Методы построения трехмерных моделей земной коры на основе комплексной интерпретации геофизических полей с использованием параллельных алгоритмов (на примере Уральского региона)

Фундаментальной проблемой наук о Земле является изучение глубинного строения земной коры геофизическими методами. Предлагаемый проект направлен на решение этой задачи через построение трёхмерных геолого-геофизических моделей на основе новых методов комплексной интерпретации геофизических полей. Объемные модели верхней части литосферы, построенные по результатам интерпретации комплекса геофизических полей (с количественными характеристиками распределения физических свойств в слоях) позволяют делать обоснованные выводы о вещественном составе, условиях образования и тектонического развития геологических структур. Изучение связи между приповерхностными структурами осадочной толщи и глубинными структурами консолидированного фундамента и верхов мантии позволит обеспечить математическое сопровождение глубинных геокартировочных работ сложно построенной геологической среды на разных иерархических уровнях ее организации. Разработка новых методов и компьютерных технологий построения моделей глубинного строения земной коры по комплексу геофизических полей является одним из самых перспективных направлений современных исследований в науках о Земле. Особый интерес представляет круг согласованных прикладных задач, когда различные по своей природе и информативности геофизические поля могут интерпретироваться по единому математическому сценарию. Для этого достаточно, чтобы искомые поля удовлетворяли однотипным уравнениям и схожим граничным условиям поставленной задачи, имелись реальные предпосылки для связи входящих в эти уравнения физических параметров среды. Установление таких внутренних связей позволяет выделить наиболее устойчивые неоднородности коры и мантии и дать количественную оценку их проявления в аномальных геофизических полях различной эндогенной природы. При этом, актуальна предлагаемая нами постановка конкретной математической задачи: разработать единую схему интерпретации по комплексу геофизических полей (гравитационного, магнитного и стационарного поля тепловых потоков) на основе решения трехмерных линейных и нелинейных обратных задач теории потенциала и результатов интерпретации сейсмических данных. Базовым элементом методики количественной интерпретации по комплексу геофизических полей являются фрагментарные геолого-тектонические модели глубинного строения Уральской складчатой системы в районе сейсмических геотраверсов. Как правило, математическое моделирование ограничивается уточнением параметров модели на основе интерактивной методики многократного решения прямой задачи гравиметрии. Предлагаемые в проекте методы построения трехмерных моделей основаны на представление формализованных данных цифровой модели слоисто-блокового строения земной коры в формате сеточных функций. УСТОЙЧИВОСТЬ методов базируется на представлении искомой ПЛОТНОСТИ в виде МУЛЬТИПЛИКАТИВНОЙ ФУНКЦИИ (произведения плотности начальной модели на переменную по латерали корректирующую добавку), в выбранном классе плотностей решение единственно. На базе этого разрабатываются алгоритмы интерпретации, посредством которых реализуется возможность получения геологически-содержательных решений обратных задач по комплексу геофизических полей. Это определяет научную новизну и практическую значимость предлагаемых исследований. Сеточная аппроксимация входных данных предполагает специальную организацию матричных массивов большой размерности. Сеточные алгоритмы легко преобразуются в последовательность однотипных расчетов, что дает возможность использовать схемы параллельных вычислений. Наличие оригинального математического аппарата и параллельных алгоритмов, созданных в лаборатории математической геофизики ИГФ УрО РАН для сеток большой размерности (моделей крупного масштаба), а также особенности применяемой методики ранжирования разноглубинных аномалий определяют приоритет настоящих исследований. Территория исследования охватывает зону сочленения трех важнейших геологических провинций: восточную окраину Восточно-Европейской платформы, среднюю и северную часть Уральской складчатой системы и западную окраину Западно-Сибирской плиты. Интерпретация первичных данных глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ) с единых методических позиций и применение методов трехмерной интерпретации гравитационного, магнитного геофизических полей (основанных на оригинальных алгоритмах и современных компьютерных технологиях сеточного моделирования) позволит значительно повысить информативность и надежность моделей глубинного строения литосферы. Моделирование будет проводиться для градиентно-слоистой среды. По результатам комплексной интерпретации будут созданы новые трехмерные модели распределения плотности и намагниченности в слоях верхней части литосферы и построены новые карты структурных блоков земной коры на разных глубинах. Разработка универсальных схем количественной интерпретации, создание устойчивых, адаптивных алгоритмов и программная реализация позволят оперативно конструировать многовариантные модели послойного строения земной коры, сделать их прозрачными для всестороннего геолого-геофизического анализа. Последнее имеет принципиальное значение для понимания особенностей глубинного строения Уральской складчатой системы и прилегающих к ней территорий.