Обработка и интерпретация геофизических данных

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
 
 
Г.М. МИТРОФАНОВ 
 
 
 
 
ОБРАБОТКА  
И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ 
ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ДАННЫХ 
 
 
 
Утверждено  
Редакционно-издательским советом университета  
в качестве учебного пособия 
 
 
2-е издание 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2019 

УДК 550.380.14(075.8) 
         М 672 
 
 
Рецензенты: 
академик РАН, профессор, доктор техн. наук М.И. Эпов 
профессор РАН, доктор физ.-мат. наук А.Л. Карчевский 
 
 
Работа подготовлена на кафедре геофизических систем  
физико-технического факультета для студентов, обучающихся  

по профилю «Интеллектуальные геофизические системы и приборы» 
 
 
 
 
 
 
Митрофанов Г.М.  
М 672 
Обработка и интерпретация геофизических данных : учебное 
пособие / Г.М. Митрофанов. – 2-е изд. – Новосибирск : Изд-во 
НГТУ, 2019. – 168 с.: цв. ил. 

ISBN 978-5-7782-3805-3 

Пособие является базовой частью учебно-методического комплекса по 

дисциплине «Обработка и интерпретация геофизических данных». Оно включает в себя основы указанного курса по трем главным разделам: решаемые  
задачи и получаемые геофизические данные, линейные и нелинейные методы 
обработки, методы интерпретации. Приведены также рекомендации по выполнению расчетно-графических и контрольных работ с указанием возможных тем 
рефератов. В приложениях даны базовые сведения по математическим разделам, наиболее используемым в лекционном материале курса.  Пособие составлено в соответствии с ФГОС ВО и рабочей программой по дисциплине «Обработка и интерпретация геофизических данных». 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 11.04.03 

«Конструирование и технология электронных средств». 
 
УДК 550.380.14(075.8) 
 
 
 
ISBN 978-5-7782-3805-3 
© Митрофанов Г.М., 2017, 2019 
  
© Новосибирский государственный  
 
    технический университет, 2017, 2019 

ВВЕДЕНИЕ 

В пособии содержится общее изложение материалов, рассматриваемых в данном курсе. Его основная цель – объяснить особенности и 
возможности использования современных методов обработки, интерпретации геофизических данных, получаемых при исследовании земных недр. Пособие адресовано студентам старших курсов, обучающимся по новой специальности «Интеллектуальные геофизические 
системы», которая организована на ФТФ НГТУ. Его также можно использовать при подготовке курсовых и квалификационных работ студентами других специальностей, связанных с методами изучения строения и свойств Земли или прикладной математики. 
При разработке курса в его основу были положены три главные 
идеи. 
Первая заключается в том, что обработка геофизических данных 
вырастала из математической физики, численного и статистического 
анализа. Поэтому при его преподавании можно учитывать, что со  
многими важными понятиями, применяемыми при рассмотрении различных методов обработки геофизических материалов, студенты знакомились в базовых курсах, составляющих фундамент общего естественно-научного цикла бакалаврской подготовки специалистов 
физико-технических и физико-математических специальностей. 
Вторая связывает процесс обработки данных с решаемыми задачами. В рассматриваемом предмете данные имеют непосредственное 
отношение к решаемым геофизическим и геологоразведочным задачам. Таким образом, здесь должны присутствовать элементы интерпретации, которые относятся как к исходным данным, получаемым в 
реальном эксперименте, так и к результатам их обработки. Процесс 
интерпретации в геофизических исследованиях опирается на модельные представления об изучаемом объекте и включает в себя понятия 
прямых и обратных задач. Здесь важно, чтобы студенты научились  

понимать, каким образом формализованные модели приближают реальные объекты и как процедуры обработки, построенные в рамках 
таких моделей, влияют на решение целевых задач.  
Третья требует учета специфических особенностей геофизических 
данных. Кроме того, также полагают, что студенты знакомы с основами физических измерений на уровне лабораторных практик. Это позволяет достаточно просто объяснить им измерения естественных и искусственно созданных физических полей в натурном эксперименте. 
Важным представляется демонстрация отличий, которые могут иметь 
измеряемые величины в лабораторных и реальных условиях. Поэтому 
при изучении конкретных методов и алгоритмов обработки большое 
внимание должно быть уделено отличию реального и модельного эксперимента. Акцентирование внимания студентов на подобных вопросах важно и с точки зрения их подготовки как будущих специалистов, 
определяющих набор и последовательность обрабатывающих процедур в реальном процессинге.  
Следует отметить еще один важный момент: традиционное обучение процедурам обработки данных основывается на рассмотрении одноканальных наблюдений. При этом часто многоканальные наблюдения вводятся через формальный переход к многомерным функциям. 
Этот методический прием удобен с математической позиции и используется в большинстве учебников по спектральному анализу, фильтрации и статистической обработке данных. Однако он не отвечает современному геофизическому процессу, где анализ данных и выделение 
целевых сигналов часто основаны на построении многомерных, интерпретационных характеристик среды. Классическими примерами являются: направленное суммирование, миграционные преобразования, 
способы построения скоростной модели среды или поверхностносогласованная деконволюция, где одномерная обратная фильтрация 
играет не главную, а лишь вспомогательную роль. Указанная многоканальность или многомерность обработки геофизических данных, связанная с особенностями получаемых геофизических данных и интерпретационных моделей, является существенным моментом курса.  
В развитие последнего тезиса отметим, что геофизические исследования по сложности задач и объемам анализируемой информации 
относятся к одному из высших уровней познания природы. Не случайно на это обратил внимание выдающийся физик Ричард Фейман, получивший Нобелевскую премию за исследования в области квантовой 
электродинамики. Он ставил геологические науки по сложности изу

чаемых объектов на несколько ступеней выше, чем науки, относящиеся к области элементарных частиц. Современная тенденция в развитии 
геофизики, создававшейся на основах физики в конце XIX и начале 
XX века, указывает на то, что к настоящему времени она подошла к 
проблемам построения собственных моделей, которые по уровню могут быть близки к экономическим и биологическим моделям. Свидетельством того, что геофизические задачи могут способствовать существенному развитию общих методов и технологий, служат обратные 
задачи и вейвлет-преобразования. Появление первых было связано с 
необходимостью определения параметров сложных объектов по ограниченным совокупностям данных, а вторые родились благодаря исследованиям сейсмических сигналов, отраженных от целевых горизонтов 
среды. Таким образом, для студентов, специализирующихся в области 
геофизических исследований, открываются большие перспективы 
творчества, и возможно, что они сыграют значимую роль в развитии 
основ изучения сложно построенных сред. 
В структуре курса выделены три основных блока, которые сформированы на основе указанных выше идей и оформлены в виде отдельных глав.  
В первом блоке (глава 1) дано общее представление об объектах 
геофизических исследований и данных, которые используются при их 
изучении. При этом отмечены характерные особенности объектов исследования и методов получения соответствующих данных. Важный 
аспект для последующей обработки и интерпретации получаемых данных – это понятие выделяемой или полезной компоненты. Ее определение влияет на выбор процедур обработки, но само разделение данных на полезную и мешающую компоненты считается условным. 
Студентам полезно осознавать такую условность, чтобы прийти к пониманию идеи о различии двух типов задач: выделения некоторых 
компонент или сигналов и оценивания их параметров, которые могут 
быть связаны с характеристиками среды. 
Во втором блоке (глава 2) приведены некоторые методы обработки. 
Следует отметить, что в настоящее время имеется значительное число 
пакетов программ, где реализованы различные алгоритмы, позволяющие выполнять анализ и преобразования данных. Часто такие алгоритмы скрыты интерфейсами, позволяющими указывать лишь тип 
преобразования и требуемые параметры. Поэтому, по мнению автора, 
студентам важно понимать смысл этих преобразований и их назначение, а уже конкретную реализацию алгоритмов и ее особенности они 

смогут освоить самостоятельно при работе с определенным программным продуктом. Такая идея позволила автору выделить несколько основных направлений в большом разнообразии существующих методов 
обработки и обсудить их особенности. При знакомстве с этими методами, отвечающими этим направлениям, и их обсуждении автор настоящей работы стремился, чтобы у студентов формировалось достаточно 
важное представление о том, что конкретная реализация может быть 
направлена на определенные свойства данных или решаемые задачи. 
Такая направленность может ограничивать возможности метода и 
должна учитываться при его использовании. 
Третий блок (глава 3) посвящен вопросам интерпретации данных и 
результатов их обработки. Как и в случае с методами обработки, в 
настоящее время имеется большое количество программных интерпретационных комплексов. Поэтому в курсе дается общее представление о 
методах интерпретации, а также их связь с решением обратных задач. 
Последнее позволяет студентам, не имеющим достаточного геологического образования, соотнести понятие интерпретационных моделей с 
задачами оценивания параметров среды. Кроме того, демонстрируется 
важность априорных данных и влияние процедур обработки на результаты интерпретации. 
Основные блоки завершаются несколькими приложениями, куда 
вынесены существенные и полезные математические аспекты, необходимые для понимания методов обработки. Такая структура позволила 
облегчить основной текст пособия для первоначального знакомства с 
предметом. Приложения включают в себя основные понятия метрических, векторных и линейных пространств, служащих фундаментом для 
самых различных преобразований геофизических данных, в частности, 
для современных методов спектрального анализа. Кроме того, в них 
даны главные свойства SVD-разложения, являющегося одним из общих инструментов решения систем линейных уравнений, и представлены основы статистических методов анализа случайных событий. 
Очевидно, что небольшой объем приложений не позволяет обеспечить 
полноту изложения материала. Поэтому в тексте приводятся комментарии к математическим аспектам, которые могут помочь в их восприятии на интуитивном уровне и сформировать желание более глубокого 
изучения соответствующих разделов. 
Являясь специалистом в области сейсмических методов исследования, автор не мог достаточно глубоко познакомить студентов со многими другими областями геофизических исследований. Поэтому  

потребовалась консультация соответствующих специалистов в области 
магниторазведки П.Г. Дядькова и Л.В. Цибизова; в области электроразведки В.М. Глинского и А.А. Власова; в области гравиразведки 
А.Н. Василевского; в области геологической интерпретации геофизических данных Г.О. Ухлову. Им всем большая благодарность за ту помощь, которую они оказали при подготовке этого курса. 
Закончим фразой Ричарда Феймана, которая после небольшого изменения может быть обращена к будущим специалистам геофизикам: 
«Я думаю, что попытки отгадать уравнение, возможно, являются 
наилучшим способом определить законы той части физики, которая 
неизвестна в настоящее время». Однако для таких догадок необходимо 
знать предмет, с которым работаем. Знаний и успехов вам! 
 
 

ГЛАВА 1 

РЕШАЕМЫЕ ЗАДАЧИ И ПОЛУЧАЕМЫЕ 
ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ 

1.1. ОБЪЕКТЫ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ  
ИССЛЕДОВАНИЙ 

Как было сказано во введении, обработка геофизических данных 
может существенно зависеть от объекта исследований, относительно 
которого формулируется геофизическая задача. В идеальной ситуации 
проводимый геофизический эксперимент и получаемые в нем наблюдения должны быть ориентированы на изучаемый объект. Однако одной из существенных особенностей геофизических исследований является именно невозможность точного определения изучаемого объекта 
до проведения натурного эксперимента. Вид объекта и его характеристики находятся в процессе проводимого исследования. Поэтому получаемые данные часто определяются с избытком, а процесс обработки 
носит итерационный характер с существенными моментами использования априорной информации и комплексирования различных методов 
получения информации об объекте. 
Для лучшего понимания особенностей геофизических данных потратим некоторое время, чтобы обсудить следующий важный вопрос: 
Что является основным объектом геофизических исследований? 
Это Земля. Ее структура, свойства ее пород и процессов, в ней протекающих, требуют изучения. Геофизика дает возможность такого исследования посредством измерения и интерпретации количественных 
физических характеристик. Наибольшая информация о внутреннем 
строении Земли, так же как и свойствах пород на больших глубинах, а 
также физических феноменах, которые с Землей связаны или в ней 
протекают, были получены посредством геофизических измерений  

в комплексе со скважинными данными. При этом физические феномены могут быть простыми по своей природе и представлять собой  
выраженные физические процессы, например естественное гравиметрическое поле, или могут быть и сложными взаимодействиями различных физических процессов, как электросейсмический эффект. Кроме 
того, Земля представляет собой очень сложный объект с большими 
изменениями масштабов и свойств для всех ее характеристик. Здесь 
масштабы объектов исследований могут меняться от тысяч километров 
до микрон. 
На рис. 1.1 представлена структура двух образов детальных элементов Земли, которые имеют различные масштабы. Оба образа были 
созданы на основе геофизических исследований. Как видим, элементы 
с различными масштабами будут иметь сложное строение, и эти сложности в структуре земных элементов могут быть интересны для изучения. Например, в части рис. 1, a наблюдается интересный объект в 
форме большого амфитеатра взрывного происхождения и северовосточного направления. Он может указывать на последствия космической катастрофы, которая могла вызвать существенные изменения 
на огромных пространствах поверхности и атмосферы Земли. 
 

 
 
 
                                  а                                                                б 

Рис. 1.1. Различные виды образов структуры Земли, определенные  
с помощью геофизических методов: 

a – составной образ части континентального склона севернее Пуэрто Рико;  
б – образ известняков и глин юрского возраста морского побережья Дорсет,  
                  южнее Англии (из книги «Marine geophysics», Jones, 1999) 

Большое различие также может быть найдено в свойствах пород, 
которые могут изменяться как по глубине, так и по простиранию.  
В этом просто убедиться, если взять лопату и прокопать даже небольшую траншею. Сложность строения среды на больших глубинах можно увидеть, анализируя скважинные данные. Петрофизические исследования показывают, что даже при очень небольших объемах вещества 

мы будем иметь существенные различия, которые не могут быть просто осредненными. Такое осреднение может приводить к потере полезной информации об изменении вещественного состава среды, что 
часто является основной задачей исследований. При этом существенно 
изменяется не только состав пород, но и физические параметры, характеризующие состояние вещества и пород на больших глубинах. 
Примеры возможных изменений показаны на рис. 1.2, где представлены литологическая колонка, значения скважинных геофизических параметров и результаты их интерпретации. Дополнительные 
сложности связаны с проблемой, что все эти изменения элементов среды являются удаленными от нас и скрытыми другими частями среды. 
Часто у нас нет возможности для их непосредственного анализа. Таким 
образом, мы должны использовать геофизическое исследование как 
дистанционный метод при их изучении. 
 

 
Рис. 1.2. Определение характеристик пород по геофизическим и скважинным данным в вулканическом фундаменте в рамках проекта глубокого 
морского бурения, западная часть Тихого океана (из книги «Marine  
                                                geophysics», Jones, 1999) 

Разномасштабность и высокая неоднородность изучаемых объектов среды требуют использования различных геофизических и других 
методов исследования. Прикладные геофизические работы являются 
подмножеством этого обширного поля исследований и используют