Исследования, проводимые в лаборатории

 
Разработка теории и новых методов интерпретации геофизических полей и процессов. Разработка новых методов решения прямых и обратных задач математической физики в применении к интерпретации геофизических полей.              

Результаты современных исследований, проводимых в лаборатории, изложены в монографии "Теория и методы комплексной интерпретации геофизических данных" (авторы Мартышко П.С., Ладовский И.В., Федорова Н.В., Бызов Д.Д., Цидаев А.Г.):

 
РЕФЕРАТ Отчета 2016г.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ И ПРОЦЕССОВ (Руководитель темы - П.С. Мартышко, Чл.-корр. РАН, д-р ф.м. наук, профессор; исполнители: д.ф.-м.н. Федорова Н.В., к.ф.-м.н. Ладовский И.В., Колмогорова В.В., Бызов Д.Д., Цидаев А.Г., к.ф.-м.н.Рублев А.Л., к.т.н. Муравьев Л.А., к.ф.-м.н. В.А. Пьянков, М.П. Мартышко, Д.В. Гемайдинов )

Ключевые слова: гравиметрия, магнитометрия, радоновый мониторинг, каротажные диаграммы, прямые и обратные задачи геофизики, комплексная интерпретация, компьютерные грид технологии, параллельные алгоритмы, нелинейная оптимизация, параметр регуляризации, аналитическое продолжение полей, сеточные алгоритмы 2D и 3D гравитационного и магнитного моделирования, разделенные поля, нормальное и региональное гравитационное и магнитное поля, сеточная плотностная модель, истокообразная аппроксимация аномальных полей, неоднородный слой с криволинейными границами, градиентная скоростная модель, локальные магнитные аномалии, малоглубинная геофизика, геосреда, пористость, удельная внутренняя поверхность, акустическая эмиссия, объемная активность радона.

Объектом исследования являются алгоритмы решения некорректных обратных задач математической геофизики и технологии иерархического трехмерного моделирования для восстановления положения и формы аномалиеобразующих объектов по комплексу измеряемых геофизических полей.

Цель работы - разработка методики построения пространственных количественных моделей неоднородной геологической среды на основе количественного анализа экспериментальных данных геофизических исследований и применения оригинального авторского программно-алгоритмических комплекса математического моделирования в рамках современных геоинформационных технологий

Методология исследований. Для интерпретации применяется глубоко проработанная технология, включающая использование измеряемых "in-sity" каротажных диаграмм по стволу скважин, площадные георадарные и градиентно-магнитометрические измерения и данные радонового мониторинга, построение стартовых 2D моделей по профилям, интерполяцию профильных данных на трехмерную среду и итоговую оптимизацию модели в 3D варианте. Наиболее результативным представляется этап, где совмещаются возможности метода локальных поправок и методики фильтрационной интерпретационной томографии, разработанной на базе алгоритмов аналитического продолжения полей. Именно последняя дает возможность послойной релаксации моделей за сравнительно небольшое время.

В результате исследования были созданы схемы количественной интерпретации разномасштабных региональных и локальных аномалий, применительно как для задачи изучения глубинного строения земной коры и верхней мантии, так и задач малоглубинной геофизики и задач структурно-формационного анализа.

Полученные результаты и их новизна 
 
   РАЗДЕЛ 1. Истокообразная аппроксимация аномалий гравитационного и магнитного полей в классе сингулярных источников: отрезков и произвольных многоугольных пластин с постоянной плотностью (или векторной намагниченностью)

Результат: Разработан алгоритм аппроксимации гравитационных аномалий и аномалий модуля магнитной индукции полями сингулярных трехмерных источников (материальных отрезков и пластин) с постоянной плотностью или постоянной покомпонентной намагниченностью. Его программная реализация с использованием параллельных вычислений показала высокую эффективность на сетках большой размерности. Данный алгоритм также может быть использован для разделения источников гравитационных и магнитных аномалий на локальные и региональные составляющие.

РАЗДЕЛ 2 Разработка методики построения трехмерных структурных границ кристаллической земной коры с переменным значением плотности по результатам двумерного моделирования по сейсмическим профилям

Результат: Разработан алгоритм решения структурной обратной задачи гравиметрии: трехмерные поверхности раздела слоев с переменной плотностью восстанавливаются по трехмерной сеточной плотностной модели, посредством бланкирования плотностных параметров вне заданных значений. Контуры сечений граничной поверхности по профилям используются в качестве начальных данных. Рельеф граничной поверхности переменной плотности восстанавливается по аномалиям разделенного поля повысотных трансформант.

РАЗДЕЛ 3 Определение оптимального значения параметра регуляризации при численном решении обратной задачи аналитического продолжения гармонических функций на глубину для ограниченной площади

Результат: Разработан и программно реализован алгоритм пересчета полей «вверх-вниз». При численном решении обратной задачи аналитического продолжения наблюденного гравитационного поля на глубину использована схема регуляризации по Тихонову. При заданном шаге сетки наблюденного поля получено значение оптимального параметра регуляризации сглаживающего функционала для последовательных интервалов глубин через 1 км. Разделение наблюденного поля по плотностным слоям между двумя указанными глубинами возможно при значениях параметра регуляризации больше оптимального. Получены оценки для параметра регуляризации обратной задачи аналитического продолжения, «разделяющего» наблюденное поле.

РАЗДЕЛ 4. Исследование магнитных, гравитационных и радоновых аномалий в зонах пересечения проницаемых разломов земной коры (на примере Башкирских аномалий и зоны пересечения разломов Сан-Андреас и Калаверас).

Результат: Предложен метод краткосрочного прогноза землетрясений на основе интерпретации вариаций радона, и получены некоторые результаты математического моделирования процессов разрушения блоков литосферы на основе модели Райса-Рудницки с упрочающимся дилатирующим включением. Предлагается реализация метода факторного анализа для интерпретации вариаций радона. Для апробации программы краткосрочного прогнозирования землетрясений проведен ретроспективный анализ вариаций радона в сейсмоопасной области (зона пересечения разломов Сан-Андреас и Калаверас).

РАЗДЕЛ 5.Совершенствование методик и применение комплекса методов малоглубинной геофизики (микромагнитная, георадарная и топографическая съемки) для изучения древних курганных комплексов на Южном Урале.

Результат: Проведены исследования по усовершенствованию методик малоглубинной геофизики для изучения древних курганных комплексов на Южном Урале. Выбраны оптимальные параметры при наблюдениях: размещение магнитных датчиков при градиентной магнитной съемке, набор антенн при георадарной съемке. Проведенная микромагнитная, георадарная и топографическая съемка позволила выделить аномальные объекты внутри трех могильных курганов. Объектами геофизического исследования являются археологические памятники - курганы комплекса «Неплюевский», расположенные на Южном Урале.

В процессе проведения исследований получены следующие новые результаты (ПРОЕКТ РНФ 2014-2016гг.):

На основе новых устойчивых алгоритмов решения обратных задач грави- и магнитометрии в формате сеточных функций разработан метод послойного вычисления трехмерного распределения плотности и намагниченности в изучаемом объёме неоднородной геологической среды.Для построения объемной модели литосферы в пределах трапеции с географическими координатами 60–68° с.ш., 48–72° в.д., выполнена переинтерпретация сейсмических данных по десяти профилям ГСЗ и построены сеточные модели градиентных скоростных разрезов.

По результатам комплексной интерпретации сейсмических, гравитационных и магнитных данных построены трехмерные модели распределения плотности и намагниченности верхней части литосферы и карты блочного строения земной коры региона на разных глубинах. Новые трехмерные модели значительно повысили детальность исследования глубинного строения литосферы. Используя эти модели можно строить вертикальные разрезы и карты горизонтальных сечений подобранных физических параметров, структурные карты рельефа сейсмогеологических границ раздела с постоянной (или переменной) плотностью и намагниченностью.

Полученные результаты направлены на совершенствование технологии построения геолого-геофизических моделей земной коры и верхней мантии, что и подчеркивает их актуальность при постановке практически важных задач изучения глубинного строения минерагенических провинций.

Все полученные результаты, особенно в отношении количественных оценок являются оригинальными и не имеют аналогов.             
 
  Область применения. На сегодняшний день современные компьютерные технологии обработки геофизических полей имеют пассивную составляющую. Как правило, геофизические методы по большей части лишь подтверждают наличие уже выявленного аномалиеобразующего фактора. Приоритет в прогнозировании несомненно отдается методам прямого геологического опоискования, включая разведочное бурение. Необходим переход на новый качественный уровень глубинных геолого-геофизических исследований, опирающийся на инновационные методы прогнозного математического моделирования. Это позволит в рамках уже созданной технологической инфраструктуры исследований на перспективных площадях провести полномасштабную корректировку и оценку промышленных запасов. Малоглубинная геофизика успешно применяется для выделения и детального картирования археологических памятников. Определение пористости и трещиноватости горных пород в условиях их естественного залегания дает перспективу для уточнения условий формирования месторождений углеводородов и оценки их запасов.