Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Система обработки геофизических данных для оценки состояния известняков

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

Автореферат диссертации по теме "Система обработки геофизических данных для оценки состояния известняков"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

РГБ од

на правах рукописи ИНДЖИЯ ЗАЗА ДЖЕМАЛОВИЧ

УДК 550.834

СИСТЕМА ОБРАБОТКИ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ДАННЫХ ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ИЗВЕСТНЯКОВ

специальность 0 4.00.12

Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидатата технических наук

Москва 19 94

Работа выпонена на кафедре сейсмометрии и геоакустики Геоло гического факультета Московского Государственного Университета и фирме "Дачи и ко.".

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических

наук

Ф.М. Ляховицкий

Официальные оппоненты - доктор геолого-минералогических

наук В.И. Павловский кандидат технических

наук П.Г. Гильберштейн

Ведущая организация - Калужская Геолого-Геофизическая

экспедиция

D? Л?

Защита диссертации состоится (£>•

*>Ис<еОГ°\<,«ОИ1«ОГО 9 OS'S С„

на заседании Споциапнзпровашюто совета' - 'в Московском

государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ, Геологический факультет, зона "А", ауд. 308.

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

Автореферат разослан

Ученый секретарь Специализированного совета,

кандидат технических наук ч -//) . Б.А. Никулин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Известняки широко применяются в строительном депе, производстве вяжущих веществ, металлургии (флюсы) ,агрономии и др. В связи с чем предъявляются высокие требования к достоверности и детальности разведки месторождений известняков .

Для проектирования предприятий, добывающих известняки, и последующей эффективной эксплуатации месторождений необходимы объективные данные о горно-геологических условиях их разработки. К ним, прежде всего, относятся сведения о карстонарушенности, резких изменениях гипсометрии, физико-механических свойств и мощности толщи известняков. Получение такой информации становится одной из главных задач геологоразведочных работ.

Получение достоверных результатов путем сгущения сети разведочных скважин приводит к резкому удорожанию геологоразведочных работ. Лабораторное исследование керна не может дать характеристику породы в естественном залегании (влажность, трещиноватость). По данным наиболее дешевых и результативных наземных геофизических работ методами преломленных волн (МПВ) и вертикального электрического зондирования (ВЭЗ), на картах скоростей преломленной волны и удельного электрического сопротивления (УЭС) известняков наблюдается некоторое расхождение между зонами трещиноватости, определяемыми качественно по понижению скорости и УЭС. Следовательно трещиноватость по этим зонам оценивается с погрешностью. Эти обстоятельства определяют необходимость разработки и внедрения в комплекс геологоразведочных работ более информативных мето-

дов трансформации и анализа данных наземных геофизических работ.

При ручной обработке данных инженерной сейсморазведки методом преломленных волн (МПВ) обычно пользуются приближенными методами интерпретации (метод средних арифметических), что в сумме с погрешности), вызванной ручным построением годографов (разрезов) понижает достоверность результатов. Существующие программы-интерпретаторы для 1ВМ РС (до 1991г) не полностью автоматизируют процесс обработки годографов. Эти причины указывают на необходимость разработки программы, обрабатывающей материалы с помощью более точных методов.

Точки наблюдения по разным методам исследования могут быть несовмещенными по причинам топоусловии (где можно проводить ВЭЗ, там невозможно разместить сейсморазведочную технику, или наоборот, участок, где умещается сейсмическая расстановка, недостаточен для разносов ВЭЗ). Кроме того поверхность известняков при проведении детальных работ, по данным сейсморазведки описывается более мелким дискретом ("под" каждым приемником), чем по данным ВЭЗ. Эти обстоятельства указывают на необходимость интерполяции гипсометрии, попей граничных скоростей и удельного элэктрического сопротивления, к регулярным и совмещенным сетям, как для увязки границ на сводных разрезах (картах), так и для вычисления трещи-новатости по всей площади исследования.

На этапах обработки геофизических данных, как при интерпретации полевых материалов, так и при увязке результатов интерпретации и составлении сводных геолого-геофизических разрезов (карт), часто возникает необходимость в переинтерпретации исходных данных, в исправлении геофизических разрезов по профилям и др., что значительно понижает эффективность камеральных работ. В самой процессе обработки полевых материалов для оценки достоверности интерпретации каждого наблюдения существенную роль может

сыграть качественный графический экспресс-вывод геофизических и трансформированных попей в виде разрезов по произвольным профилям п карт изолиний. Дпя осуществления этого процесса необходимо разработать картопостроительную программу, включающую в себя: модули дпя интерпретации первичных материалов, механизм для трансформации геофизических полей и специального сервиса для увязки границ известняков как по разрезам, так и по всей площади.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы являлась создание системы обработки геофизических данных для оценки состояния известняков в естественном залегании. В соответсвии с этим в работе решались следующие задачи:

1) Разработка методики определения трещиноватости верхней части известняков на основе данных сейсморазведки методом преломленных волн (МПВ), электроразведки методом вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) и бурения, с использованием наблюдаемых значений: скоростей продольных преломленных волн, удельного электрического сопротивления, плотности породы и минерализации заполнителя трещин (пор).

2) Разработка программных средств для обработки данных сейсморазведки (МПВ). Опробование на материалах центральной части России.

3) Разработка системы для увязки результатов интерпретации геофизических данных, вычисления параметра трещиноватости, составления и графического вывода комплексных результирующих карт. Опробование системы на материалах центрапьной части России.

_Новые научные результаты ..

1) Создан эффективный аппарат для вычисления общей плотности (трещиноватости, влажности) известняков в естественном залегании с использованием данных о скорости продольной волны, удельного электрического сопротивления и плотности, определенной по керну.

2) Разработана программа для интерпретации данных сейсморазведки по методу точечного зондирования преломленными волнами, которая с применением переменного критерия дпя оценки коэффициента корреляции, расчленяет зону малых скоростей и определяет положение опорной преломляющей границы при комбинировании точного и приближенного метода интерпретации.

3) Разработана система для увязки результатов интерпретации геофизических данных путем пересчета от нерегулярных и несовмещенных сетей наблодения, для вычисления параметра трещиноватости и для составления и графического вывода комплексных результирующих карт.

Практическая ценность работы. В результате проведенных работ был решен целый комплекс проблем, связанных с изучением состояния известняков в естественном залегании.

1) Созданный аппарат вычисления общей плотности (трещиноватости, влажности) с использованием Vrp и УЭС, определенных по данным МПВ и ВЭЗ, при принятой методике наблюдения, дает возможность заменить качественную оценку состояния породы на количественную без дополнительных затрат при полевых работах.

2) Разработанная программа для обработки данных ТЗ МПВ на IBM PC позволяет полностью автоматизировать процесс обработки годографов, при использовании точных методов интерпретации. Для опорного преломляющего горизонта обработка ведется двумя методами, что повышает достоверность интерпретации.

3) С помощью картопостроительной системы CRACKS, можно оценить достоверность результатов интерпретации геофизических данных, осуществить их увязку и трансформацию, получить качественный графический вывод в процессе обработки полевых материалов.

Внедрения. Методика вычисления общей плотности (трещиноватости, влажности) с использованием Vrp и УЭС, определенных мето-

дамп МПВ и ВЭЗ, при принятой системе наблюдений, опробована и внедрена в Калужской Геолого-Геофизической экспедиции (КГГФЭ). Разработанные программные продукты для обработки данных ТЗ МПВ и кдртопостроения внедрены в проектных и производственных учережде-ниях: КГГФЭ, Воронежской Геолого-Геофизической экспедиции, Приволжской Геофизической экспедиции. Казанской Геофизической экспедиции, проектно-строительной фирме "Гонио" Грузия, инженерно-изыскательной партии Ариф, Ливан. Кроме этого эти программные продукты широко используются в фирме "Дачи и ко." Грузия.

Апробация работы. Опытно-методические работы на месторождениях известняков в Орловской, Рязанской и Калужской области проводились Калужской ГГФЭ ПГО "Центргеология" под руководством и при непосредственном участии автора диссертации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях молодых ученных в ПГО "Центргеология" (1987-1990).

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в отчетах КГГФЭ (1986-1990гг) и в двух опубликованных статьях .

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержит 94 страницы текста, 19 иллюстрации и список литературы из 35 названий.

Диссертация выполнена автором на кафедре сейсмометрии и геоакустики геологического факультета Московского Государственного Университета и фирме "Дачи и ко.".

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обосновывается актуальность работы, перечисляются ее цели и задачи, основные защищаемые положения. Выражена благодарность всем, кто внес свою вклад в работу.

ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗВЕСТНЯКОВ.

Для углубленного фациального анализа известняков и их детального стратиграфического расчленения необходимо максимально детальное изучение и выделение различных типов известняков, дробно подразделяемых в свою очередь по количественному содержанию различных компонентов.

В первом параграфе рассмотрены закономерности, положенные в основу петрографических классификаций известняков.

Осредненная физическая характеристика петрографических групп пород является причиной часто наблюдаемого кажущегося несоответствия геологических карт с картами геофизических полей, получаемых в результате высокоточных геофизических съемок. В то же время только физическая характеристика горных пород во многих случаях является недостаточно информативной в связи с идентичностью физических свойств многих петрографических групп пород.

Приведены классификация и критерии особенностей петрографической и физической характеристик карбонатов. Рассмотрены общие петрофизические характеристики карбонатов и их минеральных видов.

Приведены некоторые значения физических параметров кальцита, как основной составляющей известняков (по данным исследований, проведенных в разные времена разными учеными).

Дается описание разновидностей кальцита и общая петрофизи-ческая характеристика известняков и др.осадочных пород Русской платформы

Во втором параграфе рассмотрены оЬ/мсти применении известия ков. Дается характеристика маркам итигтащ.,!. Прштди п'я пил'оЬи обработки природных камней.

В третьем параграфе рассмотрены лабораторные методы определения плотности (в сухом, в воздушно-сухом н в максимально увпаж-

пенном состояниях образца), удельного веса (минералогической плотности), влажности, пористости, предела прочности при сжатии, скорости распространения упругих волн (продольное профилирование с помощью сейсмоскопа УЗС-2), и удельного электрического сопротивления (двух и четырехэлектродный способы) по образцам известняков .

ГЛАВА 11. ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ

ГИПСОМЕТРИИ И СВОЙСТВ ИЗВЕСТНЯКОВ В ЕСТЕСТВЕННОМ ЗАЛЕГАНИИ

В данной главе рассмотрена принятая методика геофизических работ при изучении известняков, а также предложен способ комплексной обработки данных МПВ, ВЭЗ и бурения.

Первый параграф посвящен методике геофизических работ на разных стадиях геологоразведочних работ при изучении горных пород, предназначаемых к использованию в качестве сырья для строительства .

Кроме комплекса геофизических методов эти стадии включают следующие работы: проходка канав, траншей, шурфов и скважин, лабораторные исследования и комплексный анализ всех материалов.

Описываются особые условия, свойственные инженерной сейсморазведке при изучении скальных массивов: малые глубины залегания прослеживаемых сейсмогеологических границ, небольшие размеры исследуемых площадей, сложная форма поверхностного и погребенного рельефа, невыдержанность рыхлых четвертичных отложений по мощности И др .

Описываются особенности волновой картины.

Рассмотрена методика изучения азимутальной анизотропии поверхности известняков. Приведена система наблюдений и результаты опытных работ, проведенных по изучению анизотропии в долине реки Ячейка Калужской области.

Описывается методика интерпретации данных продольного профи

лирования. Рассмотрены способы определения скоростей в скальных породах и способы определения глубин залегания преломляющей границы 1 0(метод 1о) .

Рассмотрены: методика наземных электроразведочных работ и методика скважинной сейсморазведки.

Во втором параграфе рассмотрены методы определения качества известняков по геофизическим данным. Перечислены характеристики и параметры исходной горной породы, часть которых изучаются в лаборатории при анализе керна. В условиях естественного залегания известняков задача может решаться только геофизическими методами, ряд параметров, характеризующих свойства известняков, изучается сейсморазведкой с использованием продольных, поперечных и обмен-пых волн.

Перечислены методы для определения плотности пород в естественных условиях залегания. Одна из причин расхождения между зонами трещиноватости, определяемыми качественно по понижению скорости и УЭС, связывается со степенью влагонасьщения породы.

Анализ физических свойств влагонасыщенных известняков указывает на возможность создания системы уравнений для вычисления средней плотности ( или - общей плотности) и весовой влажности И по наблюденным, значениям \/р и УЭС с учетом минерализации С.

По известним данным о водно-физических свойствах и эмпирическим зависимостям получена система уравнений с тремя неизвестными: (влажность, минерализация и общая плотность), которую можно решить при известной или принятой постоянной на площади исследования минерапизации заполнителя трещин.

_6/Г

1+С1~ ~27ГШ¥Т) и+У+ЗсКИ-О.Ш

10СМ+10'С(3~М) сМ г = -- ■ М=ч ч

с-гми-ю6«

где V - граничная скорость, г - УЭС, V/ - весовая влажность, С - минерализация, <3 - общая плотность

Для решения системы уравнений в полевых условиях рассчитаны палетки.

В третьем параграфе сопоставляется комплекс геофизических параметров, полученных в лабораторных и полевых условиях. Перечисляются причины погрешности в определении общей плотности и общей влажности известняков в естественном залегании по полевым геофизическим данным. После сопоставления значения общей плотности, полученного описанным способом, и значения плотности, определенного в лаборатории по образцам известняка, можно вычислить трещи-новатость пород по формуле:

Приводятся примеры практического использования метода на месторождениях известняков Орловской и Рязанской областей.

ГЛАВА 111. МАШИННАЯ ОБРАБОТКА ДАННЫХ ИНЖЕНЕРНОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ

Рассмотрены этапы машинной обработки данных сейсморазведки МПВ. Перечислены способы борьбы с помехами, как с основной причиной, понижающей эффективность машинной корреляции.

В первом параграфе приведены уравнения линии регресии и способ автоматической разбивки данных на отдельные генеральные совокупности, который можно успешно применять для выделения ветвей годографов. Рассмотрена существующая программа решения этой задачи "Контакт", в которой, кроме годографов, требуется введение дополнительных входных данных.

В разработанной автором программе "джадо" ("Волшебница") эта задача сводится к разделению данных на N генеральных совокупностей и последовательному вычислению для каждой из них линии регресии. Для оценки коэффициента корреляций используется, предложенный автором, критерии Е, который подобран опытним путем по банку

МЕТОДОМ ПРЕЛОМЛЕННЫХ ВОЛК

более чем 10000 годографов:

Е=1-к(п/(п+1)/ш) где к - коэффициент пропорциональности (к=1/30); п - номер ветки от начала годографа; т - номер точки на ветке.

Во втором параграфе описаны алгоритм программы "Джадо" и использовании е методы решения обратной задачи для определения положения опорной преломляющей границы и распределения граничных скоростей. Используются предложенный способ выделения ветвей годографов, метод разностного годографа и лучевой метод.

В третьем параграфе описаны возможности программы. Приводится подробное руководство пользователя "Джадо": работа с файлами, ввод данных, обработка и вывод результатов. Приводится пример обработки ТЗ МПВ с помощью программы.

ГЛАВА IV. ПОСТРОЕНИЕ КАРТ

Графическое отображение результатов геофизических работ является окончательным и одним из важнейших этапом обработки данных .

В первом параграфе рассмотрены методы интерполяции геофизического поля на регулярную сеть: 1. Построение полинома точечного среднеквадратического приближения в скользящем окне (круге), 2. метод сеток (итерационный способ Либмана).

Во втором параграфе рассмотрен алгоритм для построения изолиний по регулярной сетке данных. Рассматривается каждая ячейка регулярной интерполяционной сетки с значениями поля в узлах, проверяется: пройдет или нет данная изолиния в этом элементарном квадрате, отыскиваются точки пересечения.

Третий параграф посвящен методам визуализации геофизических полей. Приведены примеры графического представления геофизических

полей в изолиниях, интенсивностью крапа или цвета, а также в трехмерном изображении.

Рассмотрен случай размыва известняков одного стратиграфического горизонта полностью до другого горизонта с отличающимися физическими свойствами и способ интерполяции в этом случае.

В четвертом параграфе рассмотрен способ визуализации анизотропии скорости в горных породах. Предложен метод для оценки связи аномальных участков граничных скоростей с трещиноватой анизотропией при проведении разведочных работ точками зондирования МПВ.

В пятом параграфе описана система - CRACKS, перечислены возможные результирующие карты и возможности системы. Приводится подробное руководство пользователя CRACKS: содержание пакета; структура и формат данных и файлов, созданных в результате работы программы; работа с основным модулем и с обслуживающими интерфейсными программами.

В заключении даны краткие выводы по теме диссертации.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

1) На картах скоростей преломленной волны и УЭС известняков наблюдается некоторое расхождение между зонами трещиноватости, определенными качественно по понижению скорости Vp и удельного электрического сопротивления УЭС. Следовательно трещиноватость по этим зонам оценивается с погрешностью. Расхождение положения зон на картах, помимо некоторых причин, может быть связано со степенью влагонасьщения породы.

Анализ физических свойств влагонасыщенных известняков указывает на возможность создания системы уравнений для вычисления средней плотности и весовой влажности по наблюденным значениям Vp и УЭС с учетом минерализации С.

Повышение надежности и эффективности разведки месторождении

известняков может быть обеспечено применением предложенной комплексной обработки геофизических даных.

2. Программа для интерпретации времен первых вступлении, разработанная автором, строит сейсмические разрезы по обработанным данным ТЗ МПВ высокоточным методом без задания дополнительных условий.

3. Автоматизированная картопостроительная система CRACKS, разработанная автором, позволяет оценить достоверность результатов интерпретации геофизических данных и осуществить их качественный графический вывод.

СПИСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Инджия З.Д., Обработка данных сейсморазведки методом преломленных волн на ПЭВМ,М."Разведка и охрана недр", N2, 1991.

2. Инджня З.Д., Комплекс методов сейсмо- и электроразведки в инженерной геофизике. Гори,"Гори", N10 1993.

7 <-..■> Л'О.