Введение к работе
Актуальность сробдеаи. Метод вертикального вдектрїг-іеского soh-дироваиия является одним иэ базовых кетодоз электроразведки. С 30-х годов нпясго столетня он применяется при геологическом картировании, поисках ч разведке нефтяпда и рудных месторождений, пояске строительных материалов, инженерно-геологических, гиирсгеологл-ческих, мелиоративных изысканиях, репеяии гіямсгических задач. Благодаря яесжюсностя приемов наблидеиия, ниэкой себестоимости и экологячности полевых работ, постояннсму ссвериенствовада» приемов и методов интерпретации, сфера приь«жмости его непрерывно раиан-' ряетсл.
И тем ке менее, возможности метода исчерпаны далеко яг полностью. Ключевым шэментом, определяющим эффективность методз, является состояние его интерпретационной базы. Основной тенденцией современного раввития способов и приемов интерпретация злеіггричес-ких и электршагнитнкх вопдирозвний является псвмаэние рзгрегжзкдек способности, достоверности и геологической содержаяельнос'и поручаемых результатов, переход к кзучэнш слохнопостроенных сред з условиях массовок обработки производственных материалов, что нереализуемо без Ьеедаями спедажних кої.чіьвтерзда технологий..
Несмотря на глубокие теоретические разработки з области репе-яия прями вадвч (Азьпхн, Лаев,Карикск"5Й,1985; Дмитриев, 1086; Kpt>-ев.1966; Кусков, 19*79,1935; 5Екабарня,1685; Гхга.1971; Юдин, »32, 1994; Ядэнсч,199>; Та5оровский,1989; Хомэя,1981 и Др.) и создаете фундаментальных основ решения некорректных'додач (Тихонов, 1963; 1986; Лаврентьев,1963; Иванов,1934; Вгйкус, Гкльберт,1967,1859), специфика метода не позволяет формально испояьвовата их для истолкования электрических гоядировэнк?' и тр«бует решения целого ряда сложных вопросов: исследования информационных возможностей метода и оценки достоверности реиеняй, формализации объекта ксследовезкя адекватно информационным вовмеяшестям кегода, разработки 8$$ентив-ных приемов доопределения вадачи в условиях ограниченной епркорной информации, ревеяия методологических вопрссоз, обеспечивагжщх создание высокоаоточатиенровашак компьютерная технологии.
Вместе с тем концепции количественной интерпретации одиночках
-4.-
зондкрований, хотя и далеко не исчерпавшая себя, характеризуется низкой информативностью и не отвечает требованиям массового ироиє-водства; технологически процесс интерпретации с использованием ЭВМ ведется. при большой доле участия специалиста и сопровождается не всегда оправданной субъективностью заключений; крайне низка степень автоматизации геологического этана истолкования результатов вондирозания; не решены методологический вопросы изучения сложно-построенных сред.
Все это определило направление проводимых исследований и стимулировало развитие принципиально иных, по сравнению с традиционными, подходов к интерпретации. Основное внимание при этом уделено развитию концепции согласованной интерпретации совокупности зондирований при разделении процесса на два отличающихся по своей природе и особенностям проявления некорректности этапа: физического и геологического. Развитие этого направления позволяет надеятся на получение важных в теоретическом и практическсм отношении результатов, обуславливающих повышение достоверности и технологичности интерпретации.
Делью работы является научное обоснование и разработка математического и программного обеспечения, компьютерной технологии и автоматизированной системы комплексной интерпретации данных электрического вондирования на базе персональных ЭВМ, направленных на повышение разрешающей способности, геологической достоверности и экономической эффективности электроравЕедочных работ.
Основные задачи исследований.
-
Разработка и обоснование методологических принципов Построения автоматизированных систем интерпретации площадных съемок электрического зондирования.
-
Разработка и усовершенствование- способов беспараметрической штерпретацин электрических еовдировании, устойчивых к возмущениям в исходных данных.
-
Разработка и совершенствование принципов автоматизации геологического истолкования-результатов вондирования.
-
Оценка искажений полевогр материала и разработка эффективных способов их минимизации.
-
Исследование и разработка способов оценки неоднозначности решения.
-
Разработка методики комплексной интерпретации совокупности
зондирований в' рамках единого.информационного пространства "модель-поле'1.
7. Создание математического и алгоритмического обеспечения, компьютерной технологии и автоматизированной системы обработки и интерпретации данных.электрического зондирования; внедрение автоматизированной системы в производственных, научных и учебных организациях.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
.Концепция комплексной согласованной интерпретации совокупности электрических зондирований, рассматривающая модель среды как результат раздельного, но тесно взаимосвязанного фипического и геологического этапов реиения обратной задачи, вовлекаемых в итерационный процесс на интегральном уровне "модель-поле", обеспечивает более обоснованную физико-геологическую содержательность реэульта-тов и значительное повышение технологичности компьютерных систем.
-
Метод' решения обратной вадачи электрического зондирования, позволяющий получать устойчивые результаты ка физическом уровне строгости с оценкой класса эквивалентных решений непосредственно по результатам полевых наблюдений, открывает новые возможности построения геоэлектрических моделей сред,- повышения объективности результатов и изучения информационных возможностей ьлсктрических зондирований.
-
Способы автоматизации геологического истолкования физических решений, основанные на использовании методов распознавания образов, математического моделирования и корреляционного анализа, позволяют конструировать содержательные физико-геологические модели в классе эквивалентных физических ревений, согласованные с априорными представлениями о геологическом строении среды.
-
Автоматизированная система 20ND и высокопроизводительная компьютерная технология, включающие результаты выполненных теоретических исследований, являются новым средством комплексной интерпретации данных электрического зондирования и отдельных модификаций метода сопротивлений, обеспечиваюіцим значительное повышение эффективности геолого-геофизических работ.
Научная новизна. 1. Разработаны новые численные методы решения обратных вздач электрического зондирования, позволяющие получать решение на физическом уровне строгости непосредственно по результати* полевых ив-
.-6-
мерений, бев предварительного конструирования модели среды в том числе прямой численный метод, аллаитико-корреляционный к'др., обеспечизащнс устойчивые результаты, согласованные с информационными возможностями электрических зондирований.
5. Впервые с помовъю прямого численного метода эксперименталь
но подтверждены содержательные аспекты теоремы о единственности
решения обратной задачи электрического зондирования для слоистых
горизонтально-однородшх сред.
-
Научно обоснован и разработан интегральный принцип построения физика-геологической модели среды, заключающийся в согласованной интерпретации совокупности электрических вондирозаний при разделении процесса на два отличающихся по своей природе и особенностям проявления некорректности этапа: физического и геологического, вовлекаемых в итерационный процесс на интегральном уровне "модель-поле".
-
Разработан метод статистического моделирования, позволяющий на количественном урозне изучать особенности формирования обобщенных фиьккз-геологических моделей сред, исследовать устойчивость и предела неоднозначности решений.
6. Исследовано влияние поверхносткых неоднородкостей (карсто
вых воронок, выемок и др.), отдельного вида техногенных помех
(трубопроводы, кабели, линейно вытянутые объекты относительно ма
лого сечения) на результаты электрического зондирования.
-
Разработаны способы минимизации уровня погрешностей наблюдений, основанные на применении вариационного принципа метода регуляризации.
-
Выработаны принципы автоматизации геологического истолкования результатов зондирования, основанные на использовании методов распознавания обрагоа и самообучения, а также корреляционных зависимостей меаду физическими и геологическими характеристиками пород.
-
Разработана автоматизіфоваїдаая сметена и компьютерная технология обработки и интерпретации данных электрического зондирования 'и отдельных модифккиций метода сопротивлений (электрического профилироваякя, срединного градиента и т.п.), обеспеченная графическим сервисом для вивуалнвацни объемного отображения и сканирования поля, графической редакции и получения жестких копий с выдачей их на плоттер, либо стандартный принтер в заданном масштабе.
Достоверность и обоснованность научных положений, вкводов к рекомендаций подтверждается достаточно большим объемом экспериментальных исследований нз модельном и праквиеском материалах,- положительным опатом внедрения научных разработок в прокгеодотвеятах организациях. .
Практическая ценность и реализапия работа.
Изложенная в работе концепция, способы, алгоритма, компьютерная технология, ' реаютоганггае в виде автоматизированной системы, предоставляют пользователю широкие вовікдаюсти для коделирования и ревения широкого круга эадач обработки, интерпретации, втауалчза-цки и графического представления результатов. Исполъсозсже скотомы повволяет повысить точность, надежность и потаоту ивелє«*їнкя информации, обеспечить оперативность и снквить еатратн на обработку полевых материалов. Система внедрена я испохь8уотся при рекжня геологораеведочных, поисковых инженерно-геологических и экологических вздач во многих производственных организациях и Юй! ('ГГО "Уралгеология", Челябински-д гволком, Институт Геофиеигси УрО РАИ я др.). Общий экономически э#ект,. подтвержденный петайі ззнедрекуй, составляет около^ЮО тыс. руб. (в ценах 1990 г.). Отделыме раэрз-ботки переданы для проведения исследовательских ребот и обучения студентов в Пермский а Московсіпй государстяеннкё университеты; Уральскую государственную герно-геоюткчесху» Екадеъшв.
Апробация работы.
Основные результаты работы излоиевн в монография, справочник по электрора8ведке (1S78, 1989) и доложены на 5-й,6-5 и 11-й Всесоюзных пколах-семинарах (г.Киев,1978; г.Москва, МГУ,198і; г.Кшв, 1S87), на восьмом научно-техническом семинаре-оовегчояяи (г. Ереван, 1985), научно-технических конференциях я репгоиальякх ссведв&гях (г.Пермь,1980, 1963,1984,1985,1986,1887,1988,196.9), аа 6-Й И 6-Й Уральской научной конференции (г.Свердяовск,1Є85; г.Челябинск, 1939), меядуяародоом семинаре по горной гесфгоике (г.Пврм>,1990), всероссийском научно-техническом совещании по применению госфйн-ческих методов при решении геологических, кшеяерво-геологических и экологических вадач (г.Пермь,1994).
Публикации.
ПО теме яиссертвцйи опубликовало 62 работы, з том числе сдаа монография, отдельные параграф* в двух справочниках по етФкгрорав-ведке и,одной монографии, статьи и теенсы докладов.
Структура и обьем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, аюсти глаз к еак-лжчения. Обьем работы 203 стр. машинописного текста, включая 8 таблиц и.61 рисунок. Библиографический список содержит 264 наименования.
Исходные материалы и личный віиад адтора.
Диссертация отображает результаты исследований, проводивиихся автором в период 1Й72-1995 гг. по госбюджетной и хоздоговорной тематике, сяачааа - на кафздре геофизики Пермского университета, а с 1988 года в Горном институте УрО РАН.
Постановка задач, большинство .теоретических, методических, исследований, разработка алгоритмов, реализация основных программ выполнены лично автором. Работы по программной реализации автомат тивированной системы как единого интегрированного пакета, включая базу данных, диалоговую среду, графические и сервисные процедури, выполнены под руководством автора В.А.Кутиным и С.В.Мокроноссвым. Без их помощи создание ваконченного программного продукта било бы невовмоякш.
На разная этапах работы автор использовал помощь и советы коллег по работе д.т.н. М. С. Чапаева, профессора Б.А.Спасского, доцента й.М.Скумбина, поддержку и участие сотрудников игр "Ураагеоло-, гия" В.Ф.Сомоаа, В.М.Соловьева и Г.Л. Сомовой, . Л.М.Хайкельссна, конструктивные вамечания и доброжелательную критику академика АЕН, профессора М.Н.Вердичевского и академика АЕН, профессора В.И.Дмитриева. За что автор выражает км искреннюю привнатеденость.
Автор особо благодарен профессору Б.К.Матвееву и чл.-корр. АЕН, профессору В.М.Новоселицкому за плодотворное творческое общение и научные дискуссии, которые во многом стимулировали проведение исследований и написание данной работы.