автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Применение лучевой сейсмической томографии при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых

Новосибирский государственный университет

Гч

-у V,;.

На правах рукописи УДК 550.834

КОЛОНИИ АНТОН ГЕРМАНОВИЧ

ПРИМЕНЕНИЕ ЛУЧЕВОЙ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ ПРИ ПОИСКАХ И РАЗВЕДКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Специальность 05.13.16 Применение вычислительной техники и математических методов в научных исследованиях

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК 1998

Работа выполнена в Институте Математики Сибирского Отделения Российской Академии Наук в рамках заочной аспирантуры.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

академик Лаврентьев М.М.

доктор технических наук Гик Л.Д.

доктор физико-математических наук

Кабанихин С.И.

Ведущая организация:

Сибирский Научно-Исследовательский Институт Геологии, Геофизики и Минерального Сырья Министерства Природных Ресурсов Российской Федерации

Зашита состоится " 23" 199 г. в 15-00 часов на

заседании диссертационного совета Д .063.98.01 в Новосибирском Государственном Университете по адресу:

630090, Новосибирск, ул. Пирогова 2, НГУ зал заседаний совета.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Новосибирского Государственного Универститета.

Автореферат разослан "27" ноября 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета /Ж^ 11

кандидат технических наук / (рКУц^ Ю.И.Еремин

Общая характеристика работы

Актуальность. К настоящему времени накоплен большой опыт применения тех или иных методов решения обратных задач сейсморазведки, основанных на интегральной геометрии, в задачах сейсмического просвечивания и называемых методами лучевой сейсмической томографии или сейсмотомографии. Известно много примеров использования указанных методов для решения различных прикладных задач путем обращения скоростных или амплитудных характеристик сейсмических волн и получения сечений соответствующих параметров геологической среды.

Важность практического развития этих методов определяется их потенциалом в обнаружении и изучении таких сейсмогеологически сложных объектов, как коренные месторождения алмазов, рудные залежи, неструктурные ловушки нефти и газа, объекты инженерной геологии или техногенного происхождения. Благоприятные предпосылки для использования сейсмической томографии обусловлены зачастую изометричной формой перечисленных объектов, а также комплексным отклонением их сейсмических свойств от вмещающей среды по целому ряду упругих параметров и структурных особенностей.

Однако, в настоящее время отсутствует комплексный подход к постановке и проведению сейсмотомографических исследований, обработке и интерпретации их результатов. Отсутствует четкое представление о границах области применимости лучевой сейсмотомографии. Недостаточна методическая обеспеченность имеющихся алгоритмов для их практического использования. Налицо - необходимость разработки полноценного методико-алгоритмического комплекса сейсмических исследований, основанного на сейсмотомографическом подходе, а также апробация его для различных классов сейсмогеологических моделей.

Целью работы является разработка и апробация комплекса исследований, включающего получение сейсмических данных, обработку этих данных алгоритмами лучевой сейсмической томографии и интерпретацию полученных результатов обработки. Комплекс должен обеспечивать одновременные исследования с помощью разных типов сейсмических волн с различными законами распространения - прямых, отраженных и головных. По каждому типу волн может и должна производиться оценка как кинематических параметров среды, так и ее поглощающих характеристик и рассеивающих свойств. Также, должны быть определены предельные условия для применимости метода.

Задачи исследования:

1) Выработка унифицированного подхода к решению обратной задачи сейсмотомографии, позволяющего обрабатывать как временные, так и амплитудные и спектральные характеристики сейсмических волн.

2) Разработка методики специальной предварительной обработки полевых данных, полученных по различным геометрическим схемам наблюдений, к виду, допускающему применение сейсмотомографического подхода.

3) Выбор набора известных и построение новых алгоритмов, позволяющих решать как качественные, так и количественные задачи сейсморазведки при минимальных счетных затратах.

4) Апробация применимости сейсмотомографии на ряде различных сейсмогеологических моделей, представляющих практическую значимость.

5) Определение границ применимости лучевого подхода в задачах сейсмического просвечивания.

Научная новизна.

1) Разработан унифицированный подход к обращению различных характеристик сейсмических волн методом лучевой сейсмотомографии.

2) Получены уравнения полей времен для задачи сейсмического просвечивания отраженными волнами в общем случае для наклонных границ.

3) Построены алгоритмы, аналогичные алгоритмам свертки обратной проекции в классической полноракурсной томографии с равномерным шагом, применительно к геофизической томографии с малым числом ракурсов, неравномерным шагом наблюдений и разреженной сетью дискретизации.

4) Проведена апробация комплексного восстановления скоростных и поглощающе-рассеивающих свойств среды на ряде различных сейсмогеологических моделей.

5) Получены экспериментальные данные, позволяющие оценить применимость методов лучевой сейсмотомографии и искажения возникающие за границами области ее применимости.

Практическая значимость.

1) Получена методика позволяющая для различных видов сейсмических исследований получить данные, пригодные для обработки методами лучевой сейсмотомографии по ряду характеристик сейсмических волн, с восстановлением различных сейсмических свойств среды.

2) Результаты апробации на различных моделях позволяют сделать выводы о применимости лучевых сейсмотомографических

исследований и условиях их проведения в различных сейсмогеологических условиях.

3) Данные физического моделирования явлений дифракции

позволяют оценить условия применимости лучевого подхода и характер искажений, возникающих за пределами его применимости.

Защищаемые положения.

1) Возможно использование универсальных интегральной формулы и геометрической постановки для выведения алгоритмов обращения, к которым могут быть сведены различные типы геометрии сейсмического просвечивания, различные параметры среды и волновые характеристики.

2) Для реализации томографического подхода применительно к данным метода отраженных волн, может использоваться обобщенное поле времен отраженных волн, как для горизонтальных, так и для негоризонтальных отражающих границ.

3) При использовании амплитуд сейсмических волн для восстановления поглощающих и рассеивающих свойств среды, может использоваться методика, позволяющая оценить относительную интенсивность источника в пунктах возбуждения сейсмических колебаний.

4) Для локализации сейсмически аномальных объектов, могут использоваться как итерационные алгоритмы, так и алгоритмы, аналогичные методу свертки обратной проекции, адаптированные к геометрии сейсмических наблюдений, а также упрощенные алгоритмы типа суммирования сигналов по точкам среды.

5) Совместная обработка времен и амплитуд сейсмических волн с восстановлением скоростных и г.оглощающе-рассеивающих свойств среды с помощью различных алгоритмов делает сейсмотомографические исследования более информативными и достоверными.

6) Применимость лучевого подхода ограничивается размерами исследуемых объектов, существенно меньшими, чем радиус первой зоны Френеля и сопряжена с неоднозначностью разделения скоростных и поглощающе-рассеивающих аномалий для объектов, размеры которых сопоставимы с радиусом первой зоны Френеля.

Фактическую основу диссертации составляют результаты исследований, выполненные автором в течении 1986-1987 гг. в отделе рудной сейсморазведки ВИРГ НПО "Рудгеофизика" Мингео СССР, в течении 19871989 в отделе рудной геофизике ЗабНИИ Мингео СССР, в течении 1989-1993 на кафедре геофизики Читинского политехнического института, в течении 1993-1997 в отделе геофизики АО "СТС", г.Чита. Физическое моделирование проводилось на установке отдела рудной сейсморазведки ВИРГ НПО

"Рудгеофюика". Численные расчеты по решению прямых и обратных задач выполнялись на ЭВМ ЕС-1033, ДВК-3, IBM-PC 8086/286/386/486. Полевые экспериментальные данные были получены в производственных и научно-исследовательских организациях, где производилось внедрение разрабатываемой методики и созданного на ее основе пакета прикладных программ.

Апробация: результаты диссертационной работы докладывались на IV Всесоюзном симпозиуме по вычислительной томографии (Ташкент, 1989г.), V Всесоюзном симпозиуме по вычислительной томографии (Звенигород, 1991г.), Международном научно-техническом совещании по геотомографии (Апатиты, 1992), Всероссийской конференции "Геофизические методы изучения земной коры" (Новосибирск, 1997г.). В ходе выполнения работы проведено внедрение описываемой методики и реализующего ее пакета прикладных программ "Геотомо" в Баженовской геофизической экспедиции (Свердловская область), Институте горного дела им.Скочинского (г.Москва), НИИ Атомпроект (г.Москва), НИИ Галургии (Белорусия), Ботуобинской геофизической экспедиции (г.Мирный), ВНИИГЕОЛНЕРУД (г.Казань), ряде геофизических экспедиций на Украине, в Казахстане и Приморском крае.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 5 печатных работ и 8 тезисов докладов.

Структура и объем: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии по теме диссертации. Общий объем работы 127 страниц, количество иллюстраций 19, список литературы содержит 49 наименований.

Автор выражает искреннюю признательность: руководителям настоящего исследования Лаврентьеву Михаилу Михайловичу, Зеленяку Тадею Ивановичу и Романову Марту Ефимовичу; Караеву Назиму Алигейдаровичу, который стоял у истоков увлечения автора обсуждаемым кругом вопросов и оказал неоценимую помощь в начальной постановке описанных исследований; Меньшикову Юрию Петровичу, первому, кто практически поддержал работы по созданию пакета программ "ГЕОТОМО"; Гику Леониду Давыдовичу, оказавшему моральную поддержку и неоценимую помощь в постановке физического моделирования, организации численных расчетов и представлении результатов; Гольдину Сергею Васильевичу, всегда помогавшему автору советом и ценными критическими замечаниями; Рубану Анатолию Дмитриевичу и Новикову Александру, настоявшим на необходимости систематизации и документировании методических подходов и алгоритмов; Бельферу Игорю Константиновичу, оказавшему неоценимую моральную и идейную поддержку автору; Мусиной Валерии, за большую

практическую помощь во время работы над материалом, в подготовке данных, составлении программ и машинной обработке; Анисимову Александру, который помог автору овладеть искусством физического моделирования и непосредственно содействовал в проведении опытов.

Глава 1. Метод сейсмотомографии и условия его применения.

Метод сейсмической томографии может быть рассмотрен как средство эффективного изучения земных недр с помощью сейсмических волн применительно к самому широкому кругу геологических задач. Однако, наибольшая эффективность может быть обеспечена при изучении таких геологических объектов, размеры которых меньше базы наблюдений, или так называемых локальных неоднородностей (ЛН) геологического разреза.

К задаче поиска и разведке локальных неоднородностей могут быть сведены проблемы обнаружения и изучения коренных месторождений алмазов, рудных залежей, неструктурных ловушек нефти и газа, объектов инженерной геологии или техногенного происхождения.

Благоприятные предпосылки для использования сейсмической томографии обусловлены зачастую изометричной формой перечисленных объектов, а также комплексным отклонением их сейсмических свойств от вмещающей среды по целому ряду упругих параметров и структурных особенностей.

Во всех случаях, следует предполагать первоочередное значение сейсмического метода, как - структурного. Но при этом на первый план выходит не столько структурное расчленение самого разреза, сколько определение пространственного расположения и ориентации непосредственно искомых объектов, расчленение их внутренней структуры и оценка интегральных сейсмических свойств.

Поставленной задаче отвечает методико-алгоритмический комплекс сейсмических исследований, основанный на сейсмотомографическом подходе. Комплекс предполагает одновременные исследования с помощью грех геометрических типов сейсмических волн с различными геометрическими законами распространения -прямых, отраженных, головных и дифрагированных. По каждому типу волн может производиться оценка как кинематических параметров среды, так и ее поглощающих характеристик и рассеивающих свойств. Также этом могут использоваться сейсмические волны различной физической природы (продольные, поперечные, поверхностные). Особенно важно следующее.

1. Комплексные исследования по различным видам волн и физическим параметрам делают задачу поисков и разведки кимберлитовых тел надежной, помехоустойчивой и объективной.

2. Для проведения исследований достаточно организации полевых наблюдений по единой унифицированной методике, практически неотличимой от привычной массовой методики многократных перекрытий в профильном, площадном или широкопрофилыгам вариантах.

3. Все типы волн могут использоваться как вместе, так и раздельно, на любых этапах геологоразведочных работ (поисков или разведки), и при любой геометрии наблюдений (профильной или объемной).

4. Ключевым, во всех случаях, оказывается проведение истинно комплексных исследований по различным типам волн с различной геометрией наблюдений, а также - привлечение априорной геолого-геофизической информации.

Использованием алгоритмов ВТ в геофизике имеет ряд важных особенностей:

- большое разнообразие возможных схем просвечивания;

- нерегулярность всех применяющихся схем;

- необходимость специальных процедур определения исследуемых физических параметров до использования алгоритмов ВТ;

- рефракция сейсмических лучей, приводящая к их отклонению от прямолинейных траекторий;

- дифракция сейслтческих волн на локальных неоднородностях

среды;

- различные типы используемых сейсмических волн и возможность использования восстановления различных их параиетров, характеризующих различные свойства среды;

- разнообразие методологических подходов в рамках томографического метода к решению прямых и обратных зада.

Глава 2. Математический аппарат лучевой сейсмотомографии.

Обобщение задачи восстановления в лучевой сейсмотомографии.

При собственно решении обратной задачи можно абстрагироваться от конкретного типа физического поля, а также, если не учитывать рефракцию, - и от вида регистрируемого параметра - амплитуды волны или времени (фазы) ее прихода. В приведенной низке таблице показано соответствие между различными типами регистрируемых волновых параметров, соответствующих физических величин, характеризующих строение среды, и абстрактных томографических параметров А и О.

Задача Параметры Обработка амплитуд сейсмических волн. Анализ коэффициента поглощения-рассеяния. Обработка времен прихода сейсмических волн. Анализ скоростей.

Исходные данные. Логарифмы нормированных амплитуд, Неп [неперы]. Uа • Rfi ln( lJ lJ) Время первого вступления или фазовая задержка, с [секунды]. Т-

Искомая величина. Akl эффективный коэффициент поглощения-рассеяния, Неп/м [Неперы на метр]. Рм медленность - величина, обратная скорости, с/м [секунды на метр]. 1

А - физический параметр среды - коэффициент поглощения-рассеяния (КПР) или медленность. Отметим, что медленность может быть однозначно пересчитана в скорость распространения волн. А при известной скорости и определенной частоте сигнала, по КПР волн могут быть рассчитаны коэффициент их затухания или логарифмический декремент затухания.

£> - исходные данные для восстановления. Наиболее типично в качестве их рассматривать времена прихода сейсмических волн или их амплитудные характеристики. Однако, в принципе, для восстановления можно использовать любую волновую характеристику, которую удастся свести к линейному интегралу по прохождению сейсмического луча через среду.

и у - измеренная, или определенная тем или иным способом, амплитуда волны, экспоненциально зависящая от поглощающе-рассеивающих свойств среды, обратно пропорциональная длине луча Яу и прямо пропорциональная амплитуде 1>0 излучаемого сигнала в точке возбуждения.

Яу - длина луча, просвечивающего исследуемую среду. При этом индекс "¡" соответствует номеру конкретного источника, из которого

выходит луч, а "3" - номеру приемника, в который рассматриваемый луч приходит.

Для решения прямой задачи расчетная величина среднего лучевого параметра (ЛС) может быть найдена как среднее значение по всем ячейкам среды, с учетом весового коэффициента Бук1, нормированное по сумме всех весовых коэффициентов. Определим весовой коэффициент, учитывающий вклад конкретной ячейки матрицы дискретизации строки к и столбца 1 в формирование луча Лук!, как Бум = Щщ / Я у.

Тогда для каждого луча можно определить базовую формулу для построения его обращения, с суммированием по всем ячейкам матрицы дискретизации:

4; = ТГ " X! ' Л/

^У к,1

Cell

Source

Full pay picture

Bays passed the cell Ь

Smooth filter d

Reverse filter

Схема хода лычей при дчухпрооипьнии просвечивании локальной неоднородности

Ь - Рао&иение среды на

элементарные ячейки и выборка группы л'_|чеи, проходяиих через отдельную ячейки, соотяегствыииим неоднородности

с - Прохождение №ча из

источника с номером 1 8 приемник с номером о через ячейки с номерами к, 1 на отрезке Щ,|]<1

- Сечение сгламивднцего пространственного фильтра типа обратного проецирования

е - Сечение пространственно, фильтра, примерно "обратного"* обратном» проеиированию

а

е

Обобщенная лучевая геометрия

Трассировка прямых волн может производиться как в приближении прямолинейного лучевого распространения, так и с учетом искривления лучевой траектории вследствие рефракции. Практически, прямолинейное приближение будет приемлемо в тех случаях, когда крупномасштабные скоростные вариации сравнительно малы или когда радиус кривизны сейсмического луча меньше максимального диаметра первой зоны Френеля.

При расчете геометрии головных волн следует учитывать их прохождение в слоях, покрывающих преломляющую границу. Этого можно достичь, аппроксимируя покрывающую пачку слоев одним слоем с усредненными скоростными и поглощающе-рассеивающими характеристиками. Зная мощность этого слоя и средние скорости в нем и за преломляющей границей, в каждой точке возбуждения и приема, для каждой пары источник-приемник можно определить: проекцию входа сейсмического луча в границу и выхода его из нее, длину отрезка луча, приходящуюся на прохождение по границе. Это позволяет ввести в значения времени и амплитуды для каждого луча поправки "за верхний слой", приведя, таким образом, данные к плоскости преломляющего горизонта. После этой процедуры, если аппроксимировать преломляющий горизонт плоскостью, к приведенным данным можно относиться так, как если бы они были получены по обычной схеме просвечивания прямыми волнами.

При исследовании методом отраженных волн, при наличии отражающей границы, каждой точке геологического разреза во временном поле будет соответствовать годограф общей точки среды (ОТС). Для ОТС, лежащих непосредственно на границе, т.е. для общих глубинных точек (ОГТ), эти годографы сольются в один годограф ОГТ. Если в разрезе имеются две отражающие границы или более, то соответствующие поля времен можно построить для каждой из них. Так или иначе, можно на сводном временном поле представить годографы ОТС по различным отражениям. Следует отметить, что точки пересечения годографов нельзя рассматривать как нечто реальное, так как равные времена в этих точках будут соответствовать различным удалениям "взрыв-прибор" для каждой границы. Локальная неоднородность, вызывающая изменение параметров проходящих через нее волн, помещенная в некоторую область среды с центром в некоторой точке временного поля, отобразится в области, окружающие годограф ОТС данной точки. Изучая характеристики зарегистрированных волн, соответствующих такой области, или осредненные характеристики сигнала, полученного в результате суммирования волн по годографу ОТС для центра ее, мы избирательно изучаем среду, фокусируя в ней группы пересекающихся лучей, что является аналогом алгоритма обратного проецирования в лучевой томографии. Также, имея таким образом данные о геометрии отраженных сейсмических лучей, можно построить стандартный алгоритм обращения, учитывающий каждый луч не один раз, как в традиционной томографии, а дважды - по падающему и отраженному его отрезкам.

Алгоритмы восстановления

Рассматриваются те алгоритмы лучевой томографии, которые могут использоваться для решения обратных задач применительно к сейсмическим исследованиям. При их рассмотрении учитывается, что сложность алгоритма увеличивает требование к машинным ресурсам и счетное время, удорожая и замедляя обработку. В связи с этим следует оценивать оптимальную сложность алгоритмов, достаточную для решения поставленных геологических задач.

При наличии дифракционных эффектов перечисленные ниже алгоритмы, основанные на лучевом приближении, становятся неприемлемыми. Изучение как поглощающих и рассеивающих, так и скоростных свойств среды в этом случае следует производить на основе волновых преобразований.

Самыми простыми и эффективными с точки зрения быстродействия оказываются алгоритмы типа группирования сигналов или обратного проецирования. Однако, их применение возможно только в случае резкоконтрастных крупномасштабных искомых объектов. При этом указанные алгоритмы дают только возможность качественного принятия решения о наличии или отсутствии в среде искомого объекта и не позволяют произвести достоверную количественную оценку его свойств.

Также могут применяться алгоритмы итерационного восстановления, применение которых связано с большими затратами счетного времени при значительных объемах исходных данных. Их применение позволяет подойти к разрешенному оконтуриваншо искомых объектов и количественной оценке их параметров, однако их разрешающая способность все же недостаточно велика.

Предлагается два алгоритма, являющихся по своей сути, физическим аналогом алгоритмов типа свертки обратной проекции (СОП) в применении к малоракурсным схемам наблюдений с неравномерным шагом. Сечение обратного проецирования (ОП) рассматривается в них, как результат фильтрации истинного сечения некоторым фильтром. Для восстановления исходного сечения строится фильтр, обратный указанному, и им производится обратная фильтрация (деконволюция) сечения ОП. В классической полноракурсной томографии описанная схема реализуется посредством интеграла свертки, в соответствии с теоремой Радона об обратной проекции, или же, в частотной области фильтрацией в области пространственных частот. В настоящей же работе рассматривается алгебраическая схема решения, учитывающая нерегулярность схемы наблюдений, не позволяющей построить оператор фильтра. Примитивная схема алгоритма суммирования разностей СР позволяет производить

быструю и грубую оценку, более корректный, но сложный алгоритм коррекции обратной проекции (КОП) позволяет получать более разрешенные и устойчивые результаты.

Глава 3. Примеры практического применения лучевой сейсмотомографии.

Наблюдения в горных выработках и межскважинное просвечивание.

Математическое моделирование проводилось для заданного сечения применительно к задаче межскважинного просвечивания. При этом рассчитывались теоретические амплитуды регистрируемых волн. Восстановление велось по рассчитанным модельным амплитудам.

Данные межвыработочного сейсмического просвечивания были любезно предоставлены Белорусским НИИ Галургии. В обработке использовались как времена прихода сейсмических волн - для получения сечений скорости, так и их амплитуды - для восстановления сечений коэффициента поглощения-рассеяния (КПР).

При рассмотрении результатов обработки анализировались:

- различия рассмотренных алгоритмов;

- влияние сети дискретизации - размеров элементарных ячеек и соотношения их размеров по вертикали и горизонтали;

- результаты учета априорной информации , сглаживания сечений, и их многоуровневой дифференциации;

- возможности представительной и объективной геологической интерпретации полученных сечений.

Как показывают результаты обработки модельных и экспериментальных данных, все алгоритмы подвержены влиянию геометрии наблюдений. Это приводит к тому, что восстанавливаемые объекты аномалий обычно размазываются вдоль основных направлений лучей. При этом, объекты, протяженные перпендикулярно ■ направлению распространения лучей, практически не могут быть локализованы. А области аномальных значений, протяженные вдоль лучей - напротив - могут быть охарактеризованы завышенными значениями. Последнее особенно актуально для алгоритмов типа СОП, основанных на допущении об единственности каждой конкретной аномалии. Наиболее быстрым и устойчивым к наличию помех и резких неоднородностей является алгоритм ОП. Он позволяет оценить в целом средние значения КПР или скорости волн в исследуемой среде. Также, по полученным с помощью него сечениям можно принципиально решить вопрос о наличии или отсутствии в

пределах исследуемой среды крупных аномалий параметров. Выделение с его помощью мелкомасштабных неоднородностей, а также однозначная связь величин аномальных значений с истинными величинами параметров среды в пределах аномалий не представляются возможными. В пределах положительных аномалий значения по сечению, как правило, оказываются значительно заниженными, а в случае отрицательных аномалий - завышенными. В целом, алгоритмы итерационного восстановления оказываются более предпочтительными, если речь идет об исследовании крупномасштабных неоднородностей. Алгоритмы типа СОП в свою очередь, дают лучшие результаты при локализации мелкомасштабных объектов и картирования внутренней структуры среды с высоким разрешением. Кроме того, последние алгоритмы, при удачном подборе параметров дискретизации среды (размеров ячеек), в принципе позволяют добиться величины коэффициента восстановления примерно равной единице, что трудноосуществимо в других алгоритмах.

Поверхностные наблюдения головных волн.

Проведение исследований методом преломленных волн (КМПВ) во многих случаях является технологически более простым и, следовательно, более эффективным экономически, чем традиционный метод ОГТ-МПП. Вместе с тем, томографическая обработка данных непродольного профилирования КМПВ позволяет решить дополнительные задачи, неразрешимые обычной методикой ОГТ, например, произвести оконтуривание приповерхностных объектов в плане.

Методика исследований, проведенных применительно к задаче оконтуривания кимберлитовых трубок, включает наблюдение головных волн от границы эрозионного среза, включающей верхнюю кромку кимберлитового тела. Далее, производится "пересчет" наблюденных кинематических и динамических волновых параметров на плоскость преломляющего горизонта и томографическое восстановление скоростей и поглощающе-рассеиваищих свойств среды в плоскости границы.

Поверхностные наблюдения отраженных волн

Для отработки методики томографических исследований отраженными волнами, проводилось как математическое, так и физическое моделирование, а также обработка реальных полевых материалов.

При обработке данных математического моделирования, различаются по разрешенное™ разрезы КПР, полученные с помощью итерационного восстановления и алгоритмов типа СОП. Результаты итерационного восстановления при малом числе итераций были сопоставимы с результатами

применения обратного проецирования, а большее число итераций было трудноосуществимо из-за непомерных затрат машинного времени при большом объеме данных. Очевидная "размазанность" модели, наиболее хорошо восстановленной способом суммирования разностей, по вертикали объясняется преобладанием субвертикальных направлений, имевшихся в распоряжении лучевых траекторий.

Описанными алгоритмами были обработаны данные метода общей глубинной точки, полученные с помощью вибросейсмического комплекса по профилю, проходящему через известную кимберлитовую трубку Амакинская-3 в Якутии.

Разрез, полученный способом осреднения амплитуд, не дает возможности провести результативную интерпретацию. По разрезам коэффициента поглощения-рассеяния, построенным с помощью обратного проецирования и суммирования разностей, хорошо выделяется зона дробления в центре разреза. В случае использования алгоритма суммирования разностей в пределах этой зоны раздельно видны субвертикальная дайка (в центре, внизу) шириной около 150 метров в нижней части разреза и выклинивающаяся вверху на глубине 300 м, а также субвертикальное тело кимберлитовой трубки (левее и выше дайки) диаметром около 120 метров.

Также выполнялась томографическая обработка кинематических характеристик волн, отраженных от опорной границе-с целью восстановления вариаций скорости Vp продольных сейсмических волн по разрезу. Исходными являлись времена максимальных значений по трассам, в заданных временных окнах (полученных программой TRAM), соответствующих временам отражений для среднего скоростного закона, определенного в ходе предыдущей обработки. Последнее представляется вполне корректным ввиду нуль-фазового характера волнового импульса, получаемого при корреляции вибросейсмических данных. Обработка проводилась с помощью обратного проецирования и суммирования разностей.

С помощью обратного проецирования лишь в целом локализуется область повышенных значений скорости в центральной части разреза, приопущенной в результате тектонической дислокации. По-видимому, это связано с уплотнением горных пород под действием сдавливающих тектонических напряжений в структуре типа грабена, нарушенной рядом тектонических нарушений и прорванной кимберлитовой дайкой, переходящей в тело трубки вблизи поверхности. На разрезе суммирования разностей можно наблюдать локальные скоростные вариации в пределах этой структуры, говорящие о характере имевших место локальных напряжений.

Лучевая отражательная томография (С) Ботуобинская кимберлитовой трубки (Амакинская А-3) грэ, АО стс.

Сейсмический paspes ОГТ и геологический paspes 1989-1993

Paspes средних амплитуд общих точек среды по разрезу Томографические разрезы коэффициента поглощения-рассеяния

- С использованием субаертикапьных траекторий • С использованием всех лучевых траекторий

Томографический разрезы скорости продольных волн

- Средние значения скоростей

- Локальны« значения вариаций скорости

( у . ь « t >

I ' J„

Глава 4. Ограничения лучевого подхода и исследование границ

применимости.

Данная глава посвящена проблеме оценки предельных условий применения лучевого подхода при изучении различного рода геологически локальных объектов. Пока не вполне ясно, каким именно образом влияют на волновые поля отношения размеров объекта к радиусу первой зоны Френеля и длине волны, как проявляются в этих полях параметры самого тела по отношению к вмещающей среде и его форма. Делается попытка с общих позиций (принцип Гюйгенса-Френеля), опираясь на результаты физического моделирования , в целом оценить и объяснить характер дифракционных явлений на трехмерных телах изотермической формы, исходя из того, что амплитуда и фаза волнового поля в заданной точке будут определяться интегралом Кирхгофа по некоторой замкнутой поверхности.

Физическое ультразвуковое моделирование проводилось на специальной установке. В качестве вмещающей выступала водная среда, в которую помещались неоднородности - шары и кубы из пенопласта (скорость прохождения продольных волн Ун и плотность близки к нулю), стекла (Ун = 5500 м/с), оргстекла (Ун = 2200 м/с) и других материалов. Диаметры с1 шаров изменялись от 15 до 26 мм. При замене шаров кубами размеры последних брались из условия равенства объемов этих тел, т.е. сторона куба а = <1 я/6. В источнике возбуждалась импульсная волна с преобладающей длиной \ в воде (скорость ультразвука в воде V = 1500 м/с) равной 10,5 мм. Отношение размеров неоднородности к диаметру первой зоны Френеля <//</фр определялось, исходя из диаметра этой зоны:

с1фр=2-л]Л-КгЯ2/(Е1+К2).

Выделяются четыре основных типа изометрических неоднородностей соответственно их скоростному строению и особенностям возникающих на них дифракционных волновых полей.

1. Резкоконтрастные низкоскоростные неоднородности (Ун « У). "Проходящая" волна практически отсутствует из-за сильного отражения на двух пересекаемых ею границах тела ("передней" и "задней") и быстрого рассеяния по фронту, близкому к сферическому, после прохождения точки фокусировки (каустики). "Краевая" волна достаточно интенсивна и, находясь в противофазе с "прямой" волной, постоянно интерферируя с ней в силу сходных кинематических характеристик, образует вблизи неоднородности достаточно обширную область близких к нулю значений поля. Далее, в силу дифракции с удалением от объекта амплитуда "прямой" волны в области тени растет, а амплитуда "краевой" падает из-за геометрического расхождения.

Волновой фронт "залечивается" при значениях а7с/фр около 0,6-0,4 за счет "растекания" по фронту в теневую зону "прямой" волны.

п в но пласт оргстекло стекло

2. Слабоконтрастные высокоскоростные неоднородности (Ун < V). Амплитуда "краевой" волны мала. Интенсивно проявляется вблизи неоднородности "проходящая" волна, образуя известные области фокусировки, локального увеличения амплитуд в зоне тени. Из-за малого различия скоростей в среде и в объекте разность фаз у "прямой" и "проходящей" волн невелика, обе имеют за неоднородностью некоторую временную задержку. Это дает после некоторого спада амплитуды поля после области фокусировки (в силу расхождения фронта "проходящей" волны) достаточно быстрое ее восстановление. Волновой фронт "залечивается" за

этими неоднородностями быстрее, чем за резкоконтрастными низкоскоростными.

3. Слабоконтрастные высокоскоростные неоднородности (Кн > V). Дают самое сложное интерференционное поле. В интерференции участвуют в основном "прямая" и "проходящая" волны, причем суммарное их поле зависит от соотношения их фаз, определяемого конкретными значениями скоростей в среде и неоднородности и отношения с1/к. В общем "прямая" волна имеет некоторую кинематическую задержку в области тени, уменьшающуюся постепенно с удалением от объекта и растущую от нуля (за объектом) до нормального значения (на большом расстоянии) амплитуду. "Проходящая" волна имеет некоторое опережение во времени и достаточно интенсивную амплитуду, уменьшающуюся с удалением за счет расхождения. Происходит наложение этих двух волн. Как видно го модельных результатов, для сферы и куба из оргстекла при разности фаз между этими волнами, равной примерно 2л (рис. 4, ¿/Л/фр примерно соответствует 0,8), происходит сложение второго "горба" "проходящей" волны и первого "горба" "прямой" волны, что дает в зоне тени значительное увеличение амплитуды поля. Данное увеличение может быть ошибочно проинтерпретировано как область фокусировки, что приведет к неправильным выводам о низкоскоростном характере неоднородности. С удалением от объекта (рис. 4, «¿Уфр изменяется от 0,8 до 0,4) сдвиг фаз между волнами уменьшается, и по мере приближения его величины к л эти две волны взаимно подавляются - область близких к нулю значений поля разрастается (!), а не уменьшается, как у других типов неоднородностей. При дальнейшем удалении (сг/с/фр меньше, чем 0,4) амплитуда "проходящей" волны за счет рассеяния по фронту, близкому к сферическому, падает, а "прямой" волны растет, что начинает приводить к постепенному "залечиванию" волнового фронта. Вероятно, в реальных геологических условиях, когда шумовые эффекты затушевывают волновую картину, указанный тип будет проявляться наиболее заметно (по области заниженных значений поля).

4.Резкоконтрастные высокоскоростные неоднородности (Ун »V). "Прямая" волна слаба за счет сильного отражения на границах тела и быстрого рассеяния по фронту после преломления в нем. "Краевая" волна интенсивна и синфазна с "прямой" волной, что в силу сходства их кинематических характеристик в области тени приводит к быстрому восстановлению волнового фронта за неоднородностью уже при ¿/Афр равных 0,8-0,6. Очевидно, что в реальных условиях обнаружение подобных неоднородностей будет весьма затруднительно.

Представляется , что в целом приведенная классификация может быть распространена также на любые объемные неоднородные включения во

вмещающей среде в силу единой физической сущности процессов образования и взаимодействия трех указанных типов волн.

Заключение

Основные результаты:

1) Разработан унифицированный подход к решению обратной задачи сейсмотомографии, позволяющий обрабатывать как временные, так и амплитудные и спектральные характеристики сейсмических волн.

Обнаружено, что для решения обратных задач как по кинематическим, так и по амплитудным параметрам, возможно построение единого алгоритмического аппарата, использующего стандартные входные данные, полученные либо непосредственно из времен прихода сейсмических волн, либо в результате предварительной обработки их амплитуд.

2) Разработана методика специальной предварительной обработки полевых данных, полученных по таким геометрическим схемам наблюдений, как межскважинное и межвыработочное просвечивание, профильные и пространственные наблюдения головных и отраженных волн, к виду, допускающему применение сейсмотомографического подхода.

Показано, что принципиально осуществимы локализация и изучение различных геологических неоднородностей с помощью томографической обработки динамических и кинематических параметров сейсмических волн, как проходящих через исследуемую среду от источника к приемнику непосредственно, так и преломленных на исследуемых сейсмических горизонтах либо отраженных от нижележащих реперных границ. При томографической обработке амплитудных данных, возможно использование как трасс в "истинных амплитудах", то есть без предварительных регулировок амплитуд, так и с выполненной предварительно компенсацией затухания.

3) Построены алгоритмы, позволяющие решать как качественные, так и количественные задачи сейсморазведки при минимальных счетных затратах. Эти алгоритмы, наряду с другими известными алгоритмами, апробированы на различных математических и физических моделях и в ходе натурных экспериментов.

Выяснено, что . возможна локализация контрастных геологических неоднородностей в ходе оперативной обработки сейсмических данных с помощью несложных высокоскоростных алгоритмов типа осреднения амплитуд, обратного проецирования и суммирования разностей и коррекции обратной проекции.

4) Применимость сейсмотомографии на ряде различных сейсмогеологических моделей, представляющих практическую значимость,

успешно апробирована. Данная апробация позволяет сделать следующие практические выводы.

Комплексная интерпретация полученных с помощью томографической обработки разрезов скорости и коэффициента поглощения-рассеяния, дает возможность более эффективного и надежного обнаружения геологических объектов и изучения их строения, выяснения соотношения двух указанных параметров в разрезе и оценки характера дислокационных напряжений в массиве горных пород, локализации зон тектонических нарушений, минерализации и внедрения магматических интрузий.

Для получения качественного восстановления безусловно необходима достаточно густая система наблюдений и желательно больший набор углов прохождения лучей просвечивания по всей среде. В противном случае результат восстановления по любому из алгоритмов примерно в равной степени может не соответствовать действительности. В такой ситуации можно проводить геологическую интерпретацию, но ее результат, как и на заре геофизической науки, будет определяться квалификацией интерпретатора и наличием дополнительной геологической информации.

Возможности проведения полноценных, равномерных по углам прохождения лучей схем наблюдений предоставляются только при поверхностных наблюдениях головных, прямых и поверхностных волн по методике непродольного профилирования. В остальных случаях неизбежны искажения истинной картины строения среды, проявляющиеся, прежде всего, в завышении размеров объектов вдоль основного направления хода лучей и ложных аномалиях вблизи источников и приемников.

5) Проведено экспериментальное определение границ

применимости лучевого подхода в задачах сейсмического просвечивания для обнаружение и изучения локальных неоднородностей. В результате получены следующие выводы.

Невозможно решать вопрос о степени проявления в волновом поле и возможности обнаружения локального объекта, руководствуясь лишь знанием его размеров и условиями наблюдений. В случае соразмерности неоднородности с диаметром первой зоны Френеля определяющую роль в характере дифракционного волнового поля будет играть соотношение между сейсмическими свойствами объекта и вмещающей среды.

Основные результаты исследования и внедрения опубликованы в следующих работах:

1. Гребенщиков Ю.С., Широкий О.И., Колонии А.Г.,

Перспективные направления геофизики при прогнозировании и поисках скрытого оруденения в Балейском рудном районе. // Сборник тезисов:

Рудоносные и рудные формации Забайкалья и сложных регионов. Чита, 1988 г., 3 стр.

2. Колонии А. Г. Возможности использования результатов сейсмического просвечивания для обнаружения локальных неоднородностей. // Геология и геофизика. - 1989.-Ы 3. - С. 101-110.

3. Колонии А.Г. Автоматическая обработка данных просвечивания // Передовой науч.-произв. опыт / ВИЭМС. - М., 1989. - Вып.7. - С. 3-6.

4. Колонии А.Г., Кашмин Г.И. Электромагнитная томография при разведке рудных месторождений. // Сборник тезисов IV Всесоюзного симпозиума по вычислительной томографии. Ч.-П, Ташкент, 1989 г., 2 стр.

5. Колонии А.Г.Сейсмическая динамическая отражательная томография. // Сборник тезисов IV Всесоюзного симпозиума по вычислительной томографии. Ч.-П, Ташкент, 1989 г., 2 стр.

6. Колонии А.Г. Динамическое обращение импульсных сигналов в геотомографии. // Сборник тезисов IV Всесоюзного симпозиума по вычислительной томографии. Ч.-П, Ташкент, 1989 г., 2 стр.

7. Колонии А.Г. Геофизическая дифракционная томография. // Прикладная геофизика,МГ СССР ВНИИГеофизика, 1990г., 6стр.

8. Колонии А.Г. Дифракция на трехмерных изометричных яеоднородностях.// Физика Земли.АН СССР,ИФЗ, 1990г., 8стр.

9. Колонии А.Г. Эмиссионная томография излучающих геологических объектов. // Сборник тезисов V Всесоюзного симпозиума по вычислительной томографии. Москва, НПО "ВНИИФТРИ", 1991 г., 2 стр.

10. Колонии А.Г. Комплексная лучевая геотомография. // Сборник тезисов международного совещания по геотомографии "Геотомография-92"/под ред. А.Ф.Буянова/ Апатиты: ГИ КНЦРАН. 1992 г., 2 стр.

11. Колонии А.Г. Комплексная волновая геотомография. // Сборник тезисов международного совещания по геотомографии "Геотомография-92"/под ред. А.Ф.Буянова/ Апатиты: ГИ КНЦ РАН. 1992 г., 2 стр.

12. Колонии А.Г. Волновая томография в приближении однократного рассеяния.Печат./УСборник тезисов международного совещания по геотомографии "Геотомография-927под ред. А.Ф.Буянова/ Апатиты: ГИ КНЦ РАН. 1992 г., 2 стр.

13. Романов М.Е., Колонии А.Г. Криволинейно-лучевая кинематическая и амплитудная сейсмотомография. - Новосибирск: ИМ СО РАН, 1997.-40с.

22 ГО

ША

61 ■ 99-5"/-/У/7- ^

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ МАТЕМАТИКИ СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ

УДК 550.834 На правах рукописи

ПРИМЕНЕНИЕ ЛУЧЕВОЙ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ ПРИ ПОИСКАХ И РАЗВЕДКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

05.13.16

Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: академик Лаврентьев М.М.

Новосибирск 1998

Оглавление

Введение. 4

1. Метод сейсмотомографии и условия его применения. 11

1.1. Условия применения сейсмотомографии. 11

1.2. Состояние вопроса. 13

1.3. Особенности геофизической томографии. 14

1.3.1. Разнообразие возможных схем просвечивания. 15

1.3.2. Нерегулярность применяющихся схем. 21

1.3.3. Необходимость специальных процедур

определения исследуемых параметров. 23

1.3.4. Рефракция сейсмических волн. 23

1.3.5. Дифракция на локальных неоднородностях. 24

1.3.6. Различие типов исследуемых сейсмических

волн и исследуемых волновых параметров. 26

1.3.7. Разнообразие методологических подходов к

решению прямых и обратных задач. 27

2. Математический аппарат лучевой сейсмотомографии. 29

2.1. Обобщение задачи восстановления в

лучевой сейсмотомографии. 29

2.1.1. Подход к решению обратных задач. 29

2.1.2. Учет априорной информации. 34

2.1.3. Пороговая дискриминация и картирование. 35

2.2. Обобщенная лучевая геометрия. 37

2.2.1. Прямые волны, геометрическая модель

трассировки субпрямолинейных лучей. 37

2.2.2. Отраженные волны, обобщение метода полей

времен и общей точки среды. 38

2.2.3. Головные волны. 46

2.3. Специфика обработки амплитуд. 47

2.3.1. Учет неидентичности условий возбуждения и приема. 47

2.4. Алгоритмы восстановления. 50

2.4.1. Количественное восстановление. 51

2.4.2. Качественная локализация. Группирование сигналов. 63

3. Примеры практического применения лучевой сейсмотомографии. 67

3.1. Наблюдения в горных выработках и межскважинное просвечивание. 67 3.1.1. Локализация тектонических нарушений. Обработка

данных математического моделирования и полевых данных. 67

3.2. Поверхностные наблюдения головных волн. 81 3.2.1. Поиски кимберлитовых трубок.

Обработка данных математического моделирования. 81

3.3. Поверхностные наблюдения отраженных волн. 85

3.3.1. Общий случай. Обработка данных

математического моделирования. 85

3.3.2. Поиски кимберлитовых трубок.

Обработка данных физического моделирования. 88

3.3.3. Поиски кимберлитовых трубок. Обработка полевых данных. 93

3.3.4. Поиски коренных месторождений золота в осадочном чехле. Обработка данных физического моделирования. 99

4. Ограничения лучевого подхода и

исследование границ применимости. 103 4.1. Физическое моделирования и интерпретация дифракции на

трехмерных изометричных неоднородностях. 103

4.1.1. Подход к проблеме. 104

4.1.2. Физическое моделирование. 109

4.1.3. Обсуждение результатов моделирования. 113

4.1.4. Выводы. 117 Заключение. 119 Библиография. 122

Введение.

Актуальность работы.

К настоящему времени накоплен большой опыт применения тех или иных методов решения обратных задач сейсморазведки, основанных на интегральной геометрии, в задачах сейсмического просвечивания и называемых методами лучевой сейсмической томографии или сейсмотомографии. Известно много примеров использования указанных методов для решения различных прикладных задач путем обращения скоростных или амплитудных характеристик

сейсмических волн и получения сечений

соответствующих параметров геологической среды.

Важность практического развития этих методов определяется их потенциалом в обнаружении и изучении таких сейсмогеологически сложных объектов, как коренные месторождения алмазов, рудные залежи, неструктурные ловушки нефти и газа, объекты инженерной геологии или техногенного происхождения. Благоприятные предпосылки для использования сейсмической томографии (сейсмотомографии)

обусловлены зачастую изометричной формой

перечисленных объектов, а также комплексным отклонением их сейсмических свойств от вмещающей среды по целому ряду упругих параметров и

структурных особенностей. !

Однако, в настоящее время отсутствует I комплексный подход к постановке и проведению сейсмотомографических исследований, обработке и интерпретации их результатов. Отсутствует четкое

представление о границах области применимости лучевой сейсмотомографии. Недостаточна методическая обеспеченность имеющихся алгоритмов для их практического использования. Налицо - необходимость разработки полноценного методико-алгоритмического комплекса сейсмических исследований, основанного на сейсмотомографическом подходе, а также апробация его для различных классов сейсмогеологических моделей.

Цель работы.

Целью работы является разработка и апробация комплекса исследований, включающего получение сейсмических данных, обработку этих данных алгоритмами лучевой сейсмической томографии и интерпретацию полученных результатов обработки. Комплекс должен обеспечивать одновременные

исследования с помощью разных типов сейсмических волн с различными законами распространения прямых, отраженных и головных. По каждому типу волн может и должна производиться оценка как кинематических параметров среды, так и ее

поглощающих характеристик и рассеивающих свойств. Также, должны быть определены предельные условия для применимости метода.

Задачи исследования.

Задачами исследования являлось следующее:

1) Выработка унифицированного подхода к решению обратной задачи сейсмотомографии,

позволяющего обрабатывать как временные, так и амплитудные и спектральные характеристики сейсмических волн.

2) Разработка методики специа ,ьной предварительной обработки полевых данных, полученных по различным геометрическим схемам наблюдени к виду, допускающему применение сейсмотомографиче кого подхода.

3) Выбор набора известных и построение овых алгоритмов, позволяющих решать как качественные так и количественные задачи сейсморазведки при минимальных счетных затратах.

4) Апробация применимости сейсмотомографъ •■< на ряде различных сейсмогеологических мод лей, представляющих практическую значимость.

5) Определение границ применимости луч вого подхода в задачах сейсмического просвечивания.

Научная новизна.

1) Разработан унифицированный подход к обращению различных характеристик сейсмических волн методом лучевой сейсмотомографии.

2) Получены уравнения полей времен для з дачи сейсмического просвечивания отраженными волна :и в общем случае для наклонных границ.

3) Построены алгоритмы, соответств ющие алгоритмам свертки обратной проекции в классич ской полноракурсной томографии с равномерным ш гом, применительно к геофизической томографии с алым числом ракурсов, неравномерным шагом наблюдеь ш и разреженной сетью дискретизации.

4) Проведена апробация комплек ного восстановления скоростных и поглощающе-рассеив ющих

свойств среды на ряде различных сейсмогеологич ских моделей.

5) Получены экспериментальные да -.ные,

позволяющие оценить применимость методов лу евой сейсмотомографии и искажения возникающие за границами области ее применимости.

Практическая значимость.

1) Получена методика, позволяющая для различных видов сейсмических исследований пол чить данные, пригодные для обработки методами лу :евой сейсмотомографии по ряду характеристик сейсмич ских волн, с восстановлением различных сейсмических свойств среды.

2) Результаты апробации на различных мо\елях позволяют сделать выводы о применимости лу евых сейсмотомографических исследований и условия. их проведения в различных сейсмогеологических уело?лях.

3) Данные физического моделирования яв ений дифракции позволяют оценить условия примени ости лучевого подхода и характер искажений, возник ющих за пределами его применимости.

Защищаемые положения.

1) Возможно использование универсальных интегральной формулы и геометрической постановк для выведения алгоритмов обращения, к которым могут быть сведены различные типы геометрии сейсмиче кого просвечивания, различные параметры среды и вол овые характеристики.

2) Для реализации томографического по хода применительно к данным метода отраженных волн, . южет

использоваться обобщенное поле времен отраженных волн, как для горизонтальных, так и для негоризонтальных отражающих границ.

3) При использовании амплитуд сейсмических волн для восстановления поглощающих и рассеивающих свойств среды, может использоваться методика, позволяющая оценить относительную интенсивность источника в пунктах возбуждения сейсмических колебаний.

4) Для локализации сейсмически аномальных объектов, могут использоваться как итерационные алгоритмы, так и алгоритмы, аналогичные методу свертки обратной проекции, адаптированные к геометрии сейсмических наблюдений, а также упрощенные алгоритмы типа суммирования сигналов по точкам среды.

5) Совместная обработка времен и амплитуд сейсмических волн с восстановлением скоростных и поглощающе-рассеивающих свойств среды с помощью различных алгоритмов делает сейсмотомографические исследования более информативными и достоверными.

6) Применимость лучевого подхода ограничивается размерами исследуемых объектов, существенно меньшими, чем радиус первой зоны Френеля и сопряжена с неоднозначностью разделения скоростных и поглощающе-рассеивающих аномалий для объектов, размеры которых сопоставимы с радиусом первой зоны Френеля.

Фактическая основа.

Фактическую основу диссертации составляют результаты исследований, выполненные автором в течении 198 6-1987 гг. в отделе рудной сейсморазведки ВИРГ НПО "Рудгеофизика" Мингео СССР, в течении 1987198 9 в отделе рудной геофизике ЗабНИИ Мингео СССР, в течении 1989-1993 на кафедре геофизики Читинского политехнического института, в течении 1993-1997 в отделе геофизики АО "СТС", г.Чита. Физическое моделирование проводилось на установке отдела рудной сейсморазведки ВИРГ НПО "Рудгеофизика". Численные расчеты по решению прямых и обратных задач выполнялись на ЭВМ ЕС-1033, ДВК-3, IBM-PC 8086/286/386/486. Полевые экспериментальные данные были получены в производственных и научно-исследовательских организациях, где производилось внедрение разрабатываемой методики и созданного на ее основе пакета прикладных программ.

Апробация.

Результаты диссертационной работы докладывались на IV Всесоюзном симпозиуме по вычислительной томографии (Ташкент, 1989г.), V Всесоюзном симпозиуме по вычислительной томографии (Звенигород, 1991г.), Международном научно-техническом совещании по геотомографии (Апатиты, 1992), Всероссийской конференции "Геофизические методы изучения земной коры" (Новосибирск, 1997г.). В ходе выполнения работы проведено внедрение описываемой методики и реализующего ее пакета прикладных программ "Геотомо" в Баженовской геофизической экспедиции (Свердловская

область), Институте горного дела им.Скочинского (г.Москва), НИИ Атомпроект (г.Москва), НИИ Галургии (Белорусия), Ботуобинской геофизической экспедиции (г.Мирный), ВНИИГЕОЛНЕРУД (г.Казань), ряде

геофизических экспедиций на Украине, в Казахстане и Приморском крае.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ и 8 тезисов докладов.

Структура и объем.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии по теме диссертации. Общий объем работы 127 страниц, количество иллюстраций 19, список литературы содержит 4 9 наименований.

Благодарности *

Автор выражает искреннюю признательность: руководителям исследования Лаврентьеву Михаилу Михайловичу, Зеленяку Тадею Ивановичу и Романову Марту Ефимовичу; Караеву Назиму Алигейдаровичу, стоявшему у истоков работы; Меньшикову Юрию Петровичу, поддержавшему работы по созданию пакета программ "ГЕОТОМО"; Гику Леониду Давидовичу, оказавшему моральную поддержку и помощь в постановке физического моделирования, организации расчетов и представлении результатов; Гольдину Сергею

Васильевичу, помогавшему автору советом и ценными критическими замечаниями; Рубану Анатолию

Дмитриевичу и Новикову Александру, настоявшим на необходимости документирования алгоритмов.

1. Метод сейсмотомографии и условия

его применения.

1.1. Условия применения сейсмотомографии.

Метод сейсмической томографии может быть рассмотрен как средство эффективного изучения земных недр с помощью сейсмических волн применительно к самому широкому кругу геологических задач. Однако, наибольшая эффективность может быть обеспечена при изучении таких геологических объектов, размеры которых меньше базы наблюдений, или так называемых локальных неоднородностей (ЛН) геологического разреза [15,16,18].

К задаче поиска и разведке локальных неоднородностей могут быть сведены проблемы обнаружения и изучения коренных месторождений алмазов, рудных залежей, неструктурных ловушек нефти и газа, объектов инженерной геологии или техногенного происхождения [4,5,15,16].

Благоприятные предпосылки для использования сейсмической томографии обусловлены зачастую изометричной формой перечисленных объектов, а также комплексным отклонением их сейсмических свойств от вмещающей среды по целому ряду упругих параметров и структурных особенностей.

Во всех случаях, следует предполагать первоочередное значение сейсмического метода, как -структурного. Но при этом на первый план выходит не столько структурное расчленение самого разреза,

сколько определение пространственного расположения и ориентации непосредственно искомых объектов, расчленение их внутренней структуры и оценка интегральных сейсмических свойств.

Поставленной задаче отвечает методико-

алгоритмический комплекс сейсмических

исследований, основанный на сейсмотомографическом подходе. Комплекс предполагает одновременные исследования с помощью трех геометрических

типов сейсмических волн с различными

геометрическими законами распространения

прямых, отраженных, головных и дифрагированных. По каждому типу волн может производиться оценка как кинематических параметров среды, так и ее поглощающих характеристик и рассеивающих свойств. Также этом могут использоваться сейсмические волны различной физической природы (продольные, поперечные, поверхностные). Особенно важно

следующее.

1. Комплексные исследования по различным видам волн и физическим параметрам делают задачу поисков и разведки кимберлитовых тел надежной, помехоустойчивой и объективной.

2. Для проведения исследований достаточно организации полевых наблюдений по единой унифицированной методике, практически неотличимой от привычной массовой методики многократных перекрытий в профильном, площадном или широкопрофильном вариантах.

3. Все типы волн могут использоваться как вместе, так и раздельно, на любых этапах

геологоразведочных работ (поисков или разведки), и при любой геометрии наблюдений (профильной или

объемной).

4. Ключевым, во всех случаях,

оказывается проведение истинно комплексных

исследований по различным типам волн с различной геометрией наблюдений, а также

привлечение априорной геолого-геофизической

информации.

1.2. Состояние вопроса.

Последние ряд лет в геофизических

исследованиях широко применяется просвечивание различными типами волн по схемам наблюдений с многократным перекрытием. То есть, не только каждому источнику колебаний соответствует ряд приемников, но и для каждого приемника можно выделить набор соответствующих ему пунктов возбуждения. Таким образом, полученные данные содержат в себе некоторую избыточность, которая позволяет:

более уверенно прослеживать волны

на исходных сейсмограммах;

сделать результаты интерпретации более устойчивыми к наличию помех;

- использовать для интерпретации алгоритмы вычислительной томографии (ВТ), для

количественного решения обратных задач

непосредственно по полученным данным.

Детальное рассмотрение различных алгоритмов вычислительной томографии имеется в работе [4 6] . Базовым, при решении обратных задач, является

алгоритм обратного проецирования (ОП) [4,12,13,46]. Практически он позволяет произвести лишь грубую оценку распределения физических свойств в исследуемой среде. Для восстановления свойств среды с большей разрешающей способностью существует, в целом, два подхода. Первый - использование алгоритмов типа свертки обратной проекции (СОП), второй - алгебраическое итерационное

восстановление (АИВ). Как показано в [46], алгоритмы типа СОП имеют большую разрешающую способность при меньшей устойчивости решения. В свою очередь, алгоритмы АИВ более устойчивы к помехам в исходных данных и некорректности, связанной с геометрией системы наблюдений. Но алгоритмы АИВ обычно не позволяют получить сечения с необходимым разрешением. Проблемы, связанные с реализацией АИВ при решении геофизических задач, подроб