Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Математическое моделирование поля вызванной поляризации с учетом влияния вмещающего геоэлектрического разреза

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Математическое моделирование поля вызванной поляризации с учетом влияния вмещающего геоэлектрического разреза"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА

гГб ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Од

На правах рукописи

МАРИО ИГНАСИО МОНХЕ СИМОНС

УДК 550.837

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛЯ ВЫЗВАННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ВМЕЩАЮЩЕГО ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЕЗА

Специальность 04.00.12

ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОИСКОВ И РАЗВЕДКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геопого-минерапогических наук

МОСКВА - 1994

Работа выполнена на кафедре геофизических методов исследована земной коры геологического факультета Московского государственногс университета имени М.В.Ломоносова.

Научный руководитель - кандидат геолого-минералогически)

наук В.А.Шевниь

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Ю.В.Якубовский

кандидат геопого-минералогических наун

А. А.Рыжое

Ведущая организация - Воронежский государственный университет

Защита диссертации состоится 18 мая 1994 в _ час. _ мин. нг

заседании Специализированного совета Д 053.05.24 в Московскоь государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Ленинские горы, МГУ, Геологический факультет, зона "А", ауд.308. Тел.(095) 939-49-63, Факс (095) 939-43-70, Е -ша 11: postшaster@geophys .geol.niiiu.SLi

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геопогическогс факультета МГУ, зона "А", 6-ой этаж.

Автореферат разослан 18 апреля 1994 года.

Ученый секретарь Специализированного совет кандидат технических наук

Б.А.Нику лиь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Методы электроразведки, использующие явление вызванной поляризации (ВП) горных пород, являются ведущими при изучении рудных месторождений. Но в последнее время эти методы находят все большее применение для решения других разнообразных задач: питологического расчленения разреза, инженерно-гидроге-элогических, геоэкологических и нефтегазовых. Кроме того, явление ВП проявляется при изучении среды другими модификациями электроразведки, указывая влияние на электрические и магнитные параметры изучаемых полей, а также, вероятно на вариации естественного электромагнитного юля [ 19] [20].

Все это указывает на то, что проблемы, связанные с интерпретацией эезультатов метода вызванной поляризации (ВП) , являются весьма актуальными. Теоретическое изучение явления ВП, наибольший вклад в соторое внесен работами С.М.Шейнманна, В.А.Комарова, В.В.Кормипьцева, >.И.Генадинника, А.Н.Мезенцева, А.А.Рыжова, С.Ю.Баласаняна, H.o.sei-jel и др., проходит на трех уровнях. Первый - на уровне физико-омической теории, в которой ЭДС ВП связывается с перенапряжением 1азряда, адсорбции и диффузии и из которой следует линейная связь 1ежду эффектами ВП и вызывающим током. Второй проходит на уровне )еноменологической теории, в которой предполагается однородность войств контакта двух фаз и линейность или кусочная линейность ЭДС П по отношению к току. Третий - основан на изучении нелинейных роцессов ВП. Необходимо отметить, что их трех этих направлений □ сновном получило развитие изучение вещественного состава и структуры опяризуемого объекта. В настоящее время, например, по спектрам ВП дается судить о размерах и форме рудных включений, а также о труктуре токопроводящего внутрипорового пространства. Тем не менее, а наш взгляд, существует также важный аспект метода ВП, связанный о структурным фактором, то есть с влиянием вмещающего фонового еоэлектрического разреза на аномалии ВП. Депо в том, что эффект ВП чень сильно зависит от величины избыточной поляризуемости обьекта

и от огиоситепьной ппотности тока зота=зинутр/звнеш, который протекает через этот поляризуемый объект. Как показали последние исследования по моделированию электрического поля в сложно-построенных средах, распределение ппотности тока очень сильно зависит от строения и структуры геоэлектрического разреза.

Таким образом, возникает необходимость рассмотреть влияние сложно-построенной среды на величину аномалии ВП. Изучению этого вопроса и посвящена данная диссертационная работа. Цепь и задачи работы. Цепью работы является изучение влияния вмещающего разреза на аномалии ВП. В соответствии с этим в работе решались следующие задачи:

1. Разработка аппарата математического моделирования стационарного электрического попя для трехмерных (зэ) и двумерных (20) сред.

2. Анализ эффекта изменения величины аномалии ВП в горизонтально-слоистых, 20 и зо средах.

3. Оценка искажений попя кажущихся сопротивлений, связанных с трехмерностью среды.

4. Создание эффективных автоматических систем изучения вмещающей горизонтапьно-сп^истой среды методом ВЭЗ.

5. Оценка влияния вмещающей среды на поляризуемые объекты для различных геологических ситуаций (Центральный Казахстан, Воронежская антеклиза).

Новые научные результаты.

1. Создан эффективный аппарат для математического моделирования трехмерных сред.

2. Рассмотрены пути повышения эффективности аппарата моделирования стационарного электрического попя.

3. Применяя аналог функции Дар-Заррук применительно к ВЭЗ-ВП, получены соотношения, связывающие величину аномалии ВП с вмещающим горизонтально-слоистым геоэлектрическим разрезом.

4. Проанализировано влияние распределения поляризуемости слоев на результаты интерпретации данных метода ВЭЗ-ВП при исследованиях

горизонтально-слоистых сред.

5. Впервые проведен систематический анализ эффекта влияния вмещающей среды на величину аномалии ВП в сложно-построенных 20 и зо средах. Практическая ценность работы.

.1. Созданный аппарат моделирования для зо сред дает возможность оценить эффективность метода ВП, как на этапе проектирования геофизических работ, так и при интерпретации данных этого метода.

2. Получен аналог функции Дар-Заррук для ВЭЗ-ВП, который позволяет выявить степень проявленности всех слоев и оценить эффективность метода ВЭЗ-ВП для различных горизонтально-слоистых моделей, благодаря более четко-дифференцируемому проявлению каждого слоя по поляризуемости.

3. Рассмотренные искажения электрического поля в зо средах позволяют учитывать их при интерпретации полевых результатов.

4. Созданная автоматическая система обработки данных методом ВЭЗ является удобным инструментом при поточной обработке больших объемов данных для получения предварительного геоэпектрического разреза.

Внедрения. Разработанные программные продукты расчета стационарного шектрического поля в трехмерно-неоднородных средах и системы стоматической обработки данных ВЭЗ, а также результаты моделирования 1 интерпретации по этим программным продуктам внедрены в ряде научно-1сслед0ватепьских, проектных и производственных учреждениях: 'Атомэнергопроект" Минатомэнерго России, ПГО "Центргеопогия", 1оронежская Геолого-Геофизическая экспедиция, Гипроречтранс, 1жезказганская Геолого-Геофизическая экспедиция, Карагандинское ПГО. :роме этого эти программные продукты широко используются на отделении еофизики геологического факультета МГУ.

пробация работы. Основные результаты диссертационной работы окладывались и обсуждались на научных конференциях молодых ученых еопогического факультета МГУ (Москва 1991-1993 гг) ; на ежегодном аучном семинаре им. Д.Г.Успенского (Москва 1991 гг.); на Всесоюзном

семинаре "Использование геофизических методов для решения геоэкологических, инженерно-геологических и гидрогеологических задач" (Ташкент

1991 гг.), а также на Втором Всесоюзном совещании-семинаре "Инженерно-физические проблемы новой техники" (Москва МГТУ им. Баумана

1992 гг.) .

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 5 опубликованных работах и в двух разделах учебного пособия "Электрическое зондирование геологической среды", М., изд.МГУ, ч.2. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. г

Диссертация выполнена автором на кафедре геофизических методов исследования земной коры геологического факультета Московского Государственного Университета им. М.В.Ломоносова.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Зведение. Обосновывается актуальность работы, перечисляются ее цепи л задачи, далее приводятся полученные результаты и отмечается их практическая ценность и новизна. Приведены обьем и структура работы.

"ЛАВА I. АППАРАТ МОДЕЛИРОВАНИЯ СТАЦИОНАРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В СЛОЖНО-ПОСТРОЕННЫХ СРЕДАХ.

Во многих случаях рудные залежи рассматриваются как локальные гепа. Поэтому при создании аппарата моделирования электрического попя 1ео6ходимо учитывать эту особенность. Для таких ситуаций лучше всего юдходят программы решения прямой задачи для трехмерно(зо)- и 1вумерно-неоднородных(20) сред.

Первый параграф посвящен вопросу создания программы расчета фямой задачи электрического попя в слоистой среде, содержащей шкальные трехмерные неоднородности. При решение этой задачи 1СПользовался один из основных методов численного моделирования :тационарного электрического поля - метод вторичных зарядов, как юдификация метода интегральных уравнений (МИУ). Использование МИУ I электроразведке постоянным током связано с работами ь.А1^апо, 1.М.Альпина, В.И.Дмитриева, Е.В.Захарова, С.Н.НоЬтапп и др. В 1астоящее время многие авторы занимаются дальнейшим развитием этого 1етода, в частности необходимо выделить работы А.Г.Яковлева, .А.Кускова, И.Н.Модина, где даны устойчивые вычислительные методы ешения. В рассматриваемом автором методе вторичных зарядов, сточники аномального поля располагаются в виде простого слоя на оверхности неоднородности. Этот метод обычно применяется для одепей, в которых однородные тепа находятся в полупространстве или пределах одного из слоев горизонтально-слоистого разреза. Автором ассмотрена возможность применения метода в случае пересечения еоднородностями границ слоев вмещающего разреза. Интенсивность торичных источников находится из интегрального уравнения:

13(М)=К(М)

5о(м)_|ас^м11а(р)с13р

где М - точка наблюдения, Р - точка на границе неоднородности, Еп° -компонента нормального поля, С(Р,М) - функция Грина для вмещающего горизонтально-слоистого разреза, а коэффициент контрастности К зависит от того, к какому элементу поверхности неоднородностей принадлежит точка М. При дискретизации это интегральное уравнение сводится к системе линейных алгебраических уравнений. При определении кажущейся поляризуемости среды используется схема предложенная н.о.Бе1де1 и В.А.Комаровым, которая сводится к следующему:

Рк ~ Рк Рк*

где р это значения кажущихся сопротивлений, рассчитанные для среды с учетом ее поляризации, то есть с измененными сопротивлениями р*1г где р*1=р1/ (1-г11) , а 1- это номер слоя или номер неоднородности, входящей в модель. Все это нашло отражение в созданной эффективной программе трехмерного моделирования мхм_зо, ориентированной на 1вм рс-совмес-тимые компьютеры. Пример расчета поля рк для трехслойной модели среды, содержащей четыре локальные неоднородности, различающиеся по сопротивлениям показан на рис

1 Рис.1. Поле от четырех неоднород-

Во втором параграфе рас-смот- ностей в слоистой среде

рен вопрос создания программы двумерного моделирования. При этом

решались следующие задачи: первая, связана непосредственно с

разбиением на элементы всех границ сложно-построенной среды. Дело в

том, что обычно в практике метода интегральных уравнений используется

аппроксимация вторичного источника точечным. На значительных

расстояниях от источника такой подход является оправданным. Однако

при приближении к центру такого источника возникают ошибки, связанные

: тем, что в общем спучае они представляют собой отрезки прямых с юстоянной плотностью "простого слоя" зарядов и таким образом не ¡ыполняется условие "точечности" источника. Это довольно часто можно 1а6людать на узлах сетки сочленения блоков; вторая задача связана с юдифицикацией алгоритма для повышения эффективности расчета.

При решении первой задачи было предложено аппроксимировать те коричные источники, для которых не выполняется условие "точечности", 1инейным источником тока. При решении второй проблемы предлагается 1спользовать итерационный способ (метод Зейделя) решения системы 1инейных уравнений вместо метода Гаусса.

В третьем параграфе рассмотрены пути повышения эффективности |асчетов прямых задач. В настоящее время, в связи с повсеместным 1ироким внедрением различных компьютерных платформ, важным моментом тановиться правильный выбор аппаратной реализации конкретного асчета. В частности использования компьютеров на Rise (Reduced nstruction Set Computer) процессорах ведет к резкому количественному ювышению производительности расчетов прямых задач. Это в свою чередь позволяет создавать эффективные программы решения обратной адачи для сложно-построенных трехмерных сред.

Четвертый параграф посвящен анализу особенностей искажений тационарного электрического поля в трехмерных средах. На основе роведенного анализа результатов моделирования можно сделать ледующие выводы: 1. Специфической особенностью искажений эпектри-еского поля над трехмерными объектами является боковое обтекание. . Оно приводит к сглаживанию кривых рк относительно двумерных ривых. з. Боковое обтекание оказывает влияние на кривые рк, змеренные вне неоднородности, аналогично эффекту переноса формы. 4. асчеты показывают, что при соотношении ширины к длине объекта ольше б (для центрального профиля), можно считать тело двумерным. ПАВА II. ВЛИЯНИЕ ГЕОЭПЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЕЗА СЛОЖНО-ПОСТРОЕННОЙ СРЕДЫ А АНОМАЛИИ ВЫЗВАННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ.

В данной главе рассмотрен ряд основных моделей характеризующих пияние геоэлектрического разреза на попе ВП.

В первом параграфе на основе модели локального поляризуемого тепа в однородном полупространстве рассматривается зависимость поля t|k от сопротивления объекта. Аномалия кажущейся поляризуемости над такии объектом может совсем пропасть, когда отношение сопротивлений между вмещающей средой и неоднородностью достигает величины 1:зо. При stoiv аномалия рк практически достигает своего насыщения. Такой парадокс объясняется идентичностью аномалий электрического поля для неполяри-зующегося и поляризующегося объектов, если их сопротивление сильно отличается от сопротивления вмещающей среды.

Во втором параграфе рассматривается влияние типа разреза на величину аномалии ВП. Локальное поляризуемое тело находится во втором слое трехслойной среды. Отношение сопротивлений неоднородности и вмещающего слоя остается постоянным, изменяется тип разреза (K,q,a и Н разрезы). Максимальные значения наблюдаются при типе разреза Н, так как в этом случае во втором слое достигается наибольшая концентрация тока.

В третьем параграфе анализируются эффекты высокоомного и низкоомного экранирования. Наличие слоя-'^крана" в вышележащей толще (относительно слоя с поляризуемым объектом) приводит к понижению величины аномалии ВП. Особенно влияет низкоомное экранирование, так как при нем достигается наибольшая деконцентрация тока вблизи поляризуемого объекта.

В четвертом параграфе рассмотрен эффект бокового экранирования. Наличие вдоль профиля наблюдений вблизи поляризуемого объекта мощного высокоомного тепа ведет к понижению величины аномалии.

В пятом параграфе рассмотрено влияние бокового обтекания на величину аномалии ВП.

ГЛАВА III. ИЗУЧЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНО-СЛОИСТОГО РАЗРЕЗА С ПОМОЩЬЮ ВЭЗ-ВП И ВЭЗ.

Данная глава посвящена проблемам анализа геологических возможностей метода ВЭЗ-ВП для многослойного геоэлектрического разреза и проблемам создания эффективных систем изучения вмещающего горизонтально-слоистого разреза с помощью метода ВЭЗ.

В первом параграфе предлагается для изучения влияния отдельных араметров разреза на кривые ВЭЗ-ВП использовать подход, основанный а аналоге функции Дар-Заррук применительно к методу ВЭЗ-ВП.

Для горизонтально-слоистых разрезов р(г) функция Дар-Заррук р02,1102) рассчитывается следующим образом:

рс2 = УТ(2) /3(2)", = у/Т (г) -БСгТ ■

По аналогии для параметров ВП может быть введена функция ог-1Р. читывая, что изменение истинного удельного сопротивления 1-го блока эрных пород под влиянием поляризуемости представляется в виде 1*=Рл./ (1_ги) ( эффективную поляризуемость формально можно представить виде:

Рр2^Ро2-Ю0%> где Ь0*2=\/Т'- Э*.

Рог

Отметим, что кривые ог-1Р похожи на кривые Т1К. При этом на ог-1Р аждый спой проявляется отдельным отрезком, и поэтому можно четко тределить степень влияния каждого слоя на кривую ВЭЗ-ВП (по форме зивой ог-1Р). При аналитическом преобразовании этой формулы получено 1едующее выражение:

(с^><

»е снх, с,.1 - относительные вклады 1-ого слоя по Бит параметрам ютветственно. Эта формула прямо связывает величину т)Ер с величиной :тинной поляризуемости, а также с характером распределения й и Т фаметров разреза. На конкретном примере показана состоятельность ого утверждения.

Во втором параграфе рассмотрена созданная группой сотрудников |федры геофизики МГУ (авторы: А.В.Волгин, Д.С.Копдаев, М.И.Монхе

Симоне) система автоматической обработки данных, полученных методо ВЭЗ. Система (автоматизированное рабочее место) получила название АРМ-FAX (Fast Automatic Interpretation). Система ориентирована н большой обьем данных, которые обрабатываются в рамках одного задания поэтому структурной единицей системы является профиль кривы зондирования. Все операции обработки и интерпретации производятся на одним профилем, но могут производиться и над отдельной кривой, качестве алгоритма для интерпретации одной кривой взят алгоритм zohd A.R.R, так как он обладает наибольшим быстродействием из известны методов подбора. Все операции обработки и интерпретации могу производиться без учета какой-либо априорной информации, как автоматическом, так и в ручном режиме. Визуализация и сохранени данных осуществляется на всех этапах обработки материала, от исходны кривых до геоэлектрического разреза. Система является законченны программным продуктом и успешно используется при поточной обработк больших объемов данных ВЭЗ для получения предварительного геоэпек трического разреза.

В третьем параграфе рассмотрены алгоритмы понижения количеств слоев для многослойной модели. Это наиболее важно при автоматическо: интерпретации результатов метода ВЭЗ. Предложено два подхода: первый позволяет контролировать на каждом шаге невыход за область эквивален тных решений и его можно по аналогии с МТЗ назвать контролируемо! трансформацией; во втором подходе, полученная при этом модел является самым малослойным решением, из предположения, что крива: зондирования заведомо не осложнена шумами и помехами и являете: одномерной. Кроме этого подход позволяет увидеть относительную poni макроанизотропии и учесть кажущуюся макроанизотропию (в отличи* например от алгоритма предложенным Zohdy A.R.R.).

ГЛАВА IV. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВМЕЩАЮЩЕГО РАЗРЕЗА НА ВЕЛИЧИНУ АНОМАЛИИ BI ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ СИТУАЦИЙ.

Полученные в данной главе результаты позволяют продемонстрировав эффективность аппарата двумерного и трехмерного моделирования npi решении конкретных геологических задач, которые ставятся nepej

!ТОДОМ ВП.

В первом параграфе рассмотрены проблемы возникшие при выявлении ;рспективности одного из марганцевых рудолроявлений Центрального 1захстана. Петельное математическое моделирование ряда возможных юлогических решений позволило сделать вывод о форме рудных теп, жцентрации в них полезных компонентов и предположительно о юисхождении руд, что повысило поисковую перспективность исследо-нного участка.

Во втором параграфе дан анализ влияния низкоомного экранирования величину аномалии ВП для сульфидных месторождений Воронежского исталлического массива. С помощью трехмерного моделирования тановлено, что наличие даже небольшого по мощности низкоомного слоя осадочной толще ведет к резкому снижению величины аномалии ВП. При ом эффект экранирования начинает заметно сказываться при соотноше-И СОПрОТИВЛеНИЙ Росад/Рэф>3-

В заключение даны краткие выводы по теме диссертации.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМОЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Наряду с избыточной поляризуемостью сильное воздействие на амплитуду аномалий вызванной поляризации оказывает структурный фактор (вмещающий геоэпектрический разрез). Игнорирование структурного фактора ведет к серьезным ошибкам при оценке перспектив и интерпретации аномалий ВП. Наиболее сильное воздействие на аномалии ВП оказывают эффекты высокоомного и низкоомного экранирования, а также наличие значительных по размерам проводников вблизи питающих электродов, что приводит к глобальному перераспределению плотности тока в геоэлектрическом разрезе.

2. На основе трехмерного моделирования доказано, что специфической особенностью искажений кривых ВЭЗ и ВЭЗ-ВП является эффект бокового обтекания, который приводит к сглаживанию кривых ВЭЗ и ВЭЗ-ВП относительно кривых над аналогичными 20-объектами.

3. Применяя к данным ВЭЗ-ВП подход, основанный на функции Дар-Заррук, были получены соотношения, прямо связывающие величину

аномалии ВП с распределением сопротивлений во вмещающем ropi зонтапьно-слоистом разрезе. Эти соотношение позволяют оцени" проявленность по поляризуемости отдельных слоев на кривых ВЭЗ-ВГ

4. Для оперативной оценки параметров вмещающего горизонтальж слоистого разреза целесообразно использовать систему Ьыстр< автоматической обработки профильных данных ВЭЗ.

5. В результате реализации предложенной методики интерпретации учета влияния геоэпектрического разреза на аномалии ВП бьм решены конкретные геологические задачи на ряде объектов.

СПИСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Шевнин В.А., Модин И.Н., Яковлев А.Г., Симоне Монхе.М. и д[

Методика и программное обеспечение интерпретации данных MeTOi

сопротивлений. /"Геофизические исследования в гидрогеологии и инл геологии", Тр. Гидроингео, Ташкент: САИГИМС, -1991. с.74-81

2. Монхе Симоне М.И., Модин И.Н. Особенности искажений эпектрическог поля в трехмерных средах. //Деп.в сб."Мат-пы xvin науч. конф. мог уч. и асп. Геол. ф-та МГУ", Деп. в ВИНИТИ, per.N: 588-В92,5с, -19S

3. Монхе Симоне М.И., Модин И.Н., Яковлев А.Г. Программа модепировг ния электрического поля над трехмерными телами, помещенными горизонтально-слоистую среду // Там же, бс.

4. Монхе Симоне М.И., Модин И.Н. Численное моделирование электричес кого поля в слоистой среде, содержащей локальную неоднородность //"Инженерно-Физические Проблемы Новой Техники", Мат-пы второг всесоюзного совещание-семинара -Москва: Изд-во МГТУ, -1992.

5. Монхе Симоне М.И., Волгин А.В, Копдаев Д.С. Автоматическая систег^ интерпретации данных, полученных методом ВЭЗ. // Там же.

6. Электрические зондирования геологической среды ч.2 / Под редакцие Хмелевского В.К., Шевнина В.А.: Учебное пособие. -М, Изд-во МГУ 1992 .