Новые методы геоинформатики для комплексирования сейсмических и гравитационных полей в иерархических средах

Abstract

Для решения задач геолого-геофизического картирования в настоящее время широко используется модель слоисто-блоковой среды с включениями неиерархического строения, в рамках которой созданы аппаратурно-методические комплексы изучения трехмерно неоднородных сред с соответствующей теорией интерпретации геофизических данных. Крупным результатом исследований прошлого столетия стало заключение о фундаментальной роли блочно-иерархического строения горных пород и массивов для объяснения существования широкой гаммы нелинейных геомеханических эффектов и возникновения сложных самоорганизующихся геосистем при анализе формирования крупных и суперкрупных месторождений. Иерархическая структура характерна для многих систем, особенно для литосферы Земли, где по данным геофизических исследований выделено более 30 иерархических уровней от тектонических плит протяженностью в тысячи километров до отдельных минеральных зерен миллиметрового размера. Таким образом, земная кора представляет собой сплошную среду, включающую в себя дискретную систему блоков и, как любой синергетический дискретный ансамбль, обладает свойствами иерархичности и самоподобия. Это необходимо учитывать при создании новых комплексных систем геофизического изучения литосферы Земли. Приведено построение итерационных алгоритмов 2D моделирования для дифракции звука и линейно поляризованной поперечной упругой волны на включении с иерархической упругой структурой, расположенной в J-м слое N-слойной упругой среды. Рассмотрен случай, когда плотность включения каждого ранга отличается от плотности вмещающей среды, а упругие параметры совпадают с упругими параметрами вмещающего слоя. Применен метод интегральных и интегро-дифференциальных уравнений для пространственно-частотного представления распределения волновых полей. Из построенной теории следует, что при комплексировании сейсмических и гравитационных полей необходимы данные, которые получены в рамках систем наблюдения, настроенных на исследование иерархической структуры среды. Использование значений плотности, рассчитанной из корреляционной зависимости скорости распространения продольной волны, определенной из кинематической интерпретации сейсмических данных, от плотности для построения плотностной модели по гравитационным данным, может привести к несоответствию такой модели вещественному составу изучаемой геологической среды. Эти результаты являются основой для построения новых систем картирования геологических систем, что особенно востребовано при картировании нефтегазовых месторождений и прогнозе их эффективной отдачи.

Для вирішення завдань геолого-геофізичного картування нині широко використовують модель шарувато-блокового середовища з включеннями неієрархічної будови, в рамках якої створено апаратно-методичні комплекси вивчення тривимірно-неоднорідних середовищ з відповідною теорією інтерпретації геофізичних даних. Значним результатом досліджень минулого століття став висновок про фундаментальну роль блочно-ієрархічної будови гірських порід і масивів для пояснення існування широкої гами нелінійних геомеханічних ефектів і виникнення складних геосистем, здатних до самоорганізації, під час аналізу формування значних і супервеликих родовищ. Ієрархічна структура характерна для багатьох систем, особливо для літосфери Землі, де було виділено за геофізичними дослідженнями більш як 30 ієрархічних рівнів від тектонічних плит завдовжки у тисячі кілометрів до окремих мінеральних зерен міліметрового розміру. Таким чином, земна кора є суцільним середовищем, що містить дискретну систему блоків та, як і будь-який синергетичний дискретний ансамбль, має властивості ієрархічності і самоподібності. Це необхідно враховувати при створенні нових комплексних систем геофізичного вивчення літосфери Землі. Наведено побудову ітераційного алгоритму 2D моделювання для дифракції звуку і лінійно поляризованої поперечної пружної хвилі на включенні з ієрархічною пружною структурою, розташованою в J-му шарі N-шарового пружного середовища. Розглянуто випадок, коли густина включення кожного рангу відрізняється від густини вмісного середовища, а пружні параметри збігаються з пружними параметрами вмісного шару. Використано метод інтегральних та інтегро-диференціальних рівнянь для просторово-частотного зображення розподілу хвильових полів. З побудованої теорії випливає, що під час комплексування сейсмічних і гравітаційних полів необхідні дані, які отримані в межах систем спостереження, налаштованих на дослідження ієрархічної структури середовища. Використання значень густини, обчисленої з кореляційної залежності швидкості поширення поздовжньої хвилі, яку визначено на підставі кінематичної інтерпретації сейсмічних даних, від густини для побудови густинної моделі за гравітаційними даними, може призвести до невідповідності такої моделі речовинному складу досліджуваного геологічного середовища. Ці результати є основою для побудови нових систем картування геологічних систем, що особливо затребувано для картування нафтогазових родовищ і прогнозу їхефективної віддачі.

Purpose. In solving geological-geophysical mapping problems, wide use has recently been made of a block-layered structure model with inclusions of no hierarchic structure. For these models, devices and methods were designed to investigate 3D heterogeneous medium applying a theory suggested for geophysical data interpretation. A significant result of the previous century was a conclusion regarding the important role of a block hierarchic structure of rocks and missives in explaining the existence of a wide set of nonlinear geomechanical effects, and the appearance of complicated self-organizing geo systems in analyzing large and super large deposit formations. The hierarchic structure is characteristic of many systems, especially for the Earth’s lithosphere, for which more than 30 hierarchic levels have been identified based on geophysical information. Thus in constructing new complex systems for geophysical investigation of the Earth’s lithosphere this importation should be taken into account.Methods. We constructed iteration algorithms for 2D modeling of sound wave diffraction and linear polarized trans-versal elastic wave on an inclusion with hierarchic elastic, located in the J-th layer of the N-layered elastic medium. We considered a case where the density of the inclusion of each rank differs from the density of the surrounded layer and the elastic parameters are equal to the elastic parameters of the surrounded layer. We used the method of integral and integral-differential equations for space frequency representation of the wave field distribution. Findings. From the suggested theory it is evident that integrating seismic and gravitation fields it is necessary to use the data obtained by the systems of observation that are set to observe the medium hierarchical structure. The application of the density values, derived from the correlation dependence between the velocity values of the longitudinal wave obtained from the kinematic interpretation of seismic data, and the density, for constructing a density model based on gravitational data, can lead to a discrepancy of the obtained model and the matter content of the investigated geological medium. Practical value/implications. These results may be useful in constructing new mapping systems of geological systems. They are especially significant in mapping oil and gas deposits and in forecasting their efficacy.