ТРЕХМЕРНОЕ ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ КАРТИРОВАНИЕ: ВВЕДЕНИЕ В ПРОБЛЕМУ

Отчет по проекту “Создание программного обеспечения для компьютерной объемной геологической карты (КОГК)”

выполняемым Геологическим факультетом МГУ для МПР РФ

1. Трехмерное геологическое картирование: введение в проблему.

1.1. Ретроспектива

Геологическое картирование, вероятно, является одним из древнейших занятий человека. В палеолите люди стали использовать камень как орудие труда, охоты, 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 всей поверхности. 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.

Для складчатых областей (особенно в рудных полях) было предложено рисовать геологическую карту на разных глубинных срезах. Этим методом, с расположением карты под картой как бы создавалась видимость объемной геологической структуры. И эта “видимость” усиливалась составлением большого количества разрезов. На геологическом факультете МГУ силами Казахстанской геолого-съемочной экспедиции такого рода работы проводились в Казахстане в районе г. Балхаш в 1970-1976 годах под общим руководством А.А. Богданова. Максимально что оказалось возможным добиться таким способом - это нарисовать объемную геологическую структуру на кубиках, из которых складывается, например, пятидесятитысячный лист на глубину до нескольких километров. В этом виде записи объемной геологической среды мы можем извлекая те или иные “кубики” рассмотреть геологическое строение того или иного участка на глубине, но только вдоль поверхностей нарезанных “кубиков”.

Для осадочных бассейнов их объемную структуру стало возможно рисовать в виде всевозможных изолиний. Но на плоскости нагромождение линий не позволяет четко анализировать объемную структуру. Тем более, если осадочный бассейн осложнен тектоническими структурами типа надвигов, имеет особые тела в виде рифовых или соляных массивов, то методы изолиний уже применимы с трудом и нужно привлекать методы построения, использованные для построения объемных карт методом глубинных срезов и тому подобное.

При широком применении компьютеров в современной геологии стало теоретически возможным рисовать объемные геологические карты для любой геологичеcкой среды на экране компьютера. Такого рода работы стали вестись примерно одновременно во многих странах Западной Европы и Америки, но пока они имеют коммерческий характер и не используются геологическим службами этих стран, а широко применяются в нефтяных и, вероятно, рудных компаниях. В настоящее время в мировой программной индустрии уже разработано несколько систем, обеспечивающих трехмерное представление геологических структур. Практически все они ориентированы на решение задач нефтегазовой геологии. В качестве примера можно назвать линейку програмных продуктов моделирования резервуаров (GeoSurf, GeoSim, Heresim, SimGrid, SimUp) французской компании Beicip Franlab, GMP (Stratamodel Inc., Texas), Petrel (Technoguide, Norway)). Такие программы могут осуществлять совмещение в трехмерном пространстве данным сейсмических профилей и скважин, а также строить поверхности слоев на основе таких данных. Геологическая структура в таких программах существенно трехмерна и обладает всеми преимуществами такого представления, кроме того в таких программах решаются многие задач нефтяной геологии в трехмерной структуре – термическая история, созревание углеводородов, миграция флюидов и т.д.

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:

Чрезвычайно высокая стоимость (минимальный порог стоимости – десятки тысяч USD, максимальная стоимость – 300-400 тыс., и ежегодная оплата технической поддержки – 10% от стоимости).
Высокие аппаратные требования – стоимость аппаратной части зачастую конкурирует со стоимостью программ.
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.

1.2. Основы трехмерного цифрового геологического картирования

Каковы принципы вероятного составления такого рода карт и что на них можно увидеть?

1. Основой для 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 плоскости;

- 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.

1.3. Перспективы

1.3.1. Картирование осадочных бассейнов

Осадочные бассейны имеют сравнительно простую геологическую структуру: пологое залегание слоев, небольшое количество разломов, малое количество интрузий. Структура осадочных бассейнов может быть осложнена соляными диапирами и рифовыми постройками, надвиговыми фронтами, клиноформным строением осадочных толщ и т.д. Основные данные, по которым изучается их геологическая структура - полевое описание обнажений и прослеживание горизонтов по площади, данные бурения, сейсмические профили разной глубинности, анализ аномалий гравитационного и магнитного полей, данные электроразведки. Как должна строиться трехмерная карта для осадочных бассейнов? Сначала берется геологическая карта поверхности как основа карты. Затем вводятся данные интерпретации бурения и сейсмических профилей с учетом других геофизических данных в виде границ картируемых геологических тел, там где это установлено. Затем с помощью компьютерных программ компьютер рисует в цифровом виде всю объемную геологическую структуру. Наиболее просто построить объемную геологическую карту для района где имеется трехмерная сейсмика.

Что нам даст принципиально новое 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 плоскости.

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.

1.3.2. Картирование складчатых областей

Складчатые области типа Урала имеют очень сложную геологическую структуру. Но многие рудные районы имеют достаточно большую степень изученности, что позволяет для них составлять трехмерные цифровые карты. Каждое геологическое тело фактически строится геологом на основе всех имеющихся данных, а компьютерные программы максимально согласовывают между собой геометрию всех тел и рисуют оптимальную геологическую структуру. Объемные цифровые карты нужны прежде всего для районов поисков руд, они помогут локализовать возможные участки скопления руд.

1.3.3. Картирование городов и важных инженерных сооружений

Города типа Москвы, С-Петербурга, инженерные сооружения типа крупных водохранилищ, значительных подземных конструкций и т.п. должны иметь объемные цифровые геологические карты. Например, в Москве имеется значительное количество подземных строений (типа метро), имеется значительная промышленность. Москва - это особая гидрологическая, инженерно-геологическая и экологическая система. Для Москвы, как и любого другого мегаполюса, необходима такая карта. Что должна содержать такая карта?. Границы всех естественно выделяемых “геологических тел В. Смита” - то есть тел определенного возраста (или, как принято - свит); границы всех литологических тел (так как любая свита может менять состав снизу вверх и фациально), например, песчаников, глин, известняков; зоны с разной пористостью, обводненностью, с разными геохимическими аномалиями, с разными механическими свойствами; подземные сооружения (типа метро). Такая карта нужна прежде всего разным службам города. Например, только на основе такой карты можно вести непрерывный мониторинг движения подземных вод в районе города, движения геохимических аномалий (прежде всего, для экологических задач). На основе такой карты можно вести проектирование любого строительства в городе, так как она содержит основные инженерно-геологические характеристики.

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.

1.3.4. Картирование для экологических и гидрогеологических целей

Существует много проблем, связанных с региональной экологией. Например, проблемы захоронения ядерных отходов и других вредных элементов, проблемы экологической безопасности возле нефтепроводов, проблемы загрязнения районов крупных индустриальных центров и так далее. Для этих экологически потенциально опасных мест необходимо строить детальные цифровые трехмерные геологические карты. Помимо обычных данных, в такие карты могут вводиться специальные параметры, контролирующие миграцию жидкости и газов. С помощью таких карт можно создавать модели потенциального движения экологически вредных элементов под поверхностью Земли. Трехмерные цифровые карты должны быть базой для экологического мониторинга потенциально опасных районов: можно вести непрерывное моделирование фильтрации флюидов по мере поступления новых геохимических замеров. Сходные проблемы решаются и для гидрогеологического анализа подземной среды.

1.4. Непрерывность составления цифровых объемных геологических карт

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.

1.5. Какова возможная стоимость цифровых трехмерных карт?

Сейчас трудно оценить стоимость такого рода карт. Но основные затраты - это ввод в цифровом виде всех имеющихся данных: геологическая карта поверхности, скважины, профили и так далее. Для осадочных бассейнов при картировании в масштабе 1:200 000 такого рода работы будут естественным дополнением к современному стандартному варианту, поэтому это не потребует больших дополнительных затрат. Для складчатых областей такого рода работы могут проводиться при поиске новых месторождений. Как правило, для таких областей уже имеется много данных в цифровом виде, что упростит задачу. Наиболее сложно сделать такую карту для города типа Москвы, так как необходимо вводить огромный объем известной информации, которая “разбросана” по разным организациям.

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 рубежем по дорогой цене, либо пытаться разработать конкурентно способную программу самостоятельно. Второй путь кажется более перспективным, так как он позволит съекономить 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.

1.6. Когда будет написан работающий пакет программ для МПР?

Написание пакета программ является трудно предсказуемым процессом. В настоящее время на геологической факультете МГУ после первого года работы уже написаны первые собственные работающие версии (А.В. Ершов, М.В. Коротаев, Ю.Н. Гольцов). Планируется завершить работы через 2 года. Затем, вероятно, будет необходимо составить первую цифровую объемную карту совместно с какой-либо организацией МПР.

1.7. Трехмерные цифровые карты - что дальше?

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 углеводоровод, 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.

1.8. Основные проблемы текущего дня

Наша группа, вероятно, в состоянии самостоятельно закончить написание пакета программ по трехмерному цифровому геологическому картированию. Главные проблемы - пакет должен хорошо работать, быть удобным для работы, и быть конкурентноспособным на отечественном рынке (с учетом того, что на нашем рынке могут появится аналогичные по задачам пакеты программ других стран или организаций). Поэтому, мы считаем, что написание такого рода пакета программ является одним из основных приорететов МПР. Пакет такого рода программ нужен не только для федеральной геологической службы, но и для государственных газовых и нефтяных компаний, для экологических служб, для служб больших городов и т.д. Пакет программ должен иметь выход и на гидрогеологические и экологические задачи и другого рода проблемы. Вероятно, учитывая важность поставленных задач, необходимо организовать особый Совет из представителей МПР и МГУ (по крайней мере) для возможности быстрого решения проблем по мере написания пакета программ. Повидимому, для ускорения работ, с 2001 года будет необходимо опробовать пакет программ для одной из картируемых территорий осадочного бассейна (например, вместе с Аэрогеологией).

2. Компьютерная геологическая объемная карта: концепция и реализация.

2.1. Основные принципы компьютерной объемной геологической карты

В настоящее время существует определенное противоречие между действительной структурой геологических тел и возможностями ее “запечатления” на твердых носителях. С одной стороны, геологическая структура существенно трехмерна. С другой стороны, геологическая карта, которая служит для представления геологической структуры, - двумерна. Она представляет собой сечение трехмерной структуры поверхностью рельефа или какой-либо подземной поверхностью. Таким образом, для представления трехмерной структуры используется ее двухмерный срез, что зачастую не позволяет адекватно описать необходимую информацию. Данный недостаток восполняется путем добавления к геологической карте геологических разрезов – некоторых представительных вертикальных срезов (одномерных - скважин или двухмерных - профилей) геологической структуры. Однако слишком часто всего этого оказывается недостаточно.

Следует отметить, что геолог в процессе работы имеет в голове именно трехмерную картину, которую затем преобразует в вышеописанный двухмерный срез, для того, чтобы записать имеющуюся в голове информацию на твердый носитель. При этом необходимо происходит потеря некоторой части информации. До недавних пор эта потеря воспринималась как неизбежные накладные расходы, однако в последнее время возникла надежда решения этой проблемы, связанная с бурным развитием компьютерных технологий. То, что было невозможно сделать на бумажных носителях, оказывается возможным реализовать с использованием носителей электронных. Более того, компьютерные технологии позволяют не только хранить и адекватно представлять трехмерную информацию (то есть то, что геолог делает в уме), они позволяют производить расчеты, на которые не способен человек. В первую очередь значительный шаг был сделан благодаря использованию ГИС-технологий.

Однако, 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.

С точки зрения программной реализации - наиболее удобной представляется модульная организация программного пакета, что обеспечивает удобство разработки, модификации и последующей поддержки программного пакета, а также дает возможность его масштабирования и расширения. Вторым, помимо модульности, основным принципом, положенным в основу разработки, должен быть принцип открытости приложения, то есть совместимости пакета на уровне экспорта-импорта с другими распространенными приложениями, что позволяет совместно использовать несколько пакетов, значительно расширяя, таким образом, круг применимости, и легко интегрировать его в уже существующий технологический процесс обработки данных.

2.2. Структура программного пакета “ГеолОК”.

Указанные выше принципы реализованы в разрабатываемом нами программном пакете геологической объемной карты “ГеолОК”. Ниже описана общая структура программного пакета.

Программный пакет компьютерной объемной геологической карты содержит следующие элементы (см. рис.): модуль ввода и база первичной информации; модуль расчета, интерполяции и анализа трехмерной структуры на основании первичных данных; БД трехмерной геологической структуры; модули вывода и представления; модуль пространственного анализа и выборки в трех измерениях. Дополнительные модули обеспечивают восстановление истории погружения и деформации структуры во времени; моделирование разнообразных процессов, протекающих в процессе этой эволюции, таких как теплоперенос, фильтрация флюидов, нефегазообразование и т.

Модуль ввода исходных данных обеспечивает ввод численных и текстовых данных (разрез скважины или сводный разрез по полевым наблюдениям), импорт картографических данных наиболее распространенных форматов (таких как форматы AutoCAD, ARC/INFO, ПАРК) редактирование введенных данных и карт, назначение атрибутов графическим объектам. Важной задачей, решаемой на этапе ввода, является датировка слоев и границ, которая может быть основана как на единой геохронологической шкале так и на существующей схемы стратиграфической разбивки к подразделениям листа Госгеолкарты-200 (с возможностью перехода между ними). Разрабатываемый пакет не дублирует функции ввода и хранения картографической информации существующих ГИС и, таким образом, не конкурирует с ними. Он направлен на решении собственных задач и использует ГИС в качестве источника исходного материала и средства для представления выводимых результатов.

Введенные первичные данные хранятся в базе данных фактического материала, содержащей информацию о скважинах (мощность, литология, возраст слоев, расположение скважин и др.); профилях и сейсмогеологических разрезах (положение и геометрия геологических и сейсмогеологических границ, возраст и литология и др.); геологическую карту и карту рельефа; карты геофизических полей; структурные карты.

Модуль интерполяции, обеспечивает увязку данных, полученных из БД первичного материала в единую систему поверхностей в трехмерном пространстве. Важными особенностями являются возможность пред-интерполяционной обработки исходных данных экспертом (предварительной принципиальной интерпретации исходного материала); возможность выбора методов интерполяции и редактирования параметров интерполяции; возможность пост-интерполяционного редактирования трехмерной структуры.

Информация о трехмерной структуре сохраняется в базе данных трехмерной структуры, содержащей обработанную (интерполированную) информацию о трехмерной морфологии литологических тел, изохронных поверхностей и разрывных нарушений, а также об их геологическом наполнении. Важной отличительной чертой является возможность иметь несколько моделей одновременно. Недостаток исходных данных приводит к неоднозначности интерполяции, в результате чего каждая из моделей является в известном смысле “авторской”, то есть в ней, кроме исходных данных, заложены еще и представления геолога о трехмерной структуре. Еще одной важной особенностью является возможность проверки “обоснованности” трехмерной структуры первичным материалом.

Для просмотра и вывода на печать информации, хранящейся в базе трехмерной структуры, используется модуль вывода, позволяющий построить геологический разрез вдоль произвольной выбранной линии; карту какой-либо поверхности в изолиниях; изображение поверхности с возможностью изменения режима просмотра; карту-срез по выбранной глубине.

При наличии цельной трехмерной структуры геологического объекта становится возможным использование дополнительных модулей, предназначенных для восстановления истории погружения, осадконакопления, деформаций, расчета скорости миграции флюидов, палеотемператур, нефтегазогенерации.

Пакет разрабатывается для использования при геологическом картировании двухсоттысячного и миллионного масштаба. Однако, знание трехмерной геологической структуры необходимо и в других областях, таких как нефтегазоразведка, поиск и разработка месторождений твердых полезных ископаемых, инженерные работы в больших городах, экологическое моделирование. Применение пакета в вышеуказанных областях ограничивается огромными вычислительными затратами, необходимыми для расчета и анализа трехмерной структуры требуемой детальности. В связи с этим, параллельно с разработкой основного модуля интерполяции работа ведется и над распараллеливанием использованных там алгоритмов. Соответствующий модуль может быть реализован на Linux-кластере (или как иногда говорят Beowulf-кластере) по технологии, разработанной в рамках проекта Beowulf (более подробную информацию см. http://parallel.ru). Это позволяет увеличить производительность при относительной дешевизне и сохраняет возможность постоянного наращивания вычислительных ресурсов. Немаловажной особенностью является и возможность использования всей имеющейся под рукой вычислительной техники, как “современной” так и “морально устаревшей”.

3. Программный пакет “ГеолОК”: текущее состояние разработки.

3.1. Введение

Пакет разрабатывается Геологическим факультетом МГУ им. Ломоносова (руководитель проекта проф. А.М. Никишин, основные разработчики А.В. Ершов, М.В. Коротаев, Ю.Н. Гольцов) для МПР РФ. Разработка началась в 2000 году.

В течение первого года основное внимание было сосредоточено на разработке модулей осуществляющих “невидимую глазу” техническую работу, только при наличии которых возможно перейти к выполнению смысловой части проекта. В частности была разработана структура баз данных первичной информации и трехмерной геометрии, написаны основные части модулей ввода первичной информации и просмотра трехмерной структуры. Модуль интерполяции на текущий момент позволяет реконструировать только простейшие геологические структуры: моноклиналь и простую складку.

Далее кратко описаны основные результаты, полученные в течение первого года работы над проектом.

3.2. База данных первичного материала: ГеолОК.Перинфор / GeolOK.Perinfor.

Базы данных (БД), предназначенные для хранения первичной информации, делятся на два типа – 1) специализированные БД для скважин, профилей, карт и 2) словари для хранения общей информации: библиографических ссылок, рисунков, названий геологических организаций и др.

БД реализованы в СУБД Interbase. БД создаются с помощью запросов на языке SQL. Текст запросов, содержащий детальное описание полей каждой таблицы, находится в Приложении 4.1. Краткое описание информации, содержащейся в БД, приведено ниже.

В БД первичной информации используются следующие таблицы-словари:

formation – словарь свит, включающий название свиты и возраст ее нижней и верхней границ;

lithotype – словарь литотипов;

logtype – словарь типов каротажных диаграмм;

dbtype – словарь типов баз данных;

probetype- словарь типов проб;

bibliography – библиографическая база данных, содержащая информацию об авторе, названии работы, выходных данных книги;

БД по скважинам включает следующие таблицы:

well – таблица общих данных о скважине, содержащая информацию о положении, глубине, организации проводившей бурение, местонахождении керна и первичного описания скважин, а также уникальный идентификатор скважины, на который ссылаются все записи базы, имеющие отношение к этой скважине;

wbore – данные по стволу скважины;

wboreprofile- данные по профилю стволов скважин (если их несколько);

wboundary данные о геологической границе, ее типе, свитах сверху и снизу, положении границы в пространстве (азимут и угол падения);

wlayer в таблице содержатся данные о слое пород и ссылки на геологические границы, ограничивающие этот слой;

wllithology – таблица литологии, содержащая ссылку на словарь литотипов и процентное содержание каждого литотипа в слое;

wlog – таблица каротажных диаграмм, содержащая общие данные о каротажной диаграмме ссылки на скважину, по которой получена каротажная диаграмма, данные об установке, операторе и интерпретаторе каротажной диаграммы, ссылку на изображение каротажной диаграммы;

wlogprofile таблица значений замеров в каротажной диаграмме;

wfossil таблица определений фауны в скважине, содержит ссылку на скважину и глубину отбора, определение фауны и автора определения;

wpicture- общая база изображений – как зарисовок, так и каротажных диаграмм скважины, содержит название файла изображения, путь к файлу, краткое описание рисунка.

Связи между таблицами описаны в тексте SQL запросов, приведенных в Приложении 4.1.

БД по профилям включает следующие таблицы:

pprofile – таблица, содержащая общие данные о профиле, полное и сокращенное название профиля, тип профиля, метод для профилирования, устройство, оператор устройства, геолог- интерпертатор, место хранения записи, комментарии, заметки об основаниях для интерпретации;

profiletype – ссылка на использованный геофизический метод для проложения профиля

(ссылка на таблицу profilemethod);

ppicture таблица с информацией о изображениях, относящихся к профилю (сейсмическая запись, геологическая интерпретация и т.д.);

pboundary таблица, содержащая данные о положении границ на профиле (долгота, широта, глубина, расстояние от начала профиля);

pboundarytype – таблица типов границ;

pintrusion –таблица с положением интрузивных тел;

pfault – таблица с положением разрывных нарушений (аналогична по структуре таблице pintrusion);

psecchng – таблица вторичных изменений (аналогична по структуре таблице pintrusion);

ppmeet – таблица положения точек встречи профилей (cодержит ссылки на первый и второй профиль, координаты точки встречи, дистанцию от начала первого профиля) ;

pwmeet - таблица положения точек пересечения профилем пробуренных скважин (содержит ссылки на профиль и скважину, координаты точки встречи, дистанцию от начала профиля).

Связи между таблицами описаны в тексте SQL запросов, приведенных в Приложении 4.1.

БД геологических карт и карт изолиний хранит всю необходимую информацию в формате GEN+DBF. Этот формат используется для экспорта картографической информации во всех основных существующих сегодня ГИС и является обязательным при предоставлении цифровой модели листов государственной геологической карты масштаба 1:200000 в НРС и ГБЦГИ (Требования ..., 1999). Таким образом оказывается возможным без каких-либо дополнительных затрат использовать всю информацию, накопленную геологическими организациями при выполнении госгеолсъемки-200.

3.3. Модуль ввода: ГеолОК.Перинфор / GeolOK.Perinfor.

Модуль ввода первичной информации организован в виде единого приложения с тремя формами для ввода информации по скважинам, профилям и картам. Поля ввода каждой из форм разбиты на несколько смысловых групп, доступ к которым осуществляется с помощью соответствующих с закладок. В целом, каждая закладка соответствует одной таблице базы данных. Для подключения словарей служит дополнительная форма, определяющая взаимодействие словарей с основными таблицами.

Модуль ввода первичной информации по скважинам содержит следующие закладки:

“Скважина” - общие данные о скважине,

“Слои” - глубинная привязка, стратиграфическая привязка и литология слоев скважины

“Каротажная диаграмма” - имеющиеся каротажные диаграммы в растровом или векторном формате с привязкой по глубине,

любые рисунки, представленные в формах, (в частности каротажные диаграммы) можно просмотреть в увеличенном формате,

“Пробы” - любые замеры параметров в скважине, как то температура, пористость, химический состав пород или флюида и т.п.

“Рисунки” - изображения любого типа, имеющие отношение к данной скважине, как например, литологическая колонка, схема расположения стволов скважины и др.,

“Фоссилии” - описание, таксономическое определение и глубинная привязка находок ископаемой флоры и фауны,

“Библиография” - ссылка на отчет или публикацию, содержащие данные о данной скважине

Модуль ввода первичной информации по профилям содержит следующие закладки:

“Общие данные” - общая информация о профиле,

“Литология” - литологический состав и стратиграфическая привязка слоев

“Изображение” -

“Точки пересечения”

“Геологические тела” - графическое представление .... векторное изображение геологических тел,

Ниже представлены два примера форм для ввода словарей – словаря свит и литологического словаря:

форма ввода и редактирования словаря свит

форм ввода и редактирования словаря литологии

Для импорта информации из векторизаторов или ГИС, как например двухмерные геологические разрезы, каротажные диаграммы, геологические карты или карты в изолиниях и др., используются конвертер, понимающий форматы DAT, GEN+DBF, DXF. Конвертер обладает дружественным к пользователю интерфейсом

Конвертер осуществляет преобразование в необходимый для работы программы формат, проверку и коррекцию, если возможно, топологии, сдвиг и масштабирование.

3.4. База данных трехмерной геологической структуры: ГеолОК.Триада / GeolOK.Triada.

База данных трехмерной геологической структуры хранит информацию о пространственной

геометрии геологической среды. БД включает информацию об 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. БД включает следующие модули: БД трехмерной модели (общая информация о модели, автор, дата создания и модификации, примечания), БД слоев (геометрия, литология, абсолютный возраст, петрофизические свойства), БД разрывов (геометрия, возраст, заполнение), БД интрузивов (геометрия, состав, абсолютный возраст, петрофизические свойства), БД зон вторичных изменений (геометрия, тип изменений, возраст), таблица привязки первичной информации, обеспечивающая возможность обратной связи с БД первичной информации, БД пространственного распределения материальных параметров. Внутренний формат БД трехмерной структуры является закрытым, экспорт-импорт осуществляется с использованием специальных процедур через DBF, DAT, DXF или shape файлы. Процедуры находятся в стадии разработки.

3.5. Модуль интерполяции: ГеолОК.Интерпол / GeolOK.Interpol.

Модуль интерполяции обеспечивает увязку данных, полученных из БД первичного материала в единую систему поверхностей в трехмерном пространстве. Принципиальной особенностью является “человеко-машинный” алгоритм, заложенный в основу работы данного модуля. Это означает, что пользователю дается почти полный контроль над тем, что получается в результате интерполяции. Этот контроль осуществляется с помощью возможности принципиальной пред-интерполяционной интерпретации структуры и пост-интреполяционной коррекции ее параметров. С одной стороны, этот подход обеспечивает возможность геологу наиболее полно реализовать свою концепцию трехмерной структуры, но, с другой стороны, интерполяция, выполненная разными людьми, может дать в корне отличные результаты. Поэтому, БД трехмерной структуры предусматривает возможность поддержки нескольких “авторских” вариантов трехмерной структуры для одной и той же области.

На текущем этапе модуль интерполяции позволяет реконструировать трехмерную структуру для двух основных элементов: моноклинали и простой складки.

Интерполяция производится в пределах пространственной области (на данном этапе - параллелепипеда), заданной пользователем, на основании геологической карты, карты рельефа, данных отдельных скважин и геологических разрезов, построенных из интерпретации сейсмических профилей.

Угол падения моноклинали находится автоматически из пространственной геометрии геологических границ (по принципу аналогичному правилу пластовых треугольников) и заданным в отдельных точках элементам залегания. Пользователю предоставляется возможность (в определенных пределах) скорректировать угол падения моноклинали.

Понятие “простой” складки включает следующие ограничения:

один структурный этаж;
нет наложения (интерференции) складок;
осевая поверхность складки ни в одной точке не становится горизонтальной, то есть складки не лежачие и не ныряющие;
складки не веерообразные.

Пользователю предоставляется возможность вручную задавать и корректировать геометрическую форму реконструируемой складки с помощью задания следующих параметров:

вид складки по соотношению мощностей на крыльях и в замке (если мощность изменяется – то задается коэффициент изменения мощности):

концентрическая
подобная
синклинальная
антиклинальная

вид замка

угол
сплайн
коробка

осевая линия складки на карте
наклон осевой поверхности в нескольких точках
шарнир какой-либо геологической границы в складке на карте
вертикальная координата шарнира какой-либо поверхности
соотношение относительных размеров крыльев и замка складки

3.6. Модуль просмотра трехмерной структуры: ГеолОК.Триадоскоп / GeolOK.Triadoscope

Модуль просмотра трехмерной структуру позволяет просмотреть избранные поверхности трехмерной структуры с любого положения в пространстве и под любым углом,

сделать произвольное количество разрезов трехмерной структруры вертикальными, горизонтальными или наклонными плоскостями,

выбрать отдельное геологическое тело и посмотреть на него с разных сторон.

4. Приложения.

4.1. Текст SQL запросов, создающих таблицы БД первичной информации.

create table well

(

well_id integer not null,

nick char(20),

name char(60),

type integer,

datebeg date,

dateend date,

whodrill integer,

describer char(20),

storage integer,

source char(50),

lon float,

lat float,

alt float,

depth float,

author char(20),

note blob,

primary key (well_id)

)

create table wbore

(wbore_id integer not null,

well_id integer,

profile_id integer,

num integer,

datebeg date,

dateend date,

note char(100),

picture char(100),

primary key (wbore_id),

foreign key (well_id)

references well (well_id),

foreign key (profile_id)

references Wbprofile (id)

)

create table Wbprofile

(

id integer not null,

wboreid integer,

nextid integer,

previd integer,

x float,

y float,

z float,

primary key (id))

create table Wboundary

(

id integer not null,

well_id integer,

depth float,

Frmabove char (30),

Frmbelow char(30),

Type integer,

azimuth integer,

angle integer,

primary key (id),

foreign key (well_id)

references well (well_id)

)

create table Wlayer

(

id integer not null,

well_id integer,

BndAbove integer,

Bndbelow integer,

formation integer,

Note char(100),

primary key (id),

foreign key (BndAbove)

references Wboundary(id),

foreign key (BndBelow)

references Wboundary(id),

foreign key (formation)

references formation(id)

)

create table WLLithology

(

id integer not null,

Wlayer_id integer,

lithotype integer,

perc float,

primary key (id),

foreign key (lithotype)

references lithotype(id)

)

Create table WLog (id integer not null,Well_Id integer,Bore_Id integer,Type integer,note char(100),Operator char(20),Device char(40),Picture integer,

Profile_id integer,

primary key (id),

foreign key (well_id)

references well (well_id),

foreign key (type)

references Logtype (id),

foreign key (picture)

references wpicture (id)

)

Create table WLProfile

(

Id integer not null,

WLog_Id integer,

Type Char(1),

NextID integer,

z float,

v float,

primary key (id),

foreign key (WLog_id)

references Wlog(id),

foreign key (NextId)

references WLProfile(id)

)

Create table WProbe

(

Id integer not null,

WellId integer,

Type char(1),

z float,

v float,

primary key (id),

foreign key (wellid)

references well(Well_id)

)

create table Wfossil (ID integer not null,Wellid integer,z float,description char(255),taxonomy char(255),Author char(20),primary key (id),foreign key (wellid)

references well(Well_id)

)

create table WPicture

(

ID integer not null,

DBtype integer,

DBID integer,

NextID integer,

description char(255),

path char(255),

file_name char(255),

Image char(255),

primary key (id),

foreign key (DBtype)

references DBtype(id)

)

create table Bibliography

(

Author char(255),

year integereger,

name char(255),

Bibliotek char(100),

keywords char(255),

note BLOB,

Type char(10),

city char(50),

Publisher char(50),

pages char(10),

volume integer,

number integer,

numtables integer

)

create table formation (id integer not null,name char(60),note char (255),Agebeg float,Ageend float,primary key (id))create table lithotype (id integer not null,name char (100),

primary key (id)

)

create table Logtype

(

id integer not null,

name char (100),

primary key (id)

)

create table DBtype

(

id integer not null,

name char (100),

primary key (id)

)

create table PProfile (ID integer not null,Nick char(20),

Name char(100),

ptype integer,

method integer,

device char(50),

Datebeg date,

dateend date,

whomade char(100),

Processor char(100),

Interpreter char(100),

Comment char(200),

Storage char(100),

Source char(200),

Note BLOB,

author char(100),

primary key (id),

foreign key (ptype)

references profiletype(id),

foreign key (method)

references profilemethod(id)

)

create table profiletype

(

Id integer Not Null,

name char(100),

primary key (id)

)

create table profilemethod

(

Id integer Not Null,

name char(100),

primary key (id)

)

create table PPicture

(

ID integer not null,

ProfileID integer,

NextID integer,

description char(255),

path char(255),

file_name char(255),

Image char(255),

primary key (id)

)

create table PBoundary

(

Id integer Not Null,

ProfileId integer,

Dist float,

Depth float,

Lon float,

Lat float,

BType char(1),

primary key (id),

foreign key (BType)

references boundarytype(id)

)

create table boundarytype

(

Id integer Not Null,

name char(100),

primary key (id)

)

create table PIntrusion (Id integer Not Null,ProfileId integer,Dist float,Depth float,

Lon float,Lat float,Type char(1),primary key (id),foreign key (type)references boundarytype(id),foreign key (profileID)

references Pprofile(id)

)

create table PFault

(

Id integer Not Null,

ProfileId integer,

Dist float,

Depth float,

Lon float,

Lat float,

Type char(1),

primary key (id),

foreign key (type)

references boundarytype(id),

foreign key (profileID)

references Pprofile(id)

)

create table PSecChng

(

Id integer Not Null,

ProfileId integer,

Dist float,

Depth float,

Lon float,

Lat float,

Type char(1),

primary key (id),

foreign key (type)

references boundarytype(id),

foreign key (profileID)

references Pprofile(id)

)

create table PPMeet

(

Id integer Not Null,

profId integer,

prof2id integer,

Lon float,

lat float,

Dist float,

primary key (id),

foreign key (profId)

references PProfile(id),

foreign key (prof2id)

references Pprofile(id)

)

create table PWMeet

(

Id integer Not Null,

profId integer,

wellid integer,

Lon float,

lat float,

Dist float,

primary key (id),

foreign key (profId)

references PProfile(id),

foreign key (wellid)

references well(well_id)

)