Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Методы обработки разноуровневых наблюдений потенциальных полей

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Лебедев, Алексей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ ОБРАБОТКИ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ.

1.1. Задачи статистической обработки в применении к геофизическим исследованиям.

1.2. Приемы оценки и выделения региональной и локальной составляющих геополей с применением статистических методов.

1.3. Приемы выделения слабых сигналов и статистической оценки их надежности.

1.4. Комплексный анализ нескольких геолого-геофизических признаков и их производных для решения задач геологического районирования.

1.5. Возможности определения гаубйнЫ залегания источников гравитационных и магнитных аномалий:! .7; :

ГЛАВА 2. ОЦЕНКА ЭФФЕКТА ТЕЛЕСКОПИРОВАНИЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ АНОМАЛИЙ.

2.1. Постановка задачи по оценке эффекта телескопирования геофизических аномалий.

2.2. Построение дисперсионных алгоритмов по выделению эффекта телескопирования аномалий.

2.3. Примеры выделения эффектов телескопирования аномалий по многоуровневым наблюдениям.

ГЛАВА 3. КОМПЕНСИРУЮЩАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ

ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ПОЛЕЙ.

3.1 .Линейный оптимальный фильтр Колмогорова-Винера.

3.2. Методика построения компенсирующего фильтра для обработки потенциальных полей.

3.3. Пример использования компенсирующего фильтра для обработки разновысотных потенциальных полей.

ГЛАВА 4. КОРРЕЛЯЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ПОЛЕЙ.

4.1. Возможные пути оценки глубины залегания источников потенциальных полей.

4.2. Алгоритмы статистического и корреляционного зондирования геополей.

4.3. Опробование алгоритма корреляционного зондирования потенциальных полей по геотраверсам.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Методы обработки разноуровневых наблюдений потенциальных полей"

До середины прошлого века исследования в области разработки новых способов обработки и интерпретации геофизических наблюдений характеризовались исключительно детерминированным подходом и основывались на применении аналитических методов теории потенциала, уравнений Максвелла, теории упругости. В начале 60-х годов, наряду с дальнейшим развитием детерминированного подхода (методов аналитического продолжения гравитационных и магнитных полей, частотного анализа) работы А.Г.Тархова, Ф.М.Гольцмана положили начало принципиально новому, вероятностно-статистическому подходу к обработке геофизических данных. Этот подход получил широкое развитие в различных областях разведочной геофизики: сейсморазведке (Ф.М.Гольцман, С.В.Гольдин, Е.А. Козлов, А.КЛновский и др.), структурной и рудной геофизике (А.Г.Тархов, A.A. Никитин, В.И.Аронов, С.А.Серкеров, Т.Б.Калинина, В.И.Шрайбман и др.), каротаже (Ш.А.Губерман, М.М.Элланский, Г.Н.Зверев и др.). Данная работа является дальнейшим развитием и обобщением того направления в общей структуре вероятностно-статистического подхода, которое нашло отражение в работах А.Г.Тархова, А.А.Никитина, В.И.Аронова, С.А.Серкерова, Г.В.Демуры, А.В.Петрова и которое базируется на методах корреляционного анализа, элементов теории вероятности и математической статистики с целью анализа разновысотной (разноуровневой) геофизической информации.

Актуальность работы состоит в том, что обработка геофизической информации является одним из важнейших этапов анализа экспериментальных данных всех методов, применяемых в геофизике. От качества анализа и полноты обработки этой информации зависит получаемый итоговый результат. Применение статистических методов обработки с привлечением корреляционной теории позволяет повысить эффективность и качество физико-геологического моделирования. Высокая степень роста мощности и производительности персональных компьютеров в последние 20 лет позволила реа-лизовывать идеи, предложенные в 60 - 80-ые годы XX века.

Научной проблемой, решаемой в настоящей диссертации, является создание помехоустойчивых методов анализа и интерпретации наблюдаемых на земной поверхности гравитационных и магнитных полей, а также их разно-высотных измерений при минимуме априорной информации. Поставленная проблема решается с использованием математического аппарата корреляционной теории сигналов и теории статистических решений.

Повышение объемов аэрогравиметрических съемок, в том числе введение в эксплуатацию аэрогравиметрии (в настоящее время проводятся опытно-исследовательские работы), позволяет говорить о повышении роли эффективных и более высокоскоростных геофизических методов исследования недр. Соответственно, существенно возрастает количество данных, измеренных на разных высотах, анализ которых, в свою очередь, обеспечивает получение дополнительной информации, расширяющей возможности традиционных методов наземных исследований. К сожалению, в настоящее время, практически, не существует приемов анализа и интерпретации разновысот-ных данных, что свидетельствует об актуальности проводимых исследований.

Целью работы является разработка приемов анализа геофизических данных потенциальных полей, измеренных на разных уровнях наблюдений. В соответствии с поставленной целью решается ряд конкретных задач, основными из которых являются:

1. Оценка эффекта телескопирования, т. е. выделение аномальных эффектов, регистрируемых по нескольким уровням наблюдений одновременно с уменьшением относительных размеров этих эффектов при переходе к более низкому уровню.

2. Реализация и исследование нового типа фильтра Колмогорова-Винера, получившего название компенсирующего фильтра, для компенсации эффектов, создаваемых взаимным влиянием полей, измеренных на разных уровнях.

3. Создание методики трехмерного корреляционного зондирования потенциальных полей в скользящих окнах разных размеров для оценки формы и глубины залегания контактных поверхностей по геотраверсам.

4. Опробование разработанных приемов анализа и интерпретации на модельных и практических примерах аномалий гравитационных и магнитных полей на базе компьютерных технологий К0СКАД-20 и КОСКАД-ЗБ.

Научная новизна. Новизна выполненной работы заключается в следующем:

1. Разработаны алгоритмы и программы по оценке эффекта телескопиро-вания разноуровневых аномалий.

2. Реализован в двухмерном варианте компенсирующий фильтр Колмогорова-Винера для компенсации эффектов, создаваемых взаимным влиянием полей, измеренных на разных уровнях, а также построен алгоритм компенсирующего фильтра для его трехмерного аналога.

3. Создана методика трехмерного корреляционного зондирования потенциальных полей для оценки формы и глубины залегания контактных поверхностей.

4. Проведено опробование разработанных алгоритмов и программ обработки и интерпретации потенциальных полей на базе компьютерной технологии КОСКАД 2Т> и КОСКАД 30.

Практическая значимость работы. Практическая значимость исследований заключается в совершенствовании методики анализа и интерпретации потенциальных геофизических полей в условиях минимума априорной информации. Проведена обработка потенциальных полей по геотраверсам Уралсейс и 1-ЕВ с целью оценки формы и глубины залегания контактных поверхностей и выделения тектонических нарушений по разноуровневым наблюдениям. На примере данных разновысотной аэромагнитной съемки по части территории Ростовской области с использованием компенсирующей фильтрации, в центральной части исследуемого района проведено выделение трех аномальных зон с оценкой глубины залегания соответствующих им объектов. Обеспечено также выделение перспективных площадей на поиски россыпей золота по разноуровневым данным по территории листа Р-55-69 (Яно-Колымский массив).

Защищаемые положения.

1. Разработанное программно-алгоритмическое обеспечение по оценке эффекта телескопирования геофизических аномалий повышает надежность выделения слабоконтрастных объектов при одновременной статистической обработке полей, зарегистрированных на нескольких уровнях.

2. Реализация компенсирующего фильтра Колмогорова-Виннера для полей, измеренных на двух уровнях, обеспечивает более однозначное выделение аномальных эффектов от объектов, залегающих на разных глубинах.

3. Созданная методика трехмерного корреляционного зондирования потенциальных полей в скользящих окнах разных размеров дает возможность оценить форму и глубину залегания контактных поверхностей по региональным профилям (геотраверсам).

Реализация и апробация работы. Основные научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции "Новые идеи в науках о Земле" в МГГА (1999, 2001 г.) и на 28-м Международном семинаре им. Д.Г.Успенского в г. Киев, Украина, 2001 г.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения и содержит 96 страниц машинописного текста, из которых 22 рисунка, 2 таблицы. Список литературы включает 76 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Лебедев, Алексей Николаевич

Основные результаты диссертационной работы заключается в следующем:

1. Проведен обзор современного состояния статистических приемов обработки геофизических данных. Отмечено, что в настоящее время отсутствуют приемы одновременной обработки полей, зарегистрированных на разных уровнях наблюдений. Рассмотрены также основные статистические приемы оценки региональной составляющей, выделения слабых сигналов, комплексного анализа данных, а также способы определения глубины залегания источников потенциальных полей. При оценке глубины залегания источников ни один из описанных способов до конца не гарантирует необходимую точность, поэтому с целью повышения надежности полученных результатов для решения поставленной задачи целесообразно использовать, как минимум два-три метода, т.е. при принятии окончательного решения необходимо руководствоваться "коллективом решающих правил";

2. Предложены дисперсионные алгоритмы для оценки эффекта теле-скопирования разноуровневых аномалий. Их применение для выделения слабых сигналов с последующим построением карт слабых сигналов на разных уровнях наблюдений обеспечивает с высокой степенью достоверности построение карт линеаментов. На территории номенклатурного листа карты Р-55-69 с применением методики расчета эффекта телескопирования выделены аномальные участки, совпадающие с зонами, перспективными на россыпные месторождения;

3. Реализовано программно-алгоритмическое обеспечение компенсирующей фильтрации. Его опробование по локальным составляющим магнитного поля, измеренного на разных высотах на 250 м и 2000 м над территорией Ростовской области и, частично, Волгоградской области (северная часть площади), в центральной части исследуемой территории обеспечило выделение трех крупных аномальных зон. Сопоставление полученных данных и результатов сейсморазведки с геологическими исследованиями, проведенными

89 на данной области, сделать вывод о том, что выделяемая в центральной части аномальная зона создается за счет погружения кристаллического фундамента. Использование компенсирующей фильтрации при обработке наблюдений потенциальных полей, зарегистрированных на нескольких (пяти-шести) высотах, позволят реализовывать "послойную" интерпретацию ано-малиеобразующих объектов по глубине их залегания.

4. Созданная методика корреляционного зондирования потенциальных полей на геотраверсах "1-ЕВ" и "Уралсейс" позволяет оценить форму и глубину залегания контактных поверхностей. Надежность их оценивания можно увеличить путем использования методики корреляционного зондирования для нескольких уровней наблюдений потенциальных полей.

Таким образом, впервые в практике обработки геофизических данных предложены и реализованы приемы обнаружения (эффект телескопирования) и интерпретации (компенсирующая фильтрация и корреляционное зондирование) аномалий потенциальных полей, зарегистрированных на разных уровнях наблюдения.

90

Заключение

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Лебедев, Алексей Николаевич, Москва

1. Айвазян С.А., Бухштабер В.М., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д., Прикладная статистика. Классификация и снижение размерности. Справ, изд. М., Финансы и статистика, 1989, 607 с.

2. Акимов B.C. Совместная интерпретация аномалий потенциальных полей и их производных на основе взаимно-корреляционных функций. Авто-реф. дисс. к.т.н., М., МГГА (МГРИ), 2000.

3. Арене X., Лейтер Ю. Многомерный дисперсионный анализ. М., Финансы и статистика, 1985. 290с.

4. Аронов В.И. Методы математической обработки геологических данных на ЭВМ. М., Недра, 1977.

5. Аронов В.И. Методы построения карт геолого-геофизических признаков и геометризация залежей нефти и газа на ЭВМ. М., Недра, 1990.

6. Андерсон Т. В. Введение в многомерный статистический анализ. М., Физматгиз, 1963.

7. Андреев Б.А., Клушин И.Г. Геологическая интерпретация гравитационных аномалий. М., Недра, 1965.

8. Баранова Л.Ю. Оценка перспектив территории листа Р-55-69 на россыпную золотоносность в ГИС. Дипл. раб., МГГА, 1999.

9. Берлянд Н.Г., Розе E.H. Применение корреляционного анализа для районирования потенциальных полей. Геомагнетизм и аэрономия, №2, 1971, с.43-48.

10. Берлянд Н.Г. О возможностях автокорреляционного анализа при изучении структур гравитационного поля. Физика Земли, № 1, 1971.

11. Большаков Б.Е. Прогнозирование геологических характеристик по геолого-геофизическим данным с помощью ЭВМ (на примере глубинного строения Предкавказья и Запада Средней Азии). Автореф., М., 1968.

12. Верхаген К., Дёйн Р., Грун Ф., Йостен И., Веберг П. Распознавание образов: состояние и перспективы (пер. с англ. Гуревич Н.Г.), Радио и связь, М., 1985, 104 с.

13. Гладкий К.В., Серкеров С.А. Автокорреляционные функции и радиусы автокорреляции высших производных аномалий силы тяжести и магнитных аномалий. Полевая геофизика, Недра, № 25.

14. Гладкий К.В., Серкеров С.А. Определение некоторых статистических характеристик аномальных гравитационных и магнитных полей. Тр. МИНХиГП, вып.68, М., Недра, 1967.

15. Глазнев В.Н. Применение теории корреляционных функций для анализа и интерпретации потенциальных полей. Автореф. к.ф.-м.н., ИФЗ АН СССР, М., 1979.

16. Глазнев В.Н., Павловский В.И., Раевский А.Б. Автокорреляционные функции потенциальных полей, обусловленных горизонтальным слоем со случайным расположением источников. Физика Земли, №8, 1978.

17. Гольцман Ф.М., КалининаТ.Б., Калинин Д.Ф. Статистическая методология построения моделей геолого-геофизических объектов по комплексу геоданных. Рос. геофиз. ж., № 3-4, 1994, с. 61-66.

18. Горелик A.JL, Скрипник В.А. Методы распознавания. Уч. пособ. для вузов, Высш. Шк., М., 1977, с.222.

19. Грипко И.Л., Миколаевский Э.Ю. Новые алгоритмы в технологии многомерной интерпретации Пангея, ж. ЕАГО Геофизик, № 4, 1997, с. 13-19.

20. Демидович О. А. Выделение слабых геофизических аномалий статистическим способом. М., Недра, 1969.

21. Дорофенюк A.A. Алгоритмы автоматической классификации (обзор). Автоматика и телемеханика, №12, 1971, с.78-113.

22. Изаров В.Т. Возможности обнаружения статистическими методами магнитных аномалий кимберлитовых трубок на фоне аномальных полей траппов в Алдано-Алакитском алмазоносном районе Западной Якутии. Ав-тореф., 1970.

23. Изаров В.Т. Статистический анализ магнитного и гравитационного полей траппов, тр. СНИИГГиМС, вып. 92, Вопросы рудной геофизики Сибири, Новосибирск, 1969.

24. Каратаев Г.И. О корреляционном линейном прогнозировании глубинного строения земной коры по гравитационным и магнитным аномалиям. Геология и геофизика, №12, 1963.

25. Клушин И.Г. Статистическое определение глубины залегания источников аномалии магнитного поля. Записки Ленинградского горного института им. Г.В.Плеханова, т.46, вып.2, 1963.

26. Клушин И.Г. Статистическое исследование глубины распространения неоднородно намагниченных горных пород. Прикладная геофизика, вып.52,1968.

27. Кобрунов А.И. К теории интерпретации данных гравиметрии для слоистых сред (равномерная оптимизация). Изв. АН СССР. Физика Земли, №8, 1988, с.33-34.

28. Кобрунов А.И. Теоретические основы решения обратных задач геофизики. Уч. пособие, Ухта, УИИ, 1995, 226с.

29. Кузнецов О.Д., Никитин A.A. Геоинформатика. М., Недра, 1992,302с.

30. Лебедев А.Н. Основные приемы оценки глубины залегания источников гравитационных и магнитных аномалий. Изв. вузов., геол. и разв., №2, 2001.

31. Лебедев А.Н., Петров A.B. Статистическое зондирование геополей. Изв. вузов, геол. и разв. №3, 2001.

32. Логачев A.A., Захаров В.П. Магниторазведка. Недра, Л., изд.4, 1973,352с.

33. Лыхин A.A., Рудаков В.П. Компенсация помех во временных рядах поля подпочвенного радона. Физика Земли, №2,1990.

34. Миков Д.С. Интегральные методы интерпретации гравитационных и магнитных аномалий. Уч. пос., Иркутский политехи, ин-т., Иркутск, 1972, 80с.

35. Никитин A.A. Статистические методы выделения геофизических аномалий. М., Недра, 1979, 280 с.

36. Никитин A.A. Теоретические основы обработки геофизической информации. М., Недра, 1986, 342с.

37. Никитин A.A., Трофимова Т.А. Теоретические основы обработки геофизических данных. Уч. пос. МГГА (МГРИ), М., 1987, 99 с.

38. Никитин А. А., Петров А. В. Классификация комплексных геополей на однородные области. Изв. вузов., геол. и разв., №4, 1990, с.124-125.

39. Никитин А. А., Петров А. В. Многомерные аналоги способов обратных вероятностей и самонастраивающейся фильтрации. Изв. вузов., геол.и разв., №2, 1989.

40. Никитин A.A. Теория и методы выделения слабоконтрастных объектов в геофизических полях. Геофизика, №2, 2001.

41. Никитин A.A., Тархов А.Г. К использованию способа обратных вероятностей для обработки геофизических данных. В кн. Разведочная геофизика, вып. 15, М., Недра, 1966, с.94-98.

42. Никитин А. А. Статистические методы выделения геофизических аномалий. М., Недра, 1979.

43. Овсов М.К., Иванов А.И. Применение методов распознавания и аналогии с целью прогноза и поисков полезных ископаемых.

44. Пахомов В.И. Методологические основы и принципы обработки информации для целей прогнозирования и поисков МПИ. Дисс. работа 1993.

45. Петрищевский А.М. Статистические гравитационные модели литосферы Дальнего Востока. Владивосток, Из-во ДВГУ, 1988, 168 с.

46. Петров A.B., Никитин A.A. Многомерные аналоги способов обратных вероятностей и самонастраивающейся фильтрации. Изв. вузов, геол. и разв., №2, 1989, с.82-87.

47. Петров A.B. Алгоритм двумерной адаптивной энергетической фильтрации геофизических наблюдений. Изв. вузов, геол. и разв., №4, 1994, с.124-128.

48. Петров A.B. Адаптивная фильтрация геополей. Геоинформатика, №6,1996.

49. Петров A.B., Никитин A.A. Многомерные аналоги способа обратных вероятностей и самонастраивающейся фильтрации. Изв. вузов, геол. и разв., №2,1989.

50. Петров А. В., Рудаков В.П. О сезонных вариациях поля подпочвенного радона. Докл. АН СССР, т.300.2,1986.

51. Петров A.B. Руководство пользователя системой КОСКАД-ЗБ.2001.

52. Розе E.H. О применении статистических методов к определениюглубины источников магнитных аномалий. Геомагнетизм и аэрономия, т.8, №4,1968.

53. Розе E.H. О структуре магнитного поля Земли на океанах. Сб. Тез. докл. VIII конф. по вопросам постоянного геомагнитного поля, магнетизма горных пород и палеомагнетизма», ч. 1, ИФЗ АН СССР. М., 1970.

54. Серкеров С.А. Гравиразведка и магниторазведка. М., Недра, 1999,437 с.

55. Серкеров С.А. Корреляционные методы анализа в гравиразведке и магниторазведке. М., Недра, 1986, 247 с.

56. Серкеров С.А. Спектральный анализ в гравиразведке и магниторазведке. М., Недра, 1991, 297 с.

57. Сербуленко М.Г. Корреляционный метод интерпретации двумерных потенциальных полей. Геология и геофизика, №11, 1960.

58. Соколов К.П. Геологическое истолкование магниторазведочных данных. М., Госгеолтехиздат, 1956, 127 с.

59. Справочник геофизика, т.5, Гравиразведка, М., Недра, 1968, 512 с.

60. Справочник геофизика. Гравиразведка, М., Недра, 1990, 607 с.

61. Страхов В. Н., Лапина М. И. Определение параметра Н-магнитных и гравитационных аномалий. Геол. и разв., №12, 1967.

62. Трошков Г.А., Грознова A.A. Математические методы интерпретации магнитных аномалий. М., Недра, 1985, 151с.

63. Тяпкин К.Ф. Физика Земли. Уче. Киев. Вища шк., 1998, 312 с.

64. Фомин Я.А., Тарловский Г.Р. Статистическая теория распознавания образов. М., Радио и связь, 1986, 264 с.

65. Фор А. Восприятие и распознавание образов (пер. с фр. А.В.Сере-динского) под ред. Г.П.Катыса. М., Машиностроение, 1989, 272 с.

66. Цирульский A.B. Вопросы теории и методы интерпретации потенциальных геофизических полей. Уч. пособие, Л., 1989.

67. Чень Юй Дун. Оценка и интерпретация разновысотных геофизических наблюдений. Автореф. к.т.н., М., МГГА (МГРИ), 1993.96

68. Шрайбман В.И., Жданов М.С., Витвицкий О.В. Корреляционные методы преобразования и интерпретации геофизических аномалий. М., Недра, 1977.

69. Ahrens Н. (1968) Variazanalyse, Akademie-Verlag, Berlin.

70. F.E.M.Lilley, Andrian P. Hitchman, Lie Jun Wang. Time-varying effects in magnetic mapping: Amphidromes, doldrums, and induction hazard. Geophysics, vol.64 №6 (Nov.-Dec. 1999) , pp. 17.20-1729.

71. Pierre B. Keating Weigted Euler deconvolution of gravity data. Geophy-sis, vol. 63, №.5 (Sept.-Oct. 1998), p. 1595-1603.

72. Winer N., 1959, The Fourier Integral and Certain of i'ts Applications. Dover Publ., 201 pp.