Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка специализированной геоинформационной системы для геохимического изучения базит-ультрабазитовых комплексов Восточного Саяна

ВАК РФ 25.00.35, Геоинформатика

Автореферат диссертации по теме "Разработка специализированной геоинформационной системы для геохимического изучения базит-ультрабазитовых комплексов Восточного Саяна"

На правах рукописи

ДОРОШКОВ Артемий Андреевич

РАЗРАБОТКА СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЙ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ

СИСТЕМЫ ДЛЯ ГЕОХИМИЧЕСКОГО ИЗУЧЕНИЯ БАЗИТ-УЛЬТРАБАЗИТОВЫХ КОМПЛЕКСОВ ВОСТОЧНОГО САЯНА

25.00.35-геоинформатика

АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискание учёной степени кандидата геолого-минералогических наук

■I . I ■ ч

1 ' ¿а и

Иркутск - 2013

005538011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте геохимии им. А.П. Виноградова Сибирского отделения Российской академии наук (ИГХ СО РАН).

Научный руководитель:

Мехоношин Алексей Сергеевич кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник

Официальные оппоненты:

Филонюк Виталий Андреевич доктор геолого-минерапогических наук, профессор, Иркутский государственный технический университет

Новопашина Анна Владимировна кандидат геолого-минералогических наук, Институт земной коры СО РАН

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт геологии алмаза и благородных металлов Сибирского отделения Российской академии наук (ИГАБМ СО РАН)

Защита состоится «3» декабря 2013 года в 15J|) часов на заседании диссертационного совета Д 212.073.01 при Иркутском государственном техническом университете по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. Тел./факс 8(3952) 405-112; e-mail: dis@istu.edu.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИрГТУ

Автореферат разослан «01» ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Г.Д. Мальцева

кандидат геол.-мин. наук

Актуальность работы

В начале XX века Владимир Иванович Вернадский (Вернадский, 1934) констатировал, что «...в основе каждого исследования должны лежать беспристрастный сбор возможно большего количества фактов по исследуемой теме, затем их объективное обобщение и лишь потом философское осмысление». Это утверждение приобретает особенную актуальность в наши дни, когда с помощью современных информационных технологий стало возможно структурирование и оперирование большими объемами информации.

Однако специфика комплексного изучения геологических объектов с целью построения объемных геохимических моделей рудно-магматических систем и оптимизации геохимических методов поисков заключается в том, что приходится одновременно формировать и использовать базы данных, содержащие смешанную информацию с разномасштабной представительностью (например, одновременное вовлечение в геоинформационную обработку смешанных данных геохимических съёмок масштабов 1:200 ООО, 1:50 ООО и 1:10 ООО). Это обстоятельство существенно затрудняет её эффективное использование и часто приводит к искажению результатов и не позволяет находить адекватное решение поставленных задач. Поэтому возникла необходимость создания специализированной динамической информационно-аналитической системы, которая представляет собой совокупность реляционных фактографических и документальных баз данных, сформированных с учётом масштабной представительности полученной информации. Они должны содержать как сугубо субъективные петрографические характеристики, так и строго формализованные результаты аналитического изучения проб, и комплекс аппаратно-программных средств для их хранения, изменения и поиска информации. Применение такой системы позволяет расширить круг практических задач, направленных на информационное обеспечение геохимических исследований, и даёт возможность повысить результативность при управлении исходными данными, соответственно, упростить процесс дальнейшей поэтапной обработки информации, включая построение детальных геологических карт и разрезов.

Цель и задачи работы

Целью исследования являлась разработка геоинформационной системы для оптимизации геохимических методов поисков и построения объемных геохимических моделей рудно-магматических систем на примере изучения докем-брийских базит-ультрабазитовых комплексов центральной части Восточного Саяна.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1) разработка структурированной пространственной базы централизованной информационной системы, содержащей упорядоченные материалы разномасштабных геохимических исследований, доступные через локальную и глобальную сети;

2) сбор и накопление геохимической информации в соответствии с разработанной структурой информационного хранилища;

3) реализация механизма автоматизированного подбора наиболее эффективных методов обработки геолого-геохимической информации для выявления геохимических аномалий на территории изучаемой площади;

4) выявление внутреннего строения разномасштабных геохимических аномалий в ультрабазитовых массивах, закономерностей вероятного размещения в них потенциально рудных объектов и оценка перспективности медно-никелевого оруденения по выделенным аномалиям.

Фактический материал и методы исследований

Основой для разработки информационной системы послужили материалы, полученные в результате исследования ультрабазитовых массивов северозападной части Восточного Саяна в период с 2007 по 2011 гг. Для построения геохимических карт были использованы данные литогеохимического опробования по сетям, любезно предоставленные ООО «Восточно-Саянская никелевая компания», а также результаты геофизических исследований фирмы НИИ ВСЕГЕИ.

Картографической основой для всех видов работ послужила серия векторных геологических карт, составленных на основе листов Государственной геологической съёмки 1:200 000 и 1:50 000 масштабов, оцифрованных и переработанных с применением картографических редакторов (ESRI ArcGis, Easy Trace, ГИС «Панорама»),

Сбор и объединение геолого-геохимического материала производились в специально разработанной (Дорошков A.A., Шестаков С.А., 2012) информационной системе БД «Байкал-геохимия», интерфейс которой написан с использованием веб-фреймворка Django на языке программирования Python; в качестве сервера баз данных выступает PostgreSQL с пространственным расщирением PostGIS.

Последующая обработка выборок данных велась через адаптированные интерфейсы и стандартные форматы данных с использованием программных продуктов: ArcGIS Geostatistical Analyst, Leapfrog 3D, языка программирования для статистической обработки R и модулей intamap, geostat, rgdal. При построении геохимических карт за основу обработки были взяты методы пространственной автокорреляции и статистики.

Защищаемые положения

1) Специализированная информационная система, созданная на основе кластеризованной базы данных, объединяет и стандартизирует форму накопления и хранения геолого-геохимической информации в зависимости от её масштабной представительности и за счёт использования специально разработанных систем ролей и приоритетов для обеспечения одновременной работы неограниченного числа исполнителей в едином веб-интерфейсе.

2) Разработанный алгоритм выбора методов обработки геохимической информации для кластеризованных баз данных основан на использовании их целевого предназначения и известных статистических критериев оценки эффективности их применения. Он включает достаточно обширный набор детерминистических и геостатистических методов, за счёт чего обеспечивается адекватный выбор в зависимости от характера и масштаба исследований.

3) Использование специализированной базы данных и оптимальных методов пространственной интерполяции при обработке результатов региональных и детальных геохимических съёмок показывает истинный характер разномасштабной структуризации моноэлементных геохимических полей относительно пространственного размещения аномалий в изучаемых интрузиях уль-трабазитов как основу для более эффективного прогнозирования и последующего выявления потенциально промышленных рудных зон.

Научная новизна

1) для повышения производительности работы с большим объёмом геоданных впервые для БД «Байкал-геохимия» разработаны универсальная структура, функциональная схема централизованной информационной системы и единый веб-интерфейс;

2) теоретически обоснована кластерная модель структуры базы данных, соответствующая этапам геохимических исследований, модель доступа к данным и их обработки;

3) обоснована модельная схема организации управления доступом и взаимодействия между пользователями на основе системы ролей, позволяющая переводить этап сбора фактического материала на качественно новый уровень и охватывать работы одновременно нескольких исследователей в разных эпохах, что расширяет возможности сопоставления и поиска связей между разнородной информацией.

Практическая значимость работы

1) реализован механизм динамической пространственной кластеризации хранящихся в системе данных, который позволяет выполнять разномасштабный статистический анализ исследуемой территории;

2) показаны преимущества взаимодействия программно-инструментальных ГИС оболочек с централизованной информационной системой в сравнении с работой с дискретными данными;

3) создан специализированный веб-интерфейс для обеспечения взаимодействия пользователей с базой геоданных;

4) проведён анализ методов создания картографических моделей распределения химических элементов в целях комплексной оценки территории на предмет обнаружения медно-никелевых месторождений;

5) организован механизм взаимодействия между объектами базы данных и средствами автоматизированной и полуавтоматизированной обработки;

6) созданы геохимические модели рудоносного массива, как основа для прогнозирования потенциально промышленного оруденения;

7) рекомендованы участки для постановки детальных работ с целью локализации рудных зон.

Личный вклад

За период подготовки диссертационной работы автором был выполнен следующий объем работ: участие в полевых работах с 2008 по 2011гг.; разработка концептуальной модели и структуры пространственной базы данных информационной системы БД «Байкал-геохимия»; участие в написании программного кода серверной части информационной системы и координация процесса коллективной разработки; обобщение и интерпретация результатов изучения докембрийских ультрабазит-базитовых комплексов центральной части Восточного Саяна.

Вклад автора в выносимых на защиту результатах является определяющим.

Апробация работы

Основные результаты работы обсуждались на всероссийских и международных конференциях: VI Сибирской международной конференции молодых учёных по наукам о Земле (Новосибирск, 2008); Уральской минералогической школе-2009 (Екатеринбург, 2009); XXIII всероссийской молодежной конференции «Строение литосферы и геодинамика» (Иркутск, 2009); XI всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (Иркутск-Байкал, 2010); XIV международном научном симпозиуме имени академика М. А. Усова студентов и молодых учёных «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2010); Всероссийском семинаре «Современные информационные технологии для фундаментальных научных исследований РАН в области наук о Земле» (Владивосток, 2010); Всероссийской научно-технической конференции «Геонауки» (Иркутск, 2010); Конференции «Цетрология и рудоносность базит-ультрабазитовых комплексов» (Иркутск-Черноруд, 2010); Конференции «Математическое моделирование и вычислительно-информационные технологии в междисциплинарных научных исследованиях» (Иркутск, 2011); Всероссийском совещании «Современные проблемы геохимии» (Иркутск, 2009, 2012); Всероссийской научно-технической конференции «Геонауки-60. Актуальные проблемы геологии, планетологии и геоэкологии» (Иркутск, 2012).

Публикации

По теме диссертации опубликованы три статьи, две из которых в журналах из перечня ведущих периодических изданий ВАК РФ, и шесть тезисов докладов, получено авторское свидетельство о регистрации Базы геолого-геохимических данных ИГХ СО РАН № 2012620873.

Кроме того, основные наработки вошли отдельными главами в отчеты по Госконтрактам №№ 16.515.12.5007, 02.740.11.0324.

Работа выполнена при финансовой поддержке интеграционного проекта ОНЗ-2 РАН, Совета по грантам Президента (НШ-6153.2012.5).

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, трёх глав и заключения. Общий объём работы составляет 143 страницы, включая 57 рисунков и 13 таблиц. Список используемой литературы содержит 103 источника.

Благодарности

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю - к.г.-м.н. A.C. Мехоношину; благодарен сотрудникам ИГХ СО РАН: к.г,-м.н. Т.Б. Колотилиной, к.г.-м.н. Ю.П. Бенедюку, д.г.-м.н. М.А. Горновой, д.г,-м.н. А.Я. Медведеву, д.т.н. И.Е. Васильевой, к.г.-м.н. А.Б. Перепелову, к.г.-м.н.

B.А. Бычинскому, к.т.н. Е.В. Шабановой и сотрудникам других институтов: к.г.-м.н. A.B. Лавренчуку, к.г.-м.н. М.Ю. Подлипскому, к.г.-м.н. В.В. Хлестову, д.г.-м.н. А.Г. Владимирову, д.т.н. А.Ю. Горнову, к.т.н. Г.М. Ружникову за неоценимую помощь в проведении исследований, подготовке и обсуждении работы; вице-президенту ГМК «Интергео» А.Н. Стехину, директору ООО "ГПП-геологическая компания" Ю.Н. Киселёву за постоянную поддержку работы;

C.С. Хабардину и П.С. Мишакову за помощь в разработке интерфейса информационной системы БД «Байкал-геохимия»; за возможность ознакомления с ПО Leapfrog 3d и Leapfrog GEO - Thomas D. Krom. Особую благодарность за ценные советы автор выражает к.т.н. В.В. Чернову.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Структурирование баз данных геохимических исследований

Одним из вариантов развития геоинформационных систем для естественных наук являются геопорталы, которые могут быть общей и узкой тематической направленности. Порталы общего назначения охватывают множество тематик, ориентированы на широкий круг специалистов и позволяют: объединять пространственные ресурсы от разных производителей; осуществлять поиск необходимой информации по её описанию; каталогизировать данные для удобства освоения. Но вследствие своей универсальности они становятся неэффективными при работе с данными, подчиняющимися строгой структуре описания (материалы геолого-геохимических исследований). В таком случае необходим портал узкой тематической направленности, который предоставит различные сервисы для пользователей системы (Дорошков, 2010).

Использование информационных технологий в геологических исследованиях позволяет создавать на основе геолого-геохимических и геофизических данных динамичные информационно-аналитические системы, пополняемые по

мере увеличения изученности территории. Применение таких систем даёт возможность оптимизации существующих методик работ и создания новых.

При этом решение одной и той же геологической или геохимической задачи, как, например, статистическая обработка данных, построение петрографической карты или карты геохимических ореолов и т.п., возможно с помощью нескольких способов или подходов, различающихся по степени оптимальности и затратам по времени и ресурсам. В конечном счёте, любой из методов решения поставленных задач сводится к созданию базы данных, с одной стороны, и взаимодействию с ней различных инструментов для их обработки, с другой. Таким образом, балансируя между этими составными пунктами, предложен вариант развития информационной системы, позволивший решать не только стандартные задачи.

Следует отметить, что одной из особенностей обработки геолого-геохимических данных является большая доля субъективного вклада в этот процесс исследователем, выступающим в роли эксперта. Например, сложно автоматизировать классификацию горных пород только на основе результатов химического анализа, для этого необходимы данные петрографического изучения шлифов и т.д., и т.п. Но, с другой стороны, манипулируя имеющимися данными, легко выделять и структурировать объекты и действия, которые над ними совершаются. Поэтому предложенная аппаратно-программная платформа представляет собой систему для сбора и хранения данных с возможностью формализации рутинных операций.

Для решения геолого-геохимических задач пространственные данные представлены в виде объектной модели базы данных, состоящей из нескольких объединённых в блоки слоёв с определённым набором атрибутов для каждого. Структура информационного хранилища построена таким образом, чтобы соответствовать модели, приведенной на рисунке 1.

Главным классом системы является «Каталог», лежащий в основе модели. Данные, хранящиеся в нём, формируются в основном по результатам полевых работ автора. Каждая из записей имеет свой тип, по которому идёт дальнейшее присвоение ей признаков и методов обработки. К наиболее часто встречающимся типам относятся: точки отбора проб, точки наблюдения, горные выработки.

Главной задачей создания каталога является координирование системы и сопоставление различных наборов атрибутов, описывающих один и тот же объект модели. Также в данном слое ведутся проверки уникальности хранимых значений имён. В свою очередь, для координирования объектов внутри каталога, в соответствии со схемой (см. рис.1), были созданы классы - «Научные проекты», «Полевые работы» и «Участки работ».

Группа таблиц, которая хранит в себе результаты химических анализов для объектов слоя «Каталог», также является слоем модели данных. Данная группа состоит из строго определённых (базовых) таблиц, отражающих реально производимые виды химического анализа и набор вспомогательных атрибутов (предел обнаружения, погрешность).

geocoding

Месторасположение Геологическая структура

Cluster

catalog

Проект <Hlerarchy>

hierarchy

/

borehole

Скважина Инклинометрия

analytics

analysis

ИСП анализ

Атомно-эмнссионный анализ

Атомно-абсорбционный анализ

Фотометрия пламени

Микроэлеменгный аналга РФА

Силикатный анализ РФА

Силикатный анализ (классический)

Петрографическое описание

Палинология

Рис. 1. Логическая модель базы данных ИГХ СО РАН

Другим классом модели данных является группа таблиц, служащая для петрографического описания объектов, хранящихся в слое «каталог». Основная таблица этой группы - «описания». Заполняется она по результатам петрографических либо других исследований, имеет строгое классификационное поле для записи определяемой породы, поле для внесения расширенного описания этой породы и поле для внесения каких-либо комментариев (например, о присутствии рудных минералов).

Реализация данной информационной системы хранения и обработки информации геолого-геохимических изысканий предлагается с применением клиент-серверных технологий и даёт преимущество по сравнению с хранением данных на отдельных компьютерах, так как пользователь, обладающий определёнными правами, будет всегда иметь доступ к последней, актуальной версии данных.

Проект разработан на основе базы данных PostgreSQL (с пространственным модулем PostGIS). В качестве интерфейса системы, через который производится работа с данными, выступает специально разработанный на языке программирования Python и при помощи фреймворка Django картографический веб-сервис (рис. 2). Использование такого геосервиса увеличивает доступность данных, их надёжность и защищённость. Достаточно иметь доступ к сети, в которой функционирует система, чтобы войти в неё через обычный браузер и начать работать со своими данными либо взаимодействовать с данными других пользователей.

Интерфейс системы имеет строгую последовательность страниц, которая позволяет осуществлять поэтапный поиск и навигацию, начиная с научных проектов и заканчивая конкретными точками отбора проб. Все страницы сервиса тесно интегрированы с картографическим модулем представления пространственных данных.

Все сервисные функции, такие как архивация данных, аутентификация пользователей, журналирование (история изменений), ведутся на стороне сервера и предоставляются клиенту в виде отдельных служб, что освобождает пользователя от затрат времени на эти операции, предоставляя возможность полностью сконцентрироваться на рабочем процессе.

Таким образом, имея разные режимы работы с индивидуальной и общедоступной информацией, пользователь, в соответствии со своими задачами, совершает комплексные пространственные и атрибутивные запросы ко всему объёму информации. На основании таких запросов формируются выборки данных, которые являются основой последующей обработки методами пространственной интерполяции или любыми другими методами анализа и обработки данных.

Данные, размещённые внутри системы, становятся частью информационного пространства, которое по мере увеличения позволяет более точно фиксировать геохимические показатели реальных геологических объектов исследования.

Геониллиа

избранное (i) j Авторизация

Поисковый ЗЗПООС

ж

□ е фото □ на карте

в=

1550 15SO 2003 2006

2010 201X 2012 2013

- Сортировать по: — Ф Л »га ф Участок i

Объектов найдено: 2013 из них 1752 есть на карте.

Добавить данные

Иркутская область, участок "Голумбей" •Ü

О X А ' ^ Полазать на карте а

ф ¿втор: Дорошков

ИЯЯДЬ ю-89

Иркутская область, участок "Монкрес" я

| X А 1 ^ Показать на карте У

др Автор: Бенедюк

—мь 10-11

?

С 2013 «Геохимия*

/Л1.Разоэ6атциии

Рис. 2. Веб-страница проекта "Базы данных по магматическим, метаморфическим и рудным комплексам Сибирского кратона и его складчатого обрамления", предоставляющая картографический доступ к входящим в проект полевым работам.

Глава 2. Основы обработки данных геолого-геохимических исследований

При анализе процесса, который проходит каждый исследователь от сбора полевого материала до момента получения результатов, автором диссертации была выявлена некоторая избыточность действий, совершаемых в сфере информационных технологий. Причиной тому служит использование различных подходов и методик на каждом этапе исследования, что влечёт за собой «расклеивание» целостного представления об изучаемом пространстве, которое впоследствии может негативно сказаться при моделировании. Нет сомнений, что роль специалиста в процессе интерпретации геологических данных очень важна. Но знания, подкреплённые качественными данными, собираемыми в единую систему последовательно, по мере выполнения работ, послужат гарантом эффективного и качественного выполнения обработки и принятия правильных решений о геологическом строении и формировании искомого объекта.

Процесс построения карт плотностей распределения изучаемых признаков является достаточно сложным и во многом зависит от задач, которые ставит пользователь. Очень сложно выделить общий критерий, который позволил

!

бы с одинаковой эффективностью обрабатывать данные геолого-геохимических исследований. В связи с этим задача автоматизированной обработки исходной информации становится не тривиальной и не всегда позволяет обеспечить результат, удовлетворяющий потребностям пользователя. Таким образом, автоматическая интерполяция не должна быть единственной возможностью обработки информации, которую клиент системы может извлечь из базы данных.

В целом система БД «Байкал-геохимия» предоставляет возможность автоматизированной и полуавтоматизированной обработки данных. Общая схема потоков данных представлена на рисунке 3.

Автоматизированный процесс обработки данных заключает в себе два этапа: на первом происходит выбор оптимального метода интерполяции, на втором - автоматическая интерполяция геолого-геохимических данных в реальном времени. Для выполнения этих этапов были разработаны специальные функции в серверной части системы БД «Байкал-геохимия», которые позволяют извлекать из базы данных необходимую информацию и передавать на обработку во внешние модули.

Для статистической обработки данных применяется язык программирования R. Для обеспечения взаимодействия R и Python, на котором написана система БД «Байкал-геохимия», используется низкоуровневый интерфейс гру2. В самом языке программирования R имеются дополнительные модули, такие как intamap , gstat, rgdal, которые позволяют обрабатывать геоданные и оформлять результат вычислений в виде карт плотностей распределения.

Возможно частичное использование автоматизированной обработки данных в сервисе БД «Байкал-геохимия». При этом на стороне сервера выполняется только процедура выбора оптимального метода интерполяции.

Полуавтоматизированная обработка данных. Нередко требуется более гибкий подход к обработке данных. В этом случае система предоставляет соответствующие инструменты импорта данных в популярные форматы, такие

Рис. 3. Схема информационных потоков системы сбора и обработки геолого-геохимической информации БД «Байкал-геохимия».

как SHP и XLS. Кроме этого доступно прямое подключение к базе данных через программные интерфейсы.

Не во всех случаях построение геохимического поля будет оптимальным. Часто возникают ситуации, когда исходные данные, в силу своей природы или характера опробования, не подходят для применения к ним методов пространственной интерполяции. В таком случае была введена поддержка метода иерархической кластеризации, основанного на пространственных атрибутах объектов исследования и матрицы расстояния между ними.

Суть метода заключается в том, что в итоге можно иметь строго индексированную базу данных, в которой группировка будет производиться при помощи пространственного запроса пересечения границ объекта менее низкого уровня к множеству объектов более высокого уровня. Для каждого кластера могут быть рассчитаны статистические характеристики на основе объектов, пересекаемых данным кластером. При использовании этой методики можно получать множество вариантов представления информации для разных масштабов площадей, охваченных геохимическими поисками, и ориентироваться при этом на те параметры, которые являются необходимыми для решения конкретной задачи значений (рис. 4).

Глава 3. Результаты интерпретации геолого-геохимических данных и закономерности внутреннего строения массивов ультрабазитов

По результатам геолого-геохимических работ, проведённых на территории центральной части Восточных Саян было получено и обработано более

Точек в кластере' Ni среднее (г/т):

Рис. 4. Схема представления кластеров для разных масштабов на примере содержаний никеля в 8 ООО точек литохимической съемки.

Рис. 5. Карта геологического строения района работ: 1 — неогеновые базальты; 2-8 - комплексы: 2 - барбитайский; 3 - хойтоокинский; 4 - огнитский; 5 - нер-хинский; 6 - саянский; 7 - дербинский; 8 - урдаокинский; 9 - кембрийская толща; 10 - рифейские отложения нерасчлененные; 11 - среднепротерозойские; 12 - нижнепротерозойские комплексы; 13 - архейская толща.

двух тысяч штуфных и около десяти тысяч литохимических проб. Работы вы поднялись на нескольких участках в рамках одной площади (рис. 5). Объектами являлись массивы ультраосновных пород и связанное с этими массивами сульфидное медно-никелевое оруденение. Для выделения перспективных массивов использованы литогеохимические исследования, штуфное опробование - для оценки потенциальной рудоносности. Современные методы химического анализа позволили значительно улучшить нижний предел обнаружения элементов и выделить слабоконтрастные аномалии.

После каждого этапа полевых и лабораторных работ вся информация импортировалась в базу данных и велась её промежуточная обработка. Вновь поступающая информация обрабатывалась с учётом результатов предыдущих исследований.

Использование специализированной геоинформационной системы при обработке всего комплекса данных позволило установить закономерности распределения халькофильных и сидерофильных элементов в первичных и вторичных ореолах рассеяния, обусловленные особенностями их поведения в магматическом процессе.

На основании моноэлементных матриц, методами пространственного регрессионного анализа, были построены карты распределения мультипликативных аномалий, которые совмещены с картой интенсивности магнитного поля (Рис. 6). Полученная картина распределения аномалий позволяет определить положение ультраосновных массивов, как обнаженных, так и скрытых под рыхлыми отложениями, установить размещение медно-никелевых сульфидных и полиметаллических руд.

На основании объединённых выборок данных поверхностного и глубинного изучения, с помощью программы Leapfrog 3D, были построены 3D модели массива, позволившие визуализировать форму геологического тела, изменение петрографического состава пород, размещение в нем рудных тел и показать закономерности распределения химических элементов внутри него.

В результате установлено, что в пределах тела ультрабазитов максимальные содержания никеля приурочены к верхней центральной части с закономерным уменьшением к нижним горизонтам (рис. 7).

Максимальные концентрации хрома также отмечаются в верхней части тела. Резкие переходы содержаний хрома совпадают с границами смены дуни-тов, содержащих максимальные количества хромшпенелида, верлитами, а плавные - соответствуют постепенному увеличению количества клинопи-роксена в верлитах, в нижних частях интрузии.

Максимальные содержания титана приурочены к нижним частям массива. Увеличение содержания титана сверху вниз также связано со сменой петрографического состава пород, и определяется изменением количества ильменита, авгита и керсутита.

Интенсивность магнитного поля, нТл

ультраосновные массивы

Рис. 6. Наложение мультипликативных ореолов (по данным литохимических работ) на карту интенсивности магнитного поля (по данным аэромагнитной съемки)

I

Рис. 7. Модель распределения никеля в ультраосновном массиве.

N1 г/т | > 2500

Си г/т ^ 1100

Рис. 8. Модель распределения меди внутри ультраосновного массива.

Распределение меди внутри массива (см. рис. 8) наиболее четко фиксирует положение рудных тел. Вкрапленные сульфидные руды, в которых уровень содержаний меди составляет 540 г/т, непосредственно фиксируются в зоне по-

степенного перехода от дунита к верлиту. Можно предположить, что рудная зона опоясывает дунитовое ядро массива, образуя лополитообразное тело.

Построенная геолого-геохимическая модель массива позволила сделать следующие петрологические выводы: 1) массив представляет собой дифференцированное тело с закономерным распределением слагающих его минералов и химических элементов, характерных для интрузий подобного состава; 2) между петрографическими разностями пород наблюдаются постепенные переходы; 3) обнаруженные закономерности распределения хрома, никеля, и титана внутри массива, в совокупности с геологическими наблюдениями взаимоотношений с вмещающими породами позволяют сделать вывод о вторичном (перевернутом) залегании массива; 4) положение рудных тел внутри массива определяется совокупностью процессов ликвации и гравитационной кристаллизации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения работ получены следующие результаты:

1) Разработана структура пространственно-кластеризованной базы централизованной информационной системы БД «Байкал-геохимия», с помощью которой проводились сбор и обобщение данных геохимических исследований. В результате работы системы появляется возможность формировать определённые выборки данных для построения двух- и трёхмерных моделей, которые позволяют визуализировать результаты поисков по вторичным и первичным ореолам рассеяния.

2) Предложен подход к выявлению оптимальных методов обработки геохимических данных, учитывающий особенности исходной информации, и неоднородность характера решаемых задач. Произведено сопоставление различных методик пространственной автокорреляции на основе одного и того же набора данных, позволившее определить область их применения при решении геохимических задач.

3) С помощью разработанных методик построены литохимические карты территории и даны соответствующие характеристики геологическому строению исследуемой площади. Численно показаны ореолы распространения геохимических ассоциаций Си-№-Сг, №-Сг, РЬ-2п-Си. Выделены аномалии №-Сг, фиксирующие известные ультраосновные массивы и массивы, скрытые под рыхлыми отложениями. По ассоциации Си-№-Сг были выделены сульфидные руды, многие из которых ранее не были известны. Предоставлена возможность разбраковывать сульфидные магматические и гидротермальные руды.

4) Установлены закономерности размещения рудных тел внутри массива, на основе анализа распределения меди. Основная масса рудных тел размещается в верлитах на контакте с дунитами в виде сульфидной вкрапленности (от бедно до густо вкрапленных руд).

5) Выявленные геолого-геохимические закономерности показывают, что изучение глубинного строения интрузивов необходимо для выявления их первичного залегания и связанной с этим перспективности изучаемого объекта.

Основные публикации но теме диссертации

в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Дорошков A.A. Применение аппаратно-программных платформ для решения комплексных геолого-геохимических задач // Известия Сиб. отд-ния секции наук о Земле РАЕН. Геология, поиски и разведка рудных месторождений. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2011. Т. 38. - С. 167 - 171.

2. Мехоношин A.C., Колотилина Т.Б., Дорошков A.A. Формацион-ные типы и рудоносность ультрабазит-базитовых комплексов Алхадырского террейна // Известия Сиб. отд-ния секции наук о Земле РАЕН. Геология, поиски и разведка рудных месторождений. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2011. - Т. 38. -С. 40-47.

В других изданиях:

3. Дорошков A.A. Применение информационных технологий при создании геологической карты и обработке результатов полевых наблюдений // Тезисы докладов Четвёртой Сиб. междунар. конф. молодых учёных по наукам о Земле. - Новосибирск: ИГМ СО РАН, 2008. - С. 106 - 107.

4. Дорошков A.A. Применение пространственных баз данных при поисках медно-никелевых месторождений // Уральская минералогическая школа -2009. Под знаком халькофильных элементов. Материалы Всерос. науч. конф. -Екатеринбург: ИГТ УрО РАН, 2009. - С. 24 - 25.

5. Дорошков A.A. Разработка структуры базы данных для хранения геологической информации // Материалы XIV междунар. науч. симп. им. акад. М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр». — Томск: Изд-во Томского политехи, ун-та, 2010. Т. 2. - С. 683 - 685.

6. Дорошков A.A. Перспективные направления в области информационного сопровождения геологических изысканий // Материалы XI всерос. конф. молодых учёных по математическому моделированию и информационным технологиям. - Иркутск : ИДСТУ СО РАН, 2010. - С. 28

Объект интеллектуальной собственности

7. Дорошков A.A., Шестаков С.А. База геолого-геохимических данных ИГХ СО РАН: 2012620873: База данных. - Россия, 17 июля 2012 г.

Подписано в печать 31.10.2013. Формат 62x94/16 Бумага офсетная. Объем 1,5 усл.печл. Тираж 150. Заказ JVs 158.

Отпечатано в типографии: ООО «Центр НАУЧСЕРВИС» г. Иркутск ул. Лермонтова 126, офис 9а

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Дорошков, Артемий Андреевич, Иркутск

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ГЕОХИМИИ им. А.П. ВИНОГРАДОВА СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

04201365567 ДОРОШКОВ АРТЕМИЙ АНДРЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЙ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ

СИСТЕМЫ ДЛЯ ГЕОХИМИЧЕСКОГО ИЗУЧЕНИЯ БАЗИТ-УЛЬТРАБАЗИТОВЫХ КОМПЛЕКСОВ ВОСТОЧНОГО САЯНА

25.00.35 - геоинформатика

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель: кандидат геолого-минералогических наук

А.С. Мехоношин

Иркутск 2013

Введение............................................................................................................5

Глава 1. Структурирование баз данных геохимических исследований..................................................................................................13

1.1. Анализ предметной области.....................................................................14

1.2. Техническая реализация............................................................................19

1.2.1. Структура базы данных и форматов информации..............................21

1.2.2. Расширение структуры данных для обеспечения хранения материалов глубинных работ...........................................................................24

1.3.Логическая и физическая структура Базы данных ИГХ СО РАН.........25

1.3.1. Организация внемашинной информационной базы............................25

1.3.2. Описание внутримашинной информационной базы...........................28

1.4. Организация доступа к данным. Веб-сервис БД «Байкал-геохимия».. 40

1.5. Кластеризация.............................................................................................45

Выводы по главе................................................................................................48

Глава 2. Основы обработки данных геолого-геохимических исследований..................................................................................................50

2.1. Задачи, связанные с обработкой геохимических данных......................50

2.2. Методы пространственной автокорреляции в геостатистике...............55

2.2.1. Детерминированные методы пространственной интерполяции........59

2.2.2. Геостатистические методы.....................................................................65

2.2.3. Выбор оптимального метода интерполяции........................................70

2.3. Использование метода иерархической кластеризации для обработки данных геохимических исследований..........................................76

2.4. Построение объёмных моделей................................................................80

2.5. Связь базы данных с методами пространственного моделирования ... 83 Выводы по главе................................................................................................85

Глава 3. Результаты интерпретации геолого-геохимических данных и закономерности внутреннего строения массивов

ультрабазитов.................................................................................................87

3.1. Геологическое строение региона..............................................................90

3.2. Литохимические поиски по вторичным ореолам рассеяния...............101

3.2.1. Распределение содержания элементов в делювиальных отложениях и вторичные ореолы рассеяния этих элементов.....................105

3.3. Распределение рудных элементов в ультраосновных массивах.........117

3.3.1. Объемное моделирование....................................................................123

Выводы по главе..............................................................................................130

Заключение...................................................................................................132

Список литературы.....................................................................................134

Список принятых сокращений

AAA - атомно-абсорбционный анализ

АЭС - дуговая атомно-эмиссионная спектрометрия

АЭС-ИСП - атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно связанной плазмой

БД - база данных

ГИС - географическая информационная система КХА - количественный химический анализ МПГ - металлы платиновой группы

ПАЭС - полный химический анализ, включавший пламенную атомно-

эмиссионную спектрометрию

ПО - программное обеспечение

ПС - программные средства

РФА - рентгенофлуоресцентный анализ

САЭСА - сцинтилляционный атомно-эмиссионный спектральный анализ

СК - система координат

СУБД - система управления базами данных

ЦМР - цифровая модель рельефа

CV - cross validation - перекрёстная проверка

GPS - global position system - глобальная позиционирующая система IDW - inverse distance weighting - метод взвешивания обратно расстоянию RBF - radial basis function - радиальная базисная функция ME - mean error - средняя ошибка

МАЕ - mean absolute error - средняя абсолютная ошибка RMSE - root mean square error - среднеквадратичная ошибка

Введение

В начале XX века Владимир Иванович Вернадский (Вернадский, 1934) констатировал, что «...в основе каждого исследования должны лежать беспристрастный сбор возможно большего количества фактов по исследуемой теме, затем их объективное обобщение и лишь потом философское осмысление». Это утверждение приобретает особенную актуальность в наши дни, когда с помощью современных информационных технологий стало возможно структурирование и оперирование большими объемами информации.

Однако специфика комплексного изучения геологических объектов с целью построения объемных геохимических моделей рудно-магматических систем и оптимизации геохимических методов поисков заключается в том, что приходится одновременно формировать и использовать базы данных, содержащие смешанную информацию с разномасштабной представительностью (например, одновременное вовлечение в геоинформационную обработку смешанных данных геохимических съёмок масштабов 1:200 ООО, 1:50 ООО и 1:10 ООО). Это обстоятельство существенно затрудняет её эффективное использование и часто приводит к искажению результатов и не позволяет находить адекватное решение поставленных задач. Поэтому возникла необходимость создания специализированной динамической информационно -аналитической системы, которая представляет собой совокупность реляционных фактографических и документальных баз данных, сформированных с учётом масштабной представительности полученной информации. Они должны содёржать как сугубо субъективные петрографические характеристики, так и строго формализованные результаты аналитического изучения проб, и комплекс аппаратно-программных средств для их хранения, изменения и поиска информации. Применение такой системы позволяет расширить круг практических задач, направленных на информационное обеспечение

геохимических исследований, и даёт возможность повысить результативность при управлении исходными данными, соответственно, упростить процесс дальнейшей поэтапной обработки информации, включая построение детальных геологических карт и разрезов.

Предмет и объект исследований

Предмет исследований определяется целью исследования и представляется как создание более совершенной геоинформационной системы в условиях БД «Байкал-геохимия» для оптимизации геохимических методов поисков и построения объемных геохимических моделей рудно-магматических систем.

Объектом исследования являлись докембрийские базит-ультрабазитовые комплексы центральной части Восточного Саяна и связанное с ними медно-никелевое оруденение. На этой территории в период проведения геологосъемочных работ 1:200 ООО масштаба (Рик и др., 1957; Руднев, 1960; Рассказчиков, 1960; и др.) и 1:50 000 (Геологическое строение и ..., 1978; Окороков, 1980; Макеев, 1981-1983 и др.) были выделены перспективные рудопроявления и обнаружены геохимические аномалии никеля, меди, металлов платиновой группы (Mill ). В разные периоды времени на исследуемой площади велись региональные геологические, литохимические поиски по потокам и вторичным ореолам рассеяния, а также геофизические работы. С повышением интереса к комплексному минеральному сырью в наиболее перспективных участках площади были проведены детальные поиски, вплоть до бурения. Работы велись в тесном сотрудничестве с ООО «Интергео».

Цель и задачи работы

Целью исследования являлась разработка геоинформационной системы для оптимизации геохимических методов поисков и построения объёмных геохимических моделей рудно-магматических систем на примере изучения

докембрийских базит-ультрабазитовых комплексов центральной части Восточного Саяна.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1) разработка структурированной пространственной базы централизованной информационной системы, содержащей упорядоченные материалы разномасштабных геохимических исследований, доступные через локальную и глобальную сети;

2) сбор и накопление геохимической информации в соответствии с разработанной структурой информационного хранилища;

3) реализация механизма автоматизированного подбора наиболее эффективных методов обработки геолого-геохимической информации для выявления геохимических аномалий на территории изучаемой площади;

4) выявление внутреннего строения разномасштабных геохимических аномалий в ультрабазитовых массивах, закономерностей вероятного размещения в них потенциально рудных объектов и оценка перспективности мед-но-никелевого оруденения по выделенным аномалиям.

Фактический материал и методы исследований

Основой для разработки информационной системы послужили материалы, полученные в результате исследования ультрабазитовых массивов северо-западной части Восточного Саяна в период с 2007 по 2011 гг. Для построения геохимических карт были использованы данные литогеохимического опробования по сетям, любезно предоставленные ООО «Восточно-Саянская никелевая компания», а также результаты геофизических исследований фирмы НИИ ВСЕГЕИ.

Картографической основой для всех видов работ послужила серия векторных геологических карт, составленных на основе листов Государственной геологической съёмки 1:200 000 и 1:50 000 масштабов, оцифрованных и переработанных с применением картографических редакторов (Е8М Ап^Нз, ЕазуТгасе, ГИС «Панорама»).

Сбор и объединение геолого-геохимического материала производились в специально разработанной (Дорошков, Шестаков, 2012) информационной системе БД «Байкал-геохимия», интерфейс которой написан с использованием веб-фреймворка Django на языке программирования Python; в качестве сервера баз данных выступает PostgreSQL с пространственным расширением PostGIS.

Последующая обработка выборок данных велась через адаптированные интерфейсы и стандартные форматы данных с использованием программных продуктов: ArcGIS Geostatistical Analyst, Leapfrog 3D, языка программирования для статистической обработки R и модулей intamap, geostat, rgdal. При построении геохимических карт за основу обработки были взяты методы пространственной автокорреляции и статистики.

Защищаемые положения

1) Специализированная информационная система, созданная на основе кластеризованной базы данных, объединяет и стандартизирует форму накопления и хранения геолого-геохимической информации в зависимости от её масштабной представительности и за счёт использования специально разработанных систем ролей и приоритетов для обеспечения одновременной работы неограниченного числа исполнителей в едином веб-интерфейсе.

2) Разработанный алгоритм выбора методов обработки геохимической информации для кластеризованных баз данных основан на использовании их целевого предназначения и известных статистических критериев оценки эффективности их применения. Он включает достаточно обширный набор детерминистических и геостатистических методов, за счёт чего обеспечивается адекватный выбор в зависимости от характера и масштаба исследований.

3) Использование специализированной базы данных и оптимальных методов пространственной интерполяции при обработке результатов региональных и детальных геохимических съёмок показывает истинный характер

s

разномасштабной структуризации моноэлементных геохимических полей

относительно пространственного размещения аномалий в изучаемых интрузиях ультрабазитов как основу для более эффективного прогнозирования и последующего выявления потенциально промышленных рудных зон.

Научная новизна работы

1) для, повышения производительность работы с большим объёмом геоданных впервые для БД «Байкал-геохимия» разработаны универсальная структура, функциональная схема централизованной информационной системы и единый веб-интерфейс;

2) теоретически обоснована кластерная модель структуры базы данных, соответствующая этапам геохимических исследований, модель доступа к данным и их обработки;

3) обоснована модельная схема организации управления доступом и взаимодействия между пользователями на основе системы ролей, позволяющая переводить этап сбора фактического материала на качественно новый уровень и охватывать работы одновременно нескольких исследователей в разных эпохах, что расширяет возможности сопоставления и поиска связей между разнородной информацией.

Практическая значимость работы

1) реализован механизм динамической пространственной кластеризации хранящихся в системе данных, который позволяет выполнять разномасштабный статистический анализ исследуемой территории;

2) показаны преимущества взаимодействия программно-инструментальных ГИС оболочек с централизованной информационной системой в сравнении с работой с дискретными данными;

3) создан специализированный веб-интерфейс для обеспечения взаимодействия пользователей с базой геоданных;

4) проведён анализ методов создания картографических моделей распределения химических элементов в целях комплексной оценки территории на предмет обнаружения медно-никелевых месторождений;

5) организован механизм взаимодействия между объектами базы данных и средствами автоматизированной и полуавтоматизированной обработки;

6) созданы геохимические модели рудоносного массива, как основа для прогнозирования потенциально промышленного оруденения;

7) рекомендованы участки для постановки детальных работ с целью локализациирудных зон.

Личный вклад

За период подготовки диссертационной работы автором был выполнен следующий объем работ: картирование площади и сбор геохимической информации; разработка концептуальной модели и структуры пространственной базы данных информационной системы БД «Байкал-геохимия»; участие в написании программного кода серверной части информационной системы и координация процесса коллективной разработки; обобщение и интерпретация результатов изучения докембрийских ультрабазит-базитовых комплексов центральной части Восточного Саяна. Вклад автора в выносимых на защиту результатах является определяющим.

Публикации и апробация работы

По теме диссертации опубликованы три статьи, две из которых - в журналах из перечня ведущих периодических изданий ВАК РФ, и одиннадцать тезисов докладов.

Основные положения работы обсуждались на всероссийских и международных конференциях: VI Сибирской международной конференции молодых ученых по наукам о Земле (Новосибирск, 2008); Уральской минералогической школе—2009 (Екатеринбург, 2009); XXIII всероссийской молодежной

конференции «Строение литосферы и геодинамика» (Иркутск, 2009); XI всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (Иркутск-Байкал, 2010); XIV международном научном симпозиуме имени академика М. А. Усова студентов и молодых учёных «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2010); Всероссийском семинаре «Современные информационные технологии для фундаментальных научных исследований РАН в области наук о Земле» (Владивосток, 2010); Всероссийской научно-технической конференции «Геонауки» (Иркутск, 2010); конференции «Петрология и рудоносность базит-ультрабазитовых комлексов» (Иркутск-Черноруд, 2010); конференции «Математическое моделирование и вычислительно-информационные технологии в междисциплинарных научных исследованиях» (Иркутск, 2011); Всероссийском совещании «Современные проблемы геохимии» (Иркутск, 2009, 2012); Всероссийской научно-технической конференции «Геонауки-60. Актуальные проблемы геологии, планетологии и геоэкологии» (Иркутск, 2012).

По результатам научно-исследовательских работ было получено авторское свидетельство о регистрации Базы геолого-геохимических данных ИГХ СО РАН №2012620873.

Кроме гтого, основные наработки вошли отдельными главами в отчеты по госконтрактам №№ 16.515.12.5007, 02.740.11.0324.

Работа выполнена при финансовой поддержке интеграционного проекта ОНЗ-2 РАН, совета по грантам президента (НШ-6153.2012.5).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трёх глав и заключения. Общий объём работы составляет 143 страницы, включая 57 рисунков и 13 таблиц. Список используемой литературы содержит 103 источника.

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю - к.г.-м.н. A.C. Мехоношину; благодарен сотрудникам ИГХ СО РАН: к.г.-м.н. Т.Б. Колотилиной, к.г.-м.н. Ю.П. Бенедюку, д.г.-м.н. М.А. Горновой, д.г.-м.н. А .Я. Медведеву, д.т.н. И.Е. Васильевой, к.г.-м.н. А.Б. Перепелову, к.г.-м.н. В.А. Бычинскому, к.т.н. Е.В. Шабановой и сотрудникам других институтов: к.г.-м.н. A.B. Лавренчуку, к.г.-м.н. М.Ю. Подлипскому, к.г.-м.н. В.В. Хлестову, д.г.-м.н. А.Г. Владимирову, д.т.н. А.Ю. Горнову, к.т.н. Г.М. Ружникову за неоценимую помощь в проведении исследований, подготовке и обсуждении работы; вице-президенту ГМК «Инт�