Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Принципы и технология обработки и интерпретации потенциальных полей при изучении глубинного строения земной коры

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

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата технических наук, Липилин, Александр Владимирович, Москва

€> 0. ~ н О ¿4 - о

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОСИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

На правах рукописи

ЛИПИЛИН Александр Владимирович

ПРИНЦИПЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ПОЛЕЙ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ГЛУБИННОГО СТРОЕНИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Специальность 04.00.12 - Геофизические методы поисков и разведки

месторождений полезных ископаемых

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1999г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................3

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТОДОЛОГИИ И ТЕХНОЛОГИЙ КОМПЛЕКСНОЙ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ДАННЫХ......................7

1.1 МЕТОДОЛОГИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ИНТЕРПРЕТАЦИИ....................................7

1.2 ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОЙ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ДАННЫХ.............................................................................19

ГЛАВА 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОБРАБОТКИ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ПОЛЕЙ ПРИ КОМПЛЕКСНОМ ИЗУЧЕНИИ ГЛУБИННОГО СТРОЕНИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ..............................................................29

2.1 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ И ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ О ГЛУБИННОМ СТРОЕНИИ......29

2.1.1 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЛЕКСА ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПРИ РЕШЕНИИ ЗАДАЧ ИЗУЧЕНИЯ ГЛУБИННОГО СТРОЕНИЯ......................................................................................30

2.1.2 ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

О ГЛУБИННОМ СТРОЕНИИ ЗЕМНОЙ КОРЫ......................................................31

2.1.3 КОМПЛЕКС ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ГЛУБИННОГО СТРОЕНИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ И ВЕРХНЕЙ МАНТИИ...............34

2.1.4 ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ О ГЛУБИННОМ СТРОЕНИИ ЗЕМЛИ.......................................36

2.2 МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ КОМПЛЕКСНОЙ ИНТЕРПРЕТАЦИИ...........39

2.2.1 ФОРМИРОВАНИЕ АПРИОРНОЙ МОДЕЛИ.................................................41

2.2.2 ПОСТРОЕНИЕ ПОМЕТОДНЫХ МОДЕЛЕЙ..................................................44

2.2.4 ОПТИМИЗАЦИЯ КОМПЛЕКСНЫХ МОДЕЛЕЙ...........................................52

ГЛАВА 3. КОМПЬЮТЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ПОЛЕЙ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ГЛУБИННОГО СТРОЕНИЯ............................................................................................55

3.1 ОПИСАНИЕ ЭТАПОВ, ФУНКЦИОНАЛЬНОГО И ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ.............................................55

3.2 АЛГОРИТМ ДЛЯ ОБРАБОТКИ МНОГОУРОВНЕВЫХ НАБЛЮДЕНИЙ......65

3.3 АДАПТАЦИЯ И МОДИФИКАЦИЯ ИМЕЮЩЕГОСЯ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ........................................................................,....................................72

ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ПОЛЕЙ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ГЛУБИННОГО СТРОЕНИЯ............................................................................................74

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................................95

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................................................96

ВВЕДЕНИЕ

Проблема комплексной интерпретации геофизических данных при изучении глубинного строения земной коры связана с необходимостью поиска новых подходов к геокартированию, выделению крупных нефтегазоносных провинций и рудных поясов.

Получение новой и более полной информации при изучении глубинного строения территорий определяется использованием новейших разработок в области автоматизированной обработки и комплексной интерпретации геоданных.

В настоящее время изучение глубинного строения Земли с использованием потенциальных полей исключительно ориентируется на геометрическое положение границ раздела сред, определяемых по данным сейсморазведки и, в основном, глубинного сейсмического зондирования. Это приводит к существенной зависимости данных интерпретации потенциальных полей от сейсмогеологической модели. В то же время, источники гравитационных и магнитных аномалий не всегда являются таковыми для сейсморазведки и наоборот.

Опыт также показывает, что использование данных потенциальных полей для площадного районирования территории, определения глубины проявленности выделенных блоков и их плотности, может существенно влиять на интерпретацию данных сейсморазведки.

Следовательно, становится актуальной разработка технологии комплексной интерпретации данных, которая учитывала бы при создании комплексной модели результаты независимой интерпретации отдельных геофизических методов и соответствующих им моделей.

Целью проведенных исследований является разработка компьютерной технологии обработки и интерпретации потенциальных полей при комплексном изучении глубинного строения земной коры.

Основными задачами работы являлись:

1. Определение основных методологических принципов комплексной интерпретации данных потенциальных полей при изучении глубинного строения земной коры.

2. Разработка методического обеспечения обработки и интерпретации потенциальных полей при комплексном изучении глубинного строения земной коры.

3. Создание технологии комплексной интерпретации потенциальных полей на базе ГИС-технологий и ее апробация при решении практических задач.

Научная новизна

1. На основе определения общеметодологических принципов комплексной интерпретации потенциальных полей при изучении глубинного строения осуществлен выбор модели геосреды и разработана методика обработки и интерпретации данных с использованием критериев адекватности модели реальной среде.

2. Разработана структура и состав математического обеспечения компьютерной технологии комплексной интерпретации геофизических полей на базе ГИС-технологий с широким использованием адаптивных процедур фильтрации по установлению источников потенциальных полей.

3. Разработан алгоритм компенсирующего фильтра Колмогорова-Винера, позволяющий исключить влияние верхней части разреза при обработке многоуровенных наблюдений потенциальных полей.

Практическая значимость

Практическое значение работы состоит в развитии технологии комплексной интерпретации потенциальных полей при изучении глубинного строения земной коры и в построении плотностной модели по геотраверсу Уралсейс-95.

Защищаемые положения

1. Анализ особенностей изучения глубинного строения земной коры и общеметодологических аспектов комплексной интерпретации геолого-геофизических данных позволяют сформулировать основные принципы, определяющие методическое обеспечение применения геофизических полей при комплексном изучении глубинного строения.

2. Оценка условий применимости геофизических методов и методика независимой интерпретации потенциальных полей при формировании комплексной модели являются основой создания компьютерной технологии комплексной обработки и интерпретации геофизических данных при изучении глубинного строения земной коры.

3. Технология обработки и интерпретации геолого-геофизических данных, реализованная в среде ГИС, является эффективным средством построения моделей глубинного строения, а также служит базой при создании автоматизированных мест геофизиков и геологов по решению задач комплексной интерпретации при изучении глубинного строения земной коры.

Реализация и апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной геофизической конференции (Санкт -Петербург, 1995г.), Международной конференции и выставке (ЕАГО, SEG, EAGE, Москва, 1997г.), International Geological Congress (China, 1996 ).

Публикации и личный вклад в решение проблемы. Диссертация основана на теоретических, методических и экспериментальных исследованиях, выполненных автором.

По результатам выполненных исследований опубликовано 6 печатных

работ.

Основные теоретические, методические и технологические результаты получены непосредственно автором. На основе анализа методологических аспектов комплексной интерпретации геолого-геофизических данных и оценки физических возможностей и ограничений геофизических методов определены основные принципы и методика обработки и интерпретации геофизических полей, которые позволили реализовать информационное и аналитическое наполнение созданной компьютерной технологии. Определено место использования новых алгоритмов адаптивной фильтрации, многоуровневого характера наблюдений и построение апостериорной модели, что обеспечивает формализованные оценки результатов выполненных исследований по изучению глубинного строения изучаемого региона.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержит 104 страницы машинописного текста. Список литературы включает 74 наименования.

Автор выражает глубокую признательность д.т.н. Черемисиной E.H. за консультации, к.т.н. Галуеву В.И., а также Пимановой H.H. , Левину A.C. и Малининой С.С. за методическую помощь при создании технологии и оформлении результатов.

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТОДОЛОГИИ И ТЕХНОЛОГИЙ КОМПЛЕКСНОЙ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ

ДАННЫХ

1.1 МЕТОДОЛОГИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ИНТЕРПРЕТАЦИИ

Рациональная последовательность применения геофизических методов обеспечивает экономически обоснованное наращивание объемов геоинформации, которое, в свою очередь, реализует достаточно быстрый переход от изучения глубинного строения земной коры к поисковой стадии геологоразведочного процесса. При этом получение информации о глубинном строении непосредственно связано с реализацией комплексной интерпретации геофизических полей.

Методологическим аспектам комплексной интерпретации геофизических полей посвящен целый ряд публикаций известных геофизиков: В.Н. Страхова [55-56], В.В. Бродового [6-7], Г.Я. Голиздры [22-23], Г.С. Вахромеева [14], О.Л. Кузнецова [13, 38], A.A. Никитина [43-44], Н.Я. Кунина [39] и других.

Если на стадиях разведки и эксплуатации месторождений методология комплексной интерпретации практически уже сформировалась, поскольку объектом исследования является либо нефтегазовый резервуар (продуктивный пласт), либо рудное тело, то при изучении глубинного строения четкий объект исследования отсутствует. При разведке и эксплуатации интерпретационная модель продуктивного пласта или рудного тела определяется потребностями эффективной добычи углеводородов или минерального сырья, т.е. по существу инженерными соображениями разработчика месторождения, а не геофизическими допущениями. Благодаря этому объект здесь един для всех

геофизических методов, а целесообразность их применения определяется возможным вкладом результатов интерпретации в формирование геологической модели [2]. В то же время при изучении глубинного строения модель среды существенно различается для разных геофизических методов, поскольку для потенциальных полей препятствием является оценка глубины залегания контактных поверхностей, особенно при горизонтальном их залегании, а для сейсморазведки, наоборот, трудности возникают при определении вертикальных границ раздела сред.

Общеметодологические принципы теории и практики интерпретации геофизических данных были сформированы В.Н. Страховым [55]. Им выделено 12 основных принципов: системности, целенаправленности, формализации, исключения неизвестного, модельности, параметризации, оптимизации, регуляризации, адекватности, адаптации, многостадийности, геологической содержательности.

Близкие по содержанию принципы указаны В.В. Бродовым [6,7]: системности, целостности, оптимальности, направленности, модельности, этапности (т.е. многостадийности), полноцикличности, взаимосвязи и взаимообусловленности качественной и количественной интерпретации, преемственности и непрерывности.

Принципы интегрированного системного анализа геоинформации, имеющие непосредственное отношение к изучению глубинного строения земной коры по комплексу полей, сформулированы О.Л. Кузнецовым [38]:

1) расширение территории исследований и соответственное увеличение объема информации, относимого к элементу земной коры при переходе с нижнего уровня на более высокий;

2) потеря глобальности исследований при переходе с верхнего на нижний уровень;

3) унаследованность проявления в физических и геохимических поля разного уровня (от нижнего до верхнего) геологических структур и процессов;

4) использование геоинформации, получаемой на каждом нижнем уровне, в качестве петрофизической основы интерпретации на каждом верхнем;

5) разбиение площади (или пространства) наблюдений на квазиоднородные области по эффективным параметрам среды, значениям комплексного параметра (меры сходства) и различным статистическим показателям.

Рассмотрим указанные методологические принципы комплексной интерпретации геофизических полей применительно к глубинному изучению земной коры.

Особенности задачи изучения . глубинного строения земной коры позволили определить следующие основные методологические принципы.

1. Недостаточность прямой априорной информации: в основном информация по скважинам связана с освещением верхней части разреза и отсутствует информация о геологическом строении и петрофизических свойствах на больших глубинах - делает актуальным принцип модельности среды.

Модель среды выбирается, исходя из существующих общих геологических представлений и концепций о глубинном строении Земли и мантии, физических возможностей методов и источников информации об изучаемых объектах.

2. Необходимость изучения объектов разных иерархических уровней (от блоков до отдельных тел) делает целесообразным применение принципа системности, реализуемый на основе применения методов интегрированного системного анализа геоинформации.

3. Необходимость исследования контактных поверхностей разной глубинности (Мохо, Конрада, фундамента) приводит к использованию принципа многоуровневого характера наблюдений (к которым относятся, в том числе, многовысотные магнитные и разномасштабные гравитационные съемки).

Многоуровневый характер измерений, прежде всего, потенциальных полей позволяет, с одной стороны, реализовать идеи интегрированного системного анализа геоинформации, а с другой стороны, скомпенсировать эффекты, обусловленные верхней частью разреза.

Такая компенсация возможна путем реализации компенсирующего фильтра Колмогорова-Винера, рассмотренного в работах [41, 43]. При этом становится более однозначной интерпретация аномальных эффектов, связанных с глубинными источниками потенциальных полей.

4. Разноплановый характер геологического строения при изучении больших территорий (например, по геотраверсам) от слоистого до слоисто-блокового и преимущественно блокового обуславливает разный характер поля над ними и определяет актуальность принципа адаптивности.

Использование принципа адаптивности при фильтрации геофизических полей следует из многообразия геологических моделей при обследовании больших территорий геотраверсами, типа Урал-сейс. Так, для западной и восточной частей и Урал-сейса, расположенных в платформенных условиях Русской и Западно-Сибирской плит, характерны модели слоистых сред, а для центральной части Урал-сейса, т.е. складчатого пояса, основными моделями являются слоисто-блоковые и сложно-построенные среды, Поэтому при разделении полей на составляющие (региональную и локальные разных порядков) и трансформации полей следует учитывать изменения характера полей, обусловленных различными моделями строения земной коры, что может быть достигнуто за счет реализации адаптивных процедур фильтрации и трансформации полей.

5. Возникновение ряда альтернативных моделей геосреды при изучении глубинного строения. Разные геологические концепции глубинного строения являются следствием недостаточности априорной информации. Это обстоятельство приводит к необходимости принципа оптимизации, то есть использования критериев, позволяющих оценить оптимальность модели с точки зрения ее соответствия всему комплексу наблюденных полей.

Оптимизация модели осуществляется главным образом методом подбора. Для метода подбора критерии оптимальности формулируются, согласно В.Н. Страхову, двумя способами. В первом случае источники поля подбираются таким образом, чтобы обеспечить минимальные расхождения измеренных (наблюденных) и вычисленных (модельных) значений поля. При этом налагаются дополнительные условия в виде системы неравенств по ограничениям на нижнее

и верхнее значения физических параметров и глубин залегания. Во втором способе (способ невязки) устанавливается ограничение на разность измеренного и вычисленного элементов поля.

В теории исследования операций этот способ известен как метод последовательных уступок. Суть метода состоит в том, что при подборе параметры изменяются в небольших пределах. Например, если при решении обратной кинематической задачи найдены значения скоростей Vj и глубин залегания hj, при которых функционал

I | Сябл(х,у,г)- tI1Moa[Vj(x,y,z),hj(x,y)] | | =min достигает минимального значения еь Тогда при подборе плотностной модели из функционала

I I AgnHa6*(x,y,z)-Ag | | =min

исходные параметры сейсмическо