Вторник, 06.12.2016, 20:50
Высшее образование
Приветствую Вас Гость | RSS
Поиск по сайту


Главная » Статьи » Естественные науки

НОВАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИОННАЯ ГРАВИМЕТРИЯ. ПОНЯТИЯ. ВОЗМОЖНОСТИ. ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Н.К. Гайдай

НОВАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИОННАЯ ГРАВИМЕТРИЯ. ПОНЯТИЯ. ВОЗМОЖНОСТИ. ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

В процессе геологического и геофизического изучения Северо-Востока России большое внимание уделяется гранитным интрузиям и их природе. Отмечена приуроченность многих вскрытых процессами эрозии позднемезозойских гранитных интрузий к ядрам антиклиналь­ных структур и присутствие в ядрах аналогичных структур гранитоидных тел, не вскрытых процессами эрозии [Ващилов и др., 2008]. В настоящее время интерес к исследованию ло­кальных антиклинальных структур связан не только с приуроченностью к ним гранитоидных массивов, но и различных типов рудной минерализации. Решение задач глубинного прогноза ставит вопрос о выборе методов изучения глубинного строения геологических структур.

Для исследования структуры земной коры в настоящее время используют различные гео­физические методы, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. Наибольшее доверие, конечно же, вызывают результаты интерпретации данных глубинного сейсмическо­го зондирования. Однако профилей, вдоль которых оно проведено, в настоящее время — ограниченное количество. Методы электроразведки и магниторазведки имеют глубинные ог­раничения. Таким образом, наиболее информативным для проведения глубинных исследо­ваний является исследование гравитационных полей (съемка которых проведена практи­чески по всей территории России).

Во 2-й половине XX в. теория и практика решения обратных задач гравиметрии вновь вызвали интерес у исследователей всего мира, что обусловлено возможностями, откры­вающимися использованием вычислительной техники. В литературе последних десятилетий появились описания многочисленных подходов к проведению количественной интерпрета­ции геофизических полей, к которым относятся: способы особых точек, методы статисти­ческой корреляции, методы регуляризации и пр. Однако многие из них не рассматривают интерпретацию аномалий поля сил тяжести как возможность получения информации неза­висимо от наличия сведений о глубинном строении, полученных другими методами (далеко не всегда имеются данные исследований ГСЗ, МТЗ и многих других непосредственных изме­рений о вещественном составе недр Земли). Часть исследователей использует при моделиро­вании геометрические фигуры, не позволяющие аппроксимировать реальную структуру зем­ных недр (поле двумерных масс N-угольного сечения, систему горизонтальных N-угольных дисков, поле трехмерных выпуклых тел, трехмерных горизонтальных цилиндрических масс N-угольного вертикального сечения, ограниченных по простиранию и др.) [Голиздра, 1997].

В практике геофизической интерпретации используются различные методы, позволяю­щие получать трехмерное структурно-вещественное представление о геологической среде (но не трехмерную интерпретацию). 3D-модели среды могут быть построены по результатам интерпретации в классе одно-, двумерных моделей источников возмущения и без количест­венной интерпретации. По данным В.Н. Страхова, порядка 75 % работ, посвященных теории и методике интерпретации, работают с двумерными полями.

И наконец, истинность подавляющего большинства плотностных реконструкций не оце­нивается путем сравнения наблюденной и теоретической карт исследуемого поля или это производится не совсем корректно (например, только вдоль отдельных профилей, а не в це­лом по площади [ Петрищевский, 2007]). В современной интерпретационной литературе кор­ректность решения обратной задачи, по Ж. Адамару, в числе прочих должна отвечать усло­вию единственности и устойчивости решения.

Решение всех обратных задач геофизики по аномалиям потенциальных и непотенциаль­ных геофизических полей неоднозначно и в общем виде невозможно. Если в приложениях существование глобальных решений предполагается априори, то в математике критериев существования глобальных решений нет. В советской геофизической математике искусствен­но преувеличенное внимание было уделено математической проблеме единственности и устойчивости решения обратных задач, не имеющей большого практического значения. Все обратные задачи относятся к классу некорректно поставленных. На их решение Ж. Адамаром было даже наложено табу. Многие десятилетия они рассматривались как не имеющие физического смысла. Но в конце концов было показано, что даже задача приближенного вы­числения производных математически некорректно поставлена. Решение обратной задачи для практических случаев интерпретации никогда не может быть корректным в указанном математическом смысле этого слова, так же, как недостижима в науке абсолютная истина. Некорректность диктуется качеством интерпретируемого экспериментального « материала» — он всегда получается с погрешностями наблюдения. В гравиметрии решение обратных задач для реальных трехмерных тел возможно лишь при наложении некоторых начальных априорных ограничений на геометрию тела — источника аномалии и на величину, и пространственное рас­пределение плотности с учетом систематических и случайных погрешностей (помех) измерений. Предлагаемая В.Н. Страховым [Страхов, 1997] регуляризация аномалий для решения некорректно поставленных обратных задач может быть использована лишь в том случае, когда погрешности наблюдений значительно меньше выделяемых аномалий. По существу, регуляризация — это сглаживание, которое в принципе представляет собой физически не­корректную операцию. Уместна лишь «естественная регуляризация», при которой априори задается форма и характер распределения физического свойства источника аномалии.

Условию единственности решения отвечает новая интерпретационная гравиметрия, ав­тором которой является д-р геол.-минерал. наук Ю.Я. Ващилов. Основные положения, от­личающие ее от стандартных интерпретационных подходов, выражаются в представлениях о преимущественно блоковой природе источников аномалий силы тяжести, а также в законо­мерности сочетания плотностных неоднородностей в форме блоков с поверхностями рас­слоения литосферы (нижние и верхние ограничения блоков тяготеют к квазигоризонтальным поверхностям раздела в земной коре и верхней мантии и формируют их [ Ващилов и др., 2008]). Методы новой интерпретационной гравиметрии (НИГ) основываются на проведении ин­терпретации в классе трехмерных источников аномалий, имеющих блоковую структуру, а следовательно, построенная модель позволяет делать заключение о реальной трехмерной структуре земной коры рассматриваемой территории. Справедливость полученной модели позволяет оценивать характер совпадения наблюденного и теоретического полей силы тяжести [Ващилов и др., 2008]. Проблема единственности и устойчивости решения обратной задачи в применении к задачам гравиметрии на практике решается путем привлечения для интер­претации полей дополнительных материалов — результатов сейсмических исследований (если имеются для данной территории), данных магниторазведки, электроразведки, результатов полевых исследований и т. п. Предлагаемый подход в построении трехмерной модели зем­ной коры не имеет аналогов в мировой практике интерпретации физических полей Земли.

Интерпретация реализуется методом подбора путем последо­вательных приближений (методом, который в настоящее время в науке является универсальным). Элементарное тело, моделирую­щее блоково-слоистую модель земной коры, представляет собой пятигранную призму с треугольными наклонными верхней и ниж­ней гранями и фиксированной контрастной плотностью Ds (рис. 1).

Выбор именно такой формы элементарного тела определялся простым соображением — из всех плоских фигур только треуголь­никами можно с наибольшей точностью аппроксимировать любую поверхность, а рельеф поверхностей расслоения, которые фор­мируют нижние и верхние ограничения блоков, достаточно разно­образен. К тому же такой подход наследует глубоко разработан­ные и широко используемые теорию и методы высшей геодезии, Рис. 1. Элементарное тело выражающиеся в триангуляционном подходе при изображении

поверхности Земли. В лаборатории региональной геофизики Северо-Восточного комплексного научно-иссле­довательского института ДВО РАН под руководством Ю.Я. Ващилова выведены формулы притяжения для указанного типа элементарной пятигранной призмы и разработана програм­ма, реализующая метод решения прямой задачи гравиметрии для источников аномалий произвольной формы.

Два фундаментальных положения НИГ (преимущественно блоковая природа аномалий поля силы тяжести и закономерность в сочетании слоев и блоков) являются основой для решении практических задач в изучении литосферы: определение глубин границ расслоения в земной коре ( кровли кристаллического фундамента, поверхности Конрада и Мохоровичича), оконтуривание гранитоидных тел и определение их объемов, оценка рельефа поверхности гранитоидов и рельефа границ расслоения в земной коре, установление невскрытых процес­сами эрозии разрывных нарушений в земной коре, выявление закона изменения абсолютной плотности с глубиной и др.

Интерпретационный процесс включает в себя 3 генеральных приближения.

Для интерпретации необходим набор первичных сведений о земной коре исследуемого района — значениях нижних z2 и верхних z1 ограничений плотностных неоднородностей и контрастной плотности Ds. К источникам аномалий проводится система интерпретационных профилей (при интерпретации на этапе 1-го генерального приближения проекция контуров теоретического аномального блокового источника на поверхности наблюдения совпадает с контурами естественного источника лишь в месте пересечения его интерпретационным про­филем и в непосредственной близости от него). Далее они обрабатываются с помощью аль­бома билогарифмических палеток [Ващилов, 1973].

Затем выполняется статистическая обработка полученных результатов. Построением полигона частот полученных с помощью альбома билогарифмических палеток значений глу­бин верхних и нижних ограничений блоков определяются средние значения глубин, к кото­рым тяготеют границы расслоения в земной коре. Оценка значимости мод определяется с помощью модифицированного критерия Бьенемэ.

Во 2-м генеральном приближении вся исследуемая площадь разбивается на элементар­ные треугольные призмы. Треугольники представляют собой проекции наклонных верхнего и нижнего оснований элементарных пятигранных призм с вертикальными боковыми ограниче­ниями (рис. 2). Каждая элементарная призма делится на три слоя (интерпретирующие три основных слоя земной коры: осадочный, гранитный и базитовый). Площадь треугольника определяется характером гравитационного поля.

Рис. 2. Результаты интерпретации в первом и третьем генеральных приближениях: 1 — изолинии наблюденного поля силы тяжести; 2 — изолинии расчетного поля силы тяжести для модели третьего генерального приближения; 3 — интерпретационные профили; 4 — обозначение про­филя; 5 — результаты интерпретации (0,04 — глубина верхнего ограничения блока; 21 — глубина нижнего ограничения блока; 0,25 — горизонтальный скачок плотности вдоль профиля); 6 — границы треугольных блоков-призм

На основании результатов 2-го генерального приближения каждому слою в элементарной призме присваивается значение скачка плотности Ds в горизонтальном направлении и сред­ние глубины его верхнего и нижнего ограничений, которые далее подлежат уточнению. Пока­зателем удовлетворительного набора параметров служит совпадение наблюденной кривой аномалии силы тяжести Dg, построенной по точкам наблюдения вдоль интерпретационного профиля, с расчетной кривой, построенной по результатам подбора параметров призм-треу­гольников (рис. 2).

На этом этапе, однако, возникает затруднение: подобранные после интерпретации вдоль профиля параметры не являются окончательными. После перехода к другому профилю часть информации, полученной ранее, может измениться в процессе уточнения. Это вызывает необходимость возвращения к предыдущему профилю и повторному уточнению. Данный процесс уточнения при наличии на территории большого количества интерпретационных профилей может осуществляться до бесконечности. Поэтому целесообразно на этапе 2-го приближения проводить только предварительную оценку, а окончательное уточнение пара­метров элементарных ячеек осуществлять на этапе третьего генерального приближения.

В 3-м генеральном приближении для расчета используется та же программа, что и во втором приближении, однако контроль за подобранными параметрами осуществляется не вдоль одного из профилей, а в целом по площади. Оценивается среднеквадратическое от­клонение значения аномалии Dg теоретического поля (построенного по подобранным пара­метрам блоков — источников аномалий) от наблюденного. Визуальный контроль, позволяю­щий определить область, для которой недостаточно хорошо осуществлен подбор парамет­ров элементарных ячеек, осуществляется с помощью программы SURFER. Подбор парамет­ров ведется до тех пор, пока совпадение не окажется удовлетворительным (рис. 2), т. е. отве­чающим заданной погрешности (которая зависит от масштаба проводимых исследований).


Для оценки абсолютных значений плотности на глубине используются естественные плот-ностные реперы — выходы на поверхность гранитоидных массивов. Плотность их определе­на в результате прямых измерений и для огромного числа точек приведена, например, в банке данных петрофизических параметров горных пород, составленном В.М. Шарафутди-новым, С.Б. Малиновским (СВКНИИ ДВО РАН). Абсолютные значения плотности перено­сятся от блока к блоку с использованием интерпретационного скачка плотности Ds. Увели­чение плотности с глубиной учитывается с помощью среднего вертикального градиента плот­ности для исследуемой территории.Использование новых программных продуктов позволило оптимизировать процесс ин­терпретации, что привело к получению новых данных о строении земной коры ряда участков Северо-Востока России. В частности, применение Autodesk Map позволило проводить авто­матическую триангуляцию с детальностью, определяемой задачами исследования и мас­штабом гравитационной съемки. Детальность разбиения, в свою очередь, позволила оце­нить особенности глубинного строения небольших по площади территорий.

Однако и на сегодняшний день методы НИГ имеют недостаток — большие временные затраты при работе с огромным массивом данных (при выполнении детальных исследова­ний) — и в данном случае процесс полной автоматизации вряд ли возможен. Только человек, сравнивая теоретическую и наблюденную карты поля силы тяжести, может определить, где (в каких ячейках) и в какую сторону необходимо скорректировать параметры элементарных ячеек для выполнения необходимого и достаточного условия правильной интерпретации — совпадения с заданной точностью поля, построенного по результатам интерпретации с по­лем, полученным в результате гравитационной съемки.

Но возможность дальнейшей оптимизации интерпретационного процесса в настоящий момент еще имеется. В планах — исследование возможности применения для получения первичной информации о глубине первой границы расслоения z1 результатов работы про­граммы КОСКАД. Намечены совместные работы с программистами с целью автоматизации создания базы данных элементарных ячеек (сейчас файл с информацией, необходимой для работы программы решения прямой задачи гравиметрии, формируется вручную — и в настоящий момент это основная часть временных затрат).

Методы новой интерпретационной гравиметрии сейчас используются для исследования глубинного строения различных по площади участков Северо-Востока России. Работа про­водится в рамках приоритетного национального проекта «Образование» по теме «Изучение влияния особенностей структуры и вещественного состава литосферы на геологические про­цессы» (СВГУ) и в рамках госбюджетной НИР СВКНИИ ДВО РАН «Состав, структура и эво­люция земной коры и верхней мантии Северо-Востока Азии». Результаты интерпретации позволят использовать их для осуществления глубинного прогноза, а также для уточнения данных о глубинном строении территории.

Библиографический список

1. Ващилов Ю.Я. Глубинные гравиметрические исследования. — М., 1973.

2. Ващилов Ю.Я. Блоково-слоистая модель земной коры и верхней мантии. — М., 1984.

3. Ващилов Ю.Я. Трехмерная глубинная плотностная модель Паутовского горста и ее геологическая интер­претация (Северо-Восток России) / Ю.Я. Ващилов, Н.К. Гайдай, О.В. Сахно // Тихоокеанская геология. — Влади­восток, 2008. — Т. 27. — № 4. — С. 22—38.

4. Голиздра Г.Я. История методов решения прямых задач гравиметрии и магнитометрии в XX веке // Разви­тие гравиметрии и магнитометрии в XX веке. — М., 1997.

5. Петрищевский А.М. Глубинные структуры земной коры и верхней мантии Северо-Востока России по гра­виметрическим данным // Литосфера. — 2007. — № 1. — С. 46—64.

6. Страхов В.Н. Общая схема и основные итоги развития теории и практики интерпретации потенциальных полей в XX веке // Развитие гравиметрии и магнитометрии в XX веке. — М., 1997. — С. 98—120.

Категория: Естественные науки | Добавил: x5443x (01.04.2016)
Просмотров: 54 | Теги: ГРАВИМЕТРИЯ | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
...




Copyright MyCorp © 2016