Параметризация синусоидальности палеоканалов для фациальных реконструкций и объектного моделирования

Т.В. Ольнева, Е.А. Жуковская

Журнал «Геофизика»

Объектное геологическое моделирование представляет большой практический интерес на этапе начального изучения территории и оценки ее ресурсного потенциала. Применение алгоритмов объектного моделирования подразумевает наличие априорных знаний о моделируемом объекте, таких как длина объекта, ширина, мощность, морфологические параметры. Источником этих знаний могут выступать сейсмические данные по сопредельным участкам, а также современные аналоги, подобранные на основе общих геологических представлений о строении моделируемого объекта. В ходе проделанной авторами работы получены численные характеристики меандрирующих русел, проинтерпретированных на основе сейсмофациального и литофациального анализов в понт-плиоценовых отложениях Паннонского бассейна. Представленные в настоящей статье результаты убеждают в целесообразности продолжения подобных исследований в направлении поиска и разработки методов расчета морфометрических параметров геологических событий.

Введение и постановка задачи

Меандрирующие речные системы характеризуются сложной извилистой геометрией русел. Большинство экспертов утверждает, что лучшим решением для воспроизведения их в трехмерной литологической модели является объектное моделирование, к сильным сторонам которого можно отнести получение в результате моделирования оформленных объектов вместо мозаичных полей распределения литологического индекса, их реалистичность и возможность сопоставления с современными аналогами [2, 5, 8, 12]. Результаты объектного моделирования, как правило, выглядят визуально привлекательно и понятно для специалистов смежных дисциплин.

Объектное моделирование традиционно используется на этапе ресурсной оценки территории, когда у специалиста уже сформировалась концептуальная модель, но нет детальной информации. Однако применение алгоритмов объектного моделирования подразумевает наличие априорных знаний о моделируемом объекте, таких как длина объекта, ширина, мощность, параметры синусоидальности (для русел). Источником этих знаний могут выступать современные аналоги, подобранные на основе общих геологических представлений о строении моделируемого объекта, а также сейсмические данные по сопредельным участкам. Приемы сейсмофациального анализа позволяют специалистам интерпретировать геологические события и оценивать размеры изучаемых объектов по:

— слайсам различных атрибутов сейсмического волнового поля, на которых границы объектов или литологических разностей проявляются особенно четко;

— картам, полученным в результате классификации волнового поля в пределах целевого интервала исследований по форме трассы или по значениям в дискретах массива сейсмических данных;

— картам, полученным в результате спектральной декомпозиции с применением технологии RGB-смешивания.

Активное внедрение в производственный процесс технологий трехмерного геологического моделирования на основе сеточной модели совпало по времени с внедрением сейсмических исследований МОГТ 3D. Параллельное развитие трехмерных подходов способствовало их взаимной интеграции и повышению эффективности общего результата в изучении месторождений.

В отличие от исследований гидрологов и геоморфологов под морфометрическими зависимостями в данной работе подразумеваются связи между площадными геометрическими размерами реки и размерами ее поперечного сечения.

Объект исследований

Отложения позднего понта и плиоценового возраста Паннонского бассейна сформированы в условиях обширной озерно-аллювиальной равнины [1, 6, 7, 10, 11]. В пределах этой толщи в регионе разведаны и разрабатываются небольшие газовые залежи. Разрез представлен переслаиванием песчаников (рис. 1, А, В), алевролитов, мергелей, глинистых отложений (рис. 1, С), а также угольных пластов и прослоев. Песчаники от средне- и мелкозернистых до мелкозернистых, переходящих в алевролиты, средне и хорошо сцементированы. Цемент известково-глинистый или глинистый. Углистые отложения содержат много древесных фрагментов, а глинистые – большое количество мелкого углефицированного растительного детрита и остатков макрофауны. Глинистые компоненты часто перекристаллизованы в серицит [3, 9].


Рис. 1. Фотоснимки керна: А, В – руслового аллювия; С – пойменных отложений.

На основе сейсмофациального анализа, выполненного в интервале, сопоставимом с отложениями понт-плиоценового возраста, установлено наличие разнообразных форм речных систем.

Можно предположить развитие разветвленных рек, где многочисленные русла разделены намывными островами, сложенными в основном песчаным материалом. По сейсмическим данным определено доминирующее субмеридиональное направление русел, что отражает положение геоструктурных элементов и направленность региональных тектонических движений. В отдельных временных интервалах широко развиты меандрирующие русла, отмечаются локальные участки ограниченного меандрирования, которые могут быть связаны как со стабилизацией тектонического режима, так и с процессами воздымания территории. В последнем случае меандрирование подпадает под определение «вынужденное». Фрагментарно присутствуют и спрямленные участки русел.

Такое многообразие форм миграционно-многоярусных речных систем отвечает общим представлениям о геологической истории данного региона. В течение верхнего понта и плиоцена в регионе продолжалась активная тектоническая деятельность как в центральной части бассейна, так и на его периферии. В совокупности с глобальными вариациями климата тектонические процессы повлияли на питание рек и густоту речной сети (особенно для горных районов), на эрозионные процессы (донная эрозия при воздымании блоков), на морфологию речных долин и их эволюцию.

В результате тектонических процессов были сформированы структурно-тектонические ловушки в толще неогеновых отложений. Аллювиальные песчаные тела понт-плиоценового возраста, находящиеся вблизи путей миграции, оказались хорошим резервуаром. Специалисты допускают, что в этих отложениях могут находиться также и локальные скопления биогенного газа.

Приемы и результаты исследования

В основу объектного моделирования заложены такие алгоритмы, как имитационный аннилинг, MCMC (Markov chain Monte Carlo). В программном обеспечении Gocad/SKUA (Paradigm) этим алгоритмам соответствуют методы Fluvsim и BoolХ. Первый метод специально разработан для русловых отложений и позволяет моделировать как отдельное русло, так и долину реки в целом, включая прирусловые валы, пойму и другие элементы. Второй метод, названный в честь создателя математической логики Джорджа Буля, включает первоначальный выбор формы объекта от изометричной (баровые тела) до синусоидальной. В зависимости от алгоритма, с небольшими вариациями, для моделирования формы меандрирующего русла обычно задаются следующие базовые параметры: длина объекта, ширина, мощность, общее направление, амплитуда синусоиды (высота излучины), период синусоиды или полупериод (шаг или длина излучины), общая ширина пояса руслоформирования. Существует возможность задавать как постоянную величину для каждого параметра, так и разброс наиболее вероятных значений.

В данном исследовании тестовая настройка с определением численных параметров меандрирования выполнялась с использованием данных по пяти сейсмическим съемкам общей площадью около 2000 кв. км. В интервале понт-плиоценовых отложений были проинтерпретированы палеоизохронные поверхности и выбраны для изучения отдельные слайсы с наиболее четко выраженными меандрирующими палеоканалами. Всего 11 объектов. Выполнение сейсмической интерпретации и сейсмофациального анализа в толще, сформированной в условиях озерно-аллювиальной равнины, обозначило целый ряд специфических проблем. Например, отсутствие опорных отражающих горизонтов вследствие значительной латеральной и вертикальной изменчивости разреза, что приводит к большой неопределенности в интерпретации горизонтов и идентификации палеоизохронных поверхностей. Для получения более четкого сейсмического изображения в подобных условиях были специально разработаны приемы объектно- ориентированной интерпретации [4]. Иллюстрация фактического материала, подготовленного для данной работы, приводится на рисунке 1.


Рис. 2. Пример сейсмического слайса с изображением меандрирующего русла.
Базовые параметры: А – амплитуда синусоиды (высота излучины),
В – общая ширина пояса руслоформирования,
С – период синусоиды (длина излучины) или С/2 – полупериод (шаг излучины).
Площадь визуализированного фрагмента около 700 кв. км.
На рисунке приводится шкала со значениями амплитуд

По каждому из выбранных русловых объектов были выполнены замеры амплитуды, полупериода, периода, ширины пояса руслоформирования (меандрирования). Выборка составила 56 значений. На основании статистического анализа получены результаты, представленные в таблице 1. Погрешность измерений сопоставима с латеральной разрешающей способностью сейсмических исследований. Бимодальность отдельных распределений не коррелируется с особенностью объектов какой-то конкретной площади.

Таблица 1. Численные характеристики меандрирования русел

Параметр Индекс Min Max Среднее
значение
Наиболее часто
встречающиеся значения
Амплитуда (высота излучины), м А  400 2000 1200 680–820
960–1800
Ширина пояса руслоформирования, м В  1100 4800  2400 1700–2600
Полупериод (шаг излучины), м С/2  900 4000 2100 1400–1800
2000–2200
Период (длина излучины), м С  2000 7000 4400 2600–4800

Вторым важным источником информации для объектного моделирования являются морфологические зависимости, установленные для современных речных систем. Комплексирование сейсмофациального и литофациального анализа позволяет определиться с типом палеоречной системы и использовать современные данные для расчета недостающих параметров, таких как ширина и глубина русла (мощность руслового аллювия для палеорек).

Типичные параметры для современных изолированных поясов меандрирования сводятся к следующим значениям: мощность от 5,0 до 15–20 м; ширина от 1,0 до 5 км. Статистика свидетельствует, что ширина современных русел варьируется от первых десятков до нескольких сотен метров, редко до 2 км. Следовательно, если в палеоварианте по сейсмическим данным интерпретируется объект «запредельной» ширины, то с высокой долей вероятности мы имеем результат отображения в волновом поле мультигоризонтального причленения русел типа «лента».

Для тестовой выборки удалось по трендам изменения соотношения полупериода к амплитуде излучины сгруппировать объекты по принадлежности к определенным типам речных систем. Так, рост амплитуды с сокращением шага излучин свидетельствует о переходе от рек с блуждающими руслами к меандрирующим в результате падения скорости потока и уменьшения уклона.

Русла с отношением шага излучины к ее амплитуде в 2–2,5 обычно классифицируются как извилистые, а не меандрирующие. Процесс меандрирования русла есть увеличение этого начального изгиба по мере последовательного причленения к выпуклому берегу русла грядовых русловых форм, их зарастания, стабилизации и включения в пойменный массив.

Учитывая соотношение радиуса (в нашем допущении – амплитуды) излучины (А) к ширине русла (d) для данного типа рек как A = 4…5d, расчетная ширина русла будет составлять 80…275 м, в среднем 165 м.

Ширина русел свободно меандрирующих рек характеризуется иным соотношением А = 3…4d и в тестовой выборке варьирует от 100 до 625 м, среднее значение – 320 м. Для рек данного типа характерно увеличение амплитуды с ростом длины меандры за счет возрастания водности.

При стабилизации рельефообразующих процессов и неизменной либо слабо падающей скорости потока будет наблюдаться увеличение амплитуды, а шаг меандр будет постоянен. Такие реки имеют промежуточное значение ширины русла в среднем 182 м, вариации в интервале 90–330 м.

Опираясь на закономерность, установленную Collinson (1978 г.) для расчета пояса меандрирования (В) по средней мощности меандровой отмели (аккреционного комплекса), можно решить обратную задачу – вычислить предполагаемую толщину песчаных тел.

В = 64,6 * h1.53,

где h – средняя мощность меандровой отмели.

Расчеты показали, что толщина песчаных тел может варьировать в пределах 6,4–16,6 м, наиболее распространены 8,4–11,2 м. Следует учитывать, что мощность одиночных каналов даже очень крупных рек не превышает 30 м, в основном это величины до 10–15 м. Поэтому любые аллювиальные отложения мощностью свыше 25 м, вероятно, будут представлять систему мультивертикального причленения русел типа «этажерки».

Парный коэффициент корреляции полупериода (шага) и периода равен 0,82, что свидетельствует о возможности использования симметричных (по оси х) синусоидальных меандр. Следует учитывать и тот факт, что малые реки имеют меньший радиус излучин при одинаковом уклоне в сравнении с большими реками.

Пример объектного моделирования русла синусоидальной формы на основе заданных параметров приводится на рисунке 3. Нужно отметить, что само по себе воспроизведение формы русла не означает моделирование распределения коллектора. В пределах русел меандрирующих речных систем, характерных для относительно равнинных областей с малым градиентом уклона местности и развитым растительным покровом, происходит накопление достаточно мелкозернистого материала. В старицах отмечается преимущественно глинистое осадконакопление. Хорошие коллекторы, как правило, приурочены к песчаным косам (аккреционным комплексам), сформированным за счет бокового наращивания, – меандровым отмелям или аккреционным комплексам. Для этих образований характерны высокая неоднородность и сложная сигмовидная морфология. Их изучение сейсмическими методами достаточно затруднительно вследствие ограничений в латеральной и вертикальной разрешенности, так же как и параметров ширины и глубины меандрирующего русла. Тем не менее общая модель расположения русла может помочь специалисту провести анализ пространственной приуроченности к этому объекту участков с улучшенными коллекторскими свойствами и оценить их размеры.


Рис. 3. Сопоставление результатов объектного моделирования с трендом – сейсмическим погоризонтным слайсом (на рисунке приводится шкала значений амплитуд). На сечении геологической модели желтым цветом обозначен коллектор, коричневым – неколлектор, сетка модели 100 х 100 метров

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Параметрическое описание геологического события имеет важное значение не только для понимания его масштабов, но и возможности палеореконструкций. Численные характеристики, подтвержденные представительной выборкой по аналогам, позволяют более обоснованно использовать алгоритмы объектного моделирования и, как следствие, более уверенно оценивать ресурсный потенциал изучаемой территории.

Значения параметров палеорусел, полученные в результате проведенного исследования, сопоставимы с современными аналогами, что в очередной раз подтверждает правомерность использования последних для общего анализа геологических процессов и явлений более ранних геологических периодов (кайнозойского).

Выполненная типизация изучаемых рек понтплиоценового возраста и известные эмпирические соотношения их морфологических параметров позволяют вполне реалистично оценить все задаваемые параметры для объектного геологического моделирования и спрогнозировать параметры перспективных литологических ловушек.

Представленные в настоящей статье результаты убеждают в целесообразности продолжения исследований в направлении поиска и разработки методов расчета морфометрических параметров русел под задачи объектного моделирования, в том числе и на основе морфометрических зависимостей, установленных для современных рек.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дулич И., Богичевич Г., Родионов А., Ольнева Т. Формирование структурно-тектонического каркаса и сейсмофациальной основы для бассейнового моделирования на примере создания региональной модели Паннонского бассейна // Геофизика. 2016. № 4. С. 27–34.

2. Закревский К.Е. Геологическое 3D-моделирование. М.: ООО ИПЦ Маска, 2009. 376 с.

3. Ольнева Т., Жуковская Е. Сейсмовидение геологических процессов и явлений: русловые отложения континентальных обстановок осадконакопления // Геофизика. 2016. № 2. C. 2–9.

4. Ольнева Т., Овечкина В. Объектно-ориентированная корреляция как новый методический подход в процессе подготовки данных для сейсмофациального анализа // Геофизи- ка. 2016. № 4. С. 9–14.

Возврат к списку