Введение к работе
Актуальность темы. Электроразведка является одним из наиболее математизированных разделов
геофизики. Данная дисциплина включает в себя большое число методов, каждый из которых
является часто типовым для решения определенной геологической задачи. Методы различаются
способом возбуждения и регистрации электромагнитных полей, типом математических
уравнений и электрофизических моделей, наиболее адекватно описывающих процессы
возбуждения среды. Так методы потенциальных полей типа ВЭЗ ориентированы на выявление
пологозалегающих геологических структур, методы вызванной поляризации используются для
выделения в геологическом разрезе поляризующихся объектов, например, сульфидосодержащих
руд в задачах рудной геофизики или зон, связанных с повышенным содержанием
углеводородов, в структурных задачах нефтяной геофизики. Для поисков проводящих
аномальных объектов, например, на полиметаллических месторождениях, хорошо
зарекомендовал себя метод устанавливающихся полей. При всем кажущемся многообразии
методов электроразведки математический аппарат интерпретации их измерений имеет много общих элементов.
Рассмотрение вопросов обработки измерений в практической плоскости в первую очередь ставит исследователя перед задачей оптимальной фильтрации шумовой составляющей сигнала. При необходимости работы со знакопеременными векторными измерениями с большим диапазоном изменения и большой пространственно временной плотностью эта задача дополнительно \сложняется. В то же время от успешности ее решения в значительной степени зависит достоверность дальнейшей геофизической интерпретации материалов.
Применение приближенных методов при интерпретации зондирований устанавливающимися полями (МПП) продолжает оставаться в большом числе задач исключительно конструктивным подходом. Вопросы создания новых интегральных методов трансформации измеренных полей в геологические разрезы, обладающих по сравнению с дифференциальными методами повышенной устойчивостью к шумам, а также исследование возможности применения приближенных методов для определения кажущихся параметров поляризуемости при зондировании поляризующихся сред представляют несомненный интерес.
Создание программно-математического обеспечения для расчета электромагнитных полей в горизонтально-слоистых средах и одномерных средах с локальными аномальными включениями представляет практический интерес для частотных методов электроразведки, методов становления поля. Наибольшая практическая востребованность данного решения в настоящее время может быть связана с прямыми задачами моделирования и верификацией решений обратных задач.
Все задачи интерпретации практических геофизических данных по сути являются обратными. Узловые элементы решения обратных задач сохраняют свое значение при построении систем интерпретации измерений для различных методов электроразведки.
Создание устойчивых способов выделения эталонных переходных процессов из измерений переходных характеристик вызванной поляризации дает обоснованный способ картирования поляризующихся фракций, выделения их объемной (пространственной) и структурной характеристик.
Построение высоко формализованных схем интерпретации геофизических измерений является весьма важной задачей, которая в настоящее время активно решается в работах многих исследователей. Одним из ставших стандартными подходов является метод поиска гладких решений на. моделях большой размерности. Формулирование и развитие метода корреляционного подобия дает возможность с единых позиций проанализировать алгоритмы построения моделей сосредоточенных аномальных объектов в задачах типа рудных для различных методов электроразведки. На его основе могут SbrrtngeTjjji^ij^jj^'Yj^Njjj^jjjjrjpie.iH ПО векторным измерениям полей и решен ряд вопросов интерпретации Е9ІБЛКДОТЕК4РРаа|ИЙ-
Нелинейные обратные задачи, как правило, решаются гладкими итерационными методами в линеаризованной постановке: Создание универсальных конструктивных итерационных схем движения в функциональном пространстве параметров модели, не привязанных к конкретному методу электроразведки (виду Фреше дифференциала задачи), позволяющих оценивать линейную и нелинейную части приращения функции и выбирать оптимальный шаг перемещения на основе метода полной линеаризации, является существенным элементом для построения эффективных алгоритмов интерпретации измерений.
Разные электрофизические параметры геологической среды с различной степенью проявляются в измерениях разных компонент поля. Представляет интерес исследование возможности создания схем интерпретации данных, последовательно уточняющих оценки геоэлектрических параметров разреза (метод двухуровневой инверсии).
Рассмотрение в неразрывном единстве широкого круга практически значимых для формирования оптимальных подходов к обработке и интерпретации данных электроразведки вопросов определяет актуальность работы.
Цель работы состоит в обобщении и дальнейшем развитии теории интерпретации измерений электроразведки; разработке устойчивых методов решения обратных задач стационарной и импульсной геоэлектрики для выявления геометрии проводящих аномальных структур и определения интегральных характеристик поляризуемости, непосредственно- связанных с вещественным составом пород; в создании программно-методического комплекса, реализующего технологии инверсий электромагнитных полей в геоэлектрические параметры геологической среды, отличающиеся быстродействием и высокой формализацией решения, обеспечивающие возможность мониторинга геологической среды в реальном масштабе времени, в том числе для систем непрерывного зондирования с высокой пространственно-временной плотностью измерений.
Основными задачами исследований являлись:
- создание эффективных способов пространственно-временной фильтрации ошибок в
измерениях устанавливающихся полей;
разработка и исследование возможностей новых оперативных способов интерпретации устанавливающихся полей над неполяризующимися и поляризующимися средами;
создание программно-математического аппарата для решения прямых задач расчета нестационарных полей от локального объекта, находящегося в одномерной среде;
разработка устойчивого способа выделения из измеренной переходной характеристики вызванной поляризации эталонных переходных процессов;
создание способа (метод корреляционного подобия) формирования пространственной модели сосредоточенного аномального объекта по векторным измерениям полей и интерпретации измерений точечных зондирований;
развитие метода линеаризации для решения обратных нелинейных задач геофизики.
Основные результаты работы, определяющие ее научную новизну и составляющие личный вклад соискателя:
1) Предложен квазилинейный алгоритм, адаптивной робастной пространственно-временной фильтрации для исключения помех в измерениях устанавливающихся полей. Алгоритм имеет особую устойчивость к импульсным помехам. Особенностями алгоритма являются: использование знакопеременного логарифмического масштабирования сигнала, введение обратной связи при определении весовых функций, увеличение размера окна оценивания функции с увеличением времени измерения. Алгоритм является базовым для создания высокотехнологичных систем обработки измерений устанавливающихся полей с большой пространственно-временной плотностью.
2) Предложен способ одномерной инверсии магнитного поля становления в геоэлектрический
разрез с нормировкой по интегральной S-проводимости. Метод относится к интегральным
трансформациям и обладает большей устойчивостью по сравнению с дифференциальными
трансформациями к ошибкам измерений в исходных данных.
3) Предложен приближенный способ интерпретации измерений поля становления над
поляризующейся средой. Для сред, в которых частотная зависимость поляризуемости
описывается законом Cole-Cole с показателем степени с=1, получены приближенные линейные
дифференциальные уравнения, связывающие устанавливающиеся поля с параметрами
поляризуемости областей, и определены кажущиеся параметры поляризуемости.
4) Разработан устойчивый алгоритм разделения наблюдаемой переходной характеристики ВП на
совокупность элементарных переходных процессов для типичных временных зависимостей
спада сигнала ВП. При решении обратной задачи на основании анализа корреляционных
связей определяемых параметров проводится обоснованное усложнение модели
интерпретации. Определённые в результате решения задачи эффективные интегральные
параметры элементарных переходных процессов соответствуют ин гегральным характеристикам
объемного распределения поляризующихся пород и вещественного состава исследуемой
геологической среды.
5) Предложен метод корреляционного подобия для решения двумерных и трехмерных
обратных задач электроразведки на моделях большой размерности. В его основе лежат
операции свертки векторов функций, поэтому гарантируется определенная гладкость решения.
Метод предназначен для выявления в геоэлектрическом разрезе аномальных сосредоточенных
объектов для задач типа рудных. При интерпретации измерений потенциальных полей при
точечных зондированиях среды корреляционное оценивание дает возможность определять
фоновый уровень параметров разреза. В случае интерпретации векторных измерений
использование данного подхода является определяющим, с его помощью можно смоделировать
сосредоточенный аномальный объект на модели большой геометрической размерности.
6) Для решения обратных нелинейных задач геофизики на основе метода полной линеаризации
получены формулы для оценивания величины квадратичной поправки к приращению функции,
для выбора оптимального изменения параметров на текущей итерации.
Практическое значение работы.
Разработанные теоретические методы обработки и интерпретации электромагнитных полей реализованы в пакеты прикладных программ и используются для построения геоэлектрических моделей сред по измерениям методов постоянного тока (ПТ), вызванной поляризации (ВП), методов переходных процессов (МПП). Программы внедрены в ряд научных и производственных организаций (ВИРГ-Рудгеофизика, ГНПП «Севморгео», Центрально-Кольская комплексная геологоразведочная экспедиция, Южно-Сахалинское ООО МП «Электра», ДГУП Сибирская Геофизическая партия ФГУП «Иркутскгеофизика»).
В работе имеется большое число примеров успешной интерпретации полевых материалов на основе развитых подходов.
Апробация.
Основные положения работы докладывались на Втором Всесоюзном совещании по рудной геофизике (Ленинград НПО "Рудгеофизика", 1991), на Всесоюзном семинаре " Вопросы геологической интерпретации гравитационных магнитных и электрических аномагий"(Москва,
1992), на Международной Геофизической Конференции (SEG-ПАГО) (Москва. 1993), на конференции ВНИГРИ (Санкт-Петербург, 1994), на Международной геофизической конференции "Олектромш нитные исследования с контролируемыми источниками" (СПб. 1996),
на Международном семинаре "Обратные задачи геофизики" (Новосибирск, 1996), на Всероссийской конференции "Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей." (Москва, 1997), на Международной Геофизической Конференции и Выставке (Москва, 1997), на 1-й Всероссийской конференции "Геофизика и математика" (Москва. 1999), на Международной геофизической конференции (СПб, 2000), на выездной сессии Научно-методического совета по геолого-геофизическим технологиям НМС ГГТ МПР РФ по секции "Морские работы" (Мурманск, 2001), на Международном семинаре «Вопросы теории и практики интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей» (Москва, 2003).
Методы исследований и фактический материал.
Теоретические исследования, выполненные в работе, опираются на методы математического анализа, линейной алгебры, вычислительной математики, статистической теории оценивания, математического моделирования.
Фактическим материалом, на котором отрабатывались подходы к обработке и интерпретации измерений, являлись данные физического моделирования и полевые измерения, полученные при проведении наземных и морских работ.
Защищаемые положения.
1. Способ адаптивной робастной пространственно-временной фильтрации помех в
геофизических полях позволяет эффективно исключать ошибки в знакопеременных векторных
измерениях с большим диапазоном изменения и большой пространственно - временной
плотностью, характерных для методов зондирований устанавливающимися полями.
2. Инверсия магнитного поля становления в геоэлектрический разрез с нормировкой по
интегральной S-проводимости является новым эффективным способом оперативной
количественной интерпретации.
3. Устойчивый метод разделения наблюдаемой переходной характеристики ВП на
совокупность элементарных переходных процессов для типичных временных зависимостей
спада сигнала ВП позволяет выполнять достоверные оценки эффективных интегральных
параметров элементарных переходных процессов, которые связаны с интегральными
характеристиками объемного распределения поляризующихся пород и вещественным составом
исследуемой геологической среды.
4. Решение двумерных и трехмерных обратных задач электроразведки на моделях большой
размерности возможно на основе нового метода корреляционного подобия. Метод
предназначен для выявления в геоэлектрическом разрезе аномальных сосредоточенных объектов
для задач типа рудных. Подход наиболее эффективен при моделировании аномальных зон по
векторным измерениям полей. Корреляционное оценивание-дает возможность определять
фоновый уровень параметров разреза.
5. Метод двухуровневой инверсии позволяет создавать высокоформализованные алгоритмы решения обратных задач для различных методов электроразведки: гладкое решение, полученное на модели большой размерности, является основой для построения генерализованой модели меньшей размерности. Для нелинейных обратных задач геофизики на основе метода полной линеаризации возможно в наиболее общей постановке оценивать величины линейной и квадратичной составляющих приращения функции поля на интервале перемещения в функциональном пространстве параметров модели и выбирать оптимальную величину изменения параметров на текущей итерации.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 33 работы.
Объем и структура работы.
