Содержание к диссертации
Введение
1. Применение истокообразной аппроксимации для построения цифровых моделей гравитационного поля и подавления влияния поверхностных неоднородностей 12
1.1. Метод ЗБ-интерполяции данных гравитационного поля 20
1.2. Подавление помех негармонического характера, связанных с петроплотностными неоднородностями 27
1.3. Алгоритм истокообразной аппроксимации для построения сеточных цифровых моделей ПОЛЯ 30
1.3.1. Особенности решения систем линейных алгебраических уравнений в методе ЗБ-интерполяции 31
1.4. Модельные и практический примеры использования ЗБ-интерполяции 35
2. Монтажный метод решения обратной задачи магниторазведки 46
2.1. Общие сведения об обратной задаче магниторазведки 46
2.1.1 Некорректность обратных задач 47
2.1.2 Обзор методов решения обратной задачи магниторазведки 50
2.1.3. Метод подбора 52
2.2 Постановка смешанной обратной задачи 54
2.3. Алгоритм решения смешанной обратной задачи магниторазведки 57
2.3.1 Тополого-геометрические свойства подбираемого объекта в монтажном методе 65
2.4 Моделирование магнитовозмущающих источников монтажным методом 69
2.4.1 Модельные примеры 69
2.4.2 Практические примеры 74
3. Геолого-геофизические особенности подводного вулканизма 83
3.1 Краткие сведения о вулканизме 85
3.1.1 Геотектонические типы современного вулканизма океанов 85
3.1.2 Основные структурные типы вулканизма 88
3.2 Геологическая характеристика Курильской островной дуги и Тихоокеанской провинции подводных гор 91
3.2.1 Курильская островная дуга 92
3.2.2 Магеллановы горы 95
3.2.3 Подводные горы Маркус-Неккер 98
3.3 Геолого-геофизические предпосылки изучения глубинного строения вулканических аппаратов 100
3.3.1 Петрофизические характеристики пород, слагающих подводные горы 100
3.3.2 Геофизическая характеристика подводных гор 101
3.3.3 Признаки и структурные особенности пород жерловой фации 102
3.3.4 Выявление жерловых тел вулканических аппаратов по данным магнитных съемок 104
4. Результаты моделирования глубинного строения подводных вулканов 106
4.1 Характеристика разработанных интерпретационных технологий изучения глубинного строения подводных вулканов 108
4.1.1 Томографическая интерпретация 108
4.1.2 Монтажный метод решения обратной задачи магниторазведки 110
4.1.3 Построение ЗБ-интерполяционных моделей 111
4.2 Физико-геологические модели глубинного строения вулканов Курильской островной дуги и Западно-Тихоокеанской провинции подводных гор 112
4.2.1 Физико-геологические модели гайота Сет 112
4.2.2 Физико-геологические модели гайотов Коцебу и Вулканолог (Магеллановы горы) 117
4.2.3 Физико-геологические модели подводного вулкана 6.1 (Курильская островная дуга) 125
4.2.4 Физико-геологические модели вулкана Макарова (Курильская островная дуга) 130
Заключение 135
Список использованных источников 137
- Метод ЗБ-интерполяции данных гравитационного поля
- Алгоритм решения смешанной обратной задачи магниторазведки
- Курильская островная дуга
- Физико-геологические модели вулкана Макарова (Курильская островная дуга)
Введение к работе
Актуальность темы
Геофизические методы являются важнейшей составляющей сложного процесса геологоразведочных работ, их применение обеспечивает равномерное, глубинное и высокопроизводительное изучение недр Земли. При выполнении геолого-картировочных, поисковых и разведочных исследований широко применяются магниторазведка и гравиразведка. Несмотря на длительное применение персональных компьютеров в области прикладной геофизики, развитие инновационных технологий и автоматизированных систем обработки и интерпретации является актуальной проблемой, продиктованной современными потребностями геологической отрасли.
Основная задача геофизических методов состоит в извлечении полезной геологической информации из данных полевых наблюдений и формировании адекватных реальности физико-геологических моделей изучаемой среды. Для этой цели используются различные математические методы и компьютерные технологии, необходимые на всех этапах исследований: от визуализации и до выполнения окончательных интерпретационных построений. Исходными и результативными данными при этом являются цифровые модели геофизических полей и аномалиеобразующих объектов.
Широко используется дискретизация геологического пространства в виде конечного множества связных элементов, т.е. построение сеточных моделей среды, а также равномерные дискретные представления наблюденных значений физических полей. В диссертационной работе сеточное моделирование применяется в нескольких аспектах анализа геопотенциальных полей: формирование первичных цифровых моделей поля (ЦМП); решение обратных задач магниторазведки; построение физико-геологических моделей по результатам сеточного моделирования.
ЦМП является основой для всех дальнейших интерпретационных построений и должна достоверно и точно отражать результаты полевых наблюдений. Стандартные алгоритмы интерполяции данных в узлы регулярной сети, использующиеся для построения ЦМП, нередко вносят неконтролируемые вычислительные погрешности, отмечаемые даже на качественном уровне восприятия геофизической информации. Автором разработаны методы пространственной интерполяции потенциальных полей истокообразными функциями, использующими информацию о высотах поверхности наблюдения. Представленные алгоритмы позволяют успешно решать как собственно задачу построения достоверных сеточных ЦМП («гридов»), так и осуществлять подавление высокочастотных аномалий-помех, обусловленных приповерхностными неоднородностями.
Обычно при автоматизированном интерпретационном процессе есть возможность варьирования либо физическими параметрами (линейная обратная задача), либо геометрическими характеристиками объекта исследования (нелинейная обратная задача). Сеточное моделирование позволяет осуществить синтез линейной и нелинейной постановок обратной задачи магниторазведки и гравиразведки. Разработанный в рамках таких представлений монтажный метод решения смешанной обратной задачи магниторазведки открывает новую возможность в определении геометрических параметров возмущающих объектов при одновременном уточнении их намагниченности, что отвечает реальной ситуации
недоопределенности данных о магнитных свойствах геологических тел в естественном залегании.
Обоснованность получаемых геологических результатов во многом определяется как комплексированием полевых методов исследований, так и методов обработки и интерпретации полученных данных. При этом специфика геологического строения различных районов должна минимально влиять на эффективность предлагаемой технологии. В диссертационной работе в качестве объектов для опробования авторских разработок были выбраны подводные горы, образованные вследствие вулканической деятельности. Выполненные исследования направлены на получение новых сведений о глубинном строении вулканических аппаратов на основе данных гидромагнитных съемок и формирование трехмерных моделей подводных гор Тихоокеанского региона.
Цель исследований
Создание методов обработки и интерпретации результатов измерений магнитного и гравитационного полей в классе сеточных моделей, базирующихся на истокообразной аппроксимации и конечноэлементном подходе, для совершенствования технологии моделирования геологических объектов на примере интрузивных тел и подводных гор Тихого океана.
Основные задачи исследований
1. Разработка метода ЗО-интерполяции для построения сеточных цифровых
моделей гравитационного поля, основанного на истокообразной аппроксимации, с
учетом высот рельефа поверхности наблюдения.
2. Создание модификации метода ЗО-интерполяции, позволяющего
осуществлять подавление помех, связанных с наличием геоплотностных
неоднородностей, расположенных в верхней части геологического разреза (ВЧР);
пространственная локализация выявленных неоднородностей ВЧР.
3. Тестирование метода ЗО-интерполяции на модельных и практических
примерах с оценкой качества получаемых ЦМП и определением фильтрационных
возможностей при выделении неоднородностей ВЧР.
4. Синтез линейной и нелинейной обратной задачи при сеточном
моделировании аномалиеобразующих объектов в предложенной смешанной
постановке для методов гравиразведки и магниторазведки.
5. Разработка оригинальной технологии решения смешанной обратной задачи
магниторазведки монтажным методом в классе сеточных моделей с определением
вектора эффективной намагниченности при интервальном задании петромагнитных
характеристик магнитовозмущающих объектов с контролем тополого-
геометрических свойств результативных построений.
6. Экспериментальная оценка возможностей монтажного метода решения
смешанной обратной задачи магниторазведки на модельных и практических
примерах.
7. Изучение геолого-геофизических материалов, характеризующих
особенности подводного вулканизма в западной части Тихого океана; обработка
первичной информации по отдельным объектам исследования.
-
Анализ физико-геологических предпосылок изучения глубинного строения подводных вулканов геофизическими методами.
-
Разработка комплекса методов интерпретации по данным гидромагнитной съемки по нерегулярной сети измерений на основе конечноэлементного и
томографического подходов с использованием материалов эхолотного промера, непрерывного сейсмоакустического профилирования и анализа физико-химических свойств драгированных горных пород.
10. Построение физико-геологических моделей строения питающей системы подводных вулканов на основе предложенной интерпретационной технологии.
Научная новизна
1. Созданы эффективные алгоритмы ЗО-интерполяции, предназначенные для
построения сеточных цифровых моделей гравитационного поля с использованием
различных методов решения систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ).
2. Экспериментально установлена возможность локализации аномальных
эффектов от геоплотностных неоднородностей промежуточного слоя,
использующегося при редукции Буге, при применении метода ЗО-интерполяции для
гравитационного поля без привлечения дополнительной априорной информации.
3. Впервые осуществлена смешанная постановка обратной задачи
магниторазведки при сеточном моделировании, заключающаяся в совместном
определении конфигурации и интервально заданных петромагнитных свойств
магнитовозмущающих объектов.
4. Разработан и программно реализован монтажный алгоритм решения
смешанной обратной задачи магниторазведки в сеточном классе моделей с
определением вектора эффективной намагниченности аномалиеобразующих
объектов.
-
Усовершенствована компьютерная технология комплексной интерпретации данных гидромагнитной съемки в сочетании с данными эхолотного промера, непрерывного сейсмоакустического профилирования, анализа физических свойств драгированных горных пород, предназначенная для изучения глубинных систем подводных вулканических построек с выявлением структур подводящих каналов и периферийных магматических очагов.
-
Построены физико-геологические модели внутреннего строения подводных вулканов, позволившие получить оценочные сведения о магнитных свойствах горных пород в естественном залегании, слагающих жерловую фацию.
Практическая значимость исследований
1. Программно-алгоритмическое обеспечение, реализующее метод 3D-
интерполяции, предназначенное для построения цифровых моделей гравитационного
поля и отвечающих им карт изоаномал силы тяжести в редукции Буге.
Перечисленные выше результативные материалы характеризуются повышенной
точностью и информативностью, которая обеспечивается за счет учета физически
обоснованных закономерностей изменения поля Ag = Ag(x, у, z) в трехмерном
пространстве и фильтрации высокочастотных помех геологического
происхождения, связанных с плотностной неоднородностью верхней части разреза.
-
Монтажный метод определения формы, размеров и глубин залегания возмущающих объектов при интервально заданных составляющих вектора намагниченности позволяет решать широкий круг задач количественной интерпретации магнитных аномалий.
-
Компьютерная технология интерпретации данных морских геофизических исследований позволяет успешно проводить изучение глубинного строения застывшей питающей системы и выдвигать гипотезы об эволюции подводных вулканов.
4. Получена новая геологическая информация о подводном вулканизме
западной части Тихого океана.
5. Разработанные компьютерные технологии геопотенциальных полей успешно
применяются при обработке и интерпретации практических геофизических данных
при прогнозировании и поиске залежей углеводородного сырья и месторождений
твердых полезных ископаемых в пределах Пермского края и в других регионах
России.
Защищаемые положения
1. Метод ЗО-интерполяции данных полевых измерений в узлы регулярной сети,
основанный на истокообразной аппроксимации, повышает качество построения
цифровых моделей гравитационного поля и карт аномалий силы тяжести за счет
учета аномального вертикального градиента и подавления помех негармонического
характера.
-
Монтажный метод решения обратной задачи магниторазведки, базирующийся на конечноэлементном подходе к описанию геологической среды, предназначен для определения конфигурации и уточнения вектора эффективной намагниченности возмущающих объектов, адекватный реальным физико-геологическим условиям исследований.
-
Физико-геологические модели глубинного строения подводных вулканических аппаратов, сформированные в результате комплексной интерпретации геофизических данных, выполненной с использованием томографических построений и монтажного метода решения обратной задачи магниторазведки.
Личный вклад автора
Автор принимал активное участие в создании представленных в работе алгоритмов, постановке основных задач; разработке методов, вычислительных схем и реализации этих алгоритмов в среде визуального объектно-ориентированного программирования Delphi 7.0; тестировании разработанного программного обеспечения на модельных и практических примерах; анализе результатов вычислительных экспериментов; оцифровке и обработке первичных геофизических материалов по ряду подводных вулканов; в разработке интерпретационной технологии для исследования подводных вулканов; геологической интерпретации данных гидромагнитной съемки; участие в написании отчетов по результатам производственных работ и грантов, связанных с темой диссертационной работы.
Фактический материал
Фактической основой исследований послужили материалы Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, г. Петропавловск-Камчатский; результаты гравиметрических съемок, проводимых ГИ УрО РАН, полученные в процессе работы по договорной тематике с рядом нефте - и горнодобывающих предприятий России; материалы геолфонда (аэромагнитные исследования для Пермского края). Работа выполнена при поддержке Уральского отделения РАН (по результатам конкурса научных проектов молодых ученых и аспирантов 2009 и 2010 гг.) и РФФИ (фант РФФИ 12-05-00414-а (исполнитель), грант РФФИ 12-05-00156-а (исполнитель), грант РФФИ 11-05-96013 (исполнитель), грант 12-05-31138-мол_а (руководитель)).
Апробация и публикации
Основные положения и результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались на Уральской молодежной научной школе по геофизике (Екатеринбург, 2008, 2010; Пермь, 2009, 2011); на региональной научно-практической конференции «Геология и полезные ископаемые Западного Урала» (Пермь, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012); на Международном семинаре «Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей» им. Д.Г. Успенского (Казань, 2009; Пермь, 2011, Воронеж, 2012); на научных чтениях памяти Ю.П. Булашевича (Екатеринбург, 2009, 2011); на международной научно-практический конкурс-конференции молодых специалистов «ГЕОФИЗИКА» (Санкт-Петербург, 2011); на Международной конференции «Геоинформатика: теоретические и прикладные аспекты» (Киев, 2012); на конференции "Современные геофизические и информационные системы" (Москва, 2008); на Четвертой Сибирской международной конференции молодых ученых по наукам о Земле (Новосибирск, 2008); на конференции Океанологические исследования: V конф. молодых ученых (Владивосток, 2011); на научных сессиях Горного института УрО РАН (Пермь, 2008, 2009, 2011, 2012, 2013); на II Школе -семинаре "Гординские чтения" (Москва, 2012); на 83-ей сессии Научно-методического совета по геолого-геофизическим технологиям поисков и разведки месторождений полезных ископаемых (НМС ГГТ) Минприроды России по тематике «Проблемы и перспективы технико-технологического перевооружения геологической отрасли. Постановка задачи. Механизмы реализации» (Санкт-Петербург, 2013).
Результаты исследований по теме диссертации опубликованы более чем в 40 печатных работах, 27 из которых являются основными, из них 5 статей - в журналах, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем публикации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, общим объемом 152 страницы, содержит список использованных источников, а также 43 иллюстрации и 5 таблиц.
Диссертационная работа выполнена в лаборатории геопотенциальных полей Федерального государственного бюджетного учреждения науки Горный институт Уральского отделения Российской академии наук, г. Пермь.
Благодарности
Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю д.ф.-м.н. А.С. Долгалю за всевозможную поддержку и ценные советы. Автор признателен заведующему лабораторией геопотенциальных полей ГИ УрО РАН д.г.-м.н. С.Г.Бычкову; сотрудникам лаборатории геопотенциальных полей - к.т.н. И.В. Генику, к.ф.-м.н. А.В. Пугину, к.т.н. А.А. Симанову, к.т.н. А.В. Мичурину. Особую благодарность хочется выразить сотруднику Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН к.т.н. В.А. Рашидову за предоставленные материалы, многочисленные консультации и важные замечания. Автор выражает благодарность к.г.-м.н. Л.А. Гершанок, к.г.-м.н. И.Ю. Митюниной, В.А. Смирнову за ценные замечания и всестороннюю помощь.
Автор благодарит своих соавторов совместных статей д.ф.-м.н. Ю.И.Блоха, к.т.н. А.А. Трусова, к.г.-м.н. В.И. Бондаренко, к.г.-м.н. А.Н. Иваненко, д.т.н. М.С. Чадаева, д.т.н. В.А. Гершанока.
Метод ЗБ-интерполяции данных гравитационного поля
Разработка новых методов построения сеточных цифровых моделей поля с использованием интерполяции является важной задачей не только при геофизических методах поиска и разведки полезных ископаемых, но и во многих других областях, например геологии, геохимии, механики, физики, экологии и т.д. Каждая такая разработка будет учитывать специфику особенностей применения метода в данной области.
По мнению В.М. Гордина, "приближение дискретных геофизических характеристик с помощью стандартных алгоритмов, таких, как полиномиальная аппроксимация, ортогональные разложения и т.п., часто не обеспечивает надлежащей точности и устойчивости решений, обнаруживая сильную зависимость результатов от распределения ошибок эксперимента, вариаций структуры поля и плотности сети наблюдений. В принципе указанные трудности преодолимы, чему в литературе имеется немало убедительных примеров. Однако остаётся определённая неудовлетворённость, обусловленная формальностью стандартных аппроксимаций, несоответствием аналитических свойств исходной и аппроксимирующей функций" [45].
Из этого следует, что если рассматривать данные гравиметрической съемки, то наиболее важным фактором при выборе метода интерполяции является физический смысл аппроксимирующей функции, который в идеале должен быть тождественен с гравитационным потенциалом (или его производными). Такая постановка задачи будет уменьшать риск внесения в цифровую модель поля неконтролируемых вычислительных погрешностей и заглаживания характерных особенностей.
По мнению В.Н. Страхова [126], аналитические аппроксимации являются приоритетным направлением в теории и практики интерпретации геофизических данных и могут использоваться в различных модификациях не только на этапе метрологических вычислений, но и при решении обратных задач. Аналитические истокообразные аппроксимации широко используются для различных целей, таких как пересчет полей в верхнее полупространство, вычисление производных (первообразных), фильтрация случайных компонент поля, сжатие информации о поле (метод квадродерева [68]). Разработками в данной области занимались В.Ф. Пашко, В.И. Старостенко, Д. Зидаров, Г .Я. Голиздра, Н.И. Идельсон и Л.Н. Сретенский, Е.Г. Булах, А.К. Маловичко, В.М. Гордин, В.М. Новоселицкий, А.В. Цирульский, А.С. Долгаль и др. В самом общем случае, исходное поле аппроксимируется набором аналитических функций, связанных с некоторой формализованной моделью представления геологической среды. Зачастую такой моделью оказывается комбинация из группы тел простой формы, таких как точечный источник, материальный стержень и др. На данный момент существует ряд методов, основанных на аппроксимационном подходе: в частности методы аппроксимации потенциальных полей интегралом Фурье (F-аппроксимации) и суммой потенциалов простого и двойного слоев (S-аппроксимации) [76].
Рассмотрим ряд существенных погрешностей при построении сеточных моделей традиционными методами. В процессе стандартной обработки пренебрегают аномальным вертикальным градиентом, обусловленным влиянием неоднородностей верхней части геологического разреза. Поправка за рельеф местности в совокупности с поправкой Буге учитывает влияние топографических масс, находящихся между поверхностью измерений и уровнем приведения. Криволинейность поверхности измерений z = z(x,y) не учитывается. Такая идеализация влечет за собой ряд ошибочных представлений [31, 55].
Во-первых, на практике в наблюденное поле вносит свое влияние так называемый "эффект разновысотности", обусловленный разной высотой пунктов наблюдений, который не учитывается при стандартной схеме редуцирования гравитационного поля. Физическая суть данного эффекта заключается в возникновении специфических искажений гравитационного поля, обусловленных влиянием "геометрического фактора" - варьированием расстояний между возмущающими объектами и точками измерений за счет изменений высот z = z(x,y) поверхности наблюдений [55].
В горных районах или на местности со сложным рельефом учет "эффекта разновысотности" пунктов гравиметрических наблюдений продиктован практической потребностью и условиями соблюдения необходимой точности. Современные гравиметрические съемки становятся более детальными и высокоточными. В таких условиях рельеф земной поверхности с перепадом даже в десятки метров будет оказывать существенное влияние на морфологию аномалий силы тяжести AgE.
Во-вторых, для аномалий силы тяжести в редукции Буге нивелируется влияние аномального вертикального градиента в промежуточном слое с условно принятой постоянной плотностью [81]. Таким образом, влияние неоднородности верхней части разреза (ВЧР) полностью переносится на глубоко залегающие слои изучаемого объема геологической среды, что будет влиять на дальнейшие результаты интерпретации данных. Такие "пробелы" при обработке гравиметрических измерений можно восполнить, используя при построении сеточной цифровой модели ПОЛЯ высоты пунктов наблюдения.
Предлагается использовать метод ЗО-интерполяции, основанный на аппроксимации геопотенциальных полей эквивалентными источниками (истокообразными функциями).
Основной задачей метода ЗО-интерполяции является формирование сеточной цифровой модели поля. В гравиразведке исходными данными для этой задачи служат полевые измерения силы тяжести с учетом всех введенных поправок, т.е. каталог гравиметрических наблюдений в редукции Буге. Традиционно, строятся регулярные сеточные модели поля в формате GRID (по стандарту программы Surfer). Метод можно отнести к детерминистической группе. Оценка качества вычисленной модели производится по среднеквадратическому расхождению исходного поля AgB и смоделированного в точках гравиметрических пунктах наблюдения. Немаловажным показателем будет визуализированная цифровая модель -построенная карта силы тяжести.
Рассмотрим постановку задачи аппроксимации гравитационного поля истокообразными функциями эквивалентных источников, предложенную В.И.Ароновым [2], для построения цифровой модели поля с учетом высот пунктов гравиметрических наблюдений (для магнитометрического метода задача будет аналогичной).
Пусть имеется конечное множество дискретных измерений функции Ags на произвольной физической поверхности z(xt,yt) в точках наблюдения с координатами P(xt,yj,zt). Задана некоторая прямоугольная область D, отвечающая контуру площади работ, включающая в себя все пункты наблюдения P(xi,yt,zj)eD. Требуется найти такую непрерывную гармоническую функцию U(x,y,z), которая будет совпадать или давать наилучшее приближение, отвечающее точности съемки, с функцией AgE(P)&U(P). При построении сеточной модели поля задача еще более упрощается, ставя условием наилучшего приближения функции Ag x y z,) в точках определенной квадратной сети с шагом Дх = Ау. Поле U представляется полем элементарных масс U , распределенных с некоторой плотностью а(М) на внутренней поверхности S, расположенной всюду ниже поверхности z(x,y) задания поля U. При этом поле масс простого слоя в произвольно выбранной точке Р определяется выражением
Алгоритм решения смешанной обратной задачи магниторазведки
В данной работе представлен и алгоритмически реализован монтажный метод решения ОЗМ для одиночного изолированного тела и группы изолированных тел, который является одной из разновидностей метода конечных элементов (МКЭ). Метод конечных элементов - численный метод, позволяющий получать приближенные решения, использующийся для решения широкого круга задач механики твердого тела, теплообмена и гидродинамики. Сущность монтажного метода составляет неразрывное единство сеточного (конечноэлементного) способа описания аномалиеобразующих объектов и специального способа построения приближенного решения в классе моделей, не связанного с нелинейными методами оптимизации. Область поиска решения Q разбивается на конечное количество Е подобластей в количестве (е = 1,Е), называемых конечными элементами, такими, что Q = jQ\ Совокупность таких элементов составляет нумерованную матрицу Вч, где каждому элементу присваивается базисная функция, которая будет равна или нулю, или единице в зависимости от хода решения задачи. Для элементов с единичными значениями присваивается или вычисляется аппроксимационная функция. Решение задачи приближенно строится в виде линейной комбинации базисных функций по всей матрице Ві} в расчетной области Q.
Наиболее интенсивные исследования по созданию методов решения обратных задач гравиразведки, базирующихся на использовании сеточных моделей среды, проводились в конце 60-х - начале 70-х годов XX в. (В.А. Дядюра, СВ. Шалаев, В.В. Ломтадзе и др.). Следует отметить, что им предшествовали работы А.А. Юнькова и Е.Г. Булаха. В середине 1970-х годов с небольшим интервалом по времени выходят работы АВ.Овчаренко, В.Н.Страхова, М.И. Лапиной по монтажным методам. В дальнейшем, различные аспекты монтажных алгоритмов рассматривались в работах П.И. Балка, Е.Г. Булаха, П.И. Корчагина, А.С. Долгаля и др. Также проводились исследования по решению ОЗМ монтажным методом (П.И. Балк, А.С. Долгаль).
Все сформулированные применительно к гравиразведке теоретические положения и выводы очевидным образом распространяются в область магниторазведки. Исключение составляет оценка параметров источников интенсивных ( 5000 нТл) магнитных аномалий, обусловленных, в частности железорудными залежами, при которой необходимо учитывать взаимное влияние магнитных объектов.
Рассмотрим двухмерную постановку монтажного алгоритма для решения обратных задач магнитометрии. Пусть в прямоугольной системе координат xOz заданы значения аномального магнитного поля, обусловленными магнитовозмущающими объектами, сосредоточенными в области Q. Область Q, в 2Б-варианте будет соответствовать финитному нижнему полупространству с двумя горизонтальными границами (первая -поверхность наблюдения, вторая ограничивает область поиска решений по глубине) и двумя вертикальными границами, поперечными размерами соответствующими длине профиля измерений (в ЗБ-варианте - это ограниченный объем). Первоначально выполняется дискретизация исследуемой области геологического пространства совокупностью конечных элементов - регулярное замощение элементами а а. Регулярным замощением плоскости (объема) называется представление этой плоскости (объема) совокупностью односвязных правильных замкнутых многоугольников (многогранников), плотно прилегающих друг к другу по целой стороне, т.е. имеющих общие грани. Такое описание среды называется сеточным. Данный алгоритм в качестве таких замкнутых многоугольников использует квадратные (кубические) ячейки, размер стороны которых неразрывно связан с шагом съемки измеренных данных. В представленной реализации область Q. имеет равномерное компактное замощение, геометрические свойства ячеек являются идентичными, точка расчета аппроксимирующей функции относится к центру ячейки.
По сути, область замощения представляется в бинарном виде: "О" -элементы, не содержащие искомый объект, "1" - элементы, принадлежащие объекту. Основные операции в классе конфигурационных распределений выполняются с использованием понятий ядра я[0 ], оболочки внутреннего ядра .#0[п] и границы г[Сї] конфигурации Q: я\о\ - суть множество элементов оа є Q.; О [Q ] - множество всех элементов соа Я[о], граничащих с элементами ядра -#(д; .#0д - множество элементов шаеО, граничащих только с элементами этого же ядра; Г[ц - множество элементов Л"[П], не вошедших в #0[о](рис. 2.1) .
Каждый элемент соа в вычислительном плане будет содержать в себе элементарную аппроксимирующую функцию, связанную с решением прямой задачи магниторазведки от выбранного класса модели.
Для решения ОЗМ монтажным методом используется понятие эффективной намагниченности, которая будет представлять собой векторную сумму индуцированной J. и естественной остаточной Jп намагниченностей
Следует отметить, что монтажный алгоритм, как и в принципе метод подбора в автоматизированном варианте, может подразумевать наличие региональной составляющей магнитного поля. Поэтому в алгоритм введен блок расчета линейного фона, аппроксимируемого соответственно функцией вида f(x,y) = Ax + b. Тогда минимизирующий функционал можно представить в виде
Также алгоритм учитывает нормальное поле Земли Т0, влияющее на угол индуцированного намагничения, т.е. происходит проецирование аномального поля на вектор нормального. В качестве исходных данных для этого блока программы выступают величины наклонения / и склонения D нормального магнитного поля Земли для региона исследования. Далее рассчитываются направляющие косинусы магнитного поля для 2Б-варианта: / = cos(/)sin(D) - по оси х; п = sin(7) - по оси z. Тогда AT = 1Х + nZ.
В простейшей 2Б-постановке обратная задача магниторазведки (ОЗМ) для изолированного тела У с известной вертикальной намагниченностью J\ О, JTX = JTY = О состоит в том, чтобы, отправляясь от заданной начальной связной конфигурации Q0, выстроить конечную последовательность П0, 1 2..., имеющую пределом некоторую конфигурацию Q , поле которой при подобранной намагниченности J Z&JTZ, согласуется с измерениями магнитного поля ATt, i = \,2,...,n или AZf, / = 1,2,...,и (далее будем рассматривать только модуль полного вектора магнитной индукции А7 ). В модификации регулируемой направленной кристаллизации (РНК) очередное приближение Qn образуется путем внесения в ядро Л[Оя] какого-то одного элемента из оболочки O[Q"_1], обеспечивающего наименьшую среднеквадратическую невязку подбора в суммарном поле, включающим в себя аномальный эффект от предыдущих "единичных" элементов.
Разработанный диссертантом алгоритм уходит от традиционной нелинейной постановки в пользу смешанного решения ОЗМ, которое заключается в одновременном подборе конфигурации и эффективной намагниченности объекта J . При этом намагниченность охарактеризована некоторым априорно заданным интервалом значений. Стоит отметить специфичность интерпретации магнитных данных, которая выражается в векторном характере намагниченности горных пород.
Курильская островная дуга
Курильская островная дуга (КОД) является типичной островной дугой Восточной Азии (рис.3.3). Она протягивается от о. Хоккайдо до южной оконечности п-ова Камчатка и состоит из внутренней (вулканической) и внешней (тектонической) дуг, разделенных междуговым трогом. С юго-востока она сопряжена с Курило-Камчатским глубоководным желобом, а с северо-запада граничит с Курильской котловиной. В пределах Курильской островной дуги был составлен каталог 117 подводных вулканов и гор предположительно вулканического происхождения [49,109,112].
Морфоструктурами первого порядка в направлении от Тихого океана к Азиатскому континенту считаются: Курило-Камчатский глубоководный желоб, одноименная островодужная система и окраинное Охотское море с Курильской глубоководной котловиной. В пределах собственно Курильской островной дуги выделяются морфоструктурные элементы второго порядка: океанический склон, невулканическая (тектоническая) дуга, маркируемая Малыми Курильскими островами и подводным хребтом "Витязя", междуговой прогиб, вулканическая дуга и охотоморский склон. Тыловая зона вулканической дуги целиком расположена на охотоморском склоне, и их трудно отделить друг от друга. В составе вулканической дуги выделяются отдельные цепочки вулканов или вулканические зоны, которые расположены субпараллельно, косо или перпендикулярно к общему простиранию дуги, образуя сложную сеть. Они являются морфоструктурными элементами третьего порядка.
Рассмотрим геологическое строение пород островодужного этапа Курильской островной дуги, к которым принадлежат изученные автором вулканы.
Породы островодужного этапа развития Курильской островной дуги встречаются на берегу только в пределах Большой Курильской гряды (БКД), т.е. вулканической дуги. Возраст их - от раннего миоцена (возможно, олигоцена) до современного. Они подразделяются на четыре комплекса: "зеленотуфовый", вулканогенно-кремнисто-диатомитовый, базальтоидный и андезитовый.
"Зеленотуфовый" комплекс (1300-3900 м) наиболее древний (ранний-средний миоцен) на островах БКД и подразделяется на три толщи. Нижняя из них, сложенная песчано-глинистыми отложениями с примесью туфогенного материала, распространена на островах Парамушир и Щумшу. Средняя толща, состоящая из вулканических брекчий, туфов, лав базальт-дацитового ряда, а также вулканогенных песчаников и конгломератов, встречается практически на всех крупных островах. Породы интенсивно пропилитизированы. Верхняя толща представлена конгломератами и брекчиями, переслаивающимися с гравелитами, песчаниками и туфами. Содержание последних увеличивается вверх по разрезу. Вулканические образования "зеленотуфового" комплекса, по мнению Б.Н.Пискунова, формировались в сложной фациальной обстановке с преобладанием подводных условий в начале и субаэральных условий - в конце формирования комплекса.
Породы вулканогенно-кремнисто-диатомитового комплекса мощностью до 3000 м распространены на островах Шумшу, Парамушир, Уруп, Итуруп и Кунашир и залегают на породах предыдущего комплекса с угловым несогласием. В их составе доминируют туфы, туффиты и пемзы дацитов и андезитов, туфоконгломераты, конгломератобрекчии, вулканомиктовые песчаники, опоковидные алевролиты и диатомиты. Реже встречаются лавовые потоки и экструзивные тела базальтов, андезито-базальтов, андезитов. Формирование комплекса происходило в интервале от среднего миоцена до плиоцена в подводных условиях в результате поступления материала в бассейны седиментации за счет вулканических извержений и разрушения прилегающих вулкано-тектонических поднятий .
Базальтоидный комплекс (до 1000 м) распространен почти на всех островах Большой гряды. Он представлен шаровыми лавами, обломочно-подушечными брекчиями, аквагенными туфами, гиалокластитами андезито-базальтов, реже - базальтов и андезитов. Он сформирован в результате проявления третьей (позднеплиоценовой) фазы вулканизма в подводных, преимущественно мелководных условиях. Вершины вулканов при этом часто появлялись над уровнем моря.
Четвертичные вулканогенные образования, широко распространенные на всех островах Большой гряды, входят в состав андезитового комплекса, залегающего с размывом и несогласием на более древних породах. К нему относятся все активные и потухшие вулканы Курильских островов и, по-видимому, большинство подводных вулканов. Состав вулканических пород варьирует от базальтов до риолитов с преобладанием средних пород. Интрузивные образования широко распространены на крупных островах Парамушир, Уруп, Кунашир. В основном это сложные полифазовые тела пестрого состава, причем в распространении пород по простиранию дуги наблюдается особенность, выражающаяся в преобладании на юге дуги (о-в Кунашир) наиболее кислых пород - плагиогранитов, в средней части дуги (о-в Уруп) - диоритов и кварцевых диоритов, а на севере (о-в Парамушир) - габброидных пород. Интрузии прорывают породы "зеленотуфового" комплекса.
Большинство подводных вулканов КОД, так же как и наземных, очевидно, являются четвертичными и относятся к андезитовому комплексу, хотя среди них имеются и более древние вулканические постройки, так как в подводных условиях процесс разрушения их идет значительно медленнее, чем в наземных [109,114].
Физико-геологические модели вулкана Макарова (Курильская островная дуга)
Подводный вулкан Макарова, названный в честь крупнейшего русского океанографа - адмирала Степана Осиповича Макарова, расположен примерно в 25 км к юго-западу от о. Чиринкотан (рис. 3.3) в пределах Курильской глубоководной котловины [17,19,21, 22, 23,24].
Минимальная глубина, зафиксированная над вершиной вулкана, составляет 1340 м. Вулканическая постройка возвышается над окружающим дном Охотского моря на 2500 м, а крутизна склонов, лишенных осадков, достигает 30. Основании е вулкана перекрыто осадками мощностью до 1000 м. Размер перекрытого осадками основания - 12 15 км, а объем - около 120 км3.
При драгировании в привершинной части вулкана в интервале глубин 1365-1350 м пироксеновые, оливин-пироксеновые и пироксен-плагиоклазовые базальты, пироксен-плагиоклазовые андезибазальты и небольшие гальки палеотипных пород. Многие небольшие образцы покрыты железомарганцевой коркой. Содержание Мп в драгированных образцах составляет 12.595, a Fe - 12.817 вес. %. При драгировании в интервале 2300 м нижней части северного склона вулканической постройки подняты свежие андезиты, андезидациты, роговообманковые дациты, туфы среднего состава, сваренные туфы, пропилитизированный дацитовый порфир и фельзит.
Изучение физических свойств драгированных образцов в лабораторных условиях показало, что наиболее магнитными являются андезибазальты и галька диорита (таблица 5)
Судя по данным НСП подводный вулкан Макарова является существенно лавовым. К вулканической постройке приурочена положительная аномалия магнитного поля АТа. интенсивностью более 150 нТл.
Монтажным методом, использующим в качестве исходных данных вертикальную составляющую AZa, полученную путем приведения поля к полюсу, была рассчитана серия эквивалентных решений обратной задачи магниторазведки, отвечающих «коридору» невязки ± 15 нТл. В качестве окончательного варианта интерпретации были выбраны модели с величиной намагниченности, равной 2,5 А/м, близкой к физическим свойствам горных пород, слагающих жерло подводного вулкана (рис. 4.13).
По данным профильного моделирования была построена интерполяционная ЗЭ-модель магнитовозмущающего тела (рис. 4.14).
В результате был получен объект неправильной формы, который можно условно разделить на три части: близкий к изометричному периферийный магматический очаг с центром на глубине 2,5-3 км и два крутопадающих пласта, прослеживающихся в юго-западном и северозападном направлениях. Угол падения второго пласта составляет около 70. Вероятно, эти пласты являются подводящими каналами вулкана.
В результате выполненных исследований сделаны предположения о наличии на глубинах 2.5-3 км периферических магматических очагов и субвертикальном положении подводящих каналов. Выявлен магнитовозмущающий блок прослеженный на глубину до 11,5 км, который отождествляется с застывшей питающей системой вулкана. Выполнена оценка магнитных свойств вулканических горных пород в естественном залегании.
Построенные физико-геологические модели глубинного строения вулканических аппаратов позволили наиболее полно изучить представленные подводные горы, получить новую геологическую информацию (как качественную, так и количественную) об их строении, морфологии и петромагнитных свойствах пород жерловой фации в естественном залегании. Проведенная интерпретация доказывает предположения о различном строении древних и современных вулканических аппаратов. Данные исследования показывают эффективность усовершенствованной автором компьютерной технологии в комплексе с другими геолого-геофизическими методами. При интерпретации достаточного количества объектов возможно накопление фактического материала именно по глубинному строению вулканов, информация по которому непосредственно связана с анализом этапов развития и генезиса как отдельно взятых построек, так и всего региона распространения подобных вулканических образований.
