Взаимодействие гравитационного и сейсмического полей Земли

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

Под комплексной интерпретацией геофизических полей понимают такую процедуру совместного анализа нескольких полей и геологических данных, в результате которой выявляются общие для комплексируемых полей источники возмущений, имеющие конкретный физико-геологический смысл. Что понимается под «общими источниками возмущений» с сейсмо-гравитационной точки зрения?

Как известно, под геологическим телом, занимающим объем T_S, понимают часть односвязного пространства, ограниченного геологической границей (контуром) S, при переходе через которую из тела во вмещающую среду резко изменяются те или иные свойства, определяющие геологическую природу тела. В частности, геофизическое тело - это геологическое тело, для которого рассматриваются физические свойства: плотность () и скорость распространения сейсмических волн (V) и другие параметры, различные для тела и вмещающей среды. Пусть процесс формирования F₀ геолого-геофизического тела был таковым, что между физическими свойствами , V в пределах тела установилась функциональная закономерность -

W_S(,V)=0. (1)

Это значит, что плотность может быть аналитически выражена через скорость -

=f(V). (2)

Так как каждое физическое свойство данного тела в объеме T_S возбуждает соответствующее геофизическое поле ( - гравитационное, g_а; V - сейсмическое, t_С), то на основании (1) между геофизическими полями g_а, t_С для рассматриваемого геофизического тела в объеме T_S теоретически также будет существовать функциональная связь:

U_S(g_а, t_С)=0, (3)

на основании которой любое из полей (будем его называть базовым полем) может быть выражено через другое. Например гравитационное, может быть выражено через сейсмическое поле аналитически через связывающие их соотношения (1) и (2) -

g_а =f_g(t_С). (4)

Геолого-геофизическое возмущающее тело, заданное контуром S в объеме T_S, обладающее свойствами (1) и (или) (2) - будем называть комплексным телом G_К(S), а соотношения (1) и (3) или (2) и (4) - его физико-математической моделью.

В реальной геолого-геофизической ситуации, разумеется, в процессе образования геологического тела, кроме общих тектонофизических факторов F₀, формирующих связанные законом (1) физические свойства плотность и скорость, на значения последних будут влиять и некие специфические факторы F, F_V, оказывающие разрушающее воздействие на закономерность (1). В связи с этим для реальной геолого-геофизической среды под комплексным телом будем понимать возмущающее тело, для которого условие (1) запишем в виде

, (1*)

где ₀ - допустимое значение отклонения от закономерности (1).

Пусть имеется аналитическое выражение гравитационного поля g через сейсмическое t_С поле, описываемое формулой (4). И пусть на некоторой области R_К задана наблюдены гравитационное и сейсмическое поля {}. Высказывается гипотеза, что на R_К данная совокупность наблюденных полей обусловлена реальным комплексным телом . Для проверки этого утверждения подставим наблюденные поля в теоретическое уравнение (4) модели комплексного тела и вычислим гравитационное поле модели g^M(r), rR_К:

. (5)

Сравним это поле с наблюденным гравитационным полем, т.е. найдем разность -

. (6)

Если разностное поле (r) на области R_К носит случайный характер, а его среднеквадратическое значение меньше или равно некоторой наперед заданной допустимой величины ₀, определяемой условием (1*), то будем считать, что комплекс гравитационного и сейсмического наблюденных на R_К полей {} обусловлен одним и тем же возмущающим комплексным телом . В этом случае будем говорить о согласованности наблюденных полей. Интерпретируя поле g^M(r) обычным образом, т.е. решая по g^M(r) обратную задачу, найдем параметры комплексного тела: его контур S и плотность , а по (1) - и скорость сейсмических волн.

Вернемся вновь к разностному полю (6). Если же на R_К среднеквадратическое значение будет больше допустимой ошибки приближения, т.е. ₀ , то, следовательно, для данного наблюденного комплекса геофизических полей в целом на всей области R_К условие (1^*) не выполняется; величина при этом характеризует степень несогласованности входящих в комплекс наблюденных полей.

В этой ситуации анализируем поле r) на предмет обнаружения на R_К участков R₁,R₂,…,R_n, где r₀, т.е. отдельных участков, где на фоне комплексного тела присутствуют тела, возмущающие лишь то или иное поле (тела, сформированные специфическими факторами, присущими либо гравитационному F, либо сейсмическому F_V полям, либо их “неполным” сочетаниям). На таких участках полю r придается смысл базового поля (в нашем случае - гравитационного) и оно интерпретируется дополнительно. В результате в окончательном физико-геологическом разрезе будут присутствовать комплексные тела, а также тела специфические, возмущающие только то или иное отдельное поле.

Далее, поскольку реальное геологическое тело может быть любой сложности по структуре и распределению физических свойств, то введенное определение комплексного тела, разумеется, может быть отнесено и к физико-геологическому разрезу на некоторой локализованной области R_К; и в этом случае мы будем говорить о комплексном физико-геологическом разрезе. С другой стороны, всякий физико-геологический разрез на произвольной области R может содержать несколько комплексных тел, для каждого из которых выполняется условие (1*), но, быть может, разное по форме связи физических характеристик для каждого из этих тел.

Итак, в геофизических полях модель комплексного тела (разреза) теоретически описывается уравнением (3) или соотношениями вида (4). Для практического применения этой модели необходимо теоретически на основании теории поля (теории потенциала) найти конструкции уравнений либо (3), либо, еще лучше, типа (4). Точно и легко эта задача решается только для простейших случаев, когда комплексное тело является однородным по комплексируемым физическим свойствам. Примером такой модели комплексного тела является соотношение Пуассона, связывающее гравитационный U и магнитный V потенциалы для тел с постоянной плотностью и намагниченностью I -

 (7)

а также соотношения гравитационного и сейсмического полей, полученные в работе (Каратаев, Пашкевич, 1986).

Для неоднородных же сред найти аналитические соотношения типа (3) или (4) весьма затруднительно. Поэтому предлагается комплексную модель типа (4) для базового поля описывать интегральным соотношением вида

(8)

Весовая функция p(r-r¹) в этой модели отыскиваются по комплексу наблюденных полей в предположении, что разностное поле r) по (6) есть случайная величина (функция); практически - по критерию Гаусса:

(9)

геофизический поле плотность гравитационный

Найдя на основании этого критерия весовую функцию и подставляя ее в формулу (8), получим поле комплексной модели .

Далее, геофизическая информация о физико-геологическом разрезе может быть задана не только непосредственно наблюденными полями ), но и структурно-физическими разрезами: плотностным D(,S), и (или) сейсмическим L(V,S)), полученными в результате интерпретации этих полей. В этом случае оценку степени комплексности и построение физико-геологического разреза будем выполнять так.

Пусть на некоторой ограниченной области R_К задан, например, сейсмический разрез . Придадим ему смысл базового разреза. Пусть также известны соотношения физических свойств f(V). Используя это соотношение, преобразуем исходный базовый сейсмический разрез в условно-плотностной D_S[f(V),S].

Для этого условно-плотностного разреза решением прямой задачи вычислим условно-гравитационное поле и сопоставим его по (6) с наблюденным:

(10)

Согласно предыдущему, если функция на области R_К удовлетворяет условию , то данный сейсмический разрез на области R_К является комплексным физико-геологическим разрезом для гравитационного и сейсмического полей.

Если же значения -функций существенно (₀) отклоняются на каких-либо участках области R_К, то они методом подбора компенсируются добавлением в разрезе плотностных тел.

Таким образом, комплексное моделирование физико-геологического разреза может быть выполнено тремя способами: либо непосредственно по строгим аналитическим уравнениям вида (4); либо с помощью аппроксимации их интегральными уравнениями (8), либо путем преобразования сейсмического физико-геологического разреза в условный плотностной разрез.

Рассмотрим теперь некоторые частные случаи комплексного моделирования физико-геологического разреза.

Сейсмо-гравитационное моделирование. На рис.11.1 представлен фрагмент геотрансекта ГСЗ EUROBRIDGE, пересекающего в своей средней части Центрально-Белорусскую зону сочленения Фенноскандинавского и Сарматского геосегментов, особенно выразительно выделяющуюся в сейсмическом разрезе земной коры.

Так, в верхней части коры зафиксировано резко выраженное высокоамплитудное (до 10-12 км) поднятие сейсмической границы с высокой граничной скоростью 6,65 км/с. В средней части коры на глубинах 25-30 км также прослеживается поднятие сейсмической границы с граничной скоростью 6,90 км/с, с амплитудой 3-5 км. Поверхность Мохо практически горизонтальная на глубине 50-55 км, с весьма малым наклоном на запад.

Западный борт Центрально-Белорусской зоны отмечается глубинным разломом, прослеженным на всю мощность земной коры. Восточный борт характеризуется резко выраженной впадиной по верхней сейсмической границе с амплитудой до 10 км, небольшим прогибом по второй сейсмической границе и узколокальным поднятием до 5 км по поверхности Мохо. В нижней коре зоны сочленения выделены наклонные на запад границы - отражатели, прослеживаемые в земной коре Сарматского сегмента.

В целом в земной коре Центрально-Белорусской зоны относительно соседних блоков зафиксированы высокие разности скоростей сейсмических волн (в верхней половине коры до 0,25 км/с, в нижней -до 0,10 км/с). В верхней мантии на глубине 60-65 км установлена горизонтальная отражающая граница.

Обратимся теперь к соотношению плотности и скорости вида (2). Известный украинский геофизики С.С.Красовский выполнил анализ связи плотности и скорости сейсмических волн по 8000 образцам горных пород и построил соответствующий график (рис. 11.2).

Согласно этому графику общая тенденция связи плотности и скорости характеризуется соотношением

=0,7269+0,3209V. (11)

Точность закономерности равна 0,05 г/см³.

Используя эту закономерность, преобразуем значения сейсмических скоростей, указанных на рассматриваемом сейсмическом разрезе (см. рис.11.1), в значения плотностей, а именно:

6,15 км/с 2,70 г/см³; 6,25 2,73; 6,45 2,80; 6,65 2,85; 7,00 2,93; 7,05 2,99; 7,15 3,02; 8,30 3,39; 8,40 3,42; 8,60 км/с 3,48 г/см³.

В результате получим условный сейсмо-плотностной разрез (рис.11.3), на котором контуры плотностных тел соответствуют сейсмическим границам, а значения плотностей заданы через скорости. Для такого разреза решением прямой задачи найдем сейсмо-гравитационное поле g_СГ (см. рис.11.3). Затем вычисляем разностное поле

_СГ(х)=g_Н(х)-g_СГ(х). (12)

Анализируя кривую _СГ(х), видим (см.рис.11.3), что она носит колебательный характер с отклонениями от наблюденного поля до 30%. То есть комплексность сейсмо-плотностного разреза носит существенно региональный характер. В сущности этого и следовало ожидать: даже беглый взгляд на наблюденное поле силы тяжести и картину сейсмического разреза свидетельствует об их существенной «разночастотности». Так, при сопоставлении карты аномалий силы тяжести с картой плотностей пород верхней части фундамента было замечено, что ярко выраженным, локализованным положительным и отрицательным аномалиям, как правило, соответствуют видимые на поверхности кристаллического фундамента колебания плотностей горных пород от 2,6 до 3,0 г/см³ (чаще всего 2,75-2,80 г/см³), определенных по лабораторным исследованиям. Дифференциация пород кристаллического фундамента по составу и плотности очень значительна. Это подтверждает и разностное поле _СГ - оно отражает, главным образом, плотностные неоднородности верхней части земной коры - именно кристаллического фундамента.

Имея это в виду, далее интерпретация разностного поля проводилась методом подбора возмущающих тел с учетом прямых измерений плотности пород по керну скважин. Поскольку большинство аномальных тел имеют линейно-вытянутую форму вкрест направления сейсмического профиля, то гравитационное моделирование разреза выполнялось в варианте двухмерной задачи.

На рис.11.3 показан окончательный плотностной разрез земной коры, удовлетворяющий наблюденное поле силы тяжести g_H с точностью до одного миллигала и максимально привязанный к сейсмическому разрезу геотрансекта EUROBRIDGE и к геологическим данным о вещественном составе и плотностной характеристике пород кристаллического фундамента.

Компьютерная система комплексной интерпретации. Для практического применения изложенной теории комплексного геофизического тела и построения физико-геологического разреза составлена система компьютерных программ, обеспечивающих возможность в диалого-интерактивном режиме одновременно анализировать несколько геофизических полей. Именно по этой системе и построены вышеприведенные разрезы.

Для комплексного анализа одновременно нескольких геофизических полей и геологических данным разработана компьютерная система GEIA. Эта система адекватно отражает творческий процесс геолога, геофизика при решении задач геологического и геофизического моделирования и прогноза в широком смысле. Система GEIA - это искусственный геолого-геофизический интеллект. Это обеспечивает быстрое ее освоение любым геологом и геофизиком.

Система GEIA построена на индуктивно-эвристическом принципе, с учетом широко применяемой геологами методологии сравнительного анализа и аналогий, а также с учетом теоретических функциональных соотношений. Система GEIA является инструментом, с помощью которого специалист (геолог, геофизик) проникает в тайны взаимосвязи геологических и геофизических явлений, выявляет закономерности, разрабатывает геолого-геофизические пространственные и временные модели и на их основе осуществляет прогноз. Это - прогнозная оценка нефтеперспективных или рудоносных регионов; поиск узлов концентраций рудоносных объектов; литологическое расчленение разреза, и выделение хороших коллекторов; поиск локальных нефтегазоносных структур и неструктурных залежей; поиск зон активного проявления современных геофизических процессов; оценка сейсмической опасности; построение различных структурных, петрофизических, геологических, экологических карт и карт сейсмического районирования; установление рационального поискового комплекса методов исследований; расчет оптимальной сети наблюдений; геологический, сейсмический, геофизический мониторинг...

С помощью системы GEIA специалист имеет возможность выполнить различные преобразования исходных данных, представленных как картами, так и в виде разрезов и таблиц; сравнить различные данные, геологические и геофизические объекты, методики; проверить ту или иную гипотезу; учесть неформализуемую, описательную информацию; разработать новую методику анализа данных.

Для решения с помощью системы GEIA конкретной геологической и геофизической задачи специалист должен: сформулировать понятие объекта исследования, поиска, прогноза по принципу А есть В, обладающее указываемыми специалистом свойствами с теми или иными ограничениями, указать прогнозируемое (целевое, ведущее) свойство объекта, перечислить с точки зрения той или иной гипотезы о природе объекта те возможные геологические и геофизические процессы (факторы), которые непосредственно влияют на формирование и развитие объекта, установить комплекс наблюденных символьных и числовых данных, прямо или косвенно связанных с контролирующими факторами, перечислить объекты, прогнозируемое (целевое, ведущее) свойство для которых известно по данным бурения или специальных наблюдений (эталонные объекты), указать желательную точность решения задачи, построения модели.

На основании этого специалист, используя базу исходных данных, с помощью системы GEIA, путем последовательности различных преобразований исходных данных на эталонных объектах, формирует геологически или геофизически значимую и обладающую свойствами математических объектов систему признаков, в сжатой, но в высокоинформативной форме надежно описывающих эталонные объекты. Эталонные объекты с новым (признаковым) описанием далее анализируются в трех направлениях: 1 - на основании логико-статистического ( при символьном описании объектов) или интегро-дифференциального (при числовом описании объектов) анализа устанавливаются и математически описываются закономерности между признаками объектов и строятся прогнозные модели относительно целевых величин; 2 - выполняется сравнительный анализ объектов, их классификация и группирование, районирование территорий; 3 - на основе комплексного анализа устанавливаются общие для всей совокупности эталонных объектов физико-геологические или физико-экологические факторы.

В конечном итоге строится научно обоснованная геолого-геофизическая модель, характеризующая связь геолого-геофизических признаков с целевой прогнозируемой величиной. Вырабатываются правила применения построенной модели для прогноза значений искомой геологической или геофизической величины с требуемой точностью, устанавливается рациональный комплекс поисковых признаков, дается прогноз искомых геологических или геофизических величин.

Каждый блок системы GEIA построен по единому правилу, предусматривающему выбор способов преобразования данных в соответствии с предварительно формулируемой рабочей гипотезой, выработку специальных характеристик, позволяющих осуществлять селекцию решений в данном блоке и скорректировать рабочую гипотезу. Связь отдельных блоков осуществляется с помощью некоего критерия, учитывающего исходную рабочую гипотезу о прогнозируемой величине и цель, которую нужно достичь в результате решения задачи.

В систему GEIA включена подсистема, осуществляющая функциональные и статистические преобразования геофизических полей и геологических данных, подсистема построения и анализа корреляционно - спектральных и символьных признаков для каждого анализируемого объекта, в том числе для объектов, формируемых в виде неких окрестностей точек наблюдения или узлов регулярной сети. В систему входит также подсистема сервисного обслуживания (формирование матриц, отображение полей на картах, построение графиков, редактирование исходных данных и др.). В систему GEIA включены программы классического решения обратной геофизической задачи: построение плотностной и магнитной моделей среды, анализ комплекса геофизических полей и построение глубинного физико-геологического разреза и другие.

Система GEIA разработана для персональных ЭВМ в диалоговом и автоматическом режимах.

Методика комплексирования одновременно двух любых геофизических полей реализована в виде компьютерной программы GEOMOD в варианте, когда одно поле задается физическим разрезом, а вторым является либо гравитационное, либо магнитное поле. Возмущающие тела в разрезе задаются произвольными контурами, описываемыми многогранниками любой сложности.

При разработке программы учитывалось то, что интерпретатор должен видеть на экране геолого-геофизическую модель (разрез), наблюденное, теоретическое (расчетное) и разностное поля, иметь возможность изменять масштабы изображения и достаточно удобное меню по изменению структуры модели и управлению программой. Окно программы разделено на три части. Верхняя часть предназначена для изображения полей наблюденного, теоретического от модели и разностного. Средняя часть - изображение самой модели, т.е. контуров тел, составляющих модель. Нижняя часть окна предназначена для управления программой и представляет собой функциональное меню, управляемое с помощью мыши или клавишами стрелок.

В программе имеется два основных меню: главное меню и меню моделирования, а также целый ряд вспомогательных меню для ввода параметров и управления.

В главном меню можно задавать изменение масштабов графиков и модели, вывод на экран различных участков профиля наблюдения и модели, изменение формата окна программы, просмотр физических параметров тел, вывод модели на принтер и сохранение модели, расчет теоретического поля от модели и выход из программы.

В меню моделирования производится управление следующими режимами работы программы: ввод новых тел; удаление тел модели; изменение физических параметров тел модели; изменение контуров тел; перемещение тел в пространстве; раскраска модели (изменение цвета и штриховки отдельных тел); контроль пересечений контуров тел; выход в главное меню программы.

Уровень теоретического поля при комплексировании с гравитационным полем вычисляется автоматически при наличии наблюденного поля силы тяжести по среднему его значению на профиле наблюдения. При этом производится его корректировка таким образом, чтобы средние значения теоретического и наблюденного полей были равны. При использовании магнитного поля уровень теоретического поля не изменяется. Кроме того, программа допускает анализ магнитных полей для произвольно ориентированного по отношению к магнитному меридиану профиля, и для каждого тела разреза задаются свои параметры наклонения и склонения вектора намагниченности.

Программа позволяет также решать прямую и обратную задачи гравиразведки и магниторазведки методом подбора в диалоговом режиме. При этом, изменяя модель и решая прямую задачу, можно добиваться близости наблюденного и теоретического полей с необходимой точностью.

Литература

Геология: Методы реконструкции прошлого Земли. Геологическая история Земли: Учебное пособие для студентов педагогических институтов по географическим специальностям;Под ред. В.Е. Хаина, М-во просвещения ССС.-М.: Просвещение, 1979. - 272 с..-Библиогр.: с. 269-270

Современные движения земной коры;АН СССР.-М.: Наука, 1979. - 184 с..-(Планета Земля и Вселенная).-Библиогр.: с. 183

Определитель минералов, горных пород и окаменелостей: Справочное пособие.-М.: Недра, 1979. - 327 с..-Указ. минералов: с. 318-321.-Указ. горных пород: с

Николай Михайлович Федоровский: 1886-1956;Редкол.: Л.Я. Бляжер, А.Т. Григорьян, Б.М. Кедров и др.; АН СССР.-М.: Наука, 1979. - 168 с..-(Научно-биографическая серия).-Основные даты жизни и деятельности Н.М. Федоровско

Защита подземных вод от загрязнения.-М.: Недра, 1979. - 254 с..-Библиогр.: с. 239-247.-Прил.: с. 248-252

Схема зон глубинных разломов территории СССР (по геофизическим данным). Масштаб 1 : 10 000 000: Объяснительная записка;М-во геологии СССР; Всесоюзный научно-исследовательский ин-т (ВСЕГЕИ); Редкол.: А.А. Смыслов, Н.Б. Дортман, Ю.И. Сытин.-Л.: ВСЕГЕИ, 1979. - 38 с..-Библиогр.: с. 37

Тектоника земной коры: На основе анализа новейших движений;Под ред. В.Д. Наливкина.-Л.: Недра, 1979. - 272 с..-Библиогр.: с. 263-268.-Предметный указ.: с. 269-27

Изотопные методы измерения возраста в геологии: Сборник статей;АН СССР; Комиссия по определению абсолютного возраста геологических формаций при ОГГГ АН СССР; Отв. ред. Ф.В. Чухров.-М.: Наука, 1979. - 280 с..-Библиогр. в конце каждой ст.

Проблема геологической формы движения материи;АН СССР; Кафедра философии.-М.: Наука, 1979. - 240 с..-Предм. указ.: с. 233-238

Геология: Учебник для учащихся горных техникумов;Рец.: Е.В. Терентьев, А.И. Горлов, М-во угольной промыш.-М.: Недра, 1979. - 342 с.

Магматические формации СССР: В 2 т.;М-во геологии СССР; Всесоюзный научно-исследовательский геологический ин-т; Авт.: В.Л. Масайтис и др..-Л.: Недра, 1979. - 318 с.

Магматические формации СССР: В 2 т.;М-во геологии СССР; Всесоюзный научно-исследовательский геологический ин-т; Авт.: В.Л. Масайтис и др..-Л.: Недра, 1979. - 279 с..-Библиогр. на рус. и англ. яз.: с. 246-277

Размещено на Allbest.ru