Неоднозначность решения обратных задач в геофизике

Реферат

Основная задача геофизики в целом и её разделов в частности - получение аномальных значений геофизических полей над теми или иными геологическими и техногенными объектами в земной коре и их истолкование. Последнее – суть решения обратной геофизической задачи или то же самое интерпретации, которая, как известно, разделяется на качественную и количественную.

При интерпретации возникает целый ряд сложностей, основная проблема которых заключается в неоднозначности решения обратной задачи. С этих позиций проявляется и две стороны неоднозначности: качественная и количественная. При этом в обоих случаях, факт существования неоднозначности в процессе истолкования (интерпретации) геофизических данных вызывает необходимость поисков путей и способов снижения этой неоднозначности. Наиболее весомыми из них является комплексирование как отдельно геофизических методов, так и геофизических, геологических, геохимических и т.д.

Причины возникновения неоднозначности обусловлены прежде всего тем, что практически никогда не известны геометрические показатели изучаемой геологической среды, в том числе и по причине её непрозрачности. Поэтому очевидно, что не отличающиеся (одинаковые) по физическим свойствам объекты, в то же время различающиеся по геометрическим размерам, но находящиеся на разных глубинах, создают одинаковые по форме и амплитуде аномалии. Это легко показать на примерах моделей с объектами простой геометрической формы, когда одинаковые по амплитуде и форме аномалий могут возникать как минимум в 3-х случаях (рис 1, 2, 3).

Рис. 1. Идентичность геофизических аномалий над объектами различных размеров, расположенными на разных глубинах и при одинаковой контрастности по физическим свойствам

Рис. 2. Идентичность геофизических аномалий над объектами, расположенными на разных глубинах, отличающимися по контрастности физических свойств и при одинаковых геометрических размерах

Рис. 3. Идентичность геофизических аномалий над объектами различных размеров, отличающихся по контрастности физических свойств и расположенныхна одинаковых глубинах

Приведённые примеры неоднозначности решения обратной задачи предопределяют поиски однозначного решения. Из них классическим является прежде всего компенсирование геофизических методов и привлечение априорных сведений.

Качественная и количественная неоднозначность при интерпретации

результатов геофизических исследований

Качественная неоднозначность формулируется как неопределённость в истолковании геологической природы аномалий, то есть неопределённость представлений о качественных (геологических) показателях объекта исследования. Количественная неоднозначность – это, соответственно, неопределённость в получении количественных показателей (физических и геометрических) этого же объекта. Как правило, качественная и количественная неоднозначности проявляются одновременно.

Проблема качественной неоднозначности может быть решена путём привлечения дополнительных геофизических, а при необходимости и геологических и геохимических методов, то есть путём комплексного (совокупного) анализа этих методов. Примером могут служить техногенные объекты, например подземные коммуникации (рис. 4).

Рис. 4. Пример снижения качественной неоднозначности путём комплексного анализа электро- и магниторазведочных наблюдений

Из рассмотрения кривых магнитного метода можно заключить, что интенсивность аномалий определяется размером труб и их глубиной залегания. Трубы теплосети (прямая и обратная), имеющие наибольший диаметр, и совместно проложенные в железобетонном коробе, проявляются одной, достаточно интенсивной аномалией. Труба водовода в полтора раза меньшего, по сравнению с трубами теплосети, диаметра и залегающая на большей глубине имеет вид несколько «размытой» и небольшой по амплитуде аномалии. Канализационная труба-жёлоб в аномальном магнитном поле практически не проявляется, а силовой кабель, проложенный на глубине 0,4-0,5 м отмечается очень слабой аномалией.

Метод заряда на 2-х частотах 625 Гц и 26,7 кГц, во-первых, позволяет однозначно определить по признаку максимальной амплитуды местоположение трубы, в которую выполнен «заряд» (подключен питающий провод от генератора тока). Второй важный диагностический признак для этого метода: появление аномалий от труб, удалённых от «зарядной» на расстоянии, превышающем длину электромагнитной волны, которая, как известно, определяется частотой поля. В примере, приведенном на рисунке 4 на графике результатов измерений на частоте 26,7 кГц отмечаются аномалии от всех подземных коммуникаций, так как длина волны меньше или сопоставима с расстояниями между нитями простирания труб водовода, теплосети, канализации и силового кабеля. На частоте же 625 Гц обозначенные объекты, кроме силового кабеля, имеющего кратную гармонику с близкой частотой, не фиксируются.

Другие примеры снижения или же исключения уровня качественной неоднозначности можно привести в случаях решения геоэкологических задач методом подповерхностного георадиолокационного профилирования-зондирования (РЛЗ и РЛП) с обязательным сопровождением методами электрического зондирования (ВЭЗ, ДЭЗ. ЭПТЗ и др.) (рис. 5,6).

Рис. 5. Результаты РЛП и ВЭЗ на участках с наличием в геологических разрезах:

А - линзы глин в песчаных отложениях

Б - локального изменения морфологической границы глинистой толщи

Таким образом, совокупный анализ результатов профильных измерений различниыми по физической природе или же способам применения методами практически исключает неоднозначность выделения искомых объектов.

Рис. 6. Результаты РЛП и ВЭЗ на участке с наличием загрязнённой нефтепродуктами площади

Вторым основным приёмом решения проблемы качественной неоднозначности является оценка природы геофизических аномалий с учётом механизма образования поля. Характерными примерами могут быть наблюдения методом постоянного естественного электрического поля (ЕП), например, разный знак аномалий потенциалов ЕП в зонах разгрузки и инфильтрации подземных вод (рис. 7). Перемена знака аномалии происходит и при изменении состава вод, например при разной концентрации бурового раствора (промывочной жидкости) в геологоразведочных скважинах (рис. 8). Весьма эффективно «снимать» качественную неоднозначность способами разнонаправленного возбуждения и приёма (рис. 9, 10).

Рис. 7. Пример проявления в поле ЕП участков инфильтрации (А) и разгрузки (Б) вод

Рис. 8. Форма кривых ПС (знак аномалий) при минерализации пластовых вод больше (а) и меньше (б) бурового раствора

1 – известняк, 2 – песок, 3 – глинистый песок, 4 - глина

Рис. 9. Возбуждение и приём поля разными электроразведочными установками

Рис. 10. Форма кривых метода КЭП над моделями объектов различного

удельного сопротивления

Количественная неоднозначность понимается (формулируется) как неопределённость в получении геометрических и физических показателей при проведении интерпретации. В большинстве случаев количественная неоднозначность «появляется» ввиду эквивалентности графиков или то же самое кривых геофизических параметров. Поэтому различают теоретическую и практическую эквивалентности. Теоретическая эквивалентность проявляется в одинаковых по форме, интенсивности и знаку аномалиях над объектами, отличающимися по размерам, глубинам залегания и физическим свойствам. Это вытекает, например, из известной формулы гравиразведки, определяющей параметр приращения силы тяжести g:

g =2 **h,

где – гравитационная постоянная.

Аналогичная ситуация создаётся и при интерпретации кривых электрического зондирования, описываемых формулами для геоэлектрических разрезов типа Н и А:

Si = hi/i,

а для типов К и Q:

Ti = hiI,

где S – продольная проводимость, Т – поперечное сопротивление, h – мощность, - удельное сопротивление.

Приведенные формулы показывают невозможность при истолковании гравиразведочных а также электроразведочных аномалий нахождения мощности h слоёв и их плотности или удельного сопротивления , если неизвестны значения одного из этих показателей. Поэтому напрашивается вывод о необходимости привлечения дополнительных сведений, в частности о мощности отложений, например по данным сейсморазведки или бурения.

Практическая эквивалентность проявляется в неустойчивости решения обратных задач геофизики, в частности, по признаку квазисовпадения аномалий (в пределах погрешностей измерений) от неодинаковых по размерам объектов. Классические примеры – кривые вторых производных гравитационного потенциала W от треугольных призм различной плотности и формы при одинаковой глубине залегания и бесконечном простирании (рис. 11а) или графики суммарного вектора магнитного поля Т от шаровых объектов различных радиусов (рис. 11б).

Рис. 11. Примеры практической эквивалентности по признаку квазисовпадения аномалий

Следует подчеркнуть, что качественная и количественная неоднозначности при решении обратных задач геофизики проявляются обычно одновременно и другого способа как комплексирование геофизических методов для сужения пределов неоднозначности пока не создано. Примеры сужения неоднозначности можно взять из электроразведки, характеризующейся большим набором способов и технологий:

Проведение профилирования установками разного размера.
Исследования на разных частотах.
Повременные (мониторинговые) измерения потенциалов ЕП.

Поэтому целесообразно привести краткое описание этих примеров внутриметодного комплексирования.

Широко известен, например, способ разделения аномалий, выделенных электропрофилированием, на приповерхностные, связанные с неоднородностями в рыхлых отложениях, и глубинные, обусловленные коренными породами. Способ заключается в проведении работ на двух разносах питающих заземлений АВ — меньшем и большем. Если при большем разносе аномалия к проявляется резче, чем при меньшем, значит, она глубинного происхождения, и наоборот. Лучше для этих целей использовать графики отношения величин к, полученных для двух разносов. Этим же способом в электропрофилировании можно разрешить неопределенность типа «синклиналь—антиклиналь». Например, понижение к может наблюдаться как при поднятии нижнего слоя низкого сопротивления, так и в случае погружения пласта высокого сопротивления. (рис. 12, 13).

Рис. 12. Графики электропрофилирования методом СЭП с двойными разносами над геологическими разрезами различных типов

1 увлажненные наносы, 2 – граниты, 3 – зона трещиноватости, 4 – глыбовые песчаники, 5 – глины

Рис. 13. Пример определения антиклинальной структуры посредством симметричного электропрофилирования установкой с двойными разносами

В электроразведке переменным током разная глубинность достигается наблюдениями на разных частотах: чем выше частота, тем меньше глубинность исследований {скин-эффект). Разночастотные наблюдения могут оказаться полезными и для отделения сплошных сульфидных руд от вкрапленных. При определении природы возмущающего объекта электроразведка переменным током на высоких частотах обладает преимуществом перед методом сопротивлений на постоянном или низкочастотном токе, поскольку в высокочастотных полях породы различаются не только по электропроводности, но и по диэлектрической проницаемости, поэтому разрешающая способность электроразведки возрастает. Породы с одинаковой электропроводностью могут различаться по диэлектрической или по магнитной проницаемости.

В методе естественного поля ложные аномалии фильтрационного происхождения выделяются по признаку их изменчивости во времени. Разновременные съемки дают в этих случаях графики потенциала, сходные по характеру, но различающиеся по абсолютным значениям. Последнее объясняется тем, что интенсивность фильтрации подземных вод зависит от времени года, в частности, от количества выпадающих осадков. Другим отличием этих графиков является их обратная связь с рельефом: график потенциала U представляет собой как бы зеркальное отображение рельефа земной поверхности вдоль профиля наблюдений.

Цель комплексной интерпретации геофизических данных — достижение однозначности геологического истолкования геофизических наблюдений. При этом различают комплексный анализ и комплексную интерпретацию полей. Под комплексным анализом понимается отработка комплекса различных признаков для решения задач геокартирования и районирования исследуемой площади (или разреза) на несколько классов, а также перспективных на полезные ископаемые участков. Комплексная интерпретация состоит в построении согласованной по всем полям комплексной физико-геологической модели, т. е. модели с оценками петрофизических свойств, формы и геометрии изучаемых объектов или геосреды. Комплексный анализ, как правило, обеспечивает качественную интерпретацию по оценке природы источников, а комплексная интерпретация — количественную оценку физических и геометрических параметров этих источников. Грани между анализом и интерпретацией часто стираются. Для данных отдельно взятого метода часто используется термин «физико-геологическая интерпретация», включающая установление природы источников аномалий, их количественную оценку и геологическое истолкование.

Литература

МО РФ; БелГУ, каф. физической географии и геологии; Сост. А.Г. Корнилов: Программа промежуточной аттестации студентов по дисциплине "Геохимия окружающей среды". - Белгород: БелГУ, 2003

МО РФ; БелГУ, каф. физической географии и геологии; Сост. А.Г. Корнилов: Учебная программа дисциплины "Геохимия окружающей среды". - Белгород: БелГУ, 2003

МО РФ; БелГУ; каф. географии и геологии; Сост. В.И. Петина: Программа промежуточной аттестации студентов по дисциплине "Геология России". - Белгород: БелГУ, 2003

МО РФ; Каф. географии и геологии БелГУ; Сост. М.М. Яковчук: Программа промежуточной аттестации студентов по дисциплине "Геология". - Белгород: БелГУ, 2003

МО РФ; Каф. географии и геологии БелГУ; Сост. М.М. Яковчук: Учебная программа дисциплины "Геология". - Белгород: БелГУ, 2003

Пендин В.В.: Мерзлотоведение. - М.: МГГРУ, 2003

Птицын А.Б.: Введение в геоэкологию. - Чита: ЗабГПУ, 2003

РАН, Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии; Гл. ред.: Г.Б. Бокий, Б.Е. Боруцкий; Отв. ред.: Н.Н. Мозгова, М.Н. Соколова; Рец.: М.И. Новгородова, Л.В. Бершов : Минералы. - М.: Наука, 2003

РАН; Ин-т кристаллографии им. А.В. Шубникова; Ин-т проблем химической физики; Геологический ин-т Кольского научного центра; МО РФ; Санкт-Петербургский гос. ун-т; Московский гос. ун-т; Н.В. Чуканов, И.В. Пеков, А.Е. Задов и др.; Отв. ред. Д.Ю. Пущаров: Минералы группы лабунцовита. - М.: Наука, 2003

Свиточ А.А.: Морской плейстоцен побережий России. - М.: ГЕОС, 2003

Смольянинов В.М.: Подземные воды Центрально-Черноземного региона: условия их формирования, использование. - Воронеж: Истоки, 2003

Трофимов В.Т.: Теория формирования просадочности лессовых пород. - М.: ГЕОС, 2003

Яковчук М.М.: Практикум по дисциплине "Геология". - Белгород: БелГУ, 2003

: Динамика ландшафтных компонентов и внутренних морских бассейнов Северной Евразии за последние 130 000 лет. - М.: ГЕОС, 2002

Ананьев В.П.: Инженерная геология. - М.: Высшая школа, 2002

Калиберда И.В.: Оценка параметров внешних воздействий природного и техногенного происхождения. - М.: Логос, 2002

Короновский Н.В.: Общая геология. - М.: МГУ, 2002

Роман Л.Т.: Механика мерзлых грунтов. - М.: Наука/Интерпериодика, 2002

Смирнова А.Я.: Лабораторная гидрогеология и экологическая гидрогеология. - М.: Современные тетради, 2002

Трубицын М.А.: Практикум по химии окружающей среды. - Белгород: БелГУ, 2002

А.Я. Цыганенко, В.И. Жуков, Н.Г. Щербань и др.; Под ред. А.Я. Цыганенко; Рец.: Е.Г. Иванюк, Л.М. Кашин: Научные основы обоснования прогноза потенциальной опасности детергентов в связи с регламентацией в воде водоемов. - Белгород: Белвитамины, 2001

Авт.: В.Т. Трофимов, С.Д. Балыкова, Т.В. Андреева и др.; Под ред. В.Т. Трофимова: Лёссовый покров Земли и его свойства. - М.: МГУ, 2001

Геологический ин-т РАН, Гос. комитет Республики Татарстан по геологии и использованию недр, РФФИ ; гл. ред. Ю.Г. Леонов ; ред. А.В. Гоманьков : Стратотипический разрез татарского яруса на реке Вятка. - М.: ГЕОС, 2001

Глушков Б.В.: Донской ледниковый язык. - Воронеж: ВГУ, 2001

Горелов С.К.: Древний рельеф и современные геоморфологические процессы. - М.: НЦ ЭНАС, 2001

Григорьева И.Ю.: Микростроение лёссовых пород. - М.: Наука/Интерпериодика, 2001

Добровольский В.В.: Геология. - М.: ВЛАДОС, 2001

Егоров Д.Г.: Смена парадигм в современных науках о Земле. - Мурманск: МГПИ, 2001

Зекцер И.С.: Подземные воды как компонент окружающей среды. - М.: Научный мир, 2001

Неоднозначность решения обратных задач в геофизике