Введение к работе
Метод сопротивлений широко используется при малоглубинных исследованиях. Область применения метода непрерывно увеличивается из-за расширения круга решаемых задач и соответственно появляются новые возможности. Этому способствуют громадный накопленный опыт, необходимость в решении новых задач и возрастающие требования высокой точности и детальности, решение ряда теоретических задач. Кроме этого, используя современную компьютерную технику имеется возможность многократной переинтерпретации данных с подбором моделей разного уровня сложности. Положительную роль сыграло развитие аппаратуры, обладающей высокой точностью и производительностью.
В настоящее время практически во всех странах мира наблюдается тенденция переноса объема геофизических работ в область малоглубинных экологических и инженерно-геологических исследований. В частности, на передний план выходят экологические задачи, которые требуют незамедлительного решения из-за того, что грозят перерасти в неразрешимые. Другой круг проблем - задачи, связанные с катастрофическими процессами, решение которых за короткое время позволит избежать необратимых последствий. Необходимость решения такого рода задач привела к появлению новых, более высоких требований, ранее представлявшихся неосуществимыми и излишне завышенными, так как применяемая аппаратура, методика, теория, интерпретация удовлетворяли существующим потребностям.
Последние 10 лет являются эрой интенсивной компьютеризации, которая стимулировала быстрое развитие метода сопротивлений. Широкое и повсеместное внедрение персональных компьютеров позволило широкому кругу геофизиков получить прямой доступ к вычислительным машинам. Это привело к тому, что появилось достаточно много работ с решениями и старых, и новых проблем. В силу того, что возросли требования к решаемым задачам, появилась необходимость в создании новых аппаратуры, технологий и теоретических представлений.
В настоящее время для удовлетворения все более жестких требований, предъявляемых к решению самых разнообразных задач, необходимы развитие теории, совершенство аппаратуры, улучшение точности интерпретации данных. Таким образом, усложнение задач и
повышение естественных требований делают необходимыми новые усилия по разработке решений давно поставленных проблем и, возможно, апробации этих решений применительно к конкретным условиям. В частности, возродился интерес и к анизотропным средам.
Актуальность темы. При решении ряда геологических задач необходимо изучение анизотропии электрических свойств геологической среды. Другой важной проблемой является влияние анизотропии на данные метода сопротивлений. При исследованиях не связанных с изучением анизотропных свойств среды в случаях влияния анизотропии необходимо, для правильной интерпретации данных метода сопротивлений, учитывать это свойство среды.
Анизотропия проявляется в том, что в разных направлениях наблюдаются разные свойства. Физически анизотропия может быть связана с тонкой слоистостью, зернистостью, трещиноватостью, метаморфизмом, напряженно-деформированным состоянием, то есть с литологическими, структурными, текстурными, тектоническими свойствами пород.
Анизотропия электрических свойств геологической среды изучается для решения следующих геологических задач:
геологическое картирование (задача определения направления простирания круто падающей слоистой толщи);
оценка гидрогеологических свойств геологической среды (определение направлений трещиноватости пород).
Особенно необходимо отметить, что анизотропия электрических свойств затрудняет решение традиционных задач. Поэтому
изучение и учет анизотропии также является очень важ
ным для правильной интерпретации данных метода со
противлений в рамках горизонтально-слоистых и неодно
родных сред.
Если на данные метода сопротивлений влияет анизотропия электрических свойств изучаемого разреза, то это влияние должно учитываться при интерпретации. Оценить влияние анизотропии электрических свойств геологической среды можно анализируя данные азимутальных электрических зондирований и профилирований (АЭЗ иАЭП).
В силу сложности интерпретации моделей с анизотропными свойствами, большего объема данных, который необходим для анализа и при отсутствии развитой теории, позволяющей моделировать более сложные ситуации, большинство интерпретаторов было вынуждено при обработке результатов метода сопротивлений останавли-
ваться на рассмотрении и анализе кусочно-однородных и изотроп
ных моделей. Наиболее широко для аппроксимации реальной геоло
гической среды используется модель горизонтально-слоистой среды
с однородными изотропными слоями. Кроме учета слоистости, для
более точного приближения модели к реальной геологической среде
необходимо учитывать влияние неоднородностей и анизотропии.
Особенно остро такого рода проблемы возникают при малоглубин
ных исследованиях, связанных с изучением верхней части разреза
от нескольких метров до десятков метров, так как с одной стороны
требуется высокая точность определения параметров геологического
разреза, а с другой стороны результаты геофизических исследова
ний легко проверяются с помощью бурения. На рис. 1 схематично
изображены составляющие геоэлектрической модели разреза: ГСС -
горизонтально-слоистая сре
да; Н - неоднородности (ГН -
глубинные, ППН - приповерх
ностные); А - анизотропное
полупространство; ГСС+Н -
горизонтально-слоистая сре
да с неоднородностями;
ГСС+А - слоисто-
анизотропная среда; А+ППН -анизотропное полупространство с приповерхностными неоднородностями; А+ГН -анизотропное полупространство с глубинными неоднородностями.
Совместное проявление слоистости и неоднород- _
Рис.1. Взаимосвязь основных со-
ностеи в электрическом поле ;
,.,,,..-,,,^ „ „Г..„ ~ ,+,,..,,.. ставляющих геоэлектрическои моде-
изучалось с помощью физи- ^ г "
ли разреза,
ческого моделирования к v
(Блох, Боголюбов, Авдевич, Фокин и др.). Одновременно развивались аналитические подходы (Шкабарня, Шак и др.). Были разработаны алгоритмы численного моделирования (Альпин, Дмитриев, Кусков, Модин, Яковлев, Серебрянникова, Смирнова и др.). В настоящее время теоретические вопросы, связанные с учетом влияния неоднородностей на электрическое поле в горизонтально-слоистых средах, в целом решены. Результаты этих научных разработок используются
в технологиях многоэлектродных электрических зондирований (Loke, Barker, Модин, Шевнин, Бобачев и др.).
Проблему влияния анизотропии на электрическое поле в слоистых средах рассматривали в своих исследованиях Бреднев и Сысков, Гуревич и Сажина, Козак и другие. Кроме этого, изучалось совместное влияние анизотропии и неоднородностей на значения кажущегося сопротивления, измеряемые на поверхности земли (Модин, Перваго, Акуленко и другие).
Таким образом, компонентами полной модели среды являются горизонтальная слоистость, неоднородности и элементы разреза с анизотропными свойствами. Сложность подобных задач, неразработанность теории, методики часто приводит к тому, что в ряде случаев не исключается раздельное изучение этих компонент. Новые обстоятельства, новые задачи заставляют опять вернуться к осознанию того, что эти составляющие модели реальной среды неразрывны и уже невозможно в настоящее время рассматривать толькс слоистую модель без влияния таких факторов как неоднородности v анизотропия. Следовательно, затрагивается задача как определения геометрии границ, так и получения свойств, причем в среде гораздо более сложной, чем горизонтально-слоистая. Необходимость решения этой задачи назрела уже давно. Но, несмотря на весьма почтенный возраст задачи, до сих пор во многих своих общих аспектах она не поддается удовлетворительному решению отчасти из-за неразработанности математического аппарата, отчасти из-за проблем с вычислительными ресурсами. Поэтому обычно при решении рассматриваются два преобладающих фактора, например, горизонтально-слоистая Ъреда и неоднородности.
Изучение анизотропии геологической среды - это особая область исследований, в которой своеобразными являются и прямые, v обратные задачи. Явления, связанные с анизотропией - совершение особого рода. Объяснение этих явлений в рамках только качественного рассмотрения практически невозможно. И не случайно, известный эффект, связанный с увеличением поля вдоль направления с наименьшим электрическим сопротивлением назвали парадоксом анизотропии (Заборовский, 1943; Пылаев, 1948; Дахнов, 1953). Данная работа направлена на создание более общей модели геоэлектрического разреза и посвящена изучению особенностей влияния анизотропии геологической среды на измеряемое в методе сопротивлений электрическое поле. В работе рассмотрены вопросы со-
вместного влияния на электрическое поле слоистости и анизотропии, анизотропии и неоднородностей.
Цель и задачи работы. Целью работы является математическое моделирование физических закономерностей, которые возникают над горизонтально-слоистыми средами с анизотропией и выработка методических рекомендаций и способов интерпретации данных метода сопротивлений на примере азимутальных наблюдений электрического поля.
В соответствии с этим в работе решались следующие задачи:
-
Разработка и программная реализация теоретического подхода к решению прямой задачи ВЭЗ для двухслойной модели среды с анизотропией во втором слое для разной геометрии измерительных установок.
-
Изучение особенностей электрических зондирований над двухслойной средой с анизотропией во втором слое.
-
Разработка и программная реализация решения обратной задачи азимутальных электрических наблюдений над анизотропной средой.
-
Опробование разработанных алгоритмов и программ на конкретном полевом материале, проведение интерпретации данных.
-
Выработка рекомендаций по методике исследований.
При решении этих задач получены новые научные результаты.
1. Разработано и программно реализовано решение прямой задачи ВЭЗ для случая двухслойной модели среды с анизотропией во втором слое для разных электроразведочных установок.
Использование полученного решения прямой задачи ВЭЗ, реализованного в виде программы позволило выполнить большой объем математического моделирования и провести исследования особенностей электрического поля для горизонтально-слоистой модели с анизотропным основанием. Результаты исследований показали следующее:
Модель горизонтально-слоистой среды с анизотропным основанием нельзя свести к более простым моделям, ни к горизонтально-слоистой, ни к анизотропному полупространству.
Для горизонтально-слоистой модели с анизотропным основанием установлено, что при некоторых соотношениях параметров модели и геометрии измерительных установок исчезает эффект парадокса анизотропии.
По результатам решения прямой задачи для рассматриваемой модели показано, что в анизотропной среде для азимутов, отличных от азимута простирания и падения, азимутальная компонента элек-
трического поля не равна нулю. Этим объясняется высокая чувствительность к анизотропии электрических свойств среды нелинейных установок (например дипольной экваториальной) по сравнению с обычно используемыми линейными установками (трех-электродная, симметричная, дипольная осевая и др.).
Анализ модельных кривых показал, что при интерпретации
вертикальных электрических зондирований для горизонтально-
слоистой среды с анизотропным основанием необходимо использо
вать адекватную модель геоэлектрического разреза. Формальное
применение аппарата интерпретации для слоистой изотропной сре
ды, без учета анизотропных свойств основания, приводит к эффекту
появления ложного слоя.
2. Разработано и программно реализовано решение обратной зада
чи азимутального электропрофилирования над анизотропной средой.
Установлено, что решение задачи наиболее чувствительно к
вариациям поперечного сопротивления. Оказалось, что проблема
неустойчивости задачи проявляется при изменении именно этого
параметра. А наиболее сильно неустойчивость решения задачи про
является при стремлении коэффициента анизотропии к единице.
3. Проведенные исследования возможности решения прямых и об
ратных :задач; для неоднородно-анизотропных сред на основе спек
трального подхода позволили сделать следующие выводы.
Использование программной реализации спектрального подхода позволило выполнить математические расчеты спектров азимутальных функций кажущегося сопротивления для различных моделей и геометрии установок. Результаты анализа спектров позволили однозначно определить, что спектр азимутальной функции кажущегося сопротивления нелинейной установки шире спектра линейной установки. Следовательно, при азимутальных измерениях с нелинейными установками необходим более частый шаг по азимуту, чем для линейных установок.
По результатам анализа спектров показано, что при азимутальных измерениях над анизотропными породами в спектрах получаемых функций кажущегося сопротивления содержатся только четные гармоники. При влиянии неоднородностей амплитуды нечетных гармоник отличны от нуля. По соотношению амплитуд четных и нечетных гармоник в спектре можно судить о преобладании влияния либо анизотропии, либо неоднородностей. Когда амплитуды нечетных гармоник намного меньше, чем амплитуды четных, - параметры анизотропной толщи определяются точнее. Таким образом, установ-
лено, что применение спектрального подхода при обработке данных азимутальных измерений позволяет легко получать количественные оценки влияния анизотропии и неоднородностей по соотношению в спектре амплитуд четных и нечетных гармоник.
Представление азимутальной функции кажущегося сопротивления над анизотропной средой через ее спектр допускает при последующем восстановлении функции использовать только четные гармоники. Применение этого приема предоставляет возможность при обработке полевых данных уменьшить влияние неоднородностей по сравнению с влиянием анизотропии, а в отдельных случаях почти полностью его подавить.
При проведении сравнительного анализа спектров азимутальных функций кажущегося сопротивления для линейных и нелинейных установок удалось достаточно просто подтвердить, что нелинейные установки более чувствительны к анизотропии, чем линейные, при одинаковой чувствительности к неоднородностям.
4. Проведенный анализ решений прямых и обратных задач для моделей неоднородно-анизотропных сред показал, что площадные наблюдения дают возможность разделить наблюденное электрическое поле на аномальную составляющую, связанную с влиянием неоднородностей и фоновую составляющую, связанную с анизотропией электрических свойств среды. Лишь в некоторых, наиболее простых ситуациях возможно решение подобной задачи с помощью профильных наблюдений. Для уверенного распознавания влияния неоднородностей и анизотропии рекомендуется несимметричное вращение установок (вращение установки не вокруг ее центра). Практическая ценность работы.
1. Решена теоретическая задача расчета электрического поля над горизонтально-слоистой моделью с анизотропным основанием. Эта модель среды имеет более широкую область практического применения по сравнению с моделью анизотропного полупространства.
Полученное решение программно реализовано для двухслойной модели. Программа позволяет получать кривые вертикального электрического зондирования и полярные диаграммы кажущегося сопротивления для различной геометрии измерительных установок. Анализ результатов моделирования позволяет целенаправленно выбирать методику наблюдений при постановке полевых работ.
Теоретически показано, что для горизонтально-слоистых моделей с анизотропными свойствами существуют такие соотношения параметров модели и геометрии измерительной установки при кото-
рых не выполняется парадокс анизотропии, на использовании которого основано решение большинства практических задач.
Программа моделирования опробована на конкретной геологической ситуации. Результаты модельных исследований электрического поля над двухслойной средой с анизотропным основанием позволили модернизировать методику азимутальных измерений для уверенного определения по площади простирания анизотропного основания (плато Патиль, Бахчисарайский район, Крым). По результатам измерений построена карта-схема простирания анизотропных пород таврической серии, перекрытых слоем песчаников переменной мощности.
-
Разработана программа решения обратной задачи азимутального электропрофилирования над анизотропным полупространством для установок разной геометрии. Решение реализовано в виде программы интерпретации данных азимутальных наблюдений для разной геометрии установок. Программа опробована на полевых материалах, полученных на Чукотке, в Крыму и др. Опыт практического использования программы показал ее эффективность при обработке азимутальных наблюдений.
-
Применение спектрального подхода для анализа азимутальных наблюдений дает возможность определять как параметры связанные с анизотропией электрических свойств (коэффициент анизотропии, направление простирания), так и параметры зависящие от влияния неоднородностей (например, коэффициент асимметрии) и относительный вклад анизотропии и неоднородностей в измеряемое электрическое поле.
-
Разработана технология исследования неоднородно-анизотропных сред, которая включает в себя методику проведения полевых наблюдений, обработку данных и интерпретацию. Технология азимутальных исследований направлена на разделение влияний анизотропии и неоднородностей.
Апробация работы.
Работа апробирована на примере азимутальных наблюдений. Теоретические решения и алгоритмы опробованы на представительных площадях с существенно различным геологическим строением (Крым, Донецк, Чукотка).
Основные результаты работы и ее отдельные положения докладывались и обсуждались на научной студенческой конференции геологического факультета МГУ (Москва, 1993г.); на XX, XXI v XXII научных конференциях молодых ученых геологического факуль-
тета МГУ (Москва, 1993, 1994, 1995 гг.); 57th EAEG & EAPG Conference (Glasgo, Scotland, 1995); на международной конференции "Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей" РАН, ЕАГО (Воронеж,
-
г.); на ежегодных научных конференциях "Ломоносовские чтения" (Москва, МГУ, 1996, 1997 гг.); на Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Геофизика-97» (Петродворец, СПб, 1997 г.; на международной геофизической конференции «Москва-97», SEG-EAEG-ЕАГО (Москва,
-
г.); 59th EAGE Conference (Geneva, Switzerland, 1997); 3rd Meeting environmental and engineering geophysics (Aarhus, Denmark, 1997); International Symposium IEEGS (Chengdu, China, 1997).
Публикации. Основные положения работы изложены в 14 опубликованных работах, в том числе в учебном пособии «Электроразведка методом сопротивлений» в главе «Изучение анизотропных сред».
Работа выполнена автором на кафедре геофизических методов исследования земной коры геологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 100 страниц текста, имеет 40 рисунков и список литературы из 228 наименований.
Автор благодарен своему научному руководителю кандидату геолого-минералогических наук, доценту И.Н.Модину за постоянную помощь, поддержку и участие. Автор выражает свою искреннюю благодарность доктору физико-математических наук, доценту В.А.Шевнину и научному сотруднику Е.В.Перваго за плодотворное сотрудничество, своевременные и полезные советы, здоровую критику и оказанную помощь при выполнении работы.