地質(zhì)構(gòu)造時(shí)空數(shù)據(jù)模型的設(shè)計(jì)

王亞奇，湯 軍，祝志超

(長(zhǎng)江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100)

0 前 言

在油氣地質(zhì)研究過(guò)程中，有大量測(cè)繪數(shù)據(jù)、地層巖性數(shù)據(jù)、地球物探數(shù)據(jù)、油氣田生產(chǎn)數(shù)據(jù)等，然而數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)分散、缺乏有效分析方法、數(shù)據(jù)格式眾多、數(shù)據(jù)傳輸效率慢、數(shù)據(jù)重復(fù)這幾個(gè)問(wèn)題位列數(shù)據(jù)使用者最頭疼問(wèn)題前幾名[1]。面對(duì)復(fù)雜的數(shù)據(jù)，我們需要建立數(shù)據(jù)模型對(duì)其進(jìn)行儲(chǔ)存、管理、分析和決策，生成并輸出各種油氣地質(zhì)信息，從而為地質(zhì)研究提供新的評(píng)價(jià)因素，為油田企業(yè)生產(chǎn)提供重要的決策依據(jù)。

時(shí)空數(shù)據(jù)模型的研究從上個(gè)世紀(jì)60年代開(kāi)始，Gail Langran[2]在1992年總結(jié)了時(shí)空立方體、快照序列、基態(tài)修正和時(shí)空復(fù)合4種時(shí)空數(shù)據(jù)模型[2]。按照時(shí)間在數(shù)據(jù)模型中所起的作用，大體可分為3個(gè)時(shí)期[3]：第1個(gè)時(shí)期側(cè)重記錄實(shí)體時(shí)態(tài)變化，稱為時(shí)態(tài)快照時(shí)期，此時(shí)期提出的時(shí)空數(shù)據(jù)模型包括時(shí)空立方體模型[4]、快照序列模型[5]，以及基態(tài)修正模型[2]、離散格網(wǎng)單元列表模型[6]、時(shí)空復(fù)合模型[7]、非第一范式時(shí)空數(shù)據(jù)模型[8]等；第2個(gè)時(shí)期側(cè)重表達(dá)實(shí)體變化的前后關(guān)系，稱為對(duì)象變化時(shí)期，此時(shí)期提出的時(shí)空數(shù)據(jù)模型包括面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型[9]、基于圖論的時(shí)空數(shù)據(jù)模型[10]、面向過(guò)程的時(shí)空數(shù)據(jù)模型[11]等；第3個(gè)時(shí)期側(cè)重描述實(shí)體變化語(yǔ)義，稱為事件與活動(dòng)時(shí)期，此時(shí)期提出的時(shí)空數(shù)據(jù)模型包括基于事件的模型[12]、時(shí)空三域模型[13]、基于本體的時(shí)空數(shù)據(jù)模型[14]等?，F(xiàn)有的模型已經(jīng)在各行業(yè)中進(jìn)行了很多應(yīng)用，但在通用性方面還有不足，在地質(zhì)構(gòu)造方面沒(méi)有得到有效的應(yīng)用。

在油氣地質(zhì)研究與決策過(guò)程中，地質(zhì)構(gòu)造的研究具有極其重要的意義。其研究的主要內(nèi)容包括構(gòu)造的形態(tài)、產(chǎn)狀、分布和組合形式等，更重要的是我們需要研究構(gòu)造的形成條件、形成機(jī)制、形成時(shí)間、先后順序和演變規(guī)律。其中，構(gòu)造類型、空間位置、構(gòu)造變化、變化方式及時(shí)間等等都可以進(jìn)行數(shù)字化管理，而傳統(tǒng)的GIS數(shù)據(jù)模型一般只能描述現(xiàn)實(shí)世界的靜態(tài)現(xiàn)象[15]，難以滿足以上要求。因此，我們需要通過(guò)地震、測(cè)井等數(shù)據(jù)分析，設(shè)計(jì)一個(gè)地質(zhì)構(gòu)造時(shí)空數(shù)據(jù)模型。

該模型的建立，可以有助于闡明構(gòu)造在空間上的相互關(guān)系和時(shí)間上的發(fā)育順序，明晰構(gòu)造的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其動(dòng)力來(lái)源，探明其客觀規(guī)律。進(jìn)而指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)解決礦產(chǎn)分布、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、地震及環(huán)境地質(zhì)等方面問(wèn)題提供必要的幫助。

1 地質(zhì)構(gòu)造時(shí)空數(shù)據(jù)模型的設(shè)計(jì)

1.1 時(shí)空變化表達(dá)

復(fù)雜的地理現(xiàn)象是由不同數(shù)量的地理對(duì)象構(gòu)成的，其表現(xiàn)為多個(gè)地理對(duì)象隨時(shí)間變化并相互作用，地理對(duì)象之間的相互作用可以用事件來(lái)傳遞。事件是指地理對(duì)象變化達(dá)到某種臨界狀態(tài)時(shí)生成的，并且傳遞給其他相關(guān)的地理對(duì)象，在某種條件下又可以驅(qū)動(dòng)相關(guān)地理對(duì)象發(fā)生相應(yīng)的變化，地理對(duì)象的變化通過(guò)該對(duì)象的狀態(tài)序列來(lái)記錄。例如褶皺演化過(guò)程的地理對(duì)象是各個(gè)巖層，事件是巖層擠壓和巖層拉張，以上兩個(gè)事件是由巖層受力發(fā)生的彎曲變形屬性變化達(dá)到某種臨界狀態(tài)時(shí)引起的，使用狀態(tài)記錄巖層某一時(shí)刻的屬性變化。

根據(jù)以上分析，本文提出一個(gè)構(gòu)造時(shí)空數(shù)據(jù)模型，用于記錄與管理在復(fù)雜地理現(xiàn)象變化過(guò)程中涉及的時(shí)空數(shù)據(jù)。首先，對(duì)該模型中相關(guān)要素的概念進(jìn)行說(shuō)明。

地理對(duì)象：各種構(gòu)造類型的抽象表達(dá)，由一般屬性和可變屬性組成。

事件：地理對(duì)象顯著變化的一次過(guò)程。

狀態(tài)：各種構(gòu)造類型可變屬性在某一時(shí)刻所表現(xiàn)出來(lái)的形態(tài)，用來(lái)表現(xiàn)構(gòu)造的時(shí)空變化。

圖層：具有共同結(jié)構(gòu)和功能的地質(zhì)構(gòu)造集合。

構(gòu)造時(shí)空數(shù)據(jù)模型中各個(gè)要素及其相互關(guān)系，如圖1所示。

圖1 構(gòu)造時(shí)空數(shù)據(jù)概念模型

時(shí)空過(guò)程是構(gòu)造演化的總稱，包含著有限多個(gè)地理對(duì)象和事件。地理對(duì)象表現(xiàn)為其所包含的一般屬性和可變屬性，其中我們把可變屬性記錄在狀態(tài)序列中，圖2所示。

圖2 地理對(duì)象的狀態(tài)

每個(gè)狀態(tài)記錄著該地理對(duì)象可變化部分某個(gè)時(shí)刻的快照。在表達(dá)地理對(duì)象某一時(shí)刻的整體狀態(tài)時(shí)，可以通過(guò)時(shí)態(tài)屬性查詢相應(yīng)的可變屬性和不可變屬性，將其合并到一起。

1.2 建立構(gòu)造時(shí)空數(shù)據(jù)模型

構(gòu)造時(shí)空數(shù)據(jù)模型應(yīng)能夠表達(dá)構(gòu)造類型、空間屬性、時(shí)態(tài)屬性語(yǔ)義。

根據(jù)上節(jié)中對(duì)地理現(xiàn)象時(shí)空變化相關(guān)要素及其互關(guān)系的分析，本節(jié)建立面向?qū)ο蟮臉?gòu)造時(shí)空數(shù)據(jù)模型，圖3給出了該模型的簡(jiǎn)圖。

圖3 構(gòu)造時(shí)空數(shù)據(jù)模型簡(jiǎn)圖

2 地質(zhì)構(gòu)造時(shí)空數(shù)據(jù)模型應(yīng)用實(shí)例

在構(gòu)造地質(zhì)學(xué)里，構(gòu)造可以分為褶皺、斷層、節(jié)理與劈理等。構(gòu)造時(shí)空數(shù)據(jù)模型和相關(guān)軟件中用到的所有數(shù)據(jù)都需要指定相關(guān)的數(shù)據(jù)類型。油田上，要建立一個(gè)地區(qū)的構(gòu)造時(shí)空數(shù)據(jù)模型，就必須有褶皺、斷層的相關(guān)字段項(xiàng)，如“斷層類型”、“斷層走向”、“斷層傾向”等。

同時(shí)，無(wú)論是勘探還是開(kāi)發(fā)，都涉及到了大量原始數(shù)據(jù)，為方便做出智能預(yù)測(cè)和高效管理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)最終油藏的有利預(yù)測(cè)，這就需要明確構(gòu)造狀態(tài)中各種屬性的定義。

2.1 斷層的時(shí)空數(shù)據(jù)模型

構(gòu)造帶涉及到斷層及其相關(guān)的一系列參數(shù)，首先，要確定每一屬性字段是否為可變屬性，表1給出了圖3中斷層狀態(tài)屬性的定義，其中，屬性類型值n取0表示該屬性為一般屬性，不隨時(shí)間的推移而變化；n取1表示可變屬性，該屬性可能隨時(shí)間推移而發(fā)生變化。

表1 斷層屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

以獅子溝構(gòu)造帶為例，平面圖如圖4所示。

圖4 柴達(dá)木盆地獅子溝構(gòu)造帶平面圖(據(jù)吳嬋等，2013改)

構(gòu)造帶的演化模式可以分為4個(gè)階段(圖5)：①路樂(lè)河組(E1+2)—下干柴溝組(E32)沉積末期，構(gòu)造帶以近南北向拉張為主，形成少量的基底正斷層；②上干柴溝組(N1)—下油砂山組(N21)，構(gòu)造帶處于坳陷期，地層沉積平穩(wěn)，沒(méi)有發(fā)生明顯的變形，斷裂發(fā)育較少，深部地層發(fā)育楔形構(gòu)造；③上油砂山組(N22)沉積初期，構(gòu)造帶受近南北向的壓扭作用；④獅子溝組(N23)沉積初期，造帶再次強(qiáng)烈擠壓，裂活動(dòng)。

圖5 獅子溝構(gòu)造帶構(gòu)造演化剖面圖(據(jù)隋立偉等，2014改)

由剖面圖整理得不同時(shí)期構(gòu)造狀態(tài)原始數(shù)據(jù)如表2。

表2 獅子溝各沉積時(shí)期斷層屬性

由上文圖表可知在路樂(lè)河—下干柴溝組沉積時(shí)期，只有兩個(gè)正斷層，則輸入構(gòu)造狀態(tài)表格，例如①斷層構(gòu)造狀態(tài)表格中，輸入“編號(hào)11001；發(fā)生時(shí)間為路樂(lè)河—下干柴溝組沉積時(shí)期；一般屬性：斷層名稱；可變屬性：斷層類型、斷層走向、斷層傾向、穿越地層、斷距變化”。

其中，編號(hào)第1位為表格代碼，“1”表示構(gòu)造狀態(tài)表格，“2”表示構(gòu)造類型表格等；第2位為構(gòu)造類型編碼，“1”表示斷層，“2”表示褶皺等；后3位表示該構(gòu)造狀態(tài)編碼。

同時(shí)，注意到在不同時(shí)期，斷層發(fā)生變化，以①斷層類型和穿越地層為例，如表3。

表3 斷層歷史區(qū)

同理，可整理出各時(shí)期③斷層～⑦斷層的構(gòu)造狀態(tài)，由所有構(gòu)造狀態(tài)的集合共同生成構(gòu)造類型表格，如圖6所示。

圖6 構(gòu)造狀態(tài)集合生成構(gòu)造類型

其中，在不同時(shí)期發(fā)生構(gòu)造變化導(dǎo)致生成不同斷層，可輸入事件表格，例如輸入“編號(hào)31001；發(fā)生時(shí)間為下油砂山組沉積時(shí)期；生成構(gòu)造：③斷層”。

如上文所述，整理出斷層事件集合，同時(shí)把具有共同結(jié)構(gòu)和行為特征的構(gòu)造類型輸入同一圖層，在圖層中能夠隨時(shí)添加和移除構(gòu)造類型。

斷層、褶皺都為構(gòu)造類型，其中還可總結(jié)節(jié)理、劈理等不同的構(gòu)造類型分別添加在不同的圖層中，通過(guò)圖層對(duì)相同類別的構(gòu)造進(jìn)行統(tǒng)一樣式設(shè)置和屬性定義。同時(shí)，各種構(gòu)造類型發(fā)生緩慢或顯著的變化，在構(gòu)造地質(zhì)學(xué)中，一般構(gòu)造變化均以百萬(wàn)年計(jì)算，也偶有劇烈構(gòu)造變化(如地震、火山爆發(fā)等)，形成新的構(gòu)造類型，記錄在事件中。事件是模型的重要組成部分，記錄了生成此事件的構(gòu)造類型及生成時(shí)間。

圖層中包含各種構(gòu)造類型的集合，事件中包含構(gòu)造發(fā)生的變化及新生成的構(gòu)造集合，由其組成圖層集合和事件集合，共同包含在構(gòu)造演化過(guò)程中(見(jiàn)圖3)。

2.2 模型的時(shí)空數(shù)據(jù)查詢過(guò)程

用戶在某一時(shí)刻對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢操作時(shí)，例如查詢①斷層在上油砂山組沉積時(shí)期的穿越地層，就要在數(shù)據(jù)庫(kù)中選取該構(gòu)造狀態(tài)，繼而選取構(gòu)造狀態(tài)發(fā)生的時(shí)間：上油砂山組沉積時(shí)期，再?gòu)脑摌?gòu)造狀態(tài)中選取屬性穿越地層，就可知該對(duì)象的屬性信息和事件信息。這樣，我們可以通過(guò)建立的構(gòu)造時(shí)空數(shù)據(jù)模型對(duì)構(gòu)造演化進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和規(guī)律研究。例如調(diào)取過(guò)去某一時(shí)間段內(nèi)各構(gòu)造類型、狀態(tài)屬性、事件和當(dāng)時(shí)構(gòu)造地區(qū)的平面圖(如圖4)，就可以嘗試推演該地區(qū)更早時(shí)間段的構(gòu)造平面圖和該構(gòu)造的生成機(jī)理，進(jìn)而可以對(duì)該構(gòu)造帶進(jìn)行三維構(gòu)造地質(zhì)建模的探索。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)分析了復(fù)雜地理現(xiàn)象時(shí)空變化的特點(diǎn)，提出了一種構(gòu)造時(shí)空數(shù)據(jù)模型，將構(gòu)造演化過(guò)程、不同構(gòu)造類型、構(gòu)造變化、構(gòu)造狀態(tài)等要素有機(jī)地結(jié)合在一起。并且通過(guò)對(duì)柴達(dá)木盆地獅子溝構(gòu)造帶數(shù)據(jù)的輸入，驗(yàn)證了模型的可行性和易用性。該模型符合相對(duì)通用的地質(zhì)構(gòu)造時(shí)空數(shù)據(jù)模型的特點(diǎn)。而采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，也使得模型具有良好的可實(shí)現(xiàn)性和擴(kuò)展性，為油田在各個(gè)領(lǐng)域的擴(kuò)展應(yīng)用研究提供基本框架。

2)建立構(gòu)造時(shí)空數(shù)據(jù)模型，通過(guò)對(duì)構(gòu)造資料的處理及分析，不僅可以解決歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)時(shí)數(shù)據(jù)的整合問(wèn)題，且實(shí)現(xiàn)了基于時(shí)空變化語(yǔ)義的查詢和分析。可以用于油藏描述之中，完善油藏的精細(xì)描述；將構(gòu)造的時(shí)空數(shù)據(jù)合力組織、存儲(chǔ)、管理起來(lái)，有利于完善數(shù)字油田的建設(shè)。

總體來(lái)說(shuō)，構(gòu)造演化與其他地理對(duì)象不同，構(gòu)造的變化通常以百萬(wàn)年記，因此構(gòu)造的時(shí)空變化是一個(gè)非常漫長(zhǎng)的過(guò)程。如何依據(jù)構(gòu)造時(shí)空數(shù)據(jù)模型，在事件中加入變量對(duì)構(gòu)造演化進(jìn)行準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)模擬是接下來(lái)需要研究和探討的內(nèi)容。

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