Введение к работе
Актуальность проблемы.
Магнитотеллурическое зондирование (МТЗ) Земли в течении последних четырех десятилетий являлось одним из основных методов изучения ее строения. Применение этого подхода (как и любого другого) для решения практических задач геоэлектрики тесно связано с развитием методов интерпретации получаемых данных. Если в 50-60-х годах частотная зависимость кажущегося сопротивления в каждом пункте измерений трансформировалась в одномерный разрез, то впоследствии, с разработкой методов двумерной инверсии МТ данных (Жданов, Варенцов, 1980; Дмитриев и др., 1985; Weidelt, 1975; Jupp, VozofT, 1976; Zhdanov, Golubev, 1983; Constable et al., 1987; Smith, Booker, 1991; Uchida, 1993; Barashkov, 1994, и др.), появилась возможность построения двумерных геоэлектрпческих разрезов.
Развитые в последнее время методы решения прямых и обратных задач в трехмерной постановке (Wannamaker, 1991; Xiong, 1992; Livelybrooks, 1993; Mackie et al., 1993; Mackie. Madden, 1993, и др.), позволяют, с одной стороны, проводить трехмерную интерпретацию измеренных данных, и, с другой стороны, ставить вопрос об изучении поведения самих МТ -полей в характерных трехмерных моделях геоэлектрики.
Актуальность такой постановки вопроса определяется тем, что это может привести к разработке методик интерпретации МТ- данных, эффективно учитывающих специфику той или иной задачи (или целого класса задач), а также выявить общие закономерности в поведении МТ-поля в трехмерной среде, позволяющие уточнить границы применимости метода МТЗ, а также упрощенных подходов к интерпретации данных, развитых в последнее время.
Цель работы.
Целью работы является изучение поведения МТ-полей в трехмерных моделях геоэлектрики на основе разработки теории, методов и
программно-информационных средств для их анализа, моделирования и инверсии в трехмерную Землю.
Основные задачи исследований.
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие научные задачи:
- развитие теории интегральных и дифференциальных связей между
компонентами векторных МТ-полей;
- разработка эффективных алгоритмов расчета МТ-полей в
трехмерно-неоднородных средах;
разработка метода решения обратной задачи в классе трехмерных моделей электропроводности с учетом априорной информации и формализованного опыта геофизика-интерпретатора;
оценка влияния априорной информации и данных на результаты инверсии;
анализ поведения МТ-полей в характерных трехмерных моделях геоэлектрики;
- создание методик интерпретации МТ-данных (в том числе,
заданных на рельефной поверхности Земли);
разработка методики МТ-моннторинга (в том числе, дистанционного) электропроводности в ограниченной области земной коры;
построение трехмерных моделей электропроводности по площадным МТ-данным.
Научная новизна.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1) выведены асимптотические краевые условия для решения внутренних краевых задач в трехмерной проводящей среде;
-
предложен алгоритм решения прямой задачи геоэлектрики в трехмерных средах с вертикальной осью симметрии, основанный на конечно-элементной модификации метода баланса;
-
разработан метод решения обратной задачи геоэлектрики в трехмерных средах, позволяющий эффективно учитывать априорную информацию и формализованный опыт геофизика-интерпретатора;
4) предложена методика интерпретации МТ-данных, измеренных на
рельефной поверхности Земли;
5) разработана методика мониторинга электропроводности в
ограниченной области земной коры;
-
выявлены особенности и общие закономерности в поведении магнитотеллурнческих полей в типичных трехмерных моделях геоэлектрики;
-
получены новые знания о глубинном геоэлектрическом строении ряда интересных геологических провинций.
Практическая ценность.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
-
созданные пакеты программ, предназначенные для численного моделирования, анализа, визуализации и инверсии МТ-данных в трехмерных средах, используются для сравнительного анализа гипотез о геоэлектрическом строении Земли, оценки разрешающей способности МТЗ по обнаружению геологических объектов, рационального планирования МТ - съемки, повышения эффективности мониторинга электропроводности и т. д.;
-
разработанные методы инверсии МТ-данных переводят решение теоретически неединственной обратной задачи геоэлектрики в плоскость практически решаемой задачи поиска апостериорного распределения электропроводности с учетом априорной информации и формализованного опыта геофизика - интерпретатора:
3) предложенные методики делают возможной интерпретацию
профильных и площадных МТ-данных, измеренных на рельефной
поверхности Земли, в ее недрах и в атмосфере, в классе трехмерных геоэлектрическнх моделей, наиболее адекватных действительности.
Апробация.
Основные результаты диссертационной работы докладывались или были представлены на:
конференции "Условно-корректные задачи математической физики" (Алма-Ата, 1989); международном семинаре по магннтотеллурике (Беркли, 1989); IV Всесоюзном съезде по геомагнетизму (Суздаль, 1991); V-ом Всесоюзном симпозиуме по вычислительной томографии (Звенигород, 1991); международном симпозиуме "Визуальный анализ и интерфейс", (Новосибирск, 1991); XVI Генеральной Ассамблее Европейского Геофизического Общества, (Висбаден, 1991); IXX, XX и XXI Генеральных Ассамблеях Международного Союза Геодезии и Геофизики (Ванкувер, 1987; Вена, 1991; Боулдер, 1995); международных конференциях по активным вулканам и уменьшению риска катастрофы (Неаполь (Италия), 1991, 1995); международных симпозиумах по электромагнитной индукции в Земле (Дагомыс, 1988; Энсенада, 1990; Веллингтон, 1992; Брест, 1994; Онума, 1996); XXIX Международном Геологическом конгрессе (Киото, 1992); Ассамблее Европейского Геофизического Общества (Эдинбург, 1992); международном симпозиуме "Прогресс в электромагнитных исследованиях" (Пасадена, 1993); международном симпозиуме по геоинформатике (Лилль, 1994); конференции "Теория и практика МТЗ" (Москва, 1994); международном симпозиуме "Трехмерный электромагнетизм" (Рнджфилд, 1995).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в одной монографии (в соавторстве) и 70 статьях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Она содержит 332 страницы основного текста и 101 рисунок. В списке цитируемой литературы 329 наименований.
Диссертация основана на результатах самостоятельных исследовании автора. При ее написании использованы также некоторые результаты, полученные совместно с С. А. Акопьянцем, В. А. Аристовой, Г. Е. Гугунава, М. С. Ждановым, Л. Ю. Заславским, М. Монвьелем и М. Руссиньолем.
Все алгоритмы и программно-информационные средства, используемые в работе, разработаны лично автором или под его руководством.
Диссертационная работа выполнена при поддержке Фонда фундаментальных исследований РАН (грант N 9405-17603). Автор выражает благодарность д. ф. -м. н. С. М. Коротаеву, д. ф. -м. и. Г. А. Фонареву, к. ф. -м. и. В. С. Шнееру, а также сотрудникам Лаборатории электродинамики неоднородных проводящих сред Института геоэлектромагнитных исследований за поддержку и помощь в работе над диссертацией. Автор признателен д. т. н. Б. С. Светову и д. ф. -м. н. Э. Б. Файнбергу за критические замечания и полезные советы.