Комплексный анализ и прогноз месторождений углеводородного сырья и экологических характеристик по данным аэрокосмической съемки
Последние десятилетия ознаменовались огромным прогрессом в деле получения и обработки данных дистанционного зондирования. Заметно расширился арсенал методов дешифрирования, основанных на выявлении и использовании в целях научного познания и картографирования прямых или косвенных зависимостей между зафиксированными в аэрокосмических изображениях параметрами волновых излучений и характеристиками объектов географической оболочки.
Так, для обеспечения разведки месторождений углеводородного сырья, проектирования, строительства и эксплуатации объектов добычи, переработки и транспортировки нефти и газа с использованием аэрокосмической информации производят изучение рельефа, растительности, почв и грунтов, их состояния в разные времена года, в том числе в экстремальных природных условиях, например, при наводнениях, засухах или сильных морозах, анализ наличия и состояния селитебной и транспортной инфраструктуры, изменений компонентов ландшафтов в результате хозяйственного освоения территории, в том числе в результате аварий на нефтяных и газовых промыслах и трубопроводах и т.д.
Для выявления таких характеристик территории используются различные по способам получения, диапазону излучения и уровню пространственного разрешения данные дистанционного зондирования, включая чернобелые и цветные фотоснимки, сканерные и радиолокационные изображения и др. По ним производят визуальный, измерительный анализ интенсивности, спектрального состава, пространственной дифференциации и временной изменчивости зафиксированного в аэрокосмических изображениях излучения, приходящего от объектов на местности.
При необходимости применяют цифрирование, фотограмметрическую и фотометрическую обработку изображений, их геометрическую коррекцию, масштабирование, квантование, контрастирование и фильтрацию, синтезирование цветных изображений, в том числе с использованием различных фильтров и т.д.
Подбор аэрокосмических материалов и дешифрирование изображений производятся с учетом времени суток и сезона проведения съемки, влияния метеорологических и иных факторов на параметры изображения, маскирующего действия облачности, аэрозольного загрязнения или задымления при пожарах на нефтегазопромыслах, закрытости изучаемых объектов растительностью и т.п.
Наряду c единичными аэрокосмическими изображениями применяют их серии, например, пары снимков для стереоскопической рисовки рельефа, разновременные снимки для изучения сезонной и многолетней динамики ландшафтов и изменения окружающей среды под воздействием хозяйственной деятельности, разномасштабные изображения для сочетания локального крупномасштабного исследования ключевых участков и наиболее сложных объектов с мезо- и мелкомасштабными исследованиями региональных закономерностей.
Для того, чтобы расширить возможности анализа аэрокосмической информации, используются не только прямые дешифровочные признаки, априорно известные или выявляемые в процессе целенаправленного исследования аэрокосмических изображений, но и косвенные признаки, широко используемые при визуальном дешифрировании. Они, прежде всего, основаны на индикационных свойствах рельефа, растительности, поверхностных вод, почв и грунтов.
К примеру, изменение растительного покрова, грунтов и водных объектов в районах нефте- и газодобычи, вдоль автомобильных дорог или в местах хранения нефтепродуктов может служить косвенным признаком загрязнения территории нефтепродуктами, вытянутые по прямой полосы вырубленных лесов - признаком трасс трубопроводов, а загрязнение снежного покрова в районе тепловых электростанций - признаком использования мазута и угля в качестве сжигаемого топлива.
Достоверность и объективность таких косвенных определений в значительной мере зависят от степени подготовки дешифровщика, его знания дешифрируемых объектов и территорий. Поэтому при дешифрировании одних и тех же объектов разными специалистами результаты дешифрирования могут существенно различаться.
Но и при использовании прямых дешифровочных признаков, применении инструментальных или автоматизированных методик точность дешифрирования практически никогда не приближается к 100%. Это во многом объясняется сложностью объектов земной поверхности, уникальной индивидуальностью размеров, форм и структур каждого из них, постоянной изменчивостью фиксируемых в аэрокосмических материалах их параметров и характеристик.
К примеру. многие горные породы имеют сходные спектры излучения в видимом и тепловом инфракрасном диапазоне. В то же время одна и та же горная порода может иметь разную спектральную излучательную способность при ее различной влагонасыщенности, выветрелости или небольшом изменении минерального состава.
В целом значительные колебания результатов анализа спектральных характеристик земной поверхности происходят при изменении высоты съемочного аппарата, высоты Солнца и угла сканирования земной поверхности, оптических свойств атмосферы, углов наклона, пространственной ориентации и других параметров рельефа, температуры и влажности земной поверхности и т.д.
Существенно различные результаты наблюдаются при съемке одних и тех же объектов в разных зонах спектра. Например, съемки в инфракрасном и радиотепловом диапазонах лучше фиксируют температуру и влажность земной поверхности, наличие на водной поверхности нефтяной пленки, но точность результатов такой съемки может быть перечеркнута сильным влиянием физической неоднородности поверхности суши или волнения на водной поверхности.
Лазерные радары и абсорбционные спектрометры позволяют исследовать распределение загрязняющих веществ в атмосфере и поверхностных водах, устанавливать места протечек в трубопроводах, выбросы углеводородов и продуктов их сгорания на месторождениях нефти и природного газа, анализировать влияние на окружающую среду объектов переработки нефти и газа. Но точность таких определений часто бывает невысокий и первичный анализ аэрокосмических материалов не может заменить непосредственных полевых наблюдений и измерений на местности.
Поэтому, несмотря на достигнутые успехи, можно констатировать, что богатейшие, практически неисчерпаемые информационные ресурсы материалов аэрокосмического зондирования используются в целом весьма слабо. Это относится и к исследованию объектов добычи, переработки и транспортировки нефти и газа.
Весьма необходимы поиск и внедрение новых методик дешифрирования данных дистанционного зондирования, позволяющих шире использовать свойства различных диапазонов излучения электромагнитных волн, вести более глубокий и системный анализ аэрокосмических изображений.
Такие походы реализованы авторами на примере разных по масштабам, способам, диапазонам и территориям материалов аэрокосмических съемок. Проведенные исследования позволили установить принципиально новый механизм целенаправленного выявления с использованием аэрокосмической информации практически любых территориально распределенных или структурированных данных.
На этой основе на географическом факультете Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова была разработана комплексная компьютеризированная методика, позволяющая проводить научный анализ и прогноз размещения и устанавливать различные параметры нефтегазовых залежей и других объектов геологической среды, находящихся на больших глубинах , определять величину и состав геохимического загрязнения компонентов ландшафта, комплексно оценивать напряженность экологической обстановки.
Эта методика была опробована на примере компьютерного обнаружения и комплексного анализа геологических объектов (залежей различных полезных ископаемых, карстовых полостей, суффозионных воронок и т.д.), геоморфологических, водных, почвенных и растительных объектов, физических (радиоактивные, электромагнитные и другие поля). Кроме того, на основе данной методики отрабатывались приемы решения различных экологических задач (загрязнение тяжелыми металлами, диоксинами и другими вредными веществами и соединениями), анализ состояния хозяйственных земель, зданий и сооружений, объектов строительства и т.д.
Исключительно важно, что эти оценки и прогнозы можно получать не выезжая на местность для проведения полевых исследований и не прибегая к разведочному бурению скважин, инструментальному геохимическому анализу, сейсмическому или иному геофизическому зондированию.
Тем самым значительно уменьшаются сроки проведения исследований объектов нефтяной и газовой промышленности, исключаются загрязнения, сокращаются расходы, связанные с разведочными работами.
Рассматриваемая методика использует различные принципы считывания информации, содержащейся в аэрокосмических изображениях. Один из них основан на системном анализе кольцевых структур, контуры которых более или менее четко фиксируются в аэрокосмических изображениях разных масштабов, спектральных диапазонов и приборного оснащения аэрокосмической съемки.
Ю.И.Фивенским было установлено, что, наряду с известными ранее крупными кольцевыми структурами, радиусы которых достигают десятков, сотен и тысяч километров, имеются многочисленные малые структурные формы с радиусами от сотен до нескольких единиц метров.
Последние отличаются значительной неоднородностью строения и сложностью структуры. Длительностью процесса их формирования измеряется миллионами лет. Эти структуры также имеют относительно большую устойчивость к экзогенным воздействиям.
В формировании кольцевых структур проявляется новый, практически неизвестный ранее источник энергии, активно участвующий в преобразовании земной коры..Так как эта энергия существовала практически всегда, то в результате ее действия кольцевые структуры образовывались не только на земной поверхности, но и на различных глубинах.
Таким образом, можно говорить не только о приповерхностных, но и погребенных кольцевых структурах, что по новому объясняет значительную дифференциацию на небольших площадях инженерно-геологических и иных свойств строения геологических толщ, образование зон уплотнения и разуплотнения геологических пород, возникновения залежей нефти, газа и других полезных ископаемых, проявление таких опасных явлений, как карст или солифлюкция.
Полевыми исследованиями было подтверждено, что в разных частях малых кольцевых форм наблюдается зональное изменение рельефа земной поверхности, уплотнение или разрыхление почв, изменение других инженерно-геоморфологических и геологических свойств грунтов, растительности и т.д.
Компьютерный анализ этих и других характеристик, считываемых в аэрокосмических изображениях, позволяет решать многие задачи поисковой технологии, общей и инженерной геоморфологии, ландшафтоведения, почвоведения, геоботаники и т.д.
По результатам данных исследований можно проводить разработку конкретных научных рекомендаций инженерного, экологического и иного плана для участков земной поверхности локальной размерности, в том числе для отдельных зданий и сооружений, малых фрагментов землепользований, небольших водоемов, конкретных участков дорожной сети.
Анализируя изображения малых кольцевых форм, можно проводить изучение глубины залегания конкретных пород, мощности и состава рыхлых осадочных толщ положение основных литологических разделов. К примеру, на территории Калужской области по аэроснимкам была определена глубина залегания кровли каменноугольных отложений. Высокая точность таких определений (с ошибками менее 1 м) была доказана данными бурения.
Такая высокая точность определений дает множество практических приложений данной методики. Прежде всего, она позволяет вести топографическую рисовку погребенного рельефа с учетом всех его усложнений, включая проявления останцов, карстовых провалов, отвесных стенок, грабенов и т.д.
Данная методика эффективна при наличии исследуемой территории нескольких разных по глубине залегания литологических разделов, например, в целях анализа и прогноза многопластовых залежей нефти и газа. Признаками их проявления будет служить наличие на данной территории определенных комплексов различных по величине малых структурных форм.
Для повышения точности измерений по аэрокосмическим материалам можно использовать комбинированный подход, когда данные разреженной сети опорного бурения будут дополняться фотограмметрическим анализом и экстраполяционной оценкой глубин залегания твердых толщ по всей исследуемой территории.
Предлагаемая методика позволяет по данным аэрокосмической съемки с достаточной деятельностью устанавливать параметры залегания толщ рыхлых и коренных отложений, определять их плотность, тектоническую или иную нарушенность, давать прогноз включений гальки, прослоек глин, промерзания грунтов, водонасыщенности рыхлых толщ и т.д.
Высокая точность таких определений позволяет планировать широкое применение данной методики в научных исследованиях и на практике, например, при изучении оползней, обосновании строительства и эксплуатации скважин и других ( в том числе подземных) сооружений.
Второе направление предлагаемой методики компьютерного дешифрирования аэрокосмических изображений связано с выявлением резонансных частот излучения электромагнитных волн, осуществляемого каждым объектом географической оболочки и фиксируемого в материалах аэрокосмической съемки. Каждый такой объект имеет свое специфическое излучение, достаточно близкое по спектру и другим характеристикам к излучению других объектов данного типа и вида.
Задача исследования состоит в установлении наиболее информативных резонансных частот, характерных для анализируемого объекта, и изучения их пространственного и временного изменения. Причем, считываться могут не только текущие характеристики. Соответствующие моменту съемки, но и осредненные величины, например, среднемесячные или среднегодовые; ретроспективные состояния, соответствующие прошедшим временным моментам и интервалам, прогнозные оценки ожидаемого развития событий в будущем.
Предметом исследования могут служить как отдельные частные характеристики анализируемых объектов, так и их системные совокупности. Системный подход опробовался авторами на примере выявления и картографирования степени напряженности экологической обстановки для различных территорий.
К примеру, для территории Ногинского района Московской области в 1994 г. было проведено исследование напряженности современной экологической обстановки, ее ретроспективного изменения, начиная с 1990 г., и дана прогнозная оценка состояния на 2000 г. При этом учитывался уровень освоенности и заселенности территории района, развитие промышленности, транспорта, сельского хозяйства и других отраслей экономики и сферы обслуживания и их влияние на напряженность экологической обстановки.
В расчет принимался уровень антропогенного изменения и загрязнения компонентов ландшафта, в том числе атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, почвенного и растительного покрова. Кроме того, в анализ включались санитарно-эпидемиологические характеристики территории, учитывая заболеваемость населения и ее природную, социально-экономическую или экологическую обусловленность.
Общие характеристики напряженности экологической обстановки не могут быть получены путем простого суммирования частных показателей, например, величин загрязнения компонентов среды, так как сумма не отражает механизма и результатов реальных взаимодействий, наблюдаемых в изучаемом территориальном природно-хозяйственном комплексе.
В интегральных оценках должны быть учтены первоначальное состояние природных комплексов, которое было до начала хозяйственного освоения территории, степень их антропогенного и природного изменения (включая многообразие видов человеческой деятельности, разнообразие форм использования земель) и многообразие реакций природной среды на антропогенные воздействия.
В результате исследований была составлена серия экспериментальных разномасштабных карт интегральной оценки напряженности экологической обстановки на территории района с использованием 10-балльной шкалы (за 10 баллов принимался максимальный уровень экологической обстановки, при котором жизнедеятельность человека невозможна).
Объективность этих карт была проверена последующими полевыми анализами загрязнения почв, атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод. Были установлены участки кризисной экологической ситуации, материалы изучения которых были переданы в администрацию района, правительство Московской области Минэкологии России.
Отметим, что на карте в масштабе 1:50 000 были выявлены сотни кольцевых структур с зонально-волновым характером колебания напряженности экологической обстановки. Наличие кольцевых структур подтвердило большую роль процессов, протекающих в геологической среде, в формировании напряженности экологической обстановки и необходимость их пристального изучения и учета.
Подходы к этому были опробованы на примере создания карт прогноза залежей нефти и газа в разных районах Земли по материалам аэрокосмической съемки. Эти работы проводились в три этапа, на каждом из которых осуществлялось уточнение и детализация измерений исследуемых параметров.
На первом, начальном этапе осуществлялся мелкомасштабный прогноз и предварительное региональное картографирование исследуемых территорий с целью выявления и промышленной оценки залежей нефти и газа.
На втором этапе проводилось среднемасштабное прогнозно-оценочное картографирование районов предполагаемой концентрации промышленных залежей нефти и газа и установление основных количественных характеристик этих залежей.
На третьем, заключительном этапе осуществлялся переход к крупномасштабному анализу аэрокосмических снимков высокого разрешения на территории прогнозируемого залегания наиболее крупных нефтегазовых структур, составлению карт прогнозной плотности запасов углеводородного сырья и геологических разрезов, отражающих глубины залегания нефти и газа, включая промышленные и непромышленные пласты и пласты с нефте- и газопроявлениями.
Для нефте- и газоносных пластов устанавливались прогнозируемая мощность, содержание в них нефти и газа, качественные и количественные параметры углеводородного сырья.
По данным аэрокосмической съемки можно также определить результаты места заложения нефтяных и газовых скважин, сложность условий бурения по вертикальному профилю, горно-геологической характеристики нефте- и газоносных пластов.
Кроме того возможна оценка экологических и инженерных условий проектирования, строительства и эксплуатации скважин, прокладки трубопроводов и др.
Рассмотренная методика апробирована и подготовлена для решения производственных задач.
Источник: Научно-исследовательский центр геоинформационного анализа Земли
Автор: В.Т.Жуков, Г.Е.Лазарев, Ю.И.Фивенский
