СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ ВНУТРЕННИХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ЗЕМЛИ Российский патент 2007 года по МПК G01V1/28 

Изобретение относится к области геолого-геофизических проблем, направленных на изучение строения массива горных пород, в том числе метаноугольных месторождений. Способ предусматривает обработку результатов площадных наземных, подземных и дистанционных измерений геологических, геофизических, геохимических, биохимических и др. полей с целью построения томографической модели внутреннего строения массива горных пород (МГП). Обработка результатов площадных наземных, подземных и дистанционных измерений геологических, геофизических, геохимических, биохимических и др. полей может быть предназначена для построения томографической модели внутреннего строения массива горных пород (МГП).

Изобретение позволяет вести обработку результатов профильных и площадных инструментальных измерений свойств геосистем и может быть использовано для изучения их внутреннего строения.

Известны способы изучения глубинного строения Земли.

Например, с помощью сейсмических методов (сейсмическая томография) могут быть получены наиболее точные и обширные сведения о структуре земной коры и верхней мантии. Однако такие исследования, особенно методы взрывной сейсмологии, являются дорогостоящими. Они распределены по площади неравномерно и в явно недостаточном объеме для детального изучения глубинного строения различных геологических структур. В связи с этим широко используются менее точные и детальные, но в то же время мобильные и дешевые методы геофизических исследований, основанные на изучении различных естественных физических полей Земли (гравитационного, геомагнитного, геоэлектрического, геотермического и других).

Однако определение строения МГП по показаниям этих методов задача весьма сложная и решается она в принципе неоднозначно. Также следует отметить, что различные методы глубинных геофизических исследований существенно различаются по точности и детальности, что в значительной степени затрудняет комплексную геологическую интерпретацию их результатов.

Известны способы использования результатов измерения гравитационного поля Земли для изучения ее внутреннего строения [RU 2094830, 1997]. «Гравиметрический способ квазиособых точек» предназначен для повышения геологической эффективности гравиразведки. Сущность данного способа состоит в том, что проводят измерения силы тяжести, трансформацию полей полного нормированного градиента и получение координат (х, z) источников аномалий в разрезе, при этом устанавливают параметры сети наблюдения, определяют оптимальные параметры трансформаций полей функции полного нормирования градиента, осуществляют трансформацию полей выбранного вида с параметрами, близкими к оптимальным, идентифицируют оси синфазности аномальных зон, устанавливают характер источников аномалий и определяют их координаты. Результатом применения этого способа является составление схемы размещения плотностных неоднородностей разреза (субгоризонтальные границы раздела, субвертикальные контакты) без использования априорной геолого-геофизической информации.

Известен способ использования результатов анализа геополей для локализации геологической аномалии в пространственных координатах объекта [RU 95113622, 1997]. Способ основан на анализе геополей с позиций их изменчивости. Изменчивость геополей определяют в коэффициентах отклонения от нормального значения одной из его физических характеристик, приведенных к единице площади излучаемого геополя. Затем строят векторные диаграммы коэффициентов изменчивости, проводят векторную огибающую и прогнозируют в точке пересечения огибающей с вектором максимальной изменчивости геологическое событие. По расстоянию между фокусом векторной огибающей и точкой пересечения ее с вектором максимальной изменчивости с учетом масштаба выбранного изображения геополя или карты прогнозируют физическую характеристику геологической формации. Точность определения пространственных координат может быть повышена при анализе геополей одной и той же территории по параметрам с разными физическими характеристиками, а также по картам, изображенным в разных масштабах. В известном изобретении решена задача разработки способа идентификации геологической формации, пригодного для любого геологического объекта и обеспечивающего высокую точность прогнозирования геологического события. Однако он имеет недостаток, заключающийся в его сложности реализации.

Известен способ обнаружения аномалий подстилающей поверхности [RU 2160912, 1999]. Этот известный способ предполагает использование в космоведении, в дистанционном мониторинге природных сред при оперативном отслеживании аномальных явлений. Сущность способа состоит в том, что в качестве числовой характеристики топологической структуры используют показатель фрактальной размерности. Для вычисления фрактальной размерности матрицы изображения предлагается алгоритм расчета методом вариаций. Алгоритм обнаружения изменений на изображении заключается в последовательном сравнении числовых характеристик фрактальной размерности текущего изображения с предельными эталонными значениями. Аномалия фиксируется при отклонении текущего значения коэффициента фрактальной размерности от его эталонного значения на пороговую величину. Величина порогового уровня должна устанавливаться в зависимости от требуемой достоверности обнаружения аномалий.

К недостаткам данного известного способа можно отнести тот факт, что он способен выявлять только аномалии, связанные с подстилающей поверхностью, и не предназначен для выявления внутренних неоднородностей Земли, для изучения глубинных процессов. Способ характеризуется сложностью его использования.

Задачей изобретения является создание способа выявления внутренних неоднородностей Земли, обеспечивающего получение технического результата, выражающегося в его упрощении и повышении эффективности прогноза глубинного строения Земли, в том числе метаноугольных месторождений, регионов и отдельных участков за счет вовлечения в обработку новых параметров, отражающих глубинные процессы и формирующие структуру полей регистрируемых свойств, а также унификация способов обработки и получения сопоставимых значений разнохарактерных свойств исследуемого МГП, с целью построения комплексной модели его внутреннего строения.

Поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что в соответствии с изобретением способ выявления внутренних неоднородностей Земли включает обработку карты рельефа региона, измерения физических свойств - альтитуды рельефа по профилям и площадям наблюдений, прогноз внутреннего строения массива горных пород и построение томограмм месторождений, при этом результаты обработки карты рельефа региона и измеренные значения альтитуд рельефа представляют в виде полей изменчивости марковских свойств, соответствующих различным структурным этажам региона, прогноз внутреннего строения массива горных пород осуществляют на основе виртуального зондирования изменчивости марковских характеристик его свойств, зарегистрированных на дневной поверхности, которое выполняют сопоставлением численных характеристик изменчивости марковских свойств, определенных путем имитации установок, используемых при электромагнитном зондировании, а выявление внутренних неоднородностей осуществляют по томограммам месторождения, построенным по регулярным профилям, проведенным вкрест простирания основных тектонических структур.

В конкретном примере реализации изобретения глубина зондирования удовлетворяет соотношению

где Н - глубина зондирования;

L - размер зонда;

f - частотная характеристика анализируемого параметра;

ΔL - шаг наблюдений.

Изобретение поясняется иллюстрациями, на которых показаны на Фиг.1 моделирование пространственного изменения вероятностей марковских переходов; на Фиг.2 - связь глубины зондирования с длиной марковской последовательности; на Фиг.3 - связь между кажущейся глубиной марковского зондирования (Нк) и параметра виртуального марковского потенциал-зонда; на Фиг.4 - матрицы переходной вероятности; на Фиг.5.1-5.10 - марковская гипсотомография метаноугольного месторождения; Фиг.6 - марковская гипсотомография Таллинской площади.

В основу изобретения положено представление о связи марковских характеристик, определенных на числовой последовательности измеренных свойств, с глубинными процессами, их формирующими. Прогноз модели внутреннего строения МГП осуществляется на основе виртуального зондирования изменчивости марковских характеристик его геологических, физических, химических и прочих свойств, зарегистрированных на дневной поверхности либо на других естественных или искусственных границах раздела. Зондирование выполняется путем сопоставления численных характеристик марковских свойств, определенных в различных «окнах», имитирующих установки, используемые при электромагнитном зондировании. Предложены способы, обеспечивающие создание на основе зондирования 3-мерных моделей строения исследуемого массива. Система позволяет вовлекать в обработку материалы наземных площадных и профильных геолого-геофизических исследований, а также данные подземных (скважинных и шахтных) измерений, аэро- и космонаблюдений.

Вместо значений конкретных геологических или геофизических характеристик, выявленных на земной поверхности или других границах раздела, используют их марковские свойства.

Известно, что многие природные процессы (геологические процессы - не исключение) характеризуются тем, что в них наблюдается некоторое влияние предшествующих событий на последующие. Эти процессы носят название марковских по имени впервые описавшего их в начале столетия математика Маркова. Характерным для марковских процессов является то, что вероятность системы находится в данном состоянии в заданный момент времени, можно вывести из сведений о непосредственно предшествующем состоянии.

Частным случаем марковского процесса является цепь Маркова - ее можно рассматривать как последовательность дискретных состояний во времени или пространстве, для которых вероятность перехода из одного состояния в заданное за последующий шаг зависит от предшествующего состояния. Марковское свойство, или марковость, представляет собой зависимость вероятности каждого перехода от непосредственно предшествующего состояния (S_j) в момент времени (t_j-1) в состояние (S_j) в момент времени (t_j). Наиболее ярким примером проявления марковских свойств в геологии является чередование слоев литотипов в стратиграфических последовательностях.

В основу изучения глубинного строения Земной коры в соответствии с изобретением положен новый способ выявления внутренних неоднородностей Земли, основывающийся на предположении о наследовании марковских свойств рельефа поверхности или каких-либо других свойств нижележащих стратиграфических горизонтов в рельефе или свойствах поверхности перекрывающих наслоений.

С позиций математической геологии это предположение заключается в следующем. Пусть имеется несколько последовательно залегающих слоев (толщ), контрастных по геолого-геофизическим свойствам. Границы разделов слоев обладают рельефом (свойствами), сформированным условиями осадконакопления, эпигенезом, тектонической историей и последующей денудацией. Каждая из границ может быть математически описана в виде простой однородной марковской последовательности отметок значений свойств по множеству профилей, секущих границу. Вертикальную изменчивость марковских описаний границ разделов следует рассматривать как изменение марковской последовательности величин значений свойств на границах и считать сложной марковской цепью, укрупненной по множеству исходных состояний [Вистелиус А.Б. Основы математической геологии, Ленинград, Наука, 1980]. В этом случае, согласно теории марковских процессов, предыдущее состояние (марковость подстилающего слоя) вероятностно определяет состояние последующее - марковость покрывающего слоя. Следовательно, изучая определенным образом марковские свойства на дневной поверхности, представляется возможным получить информацию о глубинном строении региона Используя результаты математического моделирования, были рассчитаны "поля" влияния марковских свойств гипотетического множества границ раздела в плоскости геологического пространства на марковские свойства единичного отрезка, находящегося на дневной поверхности. Координаты ХУ-пространства определены в единицах количества точек наблюдения. При расчете учитывалась не только вертикальная, но и тангенциальная составляющая "поля" (Фиг.1). Интегрирование полученных полей на интервале дневной поверхности от (3 до 30) точек позволило получить диаграмму «глубинности» марковского зондирования в зависимости от длины исследуемой последовательности. Как видно из Фиг.2, области максимальной чувствительности группируются вдоль линии У=-(2-0.433*Х). Следует отметить, что рассчитанные модели не учитывают частотные характеристики исследуемой марковской последовательности. Исследование реальных марковских моделей показало существенное снижение глубинности зондирования с увеличением числа состояний (частоты) марковской последовательности (Фиг.3).

Для реализации идеи выявления внутренних неоднородностей используется система обработки, позволяющая выполнять виртуальное марковское потенциал- и градиент-зондирования свойств поверхности по профилям и площадям наблюдений. Вся совокупность значений (в примере - альтитуда рельефа) разбивается на n-состояний (n≥2). Компьютерный анализ числовой последовательности осуществляется двумя окнами АВ и MN в интервале которых величины преобразуются в значения переходных вероятностей случайной марковской последовательности (Фиг.4). Сравнивая серии значений в двух окнах в последовательных «пикетах» исследуемого профиля, была получена серия кривых, отражающих изменения марковских свойств погребенного рельефа (Фиг.3). Глубина зондирования Н определяется, в основном, четырьмя факторами - размерами зонда (шириной окна) - L, шагом наблюдения ΔL и частотной характеристикой анализируемого параметра f (число определенных на шкале свойств состояний) и рассчитывается по формуле

В качестве объекта опробования изложенной идеи использованы материалы по метаноугольному месторождению Кузбасса, для которого выполнена оценка глубинного строения.

На Фиг.5.1 приведена карта рельефа угольного месторождения и результаты ее обработки (фиг.5.2-5.10), представленные в виде полей марковских свойств, рассчитанных с различными размерами скользящего окна и соответствующие различным структурным этажам региона. На фиг.6 представлены томограммы месторождения, построенные по регулярным профилям, проведенным вкрест простирания основных тектонических структур.

Аналогичные исследования выполнялись на угольных месторождениях Донецкого и Южно-Якутского бассейнов.

Из изложенного следует, что предложенный способ может быть использован для обработки данных измерения различных геологических, геофизических, химических, биологических и других полей с целью изучения внутреннего строения Земли и отдельных ее регионов.

Преимуществами предложенного способа выявления внутренних неоднородностей Земли являются возможность прогнозирования аномальных свойств на глубине, возможность исследования различных типов регистрируемых полей.

Изобретение относится к области геолого-геофизических проблем, направленных на изучение строения массива горных пород, в том числе метаноугольных месторождений. Сущность: осуществляют обработку карты рельефа региона. Измеряют альтитуду рельефа по профилям и площадям наблюдений. Прогнозируют внутреннее строение массива горных пород и строят томограммы месторождений. При этом результаты обработки карты рельефа региона и измеренные значения альтитуд рельефа представляют в виде полей изменчивости марковских свойств, соответствующих различным структурным этажам региона. Прогноз внутреннего строения массива горных пород осуществляют на основе виртуального зондирования изменчивости марковских характеристик его свойств, зарегистрированных на дневной поверхности, которое выполняют сопоставлением численных характеристик изменчивости марковских свойств, определенных путем имитации установок, используемых при электромагнитном зондировании. Выявление внутренних неоднородностей осуществляют по томограммам месторождения, построенным по регулярным профилям, проведенным вкрест простирания основных тектонических структур. Технический результат: повышение эффективности и упрощение прогноза внутренних неоднородностей Земли. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ выявления внутренних неоднородностей Земли, включающий обработку карты рельефа региона, измерения физических свойств - альтитуды рельефа по профилям и площадям наблюдений, прогноз внутреннего строения массива горных пород и построение томограмм месторождений, при этом результаты обработки карты рельефа региона и измеренные значения альтитуд рельефа представляют в виде полей изменчивости марковских свойств, соответствующих различным структурным этажам региона, прогноз внутреннего строения массива горных пород осуществляют на основе виртуального зондирования изменчивости марковских характеристик его свойств, зарегистрированных на дневной поверхности, которое выполняют сопоставлением численных характеристик изменчивости марковских свойств, определенных путем имитации установок, используемых при электромагнитном зондировании, а выявление внутренних неоднородностей осуществляют по томограммам месторождения, построенным по регулярным профилям, проведенным вкрест простирания основных тектонических структур.2. Способ выявления внутренних неоднородностей Земли по п.1, отличающийся тем, что глубина зондирования удовлетворяет соотношению:

,

где Н - глубина зондирования;

L - размер зонда;

f - частотная характеристика анализируемого параметра;

ΔL - шаг наблюдений.