книги из ГПНТБ / Богданов, В. И. Вычисление гравитационных аномалий от трехмерных тел (графические способы)

увязки результатов применения других способов. Опыт показы­

в опорных районах эта погрешность может быть уменьшена до ±2 мгл. В районах, где такие подробные сведения отсутствуют, применяется способ, основанный на приблизительном представле­ нии о площадном распространении структурно-фациальных ком­ плексов пород, одинаковой средней плотности их и мощности, создающей большую часть локального гравитационного поля (так называемый «гравитациоииоактивный слой» земной коры мощ­ ностью порядка 4—6 км). Пользуясь этими данными, можно также провести разделение аномалий, но надежность определения со­ ставляющих будет меньшей [89, 104]. Особое внимание при ис­ пользовании этих способов должно уделяться учету влияний масс соседних территорий.

С сильным и сложным влиянием соседних масс гравиметристы впервые встретились в Криворожском железорудном районе в 1925—1927 гг. [105, 106]. Тогда же была разработана методика учета этих влияний, которая нашла в последующие годы большое применение [107, 108]. Основные особенности этой методики за­ ключаются в широком привлечении дополнительной геологиче­ ской и геофизической информации о строении района, в комплекс­ ном изучении основных и соседних объектов, в проведении деталь­ ной геологической интерпретации, обеспечивающей широкий и непрерывный контроль получаемых результатов. Этим самым она выгодно отличается от известных методов осреднения, сгла­ живания, вариаций и т. д., при использовании которых пред­ полагается, что на определенной площади сила тяжести или ее производные изменяются по линейному закону, положительные и отрицательные аномалии от локальных объектов проявляются во всех направлениях одинаково часто. В отчетах производствен­ ных партий можно найти примеры эффективного применения та­ кой методики. При этом учет гравитационных влияний проводится при некоторых упрощенных предположениях: простая геометри­ ческая форма соседних объектов, двухмерность их и т. п. Расчеты обычно выполнены аналитически или графически, с использова­ нием двухмерных палеток.

Для условий Криворожья К. Ф. Тяпкиным [19] разработана методика графического учета влияний при аппроксимации сосед­ них масс вертикальными цилиндрическими телами произвольного горизонтального сечения. Им же детально рассмотрены способы определения контуров возмущающих объектов, оценки глубины нижней кромки массивов, определения избыточной плотности их, вопросы оценки точности расчетов.

На Кольском полуострове опробовано два варианта графиче­ ского способа учета влияний: по горизонтальным и вертикальным разрезам, с использованием универсальных палеток Сп и Сп .

70

Графический способ расчета гравитационных влияний по верти­ кальным сечениям соседних масс особенно эффективен при вытя­ нутости их в горизонтальной! направлении. Применение способа иллюстрируется иа рис. 30. Реальные геологические объекты за­ меняются системой прямых горизонтальных цилиндрических тел таким образойг, чтобы в пределах каждого из них были постоян­ ными вертикальное сечение, избыточная плотность и протяжен­

определялось в процессе расчета по профилям), 3 — отрицательные и поло­ жительные аномалии до снятия влия­ нии, 4 — то же, после снятия влияний;

в случае пересечения разрезом самого тела используются кривые

•семейства Сп со значениями Ъ[ и Ь'2, а в случае пересечения продол­ жения тела — со значениями b” и Ь". Соответственно эффект в этих случаях определяется по формулам (39а) и (396). Общий эффект в точке А находится суммированием эффектов от всех ци­ линдрических тел.

На рисунке приведен пример снятия гравитационных влияний

•соседних масс по этому способу в районе Имандра-Варзугской

•структурной зоны. Линейная положительная аномалия, не отра­ жающаяся в поле силы тяжести, прослеживается на схеме остаточ­ ных аномалий после снятия влияний плотных масс, расположен­ ных иа северо-востоке и юго-востоке от нее. Остаточная аномалия

•связывается с локальный! увеличением мощности кристаллических

•сланцев тундровой серии в районе предполагаемого по геологи­ ческим данным регионального надвига [95].

Графический способ учета влияний масс соседних территорий по их горизонтальным сечениям целесообразно применять при

71

вытянутости тел в вертикальном направлении. В этом случае тело заменяется системой вертикальных прямых цилиндров произволь­ ного поперечного сечения с постоянными глубинами верхней и ниж­ ней кромок и постоянными избыточными плотностями. Вычисления ведутся с помощью универсальной палетки С12 или набора палеток К. Ф. Тяпкина [1] с учетом формул (39в) и (39г). На рис. 31 при-

Рпс. 31. Пример снятия гравитационных влиянии плотных масс в рапопе Оленегорской железорудной структуры.

1 — контуры плотных масс соседних территории, аппроксимированных вертикальными цилиндрическими телами со сложными горизонтальными сечениями (zj—0, г2 — глубина залегания нижней кромки, км, а — избы­ точная плотность, г/см3); 2 — отрицательные остаточные аномалии; 3 — положительные остаточные аномалии; 4 — железорудные структуры.

водится пример снятия региональных влияний по этому способу в районе Оленегорской железорудной структуры. Применение этого способа позволило установить, что железорудная структура приурочена к зоне линейно вытянутых градиентов поля силы тя­ жести, тогда как по карте исходного поля такой вывод сделать за­ труднительно.

Универсальные палетки позволяют учитывать гравитационные влияния масс соседних территорий и при интерпретации высших производных потенциала. С этой целью, аналогично вышеизло­ женному, используются палетки C21t 22, С23 и C31j 32. Как и в слу­ чае интерпретации аномалий над основными объектами, погреш­ ность учета гравитационных влияний масс соседних территорий обусловлена в основном схематичностью имеющихся представле-

72

иий о реальной форме массивов и распределении плотности гор­ ных пород.

Пути повышения эффективности интерпретации гравиметри­ ческих материалов заключаются в комплексной и совместной ме­ тодике вычисления аномалий над основными и соседними объек­ тами. Отметим также, что применение способа учета гравитацион­ ных влияний не нарушает эквивалентного распределения масс, не вызывает их «размазывания», характерного для других спосо­ бов разделения аномалий [110]. При этом появляется возможность непосредственного контроля результатов вычислений.

При детальной всесторонней изученности опорных районов задача разделения аномалий и определения регионального фона может быть решена в тех случаях, когда удается исключить влия­ ние верхних нескольких километров земной коры. Для этого, как правило, необходимо проводить учет влияний соседних масс, рельефа дневной поверхности (поправка Байка), рыхлых отложе­ ний, неоднородностей плотности пород и т. д. Локальная остаточ­ ная аномалия должна иаилучшим способом сопоставляться с плот­ ностной моделью, построенной при интерпретации методом под­ бора с привлечением максимума информации о строении района и физических свойствах горных пород. Эффективность разделения аномалий проверяется также сопоставлением выделенного регио­ нального фона с региональным полем, определенным другими спо­ собами, и соответствием характера и амплитуды поля физическим, геологическим и геотектоническим представлениям о строении зем­ ной коры. К опорным районам на Кольском полуострове могут быть отнесены Ковдорский, Кандалакшский, Мончегорский, Оленегорский, Печенгский, а также районы проведения работ по методу ГСЗ и распространения интрузий ультраосновных-щелоч- ных пород [103]. Последние являются особо благоприятными объектами вследствие своей простой формы, большого распростра­ нения на глубину и аномальных физических свойств. Это позво­ ляет использовать интрузии в качестве своеобразных «зондов», с помощью которых возможно изучение не только морфологии мас­ сивов, но и уточнение строения земной коры.

Среди других способов разделения аномалий наибольшее при­ менение в условиях Кольского полуострова нашел метод осред­ нения поля круговой или квадратной палеткой. Однако практи­ ческая его ценность полностью зависит от распределения поверх­ ностных и глубинных масс. В одних районах, где общий характер изменений поля — линейный, он дает хорошие результаты, прак­ тически одинаковые при радиусе осреднения 20 км и более. В дру­ гих районах при малых радиусах наблюдаются значительные ис­ кажения, исчезающие только при Л =40-^80 км. Использование большого радиуса также приводит к искажениям вследствие вклю­ чения в область осреднения гравитационных эффектов масс, со­ седних территорий.

73

На рис. 32 представлены графики корреляционных зависимо­ стей амплитуды средних значений исходного и осредненного поля силы тяжести Кольского полуострова (редукция Буге, плотность промежуточного слоя 2.67 г/см3), определенных по сетке 20x20 км. Осреднение исходного поля проведено квадратными палетками различных размеров. Сторона квадрата приведена к радиусу ос­ реднения соответствующей круговой палетки. Из рисунка сле­ дует, что с увеличением радиуса осреднения корреляционные гра­ фики значительно отклоняются от биссектрисы координатного угла, при этом увеличивается разброс точек и осредняющая ли­ ния отклоняется от прямой.

Построенные на основании этих данных кривые зависимости амплитуды осредненного поля и разности значений исходного и осредненного поля от радиуса осреднения ие имеют асимптоти­ ческой части даже при больших радиусах, соизмеримых с раз­ мерами всей территории. Если еще учесть, что из анализа регио­ нального поля исключена значительная часть прибрежной части полуострова, то можно сделать заключение, что изотропное осред­ нение дает лишь схематическое представление о характере регио­ нальной составляющей гравитационного поля, в полном соответ­ ствии с теоретическими выводами [8]. Поэтому анализ изотропно осредненного поля должен проводиться в комплексе с другими ма­ териалами и результатами других способов. Причина малой эф­ фективности способа заключается в резкой анизотропии гравита­ ционного поля Кольского полуострова, обусловленной протяжен­ ными структурами Имандра-Варзугского грабеи-сииклииория, Монче- и Чунатундры и других комплексов пород. Аналогичная картина наблюдается и на территории всей Феппоскандии, где полосовые гравитационные аномалии во всех редукциях связаны ■с глыбовым строением земной коры [107].

Мозаичная, анизотропная структура земной коры, определяю­ щая морфологию аномальных физических полей региона, хорошо коррелирующихся на значительные расстояния, позволяет утвер­ ждать, что более эффективными в этих условиях могут оказаться различные анизотропные преобразования поля, в комплексе с де­ тальным анализом строения коры и интерпретацией физических полей. Способ анизотропной трансформации гравитационного поля [8, 108] может быть применен в двух модификациях. В случае резкой зависимости результатов осреднения круговой палеткой от геологического строения района вследствие анизотропии ра­ диуса автокорреляции аномалий над линейно вытянутыми струк­ турами можно уменьшить искажения, если применить вместо кру­ говых или квадратных палеток прямоугольные, ориентируя их длинную сторону ортогонально к простиранию структур. Ранее [101] были предложены также эллиптические палетки для осред­ нения вытянутых аномалий. На рис. 33 приведен пример изотроп­ ного и анизотропного осреднения поля. Характер осредненного

74

поля значительно упростился при использовании анизотропного способа.

Кроме того, использование преобразования, имеющего харак­ тер дифференцирования (трансформация с целью выделения ано­ малий типа «ступень» [108]) позволяет определить характер из­ менения регионального поля. Выбрав оптимальные размеры па­ летки по сопоставлению с результатами других способов, можно проводить экстраполяцию значений фона, уверенно определенных на одном участке, в соседние районы, с учетом выделенных при

анизотропной трансфор­ мации горизонтальных градиентов регионального поля (рис. 34). Азимут положения длинной сто­ роны палеток и их раз­ меры должны выбираться опытным путем в зави-

Рис. 33. Сопоставление ре­ зультатов осреднения поля круговой палеткой (радиусы, осреднения: 1 — 37.5 км, 2 — 75 км) с осредиеиием поля

соб может быть широко применен для оконтуривания блоков и глыб земной коры по линиям максимальных горизонтальных градиентов поля в условиях сложного наложения аиомалий раз­ личной природы [107, 109].

Для локализации аиомалий от близко расположенных объек­ тов и для исключения постоянной или линейной составляющей регионального фона широко применяются также различные пре­ образования аномалий силы тяжести в другие производные гра­ витационного потенциала [1, 4, 8, 20, 49 и др.]. Целесообразность таких операций не может вызывать сомнений, однако различного рода искажения, образование фиктивных аномалий, обусловлен­ ных несовершенством применяемых вычислительных схем и ошиб­ ками исходного поля, в значительной степени тормозят примене­ ние вычислительных методов интерпретации. Накопление опыта

76

интерпретации с использованием универсальных палеток должно стимулировать прогресс в этой области.

Таким образом, из изложенного в предыдущих параграфах следует, что результаты интерпретации гравиметрических ма­ териалов методом подбора плотностных моделей геологического строения земной коры могут быть в значительной мере искажены влиянием различных факторов, связанных с погрешностями реду-

Рис. 34. Пример экстраполяции регионального поля из точки А , где опо надежно определено, в точку В с помощью градиентов поля.

Модуль векторов дана в ответах, направление векторов указывает па ориентировку

цирования и локализации аномалий и выбором избыточных зна­ чений плотности, практически не определяемой в настоящее время для больших объемов горных пород. Как свидетельствует опыт работ на Кольском полуострове, недооценка влияния этих факто­ ров приводит в ряде случаев к резкому снижению эффективности метода. Вместе с тем па эффективность метода подбора существен­ ное влияние оказывают также геолого-геофизические представле­ ния о строении данного района и постулирование физической мо­ дели земной коры. Без критического рассмотрения имеющейся в распоряжении интерпретатора геолого-геофизической информа­ ции невозможно оценить достоверность проведенных построений.

Метод подбора плотностных разрезов на примере использования аномалий силы тяжести

Остановимся на нескольких примерах интерпретации анома­ лий силы тяжести методом подбора плотностных разрезов.

Имандра-Варзугская зона расположена в юго-восточной части Кольского полуострова и протягивается в широтном и северовосточном направлении на сотни километров. Морфологически вона подразделяется на западную, центральную (наиболее широ­

77

кую ее часть с наибольшей мощностью осадков и эффузивных толщ) и восточную. В состав пород зоны обычно включают обра­ зования тундровой серии (гнейсы, сланцы, амфиболиты и др.) н эффузивно-осадочный комплекс пород имандра-варзугской се­ рии (диабазы, мандельштейны, туфы с прослоями кварцитов, кар­ бонатов и др.). В структурном отношении большинство геологов полагает, что имандра-варзугская серия, залегающая несогласно на метаморфических образованиях тундровой серии, слагает асим­ метричный синклинорий или грабен-синклинорий, с крутым се­ верным бортом и пологим падением отдельных эффузивных толщ, к югу. Южное крыло синклинория срезано в результате пологого надвига пород тундровой серии. Существует и другая точка зре­ ния о покровном залегании эффузивов и их незначительной мощ­ ности [95].

Методика интерпретации гравиметрического пересечения зоны заключалась в построении плотностных разрезов на основании имеющихся сведений о геологическом строении, физических по­ лях и свойствах горных пород района. В наблюденную кривую вводились поправки за влияние регионального фона, определен­ ного несколькими способами, а также за влияние плотных масс Терского побережья Кандалакшского залива и части ИмандраВарзугской структурной зоны. Возможная погрешность локали­ зации аномалии за счет недоучета этих влияний, а также за счет аномального вертикального градиента и фактической средней плотности промежуточного слоя оценена для района в +5 мгл. Построение плотностных разрезов выполнено универсальной па­ леткой при постоянных значениях избыточных плотностей. Всего построено четыре варианта разреза, один из которых приведен на рис. 35, а. В результате критического анализа методики ин­ терпретации, имеющихся геологических и геофизических материа­ лов, положенных в основу при построении разрезов, там же при­ водится схема (рис. 35, б), на которой условно показаны досто­ верные и предполагаемые границы. Как видно, достоверными,, т. е. уверенно определяемыми в широком интервале изменений фи­ зических и геологических параметров разреза, являются северный контакт зоны, субгоризонтальная граница плотных пород в рай­ оне предполагаемого надвига в центральной части профиля и часть границы амфиболитов витегубской свиты. Общая мощность зоны может только предполагаться; на разрезе приведена суммар­ ная эффективная мощность эффузивных толщ. Взаимоотношение эффузивных толщ внутри зоны также не может быть установлено вследствие слабой дифференциации пород по плотности и соглас­ ного положения их в разрезе. На схеме не приводится юго-запад­ ная часть разреза, поскольку геологические сведения о строении этого района противоречат характеру поля силы тяжести. Под­ робное описание результатов интерпретации комплексных материа­ лов изложено в работе [95].

78