Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Методы изучения разномасштабных структур на основе гравиметрических данных и априорной информации

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

Текст научной работыДиссертация по геологии, доктора технических наук, Гершанок, Валентин Александрович, Пермь

У7 $$

МИНИС ТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

и

На правах рукописи УДК 550.831

\п111АПЛ>* Пп Т1Л1КК11П Л ' 'Ч.М1111!ЧП(\т|III!

МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ РАЗНОМАСШТАБНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ГРАВИМЕТРИЧЕСКИХ ДАННЫХ И АПРИОРНОМ ИНФОРМАЦИИ

04.00.12 - Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

ДИССЕРТАЦИЯ в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

п АЛА/

• V \ ПЕРМЬ 1999

Н: 99-5~/ Ж

Работа выполнена на кафедре геофизики Пермского государственного университета.

Официальные оппоненты:

Доктор геолого-минералогических наук, профессор Шихов Степан Александрович (Пермский государственный технический университет);

Доктор технических наук, профессор Антонов Юрий Васильевич (Воронежский государственный университет);

Доктор технических наук, профессор Корягии Виктор Владимирович (Самарский технический университет).

Ведущее предпр. Камский научно-исследовательский институт

комплексных исследс. —.. глубоких и сверхглубоких скважин (КамНИИКИГС)

В'ЛБ ЛИОТ^г;:

э нимц

Защита состоится «1» июн дании

диссертационного совета Д 063 ого

университета по адресу: 614600, г.Пер>

С диссертацией в виде нау к; библиотеке Пермского государственного у

Диссертация в виде научного док рг

Ученый секретарь диссертационного совета Д 063.59.02 доктор геолого-минералогических наук, профессор

¿ЗОа- 1/Л; ¿у

Лунев

■f

и

/

/

/

Введение

Актуальность проблемы

Изучение строения разномасштабных структур остается актуальным на рубеже XXI века в связи с обострением сырьевой проблемы. Поиски и разведка полезных ископаемых на больших глубинах, а также рассмотрение на уровне современных требований целого ряда геологических, экологических и горно-технических задач в значительной степени базируются на реализации научной программы глубокого и сверхглубокого бурения. Большое значение в ней уделяется использованию геофизических методов, в том числе гравиметрического, как наиболее мобильного, сравнительно недорогого и экологически «чистого».

Гравитационное и магнитное поля обладают аддитивным свойством, что предопределяет возможность решения задач в го . ^логическом

диапазоне. Решению предшествует нахождение осог ек ^ нгулярных

источников) аномалий для определения пред. .ых глубин изучаемых структур.

Однако в настоящее время, как считает В.Н. Страхов, «необходима глубокая перестройка теории и методов интерпретации потенциальных полей, прежде всего, с точки зрения достижения ее адекватности реальной геофизической практике». В этом направлении представляется важной разработка новых методов изучения строения Земли, состава земной коры и роли геологических процессов с использованием априорной информации.

Б идейном плане проблема сформулирована и реализуется в работах Е.Г. Булаха, И.Г. Клушина, А.И. Кобрунова, A.A. Никитина, В.М. Новоселицкого, В.И. Старостенко, В.Н. Страхова, A.B. Цирульского. и др. Тем не менее технологические аспекты проблемы нуждаются в дальнейшем совершенствовании.

Методы и обобщенные результаты их применения излагаются на основе опубликованных работ автора.

Цель и задачи исследований

Целью исследований являлось научное обоснование, разработка и •обация методов изучения вертикального ряда разномасштабных структур г.дочной толщи, консолидированной части земной коры и верхней мантии, -ованных на использовании гравитационных, а также магнитных аномалий с яггом дополнительной геолого-геофизической информации.

Достижение указанной цели осуществлялось путем решения следующих

дач:

- разработка основ теории метода соконтурных кривых для выделения з зитационного влияния плотностных неоднородностей, как многоаспектного сианта выделения эффекта с точки зрения его геологического приложения;

- оценка роли в крупномасштабных съемках учета смещения нуль-пункта ,:авиметра, разработка методических приемов повышения точности

наблюдений и вычисления аномалий силы тяжести, определения криволинейности фона для создания основ микрогравиметрической съемки и гравиметрического мониторинга;

- изучение функциональной связи между гравитационными аномалиями, полученными методом соконтурных кривых, с внутренним строением земной коры и верхней мантии для проведения содержательной геологической интерпретации аномалий;

разработка модификации метода адмиттанса - отношения нормированных гравитационных и магнитных аномалий для изучения распределения плотностных неоднородностей по глубине, картирования и систематизации глубинных разломов;

- научно-методическое обоснование включения разработанных методов изучения" структур, в программу курсов блока специальных дисциплин подготовки специалистов-геофизиков.

Защищаемые положения

1. Метод выделения гравитационного эффекта плотностных неоднородностей по семейству соконтурных кривых как система с управляемыми параметрами. Метод применятся для решения широкого класса задач.

2. Способы повышения точности гравитационных аномалий, методика анализа возможных искажений аномалий и появления фиктивных полей.

3. Изучение по методу соконтурных кривых строения геологических структур в широком диапазоне их образования: от осадочного чехла до консолидированной коры и верхней мантии.

4. Метод совместного анализа гравитационных и магнитных аномалий, основанный на использовании адмиттанса - отношения нормированных интенсивностей полей, для выявления морфоструктур на уровне кристаллический фундамент - нижний этаж осадочного чехла, зон глубинных системообразующих разломов.

Научная новизна

1. Создан [1, 3, 6, 7, 12, 15, 21] метод выделения гравитационного эффекта плотностных неоднородностей, основанный на анализе априорной геолого-геофизической информации и построении геометрической модели искомого поля - семейства соконтурных кривых. Оцифровка кривых проводится путем определения по гравиметрической карте интегральных средних значений аномалий по каждой кривой.

2. Разработан [1, 2, 3, 9] метод определения регионального фона, основанный на экстраполяции осредненных по системе окружностей аномалий в центр системы. Метод применим при анализе региональной и детальной съемок для определения криволинейности фона в условиях сложного аномального поля.

3. Разработаны [25, 26, 27, 29, 30, 31 и др.] методические приемы получения гравитационных аномалий с точностью на уровне технических возможностей гравиметров. Исследованы причины появления и разработаны приемы идентификации фиктивных аномалий

4. Разработан [59, 61, 64 и др.] метод картирования глубинных разломов верхней части коры на основе совместного анализа гравитационных и магнитных аномалий с вычислением адмиттанса - их нормированного отношения.

5. Научно-методические разработки [1, 2], находятся в соответствии с учебным планом подготовки студентов по специальности 011200 «Геофизика» и внедрены в учебный процесс. В них содержится теоретическая база защищаемых методов, методик и способов.

6. Крупные положительные структуры кристаллического основания образовались в результате «всплывания» соответствующих участков коры в отличие от соседних впадин [1, 3, 7, 8, 10, 13]. Всплывание коры, в свою очередь, происходило в связи с наращиванием ее снизу за счет поступления легких сиалических компонентов из очагов разуплотнения в верхней мантии.

7. Принятые схемы глубинного строения ряда структурных элементов Пермского Приуралья (Пермского свода, Сарапульской впадины и др.) соответствуют характеру гравитационного поля, выделенного по соконтурным кривым

8. На основе установленного [61, 64, 65] местоположения разломов суошкроткого простирапия в тектоническом рй^^нировян;"! и Пермского Приуралья выделены три зоны глубинной неоднородности: северная, центральная и южная, а также проведено районирование гравитационных аномалий по предельной глубине залегания их источников. Разломы и их фрагменты рассматриваются как структуры, которые должны учитываться при выявлении закономерностей размещения месторождений углеводородов и руд.

Научно-методические разработки

В настоящее время большое внимание в решении геологических задач уделяется роли гравимагнитных съемок. При подготовке студентов-геофизиков читается соответствующий спецкурс лекций. Этому курсу отвечает учебное пособие [1], в котором использованы научные достижения автора [5-11].

В систематизированном виде изложены вопросы изучения глубинного строения консолидированной земной коры и верхней мантии, кристаллического фундамента и осадочной толщи. Рассмотрены вопросы поисков и разведки месторождений негорючих ископаемых. По опубликованным работам разных авторов приведены примеры интерпретации гравитационных данных на Курской магнитной аномалии, в Криворожском бассейне, на рудных месторождениях Казахстана, на медно-колчеданных месторождениях Урала.

В учебном пособии [2] излагается сущность основных характеристик скалярных и векторных полей, причем используются не только прямоугольные,

но и ортогональные криволинейные координаты, подробно рассмотрены фундаментальная формула Грина, свойства гармонических функций, приведено решение внутренней краевой задачи теории потенциала, рассмотрены другие вопросы, имеющие важное значение в теории интерпретации потенциальных полей. Подробно описаны также конкретные геофизические поля, в том числе много внимания уделено свойствам гравитационного поля.

В известных учебниках по теории поля Л.М.Альпина, Ю.И.Кудрявцева, И.К. Овчинникова, В.Р. Бурсиана основное внимание уделяется вопросам теории электрических и электромагнитных полей. Фундаментальные вопросы теории гравитационного потенциала были изложены в 1932 г. Н.И. Идельсоном. Монография является раритетом. Естественно, что в ней отсутствуют новейшие разработки. Этот пробел в значительной мере восполняют работы С.А. Серкерова.

Актуальность нашего пособия подтверждает изданное в 1998 г. Национальной академией Украины учебное пособие Е.Г. Булаха и В.Н. Шумана. В нем также, как и в пособии [2], подробно проанализирован математический аппарат, применяющийся при изучении геофизических полей, много внимания уделяется гравитационному полю, свойствам гармонических функций, решению внутренней задачи Дирихле, интегралу Пуассона и др.

Научно-методические разработки автора соответствуют учебному плану подготовки студентов по специальности 011200 «Геофизика» и включены в учебный процесс на геологическом факультете Пермского государственного университета.

Внедрение и апробация результатов исследований

Использованы материалы исследований, проведенных на кафедре геофизики Пермского государственного университета с 1966 г. по настоящее время по госбюджетным и договорным работам. Госбюджетные исследования проводились в соответствии с планом Головного Совета «Нефть и газ Сибири», включенного Министерством науки, высшей школы и технической политики в разряд важнейших. В рамках этой тематики автор выполнял работу по теме РК № 76022620 «Исследования по вопросам обработки и интерпретации гравитационных, магнитных и сейсмических полей при разведочных работах на нефть и газ».

Госбюджетные исследования проводились также в рамках программы «Урал» Уральского отделения РАН «Совершенствование комплекса геофизических методов исследования на нефть и газ на основе физико-геологического моделирования».

Наряду с госбюджетными исследованиями выполнялись работы по договорным тематикам с Кайраккумской геофизической экспедицией (1975 г.), Туринской ГФЭ (1980, 1982 г.г.), Новодвинской ГФЭ (1985, 1986). Результаты исследований изложены в четырёх производственных отчётах.

Методы анализа гравитационных и магнитных аномалий использованы при выполнении научно-исследовательских работ в КамНИИКИГС по проблеме «Научное бурение в России» с целью оценки перспектив нефтегазоносности и разработки дальнейших программ геологоразведочных работ на нефть территорий Среднего Поволжья, а также при изучении рифейско-вендских отложений на территории Пермской области и соседних земель для построения карт морфоструктур и выделения систем глубинных разломов.

Результаты разработок докладывались и обсуждались на различных конференциях, совещаниях, семинарах, в том числе: У11 Всесоюзной научно-технической конференции (Львов, 1972); У Всесоюзной школе-семинаре «Теория и практика геологической интерпретации гравитационных и магнитных аномалий» (Ленинакан, 1986); международных, всероссийских и региональных конференциях и совещаниях, проводимых в Перми и других городах России: «Изучение рифогенных структур геофизическими методами», 1977, 1981; «Трассирование геофизическими методами зон, перспективных на литолого-стратиграфические залежи нефти и газа», 1979; «Минеральные ресурсы Западного Урала и их народнохозяйственное значение», 1983; «Геологическая среда и рациональное использование минеральных ресурсов Пермской области», 1986; «Поиски и разведка геофизическими методами неструктурных залежей нефти и газа», 1987; «Комплекс геофизических методов исследований в сложных геологических условиях», 1989; «Построение физико-геологической модели и системный подход при истолковании результатов геофизических исследований, 1990, 1993; «Охрана геологической среды в связи с народнохозяйственным освоением Прикамья», 1990; «Геология и минеральные ресурсы Западного Урала», 1993; «Современные проблемы геологии Западного Урала», 1995; «Моделирование геологических систем и процессов», 1996; «Перспективы нефтегазоносности кристаллического фундамента на территории Татарстана и Волго-Камского региона», (Казань, 1997); «Геология и геоэкология Урала и Поволжья», (Саратов, 1998); «Проблемы геологии Пермского Урала и Приуралья», 1998; «Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей», (Ухта, 1998; Екатеринбург, 1999); «Геология Западного Урала на пороге XXI века», 1999. Результаты исследований регулярно докладывались также на ежегодных отчетных научных конференциях сотрудников ПГУ с 1967 г.

Свою научную деятельность автору посчастливилось начинать под руководством Заслуженного деятеля науки РФ доктора технических наук профессора А.К. Маловичко. Его постоянное внимание к работе, конструктивная критика способствовали постановке и решению актуальных проблемных задач.

Большое влияние на формирование научных взглядов автора оказали также работы известных геологов и геофизиков Б.А. Андреева, Ю.В. Антонова,

В.М. Березкина, Ю.И. Блоха, Е.Г. Булаха, Г.С. Вахромеева, К.Е. Веселова, П.И. Лукавченко, А.Г. Гайнанова, КВ. Гладкого, Г.Я. Голиздры, Н.П. Грушинского, Н.И. Дергачева, Г.И. Каратаева, И.Г. Клушина, А.И. Кобрунова, Ю.П. Конценебина, В.В. Корягина, В.И. Костицына, С.С. Красовского, Н.Я. Кунина, В.А. Магницкого, В.Р. Мелихова, B.C. Миронова, Л.Д. Немцова, A.A. Никитина, В.М. Новоселицкого, А.Г. Салихова, Н.Б. Сажиной, С.А. Серкерова, З.М. Слепака, В.И. Старостенко, В.Н. Страхова, С.И. Субботина, О.Л. Таруниной, К.Ф. Тяпкина, Д.Г. Успенского, В.В. Федынского, Э.Э. Фотиади, М.С. Чадаева, С.А. Шихова, А.Я. Лроша и других ученых, ссылки на работы которых приведены в наших публикациях.

Выражаю глубокую благодарность сотрудникам кафедры геофизики Пермского университета, в особенности профессорам, докторам наук Б.К. Матвееву, Р.П. Савелову, Б.А. Спасскому, О.Л. Таруниной, доценту Н.И. Дергачеву, а также докторам наук A.A. Маловичко, В.М. Проворову за полезные советы и поддержку.

Особую благодарность выражаю Заслуженному деятелю науки РФ доктору геолого-минералогических наук, профессору В.М. Новоселицкому и доктору технических наук V]. (.. Чадаеву за многолетнюю творческую дискуссию.

Публикации

В настоящей диссертации обобщено 66 печатных работ, в том числе одна монография и два учеОнкх посо'оия для студентов геофизической специальности. Общее количество публикаций автора составляет 82 работы, включая учебно-методические разработки для студентов и научно-производственные отчеты.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1.Анализ известных способов разделения полей [1,3,4,5,12]

Разработкой и теоретическим обоснованием способов разделения полей занимались многие исследователи: Б.А. Андреев, Ю.В. Антонов, Ю.Д. Буланже, К.В. Гладкий, Г.Я. Голиздра, Ф.М. Гольцман, М.С. Жданов, Т.Б. Калинина, Г.Г. Кассин, И.Г. Клушин, А.К. Маловичко, В.Н. Страхов, А.Н. Тихонов, К.Ф. Тяпкин, В.В. Филатов, В.И. Шрайбман и другие.

Существующие способы разделения с некоторой условностью можно объединить в следующие группы: графические, аналитические, редукционные. В работах [3, 4, 5, 12] подробно рассмотрены достоинства и недостатки отдельных групп способов. Отметим, что простота применения графических способов, оправданных на ранних этапах решения региональных задач