Transcript Лекция №2 - Геологический портал GeoKniga

Геофизические методы поисков и
разведки месторождений
полезных ископаемых
Лекция 2
1. Получение данных и введение поправок
2. Обработка данных
Получение данных и введение поправок
1. Первая стадия геофизических работ – проведение
измерений в поле.
2. Вторая стадия геофизических работ – первичная
обработка данных полевых съемок.
Эти виды работ (получение данных и преобразование к
унифицированной форме) всегда проводятся до передачи
материалов геологам и являются общими для всех геофизических
методов.
•
•
•
•
Большинство геофизических
измерений проводится на дневной
поверхности (или с использованием 1.1.
летательных аппаратов – в воздушной
среде). Чаще всего инструментальные
съемки выполняются вдоль линий –
маршрутов.
Обычно измерения выполняются через
определенный интервал (чащепостоянный). Измерения выполняются
на точках наблюдений или станциях.
Если объект исследования имеет
вытянутую форму (жила, разлом) профили задаются вкрест простирания.
Серия профилей часто задается таким
образом, чтобы установить характер
замыкания тела.
Если объект изометричен – маршруты
м.б. проведены параллельно с
регулярным расположением на
площади исследований точек съемки
(для того, чтобы сеть наблюдений
обеспечила оконтуривание объекта
исследований).
Производство измерений
Профиль
• Когда измерения
увязаны (после
расчетов)
формируется
профиль.
1.2. Введение поправок
(потенциальные поля)
• Часто данные геофизических съемок g
геолог не может использовать напрямую
для решения конкретных задач –
небходимо введение поправок.
• Пример. Выделение положительной
гравитационной аномалии, отвечающей
дайке. Необходимо введение поправок за
высоту над уровнем моря и за влияние
рельефа дневной поверхности.
• В магнитном поле – поправки за вариации g
АМП во время съемки (аномалии,
обусловленные магнитными бурями могут
забить полезный сигнал).
• Цель введения поправок – выделение
аномалий.
• Аномалия – часть физического поля,
выделяемая вдоль профиля или на карте,
отличающаяся от вмещающей среды
Введение поправок
(сейсморазведка)
• В сейсморазведке – еще более
сложная система введения
поправок.
• Прямые наблюдения – это
сейсмические сигналы,
записанные на сейсмограмме
через приемники (а).
• Для геологов необходим
разрез в реальной шкале
времени или, еще лучше,
глубины.
•
•
•
•
•
Даже после введения поправок
проявление сигнала от объекта может
быть неочевидным за счет влияния
помех.
Помеха – нежелательные вариации
измеряемого параметра.
Сигнал – интересующая исследователя
часть измеряемого параметра.
Пример из сейсморазведки: помеха –
движение транспорта или людей. Сигнал
– отклик геологических структур. В ряде
случаев (при наличии нерегулярной
помехи) возможна повторная съемка.
При сложении результатов мулучшается
качество выделения сигнала.
Пример из гравиразведки:
- сигнал – аномальный эффект
гранитоидного плутона,
- помеха – эффект вариации мощности
чехла. У нас имеются возможности
избавиться от этой поменхи.
1.3 Сигнал и помеха
• Моделирование - переход от
наблюденного геофизического поля
физическим телам или структурам,
имеющим такие параметры как
глубина, морфология, физические
характеристики (плотность, скорость
и др.).
• Модель всегда упрощение
(генерализация) природного объекта!
Причины:
- эквивалентность (одинаковые
аномалии создаются разными по
форме и физическим параметрам
объектами),
- невозможность полностью
избавиться от помех,
- недостаточная разрешающая
способность метода, например точки
наблюдений располагаются
недостаточно плотно для того, чтобы
отобразить все детали сигнала.
1.4 Моделирование
Прямая и обратная задачи моделирования
• Обратная задача – оценка параметров
аномальных источников по форме и
величине аномалии без привлечения
априорной информации. Решается в
общем случае неоднозначно.
• Прямая задача – расчет
теоретического аномального эффекта
от объекта с заданными
морфологией, размерами,
физическими параметрами. Задача
решается однозначно.
Можно с учетом априорной
геологической информации задать
параметры объектов рассчитать их
теоретический эффект и сравнить с
наблюденным полем. Расхождение –
уменьшается путем корректировки
модели. Эта операция м.б. выполнена
в автоматизированном режиме до
достижения оптимального «подбора»
- аппроксимационные методы
моделирования.
Типы моделей
•
•
•
2D двухмерные модели –
обеспечивается построение разреза –
тела бесконечны по оси «y»,
23/4 модели – в расчетах вдоль сечения
профиля учитывается третье
измерение
3D – трехмерная модель –
геологическое пространство
разбивается на систему элементарных
ячеек и расчет ведется по всей
площади исследований.
Формы
представления
результатов
съемок
Типы моделей
• Под «4-D» моделью
понимается «3-D» модель,
выполняемая в
мониторинговом режиме.
• Применяется, в частности, в
ходе эксплуатации
месторождений нефти и газа.
1.5 Геологическая интерпретация
•
•
•
Геологическая интерпретация – процесс
преобразования физической модели в
геологическую. При волекаются большие
объемы априорной информации. Прежде
всего – карта.
Строить разрез без карты – нельзя. Т.о.
современная модель глубинного строения
– 3-D/
Что означает термин «глубинный разрез»?
- Геологический? Если построения
глубже уровня прямых геологических
наблюдений – некорректно. Геологическая
карта (разрез) – это прежде всего возраст.
Таких данных у нас нет.
- Глубинный разрез – по смыслу это
тектоническая модель. В тектонике и
геодинамике имеется свой инструментарий
– модели, эталоны, механизмы.
Выводы
• 1. Геофизические съемки выполняются путем измерений вдоль рейсов
или по прямоугольной сети.
• В данные наблюдений необходимо вводить поправки, исключающие
нежелательные помехи или для преобразования данных в более
подходящую форму.
• 3. Фактические данные содержат интересующий нас сигнал и помехи.
Отнесение к тому или иному типу зависит от решаемой геологической
задачи.
• 4. Моделирование – это выделение физического тела или структуры,
аномальный эффект которого более или менее соответствует
фактическим данным. Модель всегда проще реального объекта.
Моделирование может быть прямым и обратным.
• 5. Геологическая интерпретация – перевод физических тел в
геологические тела или структуры с учетом доступной геологической
информации.
•
•
Даже после того, как в результаты съемок
введены поправки и проведена их
первичная обработка, полученные
данные не могут полностью обеспечить
решение геологической задачинеобходимо применение специальных
методов обработки для того, чтобы
обеспечить максимальный уровень
извлечения нужных геологических
результатов из геофизической фактуры.
Пример.
консолидированный
фундамент
перекрыт
чехлом
(s=2.4
г/см3);
аномальный эффект чехла – зеленая
линия;
- гранитный плутон (s=2.6 г/см3)
находится во вмещающей среде (s=2.8
г/см3); аномальный эффект плутона –
красная линия;
- приборными наблюдениями установлен
суммарный эффект – черная линия.
Задача: изучить морфологию плутона,
для чего необходимо вычленить его
аномальный эффект из суммарного
поля.
ОБРАБОТКА
ДАННЫХ
• Сущность анализа Фурье
состоит в разделении полей
на составляющие по их
размерам (ширине) для того,
чтобы в чистом виде
выделить интересующий нас
сигнал.
 l (длина волны) –
повторяющееся расстояние
между соседними гребными
(седловинами)
- а (амплиттуда) –
максимальное отклонение от
невозмущенной поверхности.
Синусоида выражается формулой:
где: x- расстояние по профилю;
y – амплитуда;
l - длина волны
Цикл повторяется при l=p, 2p, 3p...
Анализ Фурье
Синусоида
Невозмущенная
поверхность
y = a  sin(
2px
l
)
•
Гармонический ряд состоит из набора
сиснусоид, каждая из которых номер,
равный числу полуволн, попадающий
в интервал L.
l1
= L
2
l2 = L 
l1 = 2 L
Формула
гармонического анализа
Фурье
l2 = L
2L
3
......................................
3 l = L 
2 3
n  ln
=L
2
l3 =
ln =
2L
n
Формула ряда Фурье
1
2
y = a0  a1  sin(2px  )  a2  sin(2px  )  ....
2L
2L
n
 ....................an  sin(2px  )
2L
Подбирая коэффициенты a0,…an
можно полностью подобрать
любую кривую
Обработка временных сигналов
• Те же идеи применяются при обработке временных
сигналов.
Пространственные величины
L – длина профиля
x – абсцисса точки расчета,
lдлина волны
Временные величины
T– продолжительность сигнала
t – время с начала сигнала,
tпериод гармоники (чаще
используется f=1/t –частота сигнала
При обработке временных сигналов
формула гармоники приобретает вид
y = a  sin(2p  f  t )
Гармонический анализ
• Достоинством анализа Фурье
является то, что любая кривая,
например гравитационный
профиль, может быть
воспроизведен путем
суммирования членов ряда и далее
можно использовать
математические процедуры для
анализа кривой.
• Помните: в этой операции
используются волны только с
определенной длиной волны,
связанной с длиной профиля
выражением: l=2L/n
• Эти волны называются –
гармоники.
Сложная кривая подбирается путем
суммирования 5-ти гармоник.
Аппроксимация всегда
осуществляется с ошибками.
Аппроксимация улучшается с
увеличением числа гармоник.
Примечания
1. Компоненты кривых,
обусловленных различными
геологическими телами, часто
состоят из некоторого диапазона
волн разной длины. Отсюда
разделение искомых аномалий и
помех – неполное.
2. Длины волн-гармоник зависят от
длины профиля.
3. Исключение коротковолновых
составляющих часто понимается
как вычитание аномалий,
расположенных вблизи от
поверхности, но это не всегда так.
4. Фурье анализ по площади с
целью разделения поля на
составляющие выполняется по
серии профилей, параллельных
границам прямоугольных участков.
Цифровая фильтрация
• Фильтрация – альтернативный рядам Фурье путь исключения помех. В
повседневной жизни мы используем фильтры для того, чтобы отдельть
большие частицы от малых: например фасоли от риса с использованием
сита; фильтры в радиотехнике – настройка.
• Один из простейших математических фильтров – расчет среднего
значения из 3-х ближайших точек с приписыванием полученного
значения средней точке.
Цифровая фильтрация
• Коротковолновые
аномалии 5-ти
точечный фильтр
сглаживает лучше 3-х
точечного.
• «Вес точки» изменяет
эффективность
фильтра в «окне
расчета». Например 7ми точечный фильтр
можно рассчитать:
Y n = (0.115 Yn 3  0  Yn 2  0.344 Yn1  0.544 Yn 
 0.344 Yn 1  0  Yn 2  0.115 Yn3 )
Фильтры низких частот- пропускают с небольшими искажениями все гармоники,
длиннее определенного размера и убирают короткие (сглаживающие фильтры)
Фильтры высоких частот – пропускают волны только короче определенного размера
Полосовые фильтры – пропускают только некоторые промежуточные длины волн.
Расчет простого фильтра
• Выбор параметров фильтра определяется с учетом:
- интервала опробования;
- числа точек в окне;
- величин весов точек в окне.
• Интервал опробования выбирают т.о. чтобы он был короче, чем самая
коротковолновая гармоника, которую мы желаем сохранить.
Оптимальный интервал =1/4l самой короткой гармоники.
• Коэффициенты и число точек рассчитываются математически т.о.
чтобы обеспечить максимальные отличия между изучаемым сигналом
и помехой
Фильтрация на площади
• Круговые фильтры
g nm = g nm  k1  k2   g1  k3   g 2  k4   g3
• Ориентированные фильтры
Выводы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Обработка данных используется для подчеркивания или выделения изучаемых
аномалий и сигналов за счет удаления помех.
При обработке данных используются математические методы, главные из которых
– гармонический анализ Фурье и фильтрация.
Анализ Фурье подбирает временные или пространственные сигналы системой
синусоид – гармоник. Анализ направлен на нахождение амплитуд этих гармоник.
После проведения Фурье анализа гармоники-помехи удаляются, а оставшиеся
обеспечивают изучение объекта исследований.
Анализ Фурье выполняется в 1D и 2D вариантах.
Цифровая фильтрация выполняется путем суммирования величин нескольких
сближенных точек в скользящем окне с разным весом. Помехи удаляются выбором
интервала опробования, числом точек в окне и их весовым коэффициентом.
Фильтры могут быть длинно- и коротковолновые, полосовые, в 1D и 2D
вариантах. Фильтры могут быть использованы для выделения линей2ных
особенностей заданного направления или подчеркивания кромок.
8. Фильтры оперируют с частью данных, в то время как Фурье анализ задействует
всю информацию на профилях и по площади. Фильтры используются чаще, в то
время как Фурье анализ более фундаментальный и в ряде случаев используется для
обоснования параметров фильтров.
Пример низкочастотной фильтрации
Карта АМП
•
•
АМП площади исследований
определяется суммарным
аномальным эффектом источников
разных размерностей, глубины
залегания и интенсивности
намагничения.
Карты АМП- одна из основ
геологического картирования во
всех масштабах исследований:
- 1:2 500 00- 1:5 000 000 сводный
масштаб;
- 1:1 000 000 – региональный
масштаб ГГК-1000,
- 1:200 000 – среднемасштабное
картирование (ГГК-200),
- 1:50 000 – 1:10000 детальные
работы.
Трансформации АМП
• Результаты спектрального
анализа потенциальных
полей и группирования
гармоник в заданном
частотном интервале
(алгоритм И.Б. Мовчана)
Спектральный анализ
гравитационного поля
Спектральный анализ
аномального магнитного поля
Фильтр «псевдомагнитная литология»
Фильтр «Псевдомагнитное поле»
«Скелетизация» - фильтр краевых зон
аномалий