Введение к работе
Актуальность темы. Одной из актуальных проблем геофизики являет-я изучение распределения электропроводности внутренних оболочек емли, ее геоэлектрического строения. Данные об электропроводнос-и несут важную информацив о строении и физическом состоянии едр, сведения о которых необходимы, как при изучении динамики итосфери и эволюции системы кора-мантия, так и для решения важ-эйшей прикладной задачи геофизики - установления основных зако-змерпостея размещения полезных ископаемых, их поиска и развед-я. Современный уровень знании о геоэлектрическом строении земной зри и верхней мантии достигнут благодаря интенсивному развитию зтсдов электромагнитных (ЗМ) исследований вне поверхности Земли, іпояьзушлх поля естественного и искуственного происхождения, іагодаря созданию автоматизированных аппаратурных измерительных (мплексов я развитии математических методов моделирования и ии-ірпретации перегонных ЭД- полей , на базе новейших вычислитель-ос средств.
В настоящее время происходит становление новой методики ощадних укогскомпояеятных SM исследований с измерением амплиту-и фазы составляющих Ш поля. В основе применяемой методики 8 следований до недавнего времена была заложена модель геризои-яьно-сяокстсй среды. Практика показала, что в верхней части s-ной коры одномерная к.та горизонтально-слоистая модель среды пяется слждком грубым приближением и удовлетворяет наблюденным иным только на ограниченных участках. С увеличением глубинности уменьшением детальности ^следований (нижняя часть коры, верх-i мантия) среда проявляет себя на более протяженных участках с слоисто-блоковая, для которой вдала от границ блоков применимо де ль одномерной среди. Однако для картирования таких пеодио-даых блоков такхэ необходимы площадные электромагнитные иссле-іания. Таким образом требуется новая методика исследования гео-«трически неоднородных сред, включающая весь комплекс наблюде-:, обработки данных и интерпретации, ориентированная как на реке проблем разведочноЯ геофизики, так и проблем геодинамики и люции Земли.
В части математического обеспечения это приводит к необхо-ости совершенствования имеющихся методов обработки и интерпре-
тации данных и создания иовш методо» и алгоритмов двумерного к трехмерного математического моделирования наблюденного ЭМ поля, создаваемого различными типами источников возбуждения. Необходимс создание унифицированных методов интерпретации площадных экспериментальных данных переменного ЭЫ поля, что и является целью настоящей работы.
Для достижения поставленной цели необходимо было решил следующие задачи.
-
Развить методы математического моделирования ЭМ полей в многослойных средах с включениями при индукционных и гальванически: типах возбуждения ЭМ поля.
-
На основе результатов математического моделирования составит рекомендации для совершенствования методики наблюдении и исследо вания резко неоднородных сред.
-
Создать теорию и алгоритмы анализа повыоотных площадных трех мерных аэроэлектромагнитных данных .
-
Создать основы методики интерпретации повысотных данных пере «иного ЗМ поля, используя теоретические и практические пример опробования программно-реализованных алгоритмов.
3. Создать унифицированный алгоритм решения обратной задачи Ш зондирований (ЭМЗ) для одномерной среди с использованием спек тральной теории линейных дифференциальных операторов.
-
Реализовать идею двухэтапного метода решения обратной задач применительно к интерпретации переменных ЭМ полей в слоистой ср« де с включениями.
-
Исследовать вопросы эквивалентности, и единственности решен» двумерной и трехмерной обратной задачи ЭМЗ-ний в этой модели ср« ды.
-
Применить аппарат обратной задачи для изучения системы уравш ний конвекции в мантиии Земли, используя в качестве входных дш ных наблюдения глубинного магнитотеллурического зондироьані СГМТЗ).
Научная новизна. В работе на основе метода интегральных уравш ний построен алгоритм моделирования трехмерного ЭМ поля с N вклі чениями, расположенными в пятислойном полупространстве одновр* менно для трех типов возбуждения ЭМ поля: плоская волна, верт кальный магнитный диполь, расположенный на поверхности сред вертикальный кабель, пересекающий L слоев и расположенный вне т
ла. Модельные расчеты приведены для случаев: включение в виде па-раллепипеда в полупространстве и в третьем слое пятислойной среды. Доведен анализ практических данных зондирования и профилирования с вертикальным магнитным диполем.
Получены уравнения трансформаций переменного ЭМполя, заданного на двух уровнях слоистой и рельефной полосы. Уравнения позволяют данные по электрическому и магнитному полям трансформировать независюю друг от друга. В дврерном случае вертикальная доставляющая и составляющие,направленные вдоль простирания неод-юродностей трансформируйся независимо, в трехмерном-только вер-гакалыше составляющие.
На основе алгоритмов двумерной трансформации "вверх" и под-Jop.a двумерными сингулярными источниками , проанализированы прак-гкпестае данные , полученные аэровариантом метода заряда, в ре-іуяьтате чего локализованы и геометризованы в пространстве группы ишгулярных источников, имеющих геологическую значимость, связанных с рудным теясм и зонам:? нарушенноста в прилегавших" к нему областях. Исследованы вопросы устойчивости трансформаций. Показано, іто краевая задача ЗМЗ одномерной среды определяет единый опера-ор решения обратной задачи, входными данными которой являются омллексные значения фикции отклика, вычисляемые по наблюденным качениям входного импеданса как функции частоты СМТЗ), либо по оставляющим магнитного поля, как функциям частоты и расстояния ЭМЗ) при дипольном возбуждении.
Предложен алгоритм регуляризации, использующий спектральные воЗства линейного дифференциального оператора задачи и осуцест-ляюиий фильтрацию одновр энно амплитуды и фазы входных данных в класть определения оператора решения одномерной обратной задачи послойной интерпретации амплитудно-фазовых данных.Эффективность гизс алгоритмов демонстрируется на теоретических и практических эимерах.
Получены новые иктегро-дифференцкалькые уравнения теорети-?скоа обратной задачи для переменного ЭМполя для построения кон-фов неоднородности в двумерном и трехмерном вариантах в рамках ) де ли .'проводящее или магнитное включение в Ь-ом слое N-слойной >ризонтально-слоистой среды ила при напичаи дополнительно рель-Sa дневной поверхности. Эти уравнения естественным образом про-ілжают единый подход к интерпретации переменных SM-полей, разви-
тій ранее для потенциальных полей, что дает возможность создания теоретической базы комплексной интерпретации геофизических полей.
Виведены исходные уравнения для получения по внешнему -ЭМ-полю эквивалентных наборов распределений проводимости и магнитной проницаемости в замкнутых двумерных или трехмерных областях с фиксированной гладкой границей или поверхностью для заданной частоты и положения источника возбуждения. Вместе с иктегродифферен-циальными уравнениями теоретической обратной задачи они составляют замкнутую теорию для изучения проблемы эквивалентности и единственности в двумерных и трехмерных случаях в рамках рассматриваемых моделей сред.
Показано с помощью математического моделирования , что по данным ГМТЗ можно получить уже в рамках одномерной модели информацию о наличии, относительной интенсивности и стуктуре мантийной конвекции.Получены уравнения обратной задачи для систем уравнений мантийной конеєкции, для которых входными являются профильные и площадные данные ГЫТЗ, позволяющие исследовать вклад различных физических механизмов в реализацию конвекции в мантии. Практическая значимость работы. Алгоритмы математического моделирования реализованы в виде программ для ЭЕМ .часть из которых переданы в НПО "Рудгеофизика", а также используются для анализа сложных ситуаций при интерпретации площадных ЗМ данных лабораторий электрометрии и индукционных зондирований ИГФ УрО РАН. Теория трансформаций повысотных данных ЭМ-поля и подбор ЭМ-поля программно реализованы в двумерном варианте и используются при интерпретации данных аэроварианта метода заряда, полученных в Институте совместно с Верхне-Пышминской УКГРЭ. Программно-реализованный алгоритм интерпретации амплитудно-фазовых кривых ЬГГЗ использовалс* при интерпретации профильных данных в районе Уренгойского месторождения Тюменской КГЭи передан в Красноярскую экспедицию СКРАС-СОМЭ).
Полученные теоретические результаты по исследованию эквивалентности и единственности решения обратной задачи являются теоретической основой для создания методов наблюдений, обеспечивающих однозначное восстановление геоэлектрической структуры среды.
Теоретические исследования,связанные с идентификации режим; конвекции в мантии являются вкладом в изучение фундаментальної проблемы геофизики - эволюции Земли.
Аппробация работы. Основные результаты работы по кюре их юлучения докладывались на:Мевдународном совещании в рамках КАПГ, ішхабад, 1977г., IV конференции молодых геофизиков Украины, Киев, :977г., Всесогоном совеиїднии по измерению и обработке одиночных :игналов при геофизических исследованиях с мощными энергетически-м источниками, Москва, 1978г..V-VIII Всесоюзных школах-семинарах :о электромагнитным зондированиям СМукачево,1978г..Баку,1981г., (венигород, 1984г.,Киев,1987г.) .Конференции молодых геофизиков 'рала , Свердловск, 1978г., Всесоюзных семинарах по электрораз-едке (Славское, 1984г.,1989г.) , ІХ-ХІ Международных совещаниях о электромагнитной индукции в Земле и Луне (Сочи, 1988г., Энсе-ада, 1990г., Суздаль, 1991г.), Международном симпозиуме "Тепло-ая эволюция литосферы и ее связь с глубинными процессами", Мос-ва, 1989г., IV Всесоюзный съезд по геомагнетизму, Суздаль,1991г. П-ем научно-техническом совещании по геотомограйии, Свердловск, 990г., Международной конференции "Строение и геодинамика земной оры и верхней мантии",Москва, 1991г.,на ХХ-ой Генеральной Ассам-лее IUGG, Вена, 1991г..Межреспубликанском семинаре по теории и рактике решения обратных задач геоэлектрики.Алма-Ата, 1991г., VI-ой Генеральной Ассамблее Европейского Геофизического Общест-а, Висбаден, 1991г., VII-IX семинарах имени А.А.Пушкова ао фун-аментальным проблемам мирового океана (Звенигород, 1988-Э90г.г.,Москва, 1992г.), Всесоюзной конференции по условно->ррехтным задачам математической физики й анализа (Новосибирск, 392г.), на Международной конференции "Геофизика и современный :р" Москва, 1993г.,на семинарах ИЗМИРАН и ИГО УрО РАН.'
lb 77 работ .автора г теме диссертации лично и в соавторс-»е опубликовано S2 работы.
Структура диссертации Работа состоит из введения, четырех гавСЗЗ параграфа) и заключения.Объем диссертаци 314 стр.,таблиц рисунков 45, библиография 347 названий.