Дисциплина: «Основы компьютерных технологий решения геологических задач»
Лекция_1
Предмет дисциплины и связь ее с другими науками. Роль компьютерных технологий в решении задач прикладной геологии
По мере совершенствования вычислительной техники и появления компьютеров на рабочих местах геологов, геофизиков и разработчиков, в нефтяной индустрии сформировалось новое прикладное направление – геологическое моделирование.
Сегодня все эти специалисты используют цифровые геологические модели – численные представления геологических объектов (осадочных бассейнов, месторождений, природных резервуаров) на сетках в пространстве 3Д.
В связи с расширением возможностей современных физико-химических методов, а также бурным развитием электронно-вычислительной техники, наблюдается широкое проникновение математических методов во все отрасли естественных наук, в том числе и в геологии.
Необходимость применения математических методов при обработке и обобщении геологических данных все острее ощущается и в таких дисциплинах, как палеонтология, стратиграфия, структурная геология, литология, петрография, и др., которые считались чисто описательными. Из года в год поток количественной информации возрастает, а визуальные методы анализа и обобщения эмпирических данных не обеспечивают извлечения из него всей возможной полезной информации, что снижает эффективность проведения геологоразведочных работ. Но это оружие будет эффективным лишь в том случае, если теоретическими основами математического моделирования геологических процессов и объектов овладеют широкие массы геологов.
Особенности использования математических методов в геологии и разведке.
Широкое внедрение математических методов в геологическую науку и практику сопряжено с рядом объективных трудностей. Геология принадлежит к описательным наукам. Экспериментальной основой в геологии являются полевые наблюдения и результаты их камеральной обработки, по данным которых строятся гипотезы и делаются теоретические обобщения. Геолог, как правило, лишен возможности проверять свои теоретические построения путем проведения эксперимента. Поэтому основные выводы опираются на представлениях о генезисе изучаемых явлений и основываются на интуиции геологов.
Система научных понятий в геологии и в математике не соответствуют друг другу. В математике они однозначны, логически совершенны и предельно лаконичны. В геологии же основная масса понятия неоднозначны и многоплановы. Каждый геолог определяет и описывает геологические явления с позиции собственного подхода к пониманию явления или предмета, вследствие чего описания лишены однозначности, отличаются сложностью и многоплановостью. Нетрудно заметить, что петрографические классификации горных пород не удовлетворяют требованиям математической логики, т.к. в основу ее положен комплекс различных признаков, которые сочетаются в сложной последовательности и взаимоотношениях. Геологи считают возможным использовать и используют математические методы для обработки и обобщения экспериментальных данных, причем формализации подвергается не вся геологическая наука, а только объект наблюдения. Такой процесс рассматривается как геолого-математическое моделирование, при выполнении которого гарантируется соответствие геологических и математических моделей.
Принципы и методы геолого-математического моделирования.
Моделирование как средство познания закономерностей широко используется в различных областях науки и техники. Понятие модели в настоящее врем, весьма обширны. Различают:
1. Физическое моделирование – процессы, происходящие в земной коре, используются в экспериментальной геотектонике, петрографии, геохимии и др.
2. Графическое - используется в геологии и в горно-маркшейдерском деле (карты, планы, графики). Модели в изолиниях признают – отражают морфологические свойства и внутреннее строение изучаемых объектов.
3. Математические модели – используются при изучении свойств, морфологии и строении геологических образований. Природные геологические системы не поддаются безупречному количественному описанию, вследствие чего строгое понятие закона заменяется при их изучении более широкие, хотя и расплывчатым понятием модели.
В отличие от закона, модель обеспечивает лишь приближенное представление о строении объекта. Любая модель позволяет судить не о всех, а только о тех свойствах системы, для осуществления которых осуществлялось моделирование.
Объектами моделирования могут быть отдельные участки земной коры, а также различные свойства природных геологических образований – пород, минералов, полезных ископаемых. В процессе моделирования познаются те свойства, знания которых необходимо для решения научных и практических задач.
Моделированию могут быть подвергнуты и процессы, происходящие в земной коре (условия формирования минералов, пород)
В качестве математических моделей используются символы и формулы, описывающие количественные взаимосвязи и закономерности распределения изучаемых геологических признаков.
Природные геологические объекты обладают рядом специфических особенностей, которые определяют методику их изучения:
1.Горные породы и содержащиеся в них полезные ископаемые скрыты в недрах и недоступны для непосредственного наблюдения;
2.Размеры изучаемых объектов несоизмеримо больше, чем размеры естественных или искусственных объектов, по которым производится их изучение;
3. Изучаемые объекты – обладают сложным внутренним строением.
Например:
Для изучения горных пород и полезных ископаемых, скрытых в недрах, следует применять сеть естественных и искусственных обнаружений. В качестве искусственных обнаружений используются разведочные горные выработки и скважины, по которым производятся геологические наблюдения, отбираются образцы и пробы для изучения свойств изучаемых объектов, положенных в основу геологических исследований.
Поэтому исходные данные имеют случайный характер.
Перечисленные особенности определяют основные принципы математического моделирования природных геологических образований и их свойств, которые сводятся к следующему:
Математическое описание свойств природных геологических объектов должно производится на основе системного подхода к оценке особенностей их внутреннего строения, для этого внутреннее строение объектов рассматривается как система, определяющаяся совокупностью множества условно однородных структурных единиц, которые выступают на данном уровне строения как элементы неоднородности. Не соответствие между размерами обнаружений и самих природных скоплений не дает возможности получить однозначного ответа, ведь фактические данные между пунктами наблюдений практически не могут быть получены.
1.В целом обобщенное суждение о структуре объекта производится на основании усредненных характеристик, вычисленных по группам пространственно-сближенных единичных наблюдений и моделировании характера изменчивости параметров объекта.
2. Природная сложность и недоступность геологических объектов, несовместимость их размеров с размерами отбираемых проб, ограниченность экспериментальных данных и прерывность сети наблюдений, и в конечном итоге эти данные представляют собой совокупность случайных величин, из-за чего большинство математических моделей в геологии строятся на вероятностной основе.
3. Выбор наиболее приемлемой математической модели определяется условием соответствия ее свойств свойством объекта моделирования.
Но поскольку полнота представлений о свойствах геологических объектов зависит от их природной сложности и детальности проведенных наблюдений, правильнее говорить о соответствии математической модели тому представлению геологов, которое вырабатывалось у них к моменту моделирования.
Практически это означает, что математические модели свойств геологических образований разрабатываются на базе типовых геологических моделей природных объектов и называются геолого-математическими.
Специфическая особенность геолого-математического моделирования – моделируются не истинные геологические структуры и свойства природных объектов, а изменчивость этих свойств. Характер этой наблюдаемой изменчивости зависит от природы явления, а также от методики и детальности проведенных геологических исследований.
Существуют одномерные, двухмерные и многомерные статистические модели.