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地球三维透明化

来源:地质调查科普网

发布日期:2018-06-13 编辑:编著:冯晅 侯贺晟

说起地质-地球物理三维透明化就要跟大家说起一个概念:“玻璃地球”。那么,什么是玻璃地球呢?自人类诞生之日起,大家就从未停止过对地球的探索和认知。从古代人认为“天圆地方”,到航海家麦哲伦通过环球飞行证明地球是圆的;从古希腊科学家埃拉托色尼测量了地球周长,到地球物理学家莫霍洛维奇发现了地幔和地壳的分界层,再到地震学家古登堡发现了地核与地幔的分界层,这一次次的进步都让大家对脚下的地球有了更精确的认识。然而,地球不是透明的,厚厚的土壤和岩石阻挡了大家的视线,使得地球深处对人类来说遥不可及,充满了诸多谜团。有人幻想,如果脚下的地球像玻璃一样该多好。这貌似一个疯子的想法,就像哥白尼提出日心说,而否定地心说一样,在当时有点天方夜谭的感觉。但是科学的进步往往源自于大胆的设想,当陈旧的思想已经束缚了人们的大脑时,只有少数杰出的人才有勇气打破旧框架,提出新理论。“玻璃地球”的概念最初是由澳大利亚地质学家Carr 等提出的,其含义是利用地质信息技术建立一个横向分区或连片的、多尺度的、数字化的、透明的地壳浅层模型,其中凝聚了所能采集的全部地质空间信息和属性信息。这个概念一经提出,便迅速得到欧美各发达国家的政府、地质调查机构和地质学家们的响应。“玻璃地球”是一个把地质信息和地理信息相结合并存储于计算机网络上的、可供多用户访问和开展决策分析的三维可视化虚拟浅层地壳。换言之,这是一个实现了地下-地上、地质-地理、空间-属性数据一体化存储、管理、处理和应用的三维可视化的地质信息系统。在一个国家范围内,“玻璃地球”可称为“玻璃国土”,它集多维地质信息系统建设和多维地质建模于一体,是地质时空大数据的有效载体。

    

多年以来,随着资源的稀缺和环境的破坏,人们从浅层地壳资源的开采逐渐向深层地壳转移,矿产资源地下结构的勘察深度日益增大。迄今为止人们依然对大家脚下的地球充满敬畏和迷茫,虽然人类在高科技的支撑下可以飞向外太空,但在地球母亲面前异常渺小。毕竟大家的地球面积太大了,要想全面“扫描”实在是困难重重,而且目前的地球物理勘探深度也相当有限。即使通用钻探,也难以达到理想的深度。目前,世界上最深的钻孔——俄罗斯科拉超深钻,深度也不过12千米,连地壳都没有穿透,要知道整个地球的半径可是6400多千米。在矿产资源日益枯竭、地质灾害越来越多的双重压力之下,不少国家都开始实施朝向地球纵深的大面积扫描探测计划。此外,为了实现对塌陷、滑坡和地震等地质灾害的预测、预报、预警和减灾,也要求开展对地壳深部结构、构造及灾害孕育、发生机理的研究。于是,对造山带深部、地震带深部和盆地基底的探测也在世界各国广泛地开展起来了。与此相应,三维地质信息化技术带来了快速的发展,区域地质调查除了在内容上增加了农业地质、环境地质、旅游地质和灾害地质之外,在工作方式上也开始了由仅仅采集、存储、管理和处理地表地质数据,变为一体化采集、存储、管理和处理地下-地上、地质-地理和物化遥钻数据;变二维地质填图为三维地质填图,甚至四维地质填图;变单纯的二维地质图件表达方式为既有二维图件又有三维可视化实体模型表达,并实现地质结构分析三维可视化、地质过程模拟三维可视化。

而地质-地球物理三维透明化正是将玻璃地球具体应用到某一地区,并比玻璃地球更加详细的展示该地区的地质,地球物理属性,地下结构等信息,使大家对该地区有更加深刻的了解和认识,有利于一体化存储、管理和处理地下-地上、地质-地理、空间-属性数据,进行三维可视化地质建模,有利于对地质对象的总体把握和整体分析。基于海量多源、异构、异质的勘查数据,构建而成的三维地质模型,可直观而形象地展现地质体和地质结构,可极大地提高对地质现象、地质资源和地质环境的认知能力。目前,开展三维地质信息系统建设和三维的数字图幅、数字矿山、数字油田、数字工程和数字地灾点地质建模,已经成为国际地矿部门和地质科学界技术创新的重要领域。

 

地质-地球物理三维透明化其实质上是以现有的地球科学理论为基础将深反射地震,电法,磁法,重力等方法结合起来,充分发挥各个方法发特点,将地下的地质结构,地球物理信息等地下丰富的信息数字化以简洁明了的方式呈现在大家的眼前。大家现有的地球科学常识(即地质学常识)是在观察的基础上对某一地区的构造演化史,地质构造等方面做出合理的说明。深反射地震可以获取精细的地下图像,反应大量的信息,这是反映岩石圈精细结构的先锋技术;电法勘探能够反映地下介质的电性特点,也能够在一定方面反映地下的地质构造,而磁法能够很好的反映地下的矿产分布及其磁性特点,进行大地构造分区,研究深大断裂,确定接触带、断裂带、破碎带和基底构造,划分沉积岩、侵人岩、喷出岩以及变质岩的分布范围,进行区域地质填图,研究区域矿产的形成和分布规律。而重力勘探在进行区域地质填图、研究与油气有关的区域地质构造和大构造等方面也发挥着其不可或缺的作用,大家以地质学为主要骨架,将四者有机的结合起来,进行区域性的地质地球物理三维建模,能够实现将某一区域在较大深度范围内的地质-地球物理透明化。

大家以深反射地震划分的层面结合钻井资料构建地质-地球物理模型的格架,运用所学的地质常识以地质单元为标准将格架填充起来,丰富模型的内容,再通过电法勘探、磁法勘探、重力勘探对模型加以约束并进行调整,从而最终构建出真正的地质-地球物理模型,实现真正的地质-地球物理三维透明化。地质-地球物理三维透明化对深部资源的勘探有着重要的引导意义,对大家研究地球内部动力机制也起着不可或缺的重要作用,而且地质-地球物理三维透明化的发展也是大家在深部观测技术上的一个重大突破。

目前地质-地球物理三维透明化技术仍处于发展阶段,在很多技术方法上仍然存在着不足之处,首先是全国区域内的深反射地震剖面过于稀疏,这给模型构架的建立造成了许多困难,其次是井的深度远达不到大家建立模型的需要,因此地球深部的模型构建主要依托于深反射地震和大家所了解的地质常识,而没有井做参考的模型其准确性要相对差一些。

虽然现阶段地质-地球物理三维透明化的发展存在着诸多局限与不成熟的地方,但是其有着广阔的前景。其在储油层的判断,深部矿产资源的寻找,以及对地球内部动力机制的研究,深部探测技术等方面起着不可或缺的作用,也是未来地球科学,地球物理学发展的主流方向之一。

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