ОКЕАНОЛОГИЯ, 2013, том 53, № 1, с. 130-134
ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ^^^^^^^^^^^^^^ ИССЛЕДОВАНИИ
УДК 551.35.:519.217
ПРОГНОЗ ВНУТРЕННЕЙ структуры морского дна и построение
3D МОДЕЛЕЙ МЕТОДОМ МАРКОВСКОЙ ГИПСОТОМОГРАФИИ
© 2013 г. Н. В. Либина А. Г. Черников2
1 Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва 2ООО "Газпром ВНИИ ГАЗ", пос. Развилка, Московская обл. e-mail: lnatvit@mail.ru, A_Chernikov@vniigaz.gazprom.ru Поступила в редакцию 08.06.2011 г.
Марковская гипсотомография представляет собой новый способ построения модели внутреннего строения массива горных пород на основе обработки данных рельефа земной поверхности. В статье продемонстрированы возможности расчета скоростной 3D модели и отдельных разрезов на примере Каспийского региона.
DOI: 10.7868/S0030157413010127
При изучении внутреннего строения морского дна в основном используются различные модификации морской сейсморазведки. Создание 3Э модели геологической среды основывается на большом объеме данных, собранных с определенной пространственной регулярностью, детально обработанных, тщательно проанализированных и инкорпорированных в единую модель. Адекватность получаемой модели реальной геологической среде, помимо использования современных сейсмических технологий, обеспечивает синтез разнородной информации, получаемой с помощью методов геодинамических и палеоструктурных реконструкций, морфоструктурного анализа и прочих разделов геологической науки. Этот процесс является весьма дорогостоящим мероприятием и, как правило, проводится только при разведке нефтегазовых месторождений в локальной области шельфа. Подобная фрагментарность площадного покрытия исследованиями морской акватории затрудняет создание бассейновых моделей, которые позволяют изучать геологические объекты не только в хорошо изученных областях, но и оценивать перспективность слабо исследованных территорий. Определенную роль в создании подобных моделей играют методы дистанционного зондирования, основанные на дешифрировании аэро- и космоснимков. Однако, имея в своем распоряжении большой объем аэрокосмической информации, регулярно распределенной по площади, оказывается, методически сложно выполнить глубинное зондирование объектов, находящихся не только под толщей воды, но и под поверхностью дна. Авторами статьи был разработан метод гипсо-томографии, позволяющий осуществить прогноз внутреннего строения подповерхностного пространства на основе анализа дистанционно выполненных батиметрических измерений [8]. Суть предложенного заключается в следующем.
Определенную роль в процессах геодинамического и геотехнологического моделирования играют методы и технологии математической геологии. Одним из разделов математической геологии является теория Марковских процессов. Эта теория, разработанная в начале ХХ века русским математиком Марковым [3] и глубоко проработанная применительно к геологии советским геологом и математиком Вистелиусом [2], в настоящее время еще не заняла подобающего ей места в арсенале средств, выполняющих обработку и интерпретацию геолого-геофизических данных. Одним из направлений геологического моделирования, использующим аппарат марковской статистики, является новый способ исследования подповерхностного геологического пространства — Марковская гипсотомография [8, 7, 6].
Марковская гипсотомография представляет собой новый способ оперативного прогнозирования и построения трехмерной модели внутреннего строения геологического объекта, основой которого является изучение профильных или площадных изменений марковских свойств регулярных гипсометрических (батиметрических) данных.
Многие природные процессы, в том числе и геологические, характеризуются тем, что в них наблюдается влияние предшествующих событий на последующие. Такие процессы носят название марковских [3]. 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. Наиболее ярким примером проявления марковских свойств в геологии является чередование слоев литологических типов в стратиграфических последовательностях [2].
-10000
650
350 0 Z = 10000
1-1—I-1—I-г
0 50100150200 0 50 100150200250300350400450500550600650
50
1001
0
Рис. 2. Скоростная 3В модель района Каспийского моря, выделенного на схеме профилей прямоугольником.
u>
ю
О
И
о и о м К л
50 100 150 200
Тер ско - Каспийский прогиб
250 300 350 400 450 500 550 600
Карпинско-Мангышлакская система Прикаспийская впадина
S
Gl
S
л
И TS
Я
S g
и
HD 1 ПЛ2 ИЗ
£
Рис. 3. Сопоставление скоростного разреза по линии 1-1 (рис. 1), рассчитанного методом Марковской гипсотомографии с геологическим разрезом вдоль профиля ГСЗ [4].
0 4000 8000 12000 16000 20000 24000 28000 32000 м
Рис. 4. Рассчитанные скоростные разрезы по профилю 2-2 и фрагменту профиля 2-2.
Изучение глубинного строения дна методом марковской гипсотомографии базируется на предположении о наследовании марковских свойств рельефа поверхности нижележащих стратиграфических горизонтов в рельефе поверхности перекрывающих наслоений. Надо отметить, что это не означает прямое наследование предшествующего рельефа последующим. Наследуются, собственно, марковские свойства рельефа.
Граница каждого из последовательно залегающих слоев (толщ), образованных в результате осад-конакопления, тектонической истории и последующей денудации, могут быть математически описаны в виде простой однородной марковской последовательности отметок значений свойств по множеству профилей, секущих границу. Вертикальная (стратиграфическая) изменчивость марковских описаний границ разделов рассматривается как изменение марковской последовательности величин значений свойств на границах и
считается сложной марковской цепью, укрупненной по множеству исходных состояний [2]. 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 земной поверхности, представляется возможным получить информацию о глубинном строении региона [7].
Для реализации идеи гипсотомографии разработан и создан программно-методический комплекс, осуществляющий последовательность операций от марковских преобразований батиметрических данных, пересчета их в глубинную 3Э модель, проведение марковской петрофизической инверсии до визуализации в виде томограмм по различным сечениям моделируемого массива.
134
ЛИБИНА, ЧЕРНИКОВ
Детальность и глубинность исследований определяется величиной дискрета батиметрических данных. Используя данные одного батиметрического промера можно рассчитать разрезы различной детальности путем изменения интервала дискретности измеренных точек по профилю. При разрежении точек и увеличении окна сканирования числовых последовательностей прогнозируется обзорный разрез, отражающий крупномасштабные структуры до глубин в несколько километров. По полученному обзорному разрезу могут быть выделены участки для более детальных расчетов. Глубину зондирования и детальность прогноза определяют следующие факторы:
1. ширина окна сканирования (количество точек в исследуемой последовательности),
2. шаг наблюдения (расстояние между точками),
3. частотная характеристика анализируемого параметра (число определенных на шкале альтитуд марковских состояний).
Полученные томограммы изменчивости марковских состояний методом инверсии пересчиты-ваются в разрезы петрофизических свойств по априорной информации о акустических и (или) плотностных свойствах среды.
Для проведения расчетов и построения трехмерных моделей используются данные батиметрии по проложенному профилю или площадные цифровые батиметрические карты (рис. 1).
Прогнозные расчеты для получения региональных моделей выполняются по цифровым батиметрическим картам [1, 5] с шагом данных 1 км. На рис. 2 показан набор томограмм, полученных по трем взаимно ортогональным сечениям модельного куба скорости размером 650 х 230 х 10 километров, рассчитанного по площади, очерченной на рис. 1.
Для оценки адекватности рассчитанных томограмм выполнялись сопоставления с результатами проводившихся ранее в этом регионе исследований. На рис. 3, в качестве примера, приведен рассчитанный по линии 1-1 (рис. 1) разрез, сопоставленный с геологическим разрезом [4].
Результаты площадной сейсмотомографии могут служить для выбора участков для проведения более детальных инструментальных наблюдений и расчета соответствующих глубинных моделей.
На рис. 4 приведен рассчитанный скоростной разрез 2-2 и его детализированный фрагмент, полученные на основе инструментальных батиметрических измерений.
Выполненное опробование метода гипсотомо-графии в различных геоморфологических условиях подтвердило возможность оперативного выявления нарушений структуры дна для различных масштабов исследования, а также:
— создания петрофизических (геоакустических) 2D моделей разрезов по профильным батиметрическим промерам и 3D моделей по площадным батиметрическим данным для повышения надежности геоакустических расчетов;
— создания инженерно-геологических моделей шельфовых зон;
— проведения исследований в зонах со сложным рельефом дна и пограничных зон "берег— море";
Используя минимум входных данных, в частности, результаты батиметрической съемки, метод марковской томографии позволяет выполнить предварительный анализ строения исследуемого района, выявить зоны структурных нарушений, наметить участки для проведения детальных исследований комплексом геолого-геофизических методов. Также гипсотомографическая модель может служить основой для создания глобальных бассейновых моделей путем интеграции разрозненных по площади существующих локальных геолого-геофизических моделей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Болгов М.В., Красножон Г.Ф., Любушин А.А. Каспийское море: экстремальные гидрологические события. М.: Наука, 2007. 382 с.
2. Вистелиус А.Б. Основы математической геолог
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.