Автоматическое восстановление геологического строения грунта

Введение

В настоящей заметке рассматривается новая методика восстановления геологического строения грунта на основании информации об уровнях залегания геологических горизонтов, полученных в результате геологоразведочных работ.

В ходе описания методики будут использоваться ряд терминов, которые необходимо определить. Под скважинами в настоящей заметке понимаются инженерно-геологические скважины, используемые для определения физико-механических свойств грунтов. Скважина предоставляет информацию о распределении материалов в вертикальном отрезке грунта. Слои материалов, находящихся в области бурения скважины, представляют собой сегменты (см. рис. 1).

Строение скважин

Рис. 1. Скважины. Различными цветами обозначены сегменты

При создании геологических моделей в специализированных программных пакетах в большинстве случаев пользователю необходимо выполнить ряд дополнительных действий. Например, при определении геологических слоев на основании скважин, пользователю необходимо самостоятельно выполнить группировку сегментов. Если эту задачу решать в ручном режиме, то она значительно усложняется при большом числе скважин и слоев, например, в случае протяженных участков.

В разработанной методике распределение сегментов по геологическим слоям выполняется автоматически. При этом, пользователь, при наличии дополнительных знаний о моделируемом объекте, имеет возможность повлиять на результат работы метода, указав дополнительные входные параметры помимо описания скважин.

Набор входных и выходных данных

В качестве входных данных в методике используется набор скважин и разрезов.

Набор скважин. Для корректного описания геологического строения грунта рассматриваемого участка рекомендуется устанавливать скважины по периметру его границ, а также в местах резкого изменения мощностей геологических горизонтов (например, линзы льда). Каждая скважина описывается с помощью следующих данных:

1) Координаты скважины
2) Отметка устья
3) Список материалов сегментов
4) Список мощностей сегментов

Набор разрезов, заданных пользователем. Между некоторыми парами скважин существует возможность задать разрез, описывающий распределение мощностей материалов между ними. Разрезы не могут взаимоисключать мощности материалов друг друга, поэтому они не могут пересекать друг друга.

Разрез между скважинами

Рис. 2. Разрез.

Разрез описывается с помощью следующих данных:
1) Пара скважин, между которыми установлен разрез.
2) Список непересекающихся линий, соединяющих точки состыковок сегментов.
В результате работы метода формируются следующие выходные данные:
1) Набор геометрий в виде замкнутых триангулированных поверхностей, представляющих геологические слои, без пересечений и пустот между ними.

Геологическое строение рассматриваемых грунтов

Рис. 3. Геологическое строение рассматриваемого участка грунта.

2) Разрезы между интересующими пользователя парами скважин.

Методика построения
Методика автоматического восстановления геологического строения грунта состоит из четырех основных шагов.

Шаг 1. Построение пустых разрезов.
На базе скважин (рассматриваются как вершины) и пользовательских разрезов (рассматриваются как структурные ребра) строится триангуляция Делоне с ограничениями. В результате по ребрам построенной триангуляции восстанавливаются разрезы. Среди восстановленных разрезов будут фигурировать «пустые» разрезы (см. рис. 4). Под пустыми разрезами понимаются такие разрезы, которые не были заданы пользователем изначально. Распределение материалов в пустом разрезе неизвестно.

Триангуляция по скважинам

Рис. 4.Триангуляция, построенная по скважинам. Между скважинами получены пустые разрезы.

Шаг 2. Заполнение пустых разрезов.
Для пары скважин, образующих пустой разрез, точки сочленения сегментов соединяются так, чтобы образовалось корректное распределение материалов в разрезе.

В описываемом методе для решения этой задачи используется многокритериальная оптимизация с помощью линейной свертки. Оптимизируется два критерия:
1) Число слоев, заполняющих пустой разрез.
2) Суммарный наклон слоев.

Эта задача сводится к известной задаче выравнивания последовательностей и решается с помощью следующей рекуррентной формулы:

Где:
dij– оптимизируемое значение для первых i и j сегментов скважин
mi, mj– материалы сегментов i и j в скважине 1 и 2 соответственно.
Sij – наклон между сегментами i и j.
g,h – веса оптимизируемых критериев.

Веса оптимизируемых критериев могут быть заданы пользователем.

Метод предоставляет возможность разбить сегменты скважины на несколько частей. Такой прием может улучшить качество моделирования за счет увеличения времени работы метода.

Шаг 3. Построение приближённых горизонтов.
После заполнения всех пустых разрезов по общей структуре разрезов выполняется грубое построение геологической структуры грунта на базе формирования приближенных геометрий (далее – приближённые горизонты), описывающих слои материалов.

Грубое построение геологической структуры грунта на базе формирования приближенных геометрий

Рис. 5. Формирование приближённых горизонтов.

Приближённые горизонты представляют собой корректные геометрии, сформированные из линий, составляющих разрезы и имеющие верхнюю и нижнюю грань.

Последующая интерполяция «сглаживает» Приближённые горизонты.

Шаг 4. Интерполяция приближённых горизонтов.
В методе реализованы различные интерполяционные схемы (кригинг, интерполяция по Шепарду, радиально-базисная интерполяция). Пользователь может настраивать их на свое усмотрение, подбирая наиболее подходящую для построения определенной модели. Интерполяция проводится по точкам, составляющим верхние и нижние грани приближённых горизонтов. В качестве промежуточных точек берутся точки, равномерно распределенные в областях, занимаемыми Приближёнными горизонтами с шагом, заданным пользователем. По полученным в результате интерполяции значениям строятся верхняя и нижняя триангулированная поверхности. Эти поверхности соединяются боковыми гранями и образуют геологический слой.

Выводы
Была предложена оригинальная методика восстановления геологического строения грунта. Её отличительной особенностью является то, что она позволяет проводить автоматическое построение трехмерных моделей геологических горизонтов на основании большого числа скважин и большого общего разнообразия грунтов на рассматриваемом участке, тем самым сводит к минимуму количество рутинной работы для пользователя. При этом для уточнения метода пользователь имеет возможность создавать разрезы вручную.
Такая методика является востребованной при создании моделей геологического строения грунта на протяженных участках, так как значительно сокращает время пользователя на его построение.

Автоматическое восстановление геологического строения грунта: 2 комментария

  1. При этих построениях не учитываются секущие структуры, он применим для примитивно устроенных участков земли

    • Вы правы, рассматриваемый метод нацелен в основном на моделирование дисперсных и мерзлых грунтов без секущих структур. Моделирование секущих структур может быть выполнено вручную с помощью других инструментов отдельно от восстановления простых слоев. К тому же, многие сложные структуры можно воссоздать с помощью "фиктивных" скважин плотно расставленных в проблемном участке грунта, разрезы между которыми будут задавать строение моделируемой структуры.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *


*

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>