Геологическое картирование, вероятно, является одним из древнейших занятий человека. В палеолите люди стали использовать камень как орудие труда, охоты, в качестве строительного материала, минеральных красок и так далее. С тех пор человек стал распознавать на поверхности разные породы. С началом добывания и использования металлов люди целенаправленно исследовали поверхность Земли и стали детально обследовать рудные районы и, вероятно, каким-то образом, по крайней мере, в уме, представляли, как на поверхности расположены разные типы пород (а это и были прообразы геологических карт). В XVIII веке геологическое картирование стало уже специальным видом работ. Так, во Франции и в Германии начинают создаваться первые “геогностические” карты отдельных территорий, составлявшихся в основном по петрографическому принципу (Милановский, 1987). Первая известная российская геологическая карта такого рода в масштабе около 1:120 000 была составлена для Нерчинского горного округа в Забайкалье унтершихмейстерами Дорофеем Лебедевым и Михаилом Ивановым (Милановский, 1987). Принцип картирования был простым - на картах рисовались поля распространения разных типов пород.

В начале XIX века в геологическом картировании произошла революция. Английский инженер В. Смит и французские естествоиспытатели Ж. Кювье и Ал. Броньяр предложили палеонтологический метод для определения возраста пород. Таким образом были выделены слои определенного возраста. Палеонтологический метод позволил картировать земные слои не по составу, а по их возрасту и по большому региону. Это привело ко многим революционным последствиям в геологии: например, выявлению тектонической структуры слоев, пониманию геологической истории. Геологическое картирование позволило предсказывать геологическую структуру на глубине и, соответственно, более точно планировать места, где создавать шахты, карьеры и тому подобное для добычи руд.

Бурение и геофизические методы изучения недр позволили показать то, как ведут себя геологические тела на глубине. По мере накопления информации о строении верхних сотен метров-первых километров земной коры стала назревать потребность в объемном показе строения недр складчатых сооружений. В рудных областях большие объемы бурения и геофизических пород стали теоретически позволять рисовать геологическую структуру в объеме. В осадочных бассейнах в районах нефтяных полей, где имели место значительные по объему бурение и сейсмопрофилирование, также стало возможным представлять геологическую структуру в объеме. Стала очевидной проблема - как показать глубинную объемную структуру складчатого пояса и осадочного бассейна в объеме.

Однако, правила и законы рыночной экономики, стимулируя развитие новых технологий, одновременно ограничивают их. Ограничение это состоит в том, что разрабатываемые программы должны приносить прибыль. Поэтому, коммерческие продукты на первых этапах оказываются чрезвычайно дорогими, и поэтому же их разработчики ориентируются в первую очередь на очень богатых покупателей, первыми среди которых стоят нефтяные компании. В результате и программы в основном ориентированы на решение задач разработки нефтяных и газовых месторождений, что и определяет их недостатки:

1. Чрезвычайно высокая стоимость (минимальный порог стоимости – десятки тысяч USD, максимальная стоимость – 300-400 тыс., и ежегодная оплата технической поддержки – 10% от стоимости).
2. Высокие аппаратные требования – стоимость аппаратной части зачастую конкурирует со стоимостью программ.
3. Алгоритмы подобных программ ориентированы на очень хорошую изученность территории геологическими и геофизическими методами – предполагается, что для изучаемой территории существует плотная сеть скважин глубокого бурения и сейсмических профилей или трехмерная сейсмика.

Таким образом, несмотря на наличие некоторого количества коммерческих программных продуктов, среди них нет ни одного подходящего для решения геологических задач.

1. Основой для объемной карты является стандартная кондиционная геологическая карта поверхности в цифровом виде, на которой показываются естественно выделяющиеся геологические тела. Задача состоит в том, чтобы показать все эти тела в реальном объеме (плюс те тела, которые не выходят на поверхность).

2. На основе данных скважин и всех видов геофизических данных в цифровом виде строится вероятностная геометрия всех выделяемых геологических тел на глубине.

3. Имея объемную цифровую запись геометрии всех геологических тел мы можем:

- построить разрез по любой вертикальной, горизонтальной или иной другой геометрии поверхности;

- отдельно выделить любое геологическое тело и рассмотреть его с любой точки (вращать, влезать вглубь и так далее);

- строить объемные карты в любом виде для показа литофаций или любых других характеристик (например, пористости, обводенности, геохимических характеристик, коллекторов, покрышек, рудных тел)

4. На основе компьютерной цифровой геологической объемной карты можно делать многие виды исследований. Они, очевидно, являются надежным методом поиска локализации полезных ископаемых. Но кроме этого, по ним можно изучать вопросы гидрогеологии, экологии и инженерной геологии.

Объемное цифровое геологическое картирование будет неизбежно следующим днем геологического картирования. Но кому и зачем в первую очередь нужны такие карты? Можно перечислить следующие основные случаи.

Основные требования к компьютерной геологической объемной карте могут быть разбиты на две группы: концептуальные требования и требования технические.

1. Карта должна быть существенно трехмерной, то есть любая информация должна иметь объемную привязку, а не географическую только как это делается в существующих ГИС. При этом должна быть обеспечена возможность эффективного пространственного поиска и анализа данных. Современные ГИС (что видно уже из их названия - географические информационные системы) сохраняют основной недостаток бумажных карт - двухмерность. Вся информация в ГИС (и в том числе информация о глубинной структуре) привязывается к географическим координатам. Глубинная информация вводится искусственным образом и любой нетривиальный пространственный анализ в трех измерениях оказывается невозможным. Коротко говоря, существующие ГИС дают достаточную информацию о поверхностном срезе трехмерной геологической структуры и некоторую справку о ее глубинном строении. Для адекватного представления геологических объектов геологам хотелось бы иметь не столько географическую, сколько геологическую ИС, в которой информация привязана к трем координатам (xyz), а не к двум (xy), как это делается в существующих ГИС.

2. Математический алгоритм построения объемной геологической структуры должен быть не чисто машинным, но “человеко-машинным”. Это означает, что геолог, работающий с программой, должен обладать почти полным контролем над рассчитанной трехмерной структурой, что даст ему возможность наиболее полно реализовать свою концепцию геологического строения картируемого участка. С другой стороны, объемные модели, построенные разными людьми, могут достаточно значительно отличаться. Поэтому, программа должна предусматривать возможность поддержки нескольких “авторских” вариантов трехмерной структуры для одной и той же области.

Вышеуказанный тезис можно проиллюстрировать на примере простой складки. Ниже приведен набор параметров, изменением которых возможно осуществить контроль над объемной геометрией складки. Это: (1) вид складки по соотношению мощностей на крыльях и в замке (концентрическая, подобная, синклинальная, антиклинальная) (если мощность изменяется – то задается коэффициент изменения мощности); (2) вид замка (угол, гладкая кривая, коробка); (3) осевая линия складки на карте и наклон осевой поверхности в нескольких точках; (4) шарнир какой-либо геологической границы складки на карте и вертикальная координата шарнира; (5) соотношение относительных размеров крыльев и замка складки

Геолог должен иметь возможность задать эти параметры вручную, а компьютер должен выполнить соответствующий расчет. То есть, программа должна давать инструмент человеку, а не навязывать ему заранее предопределенные решения.

3. Программа не должна требовать “слишком много” исходных данных. Как правило, в складчатых областях следует ориентироваться на наличие только геологической карты, карты рельефа и, возможно, нескольких скважин. В осадочных бассейнах количество скважин, конечно, намного больше, и есть сейсмические данные, но, с другой стороны, геологическая карта территории несет намного меньшее количество информации. Добавление исходной информации должно увеличивать точность объемной карты, поэтому должна быть предусмотрена возможность постоянного изменения объемной модели.

4. Карта должна содержать объем информации, не уступающий в главном объему информации на бумажной геологической карте, а именно: информацию о пространственной морфологии изохронных геологических границ, фациальных границ, слоев, разрывных нарушений, геологических (литологических) тел, интрузий, зон вторичных изменений, и пространственном распределении различных материальных параметров (петрофизических и др., таких как пористость, проницаемость и т.д.) с привязкой к геологическим телам.

В частности, информация о геологических слоях должна включать данные о геометрии, литологии, абсолютом возрасте, петрофизических свойствах пород слоя, информация о разрывных нарушениях – данные о геометрии, возрасте(ах) подвижек и заполнении, информация об интрузивных телах – данные о геометрии, составе, абсолютном возрасте, петрофизических свойствах, информация о зонах вторичных изменений – данные о геометрии, типе изменений, их возрасте. Вся исходная геологическая информация (геологическая карта, скважины, профили и др.), на основании которой строится трехмерная модель, также должна иметь объемную привязку, так чтобы при работе с трехмерной моделью всегда было возможно просмотреть исходные данные.

Основное техническое требование состоит в том, что вновь создаваемая программа не должна начинать все “с нуля”, но должна быть включена в уже существующий технологический процесс компьютерной обработки геологических данных. Это подразумевает наличие возможности импорта компьютерных картографических данных листов Госгеолкарты-200. Разрабатываемый пакет не должен дублировать функции ввода и хранения картографической информации существующих ГИС, используемых в геологических организациях. Он должен быть направлен на решение собственных задач. Кроме того, другим важным техническим требованием, является возможность масштабирования программного пакета, то есть перенесения на более производительную аппаратную или программную платформу.

Что нам даст принципиально нового компьютерная трехмерная геологическая карта осадочного бассейна?

1. Любое геологическое тело можно рассмотреть в объемном виде отдельно (или в сочетании с любыми другими геологическими телами) с любой точки или проникнуть в его внутреннюю часть.

2. Можно сделать разрез по карте по любой поверхности.

3. Можно построить геологическую карту на любом глубинном срезе по любой поверхности.

4. Помимо границ геологических тел, можно ввести составы пород и литологические разности с их параметрами типа пористости. Отсюда сразу повышается эффективность прогнозов на поиски залежей углеводородов, других полезных ископаемых и прогнозы на миграцию воды. Стоит проблема, что нужно картировать не только естественно выделяющиеся “геологические тела В. Смита” - то есть тела определенного возраста, но и литологические тела (например, на континентальных склонах изохронные границы часто секут литологически единые тела), тела с равной пористостью, равными иными свойствами. А это все можно делать только на основе цифровой трехмерной геологической карты.

Трехмерное картирование осадочных бассейнов необходимо прежде всего для областей перспективных на углеводороды и другие полезные ископаемые. Эти районы должны иметь достаточно большое количество пробуренных скважин и сейсмических профилей, без этого карты будут обладать малой надежностью. Отметим, что многие районы Тимано-Печерского, Западно-Сибирского, Прикаспийского, Московского бассейнов, Волго-Уральской области имеют достаточную изученность, для того, чтобы в них было начато трехмерное картирование. К районами типа осадочных бассейнов можно приравнять и области траппового магматизма и кимберлитовых полей, которые имеются на Сибирской платформе. Например, район Норильска является отличным местом, где можно проводить такого рода работы.

Цифровая трехмерная карта для Москвы должна непрерывно совершенствоваться. Наши принципы построения трехмерных карт позволяют это делать. Как только появляется новая скважина, новое подземное сооружение - то новые данные, уточненные геологические границы, тут же вводятся и компьютер сам строит новую версию. То есть, необходимо иметь возможность непрерывного трехмерного картирования по мере поступления новых данных.

Для картирования районов какого-либо инженерного строительства можно помимо геологических границ и других обычных данных вводить любые другие параметры, характеризующие механические свойства пород.

Суть цифрового трехмерного картирования состоит в том, что мы вводим в цифровом виде исходные геологические данные, а с помощью пакета программ компьютер сам строит карту. Поэтому, как только мы получаем новые данные (например, пробурена новая скважина, пройден новый сейсмический профиль), то эти данные вводятся в компьютер и новая объемная карта сразу строится. Разумеется, может быть так, что новые данные приведут к существенному пересмотру структуры (например, будет установлен новый разлом, значительно изменивший понимание структуры, будет установлен диапир и т.п.). В этом случае будет необходимо проводить ревизию всех исходных данных.

Одна из основных проблем при трехмерном картировании - это написание пакета компьютерных программ, который можно широко использовать. Во многих странах мира (например, во Франции это национальная программа) такие пакеты активно разрабатываются. Ориентировочная цена одной установки программ - порядка 100 000 долларов США. Оптимальным для России является создание на базе МПР собственного пакета программ (тем более, что пока нет мировых стандартов, которые можно купить), и его распространение среди организаций МПР и с обучением работы на такого рода программах.

Однако, следует учесть, что, вероятно, в скором времени многие компьютерные фирмы разных стран составят пакеты аналогичных компьютерных программ. МПР придется решать проблему - либо покупать пакеты программ за рубежом по дорогой цене, либо пытаться разработать конкурентно способную программу самостоятельно. Второй путь кажется более перспективным, так как он позволит сэкономить большое количество денег.

Для трехмерных карт необходимы компьютеры большой мощности, которых пока в нашей геологической службе недостаточно. Но, учитывая быстрый прогресс компьютерной техники, можно надеяться, что через 2-4 года этой проблемы уже не будет.

Допустим, что мы уже имеем работающий вариант трехмерной цифровой геологической карты для осадочного бассейна. Каковы дальнейшие перспективы геологического картирования? Во-первых, как мы уже обсуждали выше, эти карты могут непрерывно совершенствоваться по мере поступления новой информации. А дальше - необходимо переходить к четырехмерному картированию - то есть, добавлять время. Мы должны будем шаг за шагом двигаться во времени назад и смотреть, как выглядела данная геологическая структура, например, 5, 10, 100, 500 млн. лет назад и строить “мультфильмы”, показывающие трехмерную историю района. Такого рода работы будут важны, например, для поисков скопления углеводородов, которые по мере геологической истории и новых фаз деформаций мигрировали в земных недрах. Восстановление объемной истории геологической структуры будет важным при поиске разных полезных ископаемых, которые могли мигрировать в пространстве, и которые могли быть смещены разрывными нарушениями.