Методологическое и программное обеспечение обработки больших объемов данных электромагнитных зондирований, гравиразведки и БПЛА-магниторазведки на основе комплексного решения трехмерных обратных задач рудной геофизики

Разработаны компоненты программной системы, реализующей методы совместной мультифизичной model-based 3D-инверсии данных комплексных геофизических исследований методами электроразведки, магниторазведки и гравиразведки (включая аэроварианты, в том числе с использованием БПЛА) для построения многопараметрической (включающей различные типы физических параметров) цифровой 3D-модели сложно-построенной геологической среды. Разработанная программная система имеет следующие отличительные особенности. В программной системе реализованы различные способы геометрической параметризации структурных частей геологических моделей (блочные структуры, бикубические сплайны, полигоны), которые для расчета электромагнитных полей сопровождаются уникальными алгоритмами автоматического построения оптимизированных неконформных конечноэлементных сеток с соответствующими способами аппроксимации на основе скалярных и векторных базисных функций. С использованием аппарата задания определенных правил разработана и частично автоматизирована система задания геометрических и физических параметров геологической модели, которые могут быть общими для различных структурных частей и типов данных. Разработанные способы и их программная реализация позволяют описывать многопараметрические геологические модели произвольной сложности с минимальным набором параметров (в отличие от распространенных подходов с дроблением всей модели на мелкие ячейки, что приводит к большим зонам эквивалентности и довольно медленной сходимости процесса инверсии). Разработана и программно реализована система глобальных (задаваемых пользователем из априорных данных) и локальных (вычисляемых автоматически) ограничений на изменения параметров геологической модели, выполнение которых обеспечивается с помощью адаптивной регуляризации. Это позволяет получить быструю сходимость мультифизичной 3D-инверсии и адекватную многопараметрическую геологическую модель. Разработанный программный модуль мультифизичной 3D-инверсии реализован с возможностью расширения на произвольное количество типов данных. Предложены вычислительно эффективные и вместе с тем высокоточные способы расчета чувствительности измеряемых полей к параметрам геологической модели (в зависимости от типа параметра и типа данных), что способствует устойчивой и быстрой сходимости процедуры решения нелинейной многопараметрической обратной задачи. Кроме того, на основе анализа чувствительности удалось значительно ускорить наиболее вычислительно затратную составляющую мультифизичной 3D-инверсии, связанную с расчетом полей влияния параметров при электромагнитной съемке, и сделать почти линейным рост вычислительных затрат с увеличением размера площади съемки. Результаты тестирования полной мультифизичной model-based 3D-инверсии на синтетических данных для моделей, содержащих объекты сложной формы, показали устойчивую сходимость нелинейной инверсии и высокую точность восстановления характеристик целевых объектов даже при наличии значимых геологических помех. Результаты исследования работоспособности отдельных компонентов программной системы на практических данных показали хорошее совпадение практических и расчетных данных. Время счета для полной мультифизичной model-based 3D-инверсии составляет порядка 15 часов с восстановлением около 1000 параметров для комплексной БПЛА-съемки по площади 4 км2 с шагом 20 м по профилю и расстоянием 100 м между профилями (использовалось 54 вычислительных ядер: 9 шестиядерных компьютеров с процессорами Intel I7 и 32 Гб памяти). Время выполнения 3D-инверсии данных БПЛА-магниторазведки (при поиске 1941 параметра), снятых на площади 35 км2 с шагом съемки 40 м по обоим направлениям, составило порядка 1.5 часа на 1 компьютере с процессором Intel I9 с восемью ядрами и 64 Гб памяти. Проведенные исследования позволили разработать первый вариант многоэтапной методики трехмерной обработки данных для технологии, включающей электромагнитную съемку БПЛА с источником в виде заземленной электрической линии. Использование нескольких этапов позволит повысить надежность определения местоположения и характеристик целевых объектов в сложных средах. В целом, разработанная программа, реализующая систему мультифизичной 3D-инверсии, в совокупности с системой задания параметров многопараметрической геологической модели и ограничений на них позволит существенно повысить результативность трехмерной обработки данных комплексных геофизических исследований за счет реализации различных стратегий model based инверсий.