Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Технология автоматизированной интерпретации геопотенциальных полей при подготовке геофизической основы для геологической съемки и поисков медно-никелевых руд

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

Автореферат диссертации по теме "Технология автоматизированной интерпретации геопотенциальных полей при подготовке геофизической основы для геологической съемки и поисков медно-никелевых руд"

РГВ од - ДПР 1394

российская академия наук уральское отделение институт геофизики

На правах рукописи удк 550.831

долгаль александр сергеевич

технология

автоматизированной интерпретации геопотенциальньк полей при подготовке геофизической основы для геологической съемки и поисков медно-никелевых руд

04.00.12 - геофизические, методы поисков и разведки месторождения полезных ископаемых

' автореферат диссертации ка соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 1994

РаОота выполнена в Институте геофизики им. С.И. Субботина Академии наук Украины

Научные руководители:

доктор физико-математических наук Е.Г. Булах доктор физико-математических наук П. И. Балк

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук член-корреспондент АЕН, заслуженный деятель науки РФ В.М. Новоселицкий, кандидат физико-математических наук П.С. Мартышка

Ведущая организация: ГГП "КРАСНОЯРСКГЕОЛОГИЯ" РОСГЕОЖОМа

Защита диссертации состоится "26" апреля 1994 г. в 15 часов на заседании специализированного совета Д003.31.01 в Институте геофизики Уральского отделения РАН по адресу: 620219, г. Екатеринбург, ГСП-144, ул. Амудсена, 100.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института геофизики УрО РАН.

Автореферат разослан "_" марта 1994 г.

Ученый-секретарь спецсовета

д.ф.-и.н.

Ю.В. Хачай

ОБЦЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблем и. Исследования проводились в рамках комплексной научно-производственной программы "Норильск-95", направленной на расширение и укрепление минерально-сырьевой базы Норильского горно-металлургического комбината. Программой предусмотрено выполнение геологосъемочных и поисковых работ в пределах Северо-Сибирской никеленосной провинции, главной задачей которых является выявление месторождений сульфидных мед-но-никелевых руд. Основные перспективы рассматриваемой территории связаны с глубинами залегания рудоносных объектов, достигающими 1.5-2.0 километров, что предопределяет особую роль геофизических методов в применяющемся комплексе геологоразведочных работ.

Геологическая эффективность гравиметрических и магнитных съемок, выполняющихся, преимущественно, на этапе опережающее геофизических работ, с целью подготовки основы для геологической съемки и поисков, в значительной мере определяется процессом извлечения информации из данных полевых наблюдений. Интерпретация геопотенциальных полей при создании высококачественной геофизической основы включает в себя решение задачи детального описания изучаемого объема геологической среды и задачи обнаружения и локализации рудоперспективных объектов. Совместное решение этих задач целесообразно проводить в рамках единой технологической цепочки автоматизированной обработки геофизической информации, от ввода исходных данных и до получения модели геологического строения исследуемой площади, согласованной с наблюденными полями и различными априорными характеристиками.

Кельн работы является создание технологии автоматизированной интерпретации гравитационного и магнитного полей при подготовке геофизической основы для геологической съемки и поисков медно-никелевого оруденения в условиях региона, обеспечивающей наиболее полное извлечение информации из имеющихся геолого-геофизических материалов, при высоких технико-экономических показателях процесса.

Защищаемые положения:

1.Разработала технология автоматизированной интерпретации данных гравимагниторазведки при подготовке геофизической основы для геологической съемки и поисков медно-никелевого оруденения, обеспечивающая последовательнее построение петрофизической, фиаи-ко-геалогической,фиэйко-математической моделей исследуемой территории.

2.Предлагается новый способ оценки точности учета влияния рельефа местности при гравиметрической и магнитной съемках, основанный на методе Монте-Карло.

3.Расширена область применения монтажного метода решения нелинейной обратной задачи гравиметрии на новые классы источников поля, использовано комплексирование сеточных методов для моделирования геологических разрезов рудоперспективных площадей.

4.Представленная технология интерпретации геопотекциальных полей повышает геологическую информативность геофизических исследований в условиях Северо-Сибирской кикеленосной провинции» что подтверждается практическими примерами.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1.Сформирована концепция оптимальной технологии интерпретации геопотенциальных полей при создании геофизической основы для геологической съемки и поисков, базирующаяся на системном подходе и инвариантная относительно детальности (масштаба) исследований и физико-геологических условий. При этом геофизическая основа рассматривается как совокупность взаимодополняющих апостериорных интерпретационных моделей изучаемой геологической среды, включающая в себя петрофизическую (ГШ), физико-геологическую (ФГМ), физико-математическую (ФММ) модели; используются общеметодологические идеи извлечения информации из данных геофизических наблюдений, сформулированные В.Н.Страховым: системная оптимизация, исключение известного, выявление, устойчивого; процесс интерпретации сводится к последовательному построению ПШ, ФГМ, ФММ исследуемой территории. Интерпретационная технология (система) включает в себя следующие этапы (подсистемы): формирование целевой базы данных; обработку петрофизической информации; вычисление аномальных зффек-

тов от известных источников; трансформации полей; прогнозное районирование площади с помощью различных алгоритмов распознавания образов; решение обратных задач, вывод результирующей информации.

2.Исследованы вопросы, касающиеся влияния резкорасчлененного рельефа дневной поверхности на результаты измерении гравитационного и магнитного полей. Перечислены основные факторы, сказывающие влияние на значения топопоправки в реальных условиях измерения геофизических полей и не учитываемые при формальной оценке точности ее вычисления. Для определения погрешностей учета влияния рельефа, обусловленных этими факторами - латеральной изменчивостью физических свойств горных пород, отклонениями в планово-высотной привязке точек наблюдения, ошибками аппроксимации физической поверхности набором тел правильной геометрической формы, использован метод Монте-Карло. Разработаны алгоритмы и вычислительные схемы для определения влияния отдельных возмущающих факторов на величину вычисляемых топопоправок и для исследования пространственного распределения погрешностей расчета топопоправок. Создано программное обеспечение для решения этих задач; выполнены модельные эксперименты, результаты которых позволяют оценить уровень помех "топографического" происхождения при выполнении гравиразведки и магниторазведки в условиях развития пород трапповой формации; сформулированы конкретные предложения по повышению точности учета влияния рельефа. Предлагается способ определения топопоправок при аэромагнитной съемке для рельефа, сложенного породами с переменной по латерали субвертикальной намагниченностью , основанный на построении нелинейных регрессионных зависимостей между наблюденным полем и высотными отметками.

3. Разработаны алгоритмы решения нелинейных обратных задач гравиметрии монтажным методом для новых классов источников поля, представленных горизонтальными многоугольными призмами, ограниченными с торцов вертикальными плоскостями Y=const (пространственная задача); финитной контактной поверхностью и произвольно расположенными относительно нее локальными объектами (структурно-рудная задача).

Создана методика моделирования геологических разрезов по гравитационному псшз, основанная на комплексировании сеточных методов решения обратной задачи. Последовательно выполняются: вычисление и исключение аномальных эффектов от известных аномали-еобразующкх тел; построение геоплотностного разреза методом последовательного накопления и разрастания масс; подбор конфигурации источников монтажным методом. В процессе расчетов осуществляется частичное восполнение дефицита априорной информации о плотностной среде и разделение наблюденного поля на составляющие. Применение монтажного метода на заключительном этапе интерпретации позволяет провести формализованный учет разнообразных, как количественных, так и качественных, сведений об источниках аномального поля и получить геологически-содержательный вариант распределения масс ухе после первого цикла подбора. Предлагается использование смешанных физико-математических моделей при интерпретации автолокалиэован-ных аномалий поля силы тяжести, отмечающихся над дифференцированными рудоносными интрузиями, что повышает устойчивость решения задачи и упрощает ее в техническом плане.

Практическая ценность. Представленная г работе технология автоматизированной интерпретации геопотенциальных полей,базирующаяся на применении программных средств, разработанных в различных организациях СВИРГ, ИГ АН Украины, КазИРГ) и собственными силами,внедрена в производственную эксплуатацию на вычислительном центре Норильской экспедиции. Итоговый продукт интерпретации используется при проведении геологосъемочных и поисковых (в том числе и буровых) работ на различных объектах, в том числе : в пределах Хараелахской тралповой мульды - первоочередной территории для поисков богатого медно-никелевого оруденения в Норильском районе; на территории Талнахского рудного узла; на Боо-танкагском участке, располагающемся в пределах гор Бырранга на Центральном Таймыре.

При этом получены следующие основные геологические результаты:

-изучено структурно-тектоническое Строение Хараелахской мульды; локализованы участки, перспективные на обнаружение сульфидных медно-никелевых руд; даны рекомендации для бурения глубо-

ких, до 2.5 км, поисковых скважин (в частности - протоколом заседания геолого-геофизической секции научно-технического совета Норильского комбината N 123/13 от 30.03.1993 г. отмечена рекомендация по бурению поисковой скважины на сейсмическом профиле К-1, меаду скважинами ТК-17 и ТК-5, с целью подсечения предполагаемого интрузивного тела основного состава);

-на северных флангах Талнахского рудного узла выявлена Верх-нетангаралахская аномалия разностного гравитационного поля, предположительно связанная с глубокозалегающими интрузивными телами;

-в 4-х рекомендованных по геофизическим данный скважинах вскрыто вкрапленное сульфидное медно-никелевое оруденение, приуроченное к Боотанкагскоыу интрузивному массиву.

Достаточно широкое практическое применение могут найти также алгоритмические разработки, предназначенные для оценки погрешностей учета влияния рельефа; для определения топопоправок'при аэромагнитной съемке статистическим способом; для решения пространственных и структурно-рудных обратных задач гравиметрии монтажным методом.

Реализация работы. Основные положения диссертации изложены в двух производственных отчетах по опытно-методическим работам (гос. регистрационные номера 16-88-5/23 и 16-00-14/11); полученные геологические результаты приведены в сводном отчете Комплексной геофизической партии за 1988-1991 годы и в ряде других геологических отчетов Норильской КГРЭ (государственные регистрационные номера 16-88-5/27, 16-88-28/13, 16-89-57/1).

Апробация работ н. Основные результаты работы докладывались на семинаре "Геологическая интерпретация гравитационных и магнитных аномалий" (Москва,1992 г.); на семинаре "Компьютерные технологии прогнозирования при геологосъемочных работах масштабов 1:200 ООО - 1:50 ООО" (Красноярск, 1992 ; г.); на научных чтениях, посвященных 100-летию со дня рождения Н.Н.Урванцева (Норильск,1993 г.); на заседаниях геолого-геофизических секций научно-технических советов Норильской КГРЭ, Центрально-Арктической ГРЗ, ПГО "Красноярскгеология", Норильского горно-металлургического комбината.

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 5 печатных работах.

Структура' к объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, общим объемом 151 страница, содержит 16 таблиц, 41 рисунок и список литературы, включающий 118 наименований.

Автор выражает благодарность всем, оказавшим помощь в процессе внедрения и эксплуатации представленного в работе программного обеспечения: сотрудникам НКГРЭ Кострубову В.Ф., Заике А.Н., Рябчиковой Л.В.; сотрудникам ВИРГ Мерсадыковой Т.Е., Штоколенко М.Б.; сотрудникам КГ АН Украины Марковой М.Н., Цок H.A., ЦымОал Т.И., Михеевой Т.Л.¡сотруднику КазИРГ Балк Т.В., сотруднику ИПК Якимчуку H.A. Постоянное внимание и поддержку при работе оказывали Наумов А.Г., Лшъко В.А., Салов В.М., Амосов Ю.Н.

Особую признательность и благодарность автор выражает своим научным руководителям - д.ф.-м.к. Булаху Е.Г. и д.ф.-м.н. Балку П.И.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Методологические вопросы интерпретации геопотекциальных полей при подготовке геофизической основы для геологической • съемки и поисков.

Проведение опережающих геофизических исследований с целью подготовки основы для геологической съемки и поисков месторождений полезных ископаемых является самостоятельным этапом геологоразведочных работ. Важную роль на этом этапе играет гравиметрическая и магнитная съемки, геологическая информативность которых существенно зависит от качества интерпретации данных полевых наблюдений.

Геофизическую основу для геологической съемки и поисков предлагается рассматривать как совокупность взаимодополняющих

апостериорных интерпретационных моделей изучаемой территории: петрофизической (ГШ), физико-геологической (ФШ), физико-математической (Ш1). Процесс интерпретации геофизических данных сводится к последовательному построения этих моделей.

Приводится обобщенная характеристика интерпретационного процесса; представлены формализованные постановки задачи кетодкой интерпретации (на примере гравиразведки, по Е.Г. Булаху) и задачи комплексной интерпретации геолого-геофизических данных (по Г.Я. Голиздре); перечислены факторы, влиявшие на выполнение автоматизированного анализа геофизических материалов; дается краткий обзор применения ЭВМ при интерпретации данных гравимагниторазведки.

При геологосъемочных работах задачи картирования и поисков тесно увязаны друг с другом, следовательно, интерпретация 1*еопо-тенциальных полей должна в равной мере обеспечивать решение задач детального описания геологической среды, а также задач обнаружения и локализации искомых объектов. В своей начальной постановке эти задачи относятся к слабосгруктуризованным, содержащим как качественные, так и количественные данные, причем преобладают качественные и неопределенные компоненты. Превалирующая роль качественных компонент в данном случае обусловлена тем, что на стадиях региональных исследований, крупномасштабного геологического картирования и поисков априорная информация об исследуемых объектах носит преимущественно качественный характер. Известно, что решение слабоструктуризованных задач на уровне полностью формализованных математических моделей неосуществимо, поэтому процесс интерпретации геопотенциальных полей на ЭВМ требует вмешательства человека на различных этапах.

Методологические вопросы, связанные с разработкой человеко-машинной технологии интерпретации данных гравимагниторазведки, рассмотрены с позиций системного подхода. При этом интерпретационная технология выступает как целостный объект, имеющий свои специфические черты и закономерности функционирования. Соблюдение принципа полноцикличности подразумевает создание единой технологической цепочки, функционирующей от ввода исходной информации и до получения различных моделей изучаемого объема геологической среды.

Для наиболее полного извлечения полезной информации из данных гравимагниторззведки целесообразно технологическое сочетание операций, относящихся к трем различным направлениям математической теории: трансформациям поля, решению прямых и обратных задач, распознаванию образов. Приводится краткая характеристика указанных направлении, выступающих в роли основных подсистем.

Базируясь на гносеологических идеях В.Н. Страхова о системной оптимизации, исключении известного и выявлении устойчивого, предлагается проводить интерпретацию данных гравимагнитораэведки по следующей схеме: подготовка- информации -> обработка петрофизи-ческих данных -> решение прямых задач (редуцирование) -> трансформации полей -> распознавание образов -> решение обратных задач. Подключение подсистемы графического вывода информации допускается на любой стадии процесса.

Данная схема, обусловленная поступательным развитием интерпретационного процесса, характеризует внутренние прямые связи системы. Внутренние обратные связи системы обусловлены наличием технических возможностей повторной обработки промежуточной информации. Внешние связи системы обеспечены за счет обмена информацией об исследуемых геологических объектах с другими методами изучения недр. Ограничения на параметры системы носят, прежде всего, технико-экономический характер и связаны со скоростью получения конечного результата. В связи с этим количество элементов (методов) в подсистемах должно быть минимальным. Кроме того, для уменьшения времени, затраченного на выбор оптимальных элементов или параметров обработки, следует стремиться к унификации ее графа, применительно к крупным территориям, типизированным по структурно-тектоническому строению и набору решаемых геологических задач.

Проанализирована проблема оценки достоверности построения интерпретационных моделей. Представляется, что внедрение методов количественной оценки достоверности решения обратных задач в практику производственных работ, с учетом резко возросшей в настоящее время стоимости поискового бурения, сулит значительный экономический эффект.

Взаимосвязь и взаимодействие отдельных подсистем и элементов порождают эмерджентность технологии (системы). В данном случае эмерджентные свойства системы обеспечивают более полное извлечение полезной информации из данных наблюдений и предопределяют более высокую достоверность получаемых результатов, по'сравнению с более простыми интерпретационно-технологическими схемами, использующими те же элементы.

Очевидно, что технология автоматизированной интерпретации гравитационного и магвитного полей, включающая в себя последовательное построение IBM, ФГМ, СШ, созданная на основе данного методологического подхода, инвариантна по отношению к масштабу исследований и может быть использована при подготовке геофизической основы для геологической съемки и поисков в самых различных физико-геологических условиях. "Настройка" интерпретационного процесса на решение конкретных геологических задач при этом должна проводиться на уровне элементов системы, при сохранении указанных подсистем и прямых связей.

2.Автоматизированная система интерпретации данных гравимагниторааведки и особенности ее применения в условиях Северо-Сибирской никеленосной области.

Автоматизированная система (АС) интерпретации геофизических данных, представленная в диссертации, была создана в 1989-1993 г.г. на основе программного обеспечения, разработанного в различных организациях России, Украины и Казахстана. Система управления базами данных (СУБД) и большинство пакетов прикладных программ (ППП), включенных в АС, разработаны 8ИРГ под руководством В.Н. Яковлева; программы решения обратных задач гравимагниторазведки методом подбора и методом концентрации и разрастания масс разработаны ИГ АН Украины, под руководством Е.Г. Булаха; комплекс программ для решения обратной задачи монтажным методом разработан КазИРГ, под руководством П. И. Балка. Программы решения прямых за-

дач гравимагниторазведки разработаны диссертантом и программистами Норильской КГРЗ Л.В. Рябчиковой и H.A. Клименко.

Разработка АС осуществлена в рамках концепции файловых баз данных; ее основой служит СУБД "LOBAS", включающая в себя систему хранения данных и систему оперирования данными (СОД). СУБД создает и использует файлы стандартизованных структур, содержащие М-данкые (матрицы) и Т-данные (вектора); интерпретационные программы взаимодействуют • со средой ФЕД. Процесс обработки данных производится пошагово, каждый шаг определяется именем программы, типами исходных и создаваемых файлов, а также значениями параметров, управляющих работой программы. АС может функционировать в двух режимах: диалоговом и пакетном, и является открытой для подключения новых программных модулей.

АС позволяет:

- создавать локальные ФБД;

- осуществлять поиск, контроль и преобразование данных в ФБД;

- защишдть информацию в ФБД от несанкционированного доступа;

- проводить первичную обработку данных гравиразведки;

- выполнять трансформации геофизических полей;

- систематизировать результаты многокомпонентных геофизических, геохимических, петрофизических и других наблюдений с помощью классификации и распознавания образов;

- выполнять прогнозное районирование территории по комплексу признаков;

- исследовать зональность размещения рудной минерализации в геофизических полях;

- выявлять предполагаемые очаги тектонических напряжений по морфологическим особенностям физических полей;

- решать прямые и обратные задачи гравимагниторазведки;

- выводить результирующую информацию в символьном и графическом виде.

АС функционирует на ЭВМ СМ-2М под управлением ДОС АСПО.

Приведена краткая характеристика геологических факторов, оказывающих влияние на размещение медно-никелевого оруденения; представлен общий вид графа обработки данных гравимагниторазведки

при подготовке геофизической основы для геологической съемки и поисков медно-никелевых руд (табл. 1); рассмотрены специфические особенности формирования интерпретационных моделей с помощью этого графа.

При создании ПОД,в качестве альтернативы широко .применявшемуся ранее расчету средневзвешенных петрофизических параметров слоистой среды, предлагается регрессионное сглаживание значений физических характеристик в пределах отдельных структурно-вещественных комплексов. Построение ФГМ, представляющей собой схему комплексной интерпретации геофизических данных, осуществляется с помощью визуальной качественной интерпретации наблюденных, редуцированных и трансформированных физических полей, с учетом материалов формализованного прогнозного районирования исследуемой площади. Формирование СММ проводится на основе ФГМ, путем решения обратных задач, по намеченным на предыдущих этапах интерпретации профилям, пересекающим выделенные перспективные участки и геологические структуры. Локализация возмущающих объектов в разрезе необходима для определения точек заложения и глубин поисковых скважин. Описанию методики решения обратной задачи гравиразведки, применяющейся на заключительном этапе графа обработки, и использующихся алгоритмов посвящена глава 4 диссертации.

З.Учет влияния рельефа местности при гравиметрической и магнитной съемках в пределах развития пород трапповой формации

Получение достоверной информации о геологическом строении изучаемой среды при анализе геофизических полей возможно лишь в случае, когда эти поля обусловлены, преимущественно, совокупностями детересующих нас объектов, т.е. при сравнительно слабом вкладе сигналов иной природы в зафиксированные при полевых наблюдениях аномальные эффекты. В условиях резко расчлененного рельефа местности, сложенного изменчивыми по физическим характеристикам

Та&иф 1.

03*и юрхггедогжа гра^а сврабопв« гравигафомм я tenonw« кмш при тодгстовкя гвофкымоей основы для гвологосьеоеш к таскшм робот

впалы aOpaCanat Иэсоше япыя Ьшпаии операгм tuж»и «mee Вопим С рвзультапг 37СЛ&

i z 3 5

1. •осмфсеани» Л>-квлисй №9 го tro-4BB« робот. Koptu ГрСвЮТрСН" шго к «егмаюго пап»*; noicnreo-«в я структуре* керпе nnpottaHW ехм mfcpoKi Кадарсмию;«вод;|сн-1рл> к юткпфовв жфарюцм. Леигсловна mtcpajm к евравог-кковиамк« опель мк фрагментов, жгерг гатдоиорифовоме и т.п. isAm ю жкутрекнем прелэтвлених «БД; ивгрвф! »давкмй г»оф>сычосхич ЛОЛОЙ »UOCmMt CIWXOC рв- ялфа. глувкн »гчвго-нчя racvcnreoaot грвнже меорицв- паска pisw овьвекэв; вектора пегрофюн-чвооос паршетрзв Цеягквя лмпми •БД, еххврсчая мэс-оовие гюязго-гво (Ksurcooie Д9№ше ■ |ас»етэова»см еше.оебкенш nacrnpiBMi и кагв-плацодош

2.0бро0олса пртро-(юглосА тфсрог ции BflKKfe №Ipoft* зичеаэ» refeuer-f*» Регреосжмае сгяю-юм, (срцишм шбирскрхФТ пгао- Гр№М И СЗВГМСПМ90- ккк карему Vynen« (Ъвскупнхтк файла (виеорск) СГГССрмрО-ванак векторов; гислогрвьш и степе еэтгеао» карекгер*-ГЛК1 шеорех Чносвш Kvaa«- (SCZM04 фИЗИЧ9С- ккх сяайсяя гор-repon различ- НЬМ 7VT3B

3. Р«дУ1»<равоннэ гяофиэичеоом почвй UxrpMjH энмешй гкфаичэааос го-лев, жхшмк отметок рельефа к гдувш эалегамя геологмчеаах грвич Раммю лрмм задач и мсдоемрсихыв пре-ойроэовови гсиэй Матрицы и кврги реду-Ф<рованнш rsoftötre-скш полей Тчвг сгоольюго э>$е>сто кзвеслсй част* геолэпгес-моро рауреаэ (в Т.ч.и w»m>-»c-немого рвлефа)

IfeHT+Cf»«L»oi геофкэкчэооо« полвй Матриц эначатй рвдудоовомк rcofKsiwoo« полей Разделе«« полей из еосккляеирв; продухом» полвй; вичюл»-нне карокгерклж пэлай Ивгржр и керш тюг сформмт геофизических тлей (лскалдей н регжанахьмей состав лотого гороапаяьнзго грв-давшв, ьерпмзлиой т^рсю&Офсй sm^erve«) Кочвслви«« хлрв-кгерют<ха гигерд-нсго рсслреде/еккя иеппммов полай, треевеоря aw>ay ро- твштшческс» строем тиецрлх * лроспранстаекноа размоле»« жнем« 9KMVMeo0peayxup«< овгаотв

S.ltmoKX рей£>-мфсеете территории Матриц редуцирован»« геофизически« тле* и кк фи^ороа; рцг-кххв дорвк оомюов бе»талз»ое проою-эмреввнж сружнекия (вяхртам метода ре-дом ссмгпжнй текго-исм« "*cpöjb*,ncnw- фудорж) и прогыовиреввние с eö-учвннш на «гшенак объектах Матриц к кар» QIU-нернаго чвегопего етиктрй. теюонзв, ксыповк^кми KOpTV Лзкапоованше ру-

учэстим. выаелгннив по ммллэксу про-«ков. Набор fcfM»-JtooeauuH геофм-знчгскш проивиов срудеиенкя

б.Ыоявтровowe гюпгечесхмх разрезав го геофю»-ЧБООМ ПО!»| 9uccpot янгенк* лопвй tío икгернре-тацгаиш профкляи ffpcpm m|áp«-ЦКЯ О фомчкшх и гесмегричкте« ген рометрох иопелфо^ алго оОьм гео- ЛЭГИЧВСХСЙ ере» Римм» оЕ(хт«к дач с использованием cercwtK юиелей распределения плотности к намегжчетхям к среда •онсеая к осттснмая ссспыасщч тюля. Па* ракгтроюе <псам рослредалетя aw лиан нзсс; крегер« блюоетн мввлваежго н ьсяельнх-о полей Гволзто- геофизические розреэи по профшкм

породами трапповой формации, перекрывающими рудоносные объекты, особую роль играет учет топопоправок при гравимагниторазведке и оценка точности их определения. Количественный учет влияния рельефа при магнитных съемках в регионе ранее не выполнялся.

Диссертантом разработано программно-алгоритмическое обеспечение для вычисления топопоправок (грав«разведка)' и 6zp (магниторазведка), функционирующее на ПЭВМ. Обеспечена возможность провести учет влияния рельефа при наземной и аэромагнитной (AMC) съемках, с использованием тех же цифровых моделей местности (ЦШ), что и при гравиметрической съемке. В результате модельных экспериментов установлена весьма высокая (сотни-первые тысячи нТл) интенсивность аномалий "топографической" природы над породами туфолавовой толщи (J«1.8 А/м) при измерениях магнитного поля на высотах от О до 1000 м; определена величина оптимального радиуса при вычислениях 6zc.

При оценке точности учета влияния рельефа при измерениях геопотенциальных полей предлагается использовать способ, основанный на вероятностно-статистическом подходе. В отличии от традиционных приемов (вычисление 6gp "во вторую руку", сопоставление значений 6gp, полученных при формировании ЦММ разными исполнителями и т.п.) при этом удается количественно охарактеризовать степень влияния объективно существующих, но ранее не учитываемых факторов. К таким факторам относятся: погрешности аппроксимации реальной среды телами правильной геометрической формы при создании ЦММ; латеральная изменчивость петрофизических параметров среды; отклонения в планово-высотной привязке точек наблюдений.

Выражение, определяющее значение топопоправки брр для потенциального геофизического поля р в прямоугольной системе координат можно представить следующим образом:

к к

бРр(Х.У,2) -i П tt»ij) ( 1 )

i-l 1-1

где U « {щ, иг, ... , Um> - m-мерный вектор параметров, характеризующий физические и геометрические параметры отдельной аппроксимационной ячейки и ее местоположение относительно точки

расчета брр с координатами х,у,2; V - оператор решения прямой задачи-, к*к - число элементарных ячеек в пределах области учитываемого влияния рельефа.

Рассмотрим новый вектор Р = <Р1, Р2. ... , Рш>. структура которого аналогична структуре вектора и, но одна или несколько компонент которого осложнены случайной составляющей с: рп «■ ип+£, где п-1,2, ... ,т. Погрешность определения топопоправки Др в отдельной точке пространства, обусловленную наличием случайных отклонений в исходных данных, определяется выражением: к к к к Др(х,у,г) - Е ЕНад - Е ЕТО)«) (2)

1-11-1 1-13-1

Оценка погрешностей, выраженных формулой (2), осуществляется с помощью метода Монте-Карло. Моделирование случайной составляющей выполняется путем генерации последовательности псевдослучайных чисел е^е^е3____ Статистические характеристики данной последовательности, как правило, можно определить, исходя из априорных сведений о геологической среде и технических особенностях съемок. Дяя оценки одновременного воздействия ] возмущающих факторов для единственной точки требуется 1*к*к случайных чисел.

Процесс вычислений реализуется для совокупности точек пространства, при этом определяются статистические параметры для Др и закон ее распределения. Точность получаемых результатов определяется с помощью неравенства Чебышева.

Можно рассматривать каждое значение Др(х,у,г) как сечение некоторого случайного процесса, единичной реализацией которого является полный цикл вычислений Др при заданных числовых характеристиках случайной составляющей е в пределах исследуемой площади, Генерация новых последовательностей псевдослучайных чисел, при неизменных статистических параметрах их распределения, позволяет получить новые реализаций моделируемого случайного процесса. Сопоставление между собой серии реализаций одного и того же случайного процесса позволяет, во-первых, оценить его эргодичность, во-вторых - изучить закономерности пространственного распределения Др.

Вероятностно-статистический подход к оценке точности учета

влияния рельефа реализован в комплексе программ, состоящем из 14 загрузочных модулей, написанном на языке ФОРТРАН-IV и функционирующем на ПЭВМ. При использовании типичной для локализации мед-но- никелевого месторождения геоморфологической ситуации выполнен ряд вычислительных экспериментов, основные результаты которых сводятся к следующему:

- установлено, что погрешности учета влияния рельефа местности в бортовых частях трапповых мульд, при перепаде высот до 500 м, соизмеримы и даже превосходят амплитуду гравитационных и магнитных аномалий, порождаемых интрузивными телами, несущими медно-никелевое оруденение;

- среди факторов, влияющих на величину погрешности определения топопоправок, наиболее мощными являются: для гравиразведки -отклонения в плановой привязке точек наблюдений; для магниторазведки - латеральная изменчивость петромагнитных характеристик дневного рельефа;

- отмечается отчетливая пространственная корреляция аномальных значений погрешностей учета топопоправок 6gp (при 20 реализациях случайного процесса) с областями повышенной дисперсии высотных отметок рельефа, вычисленной в скользящем окне;

- погрешности, связанные с определением топопоправок б2р,во всех случаях существенно ниже аномальных эффектов, порождаемых магнитоактивным рельефом дневной поверхности, поэтому операция редуцирования магнитного поля необходима при всех видах съемок в регионе.

Для ослабления аномалий-помех, порождаемых резкорасчлененным рельефом местности, предлагается следующее: повышение точности плановой привязки точек измерения гравимагнитных полей за счет внедрения более совершенных технических средств ( в первую очередь - спутниковых навигационных систем ); сгущение шага ЦШ в пределах ближней зоны, определяющей более 70 Z суммарной амплитуды бгР; использование средств полуавтоматического кодирования (дигитайзеров) при подготовке ЦШ; дополнение карт (матриц) аномального магнитного поля, составленных без учета топопоправки, информацией об истинных высотах выполнения AMC.

Исследована статистическая зависимость амплитуды магнитного поля над платобазальтами от высотных отметок рельефа, на модельном примере и практическом материале. Установлено, что погрешности построения квадратно-параболической регрессионой зависимости между этими параметрами не превышают, в целом, погрешностей аналитического вычисления поля магнитоактивного рельефа при воздействии ранее перечисленных факторов-помех. Для определения топопоп-равок при AMC составлена программа RELFS, алгоритм которой базируется на вычислении нелинейной регрессии между значениями магнитного поля и еысотными отметками в скользящем окне. При этом не требуется априорной информации , о намагниченности горных пород рельефа и о высоте съемочных маршрутов. Тестирование программы подтвердило ее достаточно высокие возможности: при амплитуде поля до 450 нТл и высоте AMC 250 м, среднее расхождение между аналитически и статистически рассчитанными топопоправками составило ± 11.5 нТл.

4.Решение обратных аадач гравиразведки и магниторазведки

В начале главы в краткой форме изложены основные теоретические положения и понятия, связанные с решением обратных задач гравиразведки (магниторазведки). Далее представлены алгоритмы решения обратной задачи гравиметрии с использованием сеточных моделей плотностной среды, с помощью метода последовательного накопления и разрастания масс и монтажного метода.

Первый из этих методов, разработанный Е.Г. Булахом, С.П. Левашовым, основан на принципе выметания масс по А. Пуанкаре и служит для построения эквивалентной модели геоплотностного разреза по полю, осложненному фоновой составляющей. Региональный фон представляет собой низкочастотную компоненту поля, обусловленную источниками, располагающимися вне построенной по объемной трансформанте СКх,1) = 1УХ2(х-1) - Ух2(х+1)]/2 алпроксимациокной моде-

ли. Горизонтальные производные наблюденного поля Ухг рассчитываются конечно-разностным способом в точках с абсциссами (х-1), (х+1). Возможности метода проиллюстрированы на модельном примере: на результирующей вертикальной карте изолиний избыточной плотности локализуются области, пересекающиеся с аяомалиеобразующими телами; восстановление фоновой функции при этом происходит достаточно точно.

Сущность монтажного подхода, предложенного В.Н. Страховым и получившего свое дальнейшее развитие в работах П.И. Балка, составляет неразрывное единство монтажного (конечноэлементного) способа описания плогностной среды и специального (сеточного) способа построения приближенного решения в классе таких моделей, не связанного с нелинейными методами оптимизации.

Под монтажными классами источников поля понимают множество всевозможных распределений тяготеющих масс, размещенных по конфигурационным областям типа Я - Я (А) - и ыа , а е А составленным из произвольного числа монтажных элементов иа и удовлетворяющим определенным априорным ограничениям, прежде всего - условиям связности и односвязности. Предполагается, что совокупность монтажных элементов ( правильных геометрических фигур) образует замощение достаточно обширной нижней полуплоскости, заведомо содержащей источники поля. Основные операции в сеточных классах выполняются с использованием понятий ядраЯГЙЗ, оболочки ОСШ и границы ГСП] конфигурации й ; ЯСШ - суть множество элементов «а е 8; ОШЗ множество всех элементов ыа е ЯШ] , граничащих с элементами ядра ЯШЗ; ГСИ - множество элементов иа е ЯШ) , граничащих с элементами оболочки 0 Сй].

В простейшей постановке обратной задачи для изолированного тела йт известной плотности бт > 0, монтажный принцип решения обратной задачи состоит в том, чтобы, отправляясь от заданной связной конфигурации й° .выстроить конечную последовательность Й1, Й2» ••• .^п • имеющую пределом некоторую область П", поле которой при подобранной плотности б* согласуется с измерениями и*., к = 1, 2.....п гравитационного поля. Ассоциированная с после-

довательность <бп}п "оптимальных" значении плотностей определяет-

ся из условия минимума среднеквадратической невязки подбора для каждого из соответствующих приближений в решению обратной задачи.

При переходе от конфигурации fin-i к конфигурации fin выполняются два требования:

1.Обеспечивается условие оптимальности, означающее, что конфигурация fln выбирается из множества пробных конфигураций, определенных заданным правилом.

2.Осуществляется эффективный контроль за соблюдением условия наследования конфигурацией í?r, основных черт конфигурации fln-i ■

Если установить, что любое очередное приближение îîn может быть образовано путем вйесекия в ядро какого-то одного

элемента из 0tS2n-i 3. то монтажный принцип приводит к итерационному методу регулируемой направленной кристаллизации (РНК). При этом на каждом шаге п наращивание ядра осуществляется за счет элемента UaonT , который обеспечивает наименьшую среднеквадрати-ческую невязку подбора. Критерием достижения решения является условие б** бг .

Монтажный метод обладает весьма широкими возможностями для формализованного учета разнообразной, как количественной, так и качественной, априорной информации об источниках поля. Основные типы априорной информации, характеризующие представления интерпретатора о местоположении, форме, размерах и элементах залегания аномалиеобрааующих тел формализуются путем задания пары <А~,А+> подмножеств номеров элементов априори выбранного замоиения, указав при этом, что в пределах области, занятой элементами ша, а е А", аномальных масс нет, тогда как элемента wa, а е А+, напротив, составляют фрагмент замощения источников Принимается, что Оо = Йт « и иа, а е А1", а правилом перехода от конфигурации ñn-i к fin предусматривается, что элементы a s А" не рассматриваются на предмет подключения к Я[ПП-13. Некоторые типы априорной информации (ограничения на вертикальную, горизонтальную мощность, требования Х-выпуклости и 2-выпуклости тела и т.п.) учитываются с помощью простых "локальных" критериев, требующих, по существу, лишь анализа структуры 0CÍW пробного элемента замощения ыап , рассматриваемого на предмет подключения к H[Qn-i3.

Вероятно, что монтажный подход к решению обратной задачи снимает проблему неустойчивости в ее классическом понимании, так как конечноразмерность модели и природные ограничения на ее плот-костные к геометрические параметры изначально приводят к компактному множеству возможных решений, а учет определенного объема априорных сведений может стать гарантом обеспечения надежного решения поставленной геологической задачи. Приведены различные модельные примеры, иллюстрирующие возможности монтажного метода.

Приведены алгоритмические разработки, выполненные совместно с П.И. Балком и Т.В. Балк, расширившие область применения монтажного метода на новые модельные классы источников поля. Рассмотрены два важных для практики случая:

Случай 1 - возмущающие тела допускают аппроксимацию горизонтальными призмами конечного простирания, ограниченными с торцов вертикальными плоскостями У-сопэ!. Пространственный аналог принципа РНК будет заключаться в том, чтобы на каддом шаге п итерационного процесса увеличить площадь основания Зп-1 призмы Уп-1 на значение площади элемента замощения «а, прирастив ее одной из призм уа - <(х,у,г):(х,г) е «а. Унп-1 < У < Увп-1>; либо увеличить ее размер по простиранию на Ду за счет объединения с одной из призм у ш - <(х,у,г):(х,г) е 5п-1, уип-1 - Ду < у < у®п-1> или V (2) = <(х,у,г):(х,г) е Бп-!, унп-1 < У < У®п-1 + Лу>.

Случай 2 - разрез представлен финитной контактной границей 6 и несколькими произвольно располагающимися относительно нее локальными объектами Пт. При этом на основной стадии подбора анализируется структура оболочки и О!^] объединенного ядра и ЯШ^, включающего в себя сеточные области, состоящие из фрагментов тел йт и носителя масс, ограниченного дневной поверхностью и границей 6. Производится также учет информации о гладкости и числе экстремумов границы 6 и о степени "компактности" тел Ят.

Разработана методика решения обратной задачи гравиразведки, основанная на принципе декомпозиции, включающая в себя три этапа вычислений: решение прямой задачи для слоистой среды; построение геоплотностного разреза методом последовательного накопления и разрастания масс; решение обратной задачи рудного типа монтажным

методом. Таким образом, на промежуточных этапах вычислений происходит исключение полей от известных геологических границ и от сторонних объектов (регионального фона); высокая восприимчивость монтажного метода к разнообразной априорной информации обеспечивает построение "геологически-правдоподобного" варианта модели разреза уже после первого цикла вычислений.

В условиях Северо-Сибирской никеленосной провинции отмечается усиление гравитационного эффекта от дифференцированных рудоносных интрузий за счет ореолов контактово-метаморфических пород и переуплотнения в виде "столба" вышележащей толщи эффузивных пород. Приведены примеры автолокализации аномалий поля силы тяжести, обусловленные суммарным эффектом комбинации источников поля, на месторождениях медно-никелевых руд Талнах и Норильск-1. Сопоставление практических материалов и результатов имитационного моделирования свидетельствуют, что для выявления рудоносных интрузий под мощным чехлом базальтов, достаточно откартировать в пределах перспективного стратиграфического интервала крупные, с размерами по вертикали до 500 м и более, неоднородности геологического разреза, обладающие избыточной плотностью 0.2 - 0.3 г/см3. Эти неоднородности представляют собой смешанные £Ш искомых объектов и могут рассматриваться в качестве нового геофизического поискового признака сульфидных медно-никелевых руд на месторождениях норильского типа.

5.Результаты автоматизированной интерпретации данных гравиразведки и магниторазведки.

Основными задачами геофизических работ, выполненных в пределах Хараелахской трапповой мульды (ХТМ), на площади 4600 кв. км, являлись уточнение структурно-тектонического строения и выявление зон развития интрузивного магматизма. Автоматизированной интерпретации подверглись новые, высококачественные фактические материалы: сводная карта поля силы тяжести и карта аномального магнитного поля масштаба 1:50 ООО.

Начальным эвеном технологической цепочки являлось формирование локальной ФБД, включающей в себя набор векторов петрофизичес-ких параметров; матрицы гравитационного и магнитного полей, глубин залегания подошвы базальтов, отметок рельефа.

Формирование ГЙМ исследуемой территории включало'в себя следующие операции: лоинтервальное регрессионное сглаживание петро-физических параметров керна скважин; формирование и сортировку выборок; расчет статистических характеристик и гистограмм по выборкам.

Выполнялся широкий спектр трансформаций геофизических полей, включающий в себя усреднение, пересчет в верхнее полупространство, вычисление остаточных составляющих, преобразование Андрее-ва-Гриффика, расчет модуля полного горизонтального градиента и энтропии. Проводилось также разделение поля силы тяжести на составляющие с помощью корреляционного преобразования, с учетом глубины залегания подошвы туфолавовой толщи. Полученный набор трансформаций оказал существенную помощь при качественной интерпретации геопотенциальных полей, а также использовался при последующем прогнозном районировании площади.

Для безэталонного прогнозирования медно-никелевого орудене-ния применялись метод редких сочетаний; таксономия "Форель"; метод потенциальной функции. С помощью ППП "Комкар", при использовании в качестве эталонных объектов вскрытых скважинами рудоносных интрузий, была построена прогнозная (композиционная) карта территории. Синтез результатов прогнозирования, выполненного с помощью рааличных алгоритмов, позволил локализовать около 10 X общей площади исследований в качестве перспективных участков.

Полученная в результате трансформации полей и формализованного прогнозирования оруденения информация отражена на схеме комплексной интерпретации геофизических материалов, представляющей собой ФГМ изученной части ХТМ. В пределах выявленных перспективных участков, по интерпретационным профилям, с помощью ранее описанной методики, проведено моделирование геологических разрезов (построение ФГМ).

Итогом интерпретации явилось построение геофизической основы

для ГСР-50 и ГГК-200. Намечено бурение поисковой скважины глубиной 2300 м в северо-западной части ХТМ с целью подсечения интрузивного тела основного состава (протокол ГГС НТС НГМК 123/13 от 30.03.1993 г.).

Использование полного интерпретационного графа, приведенного в табл.1, не всегда целесообразно при проведении крупномасштабных поисковых работ в пределах ранее исследовавшихся участков с установленной рудоносностью. Интерпретация гравиметрической карты масштаба 1:25 ООО Талнахского рудного узла (ТРУ) проводилась в следующей последовательности:

- обобщение петроплотностных характеристик керна 43 глубоких (до 3200 м) скважин, построение IBM; - формирование ФГМ, представленной 32 субширотными параллельными разрезами протяженностью 15 км, при глубине построения 3-3.5 км, расположенными на расстоянии 1 км друг от друга;

- вычисление гравитационного поля модели, вычитание его из наблюденного, разделение разностного поля на составляющие и качественный анализ этих составляющих;

- интерпретация методом подбора перспективной аномалии разностного поля. т.е. построение ФММ по отдельному профилю.

В результате установлена бесперспективность сложнопостроен-ного максимума Дг, находящегося в центральной части ТРУ и обусловленного повышенной плотностью базальтов; выявлена рудоперспек-тивная Тангаралачская аномалия разностного поля, источниками которой предположительно являются два пластинообразных интрузивных тела основного состава вертикальной мощностью до 300 м, залегающие на глубине около 3000 м, в отложениях девонского возраста.

Сокращенный граф интерпретации применялся также при анализе геофизических данных по Боотанкагскому участку (Центральный Таймыр). Формирование ГШ и моделирование геологических разрезов по материалам профильной гравиметрической съемки с помощью монтажного метода позволило рекомендовать бурение 5-ти поисковых скважин, в 4-х из которых была вскрыта дифференцированная интрузия габбро-долеритов, несущая в приподошвеиной части вкрапленное сульфидное медно-никелевое оруденение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации представлена технология автоматизированной интерпретации гравитационного и магнитного полей при подготовке геофизической основы для геологической съемки и поисков медно-нике-левого оруденения. Основные научные и практические результаты работы сводятся к следующему:

1.0формулирована концепция оптимальной технологии интерпретации геопотенциальных полей на этапе опережающих геофизических работ, инвариантная по.-отношению к детальности (масштабу) исследовании и к физико-геологическим условиям изучаемой территории.

2.С использованием программных средств, разработанных в различных организациях, в том числе - и собственными силами, создана интерпретационно-обрабатывающая автоматизированная система, позволяющая выполнять: формирование локальных ФБД; обработку петро-физической информации; трансформации полей; формализованное прогнозирование оруденения (безэтапонное и на основе распознавания образов); решение прямых и обратных задач гравимзгниторазведки.

3. Разработано программно-математическое обеспечение для вычисления топопоправок при обработке данных гравимагнитораэведки. Предложен новый способ оценки погрешностей учета влияния рельефа местности, позволяющий количественно охарактеризовать влияние ранее не учитываемых факторов (погрешностей аппроксимации при создании ЦММ, отклонений в планово-высотной привязке пунктов наблюдений, латеральной изменчивости петрофизических параметров). Для практической реализации способа разработан комплекс программ на языке ФОРТРАН-IV, с помощью которого проведена серия.вычислительных экспериментов. Сформулированы предложения по повышению точности учета влияния рельефа при гравиметрической и магнитной съемках в пределах развития пород траппавой формации.

4.Внедрены в производство сеточные методы решения обратных задач гравимагнитораэведки (метод последовательного накопления и

разрастания масс, монтажный метод). Созданы новые алгоритмы, расширяющие область применения монтажного метода на практически важные классы обратных задач гравиметрии - на пространственные и на структурно-рудные задачи. Разработана методика моделирования геологического разреза по гравитационному полю с использованием сеточных моделей плотностной среды. Приведены примеры аЕтодокализа-ции аномалий поля силы тяжести над месторождениями Норильского района , обосновано использование смешанных 4ММ для выявления дифференцированных рудоносных интрузий.

Б.Итоговый продукт интерпретации использован при проведении геологосъемочных и поисковых (преимущественно - буровых) работ в пределах Северо-Сибирской никеленосной провинции.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1.Балк П.И., Долгалъ A.c., Балк Т.В. Сеточные методы решения обратных задач и опыт их применения при прослеживании дифференцированных интрузий по данным гравиразведки // Геология и геофизика.-1993-N 5-С. 127-134.

2.Долгаль A.C. Автоматизированная интерпретация гравитационного и магнитного полей Хараелахской трапповой мульды // Геофизический журнал.-1993.-Т. 15.-К 6. (в печати).

3.Долгалъ A.C. Решение обратной задачи гравиразведки при поисках глубокозалегающего медно-никелевого руд // Геофизический журнал -1994.-Т.16.- N 2. (в печати).

4.Долгаль A.C., Маркова М.Н., Якимчук H.A. Решение прямых задач гравиразведки с помощью программируемых микрокалькуляторов. -19S9.-12 с.-Деп. ВИНИТИ N 5426-BS9.

5.Долгалъ A.C., Маркова М.Н., Якимчук H.A. Решение обратных задач гравиразведки с помощью программируемых микрокалькуляторов. -1989.-12 с.-Деп. ВИНИТИ N 5427-BS9.

Отпечатано в ИКЧ Тайиыргеолкома 663300, г. Норильск, а/я 1Э&4. Таймыргеолком 17.03.1994 г. Тираж 100 экз.