Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Методика автоматизированной комплексной интерпретации гравиметрических данных для сложных плотностных моделей

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

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Моисеенкова, Светлана Владиславовна, Ухта

/

I/ / У

7 / 7 ^ о

/

УХТИНСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

Моисеенкова Светлана Владиславовна

О/

МЕТОДИКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ КОМПЛЕКСНОЙ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ГРАВИМЕТРИЧЕСКИХ ДАННЫХ ДЛЯ СЛОЖНЫХ ПЛОТНОСТНЫХ МОДЕЛЕЙ (НА ПРИМЕРЕ ТИМАНО-ПЕЧОРСКОЙ НЕФТЕГАЗОНОСНОЙ ПРОВИНЦИИ)

Специальность 04.00.12 - Геофизические методы поисков

и разведки месторождений полезных ископаемых

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель

доктор физ.-мат. наук, профессор

А.И.Кобрунов

Ухта 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................ 4

ГЛАВА 1. Интерпретационные возможности гравиметрии и их эффективность в ТПП.............................................................. 8

1.1 Классификация методов интерпретации данных гравиразведки... 8

1.2 Анализ эффективности методов интерпретации гравиметрических данных в Тимано-Печорской провинции............................ 18

ГЛАВА 2. Теоретические основы методов детального описания структурно-плотностного разреза с использованием данных гравиметрии............................................................................... 24

2.1 Методы решения обратной задачи в рамках критериального подхода.................................................................................. 24

2.2 Возможность использования трансформаций полей при изучении локальных неоднородностей среды..................................... 30

2.3 Постановка и решение обратной задачи гравиразведки для нерегулярных сетей наблюдения.................................................... 40

ГЛАВА 3. Организация вычислительного процесса...................... 49

3.1 Алгоритмическая вычислительная схема............................... 49

3.2 Характеристика программного обеспечения........................... 51

ГЛАВА 4. Формирование представлений о типичных геолого-геофизических моделях строения осадочного чехла ТПП............... 61

4.1 Грабенообразные прогибы. Рифогенные образования. Тектоническое строение................................................................... 61

4.2 Проявление грабенообразных прогибов в сейсмическом и гравитационном полях................................................................ 66

4.3 Проявление рифогенных образований в сейсмическом и гравитационном полях................................................................. 70

4.4 Зона клиновидных вдвигов. Тектоническое строение. Проявление в сейсмическом и гравитационном полях.............................. 73

ГЛАВА 5. Методика автоматизированной интерпретации............. 83

5.1 Проведение вычислительных экспериментов........................... 83

5.2 Интерпретация результатов................................................ 117

5.3 Методические рекомендации к автоматизированной интерпретации сейсмогравиметрических данных для условий Тимано-

Печорской провинции............................................................ 120

ЗАКЛЮЧНИЕ...................................................................... 124

ЛИТЕРАТУРА..................................................................... 126

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в связи со сворачиванием геологоразведочных работ очевидна необходимость переобработки и обобщения полученной ранее геолого-геофизической информации с целью получения более детальных сведений о строении нефтегазоперспективных структур.

При постоянно растущем требовании к повышению достоверности построения по данным геофизических методов геологических моделей сред возникает необходимость развития новых методов и способов интерпретации геофизических данных. Одним из методов геофизики, разработанная теоретическая и вычислительная база которого позволяет осуществлять построение сложных детальных плотностных моделей, является гравиразведка. С помощью решения ее обратных задач изучаются как слоистые модели сред, распространенные в нефтегазоносных районах, при изучении осадочного чехла, земной коры и мантии, так и сложные распределения плотности в нижнем полупространстве с целью изучения строения районов с преимущественным развитием разломной тектоники, зон рифообразования и т.д. Более эффективно для повышения достоверности геологических построений гравиметрические данные используются в комплексе с сейсморазведкой. Разработанные в этом направлении теоретические положения, а так же их программные реализации, направленные на комплексное применение информации гравиметрии и сейсморазведки для решения сложных геологических задач в современных условиях, при наличии мощных вычислительных средств должны активно использоваться в практике геологоразведочных работ. Развитие и совершенствование теоретического и методического обеспечения в этой области можно считать наиболее приоритетными и имеющими большую практическую значимость.

Постановка и решение подобных вопросов актуально, в том числе, и в Тимано-Печорской провинции (ТПП), где, несмотря на высокую изученность нефтегазоперспективных территорий существуют резервы прироста углеводородов за счет выявления различного типа ловушек (литологических, стра-

тиграфических, комбинированных), генетически связанных со сложнопо-строенными геологическими объектами. В практике интерпретации гравиметрических данных по территории ТПП широкое применение нашли в числе других методы трансформации гравитационных полей, с помощью которых решались различные геологические задачи. В последние годы внедрение новых методов в практику интерпретации не носило массового характера, а единичные случаи применения некоторых современных теоретических и программно реализованных технологий (по решению обратных задач грави-разведки на основе критериального подхода), несмотря на удовлетворительные результаты, не получило дальнейшего применения. Необходимо отметить так же, что для территории ТПП характерна нерегулярность задания наблюденных гравитационных полей, что объясняется рядом причин (географическим строением территории, протяженностью основных геологических структур и т.д.). В связи с этим возникла идея построения вычислительных схем и алгоритмов решения обратных задач на основе разработанного ранее критериального подхода к выражению априорной информации (А.И.Кобрунов) с учетом предварительной трансформации гравитационного поля при условии его нерегулярного задания.

Цель работы. Целью данной работы является разработка теории, методов, алгоритмов и вычислительных схем интерпретации гравиметрических данных для условий Тимано-Печорской провинции с целью повышения интерпретационных возможностей гравиметрии при исследовании сложнопо-строенных сред.

При этом в работе решаются следующие задачи:

1. Разработка теории, вычислительных схем и алгоритмов использования гравиметрических данных в процедурах решения обратных задач без предварительного редуцирования гравитационного поля.

2. Разработка теоретических методов и алгоритмов использования при решении обратных задач трансформированных компонент гравитационного поля в условиях нерегулярных сетей наблюдения.

3. Изучение специфики модельных представлений геолого-геофизических разрезов по данным сейсмо- и гравиразведки в условиях ТПП с целью выбора банка генерализованных структурно-плотностных моделей.

4. Исследование особенностей получаемых решений обратных задач гравиразведки, разработка алгоритмов и методики совместного детального анализа структурных и плотностных моделей.

Научная новизна. В результате проведенных исследований впервые разработаны:

- методы автоматизированной интерпретации гравиметрических данных в рамках оптимизационных схем (критериальный подход) без предварительного этапа редуцирования гравитационного поля;

- вычислительные схемы и алгоритмы решения обратных задач для трансформированного гравитационного поля в условиях нерегулярных сетей наблюдения, типичных для ТПП;

- методика автоматизированной интерпретации сейсмогравиметриче-ских данных для генерализованных структурно-плотностных моделей Тима-но-Печорской провинции: рифогенных образований; тектонических структур растяжения типа микрограбенов; тектонических структур клиновидных вдвигов.

Автор выносит на защиту:

1. Теорию и методы нахождения оптимальных решений обратных задач гравиразведки для обратной структурной задачи и в классе распределения плотностей с введением процедуры трансформации гравитационного поля.

2. Теорию и методы нахождения оптимальных решений обратных задач гравиразведки для обратной структурной задачи и в классе распределения плотностей для трансформированного гравитационного поля при условии нерегулярности входных данных.

3. Методику автоматизированной комплексной интерпретации гравиметрических данных для типичных плотностных моделей сред ТПП с целью де-

тального изучения сложнопостроенных геологических объектов различного тектонического строения.

Практическая ценность данной работы определяется тем, что в результате проведенных исследований разработана методика комплексного анализа гравиметрической информации, позволяющая:

осуществлять решение прогнозных геологических задач; получать детальные изображения сложнопостроенных сред; комплексировать решения обратных задач гравиразведки в классах распределения плотности и плотностных границ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзных семинарах им. Д.Г.Успенского "Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей" (г. Воронеж, 1996г.; г.Москва, 1997г.; г.Ухта, 1998г.), на Тринадцатой Коми республиканской молодежной научной конференции (г.Сыктывкар, 1997г.), на научных семинарах кафедры геофизики Ухтинского индустриального института.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, _5_глав, заключения, содержит _108_ страниц текста, _60_ рисунков и список литературы из 181_наименования.

Автор выражает благодарность научному руководителю диссертационной работы доктору физико-математических наук, профессору, академику Российской академии естественных наук А.И.Кобрунову за постановку задачи, оказание помощи при теоретических исследованиях и всестороннюю поддержку и внимание на всех этапах работы. Кандидату геолого-минералогических наук, доценту кафедры ГМИС УИИ Л.П.Шилову, геофизикам С.И.Максимовой и Т.И.Гончаренко автор выражает признательность за полезные советы и замечания, высказанные при обсуждении работы.

Глава 1. Интерпретационные возможности гравиметрии их эффективность в Тимано-Печорской провинции

В данной главе будут рассмотрены вопросы о развитии интерпретационного обеспечения гравиметрии на основе методов решения обратных задач и их применение в практических условиях - интерпретации данных гравиметрических наблюдений, проведенных в разное время на территории Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции.

1.1. Классификация методов интерпретации данных гравиразведки

Известно, что основной задачей интерпретации геофизических данных принято считать их геологическое истолкование. Непосредственно геологическое истолкование гравиметрических данных предполагает решение двух вопросов: построение плотностной модели изучаемой геологической среды и последующая геологическая интерпретация полученной плотностной модели. Различные методы интерпретации геофизических (и, в частности, гравиметрических) данных, призванные решать такого рода задачи, в вычислительной основе своей содержат решение соответствующих обратных задач. Решение обратной задачи гравиразведки является наиболее важным этапом в процессе построения плотностной модели среды. Для постановки обратной задачи необходимо записать зависимость гравитационного эффекта от вызывающего его распределения плотностных неоднородностей в земной коре. Если выбрать прямоугольную систему координат, расположив плоскость ХОУ параллельно дневной поверхности и направить ось Ъ вниз, то распределение плотности, представленной в виде функции координат с(х,у,г) в некоторой области V нижнего полупространства, связано с вертикальной производной гравитационного потенциала Щхо, уо, г0) в точке (х0,уо, г0) соотношением:

(1.1)

где у - гравитационная постоянная.

Выражение (1.1) представляет собой оператор прямой задачи гравираз-ведки или нахождение элементов гравитационного поля по заданному распределению источников. Под решением обратной задачи понимают нахождение распределения источников при введенных о них модельных представлениях по заданным наблюдаемой и оператору прямой задачи. Известно, что такая задача является некорректно поставленной [164]. Всякую задачу называют корректной (по Адамару), если ее решение: 1) существует; 2) единственно; 3) устойчиво. Задача называется некорректной, если не выполняется одно из этих условий. Решение вопросов о корректности обратных задач занимает в теории интерпретации геофизических данных центральное место. Так, трудами А.Н.Тихонова, М.М.Лаврентьева, В.К.Иванова, В.Н.Страхова и их последователей развита теория некорректных задач [18, 81, 28, 117, 121, 123, 159]. В основе этой теории лежит идея привлечения в постановку обратной задачи дополнительной информации об искомом решении. Непосредственно поиск решения обратной задач осуществляется с помощью регуляризующих алгоритмов [135, 150, 164 и др.]. Рассмотрению вопросов о проблеме единственности обратной задачи гравиразведки посвящены работы П.С.Новикова, А.Х.Остромогильского, В.Н.Страхова, В.И.Старостенко, В.Г.Филатова, В.Г.Чередниченко и др. [104, 126, 139, 166, 169, 171 и др.]. Результаты исследований в этой области породили так называемые "теоремы единственности". Доказательство этих теорем возможно при введении некоторых ограничений или упрощений, позволяющих выделять такие типы наборов элементарных тел (классы единственности), параметры которых однозначно определяются по гравитационному полю. Проблема неединственности обратной задачи сопровождается ее неустойчивостью: малые изменения во входных данных порождают различные результаты решения [164]. А так как реальные гравиметрические данные всегда осложнены ошибками, то решение обратной задачи гравиразведки будет неустойчивым. Снижение этого эффекта позволили осуществить методы регуляризующих процедур.

На сегодняшний день множество утвердившихся и разрабатываемых методов решения обратных задач гравиметрии применяются в различных геологических ситуациях. Если рассматривать историю развития теории и методов интерпретации гравиметрических (и в целом геофизических) данных, то можно выделить четыре типа задач, каждый из которых последовательно становился приоритетным на соответствующем этапе интерпретационного обеспечения гравиметрии [138, 144, 146, 153, 155]:

1. Обнаружение геологических объектов.

2. Пространственная локализация геологических объектов.

3. Расчленение геологического разреза.

4. Детальное описание геологического разреза.

Основоположником теоретических методов интерпретации гравитационных аномалий по праву можно считать известного русского ученого прошлого века Ф.А.Слудского. В своих работах еще в 1863 году он сформулировал идею моделирования, описал метод подбора, в 1893 - предложил приемы определения глубины центра тяжести по характерным точкам поля. Уровень работ Ф.А.Слудского был достигнут спустя несколько десятилетий - в 30-е годы нашего столетия - в период становления теории интерпретации потенциальных полей. На раннем этапе развития гравиметрии наиболее характерной задачей являлась задача обнаружения геологических объектов, состоящая в принятии решения о наличии либо отсутствии изучаемых объектов. Величина и форма гравитационной аномалии подвергались качественному описательному анализу, на основе чего делались соответствующие выводы. Так, впервые, в 20-х годах А.Д.Архангельский для изучения строения кристаллического фундамента Русской платформы применял гравиметрические карты в сопоставлении их с геологическими [4]. Подобный подход наблюдается и в современных методах интерпретации гравиметрических данных, например, в процедурах анализа трансформаций гравитационного поля. Анализу с целью обнаружения объектов подвергается не само гравитационное поле, а его преобразование - трансформация, полученная с помощью тех либо

и

иных вычислительных процедур. В настоящее время большое количество разработанных методов трансформаций гравитационных полей позволяет осуществлять различные цели: подавление (фильтрацию) случайных погрешностей [101]; усиление локализации аномальной компоненты поля; исключение регионального фона [2]; построение вертикального разреза аномального поля и пр. Это методы аналитического продолжения аномалий [137] и их пересчета в производные различных порядков [86-88], корреляционно-статистические [19, 20, 24, 173] и методы условных трансформаций [1, 11]. Результаты некоторых трансформаций поля могут рассматриваться как формальные решения обратной задачи гравиразведки (