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1、第二章 模型与模拟,本章学习目标,a.掌握地质科学中系统模型模拟、随 机建模的概念，理解地质系统的性质； b.了解模型、模拟的分类及其关系； c.掌握储层随机建模的方法与步骤； d.了解盆地模拟技术及其发展概况；,学习重点、难点,重点 了解系统模型模拟、随机建模的概念，模型、模拟的分类及其关系，储层随机建模的方法与步骤与盆地模拟技术 难点 结合地质实际对系统的深入理解和随机建模的概念与所使用的数学方 法（数学模型）,l课时安排 3学时 l学习方法 讲授（2）与课堂讨论（1） l背景知识 相关的专业知识 概率论 与数理统计 计算机应用 技术,问题,对于任何具有不确定性的地质问题，应该采用什么分析
2、思路？怎样建立相应的概念模型、数学模型？你知道何谓随机建模和盆地模拟？,一、地质系统 （一）“系统”的概念 系统是根据研究对象和目的来确定的“一个动态的由互相联系的若干成分(要素）组成的集合”（JWHarbaugh）。系统的任何一部分发生变化，都会影响到整个系统。在系统的定义中应包括两部分内容： 组成系统的成分及其相互之间的内在联系； 系统的界限。,系统的界限:可以分为两类，即物理的界限和抽象的界限。前者是一种物质上的界限，如沉积盆地的物理界限可以用输入盆地的水体的地区性范围未定义。后者则是一种概念上的界限，它可以用包括某些变量、忽略某些变量的方法来加以定义。,系统是一个相对的概念 在一个大的
3、系统内部还可以定义比较小的各级系统，如在太阳系内又可以定义地球为系统，在地球上又可以定义岩石圈、板块、沉积盆地、三角洲、泻湖、点砂坝等为系统，直至无穷。所以系统的界限实际上是可以根据研究对象和目的来任意地加以定义的。,（二）、地质系统,按照上述系统的概念，地质系统可以定义为“一个动态的由互相联系的若干地质成分（地质因素）组合的集合”，而各种地质事件（包括地质体，地质现象和地质过程）就是这个极其复杂的地质动态系统的不同组成部分。,举例,如把非洲尼日尔三角洲盆地定义成一个系统，其中又可把生长断层、滚动背斜油藏及其中的一块面积分布分别定义成不同级别的地质系统； 某造山带定义为一个大系统，其中的褶皱断
4、裂构造、岩浆岩体定义、变质基底可定义为低级别的系统（或称为子系统），.,（三）开放系统和封闭系统,1开放系统 实际的系统一般都是开放的。它会连续不断地受到外界因素的影响，即从系统以外或从环绕它的大系统中不断地得到输入、同时又从本系统中向外进行输出。在这种输入和输出的过程中，系统本身也不断地处于运动和变化中。,例子：,一个海岸系统有输入（河流、海岸流）和输出（紊流）的因素，它们具体体现为输入、输出沉积物的性质、数量、速度、海面升降的起伏和挠动等。这些因素综合作用的结果是连续地使海滩、三角洲、海湾等的外形发生变化，使海岸线的位置发生变迁，从而使整个海岸系统永远处在不断的运动和变化之中。,2封闭系统
5、,封闭和开放也是相对的。一个动态系统在某种条件下可能进入稳定的或平衡的状态，这一条件在某时期内保持不变（或变化甚微）不足以破坏系统的稳定和平衡状态时，就可以把这种系统看成是一个与外界没有交流的封闭系统。它们既不从外部世界或环绕它的大系统得到输入，也不向外输出，在某种意义上是一个被隔离出来的集合。,实例：,如没有投入开发的油气藏就可以把它看成是由圈闭形成的一个油气封闭系统。可是当油气藏投入开发后，这种稳定或平衡状态立即被人为的条件所破坏。如开采过程中的注水、注气即是输入，油气从油藏中开采出来就是输出，油气藏就由一个封闭系统转变成一个开放的系统。封闭系统比较容易建立，但它往往不能充分真实地反映实际
6、的系统，即它不是完全真实的。,系统实例：,比如，地球动力学系统（图2-1），可分为地核动力学子系统，地幔动力学子系统，岩石圈动力学子系统和地壳动力学子系统。其中岩石圈动力学子系统按岩石圈结构特点又可再分为大洋动力学子系统与大陆动力学子系统。而后者又可再分为造山带动力学子系统和盆地动力学子系统。,一个系统的建立和研究，大都以构成系 统的物质组成与成分、构造形迹两方面展开深入研究，以了解它们的形成过程，探索其形成和演化历史，寻找引起它们时、空变化的主要驱动力。,建立系统的出发点:,组成系统的各部分相互作用、相互 制约、相互适应。系统间能量、物质的 交换，或称为互反馈作用，在一定时期 内处于动平衡，
7、称为稳定系统。能量（热能、应力应变能）的聚集通常是一个缓慢过程，系统结构与状态出现连续变化。当能量聚集到一定极限，系统产生非连续的突变，称为非稳定的系统，如地震发生、火山爆发等。,（四）稳定系统与非稳定系统,如果一系统各个成分及其结构与时间 无关，就是静态系统，反之就是动态系统。 静态与动态是相对的，静止是相对的，运 动是绝对的。一个缓慢变化的系统，可以 分解为系列的静态系统。例如，油气藏在 形成圈闭过程中显然是动态系统，当构造 活动相对弱或静止，已形成圈闭的油气藏 可以视为静止的系统。,（五）静态与动态系统,（六）系统的非线性,任何一个系统的各个成分间往往具有 复杂的关系，通常并不是简单的线
8、性关系， 而是非线性的结构和关系。比如混沌 （chaos）和自组织（selforganization）现 象，在临界状态下，从无序到有序过程，出现协同（Synergetics），都是非线性的。地球系统时间跨度大，状态演化几乎无重复性，也是不可逆，因此具有明显的非线性特征。,（七）系统的时空结构,一个系统在定义了它的界限后，对于一个稳定的或相对静态系统，它的各个成分的空间分布及其相互之间关系的描述即为其空间结构，比如岩浆侵入后缓慢冷却下来，不同深度、不同空间位置由内向外形成不同的相带，矿物成分、化学组成都会出现规律的 空间变化。 如果研究岩浆侵入过程，岩浆体的空间结构会随时间、温度、压力而变化，
9、不同时间段的系统结构，可以视为不同的静态系统来研究。,现代科学发展趋势,-多学科一体化系统,2,二、模型（Model）,（一）模型的概念 按原义“模型必须与实际系统相似，但也包含有模型比真实系统更易处理的意思”，或者说模型是”某种真实系统简化了的因而更容易理解的描述”。据此可以把模型定义为“一个能描述实际系统特性的简化了的人造模拟系统”。一张地质图就是某种模型的表现。,（二）模型的分类,1、物理模型 用物理量的变化来描述实际系统的模型称为物理模型。 （1）物质比例模型 物质比例模型是用物质按比例做的模型。如飞机模型、舰船模型、构造演化试验软粘土模型（泥模）等，其比例一般都小于实际系统，但也可以
10、大于实际系统，如晶体结晶格架模型。,图2-3 秦岭造山带立交桥地质构造模型,（2）光学模型 光学模型是用光学特性来描述或逼近实际系统的模型，如光弹模型。在地质上泥模和光弹模型常被用来研究构造的力学和形变机制。光学模型是用光学特性来描述或逼近实际系统的模型，如光弹模型。在地质上泥模和光弹模型常被用来研究构造的力学和形变机制。,（3）电子模拟模型 电子模拟模型是用电流表示液流或热流的一种模型，常用于油气运移或聚集过程的实验研究。,2、符号模型,它包括图表模型和数学模型两种。鉴于数学模型的重要地位，我们把它单独列为一类。这里仅把图表模型及其作用作一些说明。所谓图表模型是指用图形及文字表格来表示的模型
11、，它的作用有三个方面。 各种不同类型的地质图就是典型的符号模型, 将原型的大的特征按比例缩小后用图来表示，以便描述原型的各种基本特征，如各种比例尺的地质图、地形图、剖面图、立体图等。,数学模型的处理结果，常常要用图表模型来加以描述或表示。如地球化学指标的趋势面分析结果是用趋势面图表示各种指标背景场的起伏或变化趋势，并用剩余图来说明异常的特征及分布的。因此数学模型尤其是数据分析模型和图表模型总是结合在一起使用的，后者只是数学模型处理结果的一种图形输出。,用于描述模拟模型，如描述系统各组成 部分之间内在联系的过程联系图（图2-2） 和描述系统各成分相互作用过程特性。,3、数学模型 把实际系统的物理
12、真实性简化为用有 意义的符号，如字母，数字（即各种变 量和参数）等，来代表其全部或者大部 分的基本特征，然后用数学表达式去描 述或逼近这些特征间的定量关系，这种 数学表达式就称为数学模型。它可以转 化为用源程序表示的数符化的模型。 数学模型可以按变量之间关系、功能 等的不同作进一步的划分。,1）按变量之间的关系划分 (1).确定型模型 模型中各变量之间呈函数关系，而过程则用微积分或微分方程等来加以描述。 (2).随机模型（即概率型模型） 一些确定型模型可作为随机型模型的一种特殊情况。如由热物体向冷物体的热传导过程，实质上是一个随机过程，因为它取决于分子的随机运动。然而在物体的任何一个具体位置上
13、，分子的数量多到足以绝对地肯定热是由热物体向冷物体方向传导的。,2）按模型的功能划分 （1）数据分析模型 数据分析模型简称分析模型。建立这种模 型的目的是为了简化，如牛顿万有引力定律 即是一个分析模型。因为它可以使有关引力 作用的复杂现象的观测值用一个极其简单的 抽象关系式来加以描述。多元统计分析中的 大多数数学模型，如回归分析、趋势分析、 因子分析等，皆属于数据分析模型，因为它 们都能起概括或简化观测结果的作用。,(2). 计算机模拟模型 简称模拟模型，是指可以在计算机上做实 验的数学模型，故称计算机模拟模型。建立 这种模型的目的是为了解释。模拟模型在实 验过程中往往会产生大量的新资料，因此
14、它 们的作用和数据分析模型是完全不同的。不 过这些模型有时是互相渗透的，在确定型模 型中可能包含有概率型的成分在内。如干酪 根热降解动力学模型中活化能分布就是一种 统计分布即概率分布模型。,3）按是否是一种随时间变化过程的模型划分 （1）静态模型(Static model) 随时间过程没有变化的模型称静态模型。 比如在油藏描述研究中，对某一研究区块建 立静态模型，它包括油藏构造、岩相、储层、 储层孔隙体积和主要物性参数的计算预测等 数学模型。,（2）动态模型(Dynamic Model) 具有随时间变化过程的模型称为动态 模型。当油田进入开发中后期阶段，注水开发，油藏已是一个开放系统，它的产液
15、量随开采时间而发生变化。这时，油藏描述进入动态研究阶段，就要建立动态油藏模型。 对于动态模型，当时间t取某一确定值时，即为静态。所以动态模型往往又可看作是一系列的静态模型。,三）、 地质模型(Geological Model) （1）地质模型的概念 根据模型的概念，可以把地质模型定义为”一个能描述实际地质系统特性的简化了的人造模拟系统”。,（2）地质概念模型 地质模型是一个含义比较广泛而又很笼统 的概念。如果它仅是对实际地质系统中各种 地质特征间相互关系的一种定性描述时，就 称为“地质概念模型”。故可把它定义为“与 定性描述实际地质系统中各地质特征间相互 关系有关的各种地质概念、假设和理论的集
16、 合。”,地质概念模型是一种定性模型，而与它相对应的数学模型则属于定量模型。地质概念模 型，是建立数学模型的认识基础和依据。把地质概念模型转变为数学模型是一种对地质系统认识上由定性向定量化转变的深化过程。,地质概念模型的作用,图2-4,(3) 理论模型与经验模型 当地质概念模型及与其相对应的数学模型是建立在某些已知的地质学基本理论或与它有关的各种科学定理、定律、原理的基础上时，就称这些模型为理论模型；当它们是建立在大量经验资料的基础上时，就称为经验模型。在理论模型的构成中并不排除个别的或局部的经验性因素（经验系数），只要它能客观地描述或逼近实际地质系统中的某些地质特征，一般来说对建立模型的理论
17、依据是不会产生破坏性影响的。,（一）模拟的概念 模拟的直接含义就是“模仿”，或者是“ 不充分符合实际地描述某物的状态”。有时 也可以把模拟理解为“用一个实验模型做实 验以描述或逼近一个实际的系统”。按照这 些基本涵意可以把模拟定义为“建立能模仿 实际系统的模型，并以此模型做实验”来描 述或逼近一个实际系统。,三、模拟(Modeling or Simulating),模拟的直接含义就是“模仿”，或者是“不充分符合实际地描述某物的状态”。有时也可以把模拟理解为“用一个实验模型做实验以描述或逼近一个实际的系统”。按照这些基本涵意可以把模拟定义为“建立能模仿实际系统的模型，并以此模型做实验”来描述或逼
18、近一个实际系统。,（一）模拟的概念,（二）模拟的分类 模拟有两种类型。 1物理模拟 用模仿实际系统的物理模型做实验称为物理模拟。 2数学模拟 用数学模型在计算机上做模拟实验就称 为数学模拟或电子计算机模拟。,（三）模拟与模型的关系,1. 模拟与模型是不可分离的，不建立模型，模拟就无法进行； 2. 另一方面，建立模型之后，若不进行模拟试验，则模型的正确与否就难以确定，模型的作用也发挥不了。 3.成功的模拟是对所建立模型是否客观正确的检验，达到修正、补充、完善模型的目的。,(四)、数学模拟在造山带、沉积盆地研究中的应用,一）造山带模拟的思路 1.首先，应根据研究区域的大量构造解析事实、多种资料，建
19、立与其物质组成和主要变形方式相一致的(从时、空两方面)地质构造模型。同时，确定其边界条件和初始条件。这一步，通常是地质专家的任务。,2.按物理的力学规律和数学方法将地质模型转化为数学模型，即模型的公式化（建立相应方程）或称为定解问题。这些工作需要数学家和地质学家共同协作解决。 3.使数学问题程序化，包括大量的数学计算和图形显示。对于反映特定地质问题的数学模型，编制大量计算机程序的重担就落在计算机专家的肩上。,4.结果的验证，主要以已取得的地质事实和边界条件为先验信息来约束，以便成功再现地质演化过程。 5.对于反复调整参数（物性和结构）后得到的模拟结果，肯定存在许多与地质认识不符合的现象，对其要
20、加以仔细研究，如果不是在模型设计时某些因素没有考虑到的话，模拟结果有修正已有地质构造认识和预测还未发现的地质事实的作用。,二）盆地模拟,目前数学模拟在石油地质领域中的主要应用是盆地模拟（Basin Modeling）。也就是说，所谓的盆地模拟就是从石油地质的物理化学机理出发，首先建立地质模型，然后建立数学模型，最后编制相应的软件，从而在时空概念下由计算机定量地模拟油气盆地的形成和演化，烃类的生成，运移与聚集。它包括地史、热史、生烃史、排烃史和运移聚集史五个模型所组成的统一体。,沉积学中已建立三个基本理论模型（Schwarzacher,1975）:剥蚀作用和沉积作用模型、沉降作用和沉积作用模型及沉积速率和盆地控制，详细内容参见有关专著。,课堂讨论（1学时）,1. 举例说明系统的相对性、开放性/封闭性、非线性、稳定/非稳定性质？ 2. 怎样理解模型与模拟的关系、概念模型与数学模型间的辨证关系体现在哪些方面？ 3. Any question do you have ?,