Методика и технология обработки и интерпретации геофизических данных в скользящих окнах «живой» формы

В начале 60-х годов, наряду с дальнейшим развитиемдетерминированного подхода, работы А. Г. Тархова, Л. А. Халфина, Ф. М. Гольцмана положили начало принципиально новому вероятностностатистическому подходу к обработке геофизических данных. Этот подходполучил широкое развитие в различных областях разведочной геофизики: сейсморазведке (Ф.М. Гольцман, СВ. Гольдин, Е. А. Козлов, А. К. Яновский, О. Г. Кутьина и др.), структурной и рудной геофизике (А.Г. Тархов, А. А. Никитин, В. И. Аронов, Г. И. Каратаев, А. Серкеров, Т. Б. Калинина, В. И. Шрайбман, Г. В. Демура), каротаже (Ш.А. Губерман, М. М. Эланский, Г. Н. Зверев и др.).В 80-е годы начались работы по созданию программного обеспеченияво МГРИ, реализующего статистические приёмы обработки геоданных (В.В. Ломтадзе, О. А. Кучмин, О. П. Лукина, Т. А. Трофимова, А. В. Петров, А. С. Алексашин, В. В. Никаноров, Ю.А. Клюев).Появление производительной вычислительной техники в конце 80-х начале 90-х годов приводит к дальнейшему развитию методов вероятностностатистического подхода: разработка адаптивной модификацииполиномиальной фильтрации (А.С. Алексашин), компенсирующейфильтрации (А.А. Лыхин), обобщение методов выделения слабых аномалийи разработка технологии адаптивной фильтрации (А.В. Петров), предложеныалгоритмы кластерного анализа и распознавания образов, базирующиеся наметодах многомерного дисперсионного анализа (А.В. Петров).Данная работа является дальнейшим развитием методов вероятностностатистического подхода и теории оптимальной фильтрации геофизическихполей на основе применения оригинальных адаптивных скользящих окон.Актуальность. В связи с увеличением точности геофизическойизмерительной аппаратуры, увеличением детальности работ, необходимостипереинтерпретации большого объема информации прошлых лет сиспользованием новых приёмов обработки в последнее время резко7возрастает практическая значимость в области разработки новых алгоритмовдля обработки и интерпретации геофизических наблюдений. Наряду с разработкой новых приемов обработки геофизическихданных, не менее актуальной можно считать и задачу восстановлениястарых, неправомерно «забытых» методов анализа, с учетом возможностейсовременной компьютерной техники и появления новых алгоритмическихрешений ряда, не решаемых ранее задач. Кроме этого, возможностивычислительной техники сегодня позволяют воплощать в жизнь алгоритмы, которые были разработаны ещё в 60−70 гг., но из-за технических трудностей, отсутствия программного обеспечения так и не были реализованы. р Сказанное выше относится и к методам, базирующихся на технологиискользящих окон. в конце 80-х годов популярность алгоритмов вскользящих окнах резко снизилась, а количество разработок в этомнаправлении уменьшилось. Очевидно, что низкая эффективность примененияэтих алгоритмов связана не с самой возможностью применения методов, базирующихся на достижениях теории статистических оценок, линейнойоптимальной фильтрации в процессе обработки и интерпретациигеофизических наблюдений, а с несовершенством реализующих ихалгоритмов, в которых не учитывались особенности геофизических полей, среди которых одной из основных является их нестационарность. Для повышения эффективности процесса интерпретации геологогеофизических данных и извлечения максимального объёма полезнойинформации, на всех этапах обработки необходимо минимизироватьошибки, связанные с некорректной реализацией математического аппарата. Так как, практически все геофизические наблюдения являютсянестационарными по статистическим и спектрально-корреляционным^, характеристикам, актуальным является создание методики обработки ипрограммного обеспечения, направленного на решение задачи корректнойобработки нестационарных геополей.8Целью исследований является разработка методики обработки данныхразличных геофизических методов в скользящих окнах, основанной наединых теоретических предпосылках, с помощью которой решается задачамаксимального учёта нестационарности спектрально-корреляционныхсвойств геофизических полей. Составными частями данной методики являются: оценкастатистических характеристик и оптимальная фильтрация (одномерная идвумерная) волновых и потенциальных полей, а также оценка параметрованомалиеобразующих объектов для потенциальных полей. Задачи исследований:1. Разработка единого подхода, позволяющего более корректноприменять предлагаемые алгоритмы для различных методов разведочнойгеофизики в условиях нестационарного характера полей.2. Создание методической и технологической основы учётанестационарности спектрально-корреляционных свойств геологогеофизических данных в скользящих окнах «акивой» формынепосредственно в процессе вычислений.3. Адаптация алгоритма скользящих окон «живой» формы дляоценки статистических характеристик геополей.4. Разработка методики статистического и корреляционногозондирований потенциальных полей на основе вычисления статистических икорреляционных характеристик в скользящих окнах «живой» формы.5. Адаптация алгоритма скользящих окон «зкивой» формы дляреализации одномерной и двумерной оптимальной фильтрации.6. Разработка 3D модификации метода Б. А. Андреева для оценкипараметров аномалиеобразующих объектов, на основе технологиискользящего окна «э/сивой» формы. Научная новизна предлагаемой работы заключается в разработкенепосредственно технологии окна «э/сивой» формы и методики9использования этой технологии для анализа разнородной геофизическойинформации. Созданы конкретные алгоритмы оценки статистических характеристик, одномерной и двумерной оптимальной фильтрации, статистического икорреляционного зондирования потенциальных полей и их атрибутов, оценки параметров аномалиеобразующих объектов, учитывающиенестационарность анализируемой информации. Предложена технология являющаяся методической основой длядальнейшего развития статистических методов в области обработкигеофизической информации, позволяющей учитывать нестационарностьгеофизических полей. Достоверность и обоснованность положений, выводов ирекомендаций подтверждается их проверкой на математических и физикогеологических моделях, достаточным объемом экспериментальныхисследований и положительным опытом внедрения научных положенийработы и практических приложений в геологоразведочныхпроизводственных организациях. Практическую ценность представляет программная реализацияновых алгоритмов обработки геофизических данных, входящих в составпрограммного комплекса спектрально-корреляционного анализа данных"COSCAD-3D". Оригинальный рекурсивный подход к вычислениюавтокорреляционной и двумерной автокорреляционной функции обеспечилпрактическую реализацию процесса вычислений Ряд технологическихрешений, позволил настроить алгоритмы на учёт особенностейгеофизических данных и повысить качество получаемых результатов:-изменение основных параметров скользящего окна «лснвой» формы впроцессе вычислений обеспечивает плавность выходных данных даже вусловиях резкого изменения характера поля в локальной области—автоматическое изменение размеров скользящего окна «лснвой"формы на краях обрабатываемых площадей позволяет получать вычисляемые10атрибуты без потери информации, то есть минимизировать, так называемый"краевой» эффект. Личный вклад соискателя. Автор принимал непосредственноеучастие на всех этапах разработки методики и алгоритмов обработкигеоданных в скользящих окнах «.живой» формы. Проведены исследования по адаптации, рассматриваемых вдиссертационной работе, алгоритмов к обработке данных различныхгеофизических методов: гравиразведка, магниторазведка, сейсморазведка. Предложены методики использования алгоритмов для различныхметодов и проведен анализ их возможностей и недостатков. Предложен ряд алгоритмических решений, повышающихэффективность использования алгоритмов при обработке нестационарныхгеофизических наблюдений. Дан сравнительный анализ результатов с решениями, получаемыми спомощью алгоритмов, базирующихся на технологии скользящих окнафиксированного размера и окна, адаптивно меняющего свои размеры, всоответствии с изменением спектрально-корреляционных характеристикполя. Исследованы связи между достоверностью получаемых результатов иизменением основных параметров алгоритмов. Апробаиия работы. Основные положения диссертации и результатыработы докладывались на Международном семинаре им. Д.Г. Успенского"Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей", Екатеринбург 2006 г.- на VIмеждународной конференции «Повые идеи в науках о Земле», Москва, МГГА, 2003 г.- на IV геофизических чтениях имени В. В. Федынского, Москва, Геон, 2002 г.- на молодёжной секции научно-практическойконференции Геомодель-2002, Москвана международной конференцииEuroprobe Devonian-Triassic «Time-Slice» Symposium, Москва 2001 г.- наконференции Строение литосферы крупных геоструктур Северной Евразии11по сейсмическим данным, Москва, Институт физики Земли, 2001 г.- наконференции Развитие комплексной многопараметровой интерпретациигеолого-геофизических данных, Москва, ВНРШГеофизика, 2001 г. Предложенные алгоритмы применяются в ряде отечественных изарубежных производственных организациях: Геонефтегаз, ВНИИГеосистем, ЦГЭ, ГНПП Спецгеофизика, ЗАО Гравиразведка.Публикации. Основные положения диссертации и результаты работыизложены в шести опубликованных работах. Защищаемые положения:1. предложенная методика и разработанная компьютернаятехнология обработки геополей в скользящих. окнах «jtcueou». формы обеспечивают эффективное решение задачи по оценкестатистических характеристик геофизических полей в условияхспектрально-корреляционной и статистическойнестационарности исходных данных-2. программное обеспечение адаптивной фильтрациигеофизических данных в окнах ioicueou" формы даётвозможность реализовать обработку потенциальных полей исейсмических данных в условиях их нестационарного характера-3. реализованная 3D модификация метода Б. А. Андреева дляпотенциальных полей на основе технологии скользящего окна"живой" формы позволяет оценивать параметрыаномалиеобразующих объектов в условиях минимума априорнойинформации об их распределении по глубине. Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит извведения, пяти глав, заключения, содержит 125 страниц текста, 56 рисунков.

Список литературы

составляет 114 наименования.12Автор выражает искреннюю благодарность своему научномуруководителю и учителю, доктору физико-математических наук, профессоруРГГРУ Петрову А. В. за многолетнее сотрудничество, постоянное внимание, помощь и поддержку при выполнении работы. Автор выражаетпризнательность своим учителям доктору физико-математических наукНикитину А.А., кандидату технических наук Ермолаевой Г. М., а также своимколлегам по работе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проделанной работы была разработана методика для корректного учёта нестационарности геолого-геофизических данных. Алгоритм обработки геополей в окнах «живой» формы позволяет получать корректные результаты в условиях сложнопостроенных потенциальных полей, осложнённых аномалиями разного направления, интенсивности и протяжённости. Для данных сейсморазведки снята проблема обработки в окнах большого размера. Решён ряд технологических проблем, которые были характерны для окон переменного размера (адаптивный вариант).

Проведена адаптация алгоритма скользящих окон «живой» формы к обработке геофизических данных с помощью следующих алгоритмов: оценка статистических характеристик геополейодномерная и двумерная оптимальная фильтрация геополейстатистическое и корреляционное зондирование потенциальных полей. Предложена трёхмерная модификация метода вариаций (Б.А. Андреева) на основе полосовой фильтрации в окне «живой» формы.

Алгоритмы, основанные на использовании скользящих окон «живой» формы, были опробованы на разномасштабных материалах геофизических наблюдений, проводимых в разных регионах: гравитационные и магнитные поля м-ба 1:200 ООО -1:10 ООО (Кольский п-ов, Зап. Сибирь, Дальний Восток, Австралия), временные разрезы и Гильберт-преобразование (Кольский п-ов, Архангельская обл., республика Татарстанрегиональные профили Уралсейс, 1-ЕВ, 2-ДВ). С помощью компьютерной реализации предложенных алгоритмов в программном комплексе КОСКАД-SD в ряде производственных организаций успешно решаются разнообразные геологические задачи: геологического картирования и районирования, выделения полезных сигналов на фоне помех, качественная оценка трёхмерного распределения аномалиеобразующих объектов.

По мнению автора, методика скользящих окон «живой» формы может иметь дальнейшее развитие. Так, могут быть реализованы фильтры с разными критериями оптимальности. Создание технологии трёхмерного окна «живой» формы позволит обрабатывать данные 3D сейсморазведки. Расчёт сейсмических атрибутов в окнах «живой» формы расширит возможности динамической обработки и интерпретации данных сейсморазведки. Оценка статистических характеристик (среднее и дисперсия) в окнах большого размера позволят корректно регулировать уровень амплитуд сейсмического разреза.

Окна «живой» формы можно применять для выделения «слабых» аномалийпо радиусу корреляции, рассчитанному в окне «живой» формы, -определять глубину до главной грави-магнитоактивной поверхностипоявляется возможность «реанимировать» алгоритмы прошлых лет. Возможны и другие варианты применения скользящих окон «живой» формы.