Введение к работе
Актуальность проблемы
Основными тенденциями развития разведочной геофизики и в частности грави-разведки являются, расширение и усложнение круга решаемых геологических задач; применение новой аппаратуры, обеспечивающей более высокую точность наблюдений, внедрение новых эффективных методик полевых работ, широкое использование высокопроизводительной вычислительной техники и создание современных компьютерных технологий хранения, обработки и интерпретации геолого-геофизических данных. При обработке, интерпретации и комплексном анализе геолого-геофизических данных на компьютерах, наряду с использованием специализированных программ и автоматизированных систем, все шире начинают применяться геоинформационные системы (ГИС).
Разнообразные ГИС-технологии значительно облегчают работу с данными, ускоряют доступ к необходимой информации, позволяют производить операции с разнородными объектами намного быстрее, чем это делалось раньше. Таким образом, ГИС можно рассматривать как эффективное средство, позволяющее оптимизировать процедуры хранения, обработки и анализа данных, а также обеспечить представление результатов в удобном для восприятия виде
В тоже время обзор геоинформационных систем и технологий, применяющихся в разведочной геофизике свидетельствует о том, что нет готовой, полноценной ГИС, ориентированной на решение актуальных геологических задач для любого региона, в частности - обеспечивающей обработку, интерпретацию и хранение результатов гравиметрических съемок и сопутствующей геолого-геофизической информации.
Поэтому весьма актуальной проблемой является разработка информационно-аналитических систем (ИАС) на основе ГИС-технологий, учитывающих специфику геологических задач и особенности региона исследований. В диссертационной работе представлена ИАС ГРАВИС, предназначенная для обработки, интерпретации и хранения результатов гравиметрических съемок и сопутствующей геолого-геофизической информации, включающая в себя новые алгоритмы вычисления поправок за влияние рельефа местности, трансформации геопотенциальных полей и сжатия данных.
Цепи исследований: создание информационно-аналитической системы ГРАВИС на основе геоинформационной системы ArcGis 9.0, реализующей на качественно новом уровне процедуры обработки и интерпретации результатов полевых гравиметрических наблюдений, а также централизованное хранение разнородных геолого-геофизических данных в виде иерархически упорядоченной структуры объектов.
Основные задачи исследований'
обзор, анализ и оценка возможностей современных геоинформационных систем применительно к решению актуальных задач хранения, обработки и интерпретации результатов гравиметрических исследований, проводящихся для изучения глубинного геологического строения, прогноза и поисков месторождений углеводородного сырья и твердых полезных ископаемых,
разработка структуры базы данных, включающей в себя сочетание пространственной и атрибутивной геолого-геофизической информации (результаты полевых гравиметрических наблюдений, картографические материалы, аэрокосмические материалы и т.п), использующей единые классификаторы объектов,
наполнение базы геолого-геофизических данных по территории Пермского края результатами ранее выполненных геофизических работ; материалами профильных и площадных гравиметрических съемок; непрерывно проводящихся научно-производственной экспедицией ГИ УрО РАН, а также информацией из всемирной глобальной сети Интернет,
выбор эффективной методики построения цифровых моделей рельефа местности, обеспечивающей необходимую точность его учета при редуцировании гравитационного поля, на основе анализа исходных картографических погрешностей и погрешностей последующего преобразования данных;
усовершенствование технологии определения поправок за влияние рельефа местности при гравиметрической съемке с применением аналитической аппроксимации высот земной поверхности двойным рядом Фурье, что позволяет автоматизировать учет влияния «центральной зоны» и обеспечивает различную детальность описания рельефа в зависимости от требуемой точности вычислений,
создание новых способов эффективного сжатия цифровой информации о геопотенциальных полях, учитывающих их морфологические особенности, с использованием методов фрактального и вейвлетного анализа,
формирование и внедрение в практику камеральных работ информационно-аналитической системы ГРАВИС, обеспечивающей выполнение широкого спектра операций по обработке, интерпретации, хранению гравиметрической и иной геолого-геофизической информации на основе ГИС ArcGis 9.0, с расширенным функциональным наполнением, представленным авторскими алгоритмами и программными модулями.
Научная новизна работы заключается в следующем
выполнена серия вычислительных экспериментов, результаты которых свидетельствуют о возможности использования моделей рельефа GT0P030 и SRTM, близких по точности к крупномасштабным топографическим картам, в качестве исходных материалов при вычислении поправок за влияние рельефа местности при определении аномалий Буге в гравиметрии;
предложен принципиально новый алгоритм высокоточного определения поправок за влияние рельефа местности при гравиметрических наблюдениях, базирующийся на использовании линейных аналитических аппроксимаций высотных отметок двойным рядом Фурье и представлены рекомендации для выбора параметров вычислительной схемы, обеспечивающих требуемую точность результатов применительно к различным геоморфологическим условиям,
разработаны эффективные способы сжатия цифровой информации о гравитационном и магнитном полях, основанные на синтезе методов истокообразной аппроксимации, фрактального подхода и вейвлет-анализа, которые обеспечивают не только компактное хранение данных, но и возможность восстановления различных компонент поля в произвольно выбранных точках пространства;
создана информационно-аналитическая система ГРАВИС на основе геоинформационной системы ArcGis 9.0, обеспечивающая на высоком технологическом уровне решение актуальных задач, связанных с хранением, обработкой и анализом гравиметрических и иных геолого-геофизических данных.
Практическая значимость исследований
Применение информационно - аналитической системы ГРАВИС позволяет решать широкий круг прикладных задач, возникающих в современной разведочной геофизике. Разработанные программные средства на качественно новом уровне производят обработку и анализ гравиметрической и иной геолого-геофизической информации.
Созданная ИАС ГРАВИС и входящие в нее отдельные компьютерные технологии использовались при региональных и детальных гравиметрических работах, проводящихся с целями прогнозирования и поисков залежей углеводородного сырья и месторождений твердых полезных ископаемых, в пределах Пермской, Оренбургской, Свердловской, Кировской, Магаданской и Тюменской областей, в Республике Коми и Удмуртской Республике и в других регионах по контрактам с ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ», ЗАО «Байтек-Силур», 000 «Севергазпром», ФГУП «СНИИГГиМС» (г.Новосибирск), Баженовская геофизическая экспедиция (г.Екатеринбург), ОАО «Пермнефтегеофизика», ОАО «Пермруд-геофизика», ОАО «Оренбургская геофизическая экспедиция», ОАО «Хантымансийскге-офизика», ОАО «Уралкалий» (г Березники), ОАО Газпром, 000 «ФГеоКонсалтинг» (г.Тюмень), ОАО «ГМК «Норильский никель», 000 «Севергазпром», 000 ГП «Сибирь-геофизика» (г.Лесосибирск), 000 «Уралтрансгаз» (г.Екатеринбург), Министерством промышленности и природных ресурсов Пермского края, Территориальным агентством по недропользованию "Пермьнедра" по заказу МПР России.
Апробация и публикации Основные положения и результаты работы докладывались на Уральской молодежной научной школе по геофизике (Екатеринбург, 2004, 2006; Пермь, 2005,2007), на региональной научно-практической конференции «Геология и полезные ископаемые Западного Урала» (Пермь, 2005, 2006); на Международных семинарах «Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей» им. Д Г.Успенского (Екатеринбург, 2006, Москва, 2007); на третьих и четвертых научных чтениях памяти Ю.П.Булашевича (Екатеринбург, 2005, 2007), на Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь» (Новосибирск, 2005, 2006), на Международной конференции «Новые технологии в маркшейдерии и недропользовании» (Пермь, 2005); на Международной научно - практической конференции «Инженерная геофизика» (Геленджик, 2005); на международной конференции EAGE (Санкт-Петербург, 2006); а также на научных сессиях Горного института УрО РАН (Пермь, 2005, 2006,2007)
Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 31 печатной работе, три из которых в изданиях, рекомендованных ВАК (Доклады Российской Академии наук, журналы «Геоинформатика» и «Вестник КРАУНЦ Науки о Земле»).
Защищаемые положения: 1. Разработанный метод определения поправок за влияние рельефа местности при гравиметрической съемке, базирующийся на использовании линейных аналитических аппроксимаций высотных отметок двойным рядом Фурье с выбором оптимального числа коэффициентов и позволяющий использовать в качестве исходных данных векторизованные крупномасштабные топографические карты и цифровые модели рельефа планетарного уровня (GTOPO30, SRTM), обеспечивает высокую точность определения топографических поправок, полную автоматизацию вычислений (в т.ч. и для «центральной зоны») и оценку качества получаемых результатов.
-
Применение новых способов сжатия цифровой информации о геопотенциальных полях, базирующихся на синтезе истокообразной аппроксимации с методами фрактального и вейвлетного анализа, позволяет производить компактное хранение информации в базах данных и последующее восстановление исходного поля и его различных трансформант в произвольно выбранных точках пространства, располагающихся выше эквивалентных источников.
-
Созданная на основе ГИС ArcGis 9.0 информационно-аналитическая система хранения, обработки и анализа гравиметрических данных ГРАВИС, адаптированная к условиям и потребностям современного процесса геофизических исследований, позволяет решать широкий круг задач, связанных с обработкой, интерпретацией и хранением цифровой гравиметрической и иной геолого-геофизической информации (в т.ч. задачи, связанные с изучением глубинного геологического строения, прогнозом и поисками месторождений углеводородного сырья и твердых полезных ископаемых).
Фактическая основа и личный вклад автора' Фактической основой исследований послужили результаты гравиметрических съемок, проводимых Горным институтом УрО РАН, полученные в процессе работы по договорной тематике с рядом нефте- и горнодобывающих предприятий России и при выполнении подпрограммы «Минерально-сырьевые ресурсы» федеральной целевой программы «Экология и природные ресурсы России (2002-2010 rrj». Работа выполнена при поддержке Уральского отделения РАН (по результатам конкурса научных проектов молодых ученых и аспирантов 2007 г) и РФФИ (фанты № 07-05-96009, № 07-05-96011)
Автор принимал активное участие в РАЗРАБОТКЕ современных принципов создания эффективных компьютерных технологий на основе ГИС, постановке основных задач, разработке методов, вычислительных схем и алгоритмов обработки и анализа гравиметрической и иной геолого-геофизической информации. Лично автором создана информационно-аналитическая система ГРАВИС на базе геоинформационной системы ArcGIS 9.0, произведено наполнение единой базы геолого-геофизической информации, а также разработано программно-алгоритмическое обеспечение, существенно расширяющие функциональные возможности базовой ГИС применительно к решению актуальных геологических задач. При непосредственном участии автора в период с 2004 по 2007 годы выполнены многочисленные камеральные и полевые исследования, которые и составляют основу данной диссертационной работы
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения общим объемом 160 страниц, содержит список литературы, включающий 167 наименований, а также 44 иллюстраций и 12 таблиц.
Автор выражает глубокую благодарность коллективу лаборатории Горного института УрО РАН г. Пермь и заведующему лабораторией, к.г.-м.н С.Г.Бычкову за внимание, непосредственную помощь и ценные советы. За неоценимую поддержку в процессе исследований автор благодарен дг.-м.н., профессору В.М.Новоселицкому За внимание, консультации и конструктивные замечания выражаю благодарность к г -м н И Ю Митю-ниной.
Особо хочу поблагодарить своего научного руководителя доктора физико-математических наук А.С. Долгалю за неоценимую всестороннюю помощь, поддержку, советы и консультации при написании диссертационной работы.
