СПОСОБ СОЗДАНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ МНОГОЦЕЛЕВОГО АНАЛИЗА ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННЫХ СИСТЕМ
METHOD OF CREATING INTEGRAL GEOLOGIC MODEL FOR MULTIPURPOSE ANALYSIS OF NATURAL-MAN-MADE SYSTEMS

Изобретение относится к области геологических и геоэкологических исследований и может быть использовано для синтеза информации по различным средам и многоцелевого анализа природных и техногенных систем, сущность заключается в том, что формируются количественные и формализованные качественные базы данных (БД) по различным средам с разной сетью опробования и регистрации. Строятся по ГИС-технологии монокомпонентные модели 3D и создается единый грид ("Грид" - перевод с английского - "решетка", "сетка". Термин "грид" был предложен Яном Фостером (Ian Foster) и Карлом Кессельманом (Karl Kesselman) для всех сред). Проводится статистический анализ матрицы значений, полученной с помощью общего грида (грид-анализ) и осуществляется выбор техногенного, природного и природно-техногенного факторов на основе геологических, экологических и других представлений, учитывающий кластерную группировку параметров и вклад каждого из них в факторные нагрузки. По полученным факторным коэффициентам и с учетом целей исследований создаются новые интегральные модели 3D, которые позволяют перейти к моделированию 4D. Технический результат: объединение количественных и качественных данных различных сред, получение новой эмерджентной информации о техногеосистеме, повышение объективности и достоверности в изучении природно-техногенных систем и обоснованности прогнозных решений, многоцелевое использование и быстрое перестраивание модели при расширении информационной основы.
Известные из уровня техники способы анализа техногенно-природных систем связаны с качественным и субъективным сопоставлением отдельных сред. Для количественного моделирования, основанного на ГИС-технологиях, не имеется общепринятых концепций, не разработаны критерии оценки разных сред, методические приемы обобщения возрастающих массивов информации и построения инвентаризационно-прогнозных моделей.
Известен способ компьютерного моделирования геологического пространства, включающий ввод данных в БД по координатно привязанным скважинам, обработку и изменение информации в БД, моделирование на этой основе в диалоговом режиме с помощью компьютерных программ 3D моделей геологического пространства, а также вывод этих моделей для анализа на экран монитора (см. аналог 1 заявка на изобретение РФ №2007105679/09 «Способ моделирования геологической среды участков земли с помощью ЭВМ», МПК6 G06T 17/50, опубл. 20.08.2008). В данном способе используются только данные по скважинам, не анализируются статистические связи между параметрами, не выполняются прогностические решения.
Известен способ создания модели, подсчета запасов и мониторинга месторождения полезных ископаемых с использованием данных по скважинам, геофизическим, геохимическим, технологическим исследованиям в скважинах, обеспечивающих формирование каркаса из разрезов, кубов скважин-эталонов на основе обработки и интерпретации информации о скважинах с помощью детерминистских и статистических зависимостей и методик, например корреляции разрезов скважин-эталонов, разбиения разреза скважин на литолого-технологические типы, сравнения полученных результатов с историей разработки месторождения, результатами по новым скважинам или с известными месторождениями с одинаковым геологическим строением, судят о наличии месторождения, его геологических, геофизических, геохимических и технологических характеристиках, в том числе о величине и категории запасов, химическом составе полезного ископаемого, рекомендациях по разработке (см., например, заявку на изобретение РФ №2001120891/28 «Способ поиска, разведки, исследования и создания модели месторождения полезных ископаемых», МПК6 G01V 1/00, опубл. 20.12.2001). В данном способе используются только геологические данные по месторождению.
Известен способ компьютерного создания геологических моделей, заключающийся в том, что собираются геофизические и географические данные по отдельному району, обеспечивается интерфейс, который позволяет пользователю создавать модель геологического пространства и сравнивать ее с архивными данными о геологических аналогах, затем создается множество гипотез, связанных с геологией идентифицированного района, осуществляется проверка одной или более гипотез и их модификация (см., например, заявку на изобретение РФ №2000117289/28 «Способ и устройство для создания, проверки и модификации геологических моделей подповерхностных зон», МПК6 G01V 1/00, опубл. 20.07.2002).
Известен способ по заявке на изобретение РФ №2000117289 «Способ и устройство для создания, проверки и модификации геологических моделей подповерхностных зон». В данном способе не используются данные по техногенным средам, сравнение с геологическим аналогом производится на качественно-субъективном уровне.
Таким образом, известное техническое решение направлено на реализацию возможности осуществления прогноза при непосредственном отдалении от объекта, однако не обеспечивает возможность использования при анализе техногенных сред и не позволяет получать количественную оценку вклада отдельных сред (факторов) в общую информацию о техногеосистеме ввиду того, что использование техногенных сред требует создание методики формализации данных с переводом их в количественные (сопоставимые) баллы.
Заявленный способ основывается на гипотезе взаимообусловленности процессов в земных оболочках с процессами в гидро-, био-, атмо- и техносферах. В настоящее время геологическое изучение планеты требует активного взаимодействия с другими естественными науками. Вместе с тем практика показывает, что преобладающая глубокая дифференциация и «субъективизация» в науках о Земле приводит к ослаблению прямых контактов между научными дисциплинами и направлениями, т.к. отдельные объекты и среды до сих пор изучаются по методологиям, характерным для узкоспециализированного знания. С другой стороны, все сильнее проявляется интегративная тенденция с возникновением синтетических научных направлений. Особенно актуальны междисциплинарные усилия специалистов при анализе глобальных, региональных и локальных геоэкологических проблем. Методом системного изучения геологического пространства в условиях интенсивного техногенеза может служить численное интегральное моделирование. Последнее интегрирует воедино три базовые группы геологических признаков: вещественные (геологические тела, их ассоциации, состав), пространственные (геологические структуры и поля) и временные (геоисторические эпохи, этапы, события). Внедрение в данную область ГИС-технологий позволяет выполнять анализ многомерного признакового пространства, привязанного к географическим координатам.
Заявленный способ обеспечивает реализацию комплекса методов системного анализа природных и техногенных объектов с установлением их взаимоотношений в условиях интенсивного техногенеза, разрабатывает некоторые подходы по формализации качественных экологических, литологических, геодинамических, химических, физических и других параметров для использования их совместно с количественными геофизическими, геохимическими, структурными и другими параметрами при моделировании природных и техногенных процессов, применяет единую сетку (грид) разноопробованных сред для математической обработки данных при изучении управляющих параметров техногеосистемы с выявлением природных, природно-техногенных и техногенных элементов, создает алгоритм построения интегральных геологических моделей для их использования в научной и прикладной деятельности, оценивает вклад природных и техногенных процессов для количественных мониторинговых исследований, получает эмерджентную (эмерджентность - англ. emergence - возникновение, появление - наличие у какой-либо системы особых свойств, не присущих ее подсистемам) информацию о техногеосистеме, объединяющей исследования на макро-, мезо-, микро- и наноуровнях для создания целостной картины окружающего нас мира.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа по совокупности совпадающих признаков и достигаемому техническому результату, по мнению заявителя является способ создания интегральной модели (Сунгатуллин Р.X. Системный анализ, моделирование и интегральная геология // Ученые записки КГУ. Серия. Естественные науки. 2006. Т.148, кн.4. С.143-164), заключающийся в том, что собирают геологические, геофизические и географические данные, создают базы данных по различным средам с разной сетью опробования и регистрации, строят монокомпонентные модели 3D, создают единый грид для всех сред, проводят статистический анализ матрицы значений и создают интегральную модель геологического пространства.
Недостатком прототипа является то, что в нем интегральная модель создается только для настоящего времени.
Задачей заявленного технического решения является устранение недостатков, указанных в аналогах и прототипе, и дополнительно повысить объективность в изучении техногенно-преобразованного геологического пространства, обоснованность прогнозных решений и выявление новых (эмерджентных) свойств техногеосистемы, а именно создание постоянно действующей интегральной модели геологического пространства для количественного анализа и прогнозирования техногенных и природных процессов (например, прогнозирование природных и техногенных катастроф).
Поставленная задача решается тем, что что собирают геологические, геофизические и географические данные, создают базы данных по различным средам с разной сетью опробования и регистрации, строят монокомпонентные модели 3D, создают единый грид для всех сред, проводят статистический анализ матрицы значений и создают интегральную модель геологического пространства, при этом при построении монокомпонентных моделей 3D дополнительно проводят ее верификацию на соответствие реальной геологической обстановке путем бурения скважин, а при создании грида увеличивают или уменьшают количество ячеек соответственно увеличению или генерализации информации, а при создании интегральной модели геологического пространства определяют периодичность проведения мониторинговых измерений для создания постояннодействующей модели.
Заявленный способ позволяет синтезировать в одной интегральной модели данные по разнообразным средам путем анализ фактического материала унифицированным способом, оперативно изменять модель при получении новой информации и тем самым резко повысить достоверность принимаемых прогнозных решений. Модель позволяет учитывать практически любые количественные данные или определенным образом формализованные параметры с получением веса каждого из факторов в общей информации о техногеосистеме.
Основные отличия заявляемого изобретения от прототипа заключаются в следующем:
а) дополнительно проводится верификация модели 3D на ее соответствие реальной геологической обстановке путем бурения скважин. Так, выполненная верификация компьютерных моделей с помощью результатов бурения скважин на примере Республики Татарстан позволила получить погрешность прогноза 3-10%, что доказывает применимость и объективность компьютерного моделирования для решения геологических задач;
б) дополнительно пользователь выбирает среды, которые участвуют в создании интегральных моделей. Например, по табл.3 можно выбрать физические среды (гравиметрическая, магнитометрическая, электромагнитная модели-среды) и построить по полученным статистически коэффициентам физическую интегральную модель геологического пространства;
в) дополнительно пользователь создает новый грид с уменьшением или увеличением количества ячеек, что позволяет применять многомасштабный подход при создании интегральных моделей. Данный подход практически не применим для традиционного картографирования, где масштаб является фиксированной величиной;
г) дополнительно пользователь определяет периодичность проведения мониторинговых измерений по депонирующим средам, и, таким образом, создается постояннодействующая интегральная природно-техногенная модель.
В прототипе интегральная модель создается только для настоящего времени.
Таблица 1. Техногенные системы (см. фиг.2)
Тип
Подтип
Условный балл воздействия техногенных систем на геологическое пространство
Лесохозяйственный и рекреационный
0
Сельскохозяйственный
Земледельческий
1,1
Животноводческий
1,6
Водохозяйственный
Мелиоративный
2,0
Горнодобывающий
Карьерный
4,0
Транспортный
Железнодорожный
1,5
Автодорожный
1,5
Нефте- и газопроводный
1,0
Транспортных узлов
1,8
Военных полигонов
0,8
Промышленный
Химический, нефтехимический
3,5
Строительный, машиностроительный, энергетический
2,0
Селитебный
Населенные пункты
2,6
Захороненный
2,3
Отходов производства и потребления
Твердых отходов
4,0
Жидких отходов
5,0
Гидроэнергетический
0,7
Нефтепромысловый
5,0
Таблица 2. Районирование территории по степени техногенного воздействия (см. фиг.3)
Категория состояния техногенно-преобразованного геологического пространства
Математическая форма
Баллы
Благоприятная
менее (x-s)
0-0,04
Удовлетворительная
от (x-s) до (x+s)
0,04-1,20
Напряженная
от (x+s) до (x+2s)
1,20-1,78
Кризисная
от (x-2s) до (x+3s)
1,78-2,36
Катастрофическая
более (x+3s)
более 2,36
Примечание: х - среднее содержание; s - стандартное отклонение