8.4.1. Комплексный анализ геофизических данных
8.4.3. Геологическая интерпретация комплексных геофизических данных
Цель комплексной интерпретации геофизических данных — достижение однозначности геологического истолкования геофизических данных. При этом различают комплексный анализ и комплексную интерпретацию полей. Под комплексным анализом понимается отработка комплекса различных признаков для решения задач геокартирования и районирования исследуемой площади (или разреза) на несколько классов, а также прогноза перспективных на полезные ископаемые участков. Комплексная интерпретация состоит в построении согласованной по всем полям комплексной физико-геологической модели, т. е. модели с оценками петрофизических свойств, формы и геометрии изучаемых объектов или геосреды. Комплексный анализ, как правило, обеспечивает качественную интерпретацию по оценке природы источников, а комплексная интерпретация — количественную оценку физических и геометрических параметров этих источников. Грани между анализом и интерпретацией часто стираются. Для данных отдельно взятого метода часто используется термин «физико-геологическая интерпретация», включающая установление природы источников аномалий, их количественную оценку и геологическое истолкование.
8.4.1. Комплексный анализ геофизических данных
При комплексном анализе геофизических данных требуется провести разделение площади исследований по комплексу методов, основанных на расчете различных признаков (атрибутов, параметров) полей и отличающихся по геологической природе объектов исследований — классов. В том случае, когда имеется априорная информация о числе классов и о статистических характеристиках признаков для этих классов, т. е. в случае наличия эталонных объектов каждого класса, задача комплексного анализа сводится к распознаванию образов с предварительным обучением на эталонных объектах. Если же число классов неизвестно и нет информации о статистических характеристиках, задача комплексного анализа сводится к задаче классификации (распознавания образов без обучения или с самообучением) на некоторое, заранее неизвестное число однородных (по совокупности признаков) классов. При этом как число классов, так и статистические характеристики признаков оцениваются в процессе обработки исходных данных.
В качестве признаков для геофизических полей используются: статистические (среднее значение, дисперсия, асимметрия, эксцесс); градиентные (горизонтальные градиенты поля, полный градиент, направление полного градиента); корреляционные (интервал корреляции) и спектральные (видимый пространственный период или видимая частота, ширина спектра) измеряемых параметров полей. На эталонных объектах проводится оценка информативности признаков, т. е. способности признака (метода) различать сравниваемые объекты. Такая способность зависит от того, как часто определенные значения признаков поля встречаются у объектов прогнозируемого класса и как широко они распространены за их пределами.
Определение информативности для различных сочетаний комплекса полей и их признаков позволяет найти информативную совокупность признаков (ИСП), т. е. такой набор признаков, который обеспечивает наибольшую надежность решения задачи, например, задачи прогноза. По ИСП можно установить первоочередность изучения территории соответствующими методами прикладной геофизики.
Практически универсальной оценкой информативности как отдельно взятого признака (поля), так и сочетаний (комплекса) признаков (полей) является надежность разделения объектов (γ), определяемая по общим площадям (Sобщ) под гистограммами распределения признака S1 и S2, построенными на эталонных объектах разных классов. В частности, для двух классов γ = 1 – q, где q = Sобщ/(S1 + S2) (см. рис. 8.1). Под признаком можно понимать интенсивность аномалий, которую принято оценивать отношением «аномалия/помеха» (µ) или энергетическим отношением «аномалия/помеха» (ρаl), определяемым по формулам (см. (8.2)):
где Аali — аномальное значение в i-й точке l-го параметра поля (изучаемого признака), проявляющегося m раз. Аномалия считается достоверной, если она в три раза превышает σс более чем на трех точках (m = 3) (правило «трех сигм и трех точек»). Надежность разделения объектов одним из геофизических методов может быть определена через энергетическое отношение (ρаl) с помощью рис. 8.5.
Рис. 8.5. Зависимость надежности обнаружения аномалии γ
от энергетического отношения «аномалия/помеха» ρal
Определив значение ρal для каждого l-го признака (метода в комплексе из L методов), можно рассчитать отношение «аномалия/помеха» по комплексу признаков как их сумму, т. е. 
. Кроме рассмотренных используются другие алгоритмы комплексного анализа геофизических материалов с предварительным обучением на эталонных объектах, основанные на установлении меры сходства (меры аналогии) исследуемых объектов с эталонными. Эти алгоритмы используют методы математической логики, потенциальных функций и теории математических решений и реализуются на персональных компьютерах.
8.4.2. Количественная комплексная интерпретация геофизических данных с помощью регрессионного анализа
Наиболее распространенными в практике количественной комплексной интерпретации являются методы регрессионного анализа. На их основе предложен ряд приемов по оценке глубины залегания фундамента (или другой контактной поверхности) по данным гравиразведки и магниторазведки, сейсморазведки и гравиразведки, сейсморазведки и электроразведки, а также для построения петрофизических моделей по комплексу данных геофизических исследований скважин (ГИС). Эти приемы направлены на установление регрессионных зависимостей, которые строятся по экспериментальным данным.
Решение задачи количественной интерпретации по комплексу геофизических данных проводится обычно при наличии некоторой эталонной области, для которой известны геологические элементы залегания и геофизические поля. Сущность этого метода рассмотрим на примере одномерной связи какого-нибудь геометрического и физического параметра ФГМ (х), например, поперечного удельного электрического сопротивления (Т = hρ), с геологическим параметром (у), например, коэффициентом водопроводности (Тв = Кфh), где h — мощность водоносного пласта над глинистым водоупором; Кф и ρ — его коэффициент фильтрации и удельное электрическое сопротивление. Для выявления связей между двумя группами (х и у), экспериментально полученных на опорных (ключевых) участках параметров, можно воспользоваться теорией корреляционного анализа. Считая распределение между этими параметрами нормальным, для расчета этих связей используется следующая формула корреляционного анализа:
В этих формулах хср, уср и (ху)ср — средние арифметические значения параметров х, у и их произведений; σх, σу — средние квадратические погрешности или отклонения, называемые также стандартом (см. (8.1)), а r — коэффициент корреляции, которым описывается степень близости корреляционной зависимости между х и у, связанных уравнением линейной регрессии: у = а + bх. В нем коэффициенты 
; 
, где хср и уср равны Аср и получаются из (8.1). В приведенном выше примере получается, что Тв = а + bТ.
В случае многомерных связей расчеты коэффициентов корреляции (rух1, rух2 …) и коэффициентов а, b, с … в уравнениях линейной регрессии более сложны. Рассмотрим несколько примеров применения регрессионного анализа. Для оценки глубины залегания фундамента (Hфi) в i-й точке по данным гравиразведки (∆gi) и магниторазведки (Тi) строится линейная регрессия: 
. Коэффициенты регрессии (а0, а1 и а2) вычисляются методом наименьших квадратов при известных значениях Нфi на эталонной области. После нахождения этих коэффициентов можно рассчитать значения Нфi в прогнозируемой области, для которой известны поля ∆g и Т, но не известны глубины залегания.
Примером построения сейсмоэлектрических временнЫх разрезов (СЭВР), при которых используется связь между временем t0, полученным по годографам сейсмического временнОго разреза методом отраженных волн (МОВ), и временем tЗСБ, полученным по данным электромагнитного зондирования методом становления поля в ближней зоне (ЗСБ), является установленная связь 
. Величина а зависит от геологического строения района и колеблется обычно в пределах от 0,5 до 0,8. Совпадение сейсмических и геоэлектрических разрезов по методике СЭВР представляет интерес для прогноза нефтегазоносности.
Множественный регрессионный анализ широко используется для построения петрофизических моделей. В качестве примера приведем зависимость плотности глин (σгл) для месторождений Южного Мангышлака (Казахстан) по данным ГИС методами КС (ρk), нейтронного гамма-каротажа (IНГК) и скорости продольных волн (vp) по акустическому каротажу: 
при коэффициенте множественной корреляции r = 0,75.
Для условий Октябрьского скарново-магнетитового месторождения установлены следующие зависимости: 
, где Kп — коэффициент пористости, vp — скорость продольных волн, ae — магнитная восприимчивость, ρ — удельное электрическое сопротивление.
Для магнитной восприимчивости получено:
χ = –14,82 + 4,0415 – 0,0005vр + 0,2108 lgρ.
Прогноз содержания общего железа (CFe) для этого месторождения через данные ГИС обеспечивается зависимостью:
,
где ДС — диаметр скважины по данным кавернометрии; ГК, КМВ, КС — данные ГИС гамма-методом, методами магнитной восприимчивости и кажущегося сопротивления.
8.4.3. Геологическая интерпретация комплексных геофизических данных
Рассмотрим примеры решения ряда геологических задач геолого-тектонического районирования, полученные в результате выявления закономерностей геологического истолкования геофизических данных Н. Я. Куниным.
8.4.3.1. Оценка морфологии объектов
1. Форма и простирание магнитных, гравитационных и других геофизических аномалий тесно связаны между собой и отражают форму и простирание геологических объектов: складчатых зон, тектонических нарушений и линейных блоков. Изометрические в плане аномалии отображают массивы магматических пород, кольцевые структуры, отдельные рудные тела и т. д. Аномалии полигональной формы отображают блоковые структуры, единая цепочка аномалий — разлом. Чередование линейно вытянутых полос максимумов и минимумов характеризует складчатую систему.
2. Сейсмические и электроразведочные зондирования обладают большей разрешающей способностью при освещении строения горизонтально-слоистых сред (объектов). Среды с углами наклона 25–30° и более рассматриваются как вертикально-слоистые, и для их изучения применяют электроразведочные методы профилирования, гравиразведку, магниторазведку. Опорные сейсмические и электрические границы раздела характеризуют поверхности напластования, размывов и несогласий.
3. Изометричность региональных аномалий свидетельствует либо о дугообразном расположении структурных элементов (примерно вдоль изоаномал), либо о секущем радиальном положении структур по отношению к контурам аномалий (почти перпендикулярно к изоаномалам).
4. Несовпадение местоположения и простирания аномалий по данным различных методов свидетельствует о несовпадении структурных планов фундамента и вышележащих комплексов пород. Структурные планы толщ, к которым приурочены сейсмические и электрические горизонты, оцениваются по их поведению непосредственно, а структуры пород, залегающих глубже, — по гравитационным и магнитным аномалиям. Несовпадение простираний магнитных и гравитационных аномалий говорит о структурных перестройках в глубокозалегающих комплексах пород.
5. Коррелированность геофизических аномалий позволяет оценивать степень унаследованности тектонических структур.
8.4.3.2. Оценка мощности и глубины залегания объектов
1. Интенсивность магнитных и гравитационных аномалий тем выше, чем больше вертикальная мощность геологических объектов.
2. Разрешающая способность сейсмических и электроразведочных методов тем больше, чем больше горизонтальная толщина объектов.
3. Глубина залегания объектов (опорных горизонтов) наиболее точно оценивается по материалам сейсморазведки, которые являются опорными данными для других методов. Данные электроразведки (электромагнитных зондирований) позволяют оценивать глубину залегания опорных горизонтов лишь в благоприятных геологических условиях, когда их мощность превышает 1/3–1/4 глубины залегания.
4. Точная оценка глубин расположения гравитирующих и магнитных масс затруднена из-за интегрального характера полей, однако в благоприятных условиях точность может достигать десятков процентов. Качественно относительную глубину залегания аномалообразующих масс однотипных гравитационных и магнитных аномалий можно оценивать по величине максимального горизонтального градиента ∆g и Т, по преобладанию низких частот в спектре аномалий от более глубинных объектов, по изменению интервала корреляции аномалий (чем глубже объект, тем больше интервал корреляции).
8.4.3.3. Оценка вещественного состава
1. Отображение в геофизических полях тем контрастнее, чем больше геологический объект отличается по физическим свойствам от вмещающих пород. Для контактов в магматических комплексах обычно характерны более резкие границы раздела физических свойств, чем в терригенных, карбонатных и метаморфических толщах. Еще более резкие границы раздела физических свойств наблюдаются на контактах между породами различных комплексов.
2. Оценка вещественного состава пород фундамента и надфундаментного разреза возможна, как правило, при изучении пластовых и граничных скоростей, электрического сопротивления, избыточной плотности и магнитных свойств. По геофизическим данным обычно удается расчленить породы по типам (магматические, метаморфические, хемогенные, осадочные) и выяснить состав магматических комплексов и разрезов осадочных пород.
3. Корреляция магнитных и гравитационных аномалий чаще всего свидетельствует о том, что они обусловлены магматическими породами фундамента или промежуточного структурного этажа.
8.4.3.4. Оценка возраста объектов
1. Характер взаимного положения сейсмических и электрических горизонтов при неопрокинутом их залегании позволяет оценивать возраст как функцию глубины этих горизонтов.
2. Относительная оценка возраста источников гравитационных и магнитных аномалий происходит следующим образом: а) из двух пересекающихся систем аномалий моложе та, которая прослеживается непрерывно; б) линейные аномалии, окаймляющие область мозаичных (а также изометрических) аномалий или рассекающие эту область, более молодые; в) по палеомагнитным данным при сопоставлении с уверенно датируемыми объектами, отличающимися специфическим характером полей; г) по изменению угла наклона вектора намагничения; д) при использовании гипотезы Г. И. Каратаева о соответствии относительного уменьшения значений региональных аномалий силы тяжести и магнитных аномалий более молодым структурам и относительного увеличения интенсивности аномалий при переходе от молодых структур к более древним.
3. Интрузии различных районов неодинаковы по своим геофизическим признакам из-за принадлежности к различным фазам магматических циклов. Для единых магматических комплексов характерны постепенное понижение плотности и магнитной восприимчивости пород и повышение радиоактивности от более ранних к более поздним разностям, что позволяет оценить относительный возраст интрузивных образований.
Указанные выше положения не конкретизируют природу той или иной аномалии. Для геологической интерпретации аномалий в пространстве и времени необходимо: 1) изучение физических свойств пород; 2) сопоставление с аномалиями, установленными другими методами; 3) использование различных способов распознавания образов и количественных методов интерпретации, углубленное изучение геологического строения близлежащих районов. Лишь такой комплексный подход к геологическому истолкованию геофизических данных приводит к успешному решению задачи.