполняется 2D-инверсия данных с помощью программы Р. Мэкки, которая входит в программный комплекс WinGeoLink компании GeoSystem (Италия). Эта программа предназначена для решения обратной двумерной задачи МТЗ методом подбора. При этом разрез покрывается прямоугольной сеткой, а искомыми параметрами являются сопротивления ячеек данной сетки. Модель строится таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить наилучшее совпадение наблюденных и теоретически рассчитанных кривых по профилю, а с другой стороны - обеспечить максимальную гладкость изменения сопротивления по разрезу. В результате получаем разрез, содержащий только значимые с точки зрения чувствительности МТ-поля структуры.
Гравиметрические и магнитные съемки, проведенные в полосе 50 км от региональных и опорных профилей, а также съемки масштаба 1:200 0позволяют строить объемные модели земной коры по эффективным значениям плотности и магнитной восприимчивости. Кроме того, по результатам обработки и интерпретации потенциальных полей реализуется построение структурно-тектонических карт по поверхности изучаемых территорий на основе районирования этих полей путем использования различных алгоритмов классификации по данным статистических, спектральных, градиентных атрибутов.
Количественная интерпретация данных гравитационных и магнитных полей осуществляется с целью получения распределения в плоскости разреза земной коры эффективных (относительных) значений плотности и намагниченности, при этом используется построение их объемных моделей. Трехмерные модели распределения эффективных значений плотности и намагниченности строятся путем вычисления трансформант гравитационного и магнитного полей по алгоритмам А.В. Петрова, (модифицированный метод Б.А. Андреева), И.И. Приезжаева, (пересчет полей в нижнее полупространство в спектральной области), Ю.И. Блоха. Согласно последнему алгоритму по наблюденному магнитному полю строится 3D-распределение эффективных источников магнитных масс на основе программного комплекса DVOP, включающего выполнение следующей последовательности процедур:
Х вычисление двумерного спектра Фурье анализируемого поля;
Х определение с помощью оптимального фильтра значений глубин, на которые в дальнейшем выполняется аналитическое продолжение поля, а также размеров спектрального окна, отвечающего этим глубинам;
Х непосредственно само аналитическое продолжение поля на эти уровни глубин;
Х вычисление эффективных значений магнитной восприимчивости.
Причем, предварительно осуществляется пересчет поля к вектору вертикального намагничения (так называемая редукция к полюсу), а эффективные значения магнитной восприимчивости вычисляются в каждой точке с использованием формулы для однородного полупространства.
Аналогичная последовательность процедур используется для построения глубинного разреза эффективных значений плотности по гравитационному полю.
Построение комплексной (обобщенной, согласованной) модели по результатам методной интерпретации данных сейсморазведки (МОВ-ОГТ, ГСЗ-КМПВ), потенциальных полей и электроразведки (МТЗ) выполняется в предположении о том, что в земной коре границы неоднородностей, достаточно крупных по размеру и контрастных по физическим свойствам, должны быть совместимы в разных монометодных моделях с учетом оценки возможной неопределенности (погрешности) определения их геометрии.
В соответствии с этим была принята следующая схема согласования методных моделей, включающая три последовательно выполняемых этапа:
Х геометризация монометодных моделей, отображающая структурные особенности строения коры с локализацией возможных зон нарушений сплошности среды;
Х согласование геометризованных монометодных моделей для установления общих генерализованных границ раздела в земной коре;
Х оценка физических свойств (средних и дисперсии) выделенных участков согласованной модели.
Геометризация монометодных моделей Геометризация монометодных моделей на первом этапе носит предварительный характер. В дальнейшем возможно ее уточнение по результатам согласования данных всего комплекса геофизических методов.
Исходными для монометодной геометризации разреза земной коры являются разрезы прогнозных значений эффективной плотности, намагниченности и проводимости (сопротивления) и данные сейсмического метода. Последние обеспечивают два типа отображения среды: в виде скоростных характеристик, и в виде временных (глубинных) разрезов, описывающих с существенно большей детальностью относительные изменения жесткостных свойств среды. Сопоставление результатов обработки данных разных методов на фоне сейсмического разреза обеспечивает наилучшие условия для совместной локализации областей резкого изменения свойств среды. Для этого данные несейсмических методов должны быть преобразованы к относительной характеристике, подобной коэффициентам отражения и представляющей собой, с точностью до постоянного множителя, дифференциально-нормированный параметр (ДН-параметр), который оценивает приращение по глубине логарифма жёсткости (плотности, сопротивления):
d Kотр. = ln(V ) z, где V - скорость распространения сейсмической вол[] dz ны, - плотность;
d в гравиразведке ДНП = ln( ) z, где - плотность;
[ ] гр.
dz d в электроразведке ДНП = (ln ) z, где - удельное электриче[ ] эл.
dz ское сопротивление.
Представленные выше функции ДНП заданы на одной и той же сетке, поэтому производные естественно заменить разностью, а в качестве приращения взять шаг сетки.
По сейсмическим разрезам в соответствии со сверточной моделью сейсмической записи уже имеются оценки Котр., правда в ограниченном диапазоне частот. Для локализации интервалов разреза с относительно повышенной неоднозначностью жесткостных свойств достаточно осуществить переход к энергии сигналов. В совокупности с характеристиками глубинноскоростной модели это позволяет привести сейсмические данные к параметрам сеточной модели остальных методов.
Экстремумы этих параметров приурочены к границам резкой смены, соответственно, акустической жёсткости, плотности, сопротивления. При интерпретации в зависимости от сопоставляемых разрезов либо учитывается, либо не учитывается знак изменения ДН-параметра на границе.
Выделение в пространстве разреза плотностных границ (либо границ резкого изменения намагниченности, электропроводности) осуществляется на основе оценки точности получения этого параметра (порога выделения ДН-параметра).
Эти величины могут сопоставляться между собой и с сейсмическим разрезом прямым наложением с применением визуальных способов анализа, а также совместной обработкой с получением количественных корреляционных оценок связи этих параметров. Следует отметить, что для количественной совместной обработки модели должны быть приведены к единой сетке. Количественная оценка связи между сейсмическими и трансформированными плотностными параметрами позволяет районировать плоскость разреза на области с положительной или отрицательной корреляционной связью и на области, где связи между параметрами отсутствуют. Преобразование плотностных разрезов геофизических характеристик к разрезам ДН-параметров позволяет по ним выделять опорные горизонты, приуроченные к окрестности сейсмических границ, а также спрогнозировать зоны нарушения сплошности среды.
Учитывая, что ДН-параметр отображает степень относительной неоднородности среды, прослеживание в разрезе его экстремальных значений будет определять геометрию разделов в земной коре, которая формируется в двух вариантах - объединение экстремумов одного знака (положительных и отрицательных), либо объединение абсолютных значений экстремумов.
Согласование геометризованных монометодных моделей для установления генерализованных границ раздела в земной коре На втором этапе проводится согласование геометрии монометодных моделей. Для этого по комплексу геофизических характеристик проводятся:
Х локализация в разрезе наклонных и субвертикальных контактных зон, позволяющих построить тектонический каркас модели;
Х формирование границ изменения свойств объектов на основе решения классификационных задач в плоскости разреза;
Х построение генерализованной блоково-слоистой модели строения земной коры.
Оценка физических свойств согласованной модели Целью работ на третьем этапе является получение единой физикогеологической модели глубинного строения земной коры. Входными данными для оценки физических свойств среды являются геометрия генерализованной блоково-слоистой модели земной коры и значения физических характеристик, представленные монометодными моделями. Согласованная физико-геологическая модель получается в результате оценки статистических характеристик (среднего, дисперсии) для каждого свойства в пределах замкнутых контуров генерализованной модели. Таким образом, согласованная физико-геологическая модель представляет собой распределение в плоскости разреза имеющегося набора физических свойств, осредненных на единой геометрии границ слоев и блоков.
На первой стадии геологической интерпретации проводится обобщение результатов выделения сейсмических отражающих площадок и горизонтов в консолидированной коре. Они объединяются в структурные ассоциации, предположительно соответствующие тем или иным структурновещественным ассоциациям горных пород консолидированной земной коры. Такие ассоциации выделяются в качестве сейсмогеологических комплексов.
Последние отличаются друг от друга:
Х общим количеством и плотностью сейсмических отражающих площадок на единицу площади временного сейсмического разреза и, соответственно, общей сейсмической энергией отраженных волн в объеме сейсмогеологического комплекса, отображаемой на сейсмоэнергетических разрезах, а в некоторых случаях - характеристиками частотнозависимого поглощения сейсмических волн;
Х вертикальным распределением скоростей распространения упругих волн представленным глубинно-скоростной моделью;
Х преобладающими направлениями и углами наклона сейсмических отражающих площадок внутри сейсмогеологического комплекса и его общим структурным обликом.
Границы между сейсмогеологическими комплексами либо отмечаются структурными несогласиями, которые устанавливаются по взаимоотношениям сейсмических площадок выше и ниже такой границы, либо являются согласными, отмечаемыми резким или, в той или иной степени, постепенным переходом между комплексами с разными свойствами.
Внутри сейсмогеологических комплексов по антиформным пологим наклонам сейсмических площадок иногда выделяются куполообразные структуры, вероятно, отвечающие метаморфическим куполам.
Кроме сейсмогеологических комплексов, выделение сейсмических площадок позволяет выявить на сейсмопрофилях разрывные нарушения.
На второй стадии геологической интерпретации осуществляется проверка правильности обособления сейсмогеологических комплексов с помощью сопоставления их с материалами независимых несейсмических методов геологических исследований. Из числа последних нами использованы построенные по линиям опорных профилей в виде глубинных разрезов:
а) модели эффективной плотности, полученные путем зондирования гравитационного поля, и плотности, рассчитанные по данным гравиметрических исследований. Из них наиболее продуктивными для геологической интерпретации оказались именно плотностные модели;
б) модели эффективной намагниченности, построенные по данным магнитометрических исследований. Сопоставление с последними также оказалось весьма продуктивным (с естественными ограничениями по глубине - не глубже 20 км в соответствии с глубинным положением изотермы точки Кюри);
в) геоэлектрические разрезы, составленные по результатам электроразведочных исследований.
Сопоставление данных несейсмических методов с результатами первой стадии интерпретации осуществляется путем компьютерного совмещения на едином разрезе выделенных сейсмогеологических комплексов и данных независимых несейсмических геофизических методов. По результатам сопоставления зачастую оказывается необходимым вносить определенные коррективы и изменения в первоначально намеченные границы методных данных.
Наконец, на последней, третьей стадии геологической интерпретации на основе результатов двух первых стадий осуществляется геологическое истолкование полученной согласованной комплексной модели и построение тектонических и геодинамических моделей формирования структуры земной коры.
Таким образом, в третьей главе:
Х Определено информационно-аналитическое обеспечение этапа методной обработки и интерпретации.
Х Определены основные технологические этапы построения комплексной физико-геологической модели.
Х Определено информационное обеспечение комплексного анализа и интерпретации геолого-геофизических данных.
В четвертой главе Компьютерная технология ГИС ИНТЕГРОГЕОФИЗИКА обосновывается выбор геоинформационной оболочки для разрабатываемой компьютерной технологии, описывается созданная компьютерная технология комплексного анализа геолого-геофизических данных на опорных профилях, основанная на вышеизложенной методике, и реализованное программное обеспечение технологии.
Информационной базой геолого-геофизических исследований при изучении глубинного строения земной коры являются пространственнопривязанные данные различных типов - геологические карты, разрезы, результаты наблюдений в скважинах, геофизические данные разных методов, поэтому организацию взаимосвязи между данными и оперирования ими следует строить в форме геоинформационной системы. В качестве такой системы была выбрана ГИС ИНТЕГРО, которая ориентирована на персональную технику, выполняет стандартные ГИС-функции и в то же время является геоинформационной средой функционирования разнообразных вычислительных и аналитических приложений для различных геологических задач. Она включает в себя многообразные интерфейсы, позволяющие изменять форму представления данных (растр, вектор, регулярная и нерегулярная сеть наблюдений), а также прикладные блоки, в том числе, блок интегрированного анализа данных и решения прогнозно-диагностических задач, блок обработки и интерпретации геолого-геофизической информации.
ГИС ИНТЕГРО также содержит блок аналитического обеспечения интерпретации геолого-геофизических данных и моделирования потенциальных полей. В состав этой системы включены основные разработки ИФЗ (Страхов В.Н.), РГГРУ (Блох Ю.И.), ИГТУ (Кобелев В.А.) и др. В аналитическом блоке содержатся процедуры, реализующие фильтрацию и трансформацию полей, различные приемы комплексного анализа, районирования, применяемые для количественной интерпретации и определения физических параметров и геометрии объектов. В то же время ГИС ИНТЕГРО является открытой, легко расширяемой системой.
Далее в главе описываются основные составные части макета компьютерной технологии комплексного анализа и интерпретации геологогеофизических данных на базе ГИС ИНТЕГРО.
Построение методных моделей реализуется функциональным обеспечением блоков обработки и интерпретации методных данных - потенциальных полей, электроразведки, сейсморазведки. Входом в методные блоки являются методные данные, выходом - методные модели.
Обработка и интерпретация потенциальных полей. В основу блока методной обработки и интерпретации потенциальных полей было положено функционально-аналитическое обеспечение интерпретации геологогеофизических данных и моделирования потенциальных полей ГИС ИНТЕГРО, которое охватывает весь технологический цикл построения методных моделей среды, включающий процедуры разделения полей, расчета статистических, структурных, корреляционных и спектральных характеристик, районирования, а также моделирования в интерактивном режиме на основе решения двух- и трехмерных прямых и обратных задач.
Блок обработки и интерпретации потенциальных полей был дополнен включением в ГИС ИНТЕГРО программ, реализующих статистическое зондирование геополей в скользящих окнах с получением трехмерных статистических моделей. Программно-алгоритмическое обеспечение разработано в РГГРУ (Петров А.В.) и реализует подход к оценке изменения статистических и корреляционных характеристик поля с глубиной на основе их вычисления в скользящих окнах различных размеров.
Блок методной интерпретации потенциальных полей усилен подключением пакета программ локализации особых точек и комплексной интерактивной интерпретации профильных данных, пакет, реализующий 2.5 мерные трансформации в прямоугольном скользящем окне с вычислением однозначно определяемых параметров магнитного и гравитационного полей. Подключена программная утилита вычисления объемного распределения эффективных параметров в нижнем полупространстве с помощью спектрального анализа, пакет программ трехмерного комплексного моделирования данных потенциальных методов (Блох Ю.И., Аэрогеофизика).
Обработка и интерпретация данных электроразведки (МТЗ) включает программный комплекс MTS-Prof (В.П. Бубнов, ООО Северо-Запад), который обеспечивает весь технологический цикл построения методной модели - от псевдоразрезов данных до глубинного геоэлектрического разреза.
Методная обработка сейсморазведки ИНТЕГРАН (ВНИИгеосистем, Гильберштейн П.Г., Каплан С.А. и др.) обеспечивает: расширение возможностей классификации сейсмических образов, качественно соответствующих типовым элементам литосферы; возможности ее районирования по геотектоническим, геодинамическим и другим характеристикам; изучение и количественную оценку параметров сейсмических моделей литосферы, выполняемых на разных уровнях детальности; методико-технологическое обеспечение обработки и интерпретации, адаптированное к специфическим условиям применения сейсморазведки МОГТ в интересах изучения земной коры.
Блок комплексной обработки и интерпретации.
Блок комплексной обработки и интерпретации принимает от методных программных комплексов соответствующие модели геосреды:
Х от потенциальных полей - петроплотностные и петромагнитные разрезы, а также промежуточные модели в различных модификациях;
Х от электроразведки - фазовые и геоэлектрические разрезы;
Х от сейсморазведки - временные, глубинные, скоростные и сейсмоэнергетические разрезы.
Пространственное согласование методных моделей между собой реализуется программным обеспечением, которое позволяет:
Х проецировать методные модели на единый профиль;
Х масштабировать модели по Z координате;
Х синхронизировать модели между собой и с планшетом.
В блоке комплексного анализа и комплексной интерпретации в соответствии с требованиями технологии разработан редактор, позволяющий:
Х визуализировать методные модели;
Х совмещать пространственно- согласованные методные модели;
Х формировать векторное покрытие, описывающее геометрию и физику как методных, так и комплексных моделей с возможностью последующей их передачи в блоки методной или комплексной обработки;
Х проводить количественный комплексный анализ моделей на основе приведения их к единой унифицированной структуре.
Аналитическое обеспечение комплексного анализа и интерпретации включает:
Х расчет линейных и ранговых коэффициентов корреляции (по Спирмену, Кендаллу) между двумя характеристиками в скользящих окнах;
Х регрессионный анализ;
Х статистический анализ;
Х алгоритмы распознавания и таксономии.
Описанное функциональное обеспечение анализа и создания комплексной интерпретационной модели позволяет перейти к постановке задачи и включению в систему технологии построения комплексной модели по двум методам - гравиразведки-сейсморазведки, сейсморазведки и электроразведки, гравиразведки-магниторазведки, по трем и т.д. методам. В состав технологии включается также программное обеспечение для выбора оптимальной из комплексных моделей на основе расчета обобщенного расстояния (Никитин А.А.).
Как было показано во второй главе, при согласовании методных моделей, наряду с методными, используются и промежуточные их варианты, предусматриваются этапы переобработки при большом объеме моделирования. Комплексные модели могут также быть уточнены, пересмотрены или переобработаны на разных этапах комплексного анализа и интерпретации.
Это обстоятельство приводит к необходимости хранения результатов методной и комплексной обработки и интерпретации в архиве моделей и их паспортизации. В паспорте модели содержится ее территориальная привязка, указание на способ ее получения (метод, алгоритм), параметры обработки.
Методные модели содержат геометрические, физические и петрофизические параметры, физические поля. Комплексные модели также содержат описания взаимосвязей между физическими параметрами.
В технологии создания комплексных моделей земной коры должны быть задействованы следующие функции ГИС: анализ поверхностей (создание и обработка цифровых моделей), наложение планиметрических слоев на трехмерные изображения, построение профилей поперечных сечений, оценка пространственных размеров объектов.
Кроме того, система имеет достаточно мощные средства контроля данных, контроля за ходом вычислительных процедур, контроля работы общесистемного обеспечения.
Система оснащена средствами конвертирования данных, получаемых разными программными комплексами.
В настоящее время ГИС ИНТЕГРО-ГЕОФИЗИКА представляет собой интерактивную систему, в полной мере использующую возможности Windows XP и информационно-аналитической среды ГИС ИНТЕГРО. ГИС ИНТЕГРО-ГЕОФИЗИКА является открытой и легко расширяемой системой.
По результатам четвертой главы можно сделать следующие выводы:
Х Предложена структура системы, реализующая компьютерную технологию комплексного анализа и интерпретации, как совокупность блоков методной обработки-интерпретации и блока интегрированного анализа полученной информации, взаимодействующих через геоинформационную оболочку.
Х Определены программные комплексы методной обработки и интерпретации геофизических данных;
Х Разработаны программно-технологические средства комплексного анализа и интерпретации геолого-геофизических данных;
Х Создана ГИС ИНТЕГРО-ГЕОФИЗИКА, позволяющая реализовать общую схему обработки и интерпретации геофизических данных при изучении глубинного строения Земли, которая включает следующие процедуры:
- формирование информационного обеспечения и априорной физикогеологической модели;
- построение моделей среды на основе данных отдельных геофизических методов, с оценкой геологической информативности каждого метода исследований;
- построение модели земной коры по комплексу физических и геометрических параметров;
- построение геологической модели земной коры и осадочного чехла.
- прогноз зон и областей, благоприятных для скоплений полезных ископаемых, по региональному профилю и его окрестности.
В пятой главе Комплексные физико-геологические модели по региональным профилям 1-ЕВ, 1-СБ, 2-СБ, 3-СБ и 2-ДВ приведены результаты обработки и интерпретации геолого-геофизических данных на фрагментах опорных профилей с использованием разработанной технологии ГИС ИНТЕГРО-ГЕОФИЗИКА по региональным профилям 1-ЕВ ВосточноЕвропейской платформы, 1-СБ, 2-СБ и 3-СБ, по Восточной Сибири и 2-ДВ по Дальнему Востоку. В результате были построены монометодные и комплексные согласованные модели для указанных профилей, дана их геологическая интерпретация и осуществлен региональный прогноз углеводородного сырья и твердых полезных ископаемых.
В качестве примера анализируются результаты построения моделей земной коры по профилю 2-ДВ.
Глубинно-скоростная модель этого профиля, представленная в виде двух отрезков изучаемого фрагмента профиля (320-480 км и 480-820 км), включает двенадцать слоев. Границы слоев (рис. 2а) преимущественно субгоризонтальны: колебания отметок глубин не превышают 10 % от среднего уровня. Сами границы не имеют самостоятельного геологического содержания, отображая лишь изменения скоростной характеристики изучаемой среды.
На изучаемом фрагменте профиля по значениям интервальных скоростей земная кора с определенной долей условности может быть подразделена на 6 сейсмических комплексов.
Первый (верхний) из них со значениями Vинт ~ 3,5-4,4 км/с распространен до глубин 1,0 1,3 км (рис. 2б). Следующий комплекс характеризуется скоростями 5,3-6,3 км/с и толщиной 8-9 км (подошва его на уровне 9,5-10,0 км).
Третий комплекс, развитый до глубин ~25,5 км, отличается преимущественным диапазоном Vинт ~ 6,6-7,3 км/с. Четвертый комплекс, расположенный непосредственно над разделом Мохо (Н ~ 39,5-44 км), характеризуется значениями Vинт ~ 7,27,5 км/с. Пятый комплекс, соответствующий верхней части мантии, отличается относительно пониженными значениями Vинт ~ 7,6-7,7 км/с) по сравнению с обычно принятыми в других регионах ~8,0-8,2 км/с. Подошва комплекса прогнозируется на уровне 66 км.
В нижнем, шестом комплексе скорость принята постоянной и равной 8,2 км/с.
Представленные обобщенные скоростные характеристики согласуются в целом с данными ГСЗ в пределах Балыгычанского поднятия, отличаясь выбором границ раздела комплексов и выделением верхней части мантии.
Б а л ы г ы ч а н с к и й т е р р е й н К о л ы м о Х е т а г ч а н с к о - О м о л о н с к и й с о с т а в н о й т е р р е й н ( м и к р о к о н т и н е н т ) Б а л ы г ы ч а н с к а я Ю С с у т у р а О м о л о н с к и й С у г о й с к о - Х е т а г ч а н с к и й б л о к б л о к 320 340 360 380 400 420 440 46 0 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 68 0 700 7 20 740 76 0 780 800 8к м а) 5 0 0 2 0 0 3 7 5 4 0 0 3 5 0 1 2 5 6 0 0 8 0 0 - 1 2 5 1 0 0 0 - 3 5 0 1 2 0 0 0 - 3 7 5 - 5 0 0 1 4 0 0 б) 8 2 0 7 5 0 7 0 5 6 5 0 5 9 0 5 3 0 4 8 0 4 2 0 3 4 0 в)A A B B C C D D M M M г) Рис. 2. Сейсмическая модель земной коры по опорному профилю 2-ДВ.
Сейсмические разрезы: а) сигнальный, б) глубинно-скоростной, в) сейсмоэнергетический и схема геометризации земной коры, г) параметра относительного спектра и выделенные на его основе зоны нарушения сплошности среды По сравнительному анализу величин скоростей в слоях обращает на себя внимание наличие двух волноводов: верхнего (5-й слой Н 7,3-9,7 км) - на интервале пикетов 320-380 км с дефицитом скорости 150-200 м/с и нижнего, расположенного над разделом Мохо (слой № 9), с наибольшей величиной дефицита скорости до 200 м/с на 580-670 км (северная часть Насучанского синклинория).
Сейсмический облик земной коры фрагмента 2-ДВ представлен серией модификаций глубинного динамического разреза, построенного на основе описанной глубинно-скоростной модели (рис. 2в).
На сейсмоэнергетическом разрезе, как известно, находят отображения объекты, различающиеся по акустической контрастности, по которой он разделен на 4 уровня: высококонтрастные (красные тона), контрастные (желтые тона), слабоконтрастные (зеленоватые тона) и прозрачные (синие тона до белого).
С учетом характера контрастности и ориентации в плоскости разреза совокупностей отрезков осей синфазности отражений может быть предложена следующая схема геометризации сейсмоэнергетического облика коры (рис. 2в). Наибольшей контрастностью отличается верхний слой, подошва которого расположена на глубинах 1,3-2,0 км, что соответствует 1-ому слою глубинноскоростной модели. Следующий слой повышенной контрастности ограничен условными границами А и В и наиболее регулярно представлен в северной части фрагмента (440-820 км), хотя с меньшей надежностью он может быть прослежен и на юге. Причем здесь он скорее всего имеет меньшую мощность и выделяется фрагментарно. Наиболее приподнятое положение слоя отмечается на участке 530-570 км и на северной оконечности профиля, за 750 км, где он практически выходит на уровень подошвы первого слоя. В глубинно-скоростной модели рассматриваемому слою соответствует второй сейсмический комплекс с относительно пониженными значениями скоростей (см. выше).
Границей, отделяющей области средней контрастности от нижележащей пониженной или прозрачной, является граница С, которая, хотя и с перерывами, прослеживается по всему профилю в диапазоне глубин 20 30 км и приурочена к окрестности подошвы третьего сейсмического комплекса.
Распространение области пониженной контрастности ограничено интервалом, содержащим фрагменты акустически контрастных пачек, прилегающих к границе Мохо (М). Условная кровля этих пачек - граница D, а их подошва - граница М. Относительно прозрачная область в совокупности с фрагментами контрастных пачек соответствуют четвертому, преимущественно высокоскоростному сейсмическому комплексу. В верхней мантии могут быть намечены слабоконтрастные непротяженные границы с небольшими наклонами, с общей тенденцией погружения в интервале 500-600 км.
Разрез параметра относительных спектров использован для локализации зон возможного распространения интрузий различного состава, пересекающих субгоризонтальные акустически контрастные слои. Определение зон основано на выделении объектов минимального значения параметра (отсутствие частотно-зависимого поглощения и эффектов слоистости) и их трассирования в виде субвертикальных или наклонных последовательностей (рис. 2г).
Полученный на участке профиля (320-850 км) геоэлектрический разрез верхней части земной коры до глубины 8 км имеет весьма контрастный характер (рис. 3а). Удельное электрическое сопротивление меняется в диапазоне от первых Омм до нескольких десятков тысяч Омм. Высокими сопротивлениями обладают в первую очередь магматические породы с низкой пористостью. Общий высокий уровень электрических сопротивлений во многом определяется низкой минерализацией подземных вод, которая наблюдается, по крайней мере, в верхней части разреза. На этом фоне ярко выделяются области повышенной электропроводности разреза.
Низкое сопротивление горных пород в этих областях может быть связано с несколькими причинами:
а) заполнением глубинным флюидом с высокой минерализацией трещиноватых, ослабленных зон в земной коре;
б) наличием в горных породах глинистых минералов;
в) присутствием в горных породах электронопроводящих минералов (графита, сульфидов и некоторых других).
Геоэлектрический разрез обладает высокой степенью изменчивости как по вертикали, что в целом типично для всего разреза земной коры и верхней мантии, так и по латерали, что свидетельствует о сложном блоковом строении данного района.
На глубинном геоэлектрическом разрезе (рис. 3б), построенном по результатам двумерной интерпретации данных МТЗ (до глубины 80 км), выделяется несколько крупных блоков, резко различающихся по электрической проводимости. Наряду с локальными высокопроводящими зонами (до первых Омм), находятся весьма обширные участки, характеризующиеся очень высокими сопротивлениями (до первых тысяч Омм и более). Распределение этих аномальных объектов достаточно хорошо согласуется с положением основных структурно-тектонических подразделений, пересекаемых рассматриваемой частью профиля 2 ДВ.
На глубинном разрезе эффективных плотностей, построенном по результатам интерпретации данных гравиразведки, выделяется четыре крупных блока, резко различающихся по плотности (рис. 4а).
Наряду с локальными отрицательными аномалиями эффективной плотности, находятся весьма обширные участки, характеризующиеся ее высокими значениями. Распределение этих аномальных объектов достаточно хорошо согласуется с положением основных структурно-тектонических подразделений, пересекаемых рассматриваемой фиксируемых до глубин 50-60 км.
Второй блок (550-630 км) характеризуется наличием отрицательных аномалий эффективной плотности изометричной и линзовидной формы и приурочен к Колымо-Балыгычанской сутуре.
Третий блок (630-750 км) отличается наличием положительных аномалий эффективной плотности в верхней и средней части коры, меньших по интенсивности, чем в первом блоке.
Я н о - К о л ы м с к а я с к л а д ч а т а я с и с т е м а Н а с у ч а н с к и й с и н к л и н о р и й Х е т а г ч а н с к о е п о д н я т и е О м о л о н с к и й Б а л ы г ы ч а н с к о е п о д н я т и е м а с с и в Ом с у к ч а н с к а я мул ь д а Тарынский прогиб Купкинская горст-антиклиналь Нельгасигская горст-антиклиналь Бургагчанская синклиналь Кэнская лавовая полоса 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 8Балыгычано-Сугойская ТМА Каньонская ТМА Нелькобинская ТМА а) 12 3 H км, б) ---км -320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 720 740 760 780 800 820 8Условные обозначения А) -Геоэлектрический разрез до глубины 8 км по результатам 1D-инверсии , Ом*м Б) -Глубинный геоэлектрический разрез по результатам 2D-инверсии - Границы блоков, выделенные по геоэлектрическому разрезу Рис. 3. Геоэлектрические разрезы по профилю 2-ДВ 158100583910263.25.17.12.8.6.1.0.К о л ы м о Б а л ы г ы ч а н с к и й т е р р е й н Х е т а г ч а н с к о - О м о л о н с к и й с о с т а в н о й т е р р е й н ( м и к р о к о н т и н е н т ) Б а л ы г ы ч а н с к а я Ю О м о л о н с к и й С с у т у р а С у г о й с к о - Х е т а г ч а н с к и й б л о к б л о к 1 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 720 740 760 780 800 820 8к м а ) H, к м -0.3 -0.23 0.16 -0.1 0.1 0.16 0.23 0. Э Ф, у. е.
320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 720 740 760 780 800 820 8к м б ) H, к м 3. 2. 55 2. 63 2. 71 2. 79 2. 87 2. 95 3. , г / с м 2 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 720 740 760 780 800 820 8в ) к м H, к м J Э Ф, у. е.
Рис. 4. Методные модели земной коры по опорному профилю 2-ДВ.
а) Модель эффективной плотности. б) Геоплотностная модель. в) Модель эффективной намагниченности - границы блоков, выделенные по методным моделям Четвертый блок (750-850 км) характеризуется наличием субвертикальной аномалии пониженной плотности в коре и положительной аномалией плотности в верхней части коры.
Распределение аномальных объектов магнитного поля практически согласуется с положением основных структурно-тектонических подразделений, пересекаемых рассматриваемой частью профиля 2-ДВ - Балыгычанским поднятием, Насучанским синклинорием, Хетагчанским поднятием (рис. 4б).
Блок № 1 (Балыгычанский террейн, интервал 320-520 км) характеризуется наличием положительных и отрицательных значений намагниченности источников, расположенных в верхней части разреза (от 0 до 3 км) и спокойным, слабо дифференцированным полем на глубинах от 5 км и более. Второй блок (520-650 км) характеризуется аномалиями, расположенными на глубине 5-10 км. Третий блок (650-850 км) отличается в целом повышенными значениями эффективной намагниченности.
Сопоставление двумерных моделей физических характеристик и их ДН-параметров в плоскости профиля с модификациями глубинных сейсмических разрезов (преимущественно сейсмоэнергетического) обеспечило решение поставленной задачи - формирования пространственных характеристик комплексной модели строения земной коры.
В качестве генерализованных границ изменения свойств пород и условий их преобразования могут быть выделены следующие:
Х регионального плана, прослеживаемые практически на всем фрагменте профиля:
а) граница М (Мохо), которая трассируется по подошве повышенной сейсмической контрастности и залегает на глубинах 40-47 км (рис. 5), б) граница С, отделяющая нижнюю гомогенную часть коры от верхней, существенно более гетерогенной, по всей совокупности геофизических характеристик, залегает на глубинах от 20 до 30 км в южной части профиля;
Х локального плана, прослеживаемые на ограниченных по протяженности интервалах. Наиболее уверенно эти границы выделяются в северной части профиля и далее описаны снизу вверх:
а) граница D, являющаяся кровлей сейсмически контрастных объектов, расположенная над границей М и выделяемая преимущественно по сейсмическим данным, б) границы В и А, ограничивающие в основном сейсмически контрастные объекты в земной коре. К этим же границам приурочены отдельные аномалии эффективной плотности и электрического сопротивления, в частности, на интервалах 620-750 км и 420-550 км.
Совокупность информации, полученной из синтеза данных геофизических методов - сейсмического временного разреза, сейсмоэнергетического, геоэлектрического, а также распределения эффективной плотности, позволила впервые представить модель глубинного (включая верхнемантийные уровни) строения по профилю 2-ДВ, пересекающему один из сложнейших в геологическом и тектоническом отношениях регион Северо-Востока России, который охватывает опущенный край Сибирского кратона и примыкающий с востока фрагмент мозаики микроконтинентов с разделяющими их прогибами. Строение и геологическое развитие этого региона рассмотрено в ряде фундаментальных работ, представленные же в них геодинамические модели характеризуются существенными различиями.
По профилю 2-ДВ с юго-запада на северо-восток (в интервале 320-820 км) выделялись следующие тектонические элементы: Балыгычанская микроплита (предположительно микроконтинент) с полого деформированным чехлом пермо-триасовых пород верхоянского комплекса, Сугойский прогиб с интенсивно деформированным флишевым комплексом пермо-юрского возрастного интервала и, наконец, Омолонский массив (микроконтинент), граничащий с Сугойским прогибом по субвертикальному Тебанинскому разлому; при этом предполагалось шарьирование терригенных пород указанного прогиба на образования Омолонского массива.
В диссертации изложены новые данные тектонического и структурновещественного характера, полученные по материалам геофизического разреза 2-ДВ. При этом вначале приведена новая информация по тектоническому районированию в целом, а затем - по отдельным крупным структурным подразделениям.
Для построения прогнозно-поисковой модели были использованы:
сейсмические разрезы - энергетический и параметра относительного спектра (для земной коры) и традиционный - для верхней части осадочного чехла, относительное изменение отраженных и рассеянных волн в интервале -50Е+50 на уровне глубин 500 и 1000 м и их обобщения в виде аддитивной и мультипликативной композиций, а также разрезы эффективной плотности, намагниченности и сопротивления, а также комплексные модели и результаты геологической интерпретации Пространственная характеристика прогнозно-поисковых моделей получена на основе анализа сечений куба эффективной плотности на уровне глубин 15, 40 км (рис. 6).
Вся совокупность дополнительных материалов использована для обоснования плановой локализации минерагенически перспективных зон.
Анализ представленных разрезов в сопоставлении с данными карты полезных ископаемых показывает приуроченность к известным рудным зонам (Балыгычано-Сугойской, Коркодон-Наяханской, Южно-Омолонской) интервалов резких изменений физических свойств пород, связанных с зонами нарушений, а также интервалов отсутствия регулярности прослеживания отражающих горизонтов в верхней части осадочного чехла. Последние связаны с известными зонами тектономагматической активизации, в частности, Нелькобинской, Балыгычано-Сугойской, Каньонской. При этом обращает на себя внимание, что большинству рудоносных зон соответствуют области локального дефицита эффективной плотности.
Б а л ы г ы ч а н с к и й т е р р е й н К о л ы м о Х е т а г ч а н с к о - О м о л о н с к и й с о с т а в н о й т е р р е й н ( м и к р о к о н т и н е н т ) Б а л ы г ы ч а н с к а я Ю С с у т у р а О м о л о н с к и й С у г о й с к о - Х е т а г ч а н с к и й б л о к б л о к I I I 3 2 0 3 4 0 3 6 0 3 8 0 4 0 0 4 2 0 4 4 0 4 6 0 4 8 0 5 0 0 5 2 0 5 4 0 5 6 0 5 8 0 6 0 0 6 2 0 6 4 0 6 6 0 6 8 0 7 0 0 7 2 0 7 4 0 7 6 0 7 8 0 8 0 0 8 2 0 8 4 А ) к м A A 1 A B 2 C C 3 D 4 М 5 6 H, к м Е, у. е.
1 2 3 3 2 0 3 4 0 3 6 0 3 8 0 4 0 0 4 2 0 4 4 0 4 6 0 4 8 0 5 0 0 5 2 0 5 4 0 5 6 0 5 8 0 6 0 0 6 2 0 6 4 0 6 6 0 6 8 0 7 0 0 7 2 0 7 4 0 7 6 0 7 8 0 8 0 0 8 2 0 8 4 Б ) к м 1 2 3 4 5 6 H, к м 0 0. 0 0 1 0. 0 0 2 0. 0 0 3 0. 0 0 4 0. 0 0 5 0. 0 0 6 0. 0 0 7 0. 0 0 Д Н - Э Ф, у. е.
1 2 3 2 0 3 4 0 3 6 0 3 8 0 4 0 0 4 2 0 4 4 0 4 6 0 4 8 0 5 0 0 5 2 0 5 4 0 5 6 0 5 8 0 6 0 0 6 2 0 6 4 0 6 6 0 6 8 0 7 0 0 7 2 0 7 4 0 7 6 0 7 8 0 8 0 0 8 2 0 8 4 В ) к м 1 2 3 4 5 H, к м -2 E -5 -1. 5E -5 -0. 2 Е -6 1. 2 Е -5 2. 4 Е -J Э Ф, у. е.
1 2 3 3 2 0 3 4 0 3 6 0 3 8 0 4 0 0 4 2 0 4 4 0 4 6 0 4 8 0 5 0 0 5 2 0 5 4 0 5 6 0 5 8 0 6 0 0 6 2 0 6 4 0 6 6 0 6 8 0 7 0 0 7 2 0 7 4 0 7 6 0 7 8 0 8 0 0 8 2 0 8 4 к м Г ) 1 2 3 4 5 6 H, к м 0 2. 5 E - 0 0 5 0. 0 0 0 2 0. 0 0 0 4 0. 0 0 0 6 0. 0 0 0 У с л о в н ы е о б о з н а ч е н и я Д Н - , О м м А ) - С е й с м о э н е р г е т и ч е с к и й р а з р е з Б ) - М о д е л ь Д Н - п а р а м е т р а э ф ф е к т и в н о й п л о т н о с т и - С л о и и б л о к и о б о б щ е н н о й г е о м е т р и з о в а н н о й м о д е л и В ) - М о д е л ь э ф ф е к т и в н о й н а м а г н и ч е н н о с т и 1 - Г р а н и ц ы б л о к о в, в ы д е л е н н ы е п о м е т о д н ы м м о д е л я м Г ) - М о д е л ь Д Н - п а р а м е т р а с о п р о т и в л е н и я Рис. 5. Обобщенная геометризованная модель земной коры по опорному профилю 2-ДВ в сопоставлении с методными моделями 156 0' 0" 153 0' 0" 159 0' 0" А) IV 64 0' 0" IV III II 5 I 62 0' 0" 153 0' 0" 156 0' 0" 159 0' 0" Б) IV 64 0' 0" IV III II 5 I 62 0' 0" Условные обозначения - Рудные районы, минерагенические зоны:
а) б) - Тектонические нарушения а) известные: I - Сеймчанская зона,II - Балыгычано-Сугойская зона, III - Коркодон-Наяханская зона, IV - Южно-Омолонский рудный район; б) прогнозные минерагенические зоны, выделенные - Контуры используемой карты по комплексу геофизических методов. полезных ископаемых - Рудные узлы, преимущественно:
- Трасса профиля 2-ДВ б) а) в) а) золоторудной (Au, Ag,W, Tr) - специаализации- 1-Хулугуньинский, 2-Болшекупкинский, 3 - Верхнеэнгельский, 4 - Балыгычанский, 5 - Кырчанский, 11 - Дукатская зона, 14 - Нябольский, 17 - Мяучанский, 18 - Коркодонский, 19 - Аксуйский, 20 - Верхнекоркодонский, 21 - Верхнеомолонский, 24 -Анмандыканский, 25 - Ягоднинский, 26 - Ольдянский;
б) полиметаллической - 7 - Джагынский, 9 - Бастойский, 10 - Останцовская, 12 - Невская зона, 13 - Гольцовская, 15 - Пестринский узел;
в) серебрянной специализации - 8 - Каховский, 22 - Хакырчанский, 23 - Стрелокский.
Рис. 6. Схема прогноза минерагенических зон в окрестности опорного профиля 2-ДВ на фоне рельефа поверхности эффективной плотности на уровне глубин: 15 км (А) и 40 км (Б) 1 53 0' 0" " ' " ' Совместный анализ этих характеристик свидетельствует, что наиболее резкие изменения свойств среды наблюдаются в интервалах профиля 540-640 км, 700-780 км, а также, что лучшей информативностью для прогноза характеризуются сейсмические, гравиметрические и магнитотеллурические данные (в порядке уменьшения приоритета). Показатели намагниченности отличаются плавными изменениями и практически их использование для решения поставленных задач прогноза ограничено.
Примеры согласованной комплексной модели строения земной коры по профилю 1-СБ приведены на рис. 7. Ее анализ позволяет заключить следующее.
Общей чертой разреза земной коры по профилю 1-СБ является уменьшение в верхней коре значений плотности и скорости, а также увеличение сопротивления (без учета участка, соответствующего Предъенисейскому прогибу) в восточной части профиля (Байкитская антеклиза) по сравнению с западной (Западно-Сибирская плита, Енисейский кряж). Для нижней коры эти характеристики изменяются по-другому: повышение скорости, плотности и понижение сопротивления фиксируются в Западном блоке, а уменьшение первых двух характеристик и увеличение сопротивления - в восточной части профиля. Правда, учитывая большие глубины залегания нижней коры и соответственно погрешности оценок характеристик, приведенный вывод носит, скорее всего, качественный характер.
По особенностям физических характеристик отдельных тектонических элементов, пересеченных профилем можно отметить следующее:
Ц Исаковская зона и Преденисейский прогиб, пограничные с Енисейским кряжем, отличаются более низкими значениями сопротивления, по сравнению с его значениями в пределах Касской зоны на западе и, в особенности, Камовского свода на востоке;
Ц наиболее аномальным является строение коры в пределах Камовского свода, что проявляется:
а) в наличии положительной структуры в рельефе поверхности Мохо, а также во всей толщи консолидированной коры и границах раздела слоев в блоках, б) в эффектах разуплотнения и уменьшения значений скорости распределения продольных волн в верхней коре при относительно высоких значениях сопротивления. Эти эффекты могут быть обусловлены флюидонасыщением этих объектов или частичным плавлением пород, либо их пластичным состоянием.
Особую значимость аномальные физические характеристики в пределах Камовского свода приобретают в связи с их приуроченностью в плане к известной нефтеперспективной Юрубчено-Тахомской зоне и Куюмбинскому месторождению.
Разрезы земной коры могут быть типизированы по особенностям физических характеристик и их взаимосвязям в отдельных тектонических элементах, пересекаемых профилем.
Рис. 7. Комплексная модель строения земной коры по профилю 1-СБ С и б и р с к а я п л а т ф о р м а Е н и с е й с к и й к р я ж З а п а д н о - С и б и р с к а я п л и т а Б а й к и т с к а я а н т е к л и з а В З П р и е н и с е й с к и й П р и е н и с е й с к и й ан ти к л. Цент ра льный ан т ик ли н ори й Анга ро - Питский К а с с к и й бл ок Исаковская зо н а К а м о в с к и й с в о д бл ок синкл 0 100 200 300 400 500 600 700 8к м Породы верхней части земной коры Породы средней части коры - =2.58-2.63г/см, - =2.72-2.73г/см, V=6700-6900м/с - =2.63-2.64г/см, V=5800-6000м/с терригенно- V=6200-6400м/с кварц-биотитовые,двуслюдистые гнейсы, карбонатные отложения гнейсы, сланцы, магматические сланцы, магматические породы среднего (преимущественно терригенные) породы кислого состава состава (гранодиориты, диориты) - =2.7г/см, V=5600 - 6200м/с - =2.69-2.70г/см, - =2.75-2.80г/см, V=6500-7000м/с карбонатно-терригенные отложения V=6200-6500м/с биотит-роговообманковые гнейсы, сланцы, кварц-биотитовые, двуслюдистые магматические породы среднего состава гнейсы и сланцы, магматические породы кислого и среднего состава (грано-диориты, диориты, монцониты) Породы переходного слоя Породы средней и нижней части коры - =2.75-2.8г/см, - =2.85-2.89г/см, V=6800-7100м/с - =3,0-3,03г/см, V=7900-8300м/с V=7000-7200м/с габбро, габбро-диабазы и амфиболиты дуниты, перидотиты, пироксениты и др.
биотит-роговообманковые и (возможно повышенной трещиноватости) амфиболитовые сланцы, - =2.85-2.89г/см, V=7300-7500м/с - >3,07г/см, V>8300м/с кристаллические гнейсы и габбро, габбро-диабазы и амфиболиты эклогиты и др.
магматические породы среднего состава - =2.80-2.85г/см, V=7000-7100м/с - =2.93-2.98г/см, V=7600-7800м/с биотит-роговообманковые и габбро, базальты, сланцы роговообманковые амфиболитовые сланцы, кристаллические гнейсы и магматические породы среднего и основного состава Рис. 8. Прогноз вещественного состава пород земной коры Первый тип разреза земной коры (пк 0-220 км) характеризуется уравнением регрессии плотности и скорости: V = 5088Ц 7446, где V - скорость м/сек, - плотность г/см3. При этом коэффициент корреляции между плотностью и сопротивлением отрицателен и составляет (Ц 0.78).
Второй тип земной коры отмечается на пикетах 220-380 км. Уравнение регрессии плотности и скорости имеет вид V = 4743Ц 6399. Для этого типа разреза отмечается положительная корреляция между плотностью и сопротивлением (0.62).
Для третьего типа коры (пк 380-620 км), уравнение регрессии плотности и скорости имеет вид V = 4064Ц 11 834. Для этого блока характерно наличие отрицательной связи между плотностью и сопротивлением (Ц 0.57).
Четвертый тип коры (пк 620-800 км) имеет уравнение связи плотности и скорости V = 4136Ц 4537. Между плотностью и сопротивлением в блоке наблюдается положительная корреляционная связь (0.76).
Подводя итог рассмотрения комплексной глубинной модели земной коры можно констатировать, что предложенные решения:
Ц обеспечили отображение в полях физических характеристик основных тектонических элементов района исследований, - позволили выявить особенности значений физических характеристик комплексов пород, связанные с условиями, благоприятными для скопления полезных ископаемых, в частности УВ-сырья, - создали предпосылки для районирования типов разреза земной коры по совокупности значений физических характеристик и их взаимосвязей.
На рис. 8 приведен прогноз вещественного состава пород земной коры по опорному профилю 1-СБ Апробация геоинформационной системы ГИС ИНТЕГРО-ГЕОФИЗИКА по материалам геофизических исследований на опорных профилях 1-ЕВ, 1-СБ, 2-СБ, 3-СБ и 2-ДВ показала ее высокую эффективность при построении согласованных физико-геологических моделей и выделении перспективных районов на региональный прогноз углеводородного сырья в пределах осадочных бассейнов Восточной Сибири и твердых полезных ископаемых в пределах кристаллических щитов Восточной Сибири и Дальнего Востока.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В заключении формулируются основные результаты проведенных исследований.
По методико-технологическим решениям:
Х предложена методология формирования информационного обеспечения региональных геофизических исследований по изучению глубинного строения земной коры;
Х разработаны методика и компьютерная технология физикогеологического моделирования строения земной коры как по данным отдельных геофизических методов, так и по их комплексу;
Х дано решение задачи единой геометризации изучаемой среды на основе преобразования данных различных методов к форме относительных характеристик - диференциально-нормированных параметров и их взаимного сопоставления в виде разрезов, аналогичных сейсмическому;
Х показана эффективность использования совокупности ДН-параметров, соответствующих компонентам полного нормированного градиента, как средства монометодной геометризации геоэлектрических и геоплотностных разрезов;
Х проведено опробование различных подходов к оценке плотностных характеристик среды, основанных на спектральных преобразованиях и зондировании поля силы тяжести;
Х создана методика оценки физических свойств согласованной модели и типизации строения земной коры по взаимосвязям различных физических характеристик.
По построению геоинформационных систем:
Х разработана ГИС ИНТЕГРО-ГЕОФИЗИКА, включающая средства конвертирования данных разных геофизических методов и их форматов в единую информационную среду, программно-технологические процедуры по решению прямых и обратных задач интерпретации монометодных данных, инструменты интегрирования их результатов для согласования физических и геометрических параметров геологического разреза, что обеспечивает построение комплексных физико-геологических моделей земной коры.
По геологической интерпретации:
Х построены согласованные комплексные физико-геологические модели по региональным профилям 1-ЕВ для Восточно-Европейской платформы, 1СБ, 2-СБ и 3-СБ по Восточной Сибири, 2-ДВ для Дальнего Востока;
Х обоснованы критерии и методика прогноза минерагенически благоприятных зон на основе локализации в земной коре областей тектономагматической активизации, а для углеводородных объектов на основе учета особенностей строения осадочного чехла;
Х дана оценка планового положения минерагенически перспективных районов путем совместного учета глубинных критериев и положения известных месторождений.
Основные публикации по теме диссертационного исследования 1. Галуев В.И., Каплан С.А., Никитин А.А. Технология создания физико-геологических моделей земной коры по региональным профилям на основе геоинформационных систем : монография / под ред. проф., д.т.н. Е.Н. Черемисиной. - М. : ГНЦ РФ ВНИИгеосистем, 2009. - 236 с.
2. Галуев В.И. Геофизические модели земной коры по фрагменту опорного профиля 1-СБ // Геофизика. - 2008. - № 5. - C. 33-40.
3. Черемисина Е.Н., Деев К.В., Андреев В.С., Галуев В.И. и др. Создание государственных геологических карт на базе ГИС ИНТЕГРО. - М. : ГНЦ ВНИИгеосистем, 2001. - 208 с.
4. Галуев В.И., Левин А.С., Малинина С.С., Пиманова Н.Н. Блок обработки геофизических данных для решения прогнозных задач. - М. : МПР, ГНЦ ВНИИгеосистем, 2000. - 62 с.
5. Галуев В.И. ГИС ИНТЕГРО-ГЕОФИЗИКА - геоинформационная система интегрированной интерпретации геофизических данных для изучения глубинного строения земной коры // Геоинформатика. - 2006. - № 1. - С. 3-9.
6. Черемисина Е.Н., Галуев В.И., Каплан С.А., Малинина С.С. Методика выделения опорных глубинных границ изменения физических свойств для решения задач интегрирования геоинформации при региональных геофизических исследованиях // Геоинформатика. - 2004. - № 1. - С. 50-53.
7. Черемисина Е.Н., Галуев В.И., Малинина С.С. Функциональное обеспечение унифицированной системы обработки и интерпретации геологогеофизических данных на региональных профилях // Геоинформатика. - 2001. - № 1. - С. - 19-24.
8. Никитин А.А., Каплан С.А., Галуев В.И., Малинина С.С. Определение физико-геометрических свойств земной коры по данным геофизического комплекса // Геоинформатика. 2003. № 2. С. 29-38.
9. Каплан С.А., Галуев В.И., Пиманова Н.Н., Малинина С.С. Комплексная интерпретация данных исследований на опорных профилях // Геоинформатика. - 2006. - № 3. - С. 38-46.
10. Галуев В.И. Технология построения физико-геологических моделей земной коры по региональным профилям // Геоинформатика. - 2008. - № 3. - C. 1-12.
11. Сеннер А.Е., Галуев В.И. Алгоритм распознавания поверхностей максимального градиента для трехмерных моделей распределения физических параметров // Геоинформатика. 2008. № 2. С. 32-36.
12. Галуев В.И. Формирование информационного обеспечения региональных геофизических исследований // Геоинформатика. 2008. № 3. С. 53-57.
13. Хераскова Т.Н., Каплан С.А., Галуев В.И. Строение Сибирской платформы и ее западной окраины в рифее-раннем палеозое // Геоинформатика. 2009. № 2. С. 37-56.
14. Готтих Р.П., Каплан С.А., Писоцкий Б.И., Галуев В.И. Процессы становления и преобразования земной коры Сибирской платформы в районах нефтегазонакопления по геолого-геофизическим данным // Разведка и охрана недр. - 2007. - № 11. - С. 62-66.
15. Аккуратов О.С., Черемисина Е.Н., Галуев В.И., Каплан С.А. Супервайзинг как лекарство от брака // Нефтесервис. - 2009. - № 1. - С. 51-55.
16. Галуев В.И., Малинина С.С. Компьютерная технология интегрированного анализа и интерпретации геологических и геофизических данных на региональных профилях (Computer technology for integrated analysis and interpretation of geological and geophysical data for regional profiles) // The 33rd International Geological Congress, Норвегия, Осло, 5-14 августа 2008 г.
17. Галуев В.И., Готтих Р.П., Каплан С.А., Малинина С.С., Писоцкий Б.И.
Строение консолидированной земной коры в областях нефтегазонакопления по данным комплексной интерпретации геофизических материалов // Материалы Международной конференции Геомодель-2007, Геленджик, 16-сентября 2007 г.
18. Галуев В.И., Готтих Р.П., Каплан С.А., Писоцкий Б.И. Процессы становления и преобразования земной коры Сибирской платформы в районах нефтегазонакопления по результатам обработки и интерпретации комплекса геофизических данных (Evidences of processes of formation and conversion of the EarthТs crust in oil-and-gas accumulation zones of Siberian Platform based on the results of integrated processing and interpretation of geophysical data) // Модели земной коры и верхней мантии (по результатам глубинного сейсмопрофилирования) : материалы Международного научно-практического семинара, г. Санкт-Петербург, 18-20 сентября 2007 г. - СПб. : ВСЕГЕИ, 2007. - С. 22-26.
19. Черемисина Е.Н., Галуев В.И., Каплан С.А., Киреев А.С., Малинина С.С. Прогноз УВ-перспективных областей по результатам комплексной обработки и интерпретации данных исследований на опорных геофизических профилях (Forecast of the HC-hydrocarbon prospective areas, that is according to results of integrated processing and interpretation of research data on control geophysical profiles) // Нефть и газ Юга России, Черного, Азовского и Каспийского морей - 2006 : материалы III Международной конференции, Геленджик, 23-27 мая 2006 г.
20. Черемисина Е.Н., Галуев В.И., Каплан С.А., Киреев А.С., Малинина С.С. Прогноз минерагенически перспективных областей по результатам комплексной обработки и интерпретации данных исследований на опорных геофизических профилях (Forecast of the mineral-raw prospective areas, that is according to results of integrated processing and interpretation of research data on control geophysical profiles) // Науки о земле. Найти и извлечь : материалы Международной конференции EAGE, Санкт-Петербург, 16-19 октября 2006 г.
21. Черемисина Е.Н., Галуев В.И., Каплан С.A., Малинина С.С., Пиманова Н.Н. Моделирование Земной коры с использованием ГИС ИНТЕГРО // Cедьмые геофизические чтения имени В.В. Федынского, Москва, 3-5 марта 2005 г.
22. Черемисина Е.Н., Галуев В.И., Каплан С.А., Малинина С.С. Физико-геометрическое моделирование земной коры по данным геофизического комплекса // Материалы 1-й Генеральной ассамблеи Европейского союза по геонаукам (European Geosciences Union - EGU), Франция, Ницца, 25-30 апреля, 2004 г.
23. Черемисина Е.Н., Галуев В.И., Малинина С.С. Разработка макета технологии ИНТЕГРО-Геофизика для обработки и интерпретации геологогеофизических данных по региональным профилям // Новые идеи в науках о Земле : материалы V Международной конференции, Москва, 2001 г.
24. Галуев В.И., Писоцкий Б.И., Готтих Р.П., Малинина С.С., Каплан С.А.
Возможности прогнозирования нефте-и газоперспективности территорий древних платформ на основе интерпретации геофизических исследований на опорных профилях // Материалы VII Международной научно-практической конференции Геомодель-2005, г. Геленджик, 11-17 сентября, 2005 г.
25. Галуев В.И., Каплан С.А., Пиманова Н.Н. Комплексная интерпретация данных исследований на опорных профилях // Углеводородный потенциал фундамента молодых и древних платформ (перспективы нефтегазоносности фундамента и оценка его роли в формировании и переформировании нефтяных и газовых месторождений) : материалы Международной научной конференции, г. Казань, 06-08 сентября, 2006 г. - Казань : Изд-во Казанск. ун-та, 2006. - С. 54-55.
26. Готтих Р.П., Писоцкий Б.И., Галуев В.И., Малинина С.С., Каплан С.А.
Глубинные флюиды в формировании аномальных полей и нефтеобразовании // Дегазация Земли: геофлюиды, нефть и газ, парагенезисы в системе горючих ископаемых : тезисы Международной конференции, Москва, 30-31 мая - 1 июня, 2006 г. - М. : ГЕОС, 2006. С. 86-89.
27. Готтих Р.П., Каплан С.А., Писоцкий Б.И., Галуев В.И. К полигенезу нафтидов // Актуальные проблемы нефтяной геологии : сб. материалов Международной конференции. - Спб. : Изд-во ВНИГРИ, 2007. - С. 61-69.
28. Готтих Р.П., Галуев В.И., Каплан С.А., Писоцкий Б.И. Геодинамика, магматизм и нефтеобразование // Фундаментальные проблемы геологии и геохимии нефти и газа и развития нефтегазового комплекса России : сб. статей. - М. : ГЕОС, 2007. - С. 55-65.
29. Готтих Р.П., Каплан С.А., Галуев В.И., Малинина С.С. Строение консолидированной земной коры в областях нефтегазонакопления по данным комплексной интерпретации геофизических материалов // Материалы Х Международной научно-практической конференции Геомодель-2007, Геленджик, 16-21 сентября 2007 г.
30. Готтих Р.П., Каплан С.А., Галуев В.И., Писоцкий Б.И. Взаимосвязь между эндогенными процессами и формированием Юрубчено-Тохомской зоны нефтенакопления Сибирской платформы (по материалам геофизического профиля 1-СБ) // Докл. РАН, 2009.