Файл: Булах Е.Г. Автоматизированная система интерпретации гравитационных аномалий (метод минимизации).pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.07.2024
Просмотров: 99
Скачиваний: 0
А К А Д Е М И Я Н А У К У К Р А И Н С К О Й С С Р |
ИНСТИТУТ ГЕОФИЗИКИ |
Е. Г. Булах
Автоматизированная система интерпретации гравитационных аномалий с
( м е т о д м и н и м и з а ц и и )
И З Д А Т Е Л Ь С Т В О « Н А У К О В А Д У М К А » К И Е В — 1 9 7 3
551.42 УДК 550. 831:681.3:51 Б90
В монографии описывается построенная на основании метода минимизации авто матизированная система интерпретации гравитационных аномалий, которая со стоит из отдельных этапов. Сюда входят решение прямых задач, вычисление фоно
вой ф у н к ц и и , |
расчет плотностных параметров горных пород, слагающих район |
исследования, |
определение параметров, которые х а р а к т е р и з у ю т местоположение |
и размеры геологических объектов. Применение всех этапов системы иллюстри руется несколькими примерами из практики геологической интерпретации . Монография рассчитана на геофизиков.
О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р докт. геол.-мин. наук
А.А. Ю н ь к о в
|
Р е ц е н з е н т ы : |
канд. геол.-мин. |
наук Я . А. |
Афанасьев, |
|
|
канд. |
геол.-мин. н а у к М. Ф. |
Скопиченко |
|
|
Г • • . п у б л и ч н а я |
|
|
|
||
тЛрчт-твхн* |
.9 |
к а л |
4 ? |
|
|
б и б л и о т е к а О С - |
|
|
Э К З Е М П Л Я Р
Ч И Т А Л Ь Н О Г О 3 * .г л
Редакция литературы о З е м л е и Космосе
З а в . редакцией В. Н. |
Завирюхина |
0255-165 9 9 _ 7 3 М22Ц04)— 73
О И з д а т е л ь с т в о « И а у к о в а д у м к а » , 1973 г.
ВВЕДЕНИЕ
В комплексе геологоразведочных работ геофизические методы разведки имеют первостепенное значение. Правильно поставленная разведка геофизическими методами позволяет рационально напра вить дальнейшие разведочные работы и значительно сократить их себестоимость.
Одним из важнейших этапов любого геофизического метода раз ведки является геологическая интерпретация полевого материала. В конечном итоге она, совместно с правильной методикой и техни кой полевых работ, определяет успех разведочных работ геофизи ческими методами.
В последнее время для обработки и интерпретации геофизиче ских материалов стали использоваться электронные цифровые вы числительные машины (ЭЦВМ). Широкое применение они получи ли при интерпретации гравитационных данных.
Не ставя перед собой цели делать обзор возможностей приме нения вычислительных машин для всех разделов разведочной гео физики, мы рассмотрим только некоторые вопросы применения ЭЦВМ для интерпретации гравитационных аномалий.
Среди вопросов возможности использования и применения электронных вычислительных машин для количественной интер претации гравитационных аномалий можно выделить четыре само стоятельных направления.
К первому направлению отнесем работы, которые связаны с трансформацией наблюденных аномалий и вычислениями различ ных поправок. Они обычно очень громоздки. Результаты пересче тов и трансформации наблюденного поля могут использоваться как для качественной, так и для количественной интерпретации.
Второе направление включает вопросы непосредственной интер претации аномалий на существующих ЭЦВМ. Сюда относятся про граммирование и решение на машине ряда задач по вычислению па раметров, определяющих возмущающие массы. Исходными данными при этом являются значения аномальной функции.
Третье направление — вопросы применения вычислительных машин для расчетов различных палеток, номограмм, таблиц и других средств интерпретации. Эти средства могут повысить
эффективность известных методов интерпретации и способствовать разработке новых методов, которые ранее не могли быть внедрены •из-за громоздких расчетов.
Четвертое направление охватывает работы по созданию специ ализированных счетно-решающих машин для интерпретации ано малий.
Рассмотрим подробнее каждое направление.
Первое направление. Вычислительные машины позволяют доста точно быстро производить расчет по самым сложным формулам. Поэтому естественно, что в самом начале исследования по исполь зованию вычислительных машин при обработке и интерпретации геофизических наблюдений были направлены на автоматизацию трудоемких вычислений.
К периоду внедрения вычислительной техники в гравиметрии самыми громоздкими были расчеты, связанные с трансформацией полей. Поэтому для вычисления гравиметрических задач прежде
всего |
были составлены |
программы по трансформации полей. |
В |
СССР одними из |
первых стали использовать вычислительные |
машины для трансформации полей И. А. Балабушевич, Б . В. Бондаренко, Р. Ф. Володарский, О. К. Литвиненко, В. Н. Страхов и др. Применение вычислительных машин для трансформации ано
малий потребовало разработки более совершенных |
вычислитель |
|
ных схем (Г. И. Каратаев, |
А. К. Маловичко, М. |
Г. Сербуленко, |
В. Н. Страхов, М. Ла Порте |
и др.). К этому направлению относят |
ся работы по вычислению на ЭЦВМ поправок за влияние рельефа
местности при съемках с гравиметром (В. И. Аронов, Л . А. |
Коваль, |
|||
М. Ботт, М. Кане и др.). Достаточно |
детальный |
обзор |
исследо |
|
ваний по этому направлению сделан |
в работах |
[36, 49, |
85, |
111 |
и др.]. |
|
|
|
вто |
Почти одновременно с первым направлением развивается |
||||
рое — применение вычислительных машин для интерпретации |
ано |
малий. Вычислительные машины позволяют достаточно быстро производить самые сложные расчеты. Однако основное значение этих исследований для интерпретации аномалий заключается в том, что при новых технических возможностях могут быть созданы качественно новые методы интерпретации. Теперь возникает зада ча разработки более универсальных методов интерпретации, приме нять которые без вычислительных машин нельзя. Создать один универсальный машинный метод интерпретации гравитационных аномалий невозможно — в различных физико-геологических усло виях методы интерпретации будут разные. Необходимо получить небольшой комплекс таких методов и четко определить области их применения. В настоящее время уже имеются работы по созданию эффективных машинных методов интерпретации.
Первым этапом второго направления являются разработки эф фективных методов решения прямых задач, что имеет важное зна
чение для автоматизации |
вычислительных работ при интерпрета |
ции аномалий. Каким бы |
методом ни интерпретировались анома- |
4
лии, в результате по совокупности всех данных (геологических и
геофизических) строится схема геологического строения |
района. |
|||
Д л я |
подтверждения правильности построения |
этой |
схемы |
необхо |
димо |
решить прямую задачу гравиразведки. |
Кроме |
того, |
многие |
исследователи приходят к выводу, что с помощью трансформаций полей нельзя выделить аномалию, которая была бы обусловлена только искомым геологическим объектом. В практике интерпрета
ции получил распространение так называемый |
метод |
геологическо |
го редуцирования. Сущность его заключается |
в том, |
что поля раз |
деляются вычитанием из наблюденного гравитационного поля влия ния объектов, местоположение и размеры которых установлены по геологическим данным или при интерпретации данных других гео физических методов. При этом снова необходимо решать прямые задачи для тех геологических структур, которые составлены исследо вателем.
При вычислении аномалий от определенных геологических объектов сталкиваемся с обилием возмущающих масс. Это и приво дит к большим трудностям. Однако вычислительный процесс реше ния прямой задачи можно с достаточной степенью точности унифи цировать.
В самом деле, пусть установлено, что возмущающее тело мож но считать двухмерным. Допустим далее, что возмущающие массы будут сосредоточены в одной или нескольких областях. Каждую область можно хорошо аппроксимировать кусочно-прямолинейным контуром. Таким образом, гравитационное поле, которое создается любым двухмерным телом, аппроксимируется суммой гравитацион ных полей от уступов. Каждый уступ определяется пятью парамет
рами: xv |
Ii, хг> H — координатами угловых точек и |
а — избыточ |
|
ной |
плотностью. |
|
|
Аналогично можно унифицировать расчеты для трехмерных тел. |
|||
Д л я |
этого достаточно представить возмущающие тела |
в виде суммы |
|
уступов, |
ограниченных по простиранию, или параллелепипедов. |
В последнем случае каждый геологический объект описывается семью параметрами. Шесть из них характеризуют положение гра ней, а седьмой — избыточную плотность. Такая аппроксимация позволяет описывать тела с переменной плотностью.
Составленные программы позволяют рассчитывать наблюденное поле. К вычислению аномалии приступают с того этапа интер претации, когда составлена гипотеза о геологическом строении участка. В вычислительную машину необходимо вводить информа цию, которая отображает заданную геологическую схему. Это си стема пятимерных (для двухмерного геологического разреза) или се мимерных (для трехмерного разреза) векторов. Кроме того, необхо димо задаться координатами начальной точки, расстоянием между точками по профилю и между профилями, координатами конечной точки. Программы составляются для нефиксированного числа век торов, отображающих геологическое строение. В зависимости от объема оперативной памяти это число ограничивается сверху. Та-
5
ким образом, в каждом конкретном случае в вычислительную машину необходимо ввести число, равное количеству векторов ин формации, описывающей геологическую схему.
Целесообразность таких расчетов проверена на многочисленных примерах при интерпретации сложных в геологическом отношении
районов. |
|
|
|
Решением аналогичных |
задач занимались О. |
К. Литвиненко, |
|
М. Ботт, М. Тальванн и др. |
|
|
|
Вторым этапом являются |
разработки автоматических машинных |
||
методов интерпретации аномалий, теоретическую |
основу |
которым |
|
положили исследования А. Н. Тихонова, В. К. Иванова, M . М. Лав |
|||
рентьева и др. К работам этого направления можно отнести |
методы |
отыскания особых точек [59, 60, 74]. Получены довольно устойчи вые алгоритмы, позволяющие реализовать вычислительные процес сы на ЭЦВМ.
В работах |
С. В. Шалаева [75—77] рассматривается задача |
при |
||||
ближения |
наблюденной |
аномалии |
рациональной дробью. |
Такая |
||
аппроксимация позволяет находить особые точки |
возмущающих |
|||||
масс. Д л я |
практических |
расчетов |
применяется аппарат линейного |
|||
программирования. |
|
|
|
|
||
В работах |
[56а, 80] |
изложен метод определения |
местоположе |
ния, размеров возмущающих тел и избыточной массы (метод сеток). Аналогичная постановка задачи дана также в работе [89]. Полупро странство, где сосредотачиваются возмущающие массы, разбивается на элементарные тела (призмы или параллелепипеды). Минимизи руя разность между наблюденной и теоретической аномалиями, находят значения избыточных плотностей внутри каждого элемен
тарного тела. |
Дальнейшее |
развитие метод получил |
в работах |
С. В. Шалаева |
[77, 78]. Он |
сводит задачу к линейному |
программи |
рованию. |
|
|
|
Другой вариант метода сеток изложен в работе [31]. Позднее
появляется ряд работ, где этот вариант |
находит свою • практиче |
скую реализацию [37, 52, 53]. |
|
В ряде работ решение обратной задачи сводится к итерацион |
|
ным процессам [87, 91, 114 и др.]. Д л я |
минимизации специально |
составленного функционала используется метод наименьших квад
ратов [90, 93, |
96]. |
|
|
В работе [100] для решения обратной |
задачи применяется |
релак |
|
сационный метод. Возмущающее тело |
аппроксимируется |
суммой |
|
вертикальных |
призм с квадратными основаниями. Гравитацион |
ный эффект вычисляется в точках квадратной сети. Метод может
быть применен в том |
случае, |
если известна |
глубина поверхности |
раздела, по крайней |
мере |
в одной точке, |
и избыточная плот |
ность. |
|
|
|
Основываясь на теореме Пуанкаре, Д . Зидаров разработал ори гинальный метод определения конфигурации возмущающих геоло гических объектов [117]. Если известны центры масс, то можно построить сходящийся итерационный процесс «выметания» возму-
6
щ а ю щ их масс в окружающее пространство. Вычислительные циклы повторяются до получения однородных геологических объектов с заданной избыточной плотностью.
Д л я геологического прогнозирования разработаны методы спе циального корреляционного анализа [33]. Принимая определен ный участок за эталонный, можно прогнозировать геологическое строение по наблюденным геофизическим полям в других сход ных районах.
Эвристический метод решения одного класса обратных задач теории потенциала предложен И. Недялковым [102]. Параметры геологической схемы определяются с помощью специально постро енных алгоритмов самообучения.
Можно было бы продолжить обзор работ, которые по своему характеру относятся к этому направлению. Сюда вошла бы и фун даментальная монография Ф. М. Гольцмана [20], и целый ряд ра
бот других |
исследователей. |
Приведенные в |
обзоре труды могут |
|||||
только |
иллюстрировать общее |
содержание |
второго |
направле |
||||
ния. |
|
касается третьего |
направления, |
|
|
|
||
Что |
же |
то, |
как |
указывалось |
||||
ранее, |
оно |
охватывает работы |
по |
использованию |
вычислительных |
|||
машин |
для |
расчетов таблиц, |
номограмм, палеток |
и др. |
Результаты |
расчетов направлены на внедрение в практику нового метода или нового способа обработки и интерпретации аномалий. На первый взгляд совсем не принципиален вопрос о средствах вычисления та ких палеток или таблиц. Это справедливо, когда формулы не очень громоздки и допускают вычисления с помощью таблиц и арифмо
метра. Однако часто встречаются такие задачи, решение |
которых |
||
не может быть выполнено без применения |
электронной |
вычисли |
|
тельной |
техники. Примером может быть |
расчет интегральных |
|
палеток |
[14]. |
|
|
Сделать полный обзор работ третьего направления нет воз можности. С помощью вычислительных машин за последнее время
произведено много расчетов, и далеко |
не всегда |
авторы акцентиру |
|
ют внимание на |
этом [82—84]. |
|
|
Обзор работ |
четвертого направления |
сделан |
в [57]. Почти все |
специализированные счетно-решающие устройства основаны на общности свойств различных физических полей. Они используют математическую аналогию между гравитационным полем и элек трическими, радиоактивными, электромагнитными, световыми по лями.
Исследователи пришли к выводу, что моделирующие устройства только тогда эффективно применяются для интерпретации наблю денного поля, когда выполняются следующие условия:
1)параметры возмущающего тела легко изменяются;
2)расчет поля производится достаточно быстро;
3)результаты вычисления выдаются в таком виде, чтобы вычис
ленная и наблюденная аномалии |
легко и |
быстро сравнивались; |
4) устройство просто, надежно, |
удобно |
в обращении. |
7