, к-т геол.-мин. наук
Ин-т нефтегазовой геологии и геофизики
им. СО РАН
(Россия, 630090, Новосибирск, пр. Коптюга, 3,
тел.(383) 3331639, Е-mail: *****@***nsc. ru )
,
Ин-т нефтегазовой геологии и геофизики
им. СО РАН
(Россия, 630090, Новосибирск, пр. Коптюга, 3,
тел.(383) 3331639, Е-mail: *****@***nsc. ru )
, к-т физ.-мат. наук
Ин-т вычислительной математики
и математической геофизики СО РАН
(Россия, 630090, Новосибирск, пр. Лаврентьева, 6,
тел.(383) 3308353, Е-mail: *****@***ru )
,
Ин-т нефтегазовой геологии и геофизики
им. СО РАН
(Россия, 630090, Новосибирск, пр. Коптюга, 3,
тел.(383) 3331639, Е-mail: *****@***nsc. ru
Двумерное и трехмерное моделирование для зоны тектонических деформаций Алтайского землетрясения 2003 г. по данным электроразведки постоянным током
Аннотация. Разрушительное Алтайское землетрясение произошло в сентябре 2003 г. в ближайшем горном обрамлении Чуйской неотектонической впадины. До и после сейсмического события в эпицентральной зоне этого землетрясения были выполнены измерения комплексом электромагнитных методов. В комплекс входили зондирования становлением поля (ЗС) с гальваническими и индукционными установками, вертикальные электрические зондирования (ВЭЗ). Далее эти измерения повторяются ежегодно в летний период. Исследования проводятся с целью построения геоэлектрической модели и выяснения динамики геоэлектрических параметров, связанной с мощным сейсмическим воздействием на геологическую среду и ее последующей релаксацией. В докладе будут рассмотрены результаты интерпретации данных ВЭЗ. для построения модели изучаемого участка. Следует отметить, что геологическое строение районов с высокой сейсмической активностью определяется сложными разнонаправленными, тектоническими движениями. Присутствие многочисленных разломных нарушений формируют блоковую структуру осадочного чехла межгорных впадин и горного обрамления. Поэтому для интерпретации полевых данных, полученных на территории тектонических впадин, используются программные средства, позволяющие выполнять инверсию и математическое моделирование и, как для одномерных горизонтально слоистых, так и неоднородных, сложно построенных моделей среды. Использование двумерных программ дает возможность учесть влияние имеющихся неоднородностей по профилям измерений. На заключительном этапе выполняется трехмерное моделирование для обоснования и построения объемных геоэлектрических моделей.
Введение. Процесс обработки полевых данных геоэлектрики постоянным током, полученных в районах со сложным геологическим строением, можно разделить на несколько этапов. Вначале целесообразно выделить данные, для которых возможна интерпретация с использованием наиболее простых горизонтально слоистых моделей. Для этих данных использованы программные комплексы одномерной интерпретации. Далее анализируется материал, который в рамки этих моделей не укладывается, и для него подбираются способы и программные средства обработки. Для объяснения причин характерных искажений кривых электрических зондирований, были использованы многомерные программы математического моделирования и инверсии, позволяющие учитывать наклонные и вертикальные границы, а также резкую неоднородность электрических свойств горных пород верхней части разреза (до глубин в пределах первых 100 м).
1 – пункты ЗС, 2 – пункты ВЭЗ
Рис. 1. Топографическая карта района исследования (западная часть Чуйской впадин, участок «Бельтир») с пунктами геоэлектрических наблюдений.
Интерпретация данных ВЭЗ. Участок исследования выбран в окрестностях пос. Бельтир, где последствия землетрясения наблюдаются в виде поверхностных трещин. На рис. 1 показано размещение пунктов ВЭЗ, выполненных по трем профилям. Измерения были выполнены в местах, где позволяет природный ландшафт. На первом этапе полевые данные обработаны с использованием одномерных программных комплексов (СОНЕТ [1], IPI2Win [2])
Далее для выяснения степени соответствия разреза горизонтально-слоистой модели на втором этапе интерпретации была привлечена двумерные программы моделирования и инверсии.
Для двумерной инверсии использована программа Res2DInv [3]. Двумерная модель, используемая этой программой, делит полупространство на ряд прямоугольных блоков. Цель работы программы состоит в определении сопротивлений этих блоков, дающих псевдоразрез кажущихся удельных сопротивлений, совпадающий с практическими измерениями. Методом оптимизации уменьшается различие значений рассчитанного и измеренного кажущегося удельного сопротивления, при этом варьируются сопротивления блоков модели. Мерой этого различия является среднеквадратическая ошибка. Необходимо отметить, что программа Res2Dinv является полуколичественной, представляет геоэлектрический разрез в виде изолиний сопротивлений и позволяет оценить латеральное распределение неоднородностей. Пример двумерной инверсии полевых данных ВЭЗ по наиболее протяженному профилю 1 в правобережье р. Чаган (рис. 1). Среднеквадратичная невязка подбора равнялась 8.5 %.
Рис. 2. Геоэлектрический разрез по профилю в правобережье р. Чаган. (двумерная инверсия).
На рис. 2 оттенками красного цвета представлены высокоомные породы верхней части разреза (предположительно многолетнемерзлые). Результаты двумерной инверсии позволяют сделать вывод, что эти породы в западной части Чуйской впадины не образуют сплошных покровов и представлены, скорее всего, отдельными линзами неправильной геометрической формы.
Двумерное моделирование в работе выполнялось с использованием пакета программ IE2DP1, разработанного на кафедре геофизики МГУ и предназначенного для моделирования электрических полей для различных модификаций электроразведки методом сопротивлений. Установка должна быть ориентирована поперек неоднородностей. В качестве измерительной линии используется идеальный диполь [2]. Прямая задача решается методом интегральных уравнений. В основе метода лежит представление о том, что под действием первичных токовых источников на границах неоднородностей геоэлектрического разреза возникают вторичные токовые источники. Суммарное электрическое поле рассчитывается как суперпозиция полей первичных и вторичных источников. Геологический разрез составляется из кусочно-однородных блоков произвольной геометрии. Точность расчетов в 5-10% обеспечивается, если в разрезе не встречаются большие блоки, имеющие истинное сопротивление меньше 1/50 от сопротивления вмещающего разреза. Конфигурация границ может быть произвольной.
Программа IE2DP1позволяет: рассчитать модель, очень похожую на разрез, построенный после одномерной интерпретации полевых данных, для того чтобы проверить правильность построений; изучить влияние имеющихся неоднородностей, а также рассчитать синтетические кривые для моделей с наклонными и вертикальными границами
Рис. 3. Примеры интерпретации полевых данных ВЭЗ с применением: а – одномерных программ, б - двумерных программ
Таблица 1. Геоэлектрическая модель для полевых данных пункта ВЭЗ 12 при использовании одномерных программ.
№ слоя | Сопротивление, Ом. м | Мощность, м |
1 | 160 | 1 |
2 | 50 | 0,6 |
3 | 4800 | 16 |
4 | 35 | 150 |
5 | 900 |
На рис. 3 в качестве примера интерпретации с использованием различных программ показаны полевые данные для ВЭЗ 12, полученные на профиле 1, и синтетические кривые, рассчитанные по одномерной (а) и двумерной программе (б). В таблице 1 приведена 1D геоэлектрическая модель, полученная в результате инверсии полевых данных в программе СОНЕТ. Погрешность подбора с использованием одномерных программ составила 11 %. Значительная погрешность обусловлена тем, что теоретическая кривая не совпадает с полевыми данными в области максимума, который формируется из-за присутствия в разрезе высокоомных отложений неправильной геометрической формы. Априорные данные позволяют отнести эти отложения к многолетнемерзлым, удельные электрические сопротивления обычно превышают 3000 Ом•м. При построении двумерной модели профиля 1 третий слой ВЭЗ 12 был разделен на два пропластка, расположенных наклонно (угол с горизонталью составил ~ 45 градусов). Геоэлектрические параметры остальных слоев не менялись. На рис. 2 б показаны полевые данные и синтетическая кривая, рассчитанная по двумерной программе для описанной модели. Можно наблюдать гораздо лучшее соответствие полевых и теоретических данных в области максимума, средняя погрешность подбора составила 6.5 %..
Начальное приближение двумерной модели для этого профиля было построено с учетом результатов одномерной и двумерной инверсии. В модели присутствуют наклонные границы для неоднородных приповерхностных отложений. Двумерное моделирование выполнено для уточнения строения самой верхней части разреза до глубин порядка 100 м, геоэлектрические параметры более глубоких горизонтов не менялись. На рис. 4 представлена двумерная модель верхней части разреза по профилю 1.
Рис. 4. Двумерная модель геоэлектрического строения по профилю в правобережье р. Чаган.
Далее была опробована одна из программ трехмерного моделирования (EMF_DC3Dmod). Эта программа была разработана совместно лабораторией электромагнитных полей ИНГГ и ИВМиМГ СО РАН применительно к данным метода сопротивлений и позволяет решать прямую задачу ВЭЗ с установкой Шлюмберже [4].
Рис. 5. Результат трехмерного моделирования участка в верховьях р. Чаган.
В программе реализован конечно-разностный метод решения для аномальных полей с применением консервативной схемы для случая разрывных коэффициентов [5]. Стартовая модель для 3D моделирования составляется из набора усеченных треугольных призм, из которых формируются блоки с однородными электрическими параметрами. Такая конфигурация позволяет легко уменьшать или увеличивать при необходимости размеры этих блоков. Программа практически не имеет ограничения на количество блоков, что позволяет моделировать реальные геоэлектрические обстановки с присутствием неоднородностей и разломных структур в сейсмоактивных регионах [6]. При выполнении расчетов использовался параллельный вариант, позволяющий одновременно на 10 процессорах рассчитать пять разносов установки Шлюмберже. Все расчеты были проведены на многопроцессорных ЭВМ ССКЦ СОРАН МВС-128 и Itanium-2.
На рис.5 в его верхней части показана сеть разбиения указанной области на блоки. Здесь следует отметить, что если основная задача двумерного моделирования заключалась в уточнении строения верхней неоднородной части разреза (примерно до 100 м), то с помощью трехмерного моделирования была сделана попытка уточнить положение и получить количественные оценки параметров более глубоких геоэлектрических горизонтов. На рис. 5 красным цветом показан рельеф поверхности опорного электрического горизонта (фундамента). Рассмотрим поведение этой границы: наблюдается ее наклон и общее резкое погружение в северо-восточном направлении. Приведенная на рис. 5 цветовая шкала дает возможность оценить глубины до опорного горизонта, либо до кровли проводящего слоя, в любой точке участка моделирования.
Заключение. В статье показаны возможности современных программных комплексов для интерпретации полевых данных метода постоянного тока. Использованные материалы получены в сейсмоактивном районе Горного Алтая. Основная цель исследования, которая заключалась в восстановлении геоэлектрического строения среды, нарушенной катастрофическим землетрясением, в общем достигнута. Хотя без сомнения многомерное моделирование необходимо продолжить с целью еще большего уточнения геоэлектрической модели. Следует отметить, что предложенная методика может быть использована для любых других данных, полученных, например, в платформенных условиях, а также для решения не только структурных, но и поисково–разведочных, инженерных задач.
Список литературы
1. Эпов, система интерпретации электромагнитных зондирований/ М. И., , – Новосибирск, 1990. – 29 с.
2.Электрическое зондирование геологической среды. Ч.1, Ч.2. Прямые задачи и методика работ: Уч. пособ. / Под ред. , . - М.: Изд. МГУ, 1988, с. 175. 1992, с. 200.
3. Panissod C., Michot D., Benderitter Y. and Tabagh A. On the effectiveness of 2D electrical inversion results: an agricultural case study // Geophysical Prospecting. – 2001. – 49. - pp. 570-576.
4. , Николаев решения сеточных уравнений. – М.: Наука, 1978. С. 569-571.
5. , Агапитова основы моделирования на ЭВМ. – Южно-Сахалинск: Издательство ЮСИЭПИ, 2003. С. 135-140.
6. Неведрова, Н. Н., Суродина, И. В., Санчаа, А. М. «Трехмерное моделирование сложных геоэлектрических структур» [Текст] / , И. В, Суродина, // Геофизика. – 2007. - №1. – с.36-41. – ISSN 1681-4568.
