СПОСОБ МНОГОКОМПОНЕНТНОГО ГРАВИМЕТРИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ
METHOD FOR MULTICOMPONENT GRAVIMETRIC MODELING OF GEOLOGICAL MEDIUM

Изобретение относится к гравиметрическому методу разведки (гравиразведке) и применяется самостоятельно или в комплексе с другими геофизическими методами для изучения особенностей регионального строения и выделения локальных аномалий при поисках и разведке месторождений руд, углеводородов и других полезных ископаемых.
Известен гравиметрический способ моделирования геологического пространства [1], в котором измерения с гравиметрами проводят на пунктах равномерной съемочной сети и для интерпретации используют карту аномалий силы тяжести Δg, на основе которой выполняют осреднение аномалий силы тяжести в скользящем окне радиуса R, локализацию в геологическом пространстве неоднородностей.
Недостатком данного способа является то, что примененный метод осреднения аномалий в скользящем окне с последовательно увеличивающимся радиусом осреднения не позволяет использовать всю имеющуюся информацию из-за «краевого» эффекта - возникновения помех при обработке в периферийной зоне карты аномалий силы тяжести.
Известны также способы гравиметрической разведки [2, 3], в которых гравиметрические измерения выполняют по системе треугольных полигонов с определением горизонтальных градиентов силы тяжести и восстановлению на их основе гравитационного поля, которое затем используют для интерпретации.
Недостатком этих известных способов является проведение большого количества измерений, что значительно удорожает съемку и увеличивает время работ за счет прокладывания маршрутов путем обхода каждого треугольного полигона. Кроме того, способ не позволяет определять все компоненты гравитационного поля, а только горизонтальные градиенты.
Наиболее близким по технической сущности, цели и достигаемому эффекту, является способ наземной гравиразведки [4], принятый нами за прототип, в котором гравиметрические измерения на площади проводят блоками на рядовых пунктах квадратной или прямоугольной сети в двух взаимоортогональных равнопротяженных по времени звеньях (соблюдением условия равенства временных плеч звена), каждый из которых начинается и заканчивается на опорных пунктах, выставленных по периметру блоков с целью наиболее полного учета смещения нульпункта гравиметров. Таким образом, на каждом рядовом пункте производится не менее двух наблюдений.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, является его ориентация на учет больших и неравномерных смещений нульпункта во времени, что не позволяет в процессе съемки достичь высокой точности наблюдений, обеспечить устойчивое вычисление всех производных силы тяжести, получить карту аномалий силы тяжести, пригодную для надежного выделения локальных аномалий. Съемка осуществляется только на уровне точности приборов. Большое количество опорных пунктов и неоднократные (повторные) наблюдения значительно увеличивают расходы на съемку, особенно в случае сильно пересеченного рельефа местности.
Задачей изобретения является сокращение общего количества гравиметрических измерений на рядовых пунктах и сокращение числа опорных пунктов при проведении съемки на территориях со значительными перепадами высот, повышение точности измерений для надежного выделения локальных аномалий, построение трехмерной плотностной модели геологического строения.
Технический результат - повышение разрешающей способности гравиметрического метода изучения геологического строения, создание гравиметрической модели, которая сопоставляется с распределением геологических объектов в трехмерном пространстве.
Поставленная задача решается в способе многокомпонентного гравиметрического моделирования геологической среды на изучаемой площади, включающем измерения с гравиметрами по профилям, учет поправки за влияние рельефа местности, построение карты аномалий силы тяжести и выделение информативных составляющих поля, согласно изобретению, профили располагают параллельно или субпараллельно и создают два секущих диагональных профиля, концы которых соединяют между собой связующими профилями, причем один или более пунктов этих диагональных профилей совмещают с пунктами основных профилей, а опорный пункт помещают в перекрестие секущих диагональных профилей, затем в измеренные значения силы тяжести вводят поправки за влияние рельефа местности, выполняют аналитическую аппроксимацию измеренного гравитационного поля с заданной погрешностью и редуцируют его на высоту на несколько горизонтальных плоскостей, путем решения обратной линейной задачи определяют плотности в каждом слое между двумя соседними плоскостями и выполняют построение 3D диаграммы строения геологической среды, при этом обеспечивают повышенную пространственную разрешающую способность за счет совместного анализа поля силы тяжести и компонентов гравитационного поля второго порядка.
Кроме того, вычисление поправок за влияние рельефа проводят на основе построения аналитических аппроксимаций высотных отметок с использованием адаптивного квадратурного алгоритма, автоматически определяющего оптимальное число элементарных параллелепипедов, описывающих рельеф.
При этом измеренное гравитационное поле аппроксимируют суперпозицией истокообразных функций с заданной погрешностью и редуцируют само поле и его производные на высоту на одну или несколько горизонтальных поверхностей с построением трехмерной модели.
Расположение профилей параллельно или субпараллельно друг другу, создание "…секущих диагональных профиля, причем один или более…" обеспечивает систему контроля за точностью съемки, повышает точность и надежность измерений. Именно секущие профили контролируют возможный «перекос» поля, а связующие профили - контролируют периферийную область площади съемки, обеспечивая повсюду необходимую точность. В итоге достигаются условия для точного расчета компонент гравитационного поля.
В предлагаемом способе "…выполнение аналитической аппроксимации измеренного гравитационного поля с заданной погрешностью и редуцирование его на высоту на несколько горизонтальных плоскостей…" позволяет за счет увеличения высоты сгладить мелкие неоднородности поля, не несущие полезной информации при данном масштабе исследований, а за счет дифференциального преобразования подавить низкочастотные (фоновые) компоненты поля, что позволяет более уверенно выделять локальные аномалии относительно регионального фона.
Обработка и интерпретация полученных измерений, осуществляемые на горизонтальной поверхности (поверхностях), позволяют значительно уменьшить или полностью исключить искажающее влияние за счет неровного рельефа местности со значительными перепадами высот на исследуемой площади.
Повышение пространственной разрешающей способности обеспечивает устойчивое вычисление всех производных (компонент поля) второго порядка. В результате за счет полного анализа измеренного поля при решении обратной задачи сокращается область неоднозначности решения.
Пересчет поля на высоту является операцией, близкой к осреднению в скользящем окне. Однако в отличие от осреднения она характеризуется отсутствием резонансных явлений и практически не несет искажений в краевых частях карты, особенно значительных при больших радиусах осреднения, что обеспечивает повышение эффективности поисково-разведочных работ.
Большое значение при обработке гравиметрических материалов имеет корректный учет необходимых редукций, в частности определение поправок за влияние рельефа, поскольку они влияют на точность вычисляемых аномалий силы тяжести. В предлагаемом способе вычисление поправок за влияние рельефа посредством проведения "…на основе построения аналитических аппроксимаций рельефа…" позволило автоматизировать вычисления во всей области учитываемого рельефа и значительно повысить точность исходных гравиметрических материалов.
Заявленная совокупность признаков позволяет сократить количество измерений с гравиметрами на рядовой и опорной сетях, снизить затраты на проведение работ, получить достоверную карту аномалий силы тяжести на площади с большим перепадом высот, повысить точность измерений для надежного выделения локальных аномалий, построение трехмерной плотностной модели геологического строения территорий.
В результате заявленный способ позволяет повысить разрешающую способность гравиметрического метода изучения геологического строения, создать гравиметрическую модель, которая сопоставляется с распределением геологических объектов в трехмерном пространстве.
В патентной и научно-технической литературе неизвестны технические решении, содержащие признаки, аналогичные заявляемым, следовательно, предложение соответствует критерию «новизна». Также впервые, на основе разработанного способа достигнуто сокращение общего количества гравиметрических измерений на рядовых пунктах и сокращение числа опорных пунктов, повышением точности измерений и обработки результатов для обеспечения устойчивости вычисления производных силы тяжести и редуцирования поля достигнуто повышение разрешающей способности гравиметрического моделирования, созданием многокомпонентной трехмерной гравиметрической модели достигнуто соответствие распределения поля реальным геологическим объектам в трехмерном пространстве, т.е. заявленное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Предлагаемый способ поясняется на приведенных чертежах.
На фиг.1 приведена схема расположения профилей.
p
На фиг.2 приведена схема вычисления поправки за внутреннюю подобласть размером 5×5 км по одному из профилей. А - график δg поправки за влияние рельефа, Б - график количества аппроксимирующих параллелепипедов, В - график рельефа местности.
На фиг.3 изображена карта изогипс рельефа местности, относящего к среднегорному типу, с крутыми склонами и глубоко врезанными долинами водотоков.
На фиг.4 представлена карта аномалий силы тяжести.
zz
xx
yy
На фиг.5-7 показаны поля производных гравитационного потенциала второго порядка V, V и V в этвешах для плоскости на уровне 1600 м.
На фиг.8 показан фрагмент объемной многокомпонентной гравиметрической модели одной из металлогенических провинций в виде трехмерной диаграммы.
На земной поверхности выполняют измерения силы тяжести с гравиметрами. Измерения проводят по системе профилей (фиг.1), проложенных в соответствии с геологическим или иным заданием. При этом основные профили 1 с номерами от 1 до 21 располагают параллельно или субпараллельно на изучаемой площади. Расстояние между профилями (густота сети) и расстояние между рядовыми гравиметрическими пунктами по профилю рассчитывают исходя из требуемой точности и детальности съемки. Дополнительно для контроля к основным профилям 1 создают два секущих диагональных профиля 2 с номерами 22 и 23. Концы секущих профилей 2 по схеме "конверт" соединяют между собой связующими профилями 3 с номерами 24 и 25, причем один или более пунктов дополнительных профилей совмещают с пунктами основных профилей. Такая система вида "конверт" обеспечивает контроль внутренней сходимости измерений. Гравиметрические пункты 4 (на фиг.1 они пронумерованы) в процессе измерений увязываются с опорным пунктом 5. Основные профили 1 с номерами 1 и 21 являются одновременно связующими совместно с профилями 24 и 25. Опорный пункт 5 помещают в перекрестие секущих профилей 2 и совмещают его с базовым геодезическим пунктом. Каждый рейс на рядовых пунктах начинают и заканчивают на опорном пункте 5.
Размеры площади и длину профилей расчитывают таким образом, чтобы в зависимости от применяемого при производстве работ транспорта, орогидрографических условий и залесенности местности длительность звена не превышала 6-8 часов. При больших размерах изучаемой площади измерения с гравиметрами выполняют по отдельным участкам. Соседние участки соединяют между собой путем совмещения связующих профилей и создают сеть опорных пунктов, количество которых равно числу участков. Отдельными рейсами опорные пункты увязывают между собой.
p
Для вычисления поправки за влияние рельефа δg в качестве исходных данных используются цифровые модели местности, полученные путем векторизации скан-образов топографических карт, и матрицы рельефа Земли GTOPO30 и SRTM. Алгоритмы вычисления поправок базируются на построении аналитических аппроксимаций рельефа.
1
2
1
2
Область учитываемого влияния рельефа G разбивается на две подобласти: внутреннюю G («локальный рельеф») и внешнюю G («региональный рельеф»). В центре подобласти G располагается гравиметрический пункт, ее площадь составляет десятки - первые сотни кв.км. Подобласть G имеет площадь от десятков тысяч до первых сотен тысяч кв.км.
1
В качестве исходных данных для подобласти G используются высокоточные цифровые модели местности (ЦММ) большой размерности, содержащие порядка 30÷150 отметок высот Н на 1 кв.см в масштабе карты, подготовленные путем векторизации крупномасштабных топографических карт.
p
1
С помощью быстрого двумерного преобразования Фурье формируется аналитическая модель рельефа (AMP). На поверхность AMP "переносят" гравиметрические пункты, что позволяет устранить влияние существенных различий инструментально определенных высот и высот ЦММ. Для непосредственного расчета поправки δg применяют адаптивный квадратурный алгоритм, позволяющий определять ее значения с априорно заданной точностью, варьируя числом элементарных параллелепипедов, аппроксимирующих рельеф. При этом подобласть G разбивается на ряд вложенных, последовательно уменьшающихся областей, внутри каждой из которых автоматически выбирается одна из серии возможных аппроксимационных стратегий, что гарантирует заданную точность вычислений.
2
p
В качестве исходных данных для подобласти G используют цифровые модели рельефа Земли GTOPO30 или SRTM, представляющие собой матрицы значений высот. Исследования показали достаточно высокую точность высот Н этих моделей относительно топографических карт соответствующего масштаба. Однократно определенные для всего региона гравиметрических исследований значения δg аппроксимируют суперпозицией истокообразных функций с погрешностью менее ±0.001 мГал. Окончательное вычисление поправок за влияние «регионального рельефа» сводится к решению прямой задачи гравиразведки от аппроксимационной конструкции.
1
p
На фиг.2 по одному из профилей приводится схема вычисления поправки за внутреннюю подобласть G размером 5×5 км. Линией 6 показан расчетный график поправки δg за влияние рельефа местности в мГал, линией 7 - график автоматически созданной совокупности аппроксимирующих параллелепипедов, линией 8 - график высот Н земной поверхности в метрах, 9 - гравиметрические пункты с шагом 50 м.
Отдельно вычисленные поправки за влияние "локального" и "регионального" рельефа суммируются для всех гравиметрических пунктов.
Интерпретация поля аномалий силы тяжести (карт и графиков) сопровождается разными трансформациями: пересчетом на высоту, вычислением производных и др.
Традиционные приемы преобразования гравитационного поля подразумевают задание исходной информации на горизонтальной поверхности, поэтому применение этих способов в условиях резкорасчлененного рельефа местности приводит к существенным погрешностям в определении результативных параметров. В предлагаемом способе используется аналитическая аппроксимация, что позволяет с высокой точностью осуществлять широкий спектр преобразований поля, направленных на получение дополнительной геологической информации о реальных возмущающих объектах.
Для выделения локальных аномалий используют пересчет поля Δg на горизонтальную плоскость в сочетании с решением прямой задачи и вычисление компонентов гравитационного поля второго порядка в процессе единого цикла вычислений. С целью геологической интерпретации измеренного гравитационного поля полученную аналитическую конструкцию редуцируют на высоту на несколько горизонтальных плоскостей. При этом за счет увеличения высоты сглаживаются мелкие неоднородности поля, не несущие полезной информации при данном масштабе исследований, а за счет дифференциального преобразования происходит подавление низкочастотной (фоновой) компоненты поля, что позволяет более уверенно выделять локальные аномалии относительно регионального фона.
1
2
N
k
k-1
k
Аналитическая аппроксимация сводится к определению физических параметров системы сингулярных источников, расположенных под каждой точкой задания поля и создающих поле, практически тождественное (ε-эквивалентное) исходному. Восстановление значений поля в узлах прямоугольной сети или трансформация поля осуществляются путем решения прямой задачи от аппроксимационной конструкции с известными физическими и геометрическими параметрами. Далее вычисляют значения производных на различных уровнях H, Н, …, H, а затем составляющей поля от горизонтального слоя ΔV, ограниченного глубинами h и h, где верхние индексы отвечают высотам, на которых определено пространственное распределение производных.
Пересчет потенциального поля на высоту Н в спектральной области близок осреднению в скользящем окне с радиусом R≈3.5Н. Однако операция пересчета поля в верхнее полупространство, в отличие от осреднения, характеризуется отсутствием резонансных явлений и при определенных параметрах весьма близка к оптимальной фильтрации (фильтр Колмогорова-Винера). Трансформация осуществляется при весьма слабых искажениях формы аномалий в краевых частях исследуемого участка (т.е. практически без потерь результативной площади). Это особенно ценно при преобразованиях, требующих большого радиуса интегрирования. Кроме того, в отличие от исходного поля Δg поле эквивалентной модели не содержит аномалий-помех негармонического характера. Практика моделирования гравитационного поля в различных регионах показывает, что максимальная амплитуда этих помех может существенно превышать точность съемки.
zz
Имея распределение поля на различных уровнях Н, выполняется трехмерная интерполяция и строится трехмерная диаграмма поля. Построение 3D диаграмм полей и их произвольных горизонтальных и вертикальных срезов позволяет локализовать источники аномалий (плотностные неоднородности) в пространстве, что существенно уменьшает степень неоднозначности решения обратной задачи и повышает достоверность метода. Путем решения линейной обратной задачи гравиметрии определяют плотности в каждом слое между двумя соседними плоскостями, при этом используют интерполированные на середину слоя значения поля V и выполняют построение 3D диаграммы строения геологической среды.
z
xx
xy
yy
yz
xz
zz
В процессе интерпретации данных существенное значение имеют аномалии силы тяжести Δg (V) и производные V, V, V, V, V, V [5, 6, 7]. Многокомпонентный анализ поля необходим при решении прямой и обратной задач гравиметрии. Анализ на моделях показал, что производные в зависимости от их вида и порядка характеризуют те или иные особенности гравитационного поля. Поэтому только комплексное их использование позволяет уменьшить степень неоднозначности, получить достаточно полную характеристику гравитационного поля и построить трехмерную модель плотностного строения геологической среды.
3
3
Построение карты аномалий силы тяжести выполняют с принятыми (стандартными) значениями плотности промежуточного слоя 2.30 г/см и 2.67 г/см, а также со средней плотностью, близкой к фактической для изучаемой территории. Определение средней плотности производится одним из стандартных способов, применяемых в гравиразведке, например по профилям с резками перепадами высот.
Пример конкретного выполнения многокомпонентного гравиметрического моделирования геологической среды на одной из площадей в пределах Охотско-Чукотской металлогенической провинции, где основными задачами исследований являлись: создание модели геологического строения, определение морфологии крупных магматических тел, не выходящих на земную поверхность, прогноз на благороднометальное и редкометальное оруденения.
Изучаемая площадь размерами примерно 40×40 км разбита на четыре участка, в пределах каждого из которых проложены основные 1, секущие 2 и связующие профили 3 (с номерами, приведенными на фиг.1), последние были едиными для смежных участков. Опорные пункты в количестве четырех поместили в перекрестие секущих диагональных профилей каждого из участков и увязали между собой.
1
2
На фиг.3 изображена карта изогипс 10 рельефа местности, относящегося к среднегорному типу с крутыми склонами и глубоко врезанными долинами речной сети 11. Перепад высот Н в пределах площади от 178 м до 1600 м. Поправки за влияние рельефа вычислены при размерах подобластей G («локальный рельеф») 10×10 км и G («региональный рельеф») 200×200 км.
Измеренное поле силы тяжести аппроксимировано суммарным полем точечных источников, расположенных ниже уровня земной поверхности. Построенная аппроксимационная конструкция использовалась для всех дальнейших расчетов, основными из которых были пересчет на ряд уровней выше земной поверхности и вычисление производных.
Для выделения локальных аномалий использован пересчет поля силы тяжести на горизонтальную плоскость, расположенную на высоте 1600 м, т.е. на уровне самой высокой отметки рельефа. В результате нормализована морфология поля и устранены смещения эпицентров аномалий относительно возмещающих объектов. Карта аномалий силы тяжести в изоаномалах Δg 12 приведена на фиг.4, где также показаны линии водотоков 11.
zz
xx
yy
На фиг.5-7 представлены поля производных гравитационного потенциала второго порядка V, V и V в этвешах для плоскости на уровне 1600 м.
zz
zz
Карта второй вертикальной производной V в изолиниях 13 приведена на фиг.5. Поле характеризует пространственное распределение плотностных неоднородностей в верхней части разреза до глубин 2-3 км. Здесь нашли отражение интрузии 14 гранитоидного состава, отображающиеся пониженными значениями параметра V, а также продукты 15 магматизма основного и среднего состава, залегающие у земной поверхности.
xx
yy
Разрывные нарушения разного простирания уверенно отображаются на картах вторых горизонтальных производных гравитационного потенциала V и V, представленных соответственно на фиг.6 и 7, где изображены изолинии 13 этих производных, рудовмещающее разрывное нарушение 15 субмеридионального направления и разрывное нарушение 16 субширотного направления. Совместный анализ созданных карт производных, вычисленных на различных уровнях от поверхности земли, позволил наметить расположение разрывных нарушений в пространстве.
zz
Многокомпонентная гравиметрическая модель изучаемой площади показана на фиг.8 в виде трехмерной диаграммы. Модель создана на основе трансформирования карт производной V (фиг.5), вычисленных для 31 уровня в интервале высот Z от 0 (отметка 1600 м) до 10 км. При этом использованы также карты горизонтальных производных (фиг.6 и 7). На фиг.8 показаны ранее выделенные (фиг.6 и 7) разрывные нарушения 16 и 17, выявлена очаговая структура 18 в центральной части площади, прослежены на глубину зоны 19 гранитизации. В итоге выявленные специфические особенности геологического строения позволили определить контуры размещения полезных ископаемых и сделать прогноз на благороднометальное и редкометальное оруденения.
Аналогично осуществляется предлагаемый способ при субпараллельном расположении профилей.
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает:
- сокращение объема гравиметрических измерений на рядовой и опорной сетях. В результате достигается снижение затрат (экономия денежных средств и времени);
- достижение значительного уменьшения или полного исключения искажающего влияния рельефа местности;
- уменьшение неоднозначности решения обратной задачи гравиразведки, что повышает достоверность метода. Устойчивое вычисление производных второго порядка обеспечивает полный анализ измеренного поля;
- повышение эффективности поисково-разведочных работ.
Реализация предлагаемого изобретения позволит снизить себестоимость поиска и разведки объектов в рудной и нефтяной геологии. Обеспечиваемое повышение точности и достоверности гравиметрических наблюдений позволяет эффективно применять аппроксимационные методы обработки и интерпретации данных гравиразведки и расширить область ее применения для решения инженерно-геологических и других задач.
Промышленная применимость не вызывает никаких затруднений, т.к. для реализации требуются известные устройства - серийно выпускаемая гравиметрическая и геодезическая аппаратура.
Источники информации
7
1. Патент RU 2249237, МКИ G01V 7/00. В.И.Аведисян. Гравиметрический способ моделирования геологического пространства. - 7 с: ил.
3
2. А.С. 1163297, МКИ G01V 7/00. Способ гравиметрической разведки / В.М.Новоселицкий, М.С.Чадаев, А.С.Маргулис и Е.М.Козлов (СССР). 3 с.
3
3. А.С. 1611103, МКИ G01V 7/00. Способ гравиметрической съемки / В.М.Новоселицкий, М.С.Чадаев (СССР). 3 с: ил.
6
4. Патент RU 2064684, МКИ G01V 7/00. А.К.Веселов, М.И.Елманов и И.А.Смирнова. Способ наземной гравиразведки. - 5 с.
5. Гравиразведка: Справочник геофизика. - М.: Недра, 1990. - 607 с.
6. Михайлов В.О. Некоторые вопросы интерпретации данных тензорной градиентометрии // Физика Земли, 2006, №12. - С.3-10.
7. Новоселицкий В.М. О месте геопотенциальных методов в геофизическом комплексе // Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей: Материалы 32-й сессии Международного семинара им. Д.Г.Успенского. Пермь, Горный институт УрО РАН, 2005. - С.206-208.