Perspektywiczna korelacja geologiczna
Korelacja perspektywy geologicznej to teoria w geologii opisująca geometryczne prawidłowości w warstwowaniu osadów. Siedemdziesiąt procent powierzchni Ziemi zajmują baseny sedymentacyjne - objętości składały się z osadów nagromadzonych przez miliony lat, na przemian z długimi przerwami w sedymentacji (przerwami). Najbardziej zauważalną cechą skał , które wypełniły baseny, jest warstwowość ( warstwowość ). Stratygrafia
jest działem geologii zajmującym się badaniem zjawiska warstwowania. Opisuje sekwencję warstw w basenie jako złożoną z jednostek stratygraficznych . Jednostki są definiowane na podstawie ich litologii i nie mają jasnej definicji. Geologiczna korelacja perspektywiczna (GPC) to teoria, która dzieli przekrój geologiczny na jednostki według silnej reguły matematycznej: wszystkie granice warstw w tej jednostce podlegają prawu geometrii perspektywicznej . Osadzanie warstwy powstają głównie w płytkich wodach oceanów, mórz i jezior. Gdy osadzają się nowe warstwy, stare zapadają się głębiej pod ciężarem gromadzących się osadów. Zawartość warstw osadowych (litologicznych i biologicznych), ich kolejność w kolejności oraz cechy geometryczne stanowią zapis historii Ziemi , dawnego klimatu , poziomu mórz i środowiska. Najwięcej wiedzy o basenach sedymentacyjnych pochodziły z wierceń poszukiwawczych podczas poszukiwań ropy i gazu. Istotną cechą tych informacji jest to, że każda warstwa jest penetrowana przez odwierty w wielu rozproszonych miejscach. Rodzi to problem identyfikacji każdej warstwy we wszystkich otworach – problem korelacji geologicznej Identyfikacja polega na porównaniu 1) cech fizycznych i mineralogicznych danej warstwy (litostratygrafia) lub 2) skamieniałych pozostałości w tej warstwie (biostratygrafia). Podobieństwo warstw maleje wraz ze wzrostem odległości między przekrojami, co prowadzi do niejednoznaczności schematu korelacji wskazującego, które warstwy penetrowane w różnych miejscach należą do tego samego ciała (patrz A). Aby poprawić wyniki, geolodzy biorą pod uwagę relacje przestrzenne między warstwami, co ogranicza liczbę dopuszczalnych korelacji. Pierwsze ograniczenie zostało sformułowane w XVII wieku: kolejność warstw jest taka sama w każdym przekroju. Drugi został odkryty przez Haitesa w 1963 roku: W niezakłóconej sekwencji warstw (warstw) grubości (H1 i H2) dowolnej warstwy obserwowanej w dwóch różnych miejscach podlegają prawu geometria perspektywiczna , tj. stosunek perspektywy K = H1/H2 jest taki sam dla wszystkich warstw tego ciągu. Teoria ta przyciągnęła uwagę całego świata, a zwłaszcza Rosji. Teoria ta jest również podstawą metody korelacji graficznej w biostratygrafii szeroko stosowanej w przemyśle naftowym i węglowym.
Przegląd
Geometria jest głównym tropem do eksploracji zasobów naturalnych.
Na przykład geolodzy naftowi szukają przepuszczalnych warstw o określonej geometrii, które pozwolą utrzymać ropę na miejscu (na przykład pułapka antyklinalna o kształcie kopuły ). Geolodzy rudni szukają uskoków w osadach – dróg, które dostarczają stopiony materiał płaszcza do górnej skorupy. Wiedza o geometrii podziemnych basenów sedymentacyjnych pochodzi z obserwacji geologicznych, pomiarów geofizycznych oraz z wierceń . Wiercenie daje najbardziej szczegółowe informacje o położeniu, grubości, właściwościach fizycznych, chemicznych i biologicznych każdej warstwy, ale chodzi o to, że każdy odwiert przedstawia wszystkie te informacje w jednym miejscu na warstwie. Ponieważ geometria warstwy może być bardzo skomplikowana, staje się trudnym problemem i wymaga znacznej liczby wierconych otworów.
Wyzwaniem jest zidentyfikowanie w każdym odwiercie przedziału, który należy do tej samej warstwy teraz lub w przeszłości (patrz A). W tym celu geolodzy wykorzystują wszystkie dostępne cechy warstwy. Dopiero po tym można przystąpić do odtwarzania geometrii warstwy (dokładniej geometrii górnej i dolnej powierzchni warstwy). Procedura ta nazywana jest korelacją geologiczną, a wyniki przedstawiane są w postaci schematu korelacji (A). Naturalnym jest, że na początku poszukiwań, gdy liczba odwiertów jest niewielka, schemat korelacji zawiera kosztowne błędy.
Podstawy korelacji geologicznej
Duńskiemu naukowcowi Nicolasowi Steno (1638–1686) przypisuje się trzy zasady sedymentacji
- superpozycja: w niezdeformowanych sekwencjach stratygraficznych najstarsze warstwy będą znajdować się na dnie sukcesji,
- pierwotna poziomość: warstwy osadów są pierwotnie osadzane poziomo,
- ciągłość poprzeczna: warstwy osadów początkowo rozciągają się poprzecznie we wszystkich kierunkach.
Zasada 1 pozwala na określenie tymczasowych relacji między sąsiednimi ciałami geologicznymi, zasada 2 porządkuje geometryczny wzór następstwa warstw, zasada 3 pomaga łączyć części warstwy znajdujące się w oddzielnych przekrojach geologicznych. Praktyczna korelacja ma wiele trudności: rozmyte granice warstw, różnice w składzie i strukturze skał w warstwie, niezgodności w kolejności warstw itp. Dlatego nierzadko zdarzają się błędy w schematach korelacji. Gdy zmniejszają się odległości między dostępnymi przekrojami (np. poprzez wiercenie nowych odwiertów) poprawia się jakość korelacji, ale w międzyczasie mogą zostać podjęte błędne decyzje geologiczne, które zwiększają koszty projektów geologicznych. Z zasady początkowej poziomości Steno wynika, że górne granice warstw (wierzchołki) były początkowo płaskie i pozostały płaskie, dopóki cała sekwencja nie zostanie zakłócona przez kolejne ruchy tektoniczne, ale nie były znane żadne prawidłowości dotyczące relacji geometrycznych między tymi płaskimi powierzchniami w sukcesja. Pierwszym, który rzucił światło na ten problem, był kanadyjski geolog Binner Heites: w 1963 roku opublikował hipotezę Geological Perspective Correlation. Perspektywiczna korelacja geologiczna to teoria, która ustanawia silne geometryczne ograniczenia geometrii warstw osadów.
Geometria perspektywiczna w niezakłóconym następstwie warstw
W 1963 roku kanadyjski geolog Binner Heites odkrył silną prawidłowość warstwowania basenów sedymentacyjnych : grubością warstw w obrębie każdej jednostki stratygraficznej rządzi prawo zgodności perspektywicznej . Oznacza to, że w niezakłóconym następstwie na schemacie korelacji proste poprowadzone przez punkty graniczne tej samej warstwy w dwóch przekrojach przecinają się w jednym punkcie – środku perspektywy (patrz B). Dla celów geologicznych wygodniejszym geometrycznym przedstawieniem relacji perspektywicznych jest wykres korelacji zaproponowany przez Jekhowsky'ego (patrz C): głębokości granic warstw w jednym przekroju geologicznym kreślone są wzdłuż osi h′ (h1′, h2′, h3′,...), a położenie tych samych warstw w innym przekroju kreślone jest wzdłuż osi h′′ (h1′′, h2′′, h3′ ′,…). Punkty 1, 2, 3 ... o współrzędnych (h1′, h1′′), (h2′, h2′′) i (h3′, h3′′) nazywane są odpowiednio punktami korelacji , a krzywa poprowadzona przez te punkty linią korelacji . Czarne kropki ( łączniki 0 ) reprezentują względne położenie skorelowanych granic na wykresie. Gdy geometria warstw spełnia warunki zgodności perspektywicznej, linia korelacji jest linią prostą. W szczególnym przypadku warstw równoległych nachylenie linii korelacji wynosi 45 . Stwierdza to również Perspektywa korelacji geologicznej
- każdy basen sedymentacyjny składa się z pewnej liczby jednostek stratygraficznych (kolejność warstw bez niezgodności ), oraz
- w każdej jednostce relacje między grubościami warstw w dwóch przekrojach spełniają warunki geometrii perspektywicznej z poszczególnymi stosunkami K.
Heites konkluduje również, że wszystkimi warstwami w każdej jednostce rządziło to samo tempo osadzania się, a ich granice są synchronicznymi płaszczyznami czasu. Każda warstwa miała różną grubość w różnych miejscach, ale trwały równie długo. Był to znaczący wkład w chronostratygrafię .
Oto konsekwencje podstawowych stwierdzeń:
- W różnych horyzontach stratygraficznych nachylenia linii korelacji są różne.
- Jeśli dwa sąsiednie odcinki mają to samo nachylenie, to oba odcinki należą do tego samego horyzontu stratygraficznego. Przerwa między liniami wskazuje na usterkę.
-
Jeśli na linii korelacji przedstawiającej niezakłóconą sukcesję stratygraficzną jeden punkt korelacji nie pasuje do linii, oznacza to, że a) korelacja wierzchołków odpowiedniej warstwy jest błędna lub b) wymiana litologiczna.
Związki z tradycyjną litostratygrafią
Perspektywiczna korelacja geologiczna jest dobrze osadzona w tradycyjnej geologii . Metoda map konwergencji służy do określania struktury warstwy na podstawie znanej struktury warstw leżących powyżej. Opiera się na założeniu, że warstwy są prawie równoległe. Mapa konwergencji pokazuje linie o równej odległości ( linie isopach ) między warstwą kluczową a warstwą docelową. Jeżeli warstwy są równoległe to odległość między tymi warstwami jest stała, struktury obu warstw są identyczne, a do wyznaczenia głębokości docelowego horyzontu wystarczy pozyskać tylko jeden głęboki odwiert, który dotarł do warstwy docelowej. Ale w rzeczywistości takie warunki są niezwykle rzadkie. W rzeczywistości odtworzenie geometrii docelowego horyzontu wymaga wykonania kilku głębokich studni na tym obszarze. W tym przypadku standardowa procedura obliczania odległości między warstwą docelową a warstwą kluczową w dowolnym punkcie w obszarze jest interpolacją liniową między znanymi odwiertami. Wiarygodność wyniku (struktury geometrycznej horyzontu docelowego) ocenia się na podstawie analizy trendu odległości między horyzontem kluczowym a docelowym (izopach): jeśli trend jest regularny, np. odległości zmieniają się monotonicznie w w jednym kierunku, jest to oznaka solidności odbudowy. W najprostszym przypadku powierzchnia docelowego horyzontu jest w ogólnym położeniu równiną , a interpolacja liniowa daje poprawny wynik. Założenia metody konwergencji są konsekwencją teorii korelacji perspektywicznych, więc metoda uzyskuje podstawy teoretyczne. Teoria podała również dodatkowe kryteria ważności zrekonstruowanej powierzchni. Określa przedział stratygraficzny, w którym warstwy nawarstwiały się bez przerwy, a miąższość warstw spełnia prawo geometrii perspektywicznej . Mapy zbieżności dają prawidłowy wynik tylko wtedy, gdy warstwy należą do takiej jednostki stratygraficznej.
Testowanie
Opis teorii został dostarczony przez szereg przypadków na poparcie teorii.
- Wykres (D) przedstawia wykres korelacji dla dwóch odwiertów w Albercie (Kanada): Innisfail 15-8-35-1W5 i Innisfail 7-33-25-1W5. Przekrój poprzeczny pola Innisfail zawiera sukcesję osadową od środkowego proterozoiku do paleocenu o grubości przekraczającej 6 km. Z wykresu wynika, że zależności pomiędzy grubościami wszystkich odpowiadających sobie warstw w tych dwóch przekrojach leżą na linii prostej, tj. podlegają prawu perspektywy geometrycznej o tym samym współczynniku perspektywy K. Znaczniki pochodzą z konwencjonalnego schematu korelacji. punktów korelacji od linii prostej wynosi średnio około 5 stóp. .
- 0 Wykres (E) pokazuje, że perspektywiczna korelacja geologiczna działa również na duże odległości. Wykres pokazuje korelację między dwoma odwiertami w Kanadzie oddalonymi od siebie o 300 mil (Saskatchewan i Manitoba) w węglanach silur-ordowiku (kąt nachylenia 53 odpowiada K = 1,6).
Pierwsza recenzja publikacji Heitesa ukazała się w 1964 roku w Rosji. Szczegółowo opisuje hipotezę i bardzo wysoko ocenia jej potencjał. Pomysł przyciągnął programistów pracujących nad automatyzacją korelacji na komputerach: znane reguły korelacji były rozmyte, nie można było ich sformalizować i przekształcić w algorytmy. Zaobserwowane przez Heitesa ograniczenia geometrii warstwowania pozwoliły zrekompensować brak nieformalnej wiedzy ludzkiej.
Grupa rosyjskich naukowców (Guberman, Ovchinnikova, Maximov) pozytywnie przetestowała hipotezę Heitesa w różnych roponośnych prowincjach za pomocą programu komputerowego (w Azji Środkowej, Wołga-Ural, Zachodnia i Wschodnia Syberia oraz Platforma Rosyjska). Na przykład patrz wykres (F). Działalność tej grupy była kontynuowana w 2000 roku i obejmuje nowe prowincje geologiczne na całym świecie: Kanadę, Kansas, Luizjanę, Południową Walię. O. Karpenko wykazał efektywne wykorzystanie korelacji perspektywicznej w rozwiązywaniu bardzo praktycznych problemów poszukiwania ropy naftowej. Prawo zgodności perspektywy pozwoliło odkryć granice zmiany reżimu paleotektonicznego w cienkowarstwowych skałach osadowych, podczas gdy technika regularnej korelacji nie zadziałała. Na przykładzie rubaniwskiego pola gazowego autor wykazał, że pokłady daszawskie depresji przedkarpackiej strefy zewnętrznej można podzielić na kilka stref stabilnej akumulacji osadów w różnych warunkach. Niektóre strefy korelują z interwałami zwiększonego natężenia przepływu gazu.
Świadczą o tym te prace
- hipoteza jest poprawna w szerokim zakresie warunków geologicznych,
- działa na duże odległości,
- może posłużyć jako solidny sprawdzian schematów stratygraficznych sporządzonych przez geologów,
- piętnuje niezgodność warstw już o 1° (G–I) i uskoki o amplitudzie przemieszczeń rzędu 1–2 m (G–II),
- liczba wierzchołków poprawnie skorelowanych w jednostce stratygraficznej bez niezgodności musi być nie mniejsza niż trzy, a im większa liczba, tym większa wiarygodność wyniku,
- jest narzędziem do poprawiania błędów.
Od czasu opublikowania teorii Heitesa w 1963 r. została ona ponownie opublikowana w wielu recenzjach dotyczących ilościowych metod korelacji (w tym korelacji automatycznej). Z niektórych doniesień (Hansen, Salin, Barinova) wynika, że korelacja perspektywiczna pozwoliła na uzyskanie lepszej rekonstrukcji budowy geologicznej na wczesnych etapach badań geologicznych. Hansen opisuje kontrowersyjną historię badania skomplikowanej formacji Patapsco w Maryland i Wirginii (USA) i twierdzi, że „adaptacja techniki korelacji perspektywicznej Heitesa (1963) jest wykorzystywana do podziału formacji Patapsco na konsekwentnie przeciwstawne jednostki mapowania”. Salin był w stanie uprościć stratygraficzny opis depresji Khatyr (Syberia), stosując korelację perspektywiczną. Barinova przeanalizowała strukturę podziemnych magazynów gazu w Osipowiczach (Europa Wschodnia) za pomocą programu automatycznej korelacji opartego na zasadach Haites. Ze względu na dużą zdolność rozdzielczą metody rozpoznano występowanie szeregu uskoków geologicznych, które łamią szczelność. Ze względu na niewielkie przemieszczenia uskoków nie zostały one wykryte tradycyjnymi metodami korelacji i odrzucone przez służbę geologiczną projektu. Bardzo szybko po uruchomieniu magazynu wykryto znaczny wyciek gazu
Rozszerzenie do biostratygrafii
W 1964 roku Shaw zaproponował metodę korelacji profili stratygraficznych skamieniałości za pomocą wykresu dwuosiowego (H). Znaczniki na każdej osi to zaobserwowane głębokości występowania najniższych (FAD) i najwyższych (LAD) specjalnie zdefiniowanych grup skamielin ( taksonów ). Pojawienia się/zaniki taksonów są traktowane jako synchroniczne i służą jako wskaźniki korelacji. Podczas rzutowania na wykres odpowiadające sobie punkty dwóch porównywanych profili tworzą linię korelacji (LOC). Shaw wykazał, że idealny LOC składa się z odcinków liniowych (H). Takie warunki występują, gdy liczba zebranych skamielin jest duża i można mieć pewność, że materiał obejmuje pełny zakres wyglądu skamielin, a FAD i LAD można dokładnie określić. W rzeczywistości niektóre próbkowane zakresy będą krótsze niż rzeczywiste zakresy, co może zakłócić liniowość LOC.
W każdym interwale stratygraficznym skorelowane końce zasięgu (FAD lub LAD) należą do tej samej powierzchni czasowej, aw każdym przekroju geologicznym (otworu lub wychodni) interwał ten ma identyczny czas trwania, ale różną miąższość. Oznacza to, że wskaźniki akumulacji (stosunek grubości do czasu trwania = tg β) są różne w różnych miejscach. Z faktu, że zależność czasów trwania jednostek i ich miąższości jest liniowa wynika, że w granicach odcinka liniowego LOC wszystkie warstwy mają tę samą szybkość akumulacji.
Wiarygodność i dokładność metody Shawa została przetestowana przez Edwardsa za pomocą symulacji komputerowej na hipotetycznych zbiorach danych oraz przez Rubela i Paka w zakresie logiki formalnej i teorii stochastycznej.
Korelacja graficzna stała się bardzo ważnym narzędziem stratygrafii w przemyśle węglowym i naftowym.
W 1988 Nemec wykazał równoważność korelacji perspektywicznej Haitesa i korelacji graficznej Shawa
Model sedymentacji
W oparciu o teorię korelacji perspektywicznej w 1986 r. S. Guberman zaproponował model procesu sedymentacji. Zgodnie z teorią Haitesa w danym basenie sedymentacyjnym w każdej jednostce stratygraficznej warunek zgodności perspektywicznej jest spełniony w dowolnej parze studni. Z tego wynika, że wierzchołki i podstawy warstw w tej jednostce stratygraficznej spełniają warunki zgodności perspektywicznej w przestrzeni trójwymiarowej (K). Dowolne trzy punkty płaszczyzny definiują całą płaszczyznę. Oznacza to, że jeśli w trzech otworach znane są miąższości warstw należących do tej samej jednostki stratygraficznej, to miąższość tych warstw można obliczyć dla dowolnego miejsca w basenie. W związku z tym, jeśli znana jest struktura górnej granicy jednostki stratygraficznej, można obliczyć strukturę dowolnej innej granicy w tej jednostce. Model tworzenia tak wyrafinowanego wzoru geometrycznego opiera się na pierwszej zasadzie Steno: warstwy są pierwotnie poziome, czyli są płaszczyznami. Występuje w płytkich wodach z powodu turbulencji podpowierzchniowej warstwy wody. Druga zasada Steno, która wskazuje na powstanie szeregu warstw osadowych leżących jedna na drugiej, zakłada osiadanie basenu. Zatapianie basenu wynika z silnych ograniczeń geometrycznych: blok tektoniczny, w którym znajduje się basen, obraca się wokół linii prostej równoległej do powierzchni wody i znajduje się na lądzie (L). W rezultacie do momentu głównego zaburzenia tektonicznego wszystkie granice warstw pozostają płaskie, a współzależności geometryczne określane są jako korespondencja perspektywiczna. W przyszłości ruchy tektoniczne zniekształcą kształt warstw – granice nie będą już płaszczyznami, ale w większości przypadków zmiany będą płynne, a relacje perspektywiczne zachowane. Model ten pozwala na określenie niektórych terminów geologicznych. Zasada poziomości Steno musi brzmieć: górna powierzchnia osadów jest pozioma. Zgodność jest podstawowym pojęciem w stratygrafii. Do tej pory termin ten używany jest w dwóch różnych znaczeniach: powierzchnia między dwoma ciągami stratygraficznymi oraz relacja między dwiema jednostkami stratygraficznymi. Czasami w tym samym akapicie używano obu (zob. str. 84). Zasada korelacji perspektywicznej pozwala zdefiniować pojęcie zgodności: sekwencja warstw spełniających warunki perspektywy geometrycznej jest jednostką zgodności. Dwie sąsiednie jednostki zgodności pozostają w stosunku niezgodności.
Oto przykład pokazujący, że granice niezakłóconej jednostki stratygraficznej w środkowym karbonie (prowincja naftowa Wołga-Ural, Rosja) początkowo były równinami. W centralnej części obszaru (o średnicy około 100 km) wybrano trzy otwory w odległości 10 – 15 km. Trzy wierzchołki jednostki stratygraficznej w trzech studniach to punkty w przestrzeni 3D o współrzędnych x, y, z, gdzie x i y oznaczają położenie studni na powierzchni (M), a z to miąższość jednostki stratygraficznej w tym miejscu. Określają górną płaszczyznę jednostki, taką jaka była w momencie jej powstania. Trzy podstawki określają dolną płaszczyznę jednostki w tym samym czasie. Pozwoliło to na obliczenie miąższości jednostki stratygraficznej w dowolnym punkcie terenu. Ponieważ obszar był wystarczająco dobrze wywiercony, obliczone liczby można porównać z liczbami rzeczywistymi. Średnia różnica wynosi 2%.