Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ АНОМАЛИЙ, СВЯЗАННЫХ С ВЫСОТАМИ ДНЕВНОГО РЕЛЬЕФА ГОРНОЙ ОБЛАСТИ
1.1. Проблема выделения гравитационных аномалий, связанных с высотами дневного рельефа 9
1.2. Возможность спектрального представления связи аномалий Буге с дневным рельефом и выбор ее кросс-спектральных характеристик г і
1.3. Выводы 50
ГЛАВА 2. МЕТОДЖА, АЛГОРИТМ И ПРОГРАММА КРОСС-СПЕКТРАЛЬНОГО
ИЗУЧЕНИЯ СВЯЗИ АНОМАЛИЙ БУГЕ С ВЫСОТАМИ ГОРНЫХ РЕГИОНОВ
2.1. Особенности методики кросс-спектрального анализа аномалий Буге и высот рельефа горных областей 32.
2.2. Алгоритм и программа изучения кросс-спектральных связей аномалий Буге и высот рельефа 46
2.3. Выводы 57
ГЛАВА 3 КРОСС-СПЕКТРАЛЬНАЯ СТРУКТУРА СВЯЗИ АНОМАЛИЙ БУГЕ С ВЫСОТАМИ РЕЛЬЕФА ГОРНЫХ ОБЛАСТЕЙ
3.1. Характер кросс-спектральных связей. . 59
3.2. Выделение идентифицированных компонент и параметризация модели связи 78
3.3. Моделирование источников аномалий силы тяжести, связанных с дневным рельефом
3.4. Связь кросс-спектральных характеристик с параметрами изостатического и статистического редуцирования 95
3.5. Выводы 99
ГЛАВА 4. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗРАБОТАННОЙ
МЕтодаки
4.1. Геолого-структурный анализ и количественная интерпретация выделенных компонент аномалий Буге
4.2. Геологические результаты районирования горной области по особенностям региональных связей аномалий Буге 12L3
4.3. Выводы \ъ\
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 153
ЛИТЕРАТУРА 138
- Проблема выделения гравитационных аномалий, связанных с высотами дневного рельефа
- Особенности методики кросс-спектрального анализа аномалий Буге и высот рельефа горных областей
- Характер кросс-спектральных связей.
- Геолого-структурный анализ и количественная интерпретация выделенных компонент аномалий Буге
Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема идентификации и разделения на компоненты гравитационных полей горных районов, известная в гравиразведке под названием проблем выделения регионального фона и эффекта разновысотности, составляет одну из сложнейших задач гравиметрического исследования. Использование в горной гравиметрии методов разделения наблюденных аномалий (частотная фильтрация, выметание масс, геологические редукции и т.п.), применяемых в равнинных условиях, обычно оказывается мало эффективным из-за сложности геологического строения горно-складчатых регионов и априорной неопределенности частотного состава "сигналов" и "помех". Соответственно, особую роль приобретает возможность применения методов, использующих дополнительную информацию о свойствах разделяемых полей, в частности, характерное свойство большинства аномалий-"помех" - связь с высотами рельефа дневной поверхности горного региона. Существование данной связи послужило основой для разработки ряда статистических и изостатичес-ких редукций, однако ее широкое использование при решении задач разделения гравитационного поля горных районов резко ограничивается отсутствием четких представлений об особенностях тонкой структуры и диапазоне проявления связей, а также несовершенством используемого математического аппарата и методики исследования. Так как аномалии в редукции Буге являются наиболее распространенной формой представления результатов гравиметрических исследований горной области, то решение вопросов объективной идентификации и выделения их связей с высотами рельефа может рассматриваться как один из путей решения проблемы разделения гравитационного поля горных районов, необходимого для эффективной геологической интерпретации гравиметрических данных. Особое значе- ниє решение указанного круга вопросов приобретает в связи с намечаемым на ХП пятилетку широким осуществлением высокоточных гравиметрических исследований горных областей СССР.
Цель работы. В соответствии с изложенным, основной целью диссертационной работы является исследование тонкой структуры связи аномалий Буге с высотами поверхности дневного рельефа горных областей, определение базиса этой связи и разработка, на основе результатов исследования, методики идентификации и выделения компонент аномального гравитационного поля, связанных с высотами рельефа. Рассматриваются линейные связи, представляющие особый интерес для гравиразведки.
Основные задачи исследования состояли:
В выборе математического аппарата исследования, обеспечивающего в широком частотном диапазоне идентификацию и выделение линейных связей аномалий и высот рельефа дневной поверхности.
В разработке методики исследования реальных связей, алгоритма и программ для ЭВМ.
В исследовании тонкой структуры связи аномалий Буге и высот рельефа дневной поверхности некоторых горных областей и введении, на основании проведенного исследования, моделей описания и выделения связи.
В оценке достоверности и геологической эффективности результатов исследования.
Методы исследования. Для выполнения задач исследования диссертантом предложено использовать математический аппарат одномерного кросс-спектрального анализа связи в варианте, обеспечивающем индннтификацию линейных связей, оценку их параметров, а также исследование пространственного распределения связей по территории горной области. Для определения собственно зависи- мостей аномалий Буге от высоты использована модификация метода наименьших квадратов, базирующаяся на сингулярном разложении матриц, "регулирующем" точность вычислений параметров. Результаты исследования, для определения степени их обоснованности, сопоставлялись с геолого-геофизическими данными.
Научная ценность и новизна работы. Обоснована возможность применения модификаций математического аппарата кросс-спектрального анализа наблюдений для изучения тонкой структуры связи с высотами дневного рельефа как региональных, так и локальных компонент аномалий Буге горных областей. Разработан алгоритм исследования связей аномалий Буге с высотами дневного рельефа, учитывающий как особенности структуры гравитационных полей горных областей, так и форму задания материала.
Установлен диапазон проявления линейных связей аномалий Буге с высотами рельефа некоторых горных областей и выявлена многокомпонентное^ связи как для региональных, так и для локальных компонент гравитационного поля.
Показана возможность использования для описания и выделения связанных с рельефом компонент аномалий Буге моделей типа линейной многофакторной регрессии, базисными функциями которых являются в различной степени осредненные высоты дневного рельефа региона.
Показано, что широко используемые в практике гравиметрических исследований горных регионов статистические редукции и изостатическая редукция Грааф-Хантера могут трактоваться как приближения к идентифицированным моделям многокомпонентной связи.
Практическое значение работы. Разработаны новая методика, алгоритм исследования и программы для ЭВМ, позволяющие прово- - ? - дить эффективную идентификацию и выделение связанных е высотами поверхности дневного рельефа компонент гравитационного поля горных областей в диапазоне, представляющем интерес для решения задач общей и разведочной геофизики.
Проведено изучение структуры связи аномалий Буге и высот рельефа ряда участков горных областей СССР (участки территории Кавказа, Рудного Алтая, Хибинского массива). На практических примерах показано, что выделяемые по разработанной методике компоненты гравитационного поля отражают реальные геологические ситуации и могут успешно использоваться при решении задач, стоящих перед гравиразведкой.
Рассмотрена возможность применения идентифицированных моделей многокомпонентных связей для определения особенностей изостатической компенсации, прогнозирования элементов глубинного строения горных регионов, а также для районирования территорий горных регионов и выявления некоторых классов объектов, слабо проявленных в наблюденном гравитационном поле ("скрытые" структуры фундамента).
Показана возможность применения разработанной методики для определения некоторых параметров статистических и изоста-тических редукций (радиусы региональности изостатической компенсации рельефа).' Установлены ограничения на применения этих редукций при решении практических задач.
Реализация работы. Разработанная методика использовалась в тематических работах отдела гравиметрии ВИЕТа НПО "Рудгеофи-зика", а также при обработке материалов крупномасштабных гравиметрических съемок в горных районах, проводимых УГ Армянской ССР, и при обработке и интерпретации материалов крупномасштабных съемок в пределах Хибинского массива, проводимых ПГО "Сев- запгеология". Внедрение элементов методики в практику работы института "Іенгипроводхоз" позволило при интерпретации карты аномалий Буге одного из горных районов Сирийской Арабской Республики локализовать гравитационное влияние геологических структур, связанных с поисковыми объектами, и, тем самым, существенно сократить объем бурения. Подтвержденный экономический эффект от внедрения превысил 93000 руб.
Апробация работы. Содержание диссертационной работы докладывалось и обсуждалось на Ленинградском семинаре по районированию магнитных и гравитационных полей в связи с задачами глобальной, региональной и структурной геологии,- ЛГУ-І978 г.; на П и ІУ Всесоюзных школах-семинарах "Теория и практика интерпретации гравитационных и магнитных аномалий", Тбилиси, 1978 г., Алма-Ата, 1984 г.; на Всесоюзной школе передового опыта "Методика проведения, обработки и интерпретации гравиметро-вых съемок в горах", Нальчик, 1979 г.; на Юбилейной конференции, посвященной 50-летию гравиметрической службы в СССР, Москва, 1982 г.
Публикаций. Основные результаты работы изложены в шести публикациях, в том числе [48, 58-60].
Структура и объем работы, диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержит ill стр. машинописного текста, 22 рисунка и список литературы из 100 наименований.
Проблема выделения гравитационных аномалий, связанных с высотами дневного рельефа
Решение большинства задач рудной геофизики основывается на широком использовании материалов выоокоточных гравиметрических съемок, проводимых на различных стадиях геологоразведочных работ. К сожалению, однозначное истолкование результатов съемок - определение геологической природы наблюденных аномалий и параметров возмущающих объектов (количественная интерпретация) - сопряжено со значительными трудностями. Наряду с теоретической и практической эквивалентностью решения обратных задач гравиметрии их причиной является и аддитивность гравитационного поля ( &ty ), особенно ярко проявляющаяся в горных районах.
Наблюденные в горах аномалии определяются воздействием множества факторов, в том числе и являющихся помехами при решении конкретных задач. Ддя большинства задач разведочной геофизики, объекты которой обычно расположены в высоких горизонтах земной коры, к "помехам", кроме собственно погрешностей наблюдений, традиционно относятся влияния факторов, не представляющих интереса при конкретном исследовании, - влияния глубинных и региональных объектов, влияния масс, слагающих рельеф дневной поверхности и, наконец, влияние разновы-сотности поверхности наблюдений. При этом само понятие интерпретируемого "эффекта искомого объекта" оказывается неопределенным без идентификации и разделения зафиксированный аномалий на сигнал и помеху.
Приводимые в литературе [І, 48, 72] оценки гравитационных сигналов и помех в горных областях весьма примечательны: интенсивность региональных аномалий, связанных с объектами различной глубинности, обычно изменяется в диапазоне п-(10-100).ІСГ5 м/с , при п =1, 2, 3,..., т.е. от первых десятков до первых сотен миллигал; суммарная величина поправок за влияние дневного рельефа в условиях средне- и высокогорья достигает величины (20-25).1О"5 м/с2 (20-25 мГал) и изменяется с высотой точки наблюдения; величина эффекта разновысот-ности (эффекта аномального вертикального градиента) - фиктивных аномалий, связанных с "переработкой" разновнсотной поверхностью наблюдения поля некоторых региональных объектов - COC-тавляет первые а-10 м/с . "Сигналы" большинства объектов рудной гравиразведки составляют первые Пж(1-10).1СГ5 м/с2.
Идентификация наблюденных аномалий оообенно затруднительна при изменчивости помех по территории горной области, следствием которой является близость частотного состава сигнала и помехи. Переменными могут оказаться как региональные эффекты, обусловленные телами неглубокого залегания, так и помехи, связанные с недоучетом рельефа, ошибками редуцирования и т.п. Естественно, что первым этапом любой интерпретации результатов гравиметрических съемок должно быть уменьшение неблагоприятного соотношения сигналов и помех, т.е. решение задачи выделения (локализации) составляющих, обусловленных изучаемыми (искомыми) геологическими объектами и, соответственно, максимальное подавление мешающих факторов (аномалий-помех). Эта задача обычно осуществляется трансформацией аномалий.
В практике гравиразведочных работ широко применяются трансформации двух групп: I) разделение аномалий на "сигнал" и "помехи" без привлечения априорной геологической информации - методы частотной фильтрации и 2) методы, основанные на независимо полученной внешней геологической информации - геологическое разделение аномалий, корреляционное разделение аномалий.
class2 МЕТОДЖА, АЛГОРИТМ И ПРОГРАММА КРОСС-СПЕКТРАЛЬНОГО
ИЗУЧЕНИЯ СВЯЗИ АНОМАЛИЙ БУГЕ С ВЫСОТАМИ ГОРНЫХ РЕГИОНОВ class2
Особенности методики кросс-спектрального анализа аномалий Буге и высот рельефа горных областей
Предлагаемая методика практического кросс-спектрального анализа аномалий Буге и высот поверхности дневного рельефа разработана в соответствии с современными представлениями о характере гравитационного поля и высот дневного рельефа горных областей [II, 17, 55, 57, 98 и др.] и исследованиями структуры их взаимосвязи, выполненными диссертантом [48, 58, 59, 60] .
Практический кросс-спектральный анализ (КСА) аномалий Буге и высот дневного рельефа в первую очередь означает конечность интервалов спектральных преобразований. При этом представляется сомнительным широко распространенное в геофизике допущение, что вычисляемые значения являются оценками энергетических спектров, соответствующих бесконечным интервалам или ансамблям реализаций [8, 31, 46 ] . Проведенные в различные годы исследования показали, что гравитационные поля и высоты дневного рельефа горных областей никоим образом не являются выборочными реализациями стационарных (статистически однородных) случайных функций - в лучшем случае они могут быть кусочно (локально) стационарными, т.е. сохраняющими статистическую структуру на ограниченных территориях [II, 13, 57] . Для горных регионов становится неопределенным само понятие статистического спектра гравитационного поля - нет гарантии, что полученные в различных физико-геологических условиях значения будут (в каком-либо смысле) сходиться к некой всеобщей характеристике, как нет гарантии, что этой характеристике - энергетическому спектру - удастся приписать определенный физический смысл. Сходная картина наблюдается и для связи аномалий Буге с высотами поверхности дневного рельефа. Так, например, на рис.1 приведен график изменения по профилю, пересекающему территорию Кавказа, периодов (линейных размеров) наиболее низкочастотной из связанных с дневным рельефом в диапазоне 20 - 200 км компонент аномалий Буге. Хорошо видно, что периоды низкочастотных компонент экстремальной связи меняются от 80 км в пределах Главного хребта Большого Кавказа до 170 км на отдельных участках Малого Кавказа, т.е. более чем в 2 раза, в то время как значения коэффициента корреляции К --0,65 - 0,9 свидетельствуют о примерно равной интенсивности связи этих компонент. Таким образом, можно также говорить лишь о сохранении структуры связи на ограниченных участках горной территории, т.е. о ее кусочной стационарности. Проблема спектрального анализа нестационарных данных до сих пор относится к нерешенным проблемам математической статистики [9, 47, 84] . Нам представляется естественным трактовать кросс-спектральный ана не лиз связей гравитационного поля как получение недостижимых абстракций - статистических спектров нестационарных данных, а как получение самостоятельных характеристик - эволюционных (мгновенных) спектров, характеризующих конкретное гравитационное поле, конкретные высоты рельефа и их взаимосвязь при фиксированном положении исследуемых выборок (палеток) на местности.
Характер кросс-спектральных связей.
Кросс-спектральная идентификация связанных с дневным рельефом компонент аномалий Буге проводилась по материалам гравиметрических съемок различного масштаба. В качестве основного "полигона" исследования были взяты участки территории Кавказа. Этот выбор при региональных масштабах определялся, в первую очередь, наличием для данной горной области "кондиционных" гравиметрических карт соответствующих масштабов, а при крупномасштабных исследованиях - наличием высокоточных гравиметрических съемок. В работе использованы данные гравшлетрических исследований и других горных районов (Хибинский массив, Рудный Алтай, Антарктида).
Изучение региональных связей проводилось.- на основе описанной в главе 2 методики по скользящим выборкам протяженностью от 200 до 700 км с шагом снятия данных, меняющимся в пределах 1-5 км. С учетом ограничения частотной полосы анализа, региональная связь в основном изучалась в диапазоне от 10 до 200-350 км, представляющем практический интерес для геофизика-интерпретатора. Локальные связи аномалий Буге изучались по коротким (до 30 км) профилям высокочастотной съемки с шагом дискретности 250-500 м, т.е. верхним пределом анализа являются аномалии линейных размеров 750-1750 м. Исследуемые горные участки характеризовались перепадами высот рельефа от 0 до 2500-5000 м и существенной изменчивостью интенсивного гравитационного поля.
Анализ экстремумов нормированного коспектра и соответствующих периодов экстремально связанных с высотами рельефа аномалий, выбранных в качестве основных характеристик спектральной связи, выявили общие черты зависимостей аномалий Буге от высот рельефа. Рассмотрим их на примере типичных для Кавказа спектров аномалий Буге, высот дневного рельефа и нормированного коспектра их связи (рис.7-8). Спектральные характеристики, приведенные на рис.7, соответствуют положению анализируемой выборки длиной в 250 км в пределах Грузинской части главного Кавказского хребта, а на рис.8 - на Северном Кавказе. Даже беглый взгляд на графики позволяет заметить основнда_ч _кдосс спектдальной связи гравитационных аномалий - ее многофакторность. Так, в рассматриваемом диапазоне периодов одновременно фиксируется по три-четыре подтвержденных "уровня" связи, соответствующих компонентам различных размеров. Причем абсолютные значения Co(j3) оказываются крайне высокими - на частотах экстремальной связи они, в основном, близки по модулю к величинам 0,7-0,9. Столь высокие значения экстремумов нормированного коспектра, характеризующих коррелиру-емость с рельефом синфазных и зеркальных компонент гравитационного поля, в соответствии с результатами, изложенными в 1.2, свидетельствуют (что подтверждается исследованиями и по другим участкам) о практически линейной связи анализируемых компонент. Это означает, что исследуемая связь с дневным рельефом определяется одновременным линейным наложением связей компонент различного пространственного масштаба.
class4 ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗРАБОТАННОЙ
МЕтодаки class4
Геолого-структурный анализ и количественная интерпретация выделенных компонент аномалий Буге
Выделение из наблюденных аномалий силы тяжести компонент, отображающих различные "формы" рельефа дневной поверхности гор- ной области, по сути, является операцией перехода от широкой интерференционной картины аномалий Буге горной области, обусловленной факторами различной физической природы, к аномалиям, несущим информацию о сравнительно узких классах объектов, ограниченных интервалами глубин, линейными размерами, взаимосвязью с поверхностным рельефом и т.п. При этом особый интерес представляет сопоставление выделяемых по разработанной методике аномалий с геологическим материалом, позволяющее сделать выводы о правомочности использования разработанной методики в различных ситуациях.
На рис.15 - 17 приведены графики компонент аномалий Буге, связанных с различными "уровнями" экстремальной связи, графики остаточных аномалий, а также геологические разрезы по трем профилям, расположенным в различных районах Большого Кавказа. Районы отличаются друг от друга как по своим орографическим особенностям, геологическому строению, так и по характеру гравитационного поля. Профиль I (рис.15) расположен на Северном Кавказе. Он проходит через высокогорную часть Главного Кавказского хребта близ горы Эльбрус, пересекает скалистый хребет, спускается в предгорья и выходит на равнину Кабардино-Балкарии. Абсолютные отметки высот вдоль профиля изменяются от 350 до 3700 м. Профиль П (рис.16) в своей западной части проведен по южному склону Большого Кавказа, где пересекает несколько горных хребтов. Его восточный конец поднимается на Главный хребет. Абсолютные отметки по этому профилю изменяются от 450 до 2500 м. Наконец, профиль Ш (рис.17) начинается на западе у края Рионокой низменности, пересекает Рачинский хребет, а затем несколько сравнительно невысоких горных хребтов в Восточной Грузии. Абсолютные ЕЫСОТЫ здесь изменяются от 200 до 3400 м.
Методика разделения гравитационного поля и результаты моделирования источников определили трактовку приведенных графиков выделенных компонент экстремальной связи аномалий Буге: первые два (на последнем профиле - три) графика для каждого профиля рассматриваются как гравитационное влияние геологических структур, залегающих на двух (или трёх) различных глубинных уровнях. Изменения плотности по латерали при этом не принимаются во внимание, и гравитационные аномалии рассматриваются как результат влияния только морфологии плотностных разделов. Геологическую сущность этих плотностных разделов можно получить лишь проведя количественную интерпретацию результатов.
Как уже показывалось на модельных и практических примерах, кросс-спектральное представление связей Ag и h позволяет идентифицировать в интерференционной картине аномалий Буге горной местности компоненты различного периода, имеющие общее свойство - корреляцию с обобщенными в различной степени высотами дневного рельефа. Предложенная нами модель многокомпонентной связи позволяет выделить и проинтерпретировать .любую из зафиксированных компонент. При этом, если интерпретация компонент уравнения, описывающего низкочастотные региональные связи аномалий Буге, дает, очевидно, информацию о глубинном строении региона, то отдельные компоненты базиса более "локальных" связей, как уже упоминалось, могут вызываться изменением приповерхностных геологических границ и, тем самым, будут представлять особый интерес при решении поисково-картировочных задач. К сожалению, мы вынуждены отметить, что необходимые для интерпретации высокоточных материалов помехоустойчивые методы решения обратных задач на сложном рельефе находятся на стадии разработки [73]. Ниже будет рассмотрен только пример количественной интерпретации компонент региональных связей на сильно сглаженном дневном рельефе. Для сужения области эквивалентных решений принята сформулированная выше гипотеза, что решение ищется в модельном классе структурных задач, т.е. возмущающими объектами для аномалий, коррелирующихся с формами регионального рельефа, являются изменения границ раздела слоистых сред - контактных поверхностей. При интерпретации компонент гравитационного поля мы будем использовать следующую схему:
