Введение к работе
Актуальность проблемы. В изучении земной коры, 70% которой занято акваторией Мирового океана, основная роль принадлежит геофизическим методам. Среди них одно из ведущих мест занимала и занимает гравиразведка. Ее достижения и вклад в фундаментальные региональные и среднемасштабные исследования коры, верхней мантии и астеносферы Земли — бесспорны. Потенциал гравиметрии в этом направлении не исчерпан. Однако переход к "рыночной" экономике сместил интересы заказчиков научных тем в сторону поисковых крупномасштабных работ непосредственно на нефть, газ, твердые полезные ископаемые. Это ставит перед всеми геофизическими методами проблему резкого повышения точности и геологической эффективности комплексных работ.
Для морской гравиразведки эта проблема заключается в выведении данных метода по точности и детальности на уровень морских сейсмических работ МОВ ОГТ, когда плотностные модели среды по своим параметрам станут информацией для реального взаимного влияния и коррекции приближений при построении комплексных детальных геолого-геофизических разрезов. Актуальность этой проблемы не ограничивается сегодняшним днем, а направлена на перспективу. Ее решение лежит в области создания не только аппаратурно-методических, но и программно-методических технологий обработки измерений и их интерпретации. Концептуально важно, чтобы все задачи этих этапов решались согласованно и были взаимоувязаны по точности, имея в виду конечную цель — истолкование результатов измерений гравитационного поля.
Большой вклад в развитие теории и методики наблюдений, обработки и интерпретации результатов измерений силы тяжести на подвижном основании внесли коллективы ИФЗ РАН, НПО "Севморгеология", ВНИИГеофизнки, НПО "Южморгеология", ГАИШ и Геологического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова, ЦНИИГАиК и других научно-исследовательских и производственных организаций. Этому способствовали работы советских ученых и исследователей Л.В.Сорокина, В.В.Федынского, В.Л.Пантелеева, В.О.Баграмянца, К.Е.Весе-лова, Н.П.Грушинского, Л.Д.Немцова, В.Г.Буданова, Б.С.Локшина, И.А.Фран-цузова, В.А.Тулина, В.А.Гладуна, З.Н.Левицкой, П.А.Строева, А.Г.Гайнанова, В.Р.Мелихова, А,А,Булычева и многих других.
Цели и задачи диссертационной работы состоят в разработке теоретических вопросов и практических технологий обработки набортных гравиметрических наблюдений, направленных на повышение достоверности и информативности данных гравиметрического метода.
В работе решались три основные задачи:
-
разработать принципы методического подхода для оценки (и согласования) точности этапов измерения и обработки набортных гравиметрических измерений;
-
усовершенствовать алгоритм и создать программное обеспечение задачи расчета трехмерной поправки Буге на плоскости (в декартовой системе координат);
-
разработать алгоритм и создать программное обеспечение расчета прямых структурных задач, включая поправки Буге, на сферической поверхности Земли.
Реализация поставленных задач вызвала необходимость постановки и решения ряда дополнительных задач:
провести теоретическое и численное исследование источников погрешности при измерении и обработке набортных гравиметрических данных;
разработать методические подходы для формализованных способов оценки погрешностей в различных алгоритмах обработки данных, включая расчет поправок Буге, расчет поправок Этвеша;
повысить точность расчета прямой структурной задачи в плоской постановке "метода Тальвани" (в частности, для расчета поправок за водный слой) и разработать формализованные критерии оценки погрешности ;
развить теорию и разработать технологию спектрального подхода в интегрировании эффектов масс при расчете прямой задачи гравиметрии на сферической поверхности.
Научная новизна работы. В процессе выполнения работ впервые получены следующие результаты:
-
Для ныне существующих алгоритмов обработки морских гравиметрических данных предложен новый принцип конструирования автоматизированных систем обработки с формализацией оценок погрешностей, с коррекцией и согласованием методических требований на различных этапах. Выполненные теоретические оценки свидетельствуют о перспективе систем обработки, обладающих достоверной оценкой разрешающей способности и детальности съемки по площади измерения.
-
В развитие темы предложен принципиально новый алгоритмический подход в создании автоматизированных систем обработки на основе теории регуляризи-рованных методов решения некорректных задач. В единой системе функционалов появилась возможность объединить разнородную информацию.
-
Предложена новая модификация "алгоритма Тальвани" для расчета прямых гравиметрических эффектов на плоскости. Особенностями алгоритма являются его более высокая точность, достигнутая за счет численного интегрирования последовательности телесных углов, а также алгоритм количественной оценки погрешностей модели в каждой расчетной точке поля.
-
Предложен новый подход в решении прямых структурных задач на сферической поверхности Земли. Этот подход использует достижения спектральных методов цифровой обработки сигналов, алгоритмов быстрых спектральных преобразований (быстрого преобразования Хартли). Реализована идея скользящей палетки для интегрирования на физической поверхности Земли эффектов объемных масс, заданных массивами большого размера.
5) На акваториях Мирового океана (в поясе, ограниченном 89 градусами
северной и южной широты) по системе точек 1 х 1 рассчитана таблица попра
вок Буге за эффект дальних сферических зон в радиусе свыше 500 км.
Использовалась модель Земли с аппроксимацией по системе точек 1 xl.
Исходный материал и личный вклад автора. Результаты диссертационной работы получены в итоге пятилетних исследований автора при выполнении плана госбюджетных работ и грантов РФФИ лаборатории гравиразведки кафедры геофизики Геологического факультета МГУ. Совместно с проф. В.Р.Мелиховым и доцентом А.А.Булычевым автор занимался в основном методическими вопросами обработки морских гравиметрических данных, разработкой и непосредственным созданием программного обеспечения, методическим и практическим опробованием алгоритмов.
В диссертации использованы материалы морских геофизических работ рейсов НИС "Академик Голицын", НИС "Профессор Полшков" в Баренцевом море (1986 г.), рейса НИС "Академик Петровский" в Черном море (1990 г.) и рейса НИС "Московский Университет" в Эгейском море (1991 г.). Автор непосредственно участвовал в получении гравиметрических материалов и занимался их математической обработкой.
Представленные в диссертации исследования опираются на основные положения теории потенциала, теорию цифровой обработки сигналов и теорию решения некорректных задач.
Автор использовал современные научные публикации по теме, а также теоретические и методические материалы, полученные ранее в лаборатории гра-виразведки, продолжая исследования, в том числе, по развитию спектрального подхода в обработке гравиметрических материалов. Если новые научные положения и результаты автора настоящей диссертации основываются на каких-либо известных идеях, го это обстоятельство оговаривается в тексте работы.
Практическая ценность. Основная практическая ценность диссертационной работы на сегодняшний день выражается в программных продуктах для ПЭВМ типа IBM:
-
Программа расчета поправок Буге за водный слой акваторий, рельеф островов и рельеф суши на пункты гравиметрической сети наблюдений, задаваемых по их географическим координатам на плоской поверхности Земли. Программа рассчитана на массовое использование в системах обработки гравиметрических наблюдений. Обладает высоким быстродействием, удобством автоматизированного задания исходных данных рельефа с помощью дигитайзера, поскольку использует информацию о координатах изолиний карт рельефа. Практически важно, что алгоритм не только декларирует высокую точность расчета прямой задачи, но и вместе с результатами в каждом расчетном пункте выдает оценку погрешностей этих расчетов. Оценка делается сверху. Карта этих погрешностей, сопровождающая карту поправок Буге, информирует специалиста о достигнутом качестве работ на различных участках в зависимости от детальности плот-ностной модели, характера форм рельефа и его дифференциальных свойств.
-
Программа расчета прямой структурной задачи с учетом сферичности Земли, ориентированная на региональные гравиметрические исследования. Выполняет расчеты гравитационных эффектов масс как для поправок Буге, так и для плот-ностного моделирования гравитирующих комплексов пород, характеризующихся переменными плотностями в латеральных направлениях. Высокое быстродействие по сравнению с ныне существующими технологиями достигнуто благодаря использованию алгоритмов БПХ (быстрого преобразования Хартли, аналога преобразования Фурье) и ряду специальных приемов. В сравнении с прямыми методами численного интегрирования экономическая эффективность программы возрастает по мере увеличения объема данных.
Защищаемые положения. На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Общие принципы теории и методики создания автоматизированных систем обработки морских гравиметрических измерений с согласованием отдельных этапов по точности и оценкой достоверности аномального поля силы тяжести.
-
Новые эффективные по точности и вычислительной экономичности практические программные продукты для IBM-совместимых персональных компьютеров для расчета прямых структурных задач гравиразведки на плоскости и на сферической поверхности Земли.
-
Результаты практического опробования разработанных алгоритмов на гравиметрических съемках в Черном, Эгейском морях и для расчета эффектов дальних зон в поправки Буте на сферической поверхности Земли.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной конференции "Геофизика и современный мир" (Москва, 1993 г.), на Конференции молодых ученых геологического факультета МГУ (Москва, 1994 г.), на Международной конференции "Морская и аэрогравиметрия" (СПб, 1994 г.), на Всероссийском семинаре "Теория и практика интерпретации потенциальных полей" (Москва, 1993, 1994 гг.).
Программные продукты прошли внедрение на Геологическим факультете МГУ и в ГАИШе. Основные результаты исследований включены в программу основного курса и спецкурса по гравиразведке, читаемых студентам геофизического отделения МГУ.
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 12 опубликованных работах.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав^ заключения и одного приложения. Общий объем работы —idQстраниц, t> таблиц, 3/ рисунков. Список литературы включает //т^наименований.
Признательности. Автор считает своей приятной обязанностью выразить признательность геофизикам-гравиметристам, коллегам и сотрудникам, поскольку развитые в работе идеи родились в процессе чтения специальной литературы.статей, монографий и обсуждения проблем с коллегами, сотрудниками лабораторий гравиметрии Геологического факультета МГУ и ГАИШ. Автор искренне признателен своему научному руководителю д.ф.-м.н. профессору В.Р.Мелихову за многочисленные дискуссии, советы, обогатившие работу многими идеями, поддержку и просто долготерпение, сотрудникам лаборатории А.А.Булычеву и Д.А.Гилод за бескорыстную помощь и поддержку своим научным опытом, а также проф.А.Г.Гайнанову, Н.Н.Сапрыкиной, Е.Л.Мазо, И.П.Короткову и др.
Автор также благодарен и приносит извинения всем коллегам, которые чувствуют, что их работа не нашла достаточного отражения в автореферате и чьи имена он не смог привести из-за ограниченности места. Особую признательность автор хочет выразить своей семье за духовную и материальную поддержку, без которых работа не могла бы быть выполнена.
При подготовке текста работы автором использовались Microsoft Word 2.0 регистрационный номер 059-650SUV200 и Microsoft Excel 4.0 регистрационный номер 065-051SUV400.