项目简介

2010年，阿尔伯塔地质调查局启动了三维地质框架建模项目，建立整个省的三维地质模型。现在，三维地质模型的覆盖面积已经达到602,825km²（见图1），包括省级地质模型和不同精度的局部地质模型。本文以《阿尔伯塔地质调查局三维地质建模项目》为基础，将分享阿尔伯塔地质调查局的建模方式，建模过程中的问题和解决方案，以及现在在建模过程中仍未解决的问题，并针对其中的问题给出解决办法。

 

 

 

图1 AGS三维地质框架模型

  

地质概况

该三维地质框架模型描述的地质单元从前寒武纪基底顶层到现代形成的地面（见图2）。

 

 

图2 阿尔伯塔三维地质框架模型

前寒武纪基底的结晶盐已经有5亿4200多万年，沿阿尔伯塔西部边缘仅有5000多米深（见图3）。

 

图3 阿尔伯塔三维地质框架模型

 

在古生代，阿尔伯塔被温水覆盖，促进了礁石的生长与丰富的碳酸盐沉积。阿尔伯塔许多的深部油气藏在这个时期形成（见图4）。

 

图4 阿尔伯塔古生代剖面

在中生代，阿尔伯塔西部边缘受广泛的造山运动影响，形成了落基山脉。在这个时期，内陆海退去，阿尔伯塔省的大部分地区露出，形成了最初的碎屑沉积，而且随着间歇期的侵蚀，形成了许多大范围的不整合面（见图5）。

 

图5  阿尔伯塔中生代剖面

 

覆盖在基岩地形上的主要不整合面是新近纪的沉积，是一个相对较薄的沉积（阿尔伯塔省四分之一的面积由2m左右的沉积覆盖），但是在有些区域可以达到400多米。尽管阿尔伯塔省大部分是沉积盆地，也有许多地方有严重的形变和断裂，以及岩溶作用导致的坍塌、洞穴、礁石、褶皱、断层等复杂地质情况。阿尔伯塔省也有很多自然资源，如：石油、天然气、煤、沥青、凝析油、地下水、矿和地热资源。

 

建模方式

1.隐式建模与显式建模：最初采用隐式地质统计学算法建立地层，现在根据数据量和地层的复杂程度，使用各种不同的算法，致力于建立可以尽可能表达真实地质情况的三维地质模型。

2. 从2.5维网格转向3维网格：最初建立的地质模型只是描述了每个地质单元的顶层与底层，生成的网格为2.5维，网格与相邻地质单元不一致，尤其是在描述不整合面、断层和形变时，或是建立礁石和其它在短距离内变化剧烈的地质单元模型时。需要对这些网格做额外的修改才能使地层（网格）相匹配，与地质数据一致。因此，需要通过定义每个地层之间的关系（如整合的、侵蚀的等），将这些地层结合，建立三维地质模型。这个过程是非常耗时的。（网格天地备注：尽管阿尔伯塔地质调查局已经通过优化建模流程，将2.5维模型向3维模型转换的工作效率提高了87.5%，但深探地学建模软件可以直接建立无简化的三维地质模型，无需先建立2.5维模型。对模型进行三维网格剖分的一个主要目的是使该模型支持进一步的统计分析和数值模拟，当采用不同的三维网格（见图6）时，能到达的数值模拟效果也是不一样的，关于不同网格的优缺点分析，详情可见：http://mp.weixin.qq.com/s/vsVZe3PdB0k7kRZviBY1yA）

 

 

图 6 不同网格的优缺点分析

 

3. 从建相互独立的地质模型转向为整个省建立一个多尺度的地质模型：当数据更新时，建模团队需要建立并更新关于本省的许多的三维地质模型。对于省级模型与局部模型并存的地区，这一过程会涉及很多重复性工作和矛盾的地方。为了避免这一问题，提高工作效率，阿尔伯塔地质调查局开始把所有地质模型合并成一个覆盖整个省的多尺度地质模型。

4. 建立更多三维属性模型：对于需要进行资源调查的地质单元（如地下水、油气或锂），使用各种地质统计学算法建立相应的三维属性模型。使用的算法从简单克里金到模拟算法，如：高斯随机函数模拟。

5. 使用机器学习和深度学习提高建模结果：阿尔伯塔地质调查局已经成功使用机器学习技术来预测整个省的滑坡敏感度，以及评估地质参数与地震敏感度的关系。此外，还用机器学习的方法利用多源数据完善了整个省的基岩地形。

   

现存问题与网格天地解决方案

阿尔伯塔地质调查局最近做了一些组织结构上的调整，来满足三维建模需求的增长，如将建模者集中到一个团队。但是，现在仍面临着很多挑战，主要是与硬件、软件、数据、建模人员的数量和阿尔伯塔地质情况的复杂性相关

1.模型精度与模型尺度的矛盾：对于战略要地和数据充足的地方，阿尔伯塔地质调查局建立了高精度地质模型，将这些模型与省级模型进行整合时，往往面临电脑计算能力不足的问题。现在使用的电脑最低配置如下：Intel Xeon 8-12核心2.9 GHz时钟速度处理器、64GB RAM和Invidia Quadro K5000 (4GB) GPU。预期的解决方案是提高电脑的RAM和GPUs，并且正在评估在云环境下建模的方式。

网格天地的解决方法：使用网格天地独立自主研发的无缝拼接技术，可以有效的解决模型 精度与尺度的矛盾，建立大规模高精度的省级三维地质模型。通过无缝拼接技术，可将相 邻的两个模型拼成一个内部没有缝隙的整体模型，而且向外可以无限延展，在内支持任意 局部的下载使用与局部更新，从而可以减少大量的重复性工作，提高模型使用的时效性 （见图7该模型的网格精度为20m*20m，面积约为2500km²）。关于局部更新与无缝拼接技术，我们之前做过详细的讲解，详情请见：http://mp.weixin.qq.com/s/u9z1vQaMgWuCNr_z6Pr5Jg

图7 通过无缝拼接建立的整体三维地质模型

 

2. 软件的互操作性限制了所建模型被大范围使用：所建模型无法便捷地、无损地导入其他软件系统，所以扩大模型使用范围变得非常困难。预期解决方案是提高不同软件的互操作性和基于浏览器使用三维地质模型的可能性。

网格天地的解决方法：网格天地自主研发的透明地球系统(e.gridworld.com.cn)是一个基于浏览器的大规模三维 地质模型在线可视化系统，无需安装任何插件，提供了丰富的三维地质模型在线可视化功能， 如：多分辨率显示、自由剖切、显示各种属性等（见图8-12）。详情可见视频三维地质模型共享神器：http://mp.weixin.qq.com/s/6jRgkTOlDJc66yCmYA-kmQ

图8生成剖面

 

图9 挖洞

 

图10 切割局部模型

 

图11 显示属性与LOD多分辨率显示

 

图12 显示地质应力模拟计算结果

 

3. 数据存储零散，整合数据后又需要满足不同部门的不同需求：同样的数据被存储于同一机构各种地方的数据库，阿尔伯塔地质调查局正在努力使AER、AGS、阿尔伯塔政府和阿尔伯特市民可以通过一个数据库就可以使用到最新的、经过评估的数据。这不仅需要对于原始数据进行整合，而且还要满足不同决策者的各种需求。预期解决方案是建立多尺度、多精度模型。根据决策者的需求和数据分布情况，建立不同精度的模型。

网格天地的解决方法：建立基础三维地质模型，并基于此模型生成各种专业模型，满足不 同决策者的需求。使城市地质调查工作从传统的单一型工作模式（见图13）转向共享共建 的工作模型（见图14），不仅促进了地质资料的统一管理、提高了三维地质模型的精 度， 而且减少了大量重复性的工作。详情可见视频，原来三维地质模型还可以这么建：http://mp.weixin.qq.com/s/vc4HgmxIuu1bdNIZJl-wQQ 

 

图13 传统的城市地质建模工作模式

 

 

图14 新兴的城市地质建模工作模式

 

4. 另外一个巨大的挑战是对于阿尔伯塔西部（落基山脉）的高度形变、断裂区域建模（见图15）：该区域的覆盖面积大约为78,000 km² 。目前，建模团队正在根据该地区的数据情况评估最合适的建模方式。

网格天地的解决方法：用深探地学建模软件可建立任意复杂三维地质模型，图15（左）为阿尔伯 塔落基山脉的剖面，图15（右）为用深探地学建模软件建的三维地质模型。

 

图15

  

本文仅对《阿尔伯塔地质调查局三维地质建模项目》的部分内容进行了详细的剖析，阅读该项目原文件请关注网格天地公众号并回复阿尔伯塔。我们也会在公众号上与大家分享更多城市地质建模案例，请大家关注我们。

 

 

参考文献：

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