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      城市地質建模案例賞析(一) | 阿爾伯塔地質調查局三維地質建模項目

      2019-12-18


      項目簡介

      2010年,阿爾伯塔地質調查局啟動了三維地質框架建模項目,建立整個省的三維地質模型?,F在,三維地質模型的覆蓋面積已經達到602,825km2(見圖1),包括省級地質模型和不同精度的局部地質模型。本文以《阿爾伯塔地質調查局三維地質建模項目》為基礎,將分享阿爾伯塔地質調查局的建模方式,建模過程中的問題和解決方案,以及現在在建模過程中仍未解決的問題,并針對其中的問題給出解決辦法。

       

       

       

      圖1 AGS三維地質框架模型

        

      地質概況

      該三維地質框架模型描述的地質單元從前寒武紀基底頂層到現代形成的地面(見圖2)。

       


       

      圖2 阿爾伯塔三維地質框架模型


      前寒武紀基底的結晶鹽已經有5億4200多萬年,沿阿爾伯塔西部邊緣僅有5000多米深(見圖3)。

       

      圖3 阿爾伯塔三維地質框架模型

       

      在古生代,阿爾伯塔被溫水覆蓋,促進了礁石的生長與豐富的碳酸鹽沉積。阿爾伯塔許多的深部油氣藏在這個時期形成(見圖4)。

       

      圖4 阿爾伯塔古生代剖面


      在中生代,阿爾伯塔西部邊緣受廣泛的造山運動影響,形成了落基山脈。在這個時期,內陸海退去,阿爾伯塔省的大部分地區露出,形成了最初的碎屑沉積,而且隨著間歇期的侵蝕,形成了許多大范圍的不整合面(見圖5)。

       

      圖5  阿爾伯塔中生代剖面

       

      覆蓋在基巖地形上的主要不整合面是新近紀的沉積,是一個相對較薄的沉積(阿爾伯塔省四分之一的面積由2m左右的沉積覆蓋),但是在有些區域可以達到400多米。盡管阿爾伯塔省大部分是沉積盆地,也有許多地方有嚴重的形變和斷裂,以及巖溶作用導致的坍塌、洞穴、礁石、褶皺、斷層等復雜地質情況。阿爾伯塔省也有很多自然資源,如:石油、天然氣、煤、瀝青、凝析油、地下水、礦和地熱資源。

       

      建模方式

      1.隱式建模與顯式建模最初采用隱式地質統計學算法建立地層,現在根據數據量和地層的復雜程度,使用各種不同的算法,致力于建立可以盡可能表達真實地質情況的三維地質模型。


      2. 從2.5維網格轉向3維網格最初建立的地質模型只是描述了每個地質單元的頂層與底層,生成的網格為2.5維,網格與相鄰地質單元不一致,尤其是在描述不整合面、斷層和形變時,或是建立礁石和其它在短距離內變化劇烈的地質單元模型時。需要對這些網格做額外的修改才能使地層(網格)相匹配,與地質數據一致。因此,需要通過定義每個地層之間的關系(如整合的、侵蝕的等),將這些地層結合,建立三維地質模型。這個過程是非常耗時的。網格天地備注盡管阿爾伯塔地質調查局已經通過優化建模流程,將2.5維模型向3維模型轉換的工作效率提高了87.5%,但深探地學建模軟件可以直接建立無簡化的三維地質模型,無需先建立2.5維模型。對模型進行三維網格剖分的一個主要目的是使該模型支持進一步的統計分析和數值模擬,當采用不同的三維網格(見圖6)時,能到達的數值模擬效果也是不一樣的,關于不同網格的優缺點分析,詳情可見:http://mp.weixin.qq.com/s/vsVZe3PdB0k7kRZviBY1yA

       

       

      圖 6 不同網格的優缺點分析

       

      3. 從建相互獨立的地質模型轉向為整個省建立一個多尺度的地質模型當數據更新時,建模團隊需要建立并更新關于本省的許多的三維地質模型。對于省級模型與局部模型并存的地區,這一過程會涉及很多重復性工作和矛盾的地方。為了避免這一問題,提高工作效率,阿爾伯塔地質調查局開始把所有地質模型合并成一個覆蓋整個省的多尺度地質模型。


      4. 建立更多三維屬性模型對于需要進行資源調查的地質單元(如地下水、油氣或鋰),使用各種地質統計學算法建立相應的三維屬性模型。使用的算法從簡單克里金到模擬算法,如:高斯隨機函數模擬。


      5. 使用機器學習和深度學習提高建模結果阿爾伯塔地質調查局已經成功使用機器學習技術來預測整個省的滑坡敏感度,以及評估地質參數與地震敏感度的關系。此外,還用機器學習的方法利用多源數據完善了整個省的基巖地形。

         

      現存問題與網格天地解決方案

      阿爾伯塔地質調查局最近做了一些組織結構上的調整,來滿足三維建模需求的增長,如將建模者集中到一個團隊。但是,現在仍面臨著很多挑戰,主要是與硬件、軟件、數據、建模人員的數量和阿爾伯塔地質情況的復雜性相關


      1.模型精度與模型尺度的矛盾對于戰略要地和數據充足的地方,阿爾伯塔地質調查局建立了高精度地質模型,將這些模型與省級模型進行整合時,往往面臨電腦計算能力不足的問題。現在使用的電腦最低配置如下:Intel Xeon 8-12核心2.9 GHz時鐘速度處理器、64GB RAM和Invidia Quadro K5000 (4GB) GPU。預期的解決方案是提高電腦的RAM和GPUs,并且正在評估在云環境下建模的方式。

      網格天地的解決方法:使用網格天地獨立自主研發的無縫拼接技術,可以有效的解決模型 精度與尺度的矛盾,建立大規模高精度的省級三維地質模型。通過無縫拼接技術,可將相 鄰的兩個模型拼成一個內部沒有縫隙的整體模型,而且向外可以無限延展,在內支持任意 局部的下載使用與局部更新,從而可以減少大量的重復性工作,提高模型使用的時效性 (見圖7該模型的網格精度為20m*20m,面積約為2500km2)。關于局部更新與無縫拼接技術,我們之前做過詳細的講解,詳情請見:http://mp.weixin.qq.com/s/u9z1vQaMgWuCNr_z6Pr5Jg




      圖7 通過無縫拼接建立的整體三維地質模型

       

      2. 軟件的互操作性限制了所建模型被大范圍使用所建模型無法便捷地、無損地導入其他軟件系統,所以擴大模型使用范圍變得非常困難。預期解決方案是提高不同軟件的互操作性和基于瀏覽器使用三維地質模型的可能性。

      網格天地的解決方法:網格天地自主研發的透明地球系統(e.gridworld.com.cn)是一個基于瀏覽器的大規模三維 地質模型在線可視化系統,無需安裝任何插件,提供了豐富的三維地質模型在線可視化功能, 如:多分辨率顯示、自由剖切、顯示各種屬性等(見圖8-12)。詳情可見視頻三維地質模型共享神器:http://mp.weixin.qq.com/s/6jRgkTOlDJc66yCmYA-kmQ


      圖8生成剖面

       

      圖9 挖洞

       

      圖10 切割局部模型


       

      圖11 顯示屬性與LOD多分辨率顯示


       

      圖12 顯示地質應力模擬計算結果

       

      3. 數據存儲零散,整合數據后又需要滿足不同部門的不同需求同樣的數據被存儲于同一機構各種地方的數據庫,阿爾伯塔地質調查局正在努力使AER、AGS、阿爾伯塔政府和阿爾伯特市民可以通過一個數據庫就可以使用到最新的、經過評估的數據。這不僅需要對于原始數據進行整合,而且還要滿足不同決策者的各種需求。預期解決方案是建立多尺度、多精度模型。根據決策者的需求和數據分布情況,建立不同精度的模型。

      網格天地的解決方法建立基礎三維地質模型,并基于此模型生成各種專業模型,滿足不 同決策者的需求。使城市地質調查工作從傳統的單一型工作模式(見圖13)轉向共享共建 的工作模型(見圖14),不僅促進了地質資料的統一管理、提高了三維地質模型的精 度, 而且減少了大量重復性的工作。詳情可見視頻,原來三維地質模型還可以這么建http://mp.weixin.qq.com/s/vc4HgmxIuu1bdNIZJl-wQQ 


       

      圖13 傳統的城市地質建模工作模式

       

       

      圖14 新興的城市地質建模工作模式

       

      4. 另外一個巨大的挑戰是對于阿爾伯塔西部(落基山脈)的高度形變、斷裂區域建模(見圖15)該區域的覆蓋面積大約為78,000 km2 。目前,建模團隊正在根據該地區的數據情況評估最合適的建模方式。

      網格天地的解決方法用深探地學建模軟件可建立任意復雜三維地質模型,圖15(左)為阿爾伯 塔落基山脈的剖面,圖15(右)為用深探地學建模軟件建的三維地質模型。


       

      圖15

        

      本文僅對《阿爾伯塔地質調查局三維地質建模項目》的部分內容進行了詳細的剖析,閱讀該項目原文件請關注網格天地公眾號并回復阿爾伯塔。我們也會在公眾號上與大家分享更多城市地質建模案例,請大家關注我們。

       

       


      參考文獻:

      1. MacCormack, K.E., Berg, R.C., Kessler, H., Russell, H.A.J. and Thorleifson, L.H. (ed.) (2019): 2019 synopsis of current three-dimensional geological mapping and modelling in geological survey organizations; Alberta Energy Regulator / Alberta Geological Survey, AER/AGS Special Report 112, 307 p


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