Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Сплошные зондирования горизонтально-неоднородных сред

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

Автореферат диссертации по теме "Сплошные зондирования горизонтально-неоднородных сред"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

Р Г Б О Л ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

на правах рукописи УРУСОВА (Любчикова) Александра Владимировна

УДК" 550.837

СПЛОШНЫЕ ЗОНДИРОВАНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНО-НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД

Специальность 04.00.12 геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

МОСКВА - 1995

Работа выполнена на кафедре геофизических методов исследования земной коры геологического факультета Московского Государственного Университета имени М.В.Ломоносова.

Научный руководитель - кандидат геолого-минералогических наук,

доцент В.А. Шевнин

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор B.C. Светов

кандидат геолого-минералогических наук

A.A. Рыжов.

Ведущая организация - Московское Отделение Ин-та АтомЭнергоПроект

Защита диссертации состоится 15февраля 1995г.в 14 час. 30 мин. на заседании Специализированного совета Д 053.05.24 в Московском Государственном Университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Ленинские горы, МГУ, Геологический факультет, зона "А", ауд, 308.

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

Автореферат разослан 12 января 1995 года.

Ученый секретарь Специализированного совета, кандидат технических наук

Б.А. Никулин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Метод ВЭЗ, находит широкое применение при решении широкого круга геологических и геоэкологических задач. При этом, интерпретация данных ВЭЗ проводится в рамках горизонтально-слоистых моделей. Однако, практический опыт показывает, что во многих случаях верхняя часть разреза не может быть представлена как горизонтально-слоистая, так как в разрезе присутствуют двумерные и трехмерные неоднородности. Особенно сильное влияние оказывают неоднородности приповерхностного слоя, как самые близкие к точкам возбуждения и измерения поля. Искажения, вызванные этими неоднородностями, приводят к серьезным ошибкам при формальной интерпретации с помощью аппарата, разработанного для горизонтально-слоистых сред. Кроме того, эти явления сильно затрудняют выявление глубинных неоднородностей - обьектов поиска.

Для выявления аномалий, связанных с горизонтальными неоднородностями разреза, необходима специальная методика полевых наблюдений, позволяющая подчеркнуть эффекты от объектов поиска и ослабить искажения, вызванные геологическим шумом. Таким образом, возникает необходимость в развитии единой технологии зондирований в условиях горизонтально-неоднородных сред, объединяющей методику сьемки, визуализации, обработки и интерпретации данных. Основой этой технологии является методика полевых наблюдений - сплошные электрические зондирования (СЭЗ) Термин "Сплошные электрические зондирования - СЭЗ" предложен в работах сотрудников кафедры геофизики А А. Либермана, Б.П. Петрухина (1981) и В.К. Хмелевского. Окончательно методика сьемки сформировалась в 1991 -92 гг, когда произошло осознание роли геологических помех как неотъемлемого компонента любой 20 модели. Полевые наблюдения проводятся с помощью трехэлектродной комбинированной установки (Атп, тпВ), с линейным увеличением разносов питающей линии АВ, шаг по профилю равен шагу по разносам и составляет 1/10 максимального разноса.

Методика СЭЗ позволяет применять специальные способы обработки данных, направленные на выявление, диагностирование и устранение искажений, вызванных геологическим шумом, а также на выявление и определение свойств глубинных неоднородностей - объектов исследования.

Цели и задачи работы. Основная цель работы заключалась в создании и раз витии аппарата обработки данных ВЭЗ в условиях сложно-построенных сред с учета их искажений. Для достижения этого были поставлены следующие задачи:

1. Разработка оптимальной методики наблюдений в условиях горизонтально неоднородного разреза.

2. Исследование признаков искажений кривых ВЭЗ и разработка аппарата и совместного учета.

3. Исследование факторов, определяющих величину смещения сегментов криво ВЭЗ для различных приемных линий и разработка правил приведения сегментов непрерывной кривой.

4. Разработка аппарата выявления, диагностирования и устранения аномалий

помех.

5. Разработка способов выявления, определения свойств и параметров локальны глубинных неоднородностей.

Новые научныэ результаты.

1. Разработана единая технология изучения горизонтально-неоднородных сред связывающая методику полевыхнаблюдений, способы визуализации, обработки и интер претации данных. Методика сплошных электрических зондирований позволяет, с одно стороны, детально изучить фоновый разрез и получить достаточно полную информаци! о глубинных неоднородностях, а с другой - ослабить влияние геологического шума.

2. Исследованы и сформулированы признаки искажений кривых ВЭЗ, а также, п результатам численного моделирования электрического поля в неоднородных среда; выработаны их количественные оценки.

3. Выполнен систематический анализ факторов, определяющих расхождени сегментов кривой ВЭЗ для разных приемных линий. Получена формула учета влияни длины МЫ на кривые ВЭЗ и сформулированы правилакорректного приведения сегменго кривой ВЭЗ к непрерывной кривой в условиях горизонтально-неоднородных сред.

4. Разработан аппарат двумерных трансформаций, позволяющий выявлять диагностировать искажающие эффекты, а также определять свойства, ориентирово1 ные размеры и местоположение локальных неоднородностей разреза. Трансформаци

предназначены для анализа данных ВЭЗ, полученных по методике СЭЗ.

5. Разработаны процедуры устранения искажающих эффектов, вызванных приповерхностными неоднородное!ями. В основу алгоритма устранения Р-зффекта положен известный метод "нормализации" кривых рк, дополненный автором. Разработан вариант метода главных компонент (МГК) в применении к профильным данным ВЭЗ. Обработка с помощью МГК позволяет разделять поле на составляющие обусловленные различными элементами разреза:

- горизонтально-споистая (фоновая) составляющая;

- аномальная составляющая, связанная с глубинными неоднородностями -объектами поиска;

- аномалии-помехи, вызванные приповерхностными неоднородностями.

6. В результате применения новой методики измерений и нового подхода к интерпретации с учетом различных искажений решены конкретные геологические задачи:

- выявление зон углеводородного и химического загрязнения (Московский и Новокуйбышевский нефтеперерабатывающие заводы);

- выявление глубокопогруженных закарстованных зон (участок трассы нефтепровода Горький-Рязань2, Нижегородская обл.); :

- оценка степени отработки угольного пласта (г. Шахты, Ростовская обл.) и др.

Практическая ценность работы.

1. Разработаны алгоритмы предварительной обработки полевых данных профильных ВЭЗ, реализованные в виде программ для персональных компьютеров:

- 1Р1_БАМ - классификация полевых данных на соответствующие горизонтально -слоистым представлениям и искаженные; предварительное автоматическое построение геоэлектрического разреза; '

- 1Р1_2Э - анализ искажений, выявление локальных глубинных неоднородностей л определение их свойств;

- 1Р1_МРС - устранение искажений, вызванных геологическим шумом, выделение фоновой составляющей, обусловленной горизонтально-слоистой частью разреза.

2. Методика сплошных электрических зондирований для изучения сложно-тостроенных среди геологические результаты исследований, полученные с помощью

технологии СЭЗ, внедрены в ряде организаций (Ин-т "Гипротрубопровод", Москва, фирма "UmWeltAnalytik", Германия; ПО "РостовУгопь", г. Шахты; Ин-т "УкрНИМИ" Донецк; Федеральный Центр Геоэкологических Систем Минприроды РФ, Москва).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях молодых ученых геологического факультета МП (Москва 1991, 1992, 1993, 1994 гг.), на Всесоюзной конференции по геофизические методам исследования в гидрогеологии и инженерной геологии (Ташкент, 1991г.), нг Международной конференции "Геофизика и современный мир" (Москва, 1993 г.), не семинаре им. Д.Г. Успенского (Москва, 1994 г.), на Международной конференции ЕАЕС (Вена, 1994), на сессии комитета по угольной геофизике ЕАГО (Ростов-на-Дону, 1994).

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 10 опубликованньп и находящихся в печати работах, в том числе в учебных пособиях "Электрическо« зондирование геологической среды", часть 2 (1992) и "Электроразведка методок сопротивлений" (1994).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав v заключения общим объемом 116 страниц, имеет 72 рисунка и список литературы из 68 наименований.

Диссертация выполнена автором на кафедре геофизических методов исследова ния земной коры геологического факультета МГУ.

Автор выражает глубокую признательность сотрудникам лаборатории электро разведки каф. геофизики МГУ доценту H.H. Модину, A.A. Бобачеву Е.В. Перваго и М.Н. Марченко за постоянное содействие и творческое участие.

Успешному завершению работы способствовали полезные советы и доброжела тельная поддержка проф. В.К. Хмелевского, проф. A.A. Огильви, асс. Л.А. Золотой.

Автор глубоко благодарен научному руководителю доценту В.А. Шевнину а творческое обсуждение работы, постоянное внимание к ней, помощь и ценные советы

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, представлены основные научные результаты, отмечена практическая ценность, приведены объем и структура работы.

ГЛАВА 1. Обзор методов интерпретации ВЭЗ с помощью ЭВМ.

В данной главе показано современное состояние проблемы интерпретации ВЭЗ в сложно-построенных средах, и рассмотрены основные методы и алгоритмы решения обратных задач в горизонтально-слоистых и неоднородных средах.

В первом параграфа рассмотрены методы решения обратной задачи в рамках теории горизонтально-слоистых сред:

- прямые методы решения обратной задачи ВЭЗ (метод снятия слоев);

- метод подбора, в рамках которого можно выделить полностью автоматизированный, в том числе с максимальным учетом априорной информации (Мыцик Н.В.); подбор с использованием регуляризации (В.И. Дмитриев, 1986); информационно-статистический подход (Ф.М. Гольцман, Л.В. Порохова); диалоговый подбор

(H.K. Joliansen, 1975; A.A. Рыжов; "Электрическое зондирование...", 1992);

- методы, основанные на преобразовании кривой рк в модель разреза, в том числе с использованием функции Дар-Заррук (A.A. Зохди, 1975,1989; Ж.Кунец, Р.Рокруа);

- различные S, Т трансформации.

В нашей стране разработкой программ интерпретации ВЭЗ на ЭВМ занимались многие специалисты: В.Н. Страхов, Г.Н. Карелина (1969); Е.Ш. Абрамова (1979); (VA. Рыжов, И .Д. Каринская (1981); Н.Г. Шкабарня; Б.К. Матвеев; В.П. Колесников (1981) [Пермь, ПГУ); В.А. Ряполова (Москва, ЦНИИС); Ю.Д. Ростовщиков (Казань, ВНИИ Геолнеруд); В.И. Дмитриев (1983, 1986); В.И. Дианова (1984) (ВИМС); -).В. Мыцик (1982, 1984) и др.

За рубежом вопросами автоматической интерпретации ВЭЗ занимались О. Куфуд 1984), A.A. Зохди (1975, 1989), М. Бихара и Д. Лакшманан, Ch. Stoyer и др..

Второй параграф посвящен разработкам в области интерпретации данных ВЭЗ для неоднородных сред, где сформировалось несколько направлений:

- двумерные и трехмерные палетки {А.Н. Боголюбов, 1934);

- подбор на основе аналитического решения для типовых моделей или набора моделей (Н.Г. Шкабарня, 1986; В.Г. Шак, В.Н. Земцов, 1990);

- подбор на основе численного решения прямой задачи, это направление включает большой набор методов:

- двухэтапные методы, использующие аппроксимацию исходного поля полем сингулярных источников (A.A. Петров, 1988, 1992; X. Шима, 1989, 1992 и др.);

- конечно-разностные методы (Р.Д. Баркер, 1992,; Д. Олденбург, 1993,);

- методы интегральных уравнений (И.Н. Модин, А.Г. Яковлев, 1987, 1989);

-двумерные трансформации данных ВЭЗ (Н.Г. Шкабарня, 1986; А.А.Петров, K.M. Ермохин, 1989).

Анализ этого материала показал ряд проблем, возникающих при интерпретации сложно-построенных разрезов и, зачастую, игнорируемых исследователями:

- недостаточное внимание уделяется приповерхностным неоднородностпм и эффектам с ними связанным, даже если возможности алгоритмов позволяют это учитывать;

- важнейшей проблемой, является вопрос выбора оптимальной методики наблюдений при изучении неоднородных сред. Методика должна быть построена таким образом, чтобы с одной стороны подчеркивать аномальные эффекты от объектов поиска, а с другой стороны помогать выявлению и подавлению аномалий-помех;

- перед началом интерпретации необходим анализ, позволяющий решить вопрос о размерности и сложности модели, в рамках которой мы будем проводить интерпретацию полученных данных.

Третий параграф посвящен описанию и обоснованию методики съемки и интерпретации данных ВЭЗ в условиях сложно-построенных сред, разработанной на кафедре геофизики МГУ. При изучении неоднородных сред предлагается использовать трехэлектродную установку (Amn, mnB), получая на каждой точке профиля два зондирования. Питающие электроды перемещаются по линии профиля с арифметическим

шагом по разносам, таким образом чтобы он был равен шагу по профилю и составлял 1/10 максимального разноса. Это позволяет многократно проходить одни и те же точки питающими электродами из разных центров зондирования и дает возможность накапливать полезную информацию, выявлять и устранять эффекты искажений, Полевые материалы, полученные с помощью данной методики измерений, проходят несколько стадий обработки от одномерной интерпретации до построения сложных двумерных и трехмерных геоэлектрических разрезов. Причем на каждом этапе происходит устранение искажений кривых ВЭЗ, связанных с геологическими помехами.

ГЛАВА 2. Предварительный анализ и обработка данных ВЭЗ.

Глава посвящена вопросам предварительной обработки полевых материалов, включающей анализ искаженности полевых материалов, преобразование сегментированных кривых ВЭЗ в непрерывные и автоматическое определение параметров разреза.

В первом параграфа рассматриваются признаки искажений кривых ВЭЗ и алгоритм их совместного определения и учета.

Для обнаружения искажений были изучены и сформулированы признаки их проявления на кривых ВЭЗ. Можно выделить несколько групп таких признаков:

1. Для отдельной непрерывной кривой ВЭЗ - на кривой имеются резкие экстремумы или изломы, которые нельзя совместить с теоретической кривой; на кривой имеются участки идущие круче 45' на восходящей ветви или круче, чем кривая с //=0 на нисходящей ветви.

2. Для сегментированной кривой ВЭЗ - значительное расхождение сегментов кривой; пересечение сегментов или иное их расположение, не соответствующее теоретическому.

3. Для пары кривых ВЭЗ, измеренных в одной точке трехэлектродной комбинированной установкой { Атп и тпВ) - различия в форме этих кривых.

4. Для профиля ВЭЗ - резкие изменения формы или уровня кривых ВЭЗ при переходе от точки к точке, когда расстояние между точками зондирования меньше максимальной глубины исследования.

Программа определения и совместного учета признаков искажения кривых ВЭЗ (1Р1_8АЫ) разработана автором совместно с А.А. Бобачевым в 1991г., она позволяет проводить обработку до сотни зондирований, расположенных на одном профиле. Классификация кривых осуществляется в автоматическом режиме. По каждому признаку в результате численных экспериментов с помощью программ двумерного моделирования электрического поля для сложных сред были сделаны предельные количественные оценки, с помощью которых и проводился анализ. Результат процедуры классификации -разделение полевых данных на пригодные для одномерной интерпретации и требующие дополнительной обработки, направленной на устранение искажений.

Во втором параграфе рассматриваются факторы, влияющие на величину расхождения сегментов кривых ВЭЗ, измеренных с разными приемными линиями МЫ.

Анализрезультатовмоделированиясегментированныхкривыхдля горизонтально-слоистых и неоднородных разрезов показал, что величина смещения между сегментами определяется двумя факторами: "нормальным отклонением", связанным с неидеальностью приемной линии над горизонтально-слоистой средой и "аномальным отклонением" ; вызванным влиянием приповерхностных неоднородностей. Нормальные и аномальные отклонения могут либо компенсировать друг друга, либо, действуя в оди> сторону, усиливать искажения кривых ВЭЗ. В том и другом случае представляет значительный интерес при а! гализе "ворот" разделить влияние нормальной и аномальной составляющей. Впервые проблема учета влияния длины приемной линии на кривые ВЭЗ была рассмотрена Л,М. Альпиным (Л.М. Альпин, 1945).

Р<ц = "1 *_

Лч с

где : оц, «2 - тангенс угла наклоне кривой рк;

Щ АЫг

Применение формулы показало, что она эффективна только для разрезов мало! контрастности, поэтому было проведено изучение зависимости "нормального

I

*1

отклонения" от характера кривых ВЭЗ и параметров установки,' и составлена новая формула поправки "за длину МЫ".

На основе анализа нескольких тысяч моделей было выявлено, что "нормальное отклонение" существенно зависит от трех параметров: крутизны'кривой ВЭЗ («) или первой производной {дрк1дг), второй производной (а') и величины отношения длин приемной и питающей линий (М1М/АВ). Кроме того, удалось выяснить характер зависимости "нормального отклонения" от каждого отдельного параметра. Зависимость от угла наклона и второй производной можно характеризовать как квадратическую, а влияние отношения МЫ/АВ носит кубический характер.

На следующем этапе была составлена формула, которую в общем виде можно представить следующим образом:

= (С1МЫ* + С2ИШ')<х+(С3МЫ,*САМЫ,\С5Ш,3)аг+ (СвШ*+СвЛ/ЛГ3)«/+(С8Ш* +С,0Ш'4)(а/)г+С11Ш,гаа/

где: С - коэффициенты; а - угол наклона кривой ВЭЗ; а' - величина второй производной; МЫ' - МЫ1АВ

б

В результате расчета по формуле : ржл - рк • (1 -

получается кривая рк максимально приближенная к кривой с бесконечно малой МЫ. Таким образом, методика устранения "ворот", по нашему мнению, должна складываться из двух этапов: на первом этапе - введение поправки за влияние длины приемной линии, на втором этапе - устранение "аномального отклонения", вызванного приповерхностными неоднородностями, путем параллельного переноса сегментов кривых ВЭЗ к правым (левым) ветвям. ,

В третьем параграфе рассматривается процедура автоматического построения геоэлектрического разреза, основанная на ЭТ-трансформации (Одинцов К.Л. и др. 1987).

' - '-1 при рк< рк ,

1^1-1 при рк > Рк .

Параметры разреза определяются по координатам "особыхточек" трансформированной кривой. По параметрам модели, полученным в результате ST-трансформации может быть рассчитана кривая Дар-Заррук (DZ), с помощью которой можно осуществить слияние малых по мощности и близких по сопротивлению слоев (Модин И.Н., и др., 1986).

Полученный разрез, естественно не является итогом интерпретации, более того в условиях сильных искажений, результаты данной процедуры могут оказаться неудовлетворительными, тем не менее такое представление помогает интерпретатору получить первое представление о разрезе и разделить профиль на участки близкие к горизонтально-слоистым и содержащие неоднородности.

ГЛАВА 3. Способы выявления и устранения искажений иа кривых ВЭЗ

В данной главе приведена краткая характеристика типов искажений кривых ВЭЗ и рассмотрены методы диагностики и устранения искажений.

В первом параграфе рассмотрены основные типы искажений кривых ВЭЗ, вызванные влиянием приповерхностных неоднородностей. Основное внимание уделено формам проявления искажений на отдельных кривых и разрезах рк. Наиболее полная классификация и характеристика искажающих эффектах кривых ВЭЗ приведена в работах А.Г. Яковлева (1989), И.Н. Модина и др. (1991, 1993) и диссертационной работе Т.Ю Смирновой (1994).

Обобщенно их можно разделить на два типа:

1. Искажения, связанные с неоднородностями вблизи приемной линии MN -Р-эффеет (Р от английского potential). Р-эффект, который связан с изменением проводимости поверхностного слоя, проявляется как вертикальный сдвиг всей кривой

2

Р*

Psr =

Pic- Г

Рк + Г

dp к дг

аР* дг

или ее сегментов по оси сопротивлений без изменения формы кривой. Если кривая несегментирована, то Р-эффект обнаруживается при сопоставлении этой кривой с соседними, а для сегментированной кривой по заметному расхождению сегментов по вертикали.

2. Искажения, связанные с переходом питающего электрода через границы неоднородности - "С"-эффект (от английского current - токовый). Он был обнаружен в 1991 г., сначала на результатах математического моделирования и лишь после этого на экспериментальных данных (И.Н. Модин и др., 1991). С-эффект обладает рядом особенностей, делающих его весьма опасным при послойной интерпретации:

- вследствие изменения формы кривой, меняется тип разреза и видимое число

слоев;

- на серии кривых ВЭЗ он проявляется на разрезе рк в виде аномалии напоминающей наклонный слой;

- при стандартной методике зондирований с 4-х электродной установкой Шлюмберже и логарифмическим шагом увеличения разносов, С-эффект возникает и от электрода А, и от В, и на соседних кривых по профилю проявляется нерегулярно, лишь при случайном попадании питающего электрода в неоднородность; при этом пропадает основной диагностический признак - форма искажения, но разрушается корреляция элементов кривых ВЭЗ по профилю;

- на разрезах рк С-эффект в большинстве случаев визуально не обнаруживается за счет фоновых изменений поля.

Р и С эффекты формируют аномалию от локального объекта наряду с основной составляющей, отражающей объект (рис. 1; А -составляющая близкая по форме и положению к объекту; В - Р-эффекг; С - С-эффект). Если не принимать во внимание факт присутствия искажений и не исключить их из рассмотрения перед началом интерпретации, ошибки интерпретации будут весьма существенны (вплоть до появления ложных структур и слоев).

I 5 ♦ »«*.«>»

Рк(Явп)

Рис. 1 Поле рг над моделью объекта в полупространстве

Во втором параграфа рассматривается один из методов подавления Р-эффекта - "нормализация" кривых рк и способ его автоматической реализации. Суть процедуры нормализации состоит в том, что все кривые ВЭЗ приводятся к единому уровню по наиболее идентичным участкам кривых, в результате чего снижается разброс кривых в целом.

Оценкой для выбора оптимального разноса при автоматической нормализации может служить коэффициент корреляции, рассчитывающийся в окне для пары кривых:

Я-

N ч N

Г / И 1 V- „/V-

р/ Р/ - -ц ъ Р/ Ъ Р/

N

Е

, /=1 /=1

Л , N \2

ЕрГ^ЕР!

«V /-1

/_1

N л ( N

V 1 I V"

/-1

где: N - количество разносов в окне,

р1, р/,/ - значения кажущихся сопротивлений пары кривых.

В качестве оптимального разноса выбирается тот, на котором суммарный коэффициент корреляции (для всех пар кривых) максимален. Коэффициент нормализации вычисляется следующим образом:

1 тр '

К' ----г~ ■

Рг

где: г - разнос, по которому производится нормализация, N - число кривых ВЭЗ, I - номер кривой, К, - коэффициент нормализации.

В результате этой процедуры ложные аномалии Р-эффекта исчезают и структура разреза передается более точно.

В третьем параграфе рассматривается способ выявления и диагностирования аномалий С-эффекта. Обнаружить С-эффект позволяют вертикальные производные рк

по разносу (Эрк/дг) (или \/-трансфор-мация). Каждая кривая дифференцируется отдельно, но эффект достигается только при визуализации всего разреза. Для большей выразительностиизображе-ния используется линейный масштаб по оси разносов. Если соблюдена методика измерений и масштабы изображения, то аномалии от питающего электрода будут наклонными под углом 45 ' (рис. 2;

Рис.2 Разрез в изолиниях dpK/dr. Точка записи отнесена к MN.

t Т » Т ч 1 1 Г т

рассматриваетсяпризомтально-слоистая

модель типа НК, осложненная приповерхностными неоднородностями). Дополнительным эффективным приемом является перенос точки записи от середины MN к соответствующему питающему электроду, в этом режиме С-эффект проявляется в виде вертикальных аномалий, облегчающих его распознавание. Подобное представление ставит своей целью оценить степень искаженности поля неоднородностями и определить местоположение обьектов, порождающих С-эффект.

Четвертый параграф посвящен применению метода главных компонент при обработке данных ВЭЗ. Метод главных компонент (МГК) является разновидностью факторного анализа - широко известного в статистике. Теоретические основы метода и способы его реализации изложены в большом количестве работ, в том числе и применение метода в геологии и геофизике (A.A. Никитин, 1986; Дж. Девис, 1990). МГК позволяет разложить поля признаков на линейно независимые компоненты по степени убывания дисперсии. При этом геофизические аномалии от различных элементов разреза распределяются по компонентам в зависимости от интенсивности и могут быть выявлены на одной или нескольких компонентах. Впервые метод главных компонент для анализа разрезов кажущегося сопротивления, полученных над двумерными геоэлектрическими структурами, использовал Р. Венцалек в своей диссертационной работе (1992). Венцалек ограничился общей констатацией некоторых

особенностей аномального поля, не связывая их проявления с определенными типами искажений кривых ВЗЗ. Поэтому для анализа данных профильных ВЭЗ автором совместно с А.А. Бобачевым и М.Н. Марченко была создана своя версия программы для метода главных компонент (программа MPC; 1993г.).

В целях изучения возможностей МГК для анализа данных ВЭЗ проводилось опробование программы на тестах, имитирующих различные эффекты в разрезах рк, и на теоретических полях моделей различной сложности. По результатам тестирования можно сделать следующие выводы:

- горизонтально-слоистая составляющая представляется, как правило на разрезе первой компоненты;

- аномалии, связанные с Р-эффектом представляют наибольшую сложность при анализе, т.к. не выделяются в отдельную компоненту, а распределяются между первыми двумя, при анализе они легко диагностируются, но исключить их из дальнейшего рассмотрения трудно;

- аномалии от питающего электрода С-эффект при использовании предложенной методики съемки распределяются по всем компонентам, если исключить из рассмотрения компоненты высокого ранга влияние С-эффекта будет значительно снижено;

- Информация о глубинных неоднородкостях содержится в первых двух компонентах, и после обработки объект проявляется лучше за счет удаления шума, связанного с ППН, и случайных помех;

- для одномерной интерпретации с целью получения общей структуры разреза в большинстве случаев достаточно использовать сумму двух первых компонент, на которых проявляются основные детали поля рк.

Одномерная интерпретация выделенной фоновой составляющей позволит нам составить модель вмещающего разреза, которую необходимо дополнить информацией о свойствах и положении глубинных неоднородностей.

ГЛАВА 4. Двумерные трансформации данных ВЭЗ при анализе сложных геоэлектрических разрезов.

В данной главе рассматриваются трансформации данных ВЭЗ, при которых

обрабатывается не каждая отдельная кривая, а весь массив наблюдений по профилю, что позволяет выделять и анализировать аномалии от неоднородностей разреза.

В первом параграфе анализируется характер поля рк для установок Атп и тпВ на примере модального ряда возрастающей сложности. Рассматриваются следующие модели:

- модель однородного полупространства с сопротивлением 10 Ом.м с двумерной неоднородностью в виде квадратной призмы со стороной 5м. и сопротивлением

100 Ом.м, верхняя кромка неоднородности находится на глубине 5м.;

- модель типа К {р,=10 Ом.м, |1,=5м; р2=30 Ом.м, 112=10м; р3=ЮОм.м) осложнена неоднородностью размерами 5x5м, и сопротивлением 300Ом.м, расположенной во втором слое.

- последняя модель аналогична второй модели, но осложнена неодно-родностями в первом слое, расположенными вблизи глубинной неоднородности (рис. ЗА).

Анализ результатов моделирования показал, что эффект, создаваемый аномальнымобъектомрезкоуменьшается по мере усложнения модели и составляет - 20% от фоновых значений для модели 1, 10% для модели 2 и практически незаметен на фоне помех для модели 3 (рис. ЗВ) Тем не менее удалось подчеркнуть следующие важные особенности: во-первых С. Разрез в изолиниях йр^'/йх горизонтально-слоистая составляющая и Р-эффект одинаково проявляются на разрезах рк(Атп) и рк(тпВ),

-36 -14 о

_I_1_

Х,т

Рис.3 А. Модель разреза; В. Разрез рк(тпВ);

во-вторых аномалии от глубинного объекта существенно ассиметричны для этих установок и сильно расходятся везде кроме точки, расположенной над центром объекта, при этом пересечение графиков рк для трехэлектродных установок на фиксированном разносе будет существовать даже при малой амплитуде аномалии. Следовательно, если рассчитать разницу между значениями рк для этих установок, мы удалим влияние горизонтально-слоистой структуры разреза и выделим аномалию от неоднородности в "чистом виде". Назовем этот параметр разностным сопротивлением и будем рассчитывать по формуле:

р Атп |П е ___И \

Р М ,П 1 л птВ '

Р* М

Для наглядности разностное сопротивление дифференцируется по х. Полученный разрез дифференциально-разностного сопротивления достаточно хорошо отражает геометрию и свойства глубинного объекта (рис. ЗС). Если аномалия с!рЛ'/Ох положительная то объект является высокоомной неоднородностью. Если аномалия йр^/йх отрицательная, то - проводником. Ширина экстремума примерно соответствует ширине объекта.

Таким образом, экспресс-анализ результатов электрических зондирований, который можно произвести с помощью рассмотренных трансформаций, объединенных в программу 1Р1_20, позволяет провести качественную интерпретацию до сотни зондирований, расположенных на одном профиле, определить положение центра, границы и свойства аномальных глубинных объектов в геоэлектрическом разрезе.

Во втором параграфе рассматривается трансформация направленного суммирования, в основе которой лежит наблюдение, что при зондировании встречными трехэлектродными установками аномалии от локальных объектов на разрезах кажущегося сопротивления для двух установок сдвинуты относительно друг друга: для установки Атп направо, а для установки тпВ налево, что связано со смещением точки записи. Для трехэлектродной установки точки записи расположены приблизительно

посередине между приемными и питающим электродом. Поэтому при обработке встречных зондирований имеет смысл привести реально-физические точки записи к пикетам зондирования, посредством направленного суммирования массивов кажущегося сопротивления для установки АМЫ и МЫВ. Оптимальное направление суммирования было получено в результате анализа полей многочисленных моделей, рассчитанных по программе двумерного моделирования. При этом было выявлено, что форма фильтра зависит от ширины объекта, глубины его залегания, а также от того проводящий это объект или высокоомный. Формы фильтров для высокоомного и проводящего объектов показаны на рис. 4. Необходимые для направленного суммирования параметры неоднородности определяются в результате анализа дифференциально-разностных трансформаций. После трансформации направленного суммирования аномалия от неоднородности локализуется и проявляется на пикетах соответствующих положению объекта.

В третьем параграфе рассматриваются результаты каждого этапа обработки для трехслойной модели, осложненной неоднородмостями. Модель типа К (р,=50 Ом.м; рг=150 Ом.м; р3-20 Ом.м), имеет приповерхностные неоднородности (шириной около 5м), проводящий объект \/-образной формы во втором слое (модель палеодолины) и проводящий объект в третьем слое (модель разломной зоны). Исходные разрезы рк имеют весьма сложный характер, сильно проявлены Р и С-эффекгы, Разрезы двумерных трансформаций исходных данных невозможно интерпретировать однозначно, так как они осложнены аномалиями С-эффекта.

Устранение искажений, вызванных приповерхностными неоднородностями проводилось в два этапа:

Ир*

г' 1 1 ) К*"1! 1 1 (" \ \ \ ч к*/1 / /

'"Н« н.

внсокломмый объект

проводник

i положение суммируемых точек для р,"*® i положение суммируемых точек для Я,*1"1 | положение реэультирусщих значений р, n5 номер разнося по

Рис.4 Формы фильтров при трансформации "направленного суммирования"

1. "нормализация" кривых рк для подавления Р-эффекта;

2. устранение С-зффекта и остаточного Р-эффекта с помощью программы компонентного анализа.

Для дальнейшей интерпретации была взята сумма первых двух компонент.

Результат одномерной интерпретации выделенной составляющей достаточно точна соответствует вмещающему слоистому разрезу заданной модели, а дифференциальные трансформации данных после обработки позволяют выделить и определить свойства глубинных объектов.

ГЛАВА 5. Результаты обработки и интерпретации полевых материалов.

В данной главе приводятся результаты исследований, проведенных в последнее время на различных геологических и геоэкологических объектах. Вертикальные электрические зондирования выполнялись в соответствии с предложенной методикой: на каждой точке измерялось две кривые ВЭЗ (трехэлектродная установка Атп, тпВ), соблюдалось линейное увеличение разносов, шаг по разносам был равен шагу по профилю. Методика обработки и интерпретации включала в себя несколько этапов

1. Оценка степени искаженное™ данных геологическими помехами и устранение этих искажений с помощью нормализации и МГК

2. Одномерная интерпретация выделенной неискаженной составляющей

3. Определение параметров глубинных неоднородностей с помощью двумерных трансформаций.

По результатам второго и третьего этапов составлялась стартовая модель для двумерного подбора, если он необходим.

Первый параграф посвящен изучению геологического строе! шя г. Придорожная (Крым, учебная база МГУ). До сих пор существуют различные точки по поводу геологического строения этого объекта, результаты, полученные в ходе исследования подтвердили одну из гипотез. Гора Придорожная представляет собой грабенообразную структуру, в которой тело известняков, ограничено двумя субвертикапьными разломами, вмещающий разрез сложен мергелями.

Исходные разрезы рк для установок Атп и тпВ в целом отражают характер структуры, но границы раздела при переходе питающего электрода из высокоомного блока известняков в более проводящие мергели сильно искажены С-эффектом и проявлены плохо.

Одномерная интерпретация как трехэлектродных кривых, так и полученных из них суммированием четырехэлектродных симметричных зондирований не дает удовлетворительных результатов в силу значительных искажений полевых кривых горизонтальными неоднородностями.

После устранения искажений с помощью нормализации и компонентного разложения и преобразования трехэлектродных зондирований в четырехэлектродные получился разрез, наилучшим образом соответствующий априорным данным об этой структуре. В основу стартовой модели для двумерного подбора легли результаты одномерной интерпретации. Необходимо отметить, что проведенная обработка обеспечила достаточно хорошее начальное приближение, поэтому потребовалось всего 3 итерации, чтобы достичь удовлетворительного совпадения исходного и теоретического разрезов.

Во втором параграфе рассматриваются результаты интерпретации ВЭЗ на территориях прилегающих к нефтеперерабатывающему заводу (г. Новокуйбышевск, Самарская обл.), Цель исследований - выявление зо11 возможного заражения углеводородами и продуктами химической очистки. Существенно осложнило интерпретацию то, что работы проводились в условиях сильного техногенного изменения верхнего насыпного слоя. Неоднородности этого слоя являлись основным источником искажений. Поэтому обработка проводилась с помощью программ, позволяющих устранять влияние Р- и С-эффектов. После обработки исчезли ложные аномалии, не подтверждавшиеся априорной информацией, улучшилась проявленность глубинных аномальных зон. По результатам интерпретации удалось выделить зоны предполагаемого загрязнения и выявить палеодолину, служащую путем миграции нефтепродуктов и продуктов очистки нефти.

В третьем параграфе приведены результаты методических исследований при картировании частично отработанного угольного пласта в г. Шахты (Ростовская обл.).

Решение задачи было возможно благодаря трем условиям:

1. проводимость угольного пласта соизмерима с проводимостью вышележащей толщи, сверху пласт ничем не заэкранирован;

2. значительный объем априорной информации;.

3. применение аппарата устранения искажений (рис. 5).

Интерпретация проводилась с максимальным использованием априорной информации, практически все мощности были жестко закреплены. Это дало возможность определить изменение сопротивления угольного пласта и выделить в пределах пласта неизмененную, окисленную и отработанную часть (рис. 6).

Рис.5 Исходный разрез рк(Атп) (вверху); разрез рк(АтпВ) после обработки.

»г.,1ли»1Нши»т{о ....

Рис.Ь Результаты интерпретации над угольным пластом.

В заключении содержатся краткие выводы по теме диссертации.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Изучение горизонтально-неоднородных сред методом ВЭЗ требует специальной технологии (СЭЗ), объединяющей методику полевых наблюдений, способы визуализации, обработки и интерпретации данных. Технология сплошных электрических юндирований ориентирована на выявление эффектов, обусловленных объектами поиска 1 ослабление влияния геологического шума.

2. Величина расхождения сегментов кривой ВЭЗ для разных приемных линий в словиях горизонтально-неоднородных сред определяется двумя факторами: «идеальностью приемной линии и искажением, связанным с приповерхностными еоднородностями. Приведение сегментов к непрерывной кривой ВЭЗ рекомендуется роводить параллельным смещением к сегменту с большей МЫ, предварительно введя оправку за длину МЫ для горизонтально-слоистого разреза.

-3. Аппарат двумерного анализа, представленный в работе, позволяет выявлять диагностировать искажения, а также определять свойства и параметры локальных |убинных неоднородностей разреза.

4. Метод главных компонент, примененный к профильным данным ВЭЗ, позво-1ет разделить наблюденное поле на составляющие от различных элементов разреза, о позволяет исключить аномалии-помехи и выделить для дальнейшей одномерной гтерпретации неискаженную горизонтально-слоистую составляющую.

СПИСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Методика выявления неоднородностей геоэлектрического разреза по данным Вс //В кн.: Материалы XVIII научной конференции аспирантов и молодых ученых. Сект "Геофизика". /М., 1991, деп. в ВИНИТИ. Дел. N 588-В92, с. 24 - 36. (Совместно И.Н.Модиным и А.А.Бобачевым)

2. Двумерные трансформации кривых ВЭЗ при анализе сложных геоэлектрическ разрезов. //В кн.: Материалы XIX научной конференции аспирантов и молодых учень Секция: "Геофизика". /М., 1992, деп.в ВИНИТИ. Деп. N 3262-В92, с. 2 - 10. (Совмест с И.Н.Модиным и А.А.Бобачевым).

3. Учет влияния длины приемной линии на кривые ВЭЗ. //В кн.: Материалы XIX нау ной конференции аспирантов и молодых ученых. Секция: "Геофизика". /М., 1992, де в ВИНИТИ. Деп. N 3262-В92, с. 28 - 32. (Совместно с И.Н. Модиным и А.А.Бобачевыг»

4. Электрическое зондирование геологической среды. Часть 2. Интерпретация практическое применение. // М.: Изд-во МГУ, 1992, 200 с. (под ред. В.К.Хмелевско и В.А.Шевнина).

5. Искажения кривых электрических зондирований и способы их учета.// Геофизиче кие исследования вгидрогеологии и инженерной геологии" Др. ГИДРОИНГЕО. -Ташкен САИГИМС, 1991. (Совместно с И.Н.Модиным, В.А.Шевниным и др.)

6. Двумерные трансформации разрезов кажущегося сопротивления. /Дез. док между нар. науч. конф. "Геофизика и современный мир", 9-13 авг., 1993 г., М., МГУ с.338. (Совместно с И.Н.Модиным, А.А.Бобачевым, М.Н.Марченко).

7. Искажения кривых ВЭЗ и способы их устранения. /Дез. докл. Сем. им. Д .Г.Успен! кого, МГРИ, 1994. (в печати) (Совместно с И.Н.Модиным, В.А.Шевниным и др.).

8. Distortions of VES data, caused by subsurface inhomogeneities. Report, presente at EAEG 56th Annual Meeting, Austria, Vienna, June 6-10, 1994, P129. (with Modín I.N Shevnin V.A., Pervago E.V., Bobatchev A.A.).

9. Электроразведка методом сопротивлений /М., МГУ, 1994, 160 с. (под pej Хмелевского В.К., Шевнииа В.А.).

10. Возможности изучения неглубоко залегающих отработанных угольных пласто с поверхности земли с помощью метода ВЭЗ. // II выездная сессия Научно-методичес кого комитета по геолого-геофизическим проблемам в угольной геофизике. / Тр. ЕАГ( Ростов-на-Дону, 1994. (в печати) (Совместно с И.Н.Модиным, В-А.Шевниным и др.).