Автоматизация построения ФГМ с помощью ЭВМ

Физико-геологическая модель по существу является универсальным конечным продуктом геолого-геофизических исследований, аккумули­рующим всю информацию выполненных на объекте исследований, необходимую для проектирования комплекса работ на различных стадиях поисков и разведки. Кроме того, представление ее инфор­мационной базы в форматах, приемлемых для ЭВМ, позволяет автоматизировать управление геолого-геофизическими исследованиями на всех стадиях геологоразведочных работ.

Оперирование частными моделями на ЭВМ при формировании физико-геологических моделей требует в первую очередь представле­ния их в виде числовых математических моделей, имитирующих реальные объекты или механизмы функционирования. Числовые математические модели, характеризующие проявление природных объектов в физических полях, задаются либо набором значений физических полей или числовых характеристик в закоординированных точках реальных наблюдений, либо в виде числовых значений в узлах равномерной сети заданных размеров.

Для представления в числовом виде моделей материального и материально-энергетического проявления природных тел, отобража­емых в качественных шкалах, Л. А. Верховская и Е. П. Сорокина выделяют следующие этапы.

1. Построение моделей представления. Изучаемые объекты преоб­разуются в представлении исследователя в идеализированный объект — заместитель: зарисовки, карты, схемы, таблицы, словесные описания (М. И. Жуков, 1978).

2. Формирование понятийных моделей — гносеологических конст­рукций, в которых в качестве элементов и свойств выступают геологические понятия (минералы, породы, трещиноватость и т. п.), а отношения (связи) строятся на обычном разговорном языке.

3. Математическое (числовое) моделирование, где элементы и свой­ства заменены математическими категориями — переменными, кон­стантами, параметрами.

В основу функциональной схемы формирования ФГМ с помощью ЭВМ, разработанной В. Д. Борцовым, И. П. Протасьевым, В. П. На­умовым и др., положена идея составления системы моделей, от­ражающих особенности объемного геологического строения изуча­емого пространства недр и закономерности размещения оруденения. Принципы построения функциональной схемы формирования ФГМ базируются на организации взаимоувязанных технологических линий, обеспечивающих решение задач основных этапов построения ФГМ, и представлении технологических линий набором функциональных модулей (программ). Эти модули связаны единством внутримашинного представления информации в виде векторов структуры:

N_i; x_i, y_i, z_{i ;}; p_1, p₂, p₃,..., p_n,

где N_i —номер обрабатываемой информационной единицы (профиль, пикет, маршрут, скважины и т. п.); x_i, y_i, z_i —координаты точек измерений, отбора проб, определения признаков и т. п. в заданной системе координат; p_1, p₂, p₃,..., p_n,— анализируемые признаки.

Функциональная схема включает следующие технологические линии.

1. Технологическая линия формирования информационной базы со­стоит из модулей (программ), обеспечивающих выполнение операций:

- ввод и корректировка исходной информации, представленной на машинных носителях (перфолентах, магнитных лентах, кассетах твердой памяти) в виде записей, матрицы, пространственной матрицы, векторной записи, векторной матрицы, пространственной векторной матрицы;

- формирование рабочих массивов заданной структуры в случае многократного ввода исходных массивов разной длины или с неодинаковым порядком представления параметров (признаков) в наборе;

- определение местоположения точек измерения в пространстве;

- обработка информации, заключающаяся в вычислении парамет­ров по результатам измерений, введение поправок за влияние мешающих факторов (рельеф, рыхлые отложения, вариации физических полей, нестабильность аппаратуры и т. п.); для осуществления всех этих операций разработаны соответствующие пакеты программ;

- формирование объемных числовых моделей по каждому из введенных в ЭВМ или вычисленных параметров, признаков или комплексу параметров, признаков; массив, описывающий объемную числовую модель в пределах изучаемого пространства, представляется в виде набора векторов в матричной форме.

2. Технологическая линия изучения объемного строения физических полей и предварительной оценки параметров аномалиеобразующих объектов включает две группы операций: анализ по отдельным полям и комплексный анализ физических полей.

Анализ по отдельным полям осуществляется путем выпол­нения следующих операций:

- формирование рабочих массивов (матриц) с помощью включе­ния в пакет программ модулей, обеспечивающих организацию рабочих массивов на заданных плоскостях, интерполяцию и, в случае необ­ходимости, выполнение действия по организации закраин необходимых размеров у рабочих массивов;

- оценка компонентности поля и размеров фильтров для раз­деления эффектов аномалиеобразующих объектов различных классов — с помощью способов вычисления коэффициента автокорреляции, отражающего статистическую характеристику степени изменчивости физического поля в выбранном направлении или по площади (Б. А. Андреев, И. Г. Клушин), спектрального анализа, базирующегося на известном положении о возможности представления любой пери­одической функции в виде пары преобразований Фурье, а непери­одической—интеграла Фурье (А. А. Харкевич), и графического способа оценки структуры поля, основывающегося на изучении зависимости средних значений аномалий от радиуса усреднения (И. Г. Клушин);

- фильтрация полей с помощью пакета программ, реализующих методы усреднения (А. Н. Тихонов, Ю. Д. Буланже), пересчета поля в верхнее и нижнее полупространство (В. Н. Страхов), вычисления вариаций, сглаживания аномалий (Б. А. Андреев, В. Гриффин), вычис­ления остаточных аномалий по способу О. Саксова и К. Нигарда, вычисления вторых- производных, а также методы естественных ортогональных функций (Н. А. Багров и др.), являющихся частным случаем линейного ортогонального преобразования, частотной фильтрации (Н. В. Гладкий) (использование частотных фильтров с со­ответствующими частотными характеристиками), сглаживания и вы­равнивания аномалий (фильтрации высокочастотных слабокоррелиру­ющихся помех на основе аппроксимации выделяемой аномалии рациональным комплексом);

- изучение структуры физического поля в заданной плоскости (для уточнения контуров аномалиеобразующих объектов и оценки глубины их расположения) с помощью программного обеспечения на базе таких методов, как метод аналитического продолжения потенциальных полей в нижнее и верхнее полупространство (В. Н. Страхов, И. А. Жаворонкин) (для оценки глубины верхней кромки аномалиеобразующего объекта), и методов, основанных на аналитическом продолжении полного нормированного вертикального градиента (В. М. Березкин, М. А. Киричек);

- районирование физических полей (разделение изучаемой тер­ритории на однородные участки) на базе использования основных характеристик случайных функций, к числу которых относятся оценки математического ожидания, дисперсии и некоторые параметры ав­токорреляционной функции, получаемые по «скользящему окну» (А. Н. Кленчин).

Комплексный анализ физических полей включает опе­рации:

- оценка корреляционных связей и свертка полей с помощью пакета программ «Факторный анализ», реализующих нормирование (стандартизацию), метод главных компонент и собственно факторный анализ для выявления моногенных и гетерогенных полей, получения представления о районировании полей;

- районирование территории по комплексу физических полей на основе метода естественных ортогональных функций (ЕОФ) (А. Н. Кленчин, 1977), с помощью которого достигается снижение размерности признакового пространства за счет использования лишь нескольких наиболее весомых комплексных параметров.

3. Технологическая линия составления петрофизических моделей предусматривает:

- изучение характеристики физико-химических свойств пород и руд, построение опорных петрофизических разрезов, выделение границ по физико-химическим свойствам, вещественному и химичес­кому составу соответственно, оценку эквивалентности источников аномалий геологическим телам, а также проявлениям различных процессов (метаморфизма, метасоматоза и т. п.), установление кор­реляционных связей между физико-химическими свойствами и вещест­венным составом пород и руд (М. М. Чагин, В. В. Волкович);

- построение петрофизической модели — формирование петрофи­зической модели на плоскостях с результатами районирования по статистическим признакам, массивами геологических признаков, опи­сывающих геологическую ситуацию (А. Н. Кленчин и др., 1977); составление нулевого приближения объемной частной петрофизической модели с использованием всей суммы геологических и геофизических данных по оценке параметров и глубин залегания аномалиеобразу­ющих объектов, информации по объемному строению физических полей, а также наблюденных физических полей и их составляющих.

4. Технологическая линия формирования и оптимизации математичес­ких моделей включает такие операции: представление аномалиеоб­разующих тел, в том числе и трехмерных, элементарными геомет­рическими фигурами и точечными источниками; рассмотрение физико-геологической модели как единой системы взаимоувязанных частных моделей. Оптимизация петрофизических моделей исходит из пред­ставлений о том, что контуры любого естественного или целевого геологического тела можно описать замкнутой или незамкнутой кусочно-гладкой поверхностью, что незамкнутая поверхность (напри­мер плоскость разлома) может быть задана трендом, замкнутая поверхность (двух-, трехмерных тел) — контурами сечений, образу­ющими боковой поверхности. Пределы отклонения границ при аппроксимации математической модели элементарными фигурами должны определяться качеством и количеством исходной информации, масштабом исследований и поставленными задачами. Технологическая линия содержит блок из модулей, обеспечивающих решение прямой задачи — вычисление прямых эффектов от заданных элементов в рас­четных точках (по алгоритмам Г. Г. Кравцова, И. А. Непомнящих, В. Н. Страхова, Г. Г. Ремпеля и др.).

5. Технологическая линия — прогнозирование на базе ФГМ включает операции: формирование и постоянная корректировка по мере поступ­ления новой информации типизированных объемных ФГМ и объемных ФГМ областей прогноза различного иерархического уровня; форми­рование массивов признаков по плоскостям, характеризующим различные уровни типизированных моделей и областей прогноза по простиранию и падению рудных объектов (используются только признаки, несущие информацию о закономерностях размещения оруденения); последовательное использование в качестве эталонных объектов признаковых уровней типизированных объемных моделей, обеспечивающих на плоскости оценку контуров перспективного участка и его уровень в рудной колонне и в объемной модели — контуры объема перспективного на обнаружение оруденения с оценкой его положения в рудной колонне.

Формирование типизированных моделей включает: а) оценку ин­формативности и выбор признаков (используются такие критерии, как энтропия, дисперсия, стандарт, или количество взаимной инфор­мации, коэффициент эффективности); б) классификацию моделей, от­носимых к типизированным (с помощью программ таксономии); в) выбор признаков, общих для выделенного класса (с применением методов, реализующих задачу распознавания образов по эталонам). Оценка перспективных объемов предусмотрена для двух ситуаций — в пределах хорошо изученной территории, когда можно сформировать эталоны рудных и безрудных участков, и в пределах недостаточно изученной территории, когда заведомо безрудные эталоны выделить не удается. В первом случае задача эффективно решается с помощью алгоритмов и программ распознавания образов, во втором — с помощью алгоритмов и программ, реализующих количественный метод, основанный на математическом аппарате теории информации, предложенный М. М. Чагиным (1977).

Организация автоматизированного управления геолого-геофизичес­кими работами на основе моделирования должна предусматривать следующие уровни вычислительных работ:

- непосредственно в полевых партиях, отрядах с использованием полевых вычислительных устройств (микро-ЭВМ типа «Электрони­ка 60» — оперативная обработка результатов измерений, введение поправок в наблюденные величины, предварительная интерпретация с помощью простейших в математическом отношении способов, вывод результатов обработки в виде таблиц, графиков и на машинные носители в форматах ЭВМ;

- на уровне экспедиций с помощью полевого вычислительного комплекса — обработка результатов лабораторных исследований, ин­терпретация геофизических аномалий с использованием достаточно простых методов, сбор и обработка экономической информации, вывод результатов, в том числе на машинные носители в форматах ЭВМ;

- на уровне региональных информационно-вычислительных цен­тров (ИВЦ), специализирующихся на формировании информационных баз данных,— оптимизация петрофизических моделей на основе спо­собов объемной интерпретации, составление и корректировка объем­ных физико-геологических моделей, прогнозирование размещения полезных ископаемых, оптимизация комплекса геолого-геофизических исследований и экономический анализ эффективности работ.

Все эти работы обеспечат автоматизированное управление геолого-геофизическими исследованиями на основе объемных ФГМ.