На правах рукописи

Середкин Антон Борисович

АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВЫХ МОДЕЛЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПО

АРХИВНЫМ ДАННЫМ АЭРОМАГНИТНЫХ СЪЕМОК

Специальность 25.00.35 – геоинформатика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Иркутск – 2011

Работа выполнена на кафедре технологий геологической разведки в Иркутском государственном техническом университете (ИрГТУ), г. Иркутск

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Давыденко Александр Юрьевич ИрГТУ, г. Иркутск

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Долгаль Александр Сергеевич Горный институт УрО РАН, г. Пермь кандидат геолого-минералогических наук Турутанов Евгений Хрисанфович ИЗК СО РАН, г. Иркутск

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский геологический институт имени А.П. Карпинского»

(ФГУП «ВСЕГЕИ»), г. Санкт-Петербург

Защита состоится 29 сентября 2011 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.073.01 при Иркутском государственном техническом университете по адресу: 664074, г.Иркутск, ул. Лермонтова, 83, ауд. Е-301. Тел./факс: 8(3952)405-112, e-mail: [email protected]; [email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Иркутского государственного технического университета, г. Иркутск, ул. Лермонтова, Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по указанному адресу ученому секретарю совета Мальцевой Галине Дмитриевне, e-mail: [email protected]; тел. 8(3952)405

Автореферат разослан «» августа 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат геолого-минералогических наук Мальцева Г.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность Поскольку поиски месторождений полезных ископаемых приходится вести в сложных геологических условиях и на больших глубинах, зачастую лишь комплексное применение нескольких геофизических методов может дать достаточный материал для правильного геологического заключения.

В связи с этим большое значение имеет возможность привлечения архивных материалов, ранее проведенных на изучаемых территориях аэромагнитных исследований. Подобные материалы имеют значительный потенциал для решения поисковых и картировочных задач благодаря тому, что этот сравнительно недорогостоящий способ получения информации о магнитном поле применялся в массовом порядке в качестве основы для геологического картирования масштабов 1:200000, 1: 50000 и поисков полезных ископаемых.

Государственные геологические фонды, а также архивы различных геологоразведочных предприятий хранят большое количество материалов аэромагнитных исследований, датируемых серединой – концом прошлого века. Аэромагнитными съемками этого периода покрыта практически вся территория современной России. Накопленные материалы определенно представляют ценность как источник информации, позволяющий уточнить геолого-геофизическую характеристику исследуемых районов.

Поскольку архивные материалы аэромагнитных исследований прошлого века по большей части представлены на бумажных носителях, а современные методы анализа и интерпретации геофизических данных уже не могут быть реализованы вне рамок компьютерных технологий, остро встает вопрос о необходимости обработки подобных материалов с целью преобразования их в цифровые форматы, принятые в современной компьютерной геофизической картографии.

В общем случае процесс обработки архивных материалов подразделяется на три основных этапа: оцифровку бумажных носителей, конвертирование результатов оцифровки в требуемые форматы данных и математическую обработку данных с целью устранения возникающих погрешностей.

Современный рынок программного обеспечения предлагает довольно широкий спектр программных продуктов в сегменте оцифровки картографической информации. В то же время в сегменте конвертирования наблюдается явный недостаток специализированных программных средств, а алгоритмы, предлагаемые программами математической обработки данных, не всегда дают приемлемые результаты при обработке данных архивных материалов аэромагнитных съемок.

Актуальность работы заключается в практической необходимости разработки унифицированной методики обработки основных типов архивных материалов аэромагнитных съемок. Создании на основе методики алгоритмического и программного обеспечения для получения цифровых моделей магнитного поля. Полученные модели должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к ним современными стандартами компьютерного картографирования, а также обеспечивать дальнейшее проведение анализа и интерпретации структуры магнитного поля.

В теоретическом отношении тема работ соответствует приоритетному направлению, утвержденному Президиумом РАН: «Разработка новых методологий, технологий, технических средств и аналитических методов исследований поверхности и недр Земли, ее гидросферы и атмосферы»

(постановление № 233 от 01.07.2003г.).

Цели и задачи Целью работы является разработка технологии компьютерного картографирования для построения цифровых моделей магнитных полей по архивным данным аэромагнитных исследований.

Для достижения поставленной цели определены и решены следующие задачи:

• выявление особенностей представления основных видов архивных материалов аэромагнитных исследований;

• определение причин возникновения дефектов карт магнитного поля, характерных для архивных материалов аэромагнитных исследований;

• разработка методики оцифровки, преобразования и обработки аэромагнитных данных;

• разработка алгоритмического и программного обеспечения в соответствии с методикой оцифровки, преобразования и обработки аэромагнитных данных;

• оценка эффективности применения методики и разработанного алгоритмического и программного обеспечения на фактических архивных материалах аэромагнитных съемок территории Рудногорской Фактический материал и методика исследований Для проведения работ привлекались материалы аэромагнитных съемок территории Иркутской области, хранящиеся в архивах ФГУНПГП «Иркутскгеофизика», в том числе архивные материалы аэромагнитных съемок территории Рудногорской площади: ленты магнитограмм, полученные по результатам аэромагнитной съемки масштаба 1:50000, проведенной в 1976-77 гг. Ленской геофизической партией (Ростова Л.С., Тельнов А.К.); карта графиков аномального магнитного поля СССР, представленная листами O-48-XXVI, O-48-XXVII, масштаб 1:200000, 1967г.;

карта изолиний аномального магнитного поля СССР, представленная листами O-48-XX, O-48-XXI, O-48-XXVI, O-48-XXVII масштаб 1:200000, 1967г.

Геологическая характеристика территории Рудногорской площади производилась с привлечением геологической карты Рудногорской площади масштаба 1:200000, структурной карты поверхности кристаллического фундамента южной части Сибирской платформы масштаба 1:1000000, проекта на выполнение работ по объекту «Комплексные региональные геофизические работы на Рудногорской площади» и отчета о результатах работ по объекту «Комплексные региональные геофизические работы на Рудногорской площади за 2007 – 2010 гг.».

Для решения сформулированных задач привлечены методы пространственного и регрессионного анализа данных. Разработка алгоритмического и программного обеспечения проводилась в среде ускоренной разработки программ (RAD) Borland Delphi 2006 (корпорация Borland). Оценка эффективности работы разработанного алгоритмического и программного обеспечения осуществлялась на основе сравнительного анализа результативных моделей магнитного поля с моделями, полученными по результатам работы алгоритмов, предоставляемых апробированными комплексами обработки и анализа пространственно распределенных данных Oasis montaj (Geosoft Incorporated), Surfer (Golden Software) и «Коскад – 3D»

(Российский Государственный Геологоразведочный Университет).

Научная новизна работы Создана унифицированная технология обработки основных типов архивных материалов аэромагнитных съемок, позволяющая осуществлять их преобразование в цифровые форматы, принятые в современном компьютерном картографировании.

В основу технологии положены новые алгоритмические решения для компьютерного картографирования при построении цифровых моделей магнитного поля по архивным материалам аэромагнитных съемок. К таким решениям относятся:

алгоритмы преобразования карт графиков для пересчета амплитуд графиков в значения магнитного поля с пространственной привязкой;

алгоритмы преобразования магнитограмм, позволяющие эффективно устранять участки разрывов графиков магнитного поля, обусловленные достижением пера аналогового графопостроителя верхней или нижней границы ленты магнитограммы, а также производить плановую увязку магнитограмм на местности посредством их перевода из временной координатной системы в пространственную;

алгоритмы внутренней увязки, минимизирующие погрешности плановой и высотной привязки съемочных маршрутов;

алгоритмы внешней увязки для интеграции аэромагнитных съемок путем пересчета на единую высоту разновысотных съемок и приведения съемок, дифференцированных по уровню нормального магнитного поля, к общему уровню.

Разработанные алгоритмы существенно снижают погрешности, вызванные совместным использованием данных различных полевых партий или съемок разных годов.

Практическое значение и реализация Внедрение разработанного программного обеспечения в производственные процессы различных геологоразведочных предприятий, занимающихся обработкой архивных материалов аэромагнитных съемок, позволяет получать цифровые модели сводного магнитного поля с минимальными картографическими дефектами, обеспечивая тем самым возможность дальнейшего детального анализа структуры магнитного поля.

Пакет прикладных программ «Аэромаг» реализован в качестве самостоятельного программного средства, обеспечивающего полный цикл обработки оцифрованных материалов аэромагнитных исследований.

Геологическая эффективность применения разработанных методики и программного обеспечения подтверждена результатами обработки архивных материалов аэромагнитных исследований территории Рудногорской площади.

Апробация работы и публикации Результаты исследований и основные положения были доложены и обсуждены на следующих конференциях:

Региональная научно-техническая конференция, посвященная 100летнему юбилею профессора, доктора геолого-минералогических наук М.М.

Лаврова (Иркутск, Иркутский Государственный Технический Университет, 2007г.);

Всероссийская научно-техническая конференция «Геонауки», посвященная 145-летнему юбилею со дня рождения профессора В.А.

Обручева и 120-летию геологической деятельности в Сибири (Иркутск, Иркутский Государственный Технический Университет, 2008г.);

XXIII Всероссийская молодежная конференция «Строение литосферы и геодинамика» (Иркутск, Институт земной коры СО РАН, 2009г.);

Вторая Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Геология, поиски и комплексная оценка твердых полезных ископаемых», посвященная 130-летию со дня рождения В.В.

Аршинова (Москва, Всероссийский научно-исследовательский институт минерального сырья им. Н.М. Федоровского, 2009г.);

Всероссийская научно-техническая конференция «Геонауки», посвященная 80-летию факультета геологии, геоинформатики и геоэкологии Иркутского Государственного Технического Университета (Иркутск, Иркутский Государственный Технический Университет, 2010г.).

По теме диссертации опубликовано 6 работ, из них 2 в изданиях, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения.

Текст работы изложен на 130 страницах, содержит 1 таблицу, 45 рисунков и сопровождается библиографическим списком из 95 наименований.

Защищаемые положения Программно–алгоритмические решения, положенные в основу пакета прикладных программ «Аэромаг», позволяющие преобразовывать в цифровые форматы архивные материалы аэромагнитных исследований (карты графиков, ленты магнитограмм).

Алгоритмы внутренней и внешней увязки данных интегрируемых аэромагнитных съемок и их программная реализация в рамках пакета прикладных программ «Аэромаг».

Эффективность технологии преобразования и обработки архивных материалов аэромагнитных исследований, реализованной на основе пакета прикладных программ «Аэромаг», на примере интеграции данных аэромагнитных съемок по территории Рудногорской площади.

Благодарности Благодарность за консультации, методическую помощь, конструктивное руководство и ценные замечания автор выражает своему научному руководителю д.ф.-м.н., проф. А.Ю. Давыденко. Особая благодарность за внимание, помощь и поддержку О.М. Середкиной. Признательность за поддержку, понимание и консультации начальнику партии комплексного анализа данных геоинформационного центра ФГУНПГП «Иркутскгеофизика» к.г.-м.н. С.В. Гаченко. Благодарность коллективу партии комплексного анализа данных геоинформационного центра ФГУНПГП «Иркутскгеофизика» - Л.А. Кольга, Е.В. Хромых, А.А. Макарову за помощь и поддержку при выполнении работы.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее важность и актуальность, сформулирована цель исследований и указаны принципиальные пути ее решения.

Глава 1. Современные возможности цифрового моделирования магнитного поля по архивным материалам В п.1.1. «Современное состояние проблемы обработки архивных материалов аэромагнитных исследований» дана краткая историческая справка об аэромагнитных исследованиях, проводимых на территории СССР во второй половине прошлого века, обоснована актуальность привлечения архивных материалов аэромагнитных съемок на современном этапе геологогеофизических исследований и поднят вопрос о необходимости обработки указанных архивных материалов с целью преобразования их в цифровые форматы, принятые в современной компьютерной картографии.

К настоящему моменту времени в государственных геологических фондах и архивах различных геологоразведочных предприятий хранится большое количество материалов аэромагнитных исследований, датируемых серединой – концом прошлого века и представленных на бумажных носителях. Аэромагнитными съемками этого периода покрыта практически вся территория современной России.

Накопленные материалы определенно представляют ценность, как источник информации, позволяющий уточнить геолого-геофизическую характеристику каких-либо исследуемых районов и, соответственно, нуждаются в переносе с бумажных носителей в современные цифровые форматы с одновременным повышением качества выходных данных.

В п.1.2. «Существующее алгоритмическое и программное обеспечение обработки архивных материалов аэромагнитных съемок» проведена классификация программных продуктов, предлагаемых рынком, для обеспечения основных этапов обработки архивных материалов. Для каждого этапа рассмотрены ведущие представители программного обеспечения.

В общем случае процесс обработки архивных материалов аэромагнитных съемок можно разделить на три основных этапа:

1) Оцифровка, включающая в себя сканирование бумажных носителей, привязку к координатной системе и векторизацию полученных растровых изображений;

2) Конвертирование результатов оцифровки в форматы данных, позволяющие хранить информацию о значениях поля в точках наблюдения и их пространственные координаты;

3) Математическую обработку (увязку) данных с целью устранения погрешностей, возникших, как на этапе аэромагнитной съемки, так и на этапах обработки и картопостроения.

Соответственно этим этапам на три основных вида по своему назначению подразделяется и комплекс используемых для обработки архивной информации программ:

Программы – векторизаторы;

Программы – конверторы;

Программы математической обработки данных.

Из программ – векторизаторов, удовлетворяющих требованиям задач оцифровки архивных материалов аэромагнитных съемок, наибольшее распространение в нашей стране приобрели геоинформационные системы ArcView, MapInfo, Панорама, AutoCAD Map и программы подготовки картографической информации Easy Trace, MapEDIT.

На данный момент времени не существует широко распространенных коммерческих программных средств, позволяющих проводить конвертирование оцифрованных архивных материалов аэромагнитной съемки в современные форматы представления данных. В связи с чем, геолого-геофизические организации, занимающиеся анализом и интерпретацией аэромагнитных данных, вынуждены либо отказываться от использования подобных архивных материалов, либо разрабатывать собственные программные средства или использовать авторские разработки, обеспечивающие процесс конвертирования данных.

В качестве программных продуктов, применяемых для математической обработки (увязки) данных, наибольшее распространение в России приобрели специализированные комплексы обработки и анализа пространственно распределенных данных Oasis montaj (Geosoft Incorporated, Канада) и Surfer. (Golden Software, США). Из российских разработок стоит отметить программу «Коскад – 3D» (Российский Государственный Геологоразведочный Университет).

Применение вышеуказанных программ математической обработки данных с целью устранения погрешностей плановой и высотной привязки (внутренняя увязка), а также для приведения данных различных полевых партий и съемок различных годов к единому уровню (внешняя увязка) не всегда позволяет получить удовлетворительные результаты своей работы.

Предлагаемая Oasis montaj (модуль montaj Geophysics Levelling) технология ввода поправок за систематические ошибки и увязки профильных данных на основе секущих опорных маршрутов хорошо зарекомендовала себя применительно к материалам современных аэромагнитных съемок, произведенных с использованием спутниковой навигации и достаточно высокой плотностью опорных маршрутов. Использование модуля montaj Geophysics Levelling в качестве средства для внутренней увязки архивных данных аэромагнитных исследований прошлого века практически не дает положительных результатов. Объясняется это недостаточной плотностью сети опорных съемочных маршрутов, либо частичным/полным отсутствием данных по этим маршрутам в связи с утерей части архивных материалов, а также низкой точностью плановой и высотной привязки аэромагнитных данных того времени.

Предлагаемые Oasis montaj (модуль montaj MAGMAP Filtering), Surfer и «Коскад-3D» средства внутренней увязки, основывающиеся на фильтрации данных, предполагают применение тех или иных цифровых фильтров.

Фильтрация данных влечет за собой потерю части полезного сигнала, чьи частоты аналогичны частотам погрешностей, что приводит к сглаживанию, искажению, либо полному исчезновению локальных аномалий магнитного поля, при этом определенная часть погрешностей, не попавших в полосу фильтра, неизбежно пропускается.

Для внешней увязки архивных материалов аэромагнитных исследований, в качестве инструмента приведения к единому уровню разновысотных съемок, достаточно эффективно зарекомендовали себя алгоритмы аналитического продолжения поля в верхнее и нижнее полупространство, предоставляемые модулями фильтрации программ Oasis montaj и «Коскад – 3D», и позволяющие пересчитать магнитное поле на требуемую высоту относительно плоскости измерения.

Для плановой увязки результатов различных съемок наиболее эффективным является применение инструментов, предоставляемых Oasis montaj и Surfer. Эти инструменты имеют схожий принцип работы, заключающийся в обработке данных области наложения увязываемых фрагментов (область наложения данных различных полевых партий или съемок различных годов) для осуществления плавного перехода от одной регулярной сети к другой.

Существенный недостаток применения указанных средств внешней увязки для обработки архивных материалов – отсутствие алгоритмов автоматического расчета, как для разницы высот проведения съемок, так и для разности между общими уровнями полей увязываемых фрагментов, обусловленной временными изменениями в магнитном поле (уровень нормального поля) и различными характеристиками применяемой аппаратуры. Это в случае, если информация о подобных особенностях используемых материалов отсутствует в архивах, делает затруднительным совместное использование результатов нескольких аэромагнитных съемок и зачастую приводит к недоучету поправок за высоту съемки и общий уровень полей.

В п.1.3. «Выводы» по результатам 1 главы сформулированы следующие задачи для обеспечения процесса обработки архивных материалов аэромагнитных исследований с целью построения цифровых моделей магнитных полей:

1. Разработать универсальную методику оцифровки, конвертирования и устранения погрешностей для архивных материалов аэромагнитных исследований;

2. В соответствии с методикой разработать алгоритмическое и программное обеспечение для конвертирования оцифрованных материалов и устранения погрешностей внутренней и внешней увязки аэромагнитных данных.

Глава 2. Алгоритмическое и программное обеспечение обработки архивных материалов аэромагнитных исследований В п.2.1. «Обоснование методики обработки данных аэромагнитных съемок» проведен анализ основных типов архивных материалов аэромагнитных исследований. По результатам анализа обоснована универсальная методика обработки этих материалов для построения цифровых моделей магнитного поля.

Архивные материалы аэромагнитных съемок подразделяются на три основных типа по способу графического отображения: карты изолиний, карты графиков и ленты магнитограмм со схемами ориентиров или бортовыми журналами.

Анализ особенностей представления данных магнитного поля для различных типов архивных материалов аэромагнитных съемок позволил создать универсальную методику обработки таких материалов для построения цифровых моделей магнитного поля.

Согласно методике процесс обработки архивных материалов аэромагнитных съемок подразделяется на четыре основных этапа:

2. Конвертирование;

3. Внутренняя увязка;

Оцифровка производится исходя из особенностей представления того или иного типа архивных материалов.

Процессу конвертирования подвергаются архивные материалы аэромагнитных съемок, представленные картами графиков и лентами магнитограмм со схемами ориентиров. При конвертировании карт графиков расчеты значений магнитного поля производятся исходя из амплитуд графиков магнитного поля. В процессе обработки лент магнитограмм проводятся вертикальная увязка, позволяющая устранить участки разрывов графиков магнитного поля, и плановая увязка, обеспечивающая пространственную привязку значений магнитного поля на местности.

В процессе внутренней увязки производится устранение погрешностей плановой и высотной привязки съемочных маршрутов.

Процесс внешней увязки подразделяется на два основных этапа:

1. Приведение разновысотных съемок к единому уровню.

2. Приведение дифференцированных по уровню нормального магнитного поля съемок к общему уровню.

В п.2.2. «Техническая и программная реализация пакета прикладных программ» обосновывается выбор системы программирования, приводится математическое обеспечение обработки архивных материалов, дается описание основных модулей разработанного пакета прикладных программ.

Пакет прикладных программ для обработки архивных материалов аэромагнитных полей «Аэромаг» представляет собой самостоятельный программный продукт, разработанный в среде ускоренной разработки программ (RAD) Borland Delphi 2006 корпорации Borland.

«Аэромаг» построен по модульному принципу. Он включает в себя три модуля, позволяющих решать комплекс задач, соответствующих определенному этапу разработанной методики: модуль преобразования архивных данных аэромагнитных съемок в цифровой формат, модуль внутренней увязки и модуль внешней увязки.

На вход всех модулей подаются данные, записанные в файлы формата DAT. Результаты работы также сохраняются в файлы формата DAT.

Модуль преобразования архивных данных аэромагнитных съемок в цифровой формат содержит набор процедур, позволяющих осуществлять расчет значений магнитного поля для карт графиков, а также вертикальную и плановую увязку для лент магнитограмм со схемами ориентиров.

Модуль внутренней увязки содержит набор процедур, позволяющих осуществлять построение опорных секущих профилей, расчет статистик на секущих профилях для каждого маршрута, анализ полученных статистик и вычисление поправок, ввод поправок в наблюдения.

Модуль внешней увязки содержит набор процедур, позволяющих осуществлять аналитическое продолжение поля в верхнее или нижнее полупространство с одновременным поиском оптимальной высоты пересчета, обеспечивая тем самым приведение разновысотных съемок к единому уровню. Критериями оценки эффективности нахождения оптимальной высоты пересчета магнитного поля увязываемых участков выступают критерий Манна-Уитни и коэффициент корреляции, найденные между обрабатываемыми аэромагнитными съемками в области их наложения. Кроме того, в модуль заложены процедуры построения уровенных поверхностей увязываемых участков и расчета разностей между ними, эти процедуры обеспечивают приведение дифференцированных по уровню нормального магнитного поля съемок к общему для них уровню.

В п.2.3. «Выводы» по результатам 2 главы в качестве защищаемых положений выдвинуты:

1. Программно–алгоритмические решения, положенные в основу пакета прикладных программ «Аэромаг», позволяющие преобразовывать в цифровые форматы архивные материалы аэромагнитных исследований (карты графиков, ленты магнитограмм);

2. Алгоритмы внутренней и внешней увязки данных интегрируемых аэромагнитных съемок и их программная реализация в рамках пакета прикладных программ «Аэромаг».

Глава 3. Тестирование технологии построения цифровых моделей по архивным данным на материалах Рудногорской площади Предпосылками выбора Рудногорской площади для тестирования технологии построения цифровых моделей по архивным данным послужило следующее:

территория площади покрыта большим количеством аэромагнитных съемок разных лет, результаты съемок представлены различными типами архивных материалов;

в соответствии с Государственным контрактом, в рамках комплексных региональных геофизических работ, проводимых ФГУНПГП «Иркутскгеофизика» в 2007-2010 г.г. на Рудногорской площади с целью изучения геологического строения и перспектив нефтегазоносности зоны сочленения Присаяно-Енисейской синеклизы и Непско-Ботуобинской антеклизы, выявления структур и зон, перспективных на нефть и газ, осуществлялась переобработка архивных материалов аэромагнитных съемок территории.

В п.3.1. «Геологическая характеристика» приводится общая геологическая характеристика Рудногорской площади, включая стратиграфию, магматизм и тектонику территории.

В целом необходимо отметить, что особенности проявления и геометрии магматических образований, распространенных на территории Рудногорской площади, находят свое отражение в магнитном поле, что обуславливается значительным содержанием в них Fe и, как следствие, высокой магнитной восприимчивостью и остаточной намагниченностью горных пород, представляющих эти образования.

Тектонические нарушения проявляются в магнитном поле в виде линейно вытянутых аномалий и зон высоких градиентов.

В п.3.2. «Характеристика магнитного поля по данным аэросъемок»

составлена аэромагнитная изученность Рудногорской площади, по карте изолиний аномального магнитного поля СССР масштаба 1:200000, 1967г.

проведен анализ особенностей магнитного поля территории.

Территория площади покрыта большим количеством разномасштабных аэромагнитных съемок, масштаб варьируется от 1:1000000 до 1:25000, проведенных в 1948 – 1976 гг. различными аэрогеофизическими партиями.

Магнитное поле Рудногорской площади характеризуется полосовыми аномалиями, отражающими зоны региональных глубинных разломов, аномалии более высоких порядков, которыми осложнено поле, отражают более молодые тектонические процессы, в том числе трапповый вулканизм.

С этими процессами связывают проявление вулканических трубок взрыва. В магнитном поле трубки взрыва отражаются интенсивными высокоамплитудными локальными аномалиями, к которым приурочены железорудные месторождения.

В магнитном поле территории по полосовым аномалиям картируются Каймоново-Кутская зона регионального глубинного разлома, Илимский, Тангуйский региональные глубинные разломы, а также глубинные разломы субширотного и северо-западного простираний, не имеющие названий. По линейным аномалиям более высокого порядка частично прослеживается Литвинцевский разлом.

Выделяется локальные аномалии от трубок взрыва, с приуроченными к ним железорудными месторождениями «Рудногорское», «Читорминское»

«Татьянинское» и «Пасмурное».

Разломы, выделенные по результатам анализа карты изолиний аномального магнитного поля СССР, совпадают с разломами, вынесенными на структурную карту поверхности кристаллического фундамента южной части Сибирской платформы (Александров В.К.).

В п.3.3. «Эффективность алгоритмов преобразования архивных данных аэромагнитных съемок» дано обоснование эффективности использования разработанного алгоритмического и программного обеспечения конвертирования архивных материалов аэромагнитных съемок, представленных картами графиков и лентами магнитограмм со схемами ориентиров в форматы, принятые в современном компьютерном картографировании.

Заложенные в программный пакет алгоритмы преобразования карт графиков позволяют осуществлять пересчет амплитуд графиков в значения магнитного поля с пространственной привязкой.

Заложенные в программный пакет алгоритмы преобразования магнитограмм позволяют устранять участки разрывов графиков магнитного поля, обусловленные достижением пера аналогового графопостроителя верхней или нижней границы ленты магнитограммы, а также производить плановую увязку магнитограмм на местности посредством их перевода из временной координатной системы в пространственную. Применение алгоритмов обеспечивает дальнейшее использование первичных (аппаратурных) данных аэромагнитных съемок, что позволяет повысить информативность полученных результатов.

Применение разработанного программного пакета позволяет полностью автоматизировать процесс преобразования архивных материалов аэромагнитных съемок, что значительно сокращает время, необходимое обработчику на получение данных магнитного поля, пригодных для дальнейшего использования с применением компьютерных технологий, при этом исключаются погрешности, возникающие в процессе ручной обработки материалов.

Полученные в результате конвертирования данные сохраняются в файл формата DAT, что обеспечивает совместимость с различными специализированными программными комплексами.

В п.3.4. «Математическая эффективность алгоритмов увязки аэромагнитных данных» проведен совместный анализ моделей магнитного поля Рудногорской площади, полученных по результатам работы пакета прикладных программ «Аэромаг», с аналогичными моделями магнитного поля, полученными с помощью инструментов внутренней и внешней увязки специализированных комплексов обработки и анализа пространственно распределенных данных Oasis montaj, Surfer и «Коскад – 3 D». Дано обоснование эффективности использования разработанного алгоритмического и программного обеспечения внутренней и внешней увязок архивных материалов аэромагнитных съемок.

Путем расчета уровня статистической значимости критерия МаннаУитни (U-test) и коэффициента корреляции (KK) между результативными моделями и государственной картой изолиний аномального магнитного поля СССР, либо, между результативными и эталонными моделями (в случае увязки разновысотных съемок), произведена численная оценка эффективности работы различных средств внутренней и внешней увязки.

Предлагаемые Oasis montaj, Surfer и «Коскад – 3 D» алгоритмы внутренней увязки, как правило, основываются на фильтрации данных и предполагают применение тех или иных цифровых фильтров, недостатки применения которых изложены в главе 1.

В отличие от цифровых фильтров, разработанные для внутренней увязки алгоритмы базируются на сборе статистической информации о магнитном поле по синтезированным секущим маршрутам. Такой подход позволяет устранить влияние погрешностей, вызванных неточностью плановой и высотной привязки съемочных маршрутов, без внесения значительных искажений в исходное поле, при этом сводится к минимуму потеря полезной информации, неизбежная при применении различных алгоритмов фильтрации.

Сравнительный анализ работы различных алгоритмов внутренней увязки представлен на рисунке 1.

Для оценки эффективности работы алгоритмов внешней увязки, наряду с разработанным программным обеспечением, использовались программные продукты Oasis montaj и Surfer.

Процесс увязки разновысотных аэромагнитных съемок в разработанном пакете прикладных программ «Аэромаг» так же, как и в Oasis montaj базируется на алгоритмах аналитического продолжения поля в верхнее/нижнее полупространство. Таким образом, в силу схожести принципов действия указанных алгоритмов, наблюдается практически полная идентичность результативных моделей магнитного поля, полученных с применением этих программных средств (Рис.2.в, г).

Основным недостатком алгоритмов увязки разновысотных аэромагнитных съемок, предоставляемых Oasis montaj, является отсутствие инструментов анализа, позволяющих установить необходимую для увязки высоту пересчета поля в верхнее или нижнее полупространство, что, учитывая специфику архивных материалов, зачастую требуется в связи с отсутствием подобной информации.

В отличие от Oasis montaj, разработанный пакет прикладных программ «Аэромаг» имеет подобные инструменты анализа и позволяет производить качественную увязку разновысотных аэромагнитных съемок даже в случае, когда информация о высоте проведения съемки одной или более увязываемых съемочных площадей неизвестна (Рис. 2.г).

Программный продукт Surfer не предоставляет инструментов, обеспечивающих процесс увязки разновысотных аэромагнитных съемок.

Предлагаемые Oasis montaj и Surfer алгоритмы приведения дифференцированных по уровню нормального магнитного поля съемок к общему уровню имеют схожий принцип работы. Он заключается в обработке данных области наложения увязываемых фрагментов (область наложения данных различных полевых партий или съемок различных годов) для осуществления плавного перехода между ними. Поправка за разность уровней нормального магнитного поля увязываемых съемочных участков вносится в исходные данные путем ввода с клавиатуры.

Рис.1. Результаты внутренней увязки а – полосовой фильтр (U-test – 0.088, KK – 0.8); б – фильтр с косинусным сглаживанием (U-test – 0.645, КК – 0.97); в – направленный фильтр с косинусным сглаживанием (U-test – 0.597, КК – 0.83); г – съемка (по архивным данным высота – 300 м); в – разработанные алгоритмы (U-test – 0.863, КК – 0.99) Основной недостаток работы данных алгоритмов заключается в том, что разность в уровнях нормального магнитного поля увязываемых съемок должна быть заранее известна, что, учитывая специфику архивных материалов, не всегда является возможным.

Разность уровней нормального магнитного поля, восстановленная по государственным каталогам, в силу значительной удаленности наблюдательных станций от исследуемой территории несет в себе погрешность определения. Ввод неверных поправок зачастую приводит к искажению магнитного поля в области наложения съемок (Рис.3.а).

В отличие от методов, предлагаемых Oasis montaj и Surfer, разработанные алгоритмы приведения дифференцированных по уровню нормального магнитного поля съемок к общему уровню позволяют предотвратить возникновение погрешностей, вызванных совместным использованием данных различных полевых партий или съемок разных годов в условиях, когда разность уровней нормального магнитного поля является неизвестной величиной (Рис.3.б). Такой подход обеспечивает получение общего пространства магнитного поля исследуемой территории посредством обработки разновеликого количества фрагментов аэромагнитных съемок и позволяет значительно улучшить качество результативных моделей.

В п. 3.5. «Геологическая эффективность результативных моделей магнитного поля» приведена характеристика использованных архивных материалов аэромагнитных съемок. По результатам интерпретации карты магнитного поля, полученной с применением разработанного алгоритмического и программного обеспечения, проведена оценка ее геологической эффективности.

В целях обработки данных аэромагнитных съемок, проведенных в пределах территории Рудногорской площади, отобран, восстановлен и оцифрован архивный материал, включающий в себя полевые магнитограммы, бортжурналы со схемами съемочных маршрутов и ориентиров съемки масштаба 1:50000, карты графиков масштаба 1:200000 и карты изолиний магнитного поля масштаба 1:200000.

Наибольшей информативностью среди всего использованного материала обладают полевые магнитограммы. Это обуславливается тем, что данные магнитного поля записываются графопостроителем прибора непосредственно на ленту магнитограммы, не подвергаясь какой-либо обработке в процессе записи, и являются истинными значениями показаний магнитометра.

Рис.3. Результаты увязки съемок дифференцированных по уровню нормального магнитного поля а – Oasis montaj (U-test – 0.0018, KK – 0.79); б – разработанные алгоритмы (Utest – 0.89, KK – 0.98) Применение разработанного алгоритмического и программного обеспечения обработки архивных материалов аэромагнитных исследований позволило привлечь в качестве исходных данных полевые магнитограммы съемки масштаба 1:50000. Это привело к увеличению детальности полученной в результате обработки карты магнитного поля по сравнению с уже имеющейся картой изолиний аномального магнитного поля СССР масшатаба 1:200000, 1967г. и, как следствие, повышению эффективности геологической интерпретации.

Так же, как и карту изолиний аномального магнитного поля СССР, карту, полученную по результатам обработки архивных материалов аэромагнитных съемок, характеризуют интенсивные полосовые аномалии магнитного поля, связанные с зонами региональных глубинных разломов:

Каймоново-Кутским, Илимским, Тангуйским.

Серия линейных аномалий более высокого порядка, характерных для полученной в результате обработки карты и проявляющихся на карте изолиний аномального магнитного поля СССР только в виде частичных эффектов от Литвинцевского разлома, позволила полностью установить пространственное положение указанного разлома, а также локализовать другие разломы, распространенные на территории площади.

Помимо аномалий от вулканических трубок взрыва с приуроченными к ним железорудными месторождениями «Рудногорское», «Читорминское», «Пасмурное» и «Татьянинское», имеющих место на карте изолиний аномального магнитного поля СССР, в полученной карте магнитного поля отражается аномалия от вулканической трубки взрыва железорудного месторождения «Ждановское». Кроме того, структура магнитного поля осложнена менее интенсивными локальными аномалиями, вызванными большим количеством рудопроявлений железа на территории площади.

Интерпретационная схема, составленная на основании анализа магнитного поля Рудногорской площади (Рис.4.), подтверждает результаты совместной интерпретации данных сейсморазведки, гравиметрии, цифровой модели рельефа и дистанционного зондирования Земли (Рис.5.). Этот факт позволяет утверждать о геологической эффективности использования данных магнитного поля Земли, полученных в результате обработки архивных материалов аэромагнитных съемок в разработанном пакете прикладных программ «Аэромаг».

В п.3.6. «Выводы» по результатам 3 главы в качестве защищаемого положения выдвинута:

3. Эффективность технологии преобразования и обработки архивных материалов аэромагнитных исследований, реализованной на основе пакета прикладных программ «Аэромаг», на примере интеграции данных аэромагнитных съемок по территории Рудногорской площади.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Рассмотрено современное состояние проблемы обработки архивных материалов аэромагнитных съемок, в рамках которой дана краткая историческая справка по аэромагнитным исследованиям, проводившимся на территории СССР, а впоследствии и России, осуществлен анализ основных типов архивных материалов и существующего для их обработки алгоритмического и программного обеспечения.

На основании анализа различных типов архивных материалов аэромагнитных съемок создана универсальная методика их обработки с целью получения данных пригодных для дальнейшего цифрового моделирования.

Рис. 4. Интерпретационная схема магнитного поля Рудногорской площади 1 – оси региональных глубинных разломов; 2 – оси разломов второго порядка; 3 – зоны региональных глубинных разломов; 4 – вулканические трубки взрыва с приуроченными к ним железорудными месторождениями; Рис. 5. Обобщенная структурно-тектоническая схема Рудногорской площади 1 – зоны глубинных разломов первого порядка; 2 – оси глубинных разломов первого порядка; 3 – оси глубинных разломов второго порядка; 4 – оси разломов третьего порядка; 5 – оси разломов четвертого порядка; 6 – Литвинцевский вал; 7 – оси соляных складок Непского типа; 8 – оси соляных складок Илимо-Катангского типа; 9 – линии сейсморазведочных профилей;

10 – Катангский блок фундамента; 11 – Зыряновский блок фундамента; 12 – Ленско-Непский блок фундамента; 13 – железорудные трубки взрыва; 14 – В соответствии с предложенной методикой разработаны и реализованы (пакет прикладных программ «Аэромаг») новые алгоритмические решения для компьютерного картографирования при построении цифровых моделей магнитного поля по архивным материалам аэромагнитных съемок.

Функциональные возможности пакета прикладных программ «Аэромаг»

позволяют решать следующие задачи:

1. преобразование архивных материалов аэромагнитных съемок в цифровые форматы, применяемые в современной компьютерной картографии;

2. устранение погрешностей плановой и высотной привязки съемочных маршрутов (внутренняя увязка);

3. приведение данных различных полевых партий и съемок различных годов к единому уровню (внешняя увязка).

Тем самым, применение «Аэромаг» позволяет производить обработку архивных материалов аэромагнитных съемок на этапах конвертирования и увязки данных, и с минимальными потерями полезной информации, получать цифровые модели магнитного поля, практически избавленные от картографических дефектов, что повышает эффективность их дальнейшего анализа и интерпретации.

Эффективность применения технологии преобразования и обработки архивных материалов аэромагнитных исследований, реализованной на основе пакета прикладных программ «Аэромаг», доказана на примере Рудногорской площади.

Внедрение разработанного программного обеспечения в производственные процессы различных геологоразведочных предприятий, занимающихся обработкой архивных материалов аэромагнитных съемок, позволяет получать цифровые модели сводного магнитного поля с минимальными картографическими дефектами, тем самым, обеспечивая возможность дальнейшего детального анализа структуры магнитного поля.

Пакет прикладных программ «Аэромаг» 16 июня 2011г. успешно внедрен в производственный процесс геоинформационного центра ФГУНПГП «Иркутскгеофизика» в г. Иркутск.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В реферируемых журналах, рекомендованных перечнем ВАК РФ:

1. Середкин А.Б. Алгоритмическое и программное обеспечение для преобразования архивных данных аэромагнитных полей. // Вестник ИрГТУ №1(37). – Иркутск: ИрГТУ, 2009г. – С. 38 – 42.

2. Середкин А.Б. Алгоритмическое и программное обеспечение для увязки аэромагнитных данных. // «Геоинформатика» № 4. – М:

ВНИИГЕОСИСТЕМ, 2010г. – С. 49 – 53.

В научных рецензируемых изданиях и сборниках трудов:

3. Середкин А.Б. Методика оцифровки и обработки аэромагнитных данных, представленных картами графиков магнитного поля. // Геология, поиски и разведка полезных ископаемых и методы геологических исследований. Сборник избранных трудов региональной научно-технической конференции посвященной 100-летнему юбилею профессора, доктора г.-м.н.

М.М. Лаврова. Выпуск – 7 – Иркутск: ИрГТУ, 2007г. – С. 31 – 33.

4. Середкин А.Б. Методика обработки архивных данных аэромагнитных полей. // Геология, поиски и разведка полезных ископаемых и методы геологических исследований. Материалы Всероссийской научнотехнической конференции «Геонауки» посвященной 145-летнему юбилею со дня рождения профессора В.А. Обручева и 120-летию геологической деятельности в Сибири. Выпуск – 8. – Иркутск: ИрГТУ, 2008г. – С. 44 – 48.

5. Середкин А.Б. Проблемы внутренней и внешней увязки аэрогеофизических данных. // Материалы XXIII Всероссийской молодежной конференции «Строение литосферы и геодинамика». – Иркутск: ИЗК СО РАН, 2009г. – С. 295 – 296.

6. Середкин А.Б. Оценка эффективности работы алгоритмического и программного обеспечения обработки архивных материалов аэромагнитных исследований. // Геология, поиски и разведка полезных ископаемых и методы геологических исследований. Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Геонауки» посвященной 80-летию факультета геологии, геоинформатики и геоэкологии. Выпуск – 10.

– Иркутск: ИрГТУ, 2010г. – С. 46 – 52.