Типы физико-геологических моделей

Расширение представлений о физико-геологическом моделировании изучаемых объектов неизбежно приводит к увеличению числа типов моделей.

Во-первых, выделяют априорные ФГМ, используемые для выбора типового комплекса геофизических методов на стадии проектирования, и апостериорные ФГМ, являющиеся результатом комплексной интерпретации геофизических данных после проведения производственных работ.

В зависимости от характера геологических задач различают двуалъ-тернативные ФГМ, предназначенные для решения задач типа «локальный объект» -" вмещающая порода", и многоальтернативные ФГМ, используемые при решении задач структурно-тектонического районирования территории, геокартирования, многоцелевых поисков разных видов минерального сырья.

В зависимости от способов описания физических полей можно выделить детерминированные ФГМ, построенные на основе расчета аномальных эффектов с помощью уравнений математической физики при жестко заданных значениях петрофизических и морфологических (размеры, форма, глубина, элементы залегания) параметров модели; и вероятностно-статистические ФГМ, создаваемые с учетом вероятностных распределений тех же параметров модели.

Среди вероятностно-статистических ФГМ реализуются либо статистические ФГМ, основой формирования которых служат методы корреляционно-регрессионного и факторного анализов, распознавания образов, проверки статистических гипотез, либо стохастические ФГМ, формируемые на базе вероятностных распределений самих параметров изучаемых моделей, т. е. когда при решении прямых задач аномальные эффекты задаются путем расчета математических ожиданий, дисперсий и корреляционных функций, описывающих возможный диапазон изменения состояний модели объекта. Вероятностно-статистическое моделирование особое значение приобретает при поисках и разведке слабоконтрастных геологических объектов, для которых аномальные эффекты соизмеримы с уровнем помех или ниже этого уровня ввиду большой глубины залегания объектов, их небольших размеров и слабой дифференциации по физическим свойствам.

Наконец, с учетом развития геологических процессов во времени различают статические ФГМ, фиксирующие состояние геологического объекта в определенный (исторический) момент времени и динамические ФГМ, отражающие изменение физических полей на разных стадиях развития геологических процессов в зависимости, например, от глубины проявления зон окисления, тектогенеза и т. д. Динамические ФГМ также отражают изменение физических полей при мониторинге окружающей среды, при режимных наблюдениях над нефтегазохранилищами и крупными месторождениями углеводородов, находящихся в длительной эксплуатации, естественных фильтрационно-диффузионных процессов при решении инженерных, гидрогеологических и геоэкологических задач.

Пример двуальтернативной детерминированной ФГМ колчеданного месторождения при поисково-разведочных работах приведен на рис. 2.

Статистическая ФГМ формируется при моделировании объектов сложного геологического строения, когда аномальные эффекты от изучаемых объектов соизмеримы с уровнем помех и даже ниже такого уровня и, следовательно, решение прямых задач по моделированию физических полей не эффективно. При этом необходимо использовать различные приемы фильтрации полей по обнаружению слабых аномалий (сигналов) и комплексного анализа геополей.

Для обнаружения слабых аномалий достаточно эффективен способ самонастраивающейся фильтрации, в результатах которого хорошо картируются линейно вытянутые зоны контактов пород и тектонических дислокаций. При комплексном анализе основное значение приобретают приемы факторного анализа. Пример такого анализа можно рассмотреть на статистической ФГМ участка сосредоточения редкометалльных пегматитов, рудное поле которых расположено в грабене, выполненном метаморфическими породами: конгломератами, кварц-биотитовыми, биотит-амфиболовыми сланцами, слабо различающимися в физических полях, несмотря на их существенные различия по физическим свойствам (табл.1).

• 1 — покровные мезо-кайнозойские отложения, к = 0100 Омм, = 12,4 г/см3, = (040)10−5 ед. СИ;
• 2 — надрудная толща андезито-базальтового состава, к = (37)103 Омм, = 2,752,9 г/смЗ, = (12 125)10−5 ед. СИ, к = 13%;
• 3 — кислые рудовмещающие вулканиты, к = (13) 10−3 Омм, = 2,552,75 г/см3, = (025) 10−5 ед. СИ, к = (210%);
• 4 — гидротермально измененные серицито-хлоритовые породы с сульфидной минерализацией, к = 251 000 Омм, = 2,83,3 г/см3, =(06)10−5 ед. СИ, к=540%;
• 5 — массивные колчеданные руды к =1100 Омм, = 3,54,6 г/см3, =0; к<3%;

I — III — уровни эрозионного среза.

Таблица 1 Параметры статической ФГМ серии редкометальных пегматитовых жил.

Так, плотность пегматитов, амфиболитов и вмещающих кварц-био-титовых сланцев соответственно равна 2,6; 2,95; и 2,73 г/см3, магнитная восприимчивость — 1010−6; 3010−6 и 240−10−6 ед. СИ, сопротивление 50 000, 20 000 и 20 000 Омм. Однако, малые размеры отдельных пегматитовых тел и наличие большого числа аномалий-помех от непродуктивных пегматитов ориентирует на создание статистической ФГМ, параметры которой приведены в табл. 1. Эти параметры получены на эталонных выборках объемом от 80 до 130 объектов каждого из трех классов. Нетрудно проследить, что в приведенной модели, несмотря на существенные перекрытия диапазонов изменений физических полей над тремя типами выделенных объектов, существуют статистически значимые различия средних значений, дисперсии (стандарта) и корреляционных матриц.

Построение стохастических ФГМ базируется на представлении о множестве случайных состояний модели объекта, т. е. состояний параметров модели объекта. Примером таких моделей является описание среды в виде модели ячеистого беспорядка. Геосреда при этом аппроксимируется совокупностью ячеек, каждая из которых принимает два состояния, например, «рудное» и «безрудное» (рис.3). Индикатором каждого из этих состояний является переменная Kр, равная 1 для «рудного» состояния и -1 для «безрудного» состояния.

Рис. 3. Случайная реализация сечения рудного тела (а), полученная при заданном распределении вероятностей в сечении модели (б) 1 и 2 — соответственно «рудное» и «безрудное» состояния ячейки модели

Примером динамической ФГМ может служить модель медно-порфирового месторождения, отражающая характер магнитного поля, полей электрического сопротивления и вызванной поляризации в зависимости от стадии рудообразования и масштаба проявления медно-молибденового оруденения (рис. 4).

В этой динамической ФГМ предрудная стадия отражает незначительные масштабы гидротермальных процессов, при которых появляются небольшие содержания ферромагнитных минералов, что вызывает соответственно повышение магнитного поля. Рудная стадия, подразделяемая на три подстадии, характеризуется в начальной подстадии выделением ферромагнитных минералов. Магнитные поля над такими участками достигают максимума в 1000 мТл. Аномалии вызванной поляризации составляют 4−6% на фоне в 2−3%. Процесс окварцевания приводит к росту к до 1500 Омм. Эти показатели соответсвуют месторождению меди. Гидротермальные изменения вмещающих пород при этом развиты слабо.

В среднюю подстадию гидротермально-метасоматические процессы активизируются. Магнитная восприимчивость рудных зон снижается, а поляризуемость возрастает до 10%. Накопление электронно-проводящих минералов приводит к уменьшению к.

Последняя рудная подстадия характеризуется исчезновением магнитных минералов. Эти изменения отражаются аномалиями поляризуемости в 12−14%, отрицательными значениями магнитного поля и снижением кажущегося сопротивления до первых сотен Омметров.

Послерудная стадия в физических полях практически не отображается.

В практике геологоразведочных работ находит применение большое число геофизических методов, и их количество продолжает увеличиваться. Тем не менее, несмотря на разнообразие геофизических методов и решаемых с их помощью геологических задач, можно сформулировать не зависящие от исследователя условия, необходимые и достаточные для эффективного применения методов прикладной геофизики.

Рис. 4. Динамическая ФГМ медно-порфирового месторождения, отражающая характер физических полей Z, к и к в зависимости от стадии рудообразования и масштаба проявления медно-молибденового оруденения

Минералы: 1 — ферромагнитные, 2 — изоляторы, 3 — сульфидные электронно-проводящие, 4 — прочие.

К этим условиям относятся:

заметная дифференциация (контрастность) физических свойств пород и руд района работ;

благоприятные геометрические параметры (размеры, форма, глубина и элементы залегания) аномалиеобразующих источников, в частности, геоэкологических объектов;

относительно низкий уровень помех.

Перечисленные условия влияют на создание физико-геологических моделей изучаемых объектов, а выбор конкретного типа моделей непосредственно зависит от анализа условий применимости геофизического метода.