Способ создания интегральной геологической модели для многоцелевого анализа природно-техногенных систем

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: 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. Создают интегральную модель геологического пространства. При этом при построении монокомпонентных моделей 3D дополнительно проводят ее верификацию на соответствие реальной геологической обстановке путем бурения скважин. При создании грида увеличивают или уменьшают количество ячеек. При создании интегральной модели геологического пространства определяют периодичность проведения мониторинговых измерений для создания постоянно действующей модели. Технический результат: повышение объективности в изучении техногенно-преобразованного геологического пространства, повышение обоснованности прогнозных решений, выявление новых (эмерджентных) свойств техногеосистемы. 3 табл., 4 ил.

 

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

Способ создания интегральной геологической модели для многоцелевого анализа природно-техногенных систем, 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, отличающийся тем, что при построении монокомпонентных моделей 3D дополнительно проводят их 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 постоянно действующей модели.