Понятие физико-геологической модели

Под физико-геологической моделью (ФГМ) понимают обобщенное описание абстрактного возмущающего тела, обобщенные размеры, форма и контрастность физических свойств которого аппроксимирует реальные геологические объекты, подлежащие обнаружению. ФГМ – это обобщенное и формализованное представление о целой группе объектов, т. е. это абстракция типа «описание – обобщение». ФГМ – основа физического и математического моделирования. Сложные по морфологии и вещественному составу геологические объекты заменяются сочетанием геометрически правильных объектов (сфера, цилиндр) с неизменными физическими свойствами.

К основным свойствам ФГМ относятся:

- вероятностный характер, обусловленный стохастичностью используемых для её построения геологических и петрофизических данных;

- полиморфность, которая проявляется в многообразии размеров, форм и физических параметров её элементов;

- простота расчета ожидаемых физических полей;

- схематизированный и обобщенный характер полей, который отражает наиболее существенные черты данного класса объектов.

ФГМ должна:

- соответствовать целям и задачам исследований, типу района и условиям ведения работ;

- отражать состояние геолого-геофизической изученности данного класса объектов;

- учитывать связь между геологическим строением объекта и геофизическими критериями включения в модель её элементов;

- характеризоваться оптимальной сложностью.

В качестве примера на рис. 2.1 приведена геологическая модель медноколчеданной линзы.

 

Рис. 2.1. Частная геологическая модель медноколчеданной линзы

 

 

Над линзой расположен геохимический ореол вкрапленных руд. Рядом с рудой расположены околорудно-измененные горные пород. Вмещающими породами являются кварцитовидные песчаники.

Если к геологической модели добавить петрофизическую модель и модель геофизических полей, то получим комплексную ФГМ медноколчеданной линзы. Отличительной чертой любой комплексной ФГМ является её полиморфность в отношении физических свойств. Например, медноколчеданная линза – это пласт с избыточной плотностью (σ), хорошо проводящий электрический ток (r), имеющий повышенную поляризуемость (η), создающий естественное электрическое поле (ΔU_ЕЭП) и т. д.

В разведочной геофизике известно несколько видов моделирования, в том числе:

- физическое моделирование, когда сохраняется физическая природа явления, но воспроизводится в меньших масштабах (метод заряженного тела в баке с водой, метод электрической корреляции на электропроводной бумаге, геофизические исследования скважин на моделях и др.);

- математическое моделирование – описание физического явления уравнениями математической физики, решение прямых и обратных задач геофизики;

- аналоговое моделирование, когда используются электромеханические, электрогидродинамические аналогии;

- физико-геологическое моделирование – обобщенное и формализованное представление об основных геологических и физических характеристиках изучаемого геологического тела и его вмещающей среды. Это симбиоз физического, математического, аналогового и других видов моделирования.

Физико-геологическая модель состоит из частных моделей. К частным моделям относятся:

- геологическая модель – система элементов геологического строения, описывающая состав, структуру, размеры, форму исследуемого геологического объекта. В отличие от геологического разреза или блока геологическая модель носит обобщенный характер без второстепенных элементов строения.

- петрофизическая модель характеризует распределение физических свойств в пространстве (плане, разрезе). Петрофизическая модель подразделяется на магнитную, плотностную, электрическую, скоростную, тепловую, радиометрическую и т. д.

- модель физических полей – описание физических полей на разных уровнях, интенсивность поля, морфология, нормальное поле, размеры аномалий, помехи.

Количественные характеристики ФГМ можно разделить на три категории: физические параметры, размеры и форма. Количественные характеристики ФГМ носят стохастический характер. К количественным характеристикам относятся: физические параметры (х ₁, x ₂..) размеры (y_{1 ,} y₂..) и форма (z₁ ,z₂..). Г. С. Вахромеевым предложены следующие фазы форми-рования ФГМ по параметрам:

- реальные геологические объекты (натурные модели данного класса);

- исходная информация о параметрах: физические свойства (х ₁, x ₂..), размеры объекта (y_{1 ,} y₂..), форма объекта (z₁ ,z₂..).

- частное моделирование – однопараметровые модели:

- общее моделирование – общая комплексная полиморфная модель.

Пример построения комплексной модели и частных моделей ФГМ при геокартировании приведен на рис. 2.2.

 

 

Рис. 2.2. Пример построения комплексной модели и частных моделей ФГМ при геокартировании [7]

 

 

В природных условиях перед построением ФГМ используют натурное моделирование. Под натурными моделями понимают естественные природные объекты. Они характеризуются следующими особенностями:

- наиболее полным неискаженным воспроизведением геофизической информации;

- близким к единице коэффициентом подобия натурной модели и исследуемого оригинала;

- неполным соответствием натурной модели и оригинала, в связи с чем требуются доказательства аналогии;

- частным характером, в связи с чем требуется целая серия натурных моделей;

- индивидуальными особенностями физических полей, свойственными данной натурной модели.

Многообразие и вероятностный характер связи физико-геологических особенностей геологических объектов, подлежащих изучению, с натурными моделями вызывает необходимость перехода к общим комплексным моделям, которые получили название физико-геологических моделей (ФГМ).

ФГМ объекта геофизического изучения – это система абстрактных возмущающих тел и вызываемых ими аномальных эффектов, которые аппроксимируют геологический объект и с необходимой для моделирования деталь­ностью обобщенно отражают его структуру, раз­меры, форму, петрофизические свойства и соответствующее им объемное рас­пределение физических полей.

Приведенное определение является общим, в одинаковой степени пригодным для аппроксимации любого геологического объекта. Таким образом, физико-геологическая модель отражает взаи­мосвязи существенных свойств моделируемого геологического объекта с регистрируемыми в его окрестностях либо ожидаемыми полями.

Основой для формирования ФГМ служит петрофизическая модель (ПФМ), под которой понимают объемное рас­пределение в геологическом пространстве различных физических параметров, характеризующих главные структурно-вещественные комплексы изучаемого рудного поля, месторождения полезного ископаемого либо другого геологического объекта.

Под термином «структурно вещественный комплекс (СВК)» понимают объединенную по одному или нескольким физическим свойствам совокупность геологических образований, наделенную соответствующими физическими характеристиками. СВК являются реальными объектами геофизического изучения. В благоприятном для разведочной геофизики случае поверхности, ограничивающие СВК, могут быть связаны с границами стратиграфических подразделений или с контактами смены пород разного литолого-петрографического состава.

Понятие о ФГМ является дальнейшим развитием представле­ний о возмущающем объекте. ФГМ – общая модель геологическо­го объекта, изучаемого геофизическими методами. Она характе­ризует этот объект с разных сторон, отражая диалектическую связь и различие всех частных моделей возмущающих тел, которыми можно описать исследуемую геологическую структуру, месторождение или рудное тело. Формализованно отражая обобщенное типизированное пред­ставление о целой группе подобных геологических объектов, ФГМ относится к моделям типа «описание ­–обобщение» или «модель – отклик».

Обобщенный характер ФГМ предполагает широкое привлечение математического, физического, натурного, аналогового, имитацион­ного и любых других видов моделирования для создания ФГМ и уточнения отдельных ее сторон. Формирование ФГМ предполагает конструирование по существу двух различных моделей: модели изучаемого геологичес­кого объекта, роль которой играет ПФМ, и модели соз­даваемых ею геофизических полей, которые могут быть получены аналитически путем решения прямых задач геофизики.

Характерные черты ФГМ – степень различия физических свойств модели и несущей ее среды и обобщенная форма модели­руемого объекта. Следует учитывать условия залегания моделируемого объекта, помня, что при погружении любых трехмерных, двумерных или вертикально протяженных аномалиеобразующих объектов на значительную глубину их физические поля будут приближать­ся соответственно к аномалиям от шара, линии полюсов и штока.

Главное свойство ФГМ – ее физико-геометрическая полиморф­ность.

К важным особенностям физико-геологических моделей относятся возможность расчетов ожидаемых физических полей с по­мощью математического моделирования, а также возможность реализации различных комбинаций частных моделей, отображающих изменения морфологии, размеров, уров­ня эрозионного среза и других характеристик реальных геологических объектов.

Формирование ФГМ подчинено иерархической последователь­ности решения геологических задач. В наиболее полном виде эта идея воплощается и пропагандируется в работах В. В. Бродового [2]. Им пред­ложена классификация и разработаны следующие ФГМ последо­вательного ряда геологических объектов, порядок которых непре­рывно укрупняется.

 

ФГМ рудных месторождений

ФГМ рудной провинции, отождествляемой с крупным блоком земной коры на всю ее мощность до границы Мохоровичича на глубину до 60 км. Рудная провинция – значительная по площади территория в плане до 100 км, ограниченная глубинными разломами.

ФГМ рудного пояса, исследуемого на стадии региональных геолого-геофизических работ до границы Конрада на глубину до 20 км. Рудный пояс – территория размером в плане до 10-100 км, ограниченная глубинными разломами. ФГМ гранитного слоя.

ФГМ рудного района (узла) и рудного поля, являющегося глав­ной целью крупномасштабного геологического картирования и общих поисков. Рудный узел – небольшая площадь размером в плане до 10 км, глубиной 3-5 км, внутри рудного пояса, приуроченная к глубинным и тектоническим узлам. ФГМ глубинной структуры, рудовмещающей формации. Рудное поле – ограниченная площадь рудного района размером до 1 км, глубиной 2-3 км, приуроченная к тектоническим узлам и зонам смятия. ФГМ рудной структуры.

ФГМ рудного месторож­дения – природное скопление полезного ископаемого, контролируемое различными геологическими факторами, размером в плане 10-1000 м, глубиной 1-2 км, изучаемое на стадии поисково-оценочных работ и разведки.

ФГМ отдельного рудного тела – природное скопление руды с ореолом рассеяния размером в плане 10-100 м, глубиной 1-2 км, мощностью 1-10 м, изучаемое на стадии детальных поисков и разведки.

 

К ФГМ нефтяных объектов относятся:

Платформа – обширная территория континента или морского дна глубинного заложения со спокойной тектоникой. Состоит из двух этажей – нижнего (фундамента) и верхнего (чехла). Платформы делятся на материковые и океанические. ФГМ платформы совпадает с ФГМ земной коры, включая в себя состав и строение осадочного чехла, состав и строение фундамента, гранитный слой, базальтовый слой и верхнюю часть мантии.

Плита и щит – отрицательная и положительная структуры платформы.

Структуры первого порядка – крупнейшие, округлые, замкнутые структуры в пределах осадочного чехла и частично гранитного слоя: синеклиза (отрицательная) и антиклиза (положительная). Размер от 100 до 600 км. Глубина залегания 3-5 км.

Структуры второго порядка – впадина и свод. Впадина – опущенный или прогнутый участок земной коры, впадина выполнена осадочными образованиями. Мощность осадков 2-5 км. Свод – крупная положительная платформенная структура округлой формы размером 200-300 км. Положение ФГМ в пределах синеклизы.

Структуры третьего порядка – депрессия (отрицательная) и вал (положительная). Депрессия – прогиб, мульда, котловина размером 40 – 300 км. Положение ФГМ в пределах впадин и сводов.

Структуры четвертого порядка – купола, брахиантиклинали. Локальные поднятия размером 3-20 км с амплитудой до 100 м. Купол изометричен. Брахиантиклиналь – антиклиналь с шарнирами, погружающимися в разные стороны. Положение ФГМ в пределах депрессий и валов.

Структуры неантиклинального типа – зоны выклинивания, несогласного залегания, нарушений и другие ловушки нефти.

Нефтегазовая залежь – неструктурный объект, пласт-коллектор, содержащий нефть и газ. Размеры в плане до 10-20 км². ФГМ – состав коллектора (терригенный песчано-алевритовый или карбонатный, трещинный), тип цемента, пористость, проницаемость, коэффициент газонефтенасыщенности, литолого-фациальная структура, слои, запечатывающие залежь, отличия по физическим свойствам, наличие отражений, геохимические ореолы легколетучих и радиоактивных элементов (плавные минимумы гамма- и бета-активности уран-радиевой природы), наличие гидрогазобиохимических ореолов углеводородов в околонефтяном пространстве.

Учет геологических, морфологических и петрофизических характеристик каждой из перечисленных ФГМ позволяет корректно сформулировать задачи и обоснованно выбрать рациональный комплекс геофизических методов для каждой стадии геологоразведочного процесса. В ходе решения одной геолого-поисковой задачи ФГМ геологических объектов, изучаемых на разных стадиях геологоразведочных работ, могут принципиально различаться между собой из-за полной несхожести самих этих объектов.

Формирование ФГМ какого-либо геологического объекта предусматривает ряд последовательных операций:

1) формирование геологической задачи геофизических работ;

2) выбор объекта моделирования (блока земной коры, месторождения полезного ископаемого, отдельного рудного тела и т. п.) и изучение его геологических особенностей и характеристик;

3) расчет аномальных петрофизических параметров моделируемого объекта и вмещающей его среды,

4) создание петрофизической модели объекта в виде пространст­венного сочетания частных возмущающих объектов, с учетом их наиболее вероятных размеров;

5) выбор, расчет и оценка количественных критериев подобия;

6) конструирование математической модели и решение прямых задач геофизики по каждому проектируемому методу;

7) сравнение результатов расчета с фактическими данными натурного мо­делирования на эталонных геологических объектах с целью оценки степени адекватности сформированной ФГМ.

Физико-геологическую модель создают методом последова­тельных приближений по мере накопления знаний об объектах геофизических поисков. При малом объеме информации модель груба и, следовательно, доля неопределенности при принятии решений о месте отдельных методов в комплексе и их методике относительно велика. В дальнейшем с увеличением количества информации о моделируемом объекте появляется возможность, используя механизм обратных связей, увеличивать соответствие модели объекту поисков, а это, в свою очередь, позволяет совер­шенствовать применяемую методику комплексных геофизических поисков. Таким образом, в классификацию моделей входят: прогнозные (малая информация), типовые (средняя информация) и реальные ФГМ (большая информация).

В развитии представлений о физико-геологической модели и вытекающих отсюда возможностях выбора рациональной комплексной методики геофизических поисков можно выделить три фазы.

Фаза I характерна для начала геофизических исследований в новом рудном районе, когда отсутствует опыт их проведения. В этом случае приходится пользоваться методом аналогии и опираться на результаты геофизических работ в районах со сходным геологическим строением.

На стадии проектирования работ построение ФГМ опирается на справочные и литературные данные.

Фаза II – натурное моделирование на эталонных объектах. Формирование ФГМ и выбор рациональ­ного комплекса методов основывается на выполнения неболь­шого объема работ опытного характера. Опытно-методические исследования, играющие роль натурного моделирования, пла­нируют на эталонных объектах, т. е. на хорошо изученных геоло­гических разрезах разведанных месторождений тех генетических типов, поиск которых составляет главную цель проектируемых работ. Учет результатов натурного моделирования позволяет получить средний фактический материал и уточнить ФГМ, построенную по методу аналогий на первом этапе работ.

Фаза III относится к тому времени, когда анализируют значительный по объему фактический материал, накопленный при про­изводственных работах. Учет результатов интерпретации проведенных исследований позволяет получить апостериорную ФГМ и открыть новые объекты данного класса.

Требования, предъявляемые к физико-геологической модели, меняются на разных стадиях поисково-оценочных работ, отражая степень усложнения ее структуры. Так, поисковая задача сводится к выявлению перспективных аномалий с определенной гарантийной вероятностью минимальным числом точек наблюдений. На стадии детализации перспективных аномалий, наоборот, подробно изучают факторы, обусловливающие максимальную из­менчивость физического поля. Здесь приходится анализировать те стороны ФГМ, которые позволяют по типичным значениям параметров модели отличить его от месторождений других полезных ископаемых.

Как показывает практика, физико-геологическая модель, разработанная на примере месторождения определенного класса крупности по запасам (например, среднего), в первом приближении может быть справедлива для аналогичных месторождений иных классов крупности (мелких и крупных) при условии кратного изменения размеров, формы и свойств модели.

Физико-геологическое моделирование позволяет решать на строгой количественной основе многие методические вопросы разведочной геофизики, в том числе: оценивать меру сходства любого вновь открытого месторождения с известными геологическими объектами данного класса; обоснованно выбирать корректные условия физического и других видов моделирования; вести расчеты ожидаемых аномалий в любом диапазоне условий средствами математического моделирования; обоснованно выбирать форму и разме­ры сети геофизических наблюдений; планировать оптимальную точность измерений физических полей; формировать рациональный комплекс геофизических методов на основе количественных оценок; планировать методи­ку комплексной интерпретации геофизических данных и проводить оценку ее надежности.

По отношению к полевому геофизическому эксперименту выделяют априорные ФГМ стадии проектирования, используе­мые для выбора и обоснования рационального комплекса и техни­ческих условий производства геофизических работ, и апостериорную ФГМ стадии интерпретации, обобщающую итог ком­плексной интерпретации, выраженный в конкретных геолого-геофизических характеристиках изученного объема геологического пространства. При формировании апостериорной ФГМ опираются па априорную данного этапа исследований, а каждая апостериор­ная модель используется для уточнения, коррективов и развития представлений об априорной ФГМ последующего этапа работ.

Из характеристики априорных и апостериорных ФГМ следует, что априорная модель является основой планирования геофизического эксперимента, включающего обоснование методики не только полевых рабат, но и комплексной интерпретации. Характерной чертой такой модели должна быть высокая степень обобщения геологических, геометрических, петрофизических параметров, допускающая возможность расчета ожидаемых аномальных эффектов, охватывающих все основные классы их вероятных реализаций.

В отличие от априорной апостериорная ФГМ ставит в соответствие каждому выделенному объекту конкретные значения его параметров, рассчитанных в результате решения обратных задач геофизики. Апостериорная ФГМ – это ре­зультат комплексной интерпретации, выраженный в числовых геолого­-геофизи­ческих характеристиках изученной части геологического пространства.

В зависимости от способов формирования и описания парамет­ров ФГМ подразделяют на детерминированные и вероятностно­-статистические.

Детерминированные ФГМ получают путем расчета ожидаемых аномальных эффектов с помощью уравнений матема­тической физики при ограниченных, предварительно заданных значениях исходных петрофизических и морфологических пара­метров моделей. Этот подход традиционен, но требует точного знания граничных условий и однородного распределения петрофизических свойств в пределах каждого стуктурно-вещественного комплекса (СВК) горных пород.

Вероятностно-статистические ФГМ в свою очередь, подразделяют на статистические и стохастические (вероятност­ные).

Статистические ФГМ носят ярко выраженный эмпири­ческий характер. При их построении широко используют приемы анализа экспериментальных данных: статистическое оценивание и проверку гипотез, регрессионный и факторный анализы, способы фильтрации и распознавания и др. Статистические модели особенно эффективны для характеристики слабоконтрастных геоло­гических объектов, незначительно отличающихся по средним зна­чениям, дисперсиям или другим статистикам физических полей от вмещающих их пород.

Стохастические ФГМ формируют путем вероятностного описания моделируемых объектов. Решение прямых задач геофи­зики при этом также имеет вероятностную трактовку и заключа­ется в расчете математических ожиданий, дисперсий или корреля­ционных функций аномальных эффектов. Это позволяет охаракте­ризовать весь возможный диапазон изменения физических полей для бесконечного в общем случае множества состояний модели объекта. В частности, такими моделями удобно аппроксимировать геологические тела сложного строения с неравномерным распре­делением физических свойств.

С точки зрения решаемых задач при вероятностно-статистическом подходе на­метилось два направления. Первое направление базируется на модели экспериментально­го материала, учитывающей случайный характер помех, обуслов­ленных неконтролируемыми флуктуациями параметров реальных источников и приемников физических полей. Неоднородности зоны малых скоростей, неглубоко залегающие источники гравитацион­ных и магнитных полей, гетерогенность излучающих и экранирую­щих радиоактивное излучение сред и другие неоднородности, не учитываемые моделью изучаемого объекта, также формируют случайное поле помех. В статистической теории интерпретации при выделении слабых аномалий на фоне помех и в количественных способах интерпретации помеху аппроксимируют некоторыми моделями случайных процессов.

Второе направление основывается на стохастических моделях объектов, характерная особенность которых - использование ве­роятностного описания случайных параметров самих моделей. Это направление предполагает установление, исследование и исполь­зование количественных зависимостей между вероятностным описанием источников и характеристиками генерируемых ими случайных физических полей. Способы стоха­стического моделирования являются эффективным инструментом для исследования влияния тех или иных параметров ФГМ на ожидаемые аномальные эффекты и помогают устанавливать особен­ности проявления структуры сложных неоднородных объектов в физических полях.

Различают статические и динамические ФГМ. Статические ФГМ месторождений полезных ископаемых, рудных тел и других геологических объектов фиксируют их состояние в определенный момент времени. Динамические ФГМ отражают специфику состояния геофизических полей и их числовых характеристик на разных стадиях геологических процессов в зависимости от глуби­ны и полноты развития рудогенеза, зон окисления и вторичного сульфидного обогащения, тектоногенеза и др.

Изучение физических свойств пород и руд относится к числу фундаментальных проблем разведочной геофизики. Классическим направлением петрофизических исследований является изучение зависимостей физических свойств пород и руд от их минерального состава, структурно-текстурных особенностей, степени метаморфизма, термодинамических условий их формирования и ряда других факторов физической и геологической при­роды. По существу это направление дополняет применяемые в геологии методы исследования вещества, а выполняемые петро­физические обобщения носят фактографический характер, т. е. отображают информацию в виде различных таблиц, петрофизи­ческих карт, разрезов, блок-диаграмм. На основе этих мате­риалов получают выводы, содержательные как в геологическом отношении, так и в отношении физико-геологических предпосылок.

Перечислим требования к данным о физических свойствах ФГМ. Физические свойства должны:

- характеризовать все необходимые физические параметры, обеспечивающие построение комплексной ФГМ, параметры объекта в целом и элементов объекта;

- обеспечивать по точности измерений решение геологической задачи;

- иметь пространственную и геологическую привязку;

- быть представительными для статистической обработки.

Как правило, в результате анализа петрофизической информации устанавливают доминантное физическое свойство, наиболее контрастно выделяющее заданный класс геологических объектов. Обычно это количественная характеристика (магнитная восприимчивость магнетитовых руд, радиоактивность урановых руд, плотность сплошных колчеданных руд и т. п.)