Введение к работе
Актуальность темы. Широкое развитие в изучении природных ресурсов получили методы дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) с применением космических носителей. Разнообразие их модификаций и способов интерпретации материала позволяют оперативно получать сведения о природе и геологическом строении земной коры (ЗК).
Существует целый ряд технологий фундаментальных исследований на основе изучения поля в различных спектрах оптического излучения, рассмотренные в работах Кашкина В.Б., Гридина В.И., Cronberg P., Davis Sh.M., Landgrebe D.A., и др. Они базируются, как правило, на визуальном дешифрировании космических снимков, спектрометрическом и морфоструктурном анализах изображений (Кашкин В.Б., Cronberg Р.), что недостаточно для информативности и достоверности при изучении сложных природно-техногенных сред. Нерешенной в этом случае остается задача построения объемной модели геологической среды.
Особого внимания заслуживает развитие методики обработки снимков в дальнем (8-14 мкм) тепловом инфракрасном (ИК) диапазоне с последующей интерпретацией расчетных объемных моделей теплового излучения среды и блоково-разломных структур для решения геологических, техногенных и экологических задач. Развитие технологии дистанционного тепловизионного зондирования Земли (ДТЗЗ) открывает новые возможности в области практической геологии. Изучение естественного теплового поля (ТП) позволяет расширить представление о геотермическом строении осадочного чехла и кристаллического фундамента, провести дифференциацию геологических объектов, подтвердить практическую направленность геофизического метода при поисках полезных ископаемых и в целом внести вклад в дальнейшее развитие науки о Земле.
С учетом вышеизложенного тема диссертации, направленная на решение вопросов программного и методического обеспечения ДТЗЗ, включая разработку моделей геотермического поля, алгоритмов и программ по обработке космических снимков, тестирования технологии путем интерпретации материалов Южно-Татарского (ЮТС) и Токмовского сводов, является актуальной.
Цель и задачи исследования. Основной целью работы является повышение точности и результативности метода тепловизионного зондирования геологических сред путем разработки способов математического моделирования потока эндогенного теплового излучения Земли.
Цель работы достигнута решением следующих задач:
Создание региональных и локальных тепловых моделей на основе тепловизионных космических снимков, обеспечивающих уточнение представлений о геофизическом строении Земли.
Разработка эффективных алгоритмов расчета параметров объемных моделей плотности потока теплового излучения геологической среды и блоково-разломных структур.
Анализ алгоритмов, используемых при построении тепловых моделей земной коры, и развитие методики геологической интерпретации материалов.
Разработка программы решения обратной задачи ДТЗЗ, реализующая подход преобразования поля в тепловые параметры среды на заданных глубинах и характеризующаяся быстродействием и высокой формализацией решения.
Оценка возможностей метода в различных условиях Волго-Уральского региона путем расчета тепловых моделей и определения их связи с основными геологическими структурами.
Научная новизна результатов, выносимая на защиту
1. На основе детального исследования теоретических и практических
аспектов дистанционной тепловизионной съемки разработаны модели
теплового поля для градиентных сред и блоково-разломных структур.
Алгоритмы обработки изображений теплового ИК диапазона, основанные на
пространственной и частотной фильтрации поля, позволяют рассчитывать
характеристики объемных моделей ТП с целью изучения геофизического
строения Земли.
2. Разработана методика непрерывного тепловизионного зондирования с
использованием космических систем наблюдения при различном
пространственном разрешении съемки, позволяющая при высокой плотности
аномалий потока теплового излучения повышать точность геофизической
интерпретации при оценке характера неоднородности среды и отдельных
параметров геологических структур.
3. Разработан программный комплекс, реализующий методику и
алгоритмы обработки тепловизионных изображений и обеспечивающий расчет
интегральных и дифференциальных характеристик потока ТП с
формированием геотермических трехмерных моделей, карт и разрезов.
4. Выявлены статистически значимые связи между моделями ТП и
структурами земной коры Татарского и Токмовского сводов. Развиваемый
методический подход изучения глубинных моделей обеспечивает выявление новых геодинамических активных зон.
Достоверность полученных результатов подтверждена корректностью применения математического аппарата, численными экспериментами, сопоставлением с данными сейсмики, электрометрии и каротажа глубоких скважин, а также результатами использования материалов диссертации и программного обеспечения при внедрении.
Фактическая основа работы. В диссертации автором использованы материалы прикладных исследований, проводимых компанией «ТРАНССЕРВИС» (г.Кириши), фондовые космические изображения, получаемые со спутников «Landsat-TM/ETM+», «Terra/Aqua-MODIS». В рамках практического изучения геологических сред использованы материалы региональных и детальных геофизических работ на Татарском и Токмовском сводах по программам Министерства природных ресурсов РФ и крупных нефтяных компаний.
Практическое значение работы. Разработана методика и программный комплекс «ThermoImageProcessing v2.0» для получения эффективных по точности геотермических моделей. Рассчитанные многочисленные тепловые модели обеспечивают, по сравнению с ранее применяемыми геофизическими методами, более высокий уровень понимания современного геолого-тектонического строения среды, повышают эффективность геологоразведочных работ в Волго-Уральском регионе. Неоспоримым преимуществом методики является сочетание высокой информативности результатов при покрытии больших территорий и детальности изучения Земли. Практическая значимость работы защищена двумя патентами и подтверждена двумя актами о внедрении научных разработок в ЗАО «Экотехнологии» (Россия) и компании «TIHGSA» (Испания).
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы обсуждались на 10 международных научных конференциях, которые проводились в КГУ (г. Казань 2007-2011), СПбГУ (г. Санкт-Петербург 2008, 2010), РГУНГ (г. Москва, 2009), ИКИ РАН (г. Москва, 2010).
По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 6 статей в журналах из Перечня ВАК, получено два патента на изобретение (№2421762 и №2428722).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения; общий объем работы 148 страниц текста, включая 52 рисунка, 4 таблицы и 119 библиографических наименований.
Похожие диссертации на Математическое моделирование геологических сред на основе тепловизионных снимков
