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1、第5卷第12期1998年4月地学前缘(中国地质大学,北京Earth Science Frontiers (China University of G eosciences ,Beijing Vol.5No.12Apr.1998收稿日期:1998202212作者简介:吴冲龙,男,1945年生,教授,博士生导师,煤田及油气地质与数学地质专业,主要从事数学地质和煤油气地质教学与科研工作。本研究受地质矿产部“九五”攻关项目(编号:96002与中国海洋石油开发总公司“九五”攻关项目联合资助。计算机技术与地矿工作信息化吴冲龙(中国地质大学,武汉,地矿信息系统研究所,430074摘要地矿工作信息化已经成为时

2、代的潮流。地矿工作信息化水平,也已经成为衡量地矿工作现代化程度的主要标志。地矿工作信息化工程的核心,是地质矿产信息系统建设,而主要技术手段是计算机应用。当前,计算机应用已经渗透到地质工作的全过程,成为地质工作新技术、新方法应用的主流,极大地推动了地矿工作的前进。地矿工作信息化领域的计算机应用涉及计算机技术领域的多个分支前缘。本文根据所掌握的几个主要方面的资料,评介了国内外计算机技术在地矿工作信息化领域的应用现状与发展趋势。关键词地矿工作信息化工程计算机应用地矿信息系统地理信息系统地质过程数学模拟C LC P62,P228,P209地学领域的各个专业,无论是生产还是科研,从本质上讲都是信息的获取

3、、处理、解释和应用的过程。因此,在地质矿产勘查中,从野外数据采集到室内数据管理、综合整理、编图、解释、评价,再到地矿工作成果的保存、管理使用和出版印刷,以及地质矿产工作的科学管理与决策等诸多方面,无一不与计算机应用技术紧密相连。下面拟就所涉及的几个主要方面,对地矿工作信息化领域的计算机应用现状和发展趋势,作一简要评介。1地矿勘查数据采集技术勘查数据采集工作的自动化程度,是地矿领域计算机应用的瓶颈问题。由于地矿数据具有多源、多量、多类、多元、多维和多主题特征,其采集和输入方式不可能划一,需要具体问题具体解决。根据数据来源,地矿勘查数据主要包括:地球物理勘探与遥感数据、地球化学勘探数据、野外地质观

4、测数据、室内分析测试数据和图形数据。地球物理勘探与遥感数据基本上都是用仪器进行测量和记录的,但大致可分为人工读数记录、模拟自动记录和数字自动记录三种方式。目前,西方先进国家的地球物理勘探几乎全部实现了数字化自动记录,并且直接采用微机控制和接收;各种航空、航天遥感数据则一开始就是采用数字化自动记录的。我国各地质矿产部门的遥感、航空物探和地震勘探数据也已全部实现了数字化自动采集,但地面电法、磁法和重力数据的采集多数仍沿用传统的手工方法。室内分析测试数据主要来自化学分析、同位素分析、岩矿鉴定和各种物理性质测试,其中包括大量的地球化学勘探数据。目前西方先进国家已经对其中的多数实现了模拟自动记录或数字自

5、动记录,少数仍停留在人工记录的水平上。我国除省局一级实验室或测试中心引进了国外大型仪器设备而具有自动记录功能外,多数实验室仍保持手工记录方式和手工入机方式。由于软件功能不同,输入的方便程度差别也很悬殊。野外地质勘测数据的采集包括区域地质调查及矿产地质、水文地质、工程地质勘查的露头、坑探、槽探和钻探观测编录。国外80年代在沿用传统笔记本记录方式时,对采集内容进行了标准化、定量化和代码化,并制定出标准化表格,在野外按表格填写,回室内由人工键入计算机。对于那些不需要计算机处理的描述性信息,在野外仍然用文字记入笔记本,回室内也不输入机内,只作为技术档案保留,以备查询。到了90年代,人们普遍使用掌上机采

6、集数据,其采集内容也在80年代标准化、定量化和代码化的基础上,作了进一步改进。与此同时,野外数字录像技术得到普遍应用,所录的影像信息可以直接输入计算机内。我国这方面的水平很低,基本上保持传统方式,数据采集内容的标准化、定量化和代码化刚刚开始,仅在个别单位进行试点,其水平与国外80年代中期相似。图件是地质矿产勘查与研究成果的主要载体。能否准确、迅速而方便地采集旧有地质矿产勘查图件及公用地理底图的图形数据,是实现旧地矿图件计算机管理和新地矿图件计算机辅助编绘的关键环节。西方发达国家均采用手持鼠标矢量数字化方式或自动扫描栅格数字化方式,或采用自动扫描栅格数字化加屏幕矢量化方式,来实现这些图形数据的采

7、集。与国际先进水平相比较,我国这方面的硬件技术较差,而软件技术则较接近,但应用不如发达国家那样普遍。就目前的技术情况而言,第一种方式效率太低,第二种方式仅适合于影像图和分版单色地图,第三种方式可用于处理其它复杂图件,但输入后的处理工作仍很繁杂。因此,图形数据的采集仍然是一个国际性的难题,需要进一步解决。2地矿数据库与图形库技术地质矿产勘查数据资料具有反复使用、长期使用的价值,因而有长期保存的必要。同时,由于获取时的代价昂贵而又适用于不同勘查对象、不同勘查目的和不同勘查阶段,它又有共享的必要。这两种必要性的存在,使得地矿勘查数据和图件资料成为国家的宝贵财富,地矿数据库和图形库的建设不但成为地矿信

8、息系统的核心问题,而且成为地矿工作信息化工程的核心问题,受到各国政府部门和勘查单位的极大重视(Johnson ,et al.,1991。在美国,联邦地调所(USGS 从60年代起投入了巨大的人力、物力和财力,经过30多年的努力,先后建立了许多重要的数据库,例如美国资源库、全国煤炭数据库、全国水文数据存储检索系统、海洋地质数据库、地球化学与岩石学分析数据库等等。在这些数据库中存入了全美国数万个矿床和矿点信息、数十万处钻孔和野外露头的观测数据(姜作勤等,1991。USGS 还建立了全国数字制图数据库(NDCDB ,存入了全美国数万幅简化地理底图。英国地调所(B GS 也先后建立了陆地钻孔数据库、水

9、文钻孔数据库、全国重力库、全国地球化学库、石油数据库、近海研究数据库、世界矿山数据库、工业矿产评价库、世界矿产品年度生产情况库、世界地磁数据库、地震灾害数据库、矿产地质索引库等等。其中,海洋数据库也存贮了数百个海上钻孔数据和几十万km 的地震测线数据。英国国家测绘局还将1/1250,1/2500和1/10000的地形图30000余幅,全部数字化输入计算机内,向全社会提供商品化443前沿边缘分支热点地学前缘1998,5(121998,5(12地学前缘前沿边缘分支热点服务(David,1990。澳大利亚数据库建设比美国和英国稍迟几年,但经过20多年的努力,已建成可供实际应用的重要数据库数百个。其中

10、可以直接给用户提供数据的国家级库有:国家石油勘探数据索引、石油储量数据库、石油生油岩数据库、石油地层数据库、孔隙度和渗透率数据库、岩心和切片实验数据库、矿产数据库、国家重力数据库、航空磁测和r测量数据库、全球地震观测数据库、有关地下水的钻孔地层数据库、水文地质数据库、水文测井数据库、全澳地学填图数据库、岩石地球化学数据库、同位素地质年代数据库、风化层地形图库、构造地质数据库、全澳地层数据库和地学图件库等等。澳大利亚新南威尔士洲国土部土地信息中心(L IC也建成了地籍管理数据库、地名数据库、人口调查数据库、地理底图数据库和土地评价数据库等。我国地矿数据库与图形库建设起步较晚,目前仍处于初级阶段。

11、地质矿产部曾于1986年对全国地矿信息系统的建设作出了规划,根据总体方案,该系统共包括12个子系统、77个国家级数据库和若干个模型库、方法库。由地矿信息研究院牵头,各司局、省局和有关单位参与,经过15年的努力,到目前为止,也已经建成各种综合数据库和基础数据库数以百计,其内容几乎涉及地矿勘查工作及其管理的各个方面,其分布几乎遍及全国各省局、勘查单位、科研院所和大专院校。据地质矿产部地质矿产数据库字典介绍,按专业内容分类的建库情况大致如下:(1地质勘探类:矿点(矿床数据库,1/20万区调数据库,侵入岩地质数据库,地层数据库,矿物学数据库,火山岩岩石学数据库,钻孔地质数据库,同位素地质年龄数据库和测

12、绘成果数据库等;(2矿产资源类:金属矿产储量数据库,非金属矿产储量数据库,固体燃料矿产储量数据库,太平洋中部多金属结核矿产资源数据库等;(3水、工、环类:地下水动态数据库,地下水钻孔数据库,地下水资源数据库,地质灾害数据库;(4物化探类:物探化探异常数据库,1/20万化探数据库,重力数据库,航磁数据库,电测深数据库等;(5石油海洋地质类:石油钻井数据库,石油地震勘探数据库,海洋重磁数据库,测井数据库,油气盆地资源量数据库,石油钻井工程数据库等;(6矿产开发类:矿产资源开发利用情况统计年报系统,采矿登记管理系统等;(7机关管理类:地矿人才数据库,职工队伍数据库,地勘项目数据库,设备管理库,物资管

13、理数据库等;(8地质市场类:非金属矿产应用信息数据库,城镇地籍信息管理系统,地区农业地质数据库等;(9资料文献类:中文地学文献检索系统,西文地学文献检索系统,地质资料目录检索系统和图书资料查询系统等;(10科研教学类:金刚石找矿指示矿物数据库,稀有稀土元素矿床数据库,科研成果管理数据库,矿物化学成分数据库,前寒武纪地球化学数据库等等。石油天然气总公司、煤炭部、冶金部、核工业部地质局、有色金属总公司和水利部等部门,也都分别于80年代中后期作出了相应的近期和长远的发展规划,并且分别开发了大量专业数据库和点源数据库。例如煤炭部已经建成了全国煤质数据库,开发了勘查区点源数据库,并且正在建设全国煤炭资源

14、数据库;水利部建立了南水北调中线工程地质勘查数据库系统,等等。总的看来我国的地矿数据库建设仍处于初级阶段,数据环境基本上属于应用数据库范围,这类数据库的建设方式大多数是简单地利用现成的商业化软件来装载数据,很少做高层次的二次开发;在地矿图件库方面的工作也缺乏统一的部署和管理,重复采集数据的地质矿产部科技司,中国地矿信息院1地矿部地质矿产数据库字典11996现象严重,整体上离形成地矿信息产业还有很大差距。尽管如此,许多数据库的应用都已经取得明显的经济效益和社会效益。地质矿产数据库和图形库有两个并行的发展方向,一个是大型集中式方向,一个是微型分布式方向。西方诸国早期所建立的全国规模信息系统,以及我

15、国已建立的各种全国规模的数据库,基本上都是大型集中式的。大型集中式数据库都是建立在巨型和大、中型机上的,其优点是数据简洁,分类清楚,便于集中管理,有利于支持上级机关决策;缺点是专业划分过细,不便于各地使用,难于组织、容纳繁多的数据类别和复杂的数据结构,更难于应付勘查和科研中日益增多的信息处理需求。近年来,随着高容量、高速度、低价格的微机和工作站大量涌现,分布式数据库和图形库系统受到普遍的重视,特别是网络技术的发展和信息高速公路的建成,使分散于各地的计算机资料和信息资源的管理、交叉访问及远距离传输成为可能,分布式数据库和图形库系统的发展前景更得到普遍承认。开发一种既能够作为全国地矿信息网络结点,

16、又能够支持基层勘查与科研单位进行信息处理的地矿点源信息系统,显得十分必要(吴冲龙等,1996。3信息传输技术信息传输技术是地矿工作信息化工程的关键技术之一。欧美发达国家的地矿资料传输主要通过通讯卫星、微波和数字通讯网络,其中数字通讯网络的应用最为普遍。美国地调所(USGS 于1985年建立了全国范围的远程通讯网络GEON ET ,通过这个网络将USGS 分布在各地的多个局部网络和多个计算机系统连接起来,并实现了声音与数据同时传输的功能。各个局部网络允许使用不同的网络技术与传输速率以满足不同用户的需要,并在本地区或单位内部共享资源和信息。在网络上运行的应用程序包括计算机图形系统、数据管理系统、统

17、计分析系统和数据输入系统等。GEON ET 还负责整个美国内务部的远程通讯,它将US 2GS 的数据库系统与渔业、野生动物保护单位、国家公园管理局、矿产资源局、矿业局和土地管理办公室等的数据库系统相联接。该网络的使用率每月达数千人次,发生数十万次计算机对话,传输约数十亿个字符的数据。从1988年起,USGS 的GEON ET 与全美网络和国际网络联结,进一步实现了与1500所美国及其它国家的研究中心通讯,同时可以方便地使用联络于网络上的国家超级计算机资源。澳大利亚地质调查所(A GSO 根据不同的机型和不同需求采用不同的通讯网络,其中,PC 机用NOV ELL 网、苹果机用APPL EL K

18、网、VAX 小型机用DECN ET 网,设置多路转换器、中继器和桥,并通过以太网和TCP/IP 协议将这些网络连接起来,共享数据资源和软件资源。A GSO 也安装了既能通话又能传输数据的专用自动交换机,还与国际网IN TERN ET 联结,用户可以随时从全国各地和世界各地提取所需要的信息。大量的数据库通过网络向广大用户提供信息服务,不但推动了地矿勘查工作的发展,还促成了一个崭新的地矿信息产业的形成。各种地矿数据和图件资料均已商业化,走向了市场。我国地矿部门的信息网络建设刚刚起步,多数信息的传输仍然主要靠邮寄磁介质(软盘、磁带。地矿部曾实验过利用微波和长途电话线进行远程数据传输,数据质量和传输效

19、率都达到要求,但由于投资问题,没有推广应用。“九五”期间,随着国家信息高速公路和通讯网络建设的加速进行,地矿信息传输技术将会有一个大的发展。643前沿边缘分支热点地学前缘1998,5(121998,5(12地学前缘前沿边缘分支热点4勘查数据分析技术主要是利用电子计算机的快速运算功能,来实现各种数学模型的解算,达到压制干扰、突出有用信息的目的,并且对有效信息进行各种统计、分析和综合。其内容包括物探方法模型的正、反演计算,化探及地质编录数据的统计分析,矿产储量的计算与统计,工程岩土力学和水力学计算等。此外,还包括大量日常工作的数据换算。这是地矿行业最早应用计算机技术的领域。随着以地矿数据多元统计分

20、析为基础的数学地质的迅速发展,以及矿产资源统计预测的理论和方法的提出和完善(赵鹏大等,1983,这方面的软件大量涌现,许多程序已经在国内外公开发表,基本上可满足广大用户使用。由于计算机硬件和软件的迅速发展,发达国家勘查数据的计算机分析技术自80年代起,已从单纯的运算、统计扩展为地质资料的综合解释推断。国外在石油地质领域中所开发的许多软件,都属于这种类型,其中以美国的G eoQuest和Landmark最为著名。这些软件能够对二维、三维的地震勘探、钻探和测井数据进行构造、沉积和含油气性的综合解释、能够辅助人们完成勘探研究、井位确定、成藏分析和油藏描述等项任务。国内勘查数据分析方面的大型软件研制较

21、少,长期以来都是依靠进口,与先进国家的差距比较大。最近由我部地调局和信息院联合组织开发的KPX系统,是一个较大型的固体矿产勘查软件系统,具有很强的日常勘查数据处理及储量计算能力,在标准化、系统化和商品化方面都有大的改进,推广应用前景较好。国内用于日常地质勘查数据分析的中、小型软件主要靠自己开发,创意和技巧水平不比国外差,但通用性及其效果却较差。今后应当在统筹兼顾和择优支持的同时,加强软件开发的标准化、系统化,增加集成化和商品化的资金投入,并且加强软件成果的维护和管理,注重知识产权的保护,调动软件人员的开发积极性。5地矿勘查图件机助编制与多维图示技术应用计算机图形技术来编制和显示地矿图件,既能保

22、证质量、减少编图、制图和修编的工序和时间,还可以实现图形数据共享,方便图形的存贮、保管和使用。西方发达国家经多年的探索,到80年代中期,都在不同程度上实现计算机辅助编制和出版正式地矿图件(姜作勤等,1991。英国地调所(B GS的数字制图生产工序,已试验定型并形成常规生产流程,他们的15万、125万和16215万的高质量彩色地质图件的再生产,都采用了数字技术。美国地调所(USGS利用计算机来设计和准备产品,也已成为日常编图过程的一部分。他们采用栅格扫描方式进行数字化、人机交互方式进行修编和矢量化,再用激光绘图仪生成高精度分色图胶片,然后印刷,成功地翻版了旧的测量地图。整个过程从传统手工方法需几

23、个月减少到几个小时。80年代中期,USGS又在微机上开发了辅助编图软件,赋予了图形数字化、编辑、修改、质量控制、转换比例尺和投影方式等项功能。加拿大安大略省地调所在80年代末期,初步实现了从野外画草图到出版彩色图件的填图全过程计算机化,并于1989年出版了第一幅数字彩色地质图。法国地质矿产资源局(BR GM也利用计算机辅助编图系统和彩色印刷系统出版了15万区调正式图件。目前,发达国家的计算机辅助编图技术已经从研究转入实际应用,从对旧图的修编与再版,发展到在实际填(编图项目中的一次性成图。澳大利亚A GSO从1990年开始的第二代全国地质填图计划的全部项目,都采用了计算机辅助编图技术。他们制定了

24、野外数据采集的各种标准和工作流程,采用手持式全球定位系统(GPS确定采样和观测点位置,使用数据采集器进行数据采集,再利用Oracle建立各类数据库,然后用ARC/IN FO系统进行数据综合、叠加、交互式编辑修改。最后用激光照排机生成分色加网胶片,再制版印刷。地质图件机助编制技术的发展方向,一是与三维图示技术结合,实现地质数据资料的立体表现;二是把人机交互方式和人工智能方式结合起来。其中的人工智能式编图,是当前欧美地图制图专家和地矿勘查图件制图专家研究的重要课题。我国地矿勘查图件计算机辅助编制技术的研究开始于80年代初期,到80年代末期已基本上实现了除彩色地形地质图之外的各种二维勘查图件的计算机

25、辅助编绘。但由于各单位分散开发,缺乏统一的标准只能谁开发谁应用,难于推广,而且多数编绘系统缺乏数据库支持,使用较为不便。三维勘查图件的计算机辅助设计技术,至今仍处于研究、试验状态。我国彩色地质图的计算机辅助出版系统的研究、开发开始于80年代末,目前中国地质大学已经开发出具国际先进水平的软件系统(MapCAD,并且开始被用于旧的地质图修编、存贮工作中。各部委地矿部门采用MapCAD系统完成了一系列1100万、1200万、1400万的全国地质图、矿产图和水文地质图等的制图任务。目前,又开始被应用于120万和15万区域彩色地质图的存储、修编和印制。至于彩色区域地质图一次性生成的计算机辅助设计,国内外

26、尚无成熟的软件系统进入市场。最近,地矿部已经立项,计算机辅助15万区域地质填图系统(G eoMapping有望于“九五”期间开发出来。计算机多维图示技术的迅速发展及其在地质模型研究中的应用,是最近几年的事情。借助三维乃至四维图示技术,能将庞杂的地质数据形象化、立体化、动态化,大大地提高了它们可视性和推断解释的准确性(Mark,1992;Bruce,1996。目前国外三维数字地理模型静态图示软件已经商品化,三维的多边形域柱状图编绘技术趋于成熟,任意形状的复杂地质模型立体图示技术也已经取得了重大进展。多维图示技术与数据库、GIS、地矿勘查数据分析及地质过程模拟技术相结合,产生了计算机地质动画技术。

27、只要所占有的地质矿产资料数据充分、分析模型可靠,便可以跨越时空,按照各种地质现象发生的“时序”,形象地再现地质体和地质作用的发生、发展历程。通过它,地质工作者能够“透视”地下地质体,直观地理解地质作用、成矿作用和地质灾害的发生发展过程,动态地监视滑坡、塌陷等地质灾害和地下水的变化。这种地质模型的多维动态图示技术,也称为“图形诊断技术”,已经开始用于油气藏描述、盆地模拟和工程基础岩体描述。地质模型图示技术面临的难题是:地矿勘查数据升维的内插、外推及其与地质过程数学模拟的结合。地质体的物质组成、结构构造及演化历程都极为复杂,其立体构形和动态再现极为困难。这里涉及到地质数据的可利用性和地质模型的可靠

28、性问题。利用人工地震勘探所形成的三维数据体,很容易实现地质模型的立体、动态显示,但是,其它地质矿产勘查手段所获取的数据,往往是以为一维和二维的,有的甚至是点的数据。要实现立体动态显示,首先解决数据升维问题。由于观测点之间、钻孔之间和测线之间通常有较大的距离,而地质体的物质组成、结构构造及其空间形态极不规则且变化急剧,数据升维必须进行复杂的内插、外推和模拟。同时,由于地质体都经历过长期的发展演化,地质过程的重塑和再造涉及复杂的思维和分析模型。现有的立体动画技术,还不能很好地解决这些问题。因此,不但应当在348计算机图形学方面作进一步开拓,还需要加强地质模型研究,与地质过程数学模拟结合起来(Ric

29、hard,et al.,1995;Talat,et al.,1996;Williams,1996,才能不断增强其对复杂地质体的立体动态表现力。我国较少开展多维图示技术的基础软件开发,多数利用国外的商品化软件作二次开发,取得了一大批具有重要价值的应用软件。其中,石油天然气总公司和海洋石油总公司的有关研究单位和中国地质大学(武汉等院校,在三维地震解释、油藏模拟、盆地模拟和勘探目标模拟等方面的成果较为突出。中国煤田地质总局和水利部长江委员会,也在这方面进行了一些探索性研究,但还未投入实际应用。在国内资金投入不足而国外成熟软件层出不穷、软件市场风云变幻的今天,应当加强宏观规划和调控,一手抓国外商品软件

30、的二次开发,一手抓基础软件平台的一次开发,才能在国内、国际市场上占有一席之地。6地质过程计算机模拟技术地质过程计算机模拟也称为地质过程数学模拟,它是近20年来在计算机地质应用领域里迅速发展着的一种仿真技术。地质过程所涉及的空间之大、时间之长、影响因素之多、相互作用之复杂,是难以用实物的物理模拟方法和化学模拟方法来再现的。这个问题长期以来困惑着地质学家,既阻碍了人类深入、全面地认识各种地质过程,也阻碍了地质科学的定量化进程。自从计算机技术引进地学领域后,发达国家的地质学家们就开始了地质过程的数学模拟研究,并迅速地取得了进展。地质过程计算机模拟的一般方法是首先通过地质研究来建立对象的地质过程和地质

31、特征的概念模型,再选择适当的数学模型来描述其中的主要过程,然后让计算机按一定的时序和法则来执行数值运算和逻辑推理(Harbaugh,et al.,1980。所采用的数学模型可以是准确的数学函数表达式,也可以是概率性的、经验性的甚至逻辑启发性的关系表达式。地质过程数学模拟随之可分为静态确定型(例如构造应力场模拟、动态确定型(例如地下水动力学模拟、动态随机型(例如某些沉积作用模拟和动态混合(确定+随机型,(例如油气成藏动力学模拟和人工智能型。其中动态模型可以看作一系列静态型的有序组合,而确定性模型可以看作随机模型的特例。这些模型通过演绎和推理,可以随着输入数据的增加而提高仿真程度,又可以按离散的时

32、间增量前进而实现动态效果,还可以及时地将结果同实际数据进行对比,不断地修改模型以适应实际情况。当所归纳的地质过程在计算机内持续的“时间”足够“长”,便可以产生与实际地质过程相似的数字化“结果”。地质工作者可以将这种从研究对象中抽取的概念模型及其相应的数学模型看作实验工具,通过改变各种条件和参数来观察它的反应,从而定量地揭示各种地质事件中各种主要影响因素的相互关系,以及变化趋势和可能结果,达到预测、评价矿产资源的形成、分布状况和预报地质灾害的目的。从国外情况看,计算机模拟最早是从与地下水有关的研究开始的。美、日、法、英等国在十几年前就已经广泛地应用计算机模拟,来解决地下水资源管理问题,进行储量评

33、价和预测。然而,计算机模拟在近年来发展得最为迅猛的领域要算石油天然气勘查领域。这就是人们常说的盆地模拟。盆地模拟从研究盆地的构造演化、沉积演化和地热演化入手,分析岩层分散有机质的降解、生烃、排放、运移和聚集过程的影响因素和控制条件,建立其概念模型和数学模型,然后利用计算机来再现这一过程,达到预测、评价盆地和富集带油气潜力的目349的。由于这一方法在预测盆地油气潜力、提高勘探命中率、降低投资风险方面有显著效果,从80年代初期以来得到广泛的重视(Leonard,1989。从技术方法看,目前已经从一维的单井模拟经过二维联井剖面模拟,发展到三维区块或盆地整体模拟,并且正在向四维的时空动态模拟发展;从模

34、拟内容看,已经从单一的油气资源量模拟,发展成了盆地地质过程的综合模拟和油气富集区带的油气成藏动力学模拟,并且向以确定钻探靶区为目的的油气勘查目标模拟发展。到目前为止,国际上已经开发应用的盆地模拟软件有近百个,其中比较有名的有德国尤利希公司、法国石油研究院、美国南卡大学和英国Bp石油公司研制的系统。但这些系统普遍存在实体模型过于简化、与盆地分析脱节、数学模型过于单一和忽略系统内各参数之间的反馈控制关系等问题,亟待加以改进。石油地质领域内另一种较为成功的过程模拟,是旨在定量地描述油气藏特征及其变化的三维油藏模拟。由于该项模拟是建立在密集的钻孔资料和现今地下水动力学基础之上的,理论基础和技术方法都较

35、为成熟,在油气资源勘探开发过程中发挥了重要作用。与此同时,在地学各个领域,各种地质作用计算机模拟的研究也在蓬勃地开展着,大至板块相互作用、造山运动、造盆运动、古气候演化和古生物演化的模拟,小至岩层褶皱作用、断裂作用、成矿作用、地质灾害的酝酿、水库和渠道的渗漏和淤填、坝基和边坡的稳定性等的模拟,都取得了显著进展。动画和多媒体技术的采用,使地质过程数学模拟有了良好的声象表现形式。1989年美国能源部曾利用Cray21巨型机,完成了几百秒钟的火山喷发过程模拟,十分逼真、生动,使人如同亲临其境,可以深化人们的科学认识。我国这方面的工作刚起步不久,但在地下水资源、盆地模拟、地球化学动力学模拟、地下热流体

36、动力学模拟和海底喷流成矿模拟等方面,已取得初步成果。北京石油规划设计院和海洋石油研究中心所分别开发的大型二维盆地模拟系统(石广仁,1994;王伟元等,1995,具有较高的水平和实用性。但也存在与国外软件同样的缺陷。地质过程计算机模拟的发展方向是:加强研究对象的实际地质过程分析,提高概念模型的相似性;注重地质作用过程各影响因素的相互作用分析,尤其注意揭示其中的反馈控制关系;考虑实际地质过程的非线性特征和地质体的分形特征,开展非线性动力学和分形模拟研究;与数据库及GIS密切结合,充分利用实际地质过程庞大的空间数据和属性信息。目前中国海洋石油勘探开发研究中心与中国地质大学(武汉地矿信息研究所,正就解

37、决这方面的问题开展大规模合作研究,有望在近期取得进展。7地理信息系统(GIS的应用地理信息系统是一种特定而又十分重要的空间信息系统,它是采集、存贮、管理、分析和描述整个或部分地球表面(包括大气层在内与空间和地理分布有关的空间信息系统(李德仁等,1995。由于GIS能够使研究人员以一种全新的、综合的方法,来解决地质领域中的各种问题,近年来被广泛地用于基础地质、矿产地质和环境地质的勘查与研究中(Reddy R. K.T.,et al.,1990;Moore,1991;Franz and Coy,1996。美国地调所(USGS应用先进的GIS技术,将通过地质、地球物理、地球化学和遥感等手段得到的地学

38、数据进行综合分析,解决了现有各类数据的集成、管理、分析和成果的表示问题,提高了研究水平,有效地支持了部门与政府决策。随着GIS本身的技术发展,其应用35已深入到基础地质分析、地学断面研究、勘查图件辅助编绘、三维沉积盆地分析、三维冰川沉积分析、沙漠表面特征研究、地下水动力学模拟、石油化探数据分析、矿产资源综合预测、环境管理决策、地震灾害评价和风灾水灾监测等多个地学领域(姜作勤等,1992。地质学家们可以方便地利用数字技术来检验、完善已知的模型,并且开发新的模型。在太平洋沿岸各城市和地区,人们应用GIS将底图数据(水文、交通、行政界限、地质数据、技术数据(垂直速度,孔隙比,土壤类型、地面响应数据、

39、坡度数据、地震数据(震源、强度以及用卫星和航测图像生成的有关图件信息进行综合分析,生成各种图件用以指导减轻地震灾害。弗吉尼亚州地调局用GIS评价了威廉普县三叠纪盆地中活性有机化合物的污染。根据该三叠纪盆地的水文地质资料、有毒物质清单(有毒废料的产生者和使用者、三叠纪盆地地貌等资料,结合从州的水资源利用系统和全国水质采样点数据系统检索的数据,研究了污染的性质和蔓延情况,查明了影响地下水移动的水文地质条件,提供该州进行城市供水井、工业用地、有害废料处理的科学选址。加拿大能源矿产与资源部也利用GIS进行矿产资源评价。他们以基岩地质、矿产地质、水系沉积地球化学信息、冰碛地球化学信息、遥感图像信息、航空

40、物探中的放射性测量等信息为基础,采用一定模型进行综合研究,圈定靶区。澳大利亚和日本等国将GIS与GPS,DBS结合起来,用于125万和110万区域地质图的编制,已经顺利地完成了多幅区域地质图的填制和出版工作。我国地矿行业在GIS应用方面的起步也比较晚,虽然近年来发展较快,但主要是用于土地资源、道路交通、市区地下管网和城市建设规划管理,与地矿工作本身联系较少。在地矿勘查与研究中的应用较为零散,至今仍然处于探索阶段。地矿部岩溶所最早于84年应用于研究和评价区域岩溶分布特征,随后建立了岩溶塌陷评估预测信息系统。中国地质大学(武汉等利用GIS进行金属成矿预测、水文地质条件评价与水资源系统分析,中科院地

41、质所利用GIS研究花岗岩区新构造,中国矿业大学利用GIS进行煤矿突水预测,成都理工学院利用GIS评价地面岩体的稳定性,国家地震局利用GIS进行首都圈震害环境质量评价,河北地矿局利用Mapinfo进行榆关镇幅15万填图,都是这方面的探索性成果。在基础软件开发方面,到90年代中期已经开发出了具国际先进水平的工具软件,如中国地质大学的Map GIS等。最近,在地质矿产部科技司的主持下,一些大专院校和研究所大规模地开展了GIS在矿产资源评价、区域地质填图和地质体三维建模等方面的应用研究与开发,我国地矿部门目前的GIS应用与本职工作脱节的状况,有望得到改善。目前国外GIS的发展趋势,是逐步走向集成化、智

42、能化(Miller,1991;李德仁,1995和三维化(Hughes,1996。由于GIS至今尚缺乏三维及多维数据的管理和处理能力,缺乏强大的关系数据库管理系统和适合于地矿勘查数据分析的各种方法库与模型库,面对地矿勘查的多源、多类、多量、多元、多维和多主题数据,显得能力不足。如果没有功能强劲的地矿点源主题数据库、模型库、知识库、方法库和专门的地矿图件编绘系统支持,很难在地矿勘查领域发挥更大的作用。然而,要求GIS的功能面面俱到,也是不现实的,那样将使其变得十分庞杂。因此,在地矿勘查中应用GIS,应当扬长避短,把重点放在空间数据管理与处理功能的二次开发方面,并且进行“6S”(GPS,RS,DBS

43、,GIS,CADS和ES的集成化研究。在可能的条件下,应当考虑投入适当的资金和人力,对数据库、图形库、模型库、知识库、方法库等五库联合的软件平台开发,进行探索研究。3518人工智能技术在地矿资源预测与勘查评价中的应用地质矿产资源的预测评价的专家系统,是一种计算机程序,它由“知识库”和“推理机”两部分组成。在知识库内凝聚有相当数量的权威性知识,并能根据用户提供的信息,运用所存储的专家知识,通过推理机以专家水平或接近专家的水平来解决特定领域中的实际问题。地质学由于学科本身的特点,一直是专家系统应用研究的活跃领域。地质学的很多问题,如大陆漂移、岩石的破裂、矿床的形成等等,都不是单纯的数学推理能够解决

44、的,定性分析一直是认识地质作用、预测评价资源的主要方式。地质学又是个实践性很强的科学,到自然界去调查研究,在实践的基础上进行分析,对比、归纳、分类,将今论古,根据事物的已知规律去推断未知,是地质学的最基本的研究方法。许多复杂地质问题的解释和处理,在很大程度上依赖专家的知识和经验。专家系统是人工智能技术研究发展到一定阶段的产物,是使人工智能由研究走向实用的最令人信服的技术,可以充分发挥专家作用,使得一般地质人员能象专家那样工作,从而提高找矿和勘探效果。世界上第一个地学领域的专家系统Prospector,是19741983年期间由斯坦福国际研究所与美国地调所协作开发与完善的,主要用于固体矿产资源评

45、价。应用该系统对华盛顿州的一个老的钼矿进行研究,发现了新的矿体,增加了储量。美国地调所(USGS长期坚持这方面的探索,不断为其补充矿床模型,到1987年,Prospector2的知识库中的矿床模型已由22个扩展到88个,预测评价的准确性得到进一步提高。此后,英、法、加、澳、日、原苏联等国都先后开展了这方面的研究。与其他方面的计算机应用一样,专家系统的开发首先在石油勘探和资源评价方面取得了进展,涌现出一批有实用价值的软件系统,例如DIPM E2 TER ADV ISER,DRIL IN G ADV ISER,ELAS,G eologic和Fonix等等,在生产实践中产生了效益。其功能主要是进行地

46、质分析、油层分析、钻井资料解释、钻探过程控制等等。USGS 正在加紧研究开发盆地分析专家系统、解释化探异常的专家系统、遥感图象解释专家系统等。美国水和环境高级决策中心开发的水井设计专家系统,解决了该单位专家不足的困难,提高工作效率20倍左右。目前国外还出现了一些新型复合式专家系统,它把数据分析处理和资源预测评价比较复杂的问题,分解成若干专家子系统,然后让各子系统的结论作为更高层次专家系统的输入,以完成某些单一系统所不能胜任的工作。国内地学领域专家系统的研究是从80年代初期开始的,先后涌现出物探资料推断解释、古沉积环境分析、矿产资源评价、油气圈闭评价、地震资料解释、水资源寻找等专家系统。在早期的

47、成果中,较为著名的有胜利油田的石油测井解释专家系统、吉林大学的AMRB4航空物探专家系统和浙江大学的钨矿预测评价专家系统,等等。从1989年开始,在国家“八六三”高技术研究的推动下,地质矿产部科技司组织了题为“矿产资源、地质环境专家系统”的研究。经过5年的攻关,取得了具有国际先进水平的成果。中国地质大学(武汉的大比例尺矿床统计预测专家系统(M ILASP和长春地质学院的金矿综合信息预测专家系统,便是其中的代表。M ILASP系统是根据地质异常理论(赵鹏大等,1995和矿床统计预测理论、方法设计的,它集多源信息输入、数据处理、图形、图象处理、表格处理和专家系统功能于一体,主要用于大、中比例尺矿床

48、统计预测研究(李新中等,1995。该系统已经在川陕交界地区的多金属矿床预测中,取得了实际效益。3521998 ,5 (12 地 学 前 缘 前沿 边缘 分支 热点 从国内外情况看 ,绝大多数专家系统在地学领域的应用仍处在试验研究阶段 ,仅在问题 明确 、 范围较窄 、 专家知识比较成熟的领域走向了实用 。目前 ,专家系统有两个明显的发展 趋势 : 其一是与数据库 、 及图示技术相结合 , 尽量避免仅依靠少量数据进行简单逻辑推 GIS 理、 判断 ,通过大量占有资料 、 分析资料和综合资料来提高解释 、 推断能力 。其二是采用人工 神经网络技术 ,研制新型的专家系统 神经网络专家系统 。人工神经

49、网络能模仿人类专 家的思维方式和工作方式 ,具有很强的知识学习 、 积累 、 联想 、 自组织和自适应能力 ,对知识 采取大规模 、 并行分布式存贮与处理方式 ,实现了知识的获取 、 存贮与推理一体化 ,从而使专 家系统成为一种辅助分析系统 ,弥补了传统专家系统的不足 。这方面的探索和开发刚刚开 始 ,预计很快会有高质量的软件投入市场 。 9 结束语 综上所述 ,计算机技术的迅速发展极大地推动了地矿工作的前进 ,如同其它工业部门一 样 ,计算机技术应用水平已经成为衡量地矿工作现代化程度的主要标志 。与发达国家相比 较 ,我国地矿行业的计算机应用仍较落后 。为了使地矿行业的计算机的应用迅速赶上

50、、 甚至 在某些方面超过世界先进水平 , 地质矿产部于不久前制定并实施了地矿工作信息化工程 “金地” 工程 。这是一个规模宏大且意义重大的跨世纪工程 , 其核心是地质矿产信息系 统建设 ,而主要技术手段是计算机应用 。如何调整步伐以适应这一跨世纪工程的需要 ,是我 部计算机软件开发与应用人员所应注意的大问题 。 以上评介了国内外计算机技术在地矿工作信息化领域的应用现状与发展趋势 。由于计 算机技术及其应用发展势头极其迅猛 ,所搜集的资料有限 ,在分析评价时难免出现错漏 ,谬 误之处恳请批评指正 。文中所引用的参考文献和资料 , 因篇幅有限 , 仅列出其中的一小部 分 。在此谨向各位作者表示感谢

51、和歉意 。 参 考 文 献 1 王伟元 ,王明君 ,崔护社 ,等 1 ProBases 二维盆地模拟系统及其在崖 1321 气田的应用 1 中国海上油气地质 ,1995 , 9 (3 :179190 2 王润生 1 GIS 的应用与发展 1 地质信息技术 ,1994 ,10 (4 :122 4 李德仁 1 地理信息系统导论 1 北京 : 测绘出版社 ,1993 3 石广仁 1 含油气盆地数值模拟方法 1 北京 : 石油工业出版社 ,1994 5 李德仁 1 论地理信息系统的形成及其在跨世纪中的发展 1 世界科技研究与发展 ,1996 ,18 10 姜作勤 1 国外计算机在地学中应用的现状与趋势

52、 1 地质信息技术 ,1991 , (4 :18 (3 :1043 ta. Com puters & Geosciences , 1996. 22 (10 : 11871189 11 姜作勤 ,俞全宏 1 美国地质调查所数字制图 、 应用与地学信息管理的现状与趋势 1 地质信息技术 ,1992 ,8 GIS 12 Bruce R R. Three2dimensional selection and its potential application in graphics and image processing of geoscience da2 6 李新中 ,赵鹏大 ,胡光道 1

53、基于规则知识表示的模型单元选择专家系统的实现 1 地球科学 中国地质大学学 报 ,1995 ,20 (2 :173178 7 吴冲龙 ,汪新庆 ,刘刚 ,等 1 地矿点源信息系统设计原理及应用 1 武汉 : 中国地质大学出版社 ,1996 8 赵鹏大 ,李紫金 ,胡旺亮 1 矿床统计预测 1 北京 : 地质出版社 ,1983 :1012 9 赵鹏大 ,王京贵 ,饶明辉 1 中国地质异常 1 地球科学 中国地质大学学报 ,1995 ,20 (2 :117127 353 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All ri

54、ghts reserved. 前沿 边缘 分支 热点 1998 ,5 (12 地 学 前 缘 13 Rhind D. Recent developments in geographical information systems in U K: IN T. J Geographical i nf orm ation sys2 tems , 1987 , 11 (3 : 229 241 Abstract Informalization of geological and mineral resources works has become tide of t he epoch. It s lev

55、el indicates t he modernlization of t his field. This project s core is t he building of 14 Harbaugh J W , Bonham2Carter G. Com puter S i m ulation i n Geology . New York : Wiley2Interscience , 1980 41 : 203 16 James M. Com puter Database O rganiz ations . Second Edition. l. Prentice2Hall , 1977 s.

56、: st racts2Geological Society of A ust ralia . Australia : Sydney , N. S. W. , 1991. 30 , 109110 15 Hughes J D. Optimizing resource analysis of stratified sequences wit h 3D modeling , GIS , remote sensing and 3D visu2 18 Leonard J E. Basin modeling economic tool for locating hydrocarbons. A mer oil

57、 gas reporter , 1989 , 32 (11 : 11 15 19 Franz L K , Coy S H. Geologic mapping from satellite data ; contribution of remote sensing and GIS technology to hy2 drocarbon and mineral exploration. Proceedi ngs of t he Them atic Conf erence on Geologic Remote Sensi ng . United States : Ann Arbor MI , 199

58、6 , 11 : I309320 20 Miller B M. Integration of geographic information systems and expert systems technology for resource management . Resource M anagement . United States : Bet hesda , MD , 1991. 727736 gy. Today , computer technology has permeated into all t he fields of geoscience. It becomes t he geology and mineral resources information system , while it s main means is computer technolo2 354 17 Johnson B D , Bradbury R. The National Resource Information Centre ; its role in