Description:

"Решение обратных задач ЭМ зондирования с управляемым источником при поиске полезных ископаемых Controlled source electromagnetic inversion for resource exploration Douglas Oldenburg1, Robert Eso1, Scott Napier1, Eldad Haber2 приводят обзор своих исследований по решению обратных задач данных ЭМ зондирования с управляемым источником с целью повышения эффективности электропроводности при поиске и поиске минерального и УВ сырья. Электропроводность является диагностическим физическим свойством в ряде исследований, посвященных поиску минерального и УВ сырья. В первом случае оно может непосредственно отражать рудное содержание или может использоваться для выявления геологической структуры отложений. При поиске нефти коэффициент электропроводности может использоваться в качестве прямого индикатора нефти. Одной из основных проблем, связанных с проведением ЭМ зондирований, является сложность получаемых данных. В отличие от грави-магниторазведки, данные которой иногда могут использоваться для вывода о геологическом строении или для определения целей бурения, данные ЭС не связаны с геологией напрямую. За последние несколько лет нами были разработаны алгоритмы, позволяющие решить обратную задачу ЭМ зондирования с управляемым источником (CSEM). В дальнейшем это открывает возможности для проведения различных исследований и пересмотра способов получения и интерпретации данных. Целью данной статьи является ознакомление читателя с означенными идеями путем использования методов решения обратных задач применительно к синтетическим и полевым данным, относящимся к поиску полезных ископаемых. Начнем с обзора ЭМ зондирований. При проведении ЭМ зондирований передатчик (источник) может представлять собой заземленный диполь или петлю, по которой проходит переменный ток. При этом могут измеряться напряженность электрического (E), магнитного (H) поля или его производная по времени (dH/dt). В основе лежат уравнения Максвелла. Данные являются функцией трех физических свойств: электропроводности, магнитной проницаемости и диэлектрической проницаемости. В данной статье мы пренебрегаем воздействием диэлектрической проницаемости, предполагая при этом, что магнитная проницаемость идентична магнитной проницаемости свободного пространства. Мы сосредоточимся на электропроводности или обратной ей величине - электрическом сопротивлении, которое изменяется в широких пределах (на много порядков) в различных породах и минералах. ЭМ зондирования и моделирование. Через источник проходит синусоидальный ток. Он может быть замкнутой петлей или заземленным диполем, а измерения могут производиться в воздухе, на поверхности земли или в скважинах. Таблица 1 Электрические свойства пород и минералов. (Applied Geophysics, Telford, W.M., et al., 1976, University Press.) | Тип породы | Диапазон сопротивлений (Ом) | |------------|-----------------------------| | Гранит | x 102 - 106 | | Базальт | 1.3 x 107 | | Песчаники | 6.4 x 108 | | Известняки | 107 | | Нефтенасыщенные песчаники | 4 800 | Источник представляет собой квадратную петлю 1 км. Измерения производятся на участке в 1 км. Цель - найти проводящий объект. Рассмотрим типичный случай поисков минерального сырья. На Рис. 1 показана большая петля источника, показания считываются на поверхности вне петли. Цель зондирования - поиск проводящего объекта на глубине. Чтобы создать численные ЭМ поля, уравнения Максвелла переформулированы с переменными, являющимися векторным и скалярным потенциалом (_1_, _2_). Объем, включающий воздух и породы, разделяется на ячейки, каждая - с постоянной электропроводностью. Методы конечных объемов используются для дискретизации уравнений Максвелла, при этом задействуются подходящие граничные условия. В результате задача сводится к решению системы уравнений, решение которой получают методом сопряженного градиента. Значения электрического и магнитного полей по всему объему могут быть затем восстановлены из потенциалов. 1 UBC-Кафедра обратных задач геофизики, Отделение океанологии и наук о земле, University of British Columbia, Vancouver, BC, Canada, V6T 1Z4 2 Отделение математики и компьютерных дисциплин, Emory University Atlanta, GA, 30322. E-mail - адрес для связи с автором: doug@eos.ubc.ca Если переменный ток в источнике синусоидальный, полученное в результате электрическое или магнитное поле также будет синусоидальным по всему объему пород. Но по фазе и амплитуде оно не будет совпадать с полем источника. Данные могут быть представлены в виде амплитуды и фазы, или в виде действительной и мнимой частей. Действительная часть представляет собой часть сигнала, находящуюся в фазе с сигналом источника; мнимая часть представляет собой сигнал не в фазе с источником. Картирование может быть осуществлено по данным, представляющим собой показания составляющей поля (действительная часть Ex или мнимая Ey), на одной частоте и при одном местоположении источника. В результате зондирования, при проведении которого используются 6 частот, измеряются 4 поля и 5 местоположений источника, были бы созданы 120 карт данных. Отдельные карты синтетических данных изображенных на Рис. 1 приведены на Рис. 2. Из приведенных изображений невозможно визуально сделать какие-либо выводы относительно геологического строения. Необходимо решить обратную задачу. Решение обратных задач Процедура решения обратной задачи ЭМ данных идентична таковой при прочих исследованиях. Она заключается в безусловной оптимизации. Минимизируется невязка между полевой и модельной (содержащей априорную информацию) кривыми. Необходимо также определить параметр регуляризации, отвечающий за величину невязки и структуру. В предыдущих статьях (_3_, _4_) мы рассмотрели процедуру решения обратных задач применительно к грави-, магнито- и электроразведке на постоянном токе, а также данным ГИС, создав трехмерные модели по наблюдаемым физическим свойствам. В данном случае при решении обратной задачи использовались итеративные приближения Гаусса-Ньютона (_5_). Эффективность вычислений была достигнута путем создания матрицы высокой плотности из разреженных матриц и путем использования заранее определенных методов сопряженных градиентов для решения окончательно полученной системы уравнений. Синтетические данные (Ex, Ey, Hx, Hy, Hz) при 6 частотах в диапазоне между .01 и 1000 Hz, генерированные с использованием геометрии, приведенной на Рис. 1, были смешаны с шумом, после чего была решена обратная задача. На Рис. 3 изображены результаты в виде изоповерхностей и элементы вертикального разреза. В результате решения обратной задачи был получен сглаженный проводящий элемент. Предсказанные данные выглядят идентично наблюдаемым, поэтому они здесь не приведены. На примере синтетических данных можно кратко ознакомиться с решением обратных задач и типом модели, которая будет воссоздана после него. Теперь обратимся к полевым наблюдениям. Сведения о геологии района Золотое месторождение Antonio расположено в Перуанских Андах. Золотосодержание месторождения Antonio приурочено к кремнеземистым массивным, трещинноватым и зернистым разностям (_6_). Основным сосредоточением является пересечение разломов ССВ и ВЗ. Более поздние образования, проходящие в направлении С45З, перекрывают разломы ССВ и ВЗ, но относятся к эпохе после минерализации. Литология поверхности, структурные особенности и разрез месторождения приведены на рис. 4. Выход месторождения на поверхность представляет собой область в виде дуги, ограниченную разломами, сложенную тонкослоистыми и брекчированными породами. Геофизические исследования Зондирования ЭМ с управляемым источником и зондирования ЭС на постоянном токе были произведены на месторождении Antonio. Их целью являлось картирование областей с высоким сопротивлением, связанных с окварцеванием. На рис. 5 приведена схема геофизических исследований. Использовались два источника, каждый длиной примерно 2 км. Значения поля E снимались параллельно источнику, поля H - перпендикулярно ему. Амплитуда электрического поля при частоте 4 Гц показана на рис. 6." Рис. 2 Синтетические данные с источником частоты 10 Гц и геометрией, показанной на рис. 1. Рис. 3 Сравнение модели электропроводности, полученной в результате решения обратной задачи (наверху) с исходной электропроводностью (внизу). Стек процедур решения 3D обратной задачи CSEM Решение обратной задачи сводится к определенной последовательности процедур. Стеки процедур будут различны для различных исследований, но многие элементы являются общими для всех наборов данных: Анализ полученных данных Априорная информация об электропроводности Оценка влияния рельефа Сужение области исследований (локализация) Отдельное решение обратной задачи для каждого источника и частоты Одновременное решение обратной задачи для всех источников и частот. Рис. 4 Литология поверхности (наверху) и Ключевые слова: минеральный, полученный, исследовать, нормализация, июль, eage, наблюсти, oldenburg, электрический, особый тема, ток, месторождение, месторождение antonio, действительный, необходимый, использоваться, расположение, наблюденный, зондирование, удаленность, магнитный поле, изоповерхность, качество, открывать возможность, порода, глубина, частота, поле, получить результат, импеданс, моделирование, простираться, амплитуда, показывать, решение обратный, участок, достаточный, проблема, electromagnetic, магнитный, метод, линия, приемник, произведенный, цель, разбиение, образование, морской, обладать, вывод, результат решение, использование, разрез, процедура, geophysics, литология поверхность, заземленный диполь, изобразить, решить, показать, полезный ископаемое, местоположение источник, постоянный, фаза, км, данный статья, тема, объект, показанный, сравнение, ascher, песчаник, изображенный, поиск, источник, синтетический, численный, обычный, модель, обратный задача, управляемый, ува сырье, дать, поверхность, проницаемость, объём, сырьё, особый, ископаемое, хороший, получить, csem, данный, интерпретация, уравнение, решение обратный задача, farquharson, полезный, область, управляемый источник, сопротивление, постоянный ток, информация, поиск полезный, решить обратный, коллектор, обратный, исследование, порядок, гц, эм, малый, тема поиск, проведение, приведенный, отдельный, break, результат, ува, полевой, электропроводность, достаточный малый, решение, геологический, размер, задача, ячейка, привести, break июль, antonio, electromagnetic problem, петлить, рельеф, приёмник, значение