Влияние анизотропии и неоднородностей на результаты электрических зондирований

Перваго, Евгений Владимирович

Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Влияние анизотропии и неоднородностей на результаты электрических зондирований
ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Влияние анизотропии и неоднородностей на результаты электрических зондирований"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

на правах рукописи

ПЕРВАГО ЕВГЕНИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

УДК 550.837

ВЛИЯНИЕ АНИЗОТРОПИИ И НЕОДНОРОДНОСТЕЙ НА РЕЗУЛЬТАТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗОНДИРОВАНИЙ

Специальность 04.00.12 геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА -1998

Работа выполнена на кафедре геофизических методов исследования земной коры геологического факультета Московского Государственного Университета имени М.В. Ломоносова.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор В. А. Шевнин

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Л.Л.Ваньян (Институт Океанологии РАН)

кандидат физико-математических наук, главный инженер ОАО "НАФТАКОМ" В.В.Кусков

Ведущая организация - Московская Геолого-Разведочная Академия

Защита состоится 23 декабря 1998 года в 1430 на заседании диссертационного совета Д.053.05.24 в Московском Государственном Университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ, геологический факультет, зона «А», аудитория 308.

Москва, 119899, Воробьевы горы, МГУ, геологический факультет, Факс: (095) - 939 - 49 - 63; Е-таН: john@geophys.geol.msu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ (ГЗ МГУ, зона «А», 6-ой этаж).

Автореферат разослан 23 ноября 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Б.А. Никулин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В настоящее время во всех странах мира наблюдается увеличение потребностей в проведении малоглубинных геофизических исследований при решении экологических, инженерно-геологических и археологических задач. Метод сопротивлений является одним из наиболее широко используемых для решения этих задач. С одной стороны решение подобных задач требует проведения более детальных геофизических работ при одновременном повышении качества интерпретации. Результаты подобных работ практически всегда подвергаются прямой проверке, и от точности интерпретации зависят перспективы дальнейшего применения метода. С другой стороны, работы часто ведутся в трудных условиях: в городах, на промышленных предприятиях, в условиях искусственных техногенных или сильно нарушенных грунтов с высоким уровнем неоднородности физических свойств. Такие противоречия привели к разработке и созданию новых методик полевых наблюдений, новой многоканальной аппаратуры и новых способов обработки и интерпретации. Каждая из этих составляющих необходима для получения качественных результатов.

Актуальность темы. Для работы в таких условиях не подходит стандартная методика, предполагающая проведение разрозненных, произвольно расположенных наблюдений, интерпретируемых в рамках горизантально-слоистой модели. Необходимо проведение профильных или площадных наблюдений с высокой плотностью измерений, что в свою очередь приводит к появлению больших объемов данных и развитию методов 2D и даже 3D интерпретации. Все эти факторы привели к возникновению новой, но все шире используемой модификации электроразведки, называемой в англоязычной научной литературе Electrical Imaging или Electrical Resistivity Tomography (ERT)[Daily, Owen 1992; Griffits, Turnbill, 1985], В нашей литературе ему соответствует термин СЭЗ (Сплошные Электрические Зондирования). Автоматизированная многоканальная аппаратура, подключенная к системе, состоящей из большого числа электродов (равномерно расположенных по профилю и произвольно коммутируемых), в свою очередь, заметно повышает возможность проведения измерений по этой методике. Появление новых методик наблюдения неминуемо привело к появлению новых алгоритмов интерпретации, таких как RES2INV[Iofe, Barker 1994 ], RESIX (фирмы Interpex).

Но в условиях, когда требуется получение достаточно точной и детальной информации о строении верхней части разреза, нельзя забывать о наличии разного рода осложняющих факторов.

В большинстве случаев для аппроксимации реальной геологической среды все еще широко используется горизонтально-слоистая модель среды с однородными изотропными слоями. Такая модель является наиболее простой и удобной для интерпретации. Однако, для решения задач инженерной геофизи-

ки подобная модель не всегда достаточна. Кроме учета слоистости, для более точного приближения модели к реальной геологической среде необходимо учитывать влияние неоднородностей и анизотропии. Особенно остро такого рода проблемы возникают при малоглубинных исследованиях, связанных с изучением верхней части разреза от нескольких метров до десятков метров, так как с одной стороны требуется высокая точность определения параметров геологического разреза, а с другой стороны результаты геофизических исследований легко проверяются с помощью бурения. Но полная, детальная аппроксимация реальной геологической среды моделями являющимися слоистыми, анизотропными и неоднородными одновременно, настоящий момент невозможна. На рис.1 [Большаков 1998] схематично изображены различные варианты аппроксимации реальной геоэлектрической модели разреза: ГСС - горизонтально-слоистая среда; Я - неоднородности {ГН - глубинные, ППН - приповерхностные); А - анизотропное полупространство; ГСС+Н - горизонтально-слоистая среда с неоднородностями; ГСС+А - слоисто-анизотропная среда; А+ППН -анизотропное полупространство с приповерхностными неоднородностями; А+ГН - анизотропное полупространство с глубинными неоднородностями.

Совместное проявление слоистости и неоднородностей в электрическом поле изучалось с помощью физического моделирования (И.М. Блох, А.Н. Боголюбов, М.М. Авдевич, А.Ф. Фокин и др.). Одновременно развивались аналитические подходы (Н.Г. Шкабарня, В.Г. Шак и др.). Были разработаны алгоритмы численного моделирования (JIM. Альпин, В.И. Дмитриев, Е.В. Захаров, В.В. Кусков, И.Н. Модин, А.Г. Яковлев, H.H. Серебрянникова, Т.Ю. Смирнова и др.). В настоящее время теоретические вопросы, связанные с учетом влияния глубинных неоднородностей на электрическое поле в горизонтально-слоистых средах, в целом решены. Результаты этих научных разработок используются в технологиях многоэлектродных электрических зондирований (Loke, Barker, И.Н.Модин, В.А.Шевнин, А.А.Бобачев и др.).

Проблему влияния анизотропии на электрическое поле в слоистых средах рассматривали в своих исследованиях И.И.Бреднев и С.С.Сысков, Ю.М.Гуревич и О.В.Сажина, С.З.Козак и другие. Кроме этого, изучалось совместное влияние анизотропии и неоднородностей на значения кажущегося сопротивления, измеряемые на поверхности земли (И.Н.Модин,

Рис. 1. Взаимосвязь основных составляющих геоэлектрической модели разреза.

ДЛС.Большаков, Е.В.Перваго, С.А.Акуленко и другие).

В настоящее время являются актуальными вопросы как определения геометрии границ, так и получения свойств, причем в среде гораздо более сложной, чем горизонтально-слоистая. Необходимость решения таких задач назрела уже давно. Но, несмотря на весьма почтенный возраст задачи, до сих пор во многих своих общих аспектах она не поддается удовлетворительному решению отчасти из-за отсутствия математического аппарата, отчасти из-за проблем с вычислительными ресурсами/Поэтому обычно при решении рассматриваются два преобладающих фактора, например, горизонтально-слоистая среда и неоднородности.

Изучение анизотропии геологической среды - это особая область исследований, в которой своеобразными являются и прямые, и обратные задачи. Явления, связанные с анизотропией - совершенно особого рода. Объяснение этих явлений в рамках только качественного рассмотрения практически невозможно. И не случайно, известный эффект, связанный с увеличением поля вдоль направления с наименьшим электрическим сопротивлением назвали парадоксом анизотропии (А.И. Заборовский, 1943; A.M. Пылаев, 1948; В.Н. Дахнов, 1953). Данная работа направлена, с одной стороны, на разработку методики и алгоритмов учета и устранения влияния приповерхностных неоднородностей, и, с другой стороны, на изучение особенностей влияния анизотропии геологической среды на измеряемое в методе сопротивлений электрическое поле и разработку современных методов интерпретации. В работе также рассматриваются вопросы совместного влияния на электрическое поле слоистости и неоднородностей, слоистости и анизотропии, анизотропии и неоднородностей.

Цель и задачи работы. Разработка методологии, алгоритмов и программ для решения задач малоглубинной электроразведки в условиях влияния приповерхностных неоднородностей и анизотропии электрических свойств. Основные задачи исследований включали:

• анализ влияния приповерхностных неоднородностей на результаты электрических зондирований;

• разработка и программная реализация алгоритма устранения влияния приповерхностных неоднородностей на основе детального анализа характерных черт такого влияния;

• разработка и программная реализация теоретического подхода к решению прямой задачи ВЭЗ для двухслойной среды с произвольной анизотропией в каждом слое для установок разной геометрии;

• изучение особенностей электрических зондирований над двухслойной средой с произвольной анизотропией в каждом слое;

• разработка способов разделение эффектов анизотропии и неоднородностей, анизотропии и слоистости;

• разработка и программная интерпретация методов обработки и интерпретации данных азимутальных наблюдений для произвольных установок;

• выработка рекомендаций по методике выполнения полевых наблюдений;

• опробование разработанных алгоритмов и программ на конкретном полевом материале.

Практическая ценность работы. В процессе решения поставленных задач были предложены, обоснованы и разработаны:

1. Методика, алгоритм и программа устранения влияния искажений, вызванных приповерхностными неоднородностями, основанные на использовании их регулярной природы с использованием методов медианой полировки.

2. Создан эффективный и точный алгоритм решения прямой задачи для двухслойной среды с произвольной анизотропией в каждом слое.

3. Разработан новый подход и созданы алгоритмы и профаммы для качественного анализа и количественной интерпретации азимутальных наблюдений, основанные на спектральном разложении.

4. Выявлены и проанализированы парадоксальные явления в результатах электрических зондирований над анизотропными средами.

5. Разработан новый способ трансформации результатов азимутальных наблюдений с нелинейными установками к линейным установкам и на его основе способы количественной интерпретации.

6. Разработаны способы разделения эффектов анизотропии и приповерхностных неоднородностей.

Разработанные алгоритмы и методики были реализованы в виде программы MEDIAN (устранение искажений), вошедшей в состав пакета IPI-2D, предназначенного для визуализации, обработки и интерпретации данных СЭЗ; и в виде пакета программ ANIS-Pack (обработка, анализ и интерпретация данных азимутальных наблюдений).

Апробация. Основные положения и результаты диссертационной работы рассматривались и докладывались на Всероссийских и Международных конференциях - SEG, SAGEEP, EAGE, EEGS, Ломоносовских чтениях в МГУ и др. Всего около 20 конференций.

Все программы, разработанные автором, широко применяются в лаборатории малоглубинной электроразведки при интерпретации результатов полевых наблюдений. Программа MEDIAN (в составе пакета IPI-2D) была внедрена более чем в 50 организациях, в том числе около 10 зарубежных. Пакет программ ANIS-Pack был внедрен в 5.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 29 статей и 3 монографии:

Работа выполнена автором на кафедре геофизических методов исследования земной коры геологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова,

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, двух глав и заключения. Текст изложен на 83 страницах и дополнен 49 рисунками и 4 таблицами. Список литературы включает 92 наименования, в том числе 30 на иностранных языках.

Автор благодарен своему научному руководителю доктору физико-математических наук, профессору В.А.Шешпшу за постоянную помощь, поддержку и участие. Автор выражает свою искреннюю благодарность кандидату геолого-минералогических наук, доценту И.Н. Модину и кандидату физико-математических наук, ассистенту Д.К. Большакову за плодотворное сотрудничество, своевременные и полезные советы, здоровую критику, готовность проверять на практике идеи автора и другую помощь оказанную при выполнении работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, представлены основные научные результаты, отмечена практическая ценность работы.

Глава 1. Приповерхностные неоднородности и искажения кривых ВЭЗ.

В первой главе анализируется классическая модель горизонтально-слоистой среды, вводится понятие искажений кривых ВЭЗ (Вертикальных Электрических Зондирований) и признаки их проявления. Дается определение полной модели среды и приповерхностных неоднородностей (1111Н), проводится классификация искажений, вызываемых ППН. В заключительной части главы описывается алгоритм "Медиана" и приводятся примеры его применения.

1.1 Классическая модель среды

В первом разделе рассматривается классическая модель среды, обычно применяемая в методе ВЭЗ.

Классическая модель исследования для метода ВЭЗ - это модель горизонтально-слоистого разреза. Для нее теоретически обоснована и за много лет идеально практически отработана методика наблюдений, в которой предусматривается увеличение разносов в геометрической прогрессии в соответствии с принципом глубинности ВЭЗ. Точки ВЭЗ размещают по профилям или по площади. Каждая кривая интерпретируется в рамках модели горизонтально-слоистой среды (ГСС), а затем строится общий разрез, где выделенные границы коррелируются между точками ВЭЗ. В последнее время становится очевидным, что эта методика ВЭЗ в значительной степени исчерпала себя и одной из причин этого является невозможность бороться с искажениями кривых ВЭЗ в рамках классической модели и методики.

1.2 Определение искажений

Во втором разделе дается определение терминов "локально-нормальная кривая" и "искажения кривых ВЭЗ".

В процессе интерпретации экспериментальных кривых часто не удается достичь удовлетворительной точности подбора. Это вызывается как случайными

ошибками измерений и так и такими особенностями геологическими строения, которые не укладываются в рамки горизонтально-слоистой среды (ГСС). Будем понимать под локально-нормальной кривой ВЭЗ такую кривую, которая соответствует реальному разрезу в точке зондирования, при условии, что все границы раздела слоев, пересеченные в данной точке вертикальной скважиной, считаются горизонтальными. Отличия кривой ВЭЗ от локально-нормальной кривой в данной точке будем называть искажениями.

1.3 Признаки искажений кривых ВЭЗ

В третьем разделе главы перечисляются признаки искажений для отдельной кривой, для сегментированной, для профиля и для пары трехэлектродных кривых ВЭЗ.

1. Для отдельной непрерывной кривой ВЭЗ: а) когда участок кривой ВЭЗ идет вверх под углом круче 45°; б) идет вниз круче, чем кривая с ц-0; в) имеются отдельные резкие экстремумы или изломы на экспериментальной кривой ВЭЗ, которые нельзя совместить с теоретической кривой.

2. Для сегментированной кривой ВЭЗ: большие расстояния по вертикали между сегментами; пересечение сегментов или их взаимное расположение, не соответствующее теоретическому.

3. Для профиля ВЭЗ: резкие изменения формы или уровня кривых ВЭЗ при переходе от точки к точке, когда расстояние между точками зондирования меньше максимальной глубины исследования.

4. Для пары трехэлектродных кривых ВЭЗ, измеренных в одной точке (АМЫ+ММВ): различия в форме этих двух кривых.

Анализ полевых данных ВЭЗ для различных регионов показал, что перечисленные признаки искажений кривых, даже в самых спокойных геоэлектрических условиях, обнаруживаются на более чем 70% кривых ВЭЗ. Причинами искажений являются геологические неоднородности. Интерпретация искаженных кривых в рамках ГСС дает неверные результаты. Необходимо считать искажающие неоднородности неотъемлемым элементом исследуемой модели и так изменить технологию ВЭЗ, чтобы минимизировать ущерб от искажений. Новая технология ВЭЗ может быть построена на основе изучения такой модели разреза, которая должна включать источники искажений. Чаще всего определить искажения по единичной кривой ВЭЗ трудно или практически невозможно. Совместный анализ профильных данных ВЭЗ позволяет надежнее выявить искажения.

Ё ■ -ч * г

14 > г—?

VI- - .. ....

1 \ ! ' 1 Г

1.4 Полная модель и методика ее исследования

Полная модель исследования (рис.2) включает три компонента: горизонтально-слоистую структуру, глубинные и приповерхностные неоднородности. Область исследования заключается между глубинами /?,„„ и /?,„„, определяемыми, соответственно минимальным \ ] АОпь И максимальным АОт<а раз- Рис.2. Полная модель геоэлектрического разреза носами исследований. Приповерхностные неоднородности (ППН) располагаются на глубинах менее /;,„,„. ППН обычно не представляют интереса и являются чистой геологической помехой. Все объекты, находящиеся ниже максимальной глубины исследований Ьт» не оказывают практически никакого влияния на результаты наблюдений. Глубинные неоднородности, как правило, являются объектом исследования. Но влияние приповерхностных неоднородностей во много раз сильнее глубинных, так как они расположены ближе к точкам возбуждения и измерения поля. Когда приповерхностных помех много и влияние их заметно, их действие подобно эффекту разбитого стекла или покрытой рябью поверхности моря, препятствующих обнаружению за ними более глубоких объектов. Учитывая сильное влияние приповерхностных помех, перед интерпретацией желательно удалить эти помехи или же ослабить их проявление. Размеры глубинных неоднородностей, когда они представляют интерес для исследования, определяют шаг зондирования, а глубина залегания изучаемых объектов - требуемую минимальную и максимальную глубинность. Игнорировать наличие приповерхностных неоднородностей нельзя. Для минимизации влияния ППН следует выполнять зондирования с арифметическим шагом, равным расстоянию между зондированиями, таким образом, чтобы от разных точек ВЭЗ питающие электроды попадали в одни и те же точки. Искажения приповерхностными неоднородностями вблизи питающих электродов при увеличении разносов в геометрической прогрессии проявляются в поле рк как случайная геологическая помеха, а при линейном увеличении разносов с шагом, равным шагу между точками ВЭЗ - как регулярная помеха. В этом случае эту помеху значительно легче обнаружить, диагностировать и удалить. Желательно выполнять зондирования с одним питающим электродом (АМЫ+МИВ), а не двумя (АМЫВ), так как в этом случае легче разобраться с происхождением искажений.

1.5 Основные типы искажений кривых ВЭЗ приповерхностными неоднородностями.

Было установлено [Бобачев и др., 1995], что искажающее влияние приповерхностных неоднородностей (ППН) зависит, прежде всего, от типа элемента

установки (дипольного или одиночного), попадающего на неоднородность. Кроме того, проявление искажения на кривой ВЭЗ или разрезе рк зависят от того перемещается элемент установки, попавший в неоднородность, или остается неподвижным. Искажения неоднородностями, расположенными вблизи неподвижных элементов установки, и неоднородностями, пересекаемыми подвижными элементами установки, на кривой ВЭЗ или на разрезе рк проявляются по-разному.

Искажения бывают двух типов: 1) квазиконформные приводящие к смещению вверх или вниз кривой ВЭЗ по оси сопротивлений; 2) неконформные, приводящие к искажению формы кривой (рис.3). Квазиконформные искажения наблюдаются в случаях, когда элемент установки неподвижен и находится над ППН. В этом случае кривая рк

смещается по оси сопрошвлс- , т, , mrr

„ Рис. 3. Классификация искажении, вызванных ППН. нии, почти не меняя своей

формы. Неконформные искажения наблюдаются в случаях , когда элемент установки перемещается над ППН. В этом случае меняется форма участка кривой рк, отвечающего прохождению элемента установки над ППН. Дипольный элемент установки дает более сильные по амплитуде эффекты, чем одиночный (поле наиболее резко меняется на границах ППН).

Для часто используемой нами установки AMN с точкой записи в середине неподвижной линии MN, искажения, связанные с питающим и измерительным элементами, различны по амплитуде и по форме. Поэтому для их описания мы используем более локальные термины - Р- и С-эффект.

Р-эффект Искажения неоднородностями вблизи приемных электродов получили название Р (или S) эффект. Р-эффект - от "potential" - измерительных электродов, a S- эффект - был так впервые назван М.Н.Бердичевским и использовался в МТЗ для описания аналогичного эффекта; название произошло от термина "sigma" - проводимость. Р-эффект проявляется как вертикальный сдвиг всей кривой или ее сегментов по оси сопротивлений без изменения формы.

Главной причиной Р-эффекта следует считать изменение рмн на приповерхностной неоднородности. Р-эффект обнаруживается при сопоставлении этой кривой с соседними кривыми Устранение Р-эффекта называется нормализацией кривой. Сопоставляя кривые по профилю, можно осуществить более полную нормализацию, приводя все кривые к одному базовому уровню - к той части всех кривых, которая наиболее выдержана по профилю.

ИСКАЖЕНИЯ

от неоднородности вблизи ТОЧЕЧНОГО элемента установки от неоднородности вблизи ДИПОЛЬНОГО элемента установки

КВАЗИКОНФОРМНЫЕ от неоднородности вблизи НЕПОДВИЖНОГО элемента установки НЕКОНФОРМНЫЕ от неоднородности вблизи ПОДВИЖНОГО элемента установки

С - эффект - это искажения кривых ВЭЗ приповерхностными неоднород-ностями, вызванные движущимися над ППН питающими электродами (С эффект - от слова "current"). Хотя отражения на графиках профилирования и зондирования моментов перехода перемещаемого питающего электрода через приповерхностную неоднородность (контакт, пласт: полусферу и т.п.) были известны давно из работ И.М.Блоха, В.Р.Бурсиана, А.И.Заборовского и др., но как серьезная причина искажений кривых зондирования С - эффект был осознан в 1991 г., сначала на результатах математического моделирования и лишь после этого на экспериментальных данных. Причина в том, что при стандартной методике зондирования и на разрезе кажущихся сопротивлений его очень трудно распознать.

С-эффект обладает рядом особенностей, делающих его еще более опасным, чем Р-эффект: а) изменяется форма кривой, тип разреза и видимое число слоев; б) на серии кривых ВЭЗ по профилю он проявляется на разрезе рк один как наклонный слой, причем с использованием линейного масштаба по оси разносов он выглядит прямолинейным, а с использованием логарифмического масштаба -изогнутым; в) при стандартной методике зондирований с четырех электродной установкой Шлюмберже и логарифмическим шагом увеличения разносов С-эффект может возникать то от электрода А, то от В, и на соседних кривых по профилю проявляться нерегулярно, лишь при точном попадании питающего электрода в неоднородность. При этом пропадает главный диагностический признак - форма искажения; г) на разрезах рк С-зффект виден не очень заметно за счет фоновых изменений поля.

Для нескольких ППН искажающие эффекты накладываются друг на друга и в результате возрастает общий уровень геологических помех и уменьшаются возможности корреляции кривых ВЭЗ по профилю, вплоть до полной потери возможности прослеживания границ в разрезе.

Необходимо отметить важность проблемы влияния приповерхностных не-однородностей. При точности аппаратуры 2-3% влияние ППН приводит к увеличению невязки до 8-12%. Таким образом, именно влияние ГШН ответственно за плохую точность интерпретации и его устранение позволит повысить ее точность.

1.6Алгоритм "Медиана"

Для удаления Р-эффекта может быть использовано несколько процедур: 1) ручная визуальная нормализация (приведение всех кривых к одному выбранному заранее уровню по одному, общему для всех кривых ВЭЗ участку кривых; 2) статистическая нормализация на основе метода главных компонент (алгоритм MPC); 3) статистическая нормализация на основе алгоритма медианной полировки. В настоящей работе рассматривается только алгоритм медианной полировки. Он основывается на знании происхождения искажений и морфологии их проявления в данных ВЭЗ

Алгоритм медианной полировки был предложен Дж.Тьюки [Тыоки 1981],

¡0 « 60

11X1 120 140 160 >ео

1Огаю«»бзл)юоо10о

р^ ,Ом .м

40 № «0 80 1<М

Рис. 4. Пример разложения поля рк на составляющие, а для обработки профильных данных ВЭЗ использован автором. Тьюки предложил для обработки табличных данных использовать следующий алгоритм. На первом шаге для каждой строки таблицы находится ее медиана, и затем она вычитается из каждого значения в строке. На втором шаге та же операция применяется к столбцам таблицы. Затем эти шаги периодически повторяются. В результате мы имеем разложение первоначальных данных на три составляющих - "эффекты" строк, столбцов и остатки. Применение алгоритма для обработки данных ВЭЗ имеет свои особенности. Кроме "эффектов" строк (горизонтально-слоистая часть) и столбцов (Р-эффект) включим в процесс вычислений и наклонные линии, соответствующие С-эффекту. Результатом работы алгоритма является разложение исходного поля на несколько составляющих: а) Р- и С-компоненты -связанны с положением подвижных и неподвижных элементов установки; б) НЬ - компонента - отражают влияние горизонтально-слоистой среды; в) некоторые остатки. Таким образом можно записать следующее разложение поля рк: Р= Р?Н ■ Р£(*) • рк (* - г) • гАШ(х,г)

На Рис. 4 показан пример разложения модельного поля рк. На рисунке видно, что большая часть искажений, связанных с неоднородностью ушла в Р-и С-компоненты. Горизонтально-слоистая составляющая (НЬ) практически точно соответствует горизонтально слоистой среде. В подобном, идеальном случае, просто достаточно отбросить все компоненты, кроме НЬ, которую в дальнейшем и интерпретировать.

Однако, в реальной ситуации все не так просто. Любое изменение геоэлектрического разреза по горизонтали оказывает влияние на Р- и С-компоненты. Такие изменения могут вызываться изменением мощности слоев, их глубины и электрических свойств, существованием глубинных неоднородностей. Все эти факторы представляют интерес для интерпретации и ими не следует пренебрегать. На основании предположения, что в преобладающем числе случаев приповерхностные неоднородности имеют гораздо меньшую протяженность по лате-рали, чем глубинные, можно разложить все компоненты, кроме (HL) на составляющие - локальную и региональную. Сделать это можно с помощью различных методов пространственной фильтрации.

Р(х) = Рр"(х)-РЛм(х)

(x)-CAJ

RA(x,r) = RAp"'

■Ррег(х)-Р-

'W.

<ГеЧх,г)-КАЛж{х,г),

СВ{х) = СВрег(х)-СВЛок(х)

'(x,r)-RAJhK(x,r)

СА(х) = СА RA(x,r) = RA

Меняя параметры сглаживания можно менять степень подавления локальной компоненты. После подобного разделения можно восстановить поле рк без потери информации о глубинных частях разреза.

Величины Р и С - эффектов могут быть оценены отдельно для каждого пикета профиля и представляют интерес сами по себе, так как отражают поведе- Рис.5. Схема алгоритма MEDIAN.

ние неоднородностей в верхней части разреза.

Окончательная схема алгоритма "Медиана" показана на Рис.5. Данный алгоритм реализован в программе Median, входящей в пакет IPI-2D

15 150 J0 125 15 0мм

П п™

150

1.7 Модельный пример

Покажем возможности работы алгоритма Median на примере модели, центральная часть которой показана на Рис.6. За ее пределами неоднородности отсутствуют. Общая длина области моделирования - 700 м. В первом слое находятся пять объектов, имитирующие приповерхностные неоднородности. Во втором слое одна неоднородность пониженного сопротивления - модель па- —g——gj—¡5— леодолины, в третьем слое - зона пони- о а. в 12 ie 20 женного сопротивления - модель тек- Рис.6. Модель слоистой среды с глубинными

объектами и ППН.

X, м

вэз

тонической зоны. Шаг ВЭЗ по профилю -5 м, разносы ВЭЗ от 5 до 100 м, номера пикетов ВЭЗ от -15 до +35, т.е. рабочая часть профиля - 300 м.

Разрезы рк и их У-трансформации (производные рк по разносу) )показаны на Рис.7 (левая колонка). Хорошо прослеживается влияние ППН в виде вертикальных полос на разрезе рк (Р-эффект) и наклонных (С-эффект). С-эффект проявляется более четко на У-трансформации. На том же рисунке показаны модельные результаты в случае отсутствия неоднородностей (центральная колонка). На Рис.7 (правая колонка) показаны окончательные результаты работы алгоритма. Совпадение модельных результатов без ППН и результатов обработки демонстрирует эффективность работы алгоритма. Если осуществить формальную Ш интерпретацию, то форма границ окажется сильно искаженной (глубинная

Разрезы кажущихся сопротивлений

модель с ППН модель без ППН модель с ППН после обработки

Рис.7. Разрезы рк для модельного примера. Верхние два ряда - разрезы рк для установок AMN и MNB соответственно, нижние два - их V-трансформации. Левый ряд - разрезы рк и их V-трансформации для полной модели, средний для модели без ППН и правый результаты работы алгоритма MEDIAN.

структура изучается как бы через разбитое стекло) (Рис. 8а). Если же выполнить фильтрацию искажений, то одномерная интерпретация воспроизведет структуру модели с существенно большей точностью (Рис. 86).

Дополнительной оценкой качества обработки может являться величина среднеквадратической погрешности интерпретации кривых ВЭЗ (невязка). Графики таких погрешностей до и осле обработки для всех точек ВЭЗ по профилю показаны на Рис. 9. Как на теоретических моделях, так и на большом экспериментальном материале нами установлено, что после обработки заметно снижается погрешность интерпретации, причем наиболее заметно там, где находились ППН.

в а а 8 з

г -

д, %

А-. i I' !\ !

: : 1 _5

• V L; :

Точки ВЭЗ

-15 -10 -5 О S 10 15 20 25 30

Рис. 9. Среднеквадратические погрешности интерпретации ВЭЗ до (а) и после (б) обработки.

до обработки

после обработки

Рис. В. Сравнение результатов 1D интерпретации ВЭЗ для модели с Рис.6 до (а) и после (б) обработки.

1.8 Примеры использования

В качестве примера рассмотрим результаты обработки полевых данных ВЭЗ полученных в результате экологических исследований. Экологические исследования свалки ТБО в г. Калуге проводились с участием фирмы UmweltAnalytik Brandenburg GmbH из Германии, МГУ, ФЦГС и организаций г.Калуги. Задача работ, финансируемых Германией, состояла в изучении экологического состояния места свалки и оценке развития подземного загрязнения.

Верхняя часть геологического разреза мощностью до 20 м сложена ледниковыми моренными и валунными суглинками. Местами морена разделяется линзами флю-виогляциальных песков, супесей и глин. Четвертичные отложения залегают на нижнекарбоновых известняках. Фрагментарно известняки перекрываются маломощными (до 4 м) глинами. Наблюдения проводились по схеме сплошных электрических зондирований (СЭЗ) с комбинированной трехэлек-тродной установкой (AMN+MNB). Такое строение верхней части приводит к наличию большого количества приповерхностных неоднородностей затруд-

а *й< ..Г-... •

0 190 Я» ЗЛО 400 '.X 600 ТОО 800 900

Ы ' ■ -»4 ХН ■ -Vv - ■ ....

«S Ч К » Я <0 М И 79 IM

Рис.10. Разрезы рк до и после обработки. Профиль 3. г. Калуга

i -

няющих проведение интерпретации. На Рис.10 в верхней части показаны полевые разрезы рк-Хорошо заметно влияние Р-эффекта, вызванное влиянием не-однородностей. В нижней части рисунка показаны результаты обработки. Результаты после обработки были успешно интерпретированы. Применение обработки по программе MEDIAN позволило провести детальную интерпретацию полученных результатов и выявить особенности

бшишшшпшвзз

Рис. 11. Результаты интерпретации по профилю 3. г. Калуга.

строения изучаемой площади (Рис.11). На разрезе четко проявляются детали глубинного строения, например зона низких сопротивлений связанная с распо-странением загрязнения на глубину.

Выводы к Главе 1.

После 1991 года полевые работы в лаборатории малоглубинной электроразведки ведутся практически только по методике СЭЗ. Ежегодно по этой методике наблюдаются до тысячи точек ВЭЗ. Во всех случаях для обработки применяется пакет IPI-2D, включая программу MEDIAN. Модельные расчеты и большой объем полевых наблюдений позволяет сделать следующие выводы:

• Применение алгоритма направленной фильтрации на основе медианого сглаживания, реализованного в программе MEDIAN, позволяет подавить искажения, связанные с ППН.

• Подавление искажений, вызванных ППН, практически не затрагивает влияния более глубоких частей разреза и не искажает результатов интерпретации.

• Невязка подбора часто уменьшается в 4-5 раз, следовательно резко возрастает возможности метода ВЭЗ по изучению субгоризонтальных границ и глубинных неоднородных объектов.

Глава 2. Среды с анизотропными свойствами.

Вторая глава посвящена изучению анизотропных сред. В ней рассматриваются модели анизотропный сред; решение прямой задачи для двухслойной анизотропной среды; применение спектрального подхода для решения прямых задач, обработки и интерпретации азимутальных наблюдений.

2d Модели анизотропных сред и способы их изучения

В первой части главы описывается история изучения вопроса и дается обзор его современного состояния.

Изучение анизотропных сред методами электроразведки представляет

значительный интерес и это вопрос рассматривался многими геофизиками. Значительный вклад в его изучение внесли несколько геофизических школ: Петербургская (Шейнманн С.М., Семенов A.C., Вешев A.B., Фокин А.Ф.), Московская (Заборовский А.И., Огильви A.A.) и Екатеринбургская (Гуревич Ю.М., Редозубов А.А, Сысков С.С.). Большое количество работ было также опубликовано зарубежными авторами (Haberjam, Matías и др.). Анализируя современное состояние вопроса, можно сделать следующие выводы:

• Изучение анизотропии электрических свойств представляет значительный интерес как с теоретической, так и с практической точек зрения. Этому вопросом занимались многие исследователи по всему миру начиная с момента возникновения электроразведки. Интерес к этому вопросу не угас и в настоящее время.

о Явление анизотропии электрических свойств проявляется чаще всего как слабое. Коэффициент анизотропии, как правило не превышает 2.

• Часто анизотропные свойства проявляются совместно с неоднородностями, которые дают эффект в электрическом поле в 10-100 раз больший, вследствие чего возникает вопрос о способах их разделения.

• Основным, широко используемым методом для определения простирания анизотропных пород является метод круговых (азимутальных) измерений кажущегося сопротивления. Интерпретация данных которого основана на «парадоксе анизотропии».

• При погружении источника тока в скважину по полярным диаграммам кажущегося сопротивления, полученным на поверхности возможно определение угла падения анизотропной толщи.

• Дипольная экваториальная установка обладает высокой чувствительностью к анизотропным свойствам геологической среды.

Наиболее перспективной моделью для изучения эффектов анизотропии является двухслойная модель с анизотропией электрических свойств в каждом слое. Применение более простых моделей значительно сужает область применения, в то время как использование моделей с большим количеством слоев затрудняет анализ получаемых результатов. Использование имеющихся алгоритмов расчета прямой задачи для данной модели затруднено особенностями их реализаций. Алгоритмы решения обратных задач для анизотропных сред практически отсутствуют.

В связи с этим, в настоящей работе и рассматривается вопрос построения быстрых и эффективных алгоритмов решения прямой и обратных задач. Наиболее перспективным для этих целей представляется так называемый спектральный подход, впервые предложенный автором совместно с Большаковым Д.К., Модиным И.Н. и Шевниным В.А. в работе "Изучение особенностей электрических зондирований над анизотропной средой перекрытой слоем наносов "[Большаков 1996]. В настоящей главе описано развитие этого алгоритма для случая двухслойной модели с произвольной анизотропией в каждом слое и во-

просы автоматической интерпретации данных круговых наблюдений.

2.2 Решение прямой задачи для двухслойной среды с произвольной анизотропией в каждом слое

Процедуру построения решения можно разбить на несколько этапов: общее решение уравнения Лапласа в анизотропной среде; выражения для источника в анизотропном полупространстве; граничные условия; окончательное решение

Наибольшее распространение имеет анизотропная среда, представляющая собой тонкое переслаивание слоев с различными сопротивлениями. Такая среда определяются всего двумя параметрами проводимости: ст,- вдоль слоев и ст„ - поперек; и двумя углами: а - углом падения и р - азимутом простирания. Такая среда также характеризуются коэффициентом анизотропии X ~ /с, /'а„ = • /р„ /р, . В этом случае а = Утст0V, где V- матрица поворота, а -а о главный тензор проводимости. - . •

Далее в работе приводится вывод уравнений для потенциала электрического поля на поверхности двухслойной___■ ^у / ■..••■

анизотропной среды и приведению их к ■ виду удобному для вычислений. Оконча- Н < _ „ . . о ! тельные формулы приводятся ниже: -

Щг, Ф)= ¿С2я(г)ехр(-г-2иср)

РгшРгиО-г»^

где С2п - круговые гармоники четного рис. 12. Модель двухслойной анизотроп-порядка: ной среды,

/р,, 1

С„ (г) = ' - I Е„ (г, к ) ехр(/ • пк ) ¿к , 4я г ¿п _„

ВЛг^-ьк)

о., !г, К ) + К" <*,) ■ В„ (г, к,)

~ , ......\77 " , ч, V'

К - аналог коэффициента отражения для изотропной горизонтально-слоистой среды

g, =sin2a, + cos2 a,., b,(kv)= jg, sin2^ - p,) + -----cos2^, -p,), Si r

Аналогично рк также можно представить в похожем виде:

Рк (г. ф) = Z(г, z)ехр(-2 ■ 2и ф).

и=-со

Необходимо отметить, что такое разложение на круговые гармоники справедливо в любом случае, при любой модели среды.

2.3 Расчет потенциала и рк для различных установок

При проведении наблюдений с целью выявления анизотропных электрических свойств одним из главных вопросов является выбор правильной методики наблюдений. Выбор методики круговых наблюдений заключается в определении типа установки, ее параметров, шага между азимутами наблюдений и диапазона разносов. В принципе, для изучения анизотропии можно использовать любой тип установки метода сопротивлений.

На Рис. 13 показаны некоторые из таких установок. Однако, хотелось бы добиться сочетания высокой производительности, помехоустойчивости и информативности. Эти требования в значительной степени являются взаимоисключающими.

А.С.Семенов в своих работах обратил внимание геофизиков на следующую особенность в изучении анизотропных сред методом сопротивлений: а) линейные установки, т.е. установки с расположением электродов на одной прямой дают равнозначную информацию, т.е. идентичные эллипсы кругового профилирования, различаясь лишь по глубинности; б) ди-польная экваториальная установка обладает существенно более высокой чувствительностью к анизотропии. Для нее отношение осей круговой диаграммы равно к5 вместо X для ли-Рис. 13. Примеры установок, используемых нейных установок [Электроразвед-при изучении анизотропии. ка_ 1994\ Свойствами, аналогичны-

ми дипольной экваториальной установке обладают и другие нелинейные установки (установки, у которых электроды не находятся на одной прямой). Таким образом поиск оптимальных установок надо вести среди установок, у которых электроды не находятся на одной прямой. Применение спектрального

подхода позволяет сделать это более осознано. В работе приводятся формулы для расчета спектра рк для различных установок через спектр рк для потенциал установки. В таблице ниже приводится часть этих формул. _______

п-слойная анизотропная среда аниз. полупространство

трсхзлектролная установка

фк - мы а) + фк + Ш! 2) ^2ЛК> - ........... .......2...................~...... + + ~ (с'1 (Я - МЛ- 2) - фи +т,2)) л/л ■ С1- -си *-2п 2м

дштояьная экмлорйа 1нш установка

фК) - (<£<*) - фЯ соз(0))СО^(еС22"0) „о _си 1 — соэ(0) • соэ(2и0) 2" 2л 1-СО8(0)

У-установка

,т АП- фАМ) - АМ ■ фАМ) ■ соз(2и9) Сг"(Й)= ЛА- ^г ЛЛ' - АМ • соз(2«6) „ с2л(Д)= м с2„

2.4 Анализ свойств кривых ВЭЗ для двухслойной среды с анизотропией

Полученные формулы не только позволяют эффективно проводить расчеты, но и получить важные результаты, как с помощью модельных расчетов, так и с помощью анализа самих формул. Значения потенциала на. поверхности земли зависят только от значений %эф и Нэф, а не в отдельности от А,, а, Я (коэффициента анизотропии, угла падения и мощности первого слоя соответственно).

*ЭФ

X 8т (а) + сое (а), II Эф =

-Н,

ЧЭФ

Для более подробного анализа в работе рассмотрен ряд двухслойных моделей с анизотропными свойствами только в одном из слоев (рь р№ и рм -

Модель 1-Й СЛОЙ 2-Й слой

Рь PN Рм X Рь Рн Рм X

НЬ-1 90 27.8 50 1.8 10 10 10 1

Ш-1 18 5.56 10 1.8 50 50 50 1

НЬ-2 50 50 50 1 18 5.56 10. 1.8

Ш-2 10 10 10 1 90 27.8 50 1.8

Модели 1 имеют анизотропные свойства во втором слое, модели 2 - в первом. Модели НЬ имеют низкоомное основание, а модели ЬН - высокоомное. В работе результаты моделирования представлены в виде графиков зондирования и круговых диаграмм.

В целом можно отметить следующие особенности: во-первых, значения рк выходят за пределы диапазона рм и Рь для дипольной установки; во-вторых -появляются сильные ложные экстремумы и перегибы на кривых зондирования, максимально проявляющиеся для дипольной установки при ее повороте на угол 45°. Такие ложные экстремумы при интерпретации могут привести к по-

явлению ложных слоев. В модели ЬН1 (с высокоомным основанием и анизотропным первым слоем) наблюдается интересный эффект, который можно назвать эффектом переноса анизотропии. Этот эффект проявляется в том, что при разносах около 5-ЮН коэффициент Хк соответствует верхней анизотропной среде, а значения сопротивлений - нижней. Такой эффект может привести к ложной оценке параметров среды в случае, когда проводятся не круговые зондирования, а одиночные круговые наблюдения. Менее заметны эффекты связанные с изменением формы азимутальных диаграмм и величиной кажущегося коэффициента анизотропии Хк.

На Рис.14 приведены кривые Хк для этих четырех моделей и четырех различных установок.

электродная, О - дипольная экваториальная, А - дипольная осевая.

Будем называть искажением отклонение кривой \к от монотонного возрастания или убывания, какое должно было бы быть в случае двухслойной модели. Практически на всех кривых Хк присутствуют искажения в области малых разносов. Для сред с анизотропным основанием, это область пониженных значений /\.к<1, что на круговых диаграммах приводит к их повороту на 90°. Наиболее сильно этот эффект проявляется для дипольной осевой установки (А), в тоже время он почти не заметен на кривых для дипольной экваториальной установки (В).

Неправильный выбор методики может привести к ложной интерпретации. Проведение одиночных круговых наблюдений при разносах попадающих в область искажений, приводит к неверному определению направления анизотропии и коэффициента анизотропии X. Но даже проведение круговых зондирований может не дать достоверной информации при неправильном выборе диапазона разносов. Так например, если провести исследования над средой ЬН-1 с трехэлектродной установкой при разносах от 2Н до 20Н, то мы получим восходящую кривую Хк■ Такая кривая неизбежно приведет исследователя к выводу о том, что в данной среде верхний слой изотропный, а нижний анизотропный, в то время как на самом деле все наоборот. В реальных средах картина может быть еще сложнее, в случае наличия нескольких слоев с анизотропными свойствами. В результате этого анализа можно сделать следующее заключение - по всем параметрам наиболее опти-

р„,Ом.м

200

Рис. 15. Кривые азимутального зондирования и Рк. Шифр кривых - азимут зондирования относительно простирания. Модель АА.

мальнои установкой для проведения круговых электрических зондировании является диполышн экваториальная установка.

Далее в работе проводится более подробный анализ полученных результатов на основе круговых гармоник. Показано, что нулевая гармоника может быть использована для получения информации о горизонтально-слоистой части разреза.

Далее рассмотрен более сложный пример - модель (АА), в которой оба слоя имеют анизотропию электрических свойств, параметры которой полностью совпадают, за исключением: направлением анизотропии. Если бы анизотропии не существовало, то подобная среда представляла собой просто изотропное полупространство. Наличие анизотропии приводит к достаточно сложной картине (Рис. 15).

О 2 4 6 8 10 12 14

Рис. 16. Спектры установок. Шифр кривых -параметр 0.

2.5 Практическое применение спектрального подхода при азимутальных наблюдениях

Применение спектрального разложение не исчерпывается его использованием для решения прямой задачи. ' Оно может быть успешно использовано для выбора методики наблюдений, анализа и интерпретации полевых наблюдений.

Выбор оптимальной методики. Для анизотропного полупространства выражения для гармоник линейных установок, таких как потенциал, трехэлектродная и др., совпадают. В

случае слоистой среды различие ме- о -1-:-

жду ними аналогично случаю изотропной слоистой среды. Это объясняет их одинаковую чувствительность к анизотропии. Спектры нелинейных установок значительно отличаются от спектров линейных установок.

Рассмотрим этот вопрос более подробно. В спектрах линейных установок (Рис. 16) амплитуды гармоник монотонно убывают от нулевой к более высоким. Спектр дипольной экваториальной установки ф-установки) зависит от отношения Г</МЫ и имеет амплитуду второй гармоники равную или большую чем амплитуда нулевой. Кроме того, спектр О-установки более широкий. Различие в ширине спектра приводит, в соответствии с теоремой Котелышкова-Шенона, к необходимости проведения наблюдений с более детальным шагом. Для успешного восстановления сигнала после дискретизации необходимо проводить наблюдения с шагом по азимутам удовлетворяющим условию дф< - -, ^ <о.1С0, где ятах - наибольший номер гармоники, определяемой без

лтах

искажений. В противном случае происходит искажение амплитуд гармоник. Следовательно для получения доброкачественных данных необходим следующий шаг наблюдений: для линейных установок не более 30°, а для О- и Т-установок - не более 18°.

Свойства У-установки сильно зависят от значения параметра 0 (Рис. 17). При изменении б в "нормальной области" (9е[0,8о]) У-установка плавно меняется от трехэлектродной (8=0°) к Т-установке (0=9о=агссо5(АМ/АМ), т=90°), которая в свою очередь эквивалентна дипольной экваториальной установке. Аналогично меняются ее свойства. Но при изменении 6 в "дополнительной области" (0е(0о,я/2]) получается уже совсем другая картина (Рис. 16, графики У60 и У90). Амплитуда второй гармоники возрастает, а остальных - уменьшается. Такое перераспределение амплитуд гармоник приводит к уменьшению

трехэлскгродная

ширины спектра, что в свою очередь позволяет увеличить шаг между азимутами наблюдений, сохраняя высокую чувствительность к анизотропии.

Нельзя забывать еще об одном факторе оказывающим влияние на выбор

методики наблюдений. В реальной ситуации, чаще всего наблюдается сложная комбинация из горизонтально-слоистой среды, 2-х и 3-х мерных неоднородностей и приповерхностных неоднородностей. Также присутствуют и аппаратурные погрешности и помехи вызванные внешними источниками. Необходимость разделения эффектов от этих составляющих разреза также накладывает свои требования на методику наблюдений.

Для учета влияния неоднородностей можно воспользоваться тем, что эффекты вызванные анизотропией зависят от направления и не зависит от координат, а эффекты вызванные неоднородностями зависят а от того

Рис. 17. Варианты Y-установки. и от другого. Для того чтобы это обнаружить необходимо проводить несимметричное вращение установки (Рис. 18). Дополнительную информацию о неодно-родностях может дать применение Y-установки и анализ результатов, полученных для ее каждого плеча в отдельности.

Таким образом, можно сделать следующий выводы: оптимальными для исследования анизотропии являются ди-польная экваториальная (D-установка) и Y-установка; шаг наблюдений для D-установки должен быть не более 18°, а для Y-установки - зависит от ее параметров и может быть больше, чем у D-установки (30° и даже 45°); выбор между D-установкой и Y-установкой зависит от решаемых задач.

Алгоритмы анализа и интерпретации. Данные азимутальных наблюдений могут быть представлена в виде разложения в ряд Фурье:

N12 N12

Р(Ф,) = Р, = Z С„ • ехр(-/ -ифу) = С0 + £ с„ • cos(«(<{>, +р„))

n~~N/2 п=1

где N - количество точек и коэффициенты С„ и Р„ находятся следующим образом:

симметричное вращение

несимметричное вращение

Рис. 18. Симметричное и несимметричное вращение.

1 лг_| 1 С„ = — 2 Р/ ' еХР^' ■ "Фу )• Р» = п аГё(Сп )

Такое разложение позволяет напрямую, без дополнительной интерпретации получить важнейшие параметры анизотропной среды и сделать выводы о степени искажений. Очевидно, что в случае отсутствия искажений азимутальные кривые должны иметь центральную симметрию, или другими словами иметь период равный п. В этом случае ложны были бы присутствовать только четные гармоники Со, С%.... С2а. Наличие разного рода искажений, связанных с влиянием неоднородностей, ошибок измерений и расстановки, приводит к появлению нечетных гармоник (Рис. 20, Рис. 19). Таким образом, становится очевидным, что для получения характеристик анизотропной среды необходимо использовать только четные гармоники.

Ф-

1" точка О

m\f:

п Рис. 20. Круговые диаграммы (А) и их спек-г 4i6i8 Чо тры (В) вблизи (точка 0) и вдали (точка -25) от Рис. 19. Круговые диаграммы (А) и их спек- контакта двух анизотропных сред, тры (В) для анизотропной среды (1) и вертикального контакта (2,3).

Часть характеристик анизотропной среды определяются достаточно легко и формулы для них очевидны.

q Л'/4 NU

Pl n=i л-i

Отдельный интерес для дальнейшей интерпретации представляет параметр ро = С0 , зависимость которого от разносов, в случае проведения зондирований, может быть проинтерпретирована по стандартным программам в рамках горизонтально слоистой модели. Преимущество такой интерпретации в том, что кривая p0(R) не имеет искажений, присущих обычным кривым зондирования над анизотропными средами.

Несколько сложнее обстоит дело с определением простирания анизотропной толщи. В идеальном случае величины ß„ должны совпадать для всех четных гармоник и равняться углу простирания анизотропной толщи. Ситуацию осложняют два фактора: во-первых - коэффициенты ßn определяются с точностью до 27г/п; во-вторых - вследствие наличия помех мы имеем некоторые погрешности в определении ßn. Применяя к такой совокупности значений статистические методы анализа мы можем получить среднее значение простирания

и его дисперсию. Однако, применять напрямую стандартные способы вычисления среднего и дисперсии в данном случае невозможно, в силу специфической природы параметра. Специфичность параметра заключается в его периодичности. Для статистического анализа значений Р больше подходит теория так называемых "намотанных распределений" [Мардия 1978]. В этой работе было предложены следующие формулы

Параметр О соответствует стандартному отклонению при нормальном распределении. Автором было предложена модификация этих формул для данного конкретного случая, учитывающая различный вес значений:

Л'/4 Л74

I С2в соз(Р2и) Х!С2я18Н1(Р2и) ___

в=1 п=I

1 Л" ]

х = м £ )'>'=дГЕ г = -,!х2 + у2, Р = агссоБСх/ г),И = 1пг\

X =

лгм «=1

N14 п= 1

г = ,:х2 + у2

Р = агссо5(х//-), £>=,.|1п/-|

Такой прямой подход к определению параметров анизотропной среды имеет большие преимущества по сравнению с ранее использовавшимися визуальной интерпретацией и методом подбора. Параметры среды определяются точнее, так как при удовлетворении необходимых требований к величине шага по азимутам в гармониках содержится вся информация о среде. Оценка погрешности определения простирания позволяет судить о достоверности полученных результатов не только по отношению к азимуту простирания, но и всех остальных параметров анизотропной среды.

Проведение несимметричного вращения позволяет получить информацию о нечетных гармониках, в которых, как уже было сказано выше, содержится информация о помехах. В четных содержится и полезная информация и помехи. Поэтому соотношения между ними

позволяют оценить степень искажения азиму- Рис. 21. Параметры X и у. тальных диаграмм. Автором предложены два таких параметра:

N12

с„ + £|С.|

Х=а/Ь

у=сМ

7 =

и= 1

Со-+ "¿МПС.!

п=1

N12

2|С2в.,!

и-1

2|с.

2« I

Эти параметры имеют простой физический смысл. Параметр у, называемый коэффициентом асимметрии, введен аналогично коэффициенту анизо-

тропии А. и отражает степень асимметричности азимутальной диаграммы вдоль направления параллельного простиранию анизотропной толщи (Рис. 21). Параметр у отражает соотношение между четными и нечетными гармониками, которое отражает соотношение между влиянием анизотропии и неод-нородностей.

Рассмотри поведение этих параметров на примере (Рис. 22). На этом рисунке представлены результаты моделирования над тремя моделями вертикальных контактов, объединенных в один профиль. Эти модели представляют собой: а) контакт двух изотропных сред (1-2) с различными сопротивлениями (Р)=1, р2=1); б) контакт изотропной и анизотропной среды (2-3) (рт3=1.5, Л-з=2, Р ~-20°); и в) контакт двух анизотропных сред (3-4) с различными параметрами анизотропии (ртз=3, Хз=3, Рз=45°). Параметры установки -дипольная экваториальная, Я=2, АВ=МИ=0.5.

На Рис. 22 показаны результаты вычислений и интерпретации в виде графиков р/, р„„ р„ (А), кажущейся анизотропии Я_к (В), азимута простирания (3 (С), параметра асимметрии у (Б) и параметра неоднородности у (Е). Как хорошо видно на всех графиках, влияние контакта значимо на расстоянии до 1.5 Я от контакта с каждой стороны. Вне приконтактной зоны все параметры достаточно быстро принимают истинные значения. Достоверными показателями однородной анизотропной среды служат значения Лк > 1 и у » 1 (зоны 3 и 4), а однородной изотропной - Ак « 1 и у и 1 (зоны 1 и 2). Показателями наличия

® (I) (3) (4)

Рис. 22. Результаты моделирования над контактами различных сред, объединенные в один профиль (см. детали в тексте).

неоднородностей служат знамения у * 1 и у > 0.

Наряду со всеми преимуществами, нелинейные установки имеют и недостатки. Одним из таких недостатков является отличие значений рк и Я, от привычных, получаемых в случае использования линейных установок. Спектральный подход позволяет устранить этот недостаток. Обратим внимание на выражения спектров нелинейных установок в случае анизотропного полупространства. Эти формулы легко можно инвертировать и выразить спектр потенциала через спектры нелинейных установок. Дипольная экваториальная установка:

Си = с" 1~со5(Лф)___

2п 2п } _ С0з(Аф) • СОз(2иДф)

У-установка

_£.>" _ ¿-.и __^___

2" 2п АЫ - АМ-со${2пЪУ 2" Для полупространства эта формула дает истинный результат, а в других случаях может рассматриваться как некоторая трансформация. Такая трансформация имеет физический смысл и подобна пересчету из Ли в рк - ведь для расчета рк также используются формулы для однородного полупространства. Такая трансформация приносит двойную результат: во-первых, мы получаем истинные значения рк и Як; во-вторых, мы уменьшаем уровень помех. Первый результат очевиден, так как мы его и добивались. Неоднородности оказывают одинаковое влияние как на линейные, так и на нелинейные установки. Однако уровень полезного сигнала, связанного с анизотропией, у последних значительно больше. После предлагаемой трансформация уровень полезного сигнала становится у обоих установок одинаковым, но для нелинейной установки уровень помех также уменьшается пропорционально уменьшению полезного сигнала и по абсолютной величине становится меньше, чем у линейной установки (Рис. 23),

Отдельный интерес представляет вопрос обработки результатов У-установки. В реальности проведение наблюдений с У-установкой эквивалентно проведению наблюдений с тремя различными установками - У, У+ и У-. Ранее, до применения спектрального подхода, казалось невозможно извлечь полезную информацию из неполных установок (У+ и У-), из-за искажения формы азимутальных диаграмм. Полезную информацию давала только полная У-установка. Применение спектрального подхода позволяет извлечь полезную информацию из всех трех установок, так как имеется возможность трансформировать все эти

лл

АК-АМ-ехр(+1-2пд)

трансформация —--^

' / "С

<? Л-

"С

Рис. 23. Влияние трансформации на уровень помех.

установки к одной. Сравнение результатов дает дополнительные критерии достоверности получаемых параметров и оценки влияния неоднородности среды. Еще больший интерес представляет "стреловидная" установка. Эта установка в чисто анизотропной среде должна показывать одинаковые результаты для каждой своей половины. Такая особенность позволяет по выбору либо измерять только одну половину, либо измерять обе. В последнем случае расхождение результатов измерений позволяет сразу обнаружить влияние неоднородностей.

2.6 Примеры

В качестве примера рассматривается применение азимутальных измерений

Рис. 25. Результаты азимутальных наблюдений на Рис.24. Оценки коэффциента анизотро-

пии Хк и азимута простирания р для точек в! и Э2.

плато Патиль.

для определения простирания коренных пород на плато Патиль (Крым, Бахчисарайский район). Патиль - плато, где мягкие анизотропные породы основания (залегающие почти вертикально), представленные породами таврической серии, частично покрыты почти горизонтально залегающим слоем твердых песчаников резан-ской свиты, толщиной до 25 м. Это место Рис. традиционно в течение продолжительного времени используется для проведения студенческой практики, с целью демонстрации эффектов анизотропии. На Рис.24 и 25 показаны полевые данные и пример интерпретации. Сравнение результатов интерпретации для трехэлектрод-ной установки (Е) и дипольной экваториальной (Р) еще раз подтверждает вы-

26. Результаты азимутальных зондирований со "стреловидной" установкой. Шифр кривых - разнос установки. Плато Патиль. 1998г.

вод о преимуществах нелинейных установок. На Рис. 26 показаны результаты

наблюдений со "стреловидной установкой" выполненные летом 1998 года.

Выводы к Главе 2.

В заключение можно сделать следующие выводы:

• Для моделирования слоистых анизотропных сред разработан спектральный подход, применение которого позволяет точно и эффективно решать прямые и обратные задачи электроразведки на постоянном токе для азимутальных наблюдений, разделять при обработке влияние анизотропии и горизонтальной слоистости, анизотропии и неоднородностей.

• Большой объем моделирования и практических наблюдений показывает, что результаты электрических зондирований над слоисто-анизотропной средой существенно отличаются от результатов, получаемых над анизотропным полупространством или над слоистой изотропной средой. Наличие анизотропии электрических свойств приводит к искажению кривых ВЭЗ. Эти искажения могут проявляться в виде искажения формы кривой, вплоть до изменения ее типа, в изменении видимого числа слоев и искажению значений кажущегося сопротивления. В случае слоистой среды проявляются дополнительные эффекты, такого рода как, например, пропадание парадокса анизотропии или наоборот его усиление, обнаружены неизвестные ранее эффекты, например эффект «переноса анизотропии».

• Применение нелинейные установок позволяет резко повысит чувствительность установки к анизотропии электрических свойств без существенного изменения ее чувствительности к неоднородностям и, таким образом, более достоверно определять параметры сред со слабой анизотропией в случае присутствия неоднородностей.

• Трансформация нелинейных установок к линейным снижает уровень шума, упрощает качественный анализ данных азимутальных наблюдений, приводит наблюдения и результаты их обработки к единому для различных установок виду и, тем самым, позволяет более эффективно проводить качественную и количественную интерпретацию.

Заключение

В заключении содержатся краткие выводы по теме диссертации.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

• Абсолютное большинство данных электрических зондирований имеют те или иные искажения. Для их правильной интерпретации необходимо выделить полезный сигнал среди помех.. Кроме случайных помех, вызванных ошибками наблюдения, существуют и регулярные. К последним относятся искажения вызванные приповерхностными неоднородностями и наличием анизотропии среды по отношению к электрическим свойствам.

• Для сред с приповерхностными неоднородностями, в случае применения

методики многоэлектродных зондирований, эффективным способом подавления искажений является применение направленной фильтрации и медианного сглаживания, реализованных в алгоритме и программе MEDIAN. После устранения регулярных помех точность совмещения экспериментальных и теоретических кривых возрастает иногда в 4-5 раз и, таким образом, позволяет решать более сложные геологические задачи и повысить точность интерпретации.

• Результаты электрических зондирований над слоисто-анизотропной средой существенно отличаются от результатов, получаемых над анизотропным полупространством. В случае слоистой среды возникают разного рода неожиданные эффекты, такого рода как, например, пропадание парадокса анизотропии или наоборот его усиление, обнаружены неизвестные ранее эффекты, например эффект «переноса анизотропии».

в Применение нелинейные установок позволяет резко повысит чувствительность установки к анизотропии электрических свойств без существенного изменения ее чувствительности к неоднородностям и, таким образом, более достоверно определять параметры сред со слабой анизотропией в случае присутствия неоднородностей.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Яковлев А.Г., Модин И.Н., Шевнин В.А., Перваго Е.В. Программа для расчета кривых ВЭЗ над сложными двумерными геоэлектрическими разрезами Материалы XV научной конференции аспирантов и молодых ученых. Секция: "Геофизика". М., 1988, деп. в ВИНИТИ. Деп. N 6253-В88, с.28-34

2. Модин И.Н., Яковлев А.Г., Одинцов K.JL, Рогова С.А., Бобачев A.A., Симоне М.М., Шевнин В.А., Перваго Е.В. Методика и программное обеспечение интерпретации данных метода сопротивлений. Геофизич. исслед. в гид-рогеол., инж. геол. Тр. - Гидроингео, Ташкент, САИГИМС, 1991 г., ч.П, с.74-81

3. Модин И.Н., Перваго Е.В. Расчет электрического поля точечного источника постоянного тока вблизи вертикального контакта двух анизотропных сред

Материалы XIX научной конференции аспирантов и молодых ученых. Секция: "Геофизика". М., 1992, деп. в ВИНИТИ. Деп.Ю262-В?2, с.33-46

4. Модин И.Н., Смирнова Т.Ю., Яковлев А.Г., Пёрваго Е.В. Расчет кажущегося сопротивления над сложными геоэлектрическими разрезами методом интегральных уравнений Веста, моек, ун-та, сер.4. Геология. 1992. N 3, с.91-95

5. В.К. Хмелевской, И.Н. Модин и др. Электрическое зондирование геологической среды, ч.2, Интерпретация и примеры применения М., изд. МГУ, 1992 г. 200с.

6. Глазунов В.В., Модин И.Н., Кукарци М., В.А.Шевнин, Перваго Е.В. Геофизические исследования в археологии "Геофизика и современный мир". Тезисы международн. научн. конф. 9-13 авг. 1993 г.

7. И.Н. Модин, А.А.Бобачев, Д.К. Большаков, И.Д. Игнатова, Е.В. Перваго и др. Электроразведка методом сопротивлений М., изд. МГУ, 1994 г. 160с.

8. I.N. Modin. V.A. Shevnin, А.А. Bobatchev, M.N. Marchenko, A.V. Lubchikova, E.V. Pervago Distortions of VES data, caused by subsurface inhomogeneities EAEG 56th Annual Meeting. Proceedings. Austria, Vienna, June 6-10, 1994. P129

9. Агеев B.B., Большаков Д.К., Модин И.Н., Перваго Е.В. Возможности электроразведки при археологических исследованиях Международная конференция по применению методов естественных наук в археологии. СПб,28-30.11.1994

Ю.Модин И.Н., Бобачев А.А., Большаков Д.К., Горбунов А.А. , Перваго Е.В. Изучение нефтяного загрязнения на Московском НПЗ в Капотне методами электроразведки Геофизика и экология. Тезисы докл. конф. Дубна, 1995 г., с.15-17

11.Modin I.N., Ignatova I.D., Pervago E.V. A coal layer inhomogeneities investigation by vector resistivity measurements in mines EAEG 57th Annual Meeting. Proceedings. Glasgow, May 28-June2, 1995. P081.

12.Bolshakov D.K., Modin I.N., Shevnin V.A., Pervago E.V. Anisotropy effects investigations by resistivity method in some inhomogeneous media EAEG 57th Annual Meeting, Glasgow. Proceedings. May 28-June 2,1995. P034.

13.Bobachev A.A., Modin I.N., Shevnin V.A., Pervago E.V. VES field and processing technology for the case of high level geological noise Annual SAGEEP conference. Proceedings. April 1995, Orlando, Florida, USA, p.963-964

14.А.А.Бобачев, Д.К.Большаков, А.А,Горбунов, И.Н.Модин, В.А.Шевнин, ДЛ.Коларов, Перваго Е.В. Возможности электроразведки при экологических исследованиях Конференция SEG-EATO-EAEG в г. С-Петербурге 1013 июля 1995 г. '

15.Большаков Д.К., Модин И.Н., Шевнин В.А., Перваго Е.В. Изучение особенностей электрических зондирований над анизотропной средой перекрытой слоем наносов Вестник МГУ, серия Геология, N 6, М., 1995 г.

16.Бобачев А.А., Марченко М.Н., Модин И.Н., Урусова А.В., Шевнин В.А,,

Перваго Е.В. Новые подходы к электрическим зондированиям горизонтально-неоднородных сред М., Физика Земли, N 12, 1995 г., с.79-90

17.Бобачев А.А., Волков С.В., Модин И.Н., Шевнин В.А., Перваго Е.В. Система программ для 1D и 2D обработки визуализации и интерпретации ВЭЗ при изучении ВЧР Ежегод. межд. конф. "Вопросы теории и практики геол. Ин-терпр. грав., магн. и электр.полей" 21-25 янв. 1996 г. г.Воронеж. Тезисы докладов.

18.Большаков Д.К., Модин И.Н., Шевнин В.А., Перваго Е.В. Влияние анизотропии геологической среды на результаты метода сопротивлений Ежегод. межд. конф. "Вопросы теории и практики геол. Интерпр. грав., магн. и электр. полей" 21-25 янв. 1996 г. г. Воронеж. Тезисы докладов.

19.I.N.Modin, V.A.Shevnin, D.K.Bolshakov, M.L.Vladov, E.V.Pervago Resistivity prospecting in urban regions Annual EGS conference. Proceedings. Hague, May 6-10, 1996.

20.Бобачев A.A., Большаков Д.К., Марченко M.H., Модин И.Н., Шевнин В.А., Перваго Е.В. Искажения кривых электрических зондирований, вызванные приповерхностными неоднородностями, их выявление и подавление Тезисы доклада, предст. на конф. в мае 1996 г. в СПБ.

21.С.В.Иванова, И.Н.Модин, Перваго Е.В. Выявление структуры нарушения угольного пласта с помощью электрического просвечивания на постоянном токе Конференция "Эффективная и безопасная добыча угля на базе современных достижений геомеханики", ВНИМИ, С-Пб, 1996, стр.! 11-115.

22.M.Ritz, Y.Albouy, ORSTOM, Bondy - France, C.Camerlynck, DGA, Universite Paris VI - France, H.Robain, ORSTOM, Yaounde - Cameroon, E.V.Pervago, MSU-Russia Near-surface inhomogeneities effects on investigations by resistivity and GPR methods: application to a watershed in rain forest of Cameroon 2nd EEGS conference. Proceedings. Nant, France, September, 1996.

23.Бобачев А.А., Модин И.Н., Шевнин В.А., Перваго Е.В. Многоэлектродные электрические зондирования в условиях горизонтально-неоднородных сред Разведочная геофизика. Обзор. АОЗТ "Геоинформ-марк". Выпуск 2, М„ 1996, 50с.

24.Д.К.Большаков, И.Н.Модин, В.А.Шевнин, Перваго Е.В. Новый подход к изучению анизотропных и неоднородных сред электроразведкой на постоянном токе. Ежегодная научная конференция "Ломоносовские чтения", 2329 апреля 1997 г., г. Москва, с.158-159.

25.D.K. Bolshakov, I.N. Modin, V.A.Shevnin, Перваго Е.В. The new approach to the analysis of the azimuthal resistivity data over anisotropic media EAGE 59th Conference. Proceedings. Geneva- 1997. P139.

26.D.K.Bolshakov, I.N.Modin, V.A.Shevnin, Перваго Е.В. Separation of anisotropy and inhomogeneity influence by the spectral analysis of azimuthal resistivity diagrams 3rd Meeting environmental and engineering geophysics. Proceedings. Aarhus, Denmark, 8-11 September 1997.

27.Большаков Д.К., Модин И.Н., Перваго Е.В. Анизотропия и неоднородность, их раздельная оценка по спектрам азимутальных диаграмм метода сопротивлений Международ, геофиз. конф. SEG-EAEG-БАГО Москва-97, 18-20 сентября. Тезисы.

28.D.K.Bolshakov, I.N.Modin, V.A.Shevnin, Pervago E.V. Separation of anisotropy and inhomogeneity influence by azimuthal resistivity diagrams' analysis. "Engineering and environmental geophysics for the 21st century." Proceedings of the International Symposium on Engineering and environmental geophysics, Chengdu, China, 1997, p.239-245.

29.Bobatchev A.A., Modin I.N., Sapognikov B.G., Shevnin V.A., Pervago E.V. Resistivity method, old and new "Engineering and environmental geophysics for the 21st century." Proceedings of the International Symposium on Engineering and environmental geophysics, Chengdu, China, 1997.

30.Bolshakov D.K., Modin I.N., Shevnin V.A., Pervago E.V. Modeling and interpretation of azimuthal resistivity sounding over two-layered mode! with arbitrary - oriented anisotropy in each layer. Proceedings of EAGE 60th Conference, Leipzig-8-12 June 1998. PI 10.

31.Акуленко С.А., Большаков Д.К., Шевнин B.A., Модин И.Н., Перваго E.B. Способы повышения разрешающей способности электроразведки на постоянном токе при исследовании анизотропии Ежегодная научная конференция "Ломоносовские чтения", 23-29 апреля 1998 г., г. Москва, с.92-93.

32. Bolshakov D.K., Modin I.N., Shevnin V.A., Pervago E.V New step in anisotropy studies: arrow-type array. Proceedings of 4th EEGS-ES Meeting in Barselona, Spain, September 1998.

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата физико-математических наук, Перваго, Евгений Владимирович, Москва

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи ПЕРВАГО ЕВГЕНИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

УДК 550.837

ВЛИЯНИЕ АНИЗОТРОПИИ И НЕОДНОРОДНОСТЕЙ

НА РЕЗУЛЬТАТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗОНДИРОВАНИЙ

Специальность 04.00.12 - геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук

В.А. Шевнин

МОСКВА - 1998

__Оглавление_2_

Оглавление

Введение...................................................................................................................................3

Глава 1. Приповерхностные неоднородности и искажения кривых ВЭЗ.................11

1.1. Классическая модель среды.......................................................................................11

1.2. Определение искажений.............................................................................................11

1.3. Признаки искажений кривых ВЭЗ.............................................................................12

1.4. Полная модель и методика ее исследования............................................................13

1.5. Основные типы искажений кривых ВЭЗ приповерхностными неоднородностями. 14

1.6. Алгоритм "Медиана"...................................................................................................19

1.7. Модельный пример......................................................................;...............................23

1.8. Примеры использования.............................................................................................25

Выводы к главе 1................................................................................................................26

Глава 2. Среды анизотропные по отношению к электрическим свойствам............30

2.1. Модели анизотропных сред и способы их изучения...............................................30

2.2. Решение прямой задачи для двухслойной среды с произвольной ориентацией эллипса анизотропией в каждом слое.......................................................................41

Потенциал электрического поля в анизотропном пространстве...................41

Граничные условия на контакте двух анизотропных сред............................44

Двухслойная среда с анизотропией в каждом слое........................................45

2.3. Расчет потенциала и значений кажущегося сопротивления для различных установок.....................................................................................................................48

Трехэлектродная установка...............................................................................49

Дипольная экваториальная установка............................................:.................49

У-установка.........................................................................................................50

2.4. Анализ свойств кривых ВЭЗ для двухслойной среды с анизотропией..................51

2.5. Практическое применение спектрального подхода при азимутальных наблюдениях...............................................................................................................61

Выбор оптимальной методики..........................................................................61

Алгоритмы анализа и интерпретации..................................................':■...........63

2.6. Пакет программ АМ8-Раск........................................................................................68

2.7. Примеры практического применения.......................................................................69

Выводы к главе 2................................................................................................................74

Заключение............................................................................................................................76

Список литературы.............................................................................................................77

Введение

В настоящее время во всех странах мира наблюдается увеличение потребностей в проведении малоглубинных геофизических исследований при решении экологических, инженерно-геологических и археологических задач. Метод сопротивлений является одним из наиболее широко используемых для решения этих задач. С одной стороны решение подобных задач требует проведения более детальных геофизических работ при одновременном повышении качества интерпретации. Результаты подобных работ практически всегда подвергаются прямой проверке, и от точности интерпретации зависят перспективы дальнейшего применения метода. С другой стороны, работы часто ведутся в трудных условиях: в городах, на промышленных предприятиях, в условиях искусственных техногенных или сильно нарушенных фунтов с высоким уровнем неоднородности физических свойств. Такие противоречия привели к разработке и созданию новых методик полевых наблюдений, новой многоканальной аппаратуры и новых способов обработки и интерпретации. Каждая из этих составляющих необходима для получения качественных результатов.

Актуальность темы. Для работы в таких условиях не подходит стандартная методика, предполагающая проведение разрозненных, произвольно расположенных наблюдений, интерпретируемых в рамках горизантально-слоистой модели. Необходимо проведение профильных или площадных наблюдений с высокой плотностью измерений, что в свою очередь приводит к появлению больших объемов данных и развитию методов 2D и даже 3D интерпретации..Все эти факторы привели к возникновению новой, но все шире используемой модификации электроразведки, называемой в англоязычной научной литературе Electrical Imaging или Electrical Resistivity Tomography (ERT)[Daily, Owen 1992; Griffits, Turnbill, 1985]. В нашей литературе ему соответствует термин СЭЗ (Сплошные Электрические Зондирования). Автоматизированная многоканальная аппаратура, подключенная к системе, состоящей из большого числа электродов (равномерно расположенных по профилю и произвольно коммутируемых), в свою очередь, заметно повышает возможность проведения измерений по этой методике. Появление новых методик наблюдения неминуемо привело к появлению новых алгоритмов интерпретации, таких как RES2INV[Z-o&e, Barker 1994], RESIX (фирмы Intexpex).

Но в условиях, когда требуется получение достаточно точной и детальной информации о строении верхней части разреза, нельзя забывать о наличии разлого рода осложняющих факторов.

В большинстве случаев для аппроксимации реальной геологической среды все

еще широко используется горизонтально-слоистая модель среды с однородными изотропными слоями. Такая модель является наиболее простой и удобной для интерпретации. Однако, для решения задач инженерной геофизики подобная модель не всегда достаточна. Кроме учета слоистости, для более точного приближения модели к реальной геологической среде необходимо учитывать влияние неоднородностей и анизотропии. Особенно остро такого рода проблемы возникают при малоглубинных исследованиях, связанных с изучением верхней части разреза от нескольких метров до десятков метров, так как с одной стороны требуется высокая точность определения параметров геологического разреза, а с другой стороны результаты геофизических исследований легко проверяются с помощью бурения. Но полная, детальная аппроксимация реальной геологической среды моделями, являющимися слоистыми, анизотропными и неоднородными одновременно, настоящий момент невозможна. На рис Л [Большаков 1998] схематично изображены различные варианты аппроксимации реальной геоэлектрической модели разреза: ГСС -горизонтально-слоистая среда; Н - неоднородности (ГН - глубинные, ППН - приповерхностные); А - анизотропное полупространство; ГСС+Н - горизонтально-слоистая среда с неод-нородностями; ГСС+А - слоисто-анизотропная среда; А+ППН - анизотропное полупространство с приповерхностными неоднородностями; А+ГН - анизотропное полупространство с глубинными неоднородностями.

Совместное проявление слоистости и неоднородностей в электрическом поле изучалось с помощью физического моделирования (И.М. Блох, А.Н. Боголюбов, М.М. Авдевич, А.Ф. Фокин и др.). Одновременно развивались аналитические подходы (Н.Г. Шкабарня, В.Г. Шак и др.). Были разработаны алгоритмы численного моделирования (J1.M. Альпин, В.И. Дмитриев, Е.В. Захаров, В.В. Кусков, И.Н. Модин, А.Г. Яковлев, H.H. Серебрянникова, Т.Ю. Смирнова и др.). В настоящее время теоретические вопросы, связанные с учетом влияния глубинных неоднородностей на электрическое поле в горизонтально-слоистых средах, в целом решены. Результаты этих научных разработок используются в технологиях многоэлектродных электрических зондирований (Loke, Barker, И.Н.Модин, В.А.Шевнин, А.А.Бобачев и др.).

Проблему влияния анизотропии на электрическое поле в слоистых средах рас-

геоэлектрической модели разреза.

сматривали в своих исследованиях И.И. Бреднев и С.С. Сысков, Ю.М. Гуревич и О.В. Сажина, С.З. Козак и другие. Кроме этого, изучалось совместное влияние анизотропии и неоднородностей на значения кажущегося сопротивления, измеряемые на поверхности земли (И.Н. Модин, Д.К. Большаков, Е.В. Перваго, С.А. Акулен.;о и другие).

В настоящее время являются актуальными вопросы, как определения геометрии границ, так и получения свойств, причем в среде гораздо более сложной, чем горизонтально-слоистая. Необходимость решения таких задач назрела уже давно. Но, несмотря на весьма почтенный возраст задачи, до сих пор во многих своих общих аспектах она не поддается удовлетворительному решению отчасти из-за отсутствия математического аппарата, отчасти из-за проблем с вычислительными ресурсами. Поэтому обычно при решении рассматриваются два преобладающих фактора, например, горизонтально-слоистая среда и неоднородности.

Изучение анизотропии геологической среды - это особая область исследований, в которой своеобразными являются и прямые, и обратные задачи. Явления, связанные с анизотропией - совершенно особого рода. Объяснение этих явлений в рамках только качественного рассмотрения практически невозможно. И не случайно, известный эффект, связанный с увеличением поля вдоль направления с наименьшим электрическим сопротивлением назвали парадоксом анизотропии (А.И. Заборовский, 1943; A.M. ГТылаев, 1948; В.Н. Дахнов, 1953). Данная работа направлена, с одной стороны, на разработку методики и алгоритмов учета и устранения влияния приповерхностных неоднородностей, и, с другой стороны, на изучение особенностей влияния анизотропии геологической среды на измеряемое в методе сопротивлений электрическое поле и разработку современных методов интерпретации. В работе также рассматриваются вопросы совместного влияния на электрическое поле слоистости и неоднородностей, слоистости и анизотропии, анизотропии и неоднородностей.

• анализ влияния приповерхностных неоднородностей на результаты электрических зондирований;

• разработка способов разделение эффектов анизотропии и неоднородностей, анизотропии и слоистости;

• разработка и программная реализация методов обработки и интерпретации данных азимутальных наблюдений для произвольных установок;

• выработка рекомендаций по методике выполнения полевых наблюдений;

• опробование разработанных алгоритмов и программ на конкретном полевом материале.

Практическая ценность работы. В процессе решения поставленных :;адач были предложены, обоснованы и разработаны:

• Методика, алгоритм и программа устранения влияния искажений, вызванных приповерхностными неоднородностями, основанные на использовании их регулярной природы с использованием методов медианой полировки.

• Создан эффективный, быстрый и точный алгоритм решения прямой задачи для двухслойной среды с произвольной анизотропией в каждом слое.

• Разработан новый подход и созданы алгоритмы и программы для качественного анализа и количественной интерпретации азимутальных наблюдений, основанные на спектральном разложении.

• Выявлены и проанализированы парадоксальные явления в результатах электрических зондирований над анизотропными средами.

• Разработан новый способ трансформации результатов азимутальных наблюдений с нелинейными установками к линейным установкам и на его основе способы количественной интерпретации.

• Разработаны способы разделения эффектов анизотропии и приповерхностных неоднородностей.

Апробация. Основные положения и результаты диссертационной работы рас-

сматривались и докладывались на Всероссийских и Международных конференциях -SEG, SAGEEP, EAGE, EEGS, Ломоносовских чтениях в МГУ и др. Всего около 20 конференций.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 32 статьи (из них 3 монографии):

2. Модин И.Н., Яковлев А.Г., Одинцов К.Л., Рогова С.А., Бобачев A.A., Симоне М.М., Шевнин В.А., Перваго Е.В. Методика и программное обеспечение интерпретации данных метода сопротивлений. Геофизич. исслед. в гидрогеол., инж. геол. Тр. -Гидроингео, Ташкент, САИГИМС, 1991 г., ч.П, с.74-81

3. Модин И.Н., Перваго Е.В. Расчет электрического поля точечного источника постоянного тока вблизи вертикального контакта двух анизотропных сред Материалы XIX научной конференции аспирантов и молодых ученых. Секция: "Геофизика". М.,1992, деп. в ВИНИТИ. Деп.Ы3262-В92, с.33-46

4. Модин И.Н., Смирнова Т.Ю., Яковлев А.Г., Перваго Е.В. Расчет кажущегося сопротивления над сложными геоэлектрическими разрезами методом интегральных уравнений Вестн. моек, ун-та, сер.4. Геология. 1992. N 3, с.91-95

5. В.К. Хмелевской, И.Н. Модин и др. Электрическое зондирование геологической среды, 4.2, Интерпретация и примеры применения М., изд. МГУ, 1992 г. 200с.

7. И.Н. Модин, A.A. Бобачев, Д.К. Большаков, И.Д. Игнатова, Е.В. Перваго и др. Электроразведка методом сопротивлений М., изд. МГУ, 1994 г. 160с.

8. I.N. Modin. V.A. Shevnin, A.A. Bobatchev, M.N. Marchenko, A.V. Lubchikova, E.V. Pervago Distortions of VES data, caused by subsurface inhomogeneities EAEG 56th Annual Meeting. Proceedings. Austria, Vienna, June 6-10, 1994. PI29

9. Агеев В.В., Большаков Д.К., Модин И.Н., Перваго Е.В. Возможности электроразведки при археологических исследованиях Международная конференция по применению методов естественных наук в археологии. СПб,28-30.11.1994

10. Модин И.Н., Бобачев А.А., Большаков Д.К., Горбунов А.А. , Перваго Е.В. Изучение нефтяного загрязнения на Московском НПЗ в Капотне методами электроразведки Геофизика и экология. Тезисы докл. конф. Дубна, 1995 г., с.15-17

11. Modin I.N., Ignatova I.D., Pervago E.V. A coal layer inhomogeneities investigation by vector resistivity measurements in mines EAEG 57th Annual Meeting. Proceedings. Glasgow, May 28-June2,1995. P081.

12. Bolshakov D.K., Modin I.N., Shevnin V.A., Pervago E.V. Anisotropy effects investigations by resistivity method in some inhomogeneous media EAEG 57th Annua* Meeting, Glasgow. Proceedings. May 28-June 2,1995. P034.

13. Bobachev A.A., Modin I.N., Shevnin V.A., Pervago E.V. VES field and processing technology for the case of high level geological noise Annual SAGEEP conference. Proceedings. April 1995, Orlando, Florida, USA, p.963-964

14. А.А.Бобачев, Д.К.Большаков, А.А.Горбунов, И.Н.Модин, В.А.Шевнин, Д.Л.Коларов, Перваго Е.В. Возможности электроразведки при экологических исследованиях Конференция SEG-EArO-EAEG в г. С-Петербурге 10-13 июля 1995 г.

15. Большаков Д.К., Модин И.Н., Шевнин В.А., Перваго Е.В. Изучение особенностей электрических зондирований над анизотропной средой перекрытой слоем наносов Вестник МГУ, серия Геология, N 6, М., 1995 г.

16. Бобачев А.А., Марченко М.Н., Модин И.Н., Урусова А.В., Шевнин В.А., Перваго Е.В. Новые подходы к электрическим зондированиям горизонтально-неоднородных сред М., Физика Земли, N 12, 1995 г., с.79-90

17. Бобачев А.А., Волков С.В., Модин И.Н., Шевнин В.А., Перваго Е.В. Система программ для 1D и 2D обработки визуализации и интерпретации ВЭЗ при изучении ВЧР Ежегод. межд. конф. "Вопросы теории и практики геол. Интерпр. грав., магн. и электр. полей" 21-25 янв. 1996 г. г. Воронеж. Тезисы докладов.

18. Большаков Д.К., Модин И.Н., Шевнин В.А., Перваго Е.В. Влияние анизотропии геологической среды на результаты метода сопротивлений Ежегод. межд. конф. "Вопросы теории и практики геол. Интерпр. грав., магн. и электр. полей" 21-25 янв. 1996 г. г. Воронеж. Тезисы докладов.

19.1.N.Modin, V.A.Shevnin, D.K.Bolshakov, M.L.Vladov, E

Информация о работе

Перваго, Евгений Владимирович
кандидата физико-математических наук
Москва, 1998
ВАК 04.00.12

Диссертация

Влияние анизотропии и неоднородностей на результаты электрических зондирований - тема диссертации по геологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы