三維地質(zhì)建模精度影響因素及質(zhì)量控制

姬廣軍,張永波，朱吉祥，陸 琰

(中國地質(zhì)科學(xué)院 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所,石家莊 050061)

地質(zhì)工作進(jìn)行到一定程度,三維地質(zhì)建模的精度對后期空間分析、儲量計(jì)算、數(shù)值模擬等地質(zhì)應(yīng)用的影響就顯得尤為重要,因而對三維地質(zhì)建模精度影響因素及模型質(zhì)量控制研究具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。三維地質(zhì)建模是定量化研究地下地質(zhì)信息的有利工具,廣泛應(yīng)用于展示和分析地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)[1]。高精度三維地質(zhì)模型既是空間分析、數(shù)值模擬、資源量計(jì)算等地質(zhì)應(yīng)用的重要保障,又是識別與加深認(rèn)識地下地質(zhì)現(xiàn)象的重要手段,它的進(jìn)步將進(jìn)一步推動地球科學(xué)的發(fā)展[2-3]。

三維地質(zhì)模型應(yīng)客觀地反映地質(zhì)現(xiàn)象的幾何特征、空間接觸關(guān)系及地質(zhì)體內(nèi)部各屬性的變化規(guī)律等信息。 但是受地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜[4]、數(shù)據(jù)難以獲取[5]、計(jì)算機(jī)技術(shù)[6]等現(xiàn)實(shí)情況的束縛,地質(zhì)學(xué)家需要借助其專業(yè)背景知識添加一系列的控制信息(如虛擬鉆孔、剖面等)[7],因此其在一定程度上是地質(zhì)學(xué)家內(nèi)心地質(zhì)概況的主觀性表達(dá)[8]。 此外,雖然計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等學(xué)科的成熟與發(fā)展可以緩解模型構(gòu)建、可視化等方面的困難,但僅靠先進(jìn)的工具并不一定能夠構(gòu)建出客觀反映地質(zhì)現(xiàn)象的模型,因?yàn)榈刭|(zhì)專家始終在建模過程中起到舉足輕重的作用,控制著最終的三維模型[7],此類主觀性模型難免與實(shí)際地質(zhì)狀況有所偏差[6,9]。

三維地質(zhì)建模的精度包括構(gòu)造建模和屬性建模的精度。構(gòu)造建模包括斷層網(wǎng)模型、地層模型和地質(zhì)體模型,反映斷層間、地層間以及斷層與地層間的宏觀拓?fù)潢P(guān)系和幾何形態(tài)[10],為屬性模型提供約束框架[3],其精度是由其客觀表達(dá)地質(zhì)對象的空間分布及拓?fù)潢P(guān)系的能力決定。屬性模型是空間分析、數(shù)值模擬、資源開發(fā)等地質(zhì)應(yīng)用的基礎(chǔ),用于反映地質(zhì)體內(nèi)部各種屬性的非均質(zhì)性,其精度主要取決于其對地質(zhì)體內(nèi)部非均質(zhì)性的客觀表達(dá)能力。本文系統(tǒng)地闡述了影響三維地質(zhì)建模精度的因素,分析了當(dāng)前三維地質(zhì)建模的質(zhì)量控制方法,并對區(qū)域性三維地質(zhì)建模質(zhì)量控制方法的方向進(jìn)行預(yù)測。

1 三維地質(zhì)建模精度影響因素

1.1 建模數(shù)據(jù)

(1)數(shù)據(jù)的精度。 三維地質(zhì)建?？捎玫臄?shù)據(jù)包括鉆孔、剖面圖、地質(zhì)圖、地球物理數(shù)據(jù)、遙感影像、現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)、DEM、地球化學(xué)、等值線等數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)具有多精度、多尺度、多來源[11]、多分辨率、多維度等特征[12-13],它們對三維地質(zhì)建模產(chǎn)生的影響不同(表1)。

(2)數(shù)據(jù)的豐富程度、分布狀況及代表性。 數(shù)據(jù)的豐富程度、分布狀況及其代表性是相對而言的： 對于地質(zhì)構(gòu)造簡單的地層,少量數(shù)據(jù)即可控制模型精度； 但是對于復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)地區(qū),數(shù)據(jù)的豐富程度和分布狀況及代表性則對模型精度影響較大[14]。 數(shù)據(jù)越豐富、分布越均勻、代表性越強(qiáng)時,三維地質(zhì)模型的控制性數(shù)據(jù)越多,地質(zhì)體形態(tài)或?qū)傩缘谋磉_(dá)更客觀,模型的精度就愈高。

1.2 建模方法

根據(jù)建模使用的數(shù)據(jù)源可分為基于鉆孔、剖面、離散點(diǎn)[11]或多源數(shù)據(jù)等多種建模方法。 建模方法對三維地質(zhì)建模的影響主要表現(xiàn)為地質(zhì)模型信息(包括地質(zhì)結(jié)構(gòu)和屬性)偏移與失真,各種建模方法及其影響因素見表2。

表1 可能引起誤差的數(shù)據(jù)類型及影響因素Table 1 Possible error sources of different data types and influence factors

表2 不同建模方法的精度影響因素Table 2 Influence factors of different modeling methods

1.3 插值方法

(1)結(jié)構(gòu)建模。在離散空間數(shù)據(jù)條件下,地質(zhì)界面主要根據(jù)離散的采樣點(diǎn)采用逼近樣條曲面和插值樣條曲面兩種方法構(gòu)建。逼近樣條曲面不經(jīng)過離散點(diǎn),插值樣條曲面則經(jīng)過離散點(diǎn)。目前常用的逼近樣條曲面的插值方法有B-Spline插值、NURBS、Bezier-NURBS、最小曲率插值(MCI)、加權(quán)最小二乘擬合法等,雖然它們可以極大限度地逼近實(shí)際的地質(zhì)界面,并取得較好的光滑效果,但是其在控制點(diǎn)處無法保證地層界面的可靠性,也難以維持點(diǎn)間未知區(qū)域的精度。插值樣條曲面主要包括Kriging、IDW、DSI、RBF、MCI、最鄰近點(diǎn)(NNI)、改進(jìn)謝別德(MSMI)等[15],它們能夠保證控制點(diǎn)精度,但在控制點(diǎn)間未知區(qū)域的精度卻得不到保障。 圖1為同一組數(shù)據(jù)下,不同插值方法的插值效果。 其中距離反比插值(IDW)生成的層面有較明顯的“牛眼”結(jié)構(gòu),局部多項(xiàng)式插值(LPI)生成的層面光滑程度最高。

目前大多數(shù)的插值方法只能處理單值面,對于倒轉(zhuǎn)褶皺、逆斷層等復(fù)雜情況下地層界面需要特殊處理;對于尖滅或界面分叉等復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象,插值操作通常需要人機(jī)交互才能完成。

(2)屬性建模。三維構(gòu)造模型為屬性模型提供框架約束。網(wǎng)格化需在地層模型和斷層模型約束下進(jìn)行,該過程中網(wǎng)格剖分方法(比例型、剝蝕型及超覆型)[16](圖2)、網(wǎng)格大小、網(wǎng)格定向[17]、網(wǎng)格形狀及構(gòu)造模型的精度等因素通過影響地質(zhì)體空間分布、屬性空間分布、格網(wǎng)剖分的精細(xì)程度及屬性分布規(guī)律進(jìn)而影響屬性模型的精度;而采樣數(shù)據(jù)、插值方法、訓(xùn)練圖像等通過影響屬性數(shù)據(jù)空間位置、分布進(jìn)而影響屬性模型精度。

目前常用的屬性建模包括確定性建模和隨機(jī)建模兩種,確定性建模是指試圖從具有確定性資料的控制點(diǎn)出發(fā),推測出點(diǎn)間確定的、唯一的屬性參數(shù)的方法;隨機(jī)建模是指以已知的信息為基礎(chǔ),應(yīng)用隨機(jī)函數(shù)理論、隨機(jī)模擬方法,產(chǎn)生可選的、等概率的地質(zhì)體模型的方法[18]。 確定性建模中最常用的是克里金系列方法,其雖然滿足無偏、最優(yōu)線性估計(jì),但都存在一定程度的平滑效應(yīng),難以精確地刻畫屬性數(shù)據(jù)在空間中的非均質(zhì)性;常用的隨機(jī)建模方法包括序貫高斯模擬、序貫指示模擬、馬爾可夫隨機(jī)域等,其可以重現(xiàn)屬性的離散性與波動性,經(jīng)過反復(fù)模擬則可以得到任意多個模擬實(shí)現(xiàn)。兩者均能在觀測點(diǎn)上保證屬性數(shù)據(jù)的精度,但是點(diǎn)間未知區(qū)域精度仍然得不到保證,且它們都需要滿足一定的前提條件,如克里金系列和基于變差函數(shù)的隨機(jī)建模方法大都要求采樣數(shù)據(jù)滿足高斯域概率分布,否則會產(chǎn)生較大誤差。而多點(diǎn)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)中，訓(xùn)練圖像和條件概率分布函數(shù)(與模擬隨機(jī)路徑相關(guān))也是影響屬性模型精度的重要因素,樣本數(shù)據(jù)足夠大時提取的訓(xùn)練圖像雖具有一定的可靠性,但其仍不能完全反映屬性的實(shí)際空間變化特征。

圖2 同一地層下不同的格網(wǎng)剖分方案Fig.2 Different gridding methods in the same formation

受數(shù)值模擬軟件的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量限制[19],地質(zhì)模型可能需要進(jìn)行一定程度的等效粗化,把精細(xì)網(wǎng)格模型轉(zhuǎn)化成相對粗疏的網(wǎng)格模型,相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)也就需要粗化,且網(wǎng)格粗化和屬性粗化中都需要遵循一定的粗化原則,難免會產(chǎn)生各種誤差,從而引起屬性失真,目前常用的屬性粗化方法主要包括簡單平均法和加權(quán)平均法[20-21]。

1.4 地質(zhì)現(xiàn)象的復(fù)雜性與隨機(jī)性

地質(zhì)體是經(jīng)過多期次、多體制的構(gòu)造運(yùn)動形成的,是高度復(fù)雜的綜合整體[22]。 由于人類獲取地下信息的能力有限,地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與隨機(jī)性對三維地質(zhì)建模的影響體現(xiàn)在數(shù)據(jù)難以獲取與辨別、計(jì)算機(jī)難以表達(dá)以及專家知識難以描述三個方面。

(1)獲取地下數(shù)據(jù)的主要方式為鉆探和地球物理方法(包括重、磁、電、震及其衍生方法,如AEM等)。 鉆孔資料可揭示地下重要的地質(zhì)構(gòu)造信息,但是鉆孔獲取的代價較高,只能作為采樣點(diǎn)處的控制信息; 地球物理數(shù)據(jù)中地震數(shù)據(jù)、AEM、電磁數(shù)據(jù)、測井?dāng)?shù)據(jù)等方法是獲取地質(zhì)構(gòu)造的常用方法,但是每種方法都有各自的局限性,且具有多解性,如地震數(shù)據(jù)只有遇到波阻抗界面時才能被識別出來、重力數(shù)據(jù)僅對密度界面有所反映、磁法數(shù)據(jù)僅對鐵磁性異常有所反映、電法數(shù)據(jù)僅對介質(zhì)的導(dǎo)電性(含水性)等有所反映。 當(dāng)?shù)刭|(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性較高時,地震數(shù)據(jù)較難反映真實(shí)的地下構(gòu)造,并可能表現(xiàn)出一定程度的剖面漂移,目前沒有成熟的正、反演算法能夠無損表達(dá)地下結(jié)構(gòu)。

(2)當(dāng)存在倒轉(zhuǎn)褶皺、逆斷層和鹽丘等多值界面與尖滅、復(fù)雜斷層網(wǎng)等拓?fù)潢P(guān)系復(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象時,計(jì)算機(jī)表達(dá)相對困難。另外,復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造會影響網(wǎng)格的生成及其質(zhì)量,進(jìn)而增加屬性插值的難度、影響屬性模型的建立。

(3)數(shù)據(jù)較少、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等情況下,專業(yè)人員難以刻畫其內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu),僅能表示其宏觀構(gòu)造。

1.5 計(jì)算機(jī)限制

計(jì)算機(jī)限制包括硬件和軟件方面,硬件限制包括CPU、存儲結(jié)構(gòu)、圖形處理器等，軟件限制包括數(shù)據(jù)管理軟件、三維地質(zhì)建模軟件等。海量數(shù)據(jù)是三維地質(zhì)建模的主要特點(diǎn)之一,受計(jì)算機(jī)硬件成本、性能等方面限制。目前，三維地質(zhì)建模技術(shù)難以存儲海量的數(shù)據(jù)記錄,并且數(shù)據(jù)的管理與維護(hù)相對困難[23]。此外,目前絕大多數(shù)三維建模軟件還難以支撐海量數(shù)據(jù)下三維地質(zhì)模型構(gòu)建。對三維格網(wǎng)模型來說,計(jì)算機(jī)可承受的網(wǎng)格數(shù)量有限,格網(wǎng)模型僅在研究區(qū)域較小的情況下才可以較優(yōu)地表達(dá)地質(zhì)體內(nèi)部的非均質(zhì)性。

1.6 地質(zhì)專家與建模人員影響

地質(zhì)專家以其專業(yè)知識背景為基礎(chǔ),借助現(xiàn)有的各種地質(zhì)資料,對無采樣點(diǎn)處的地質(zhì)狀況進(jìn)行推測,這種推測結(jié)果加入了巨量的專家經(jīng)驗(yàn),且不同專家推測的結(jié)果可能不同[13],因而由此構(gòu)建的三維地質(zhì)模型可能與實(shí)際狀況有偏差[14]。另外,專家推測可能忽略較小的地質(zhì)構(gòu)造,并進(jìn)行了一些必要的模型簡化(如孔間地層對比),反映的地質(zhì)構(gòu)造可能與實(shí)際有偏差。

建模人員對三維地質(zhì)模型的精度具有一定程度的影響。 建模人員的軟件操作水平、地質(zhì)背景知識、對復(fù)雜構(gòu)造的構(gòu)建能力及對研究區(qū)的地質(zhì)情況的掌握水平等都是影響三維地質(zhì)建模精度的因素。

2 三維地質(zhì)建模的質(zhì)量控制

受上述各種因素的影響,精準(zhǔn)地構(gòu)建三維地質(zhì)模型仍有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)性,國內(nèi)外研究人員提出了各種質(zhì)量控制方法,在一定程度上豐富了三維地質(zhì)建模的質(zhì)量控制理論。

2.1 構(gòu)造模型的控制

2.1.1 斷層模型控制 一方面,斷層破壞了地質(zhì)體的連續(xù)性,改變了地層數(shù)據(jù)的原始分布格局,增加了地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性[24];另一方面,數(shù)據(jù)的稀疏使得斷層的空間展布狀況難以確定。目前主要包括兩種斷層控制策略。第一種為改進(jìn)斷層構(gòu)建方法,Pillar方法利用2～5個垂向控制點(diǎn)描述斷層形態(tài)(圖3),但其難以刻畫復(fù)雜產(chǎn)狀和斷層相互交叉(X型、Y型等)的情形[3];基于剖面等相關(guān)數(shù)據(jù),徽章構(gòu)造法、傾斜剪切構(gòu)造法或斷層彎曲褶皺理論法等可構(gòu)建斷層幾何形態(tài)的數(shù)學(xué)模型,但是該方式需要較多的、沿?cái)鄬幼呦蚧騼A向上斷層面深度數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù);多平面擬合法利用斷層產(chǎn)狀信息及斷點(diǎn)數(shù)據(jù)可構(gòu)建局部斷面平面方程[25],但該方法影響斷面間的削截;基于離散曲面方法則可較靈活地構(gòu)建斷層模型,且可較精準(zhǔn)地描述復(fù)雜斷層模型及其網(wǎng)絡(luò)[26],是較優(yōu)的斷層構(gòu)建方式。第二種是數(shù)據(jù)控制斷層形態(tài),充分利用現(xiàn)有數(shù)據(jù),包括剖面、鉆孔、現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)，地球物理數(shù)據(jù)，虛擬控制數(shù)據(jù)及多源數(shù)據(jù)整合等[27],進(jìn)而控制斷層的形態(tài)。

圖3 利用控制點(diǎn)描述的斷層形態(tài)Fig.3 Fault shape described by Pillar node

二叉樹方法是構(gòu)造模型中斷層網(wǎng)表達(dá)的主要方式(圖4),其既可以反映斷層間的空間位置關(guān)系,又能揭示斷層形成的先后關(guān)系[9],但斷層網(wǎng)的快速更新較困難。李兆亮等[26]針對復(fù)雜斷層網(wǎng)提出一種路徑切割算法,可處理各種復(fù)雜斷層相交情況,并方便斷層網(wǎng)的快速更新,但其仍然需要一定程度的人工交互。實(shí)現(xiàn)斷層網(wǎng)的快速更新及高自動化仍然是亟待解決的問題。

2.1.2 地層模型控制 地層模型是三維構(gòu)造模型的重點(diǎn)與難點(diǎn)之一,由于地下數(shù)據(jù)的稀疏性與地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,研究人員不得不想盡各種方法提高地層模型的質(zhì)量，主要包括以下幾種:

圖4 斷層網(wǎng)絡(luò)二叉樹組織方式Fig.4 Binary trees of faults network

(1)改進(jìn)建模方法。 自三維地質(zhì)建模技術(shù)提出以來,國內(nèi)外推出了多種三維地質(zhì)建模方法[28],在一定程度上推動了三維地質(zhì)建模的發(fā)展。 早期的建模方法偏向于解決三維地質(zhì)模型的構(gòu)建,如基于平行剖面的建模方法[29],它們都有各自的適用范圍,難以解決復(fù)雜情況下三維地質(zhì)模型的構(gòu)建; 近期的建模方法傾向于提高三維地質(zhì)模型質(zhì)量和構(gòu)建復(fù)雜三維地質(zhì)模型,適應(yīng)較復(fù)雜地質(zhì)條件情況下模型構(gòu)建或整合多種建模方法的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)而提高三維地質(zhì)模型質(zhì)量,如基于鉆孔和交叉折剖面約束的建模方法[30]。 其中基于剖面的建模方法較明顯,經(jīng)歷了基于平行剖面—基于含拓?fù)淦拭鎇31]—基于交叉折剖面[32]—基于網(wǎng)狀含拓?fù)淦拭鎇33]的演變,一定程度上提高了三維地質(zhì)模型的質(zhì)量。

(2)改進(jìn)插值算法。 如何根據(jù)有限的地質(zhì)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)構(gòu)建地質(zhì)界面一直是三維地質(zhì)建模研究者追求的目標(biāo),為提高地質(zhì)界面的質(zhì)量,通過引入新的插值算法或整合多種插值算法提高層面插值質(zhì)量,如B-spline插值算法等,但不同地質(zhì)界面插值算法具有不同的適用范圍[34]。 插值雖然可以緩解數(shù)據(jù)稀少帶來的問題,但并不能從根本上解決該問題,復(fù)雜情況下地質(zhì)界面的構(gòu)建仍是當(dāng)前的難點(diǎn)之一。

(3)加入虛擬控制數(shù)據(jù)、專家經(jīng)驗(yàn)[35]、多源數(shù)據(jù)融合[36]等方法。虛擬鉆孔、連井剖面是最常見加入虛擬控制數(shù)據(jù)的方法,多源數(shù)據(jù)融合盡可能利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)提高模型的質(zhì)量,而專家經(jīng)驗(yàn)則貫穿到建模的各個過程并控制模型的最終質(zhì)量。

(4)地質(zhì)規(guī)則約束[37-38],計(jì)算機(jī)表達(dá)地質(zhì)體過程中遵循一定原則,如地質(zhì)界面接觸關(guān)系的有效性、構(gòu)造模型的一致性、地質(zhì)界面的不自相交性等規(guī)則[3],避免構(gòu)建出違背地質(zhì)規(guī)則的地質(zhì)模型。

2.1.3 地層間、斷層間及斷層與地層間拓?fù)潢P(guān)系控制 三維地質(zhì)模型在表達(dá)尖滅、鹽丘、斷層等地質(zhì)現(xiàn)象時難免出現(xiàn)曲面相交的情況,曲面相交處理能力會在一定程度上影響無縫地質(zhì)模型的構(gòu)建[39]。 曲面相交處理一般包括曲面碰撞檢驗(yàn)、計(jì)算交點(diǎn)位置、三角網(wǎng)重構(gòu)與切割后處理[40]。 曲面碰撞檢測研究比較成熟,一般通過縮小碰撞檢測區(qū)域就可極大地提高算法效率,常見的碰撞算法有軸向方向包圍盒法、空間分解法、包圍球法、二叉樹BSP法、固定方向凸包的包圍盒法和方向包圍盒法等[41]; 交點(diǎn)計(jì)算是曲面切割的基礎(chǔ),通過三角形各邊與交叉三角形的相交測試,或根據(jù)確定相交的邊計(jì)算出相應(yīng)的交點(diǎn),依次連接交點(diǎn)形成相交線[42]; 提取相應(yīng)交線及與其相鄰的地層邊界線構(gòu)成界面B-Rep,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無縫三維地質(zhì)模型的構(gòu)建[39]。

曲面相交也會影響模型的網(wǎng)格化過程，主要包括以下兩方面：(1)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格:對于地質(zhì)界面和斷層面相交的情況,角點(diǎn)網(wǎng)格一般采用“斷層綁定”思想(圖5),實(shí)現(xiàn)與斷層軌跡較優(yōu)融合[43-44];正交網(wǎng)格則采用逼近斷層軌跡線的方法進(jìn)行網(wǎng)格化,對于尖滅、剝蝕等地層面相交情況,也采用此類逼近方法[45]。(2)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格:對于斷層、尖滅、剝蝕等地質(zhì)現(xiàn)象,非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格也需作相應(yīng)調(diào)整,如廣義三棱柱網(wǎng)格在尖滅、剝蝕區(qū)退化成四面體或金字塔,退化點(diǎn)與尖滅線相對應(yīng)[46];對于斷層切割地層情況,廣義三棱柱則需要分情況進(jìn)行調(diào)整。

2.2 屬性模型控制

屬性模型的質(zhì)量對后期地質(zhì)分析、數(shù)值模擬等有很大的影響,而高質(zhì)量屬性模型及其模擬、分析結(jié)果則可協(xié)助地質(zhì)專家作出更加科學(xué)的決策。 在油氣、礦產(chǎn)、工程地質(zhì)領(lǐng)域?qū)傩阅Ｐ蜆?gòu)建及應(yīng)用已比較成熟,提出了一系列的屬性模型控制策略:

圖5 結(jié)構(gòu)模型與格網(wǎng)模型擬合狀態(tài)Fig.5 Fitting states of structural model(SM) and grid model(GM)

(1)地質(zhì)成果約束。包括研究區(qū)地質(zhì)成果約束和相似區(qū)地質(zhì)成果類比兩種類型,前者主要包括原始地質(zhì)數(shù)據(jù)和解譯數(shù)據(jù),后者主要為成因模式類比。

第一類為研究區(qū)地質(zhì)成果約束,地質(zhì)專家通過對研究區(qū)鉆孔、物探、試驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)等資料的研究與分析,一方面,獲取目標(biāo)區(qū)的等時界面、成因模式、地質(zhì)體空間分布、層序地層及其演化等地質(zhì)成果數(shù)據(jù);另一方面,通過對現(xiàn)有數(shù)據(jù)的深入研究,挖掘出其內(nèi)在的價值,除對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行變差函數(shù)、統(tǒng)計(jì)特征等分析外,還包括利用各種方法推測或建立某種關(guān)系,推測未知區(qū)域的屬性及其變化。目前許多研究者對后者作了較多的研究,如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[47]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[48]、協(xié)同克里金、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)等方法，建立采樣點(diǎn)與地震參數(shù)(波速等)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系,進(jìn)而推測未知點(diǎn)處取值,它們均在各自研究區(qū)得到了實(shí)際應(yīng)用并獲得了滿意的研究結(jié)果。

第二類為相似區(qū)類比。地質(zhì)資料的稀疏條件下較難構(gòu)建精準(zhǔn)的屬性模型,但地質(zhì)專家可以通過相似成因區(qū)的成因模式(層序、相模式及其組合等)、構(gòu)型等[49]方面進(jìn)行類比分析,以在地質(zhì)資料稀少的條件下盡可能提高屬性模型的質(zhì)量。

(2)層次建模。地質(zhì)體在同一沉積相、同一巖性內(nèi)屬性的空間變化具有一定的規(guī)律,實(shí)現(xiàn)相內(nèi)、巖性內(nèi)插值具有一定的優(yōu)勢,因而層次建模由Damslesh等引入石油領(lǐng)域[50],之后許多更精細(xì)、復(fù)雜的層次建模方法也被引入到石油領(lǐng)域,并逐漸被其他領(lǐng)域所借鑒。 例如采用基于目標(biāo)的建立河道模型,可采用序貫指示建立天然堤的分布[51]。 層次建模既符合地質(zhì)現(xiàn)象的變化規(guī)律,也能避免大多數(shù)變量對于平穩(wěn)性和均質(zhì)性的嚴(yán)格要求。

(3)改進(jìn)插值方法。Matheron和Krige在研究礦山儲量時提出和發(fā)展了克里金插值方法[52-53],其考慮了采樣點(diǎn)之間的空間相關(guān)性,對未知點(diǎn)進(jìn)行無偏最優(yōu)估計(jì),在一定程度上提高了對地質(zhì)體的非均質(zhì)性的表達(dá);后續(xù)許多的研究者又對其進(jìn)行改進(jìn),提出了泛克里進(jìn)、協(xié)同克里金、指示克里金等一些列的克里金插值算法,它們都在一定程度上提高了特定地質(zhì)條件下地質(zhì)體的非均質(zhì)性表達(dá)，但是該系列的插值算法都受平滑效應(yīng)[54]及局部最優(yōu)估計(jì)的影響,難以滿足復(fù)雜地質(zhì)條件下的需求。為了有效展示地質(zhì)體內(nèi)部屬性的隨機(jī)性,多種隨機(jī)模擬方法被引入到屬性建模中(表3),且有各自不同的使用范圍。傳統(tǒng)的基于變差函數(shù)的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)僅能考慮空間中兩點(diǎn)之間的相互關(guān)系,因而在表達(dá)目標(biāo)連續(xù)性及其結(jié)構(gòu)方面具有一定局限性[55];而多點(diǎn)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)以訓(xùn)練圖像為基本工具,著重表達(dá)空間中多點(diǎn)之間的相關(guān)性,可以有效地緩解上述的弊端,但是仍難以精準(zhǔn)再現(xiàn)地質(zhì)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)及屬性的復(fù)雜性,目前多點(diǎn)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)是儲層建模的研究熱點(diǎn)[51]。

(4)改進(jìn)網(wǎng)格剖分方案。追求完美擬合地質(zhì)結(jié)構(gòu)并可獲取精確數(shù)值模擬結(jié)果的格網(wǎng)模型是地質(zhì)與三維地質(zhì)建模研究者的奮斗目標(biāo)。格網(wǎng)模型是進(jìn)行空間分析、數(shù)值模擬等地質(zhì)應(yīng)用的基礎(chǔ),是屬性模型的載體,因而網(wǎng)格模型的精細(xì)程度一定程度上影響著屬性模型的質(zhì)量。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)等方面的限制,3D Grid較早引入到三維地質(zhì)建模領(lǐng)域,其在較長一段時間內(nèi)是剖分目標(biāo)空間的較優(yōu)格網(wǎng),如今在第四系等領(lǐng)域仍有使用,相似網(wǎng)格包括Needle、Geocellular、規(guī)則網(wǎng)格等長方體類網(wǎng)格。該類網(wǎng)格難以精確地表達(dá)復(fù)雜地質(zhì)條件的邊界信息,一般只能縮小網(wǎng)格尺寸以較好地?cái)M合地質(zhì)構(gòu)造,但會造成數(shù)據(jù)量的急劇攀升。為了克服該弊端,角點(diǎn)網(wǎng)格、截?cái)嗑匦尉W(wǎng)格相繼被引入三維地質(zhì)建模中,它們可較好地再現(xiàn)地質(zhì)體的構(gòu)造并根據(jù)地質(zhì)規(guī)則表達(dá)地質(zhì)體的非均質(zhì)性。目前,角點(diǎn)網(wǎng)格廣泛應(yīng)用于油氣、礦產(chǎn)等領(lǐng)域,并獲取了一系列的研究成果,雖然截?cái)嗑匦尉W(wǎng)格可以無損表達(dá)地質(zhì)體的界面,但其受數(shù)值模擬、使用性等方面影響并未引起足夠重視。受角點(diǎn)網(wǎng)格間不正交等因素的影響,角點(diǎn)網(wǎng)格的數(shù)值模擬結(jié)果可能與實(shí)際有偏差,PEBI網(wǎng)格與其相比則具有正交、靈活等優(yōu)勢[56-57],既有利于數(shù)值模擬的進(jìn)行,又可以很好地模擬非規(guī)則地質(zhì)邊界,但PEBI網(wǎng)格復(fù)雜程度較高、算法效率較低。與此相類似的發(fā)展過程還包括三棱柱—類三棱柱—廣義三棱柱，這也一定程度上提高了屬性模型的質(zhì)量。

3 結(jié)論及發(fā)展趨勢

高精度三維地質(zhì)模型構(gòu)建一直是地質(zhì)學(xué)家追求的目標(biāo),受計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)獲取能力、經(jīng)濟(jì)等方面限制,三維地質(zhì)建模的精度仍面臨一些亟待解決的關(guān)鍵問題:1)在區(qū)域性地質(zhì)建模過程中,可利用數(shù)據(jù)較少,如何在保證精度的前提下完成三維地質(zhì)模型構(gòu)建;2)如何在三維建模過程中添加或融入更多的地質(zhì)規(guī)則約束,進(jìn)而減少受主觀因素的影響帶來的誤差;3)目前關(guān)于三維地質(zhì)模型精度評估的研究較少,缺少能夠被普遍接受的精度評估方法。

結(jié)合當(dāng)前面臨的問題,預(yù)測區(qū)域性三維地質(zhì)建模質(zhì)量控制的發(fā)展趨勢:

(1)沉積相、成因約束建模等在石油領(lǐng)域應(yīng)用比較成熟,并取得了較好的研究成果,但在其他地質(zhì)領(lǐng)域研究中較少,故不能完全照搬其模式。同一沉積相中,沉積物的屬性變化有一定規(guī)律,深入研究該規(guī)律,可以使三維地質(zhì)建模的質(zhì)量有較大提升。借助該思想,在現(xiàn)有數(shù)據(jù)支撐下建立沉積相模型,以相模型為約束構(gòu)建巖性模型,進(jìn)而進(jìn)行屬性插值,提高三維地質(zhì)建模質(zhì)量。

(2)在區(qū)域范圍的三維地質(zhì)建模過程中,鉆孔數(shù)據(jù)(數(shù)量可能較少)是建模的重要數(shù)據(jù)源,鉆孔之間對比工作量極大,且對比結(jié)果可能與實(shí)際相差較大,需要充分研究該區(qū)的沉積規(guī)律,推出巖性插值算法,減少人為劃層帶來的主觀性,提高三維模型的質(zhì)量。

(3)根據(jù)地質(zhì)特征確定網(wǎng)格大小。在地層近水平、構(gòu)造不發(fā)育的地區(qū),規(guī)則格網(wǎng)剖分地質(zhì)體具有一定優(yōu)勢,但目前沒有網(wǎng)格大小的確定方案,運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法研究地層的厚度、水平延展信息,進(jìn)而獲取一定精度范圍內(nèi)的網(wǎng)格尺寸。

(4)高精度網(wǎng)格模型構(gòu)建。區(qū)域規(guī)?；虺鞘幸?guī)模的三維地質(zhì)模型面積較大,地質(zhì)體的非均質(zhì)性難以精確表達(dá),提高其精度最根本的方法就是縮小格網(wǎng)粒度,然而格網(wǎng)粒度的縮小勢必引起數(shù)據(jù)量劇增。但是,隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件的快速發(fā)展(如大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等),海量數(shù)據(jù)存儲成為可能,三維地質(zhì)建?？刹捎梅謪^(qū)存儲、分塊建模的思路進(jìn)行地質(zhì)數(shù)據(jù)的組織、管理,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高精度格網(wǎng)模型的構(gòu)建。