《模型与模拟》PPT课件

1、本章学习目的本章学习目的 a.a.掌握地质科学中系统掌握地质科学中系统模型模型模拟、模拟、随随 机建模的概念，了解地质系统的性质；机建模的概念，了解地质系统的性质；b.b.了解模型、模拟的分类及其关系；了解模型、模拟的分类及其关系；c.c.掌握储层随机建模的方法与步骤；掌握储层随机建模的方法与步骤；d.d.了解盆地模拟技术及其开展概略；了解盆地模拟技术及其开展概略； 重点重点 了解系统了解系统模型模型模拟、随机建模拟、随机建模的概念，模型、模拟的分类及其关系，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储层随机建模的方法与步骤与盆地模拟技术术 难点难点 结合地质实践

2、对系统的深化了解结合地质实践对系统的深化了解和随机建模的概念与所运用的数学方和随机建模的概念与所运用的数学方 法法数学模型数学模型l课时安排3学时 对于任何具有不确定性的地质问题，应该采用什么分析思绪？怎样建立相应的概念模型、数学模型？他知道何谓随机建模和盆地模拟？ 一、地质系统一“系统的概念 系统是根据研讨对象和目的来确定的“一个动态的由相互联络的假设干成分(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络； 系统的界限。 l系统的界限系统的界限: :可以分为两类，即物理可以分为两类，即物

3、理的界限和笼统的界限。前者是一种的界限和笼统的界限。前者是一种物质上的界限，如堆积盆地的物理物质上的界限，如堆积盆地的物理界限可以用输入盆地的水体的地域界限可以用输入盆地的水体的地域性范围未定义。后者那么是一种概性范围未定义。后者那么是一种概念上的界限，它可以用包括某些变念上的界限，它可以用包括某些变量、忽略某些变量的方法来加以定量、忽略某些变量的方法来加以定义。义。l系统是一个相对的概念系统是一个相对的概念l 在一个大的系统内部还可以定义在一个大的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，在地球上又可以定以定义地球为系统，在地球上

4、又可以定义岩石圈、板块、堆积盆地、三角洲、义岩石圈、板块、堆积盆地、三角洲、泻湖、点砂坝等为系统，直至无穷。所泻湖、点砂坝等为系统，直至无穷。所以系统的界限实践上是可以根据研讨对以系统的界限实践上是可以根据研讨对象和目的来恣意地加以定义的。象和目的来恣意地加以定义的。l按照上述系统的概念，地质系统可以定义为“一个动态的由相互联络的假设干地质成分地质要素组合的集合，而各种地质事件包括地质体，地质景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。l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；l某造山带定义为一个

5、大系统，其中的褶皱断裂构造、岩浆岩体定义、蜕变基底可定义 为 低 级 别 的 系 统 或 称 为 子 系统，.1 1开放系统开放系统 实践的系统普通都是开放的。它会实践的系统普通都是开放的。它会延续不断地遭到外界要素的影响，即从延续不断地遭到外界要素的影响，即从系统以外或从环绕它的大系统中不断地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展得到输入、同时又从本系统中向外进展输出。在这种输入和输出的过程中，系输出。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。统本身也不断地处于运动和变化中。 一个海岸系统有输入河流、海岸流和输出紊流的要素，它们详细表达为输入、

6、输出堆积物的性质、数量、速度、海面升降的起伏和挠动等。这些要素综协作用的结果是延续地使海滩、三角洲、海湾等的外形发生变化，使海岸线的位置发生变化，从而使整个海岸系统永远处在不断的运动和变化之中。 封锁和开放也是相对的。一个动态系统在某种条件下能够进入稳定的或平衡的形状，这一条件在某时期内坚持不变或变化甚微缺乏以破坏系统的稳定和平衡形状时，就可以把这种系统看成是一个与外界没有交流的封锁系统。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。 如没有投入开发的油气藏就可以把它看成是由圈闭构成的一个油气封锁系统。可是当油气藏投入开发后，这种稳定或平衡形状立

7、刻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，油气藏就由一个封锁系统转变成一个开放的系统。封锁系统比较容易建立，但它往往不能充分真实地反映实践的系统，即它不是完全真实的。 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构造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讨，大都以构成系一个系统的建立和研讨，大都以构成系 统的物质组成与成分、构造形迹两方面展开统的物质组成与成分、构造形迹两

8、方面展开深化研讨，以了解它们的构成过程，探求其深化研讨，以了解它们的构成过程，探求其构成和演化历史，寻觅引起它们时、空变化构成和演化历史，寻觅引起它们时、空变化的主要驱动力。的主要驱动力。 组成系统的各部分相互作用、相互制约、相互顺应。系统间能量、物质的交换，或称为互反响作用，在一定时期内处于动平衡，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，系统构造与形状出现延续变化。当能量聚集到一定极限，系统产生非延续的突变，称为非稳定的系统，如地震发生、火山迸发等。 假设一系统各个成分及其构造与时间无关，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

9、缓慢变化的系统，可以分解为系列的静态系统。例如，油气藏在构成圈闭过程中显然是动态系统，当构造活动相对弱或静止，已构成圈闭的油气藏可以视为静止的系统。 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性关系，而是非线性的构造和关系。比如混沌chaos和自组织selforganization现象，在临界形状下，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，形状演化几乎无反复性，也是不可逆，因此具有明显的非线性特征。 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画即为其空间构造，比如岩浆侵入后

10、缓慢冷却下来，不同深度、不同空间位置由内向外构成不同的相带，矿物成分、化学组成都会出现规律的空间变化。 假设研讨岩浆侵入过程，岩浆体的空间构造会随时间、温度、压力而变化，不同时间段的系统构造，可以视为不同的静态系统来研讨。 -多学科一体化系统多学科一体化系统 2一模型的概念 按原义“模型必需与实践系统类似，但也包含有模型比真实系统更易处置的意思，或者说模型是某种真实系统简化了的因此更容易了解的描画。据此可以把模型定义为“一个能描画实践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。 1、物理模型 用物理量的变化来描画实践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

11、按比例做的模型。如飞机模型、舰船模型、构造演化实验软粘土模型泥模等，其比例普通都小于实践系统，但也可以大于实践系统，如晶体结晶格架模型。图图2-3 2-3 秦岭造山带立交桥地质构造模型秦岭造山带立交桥地质构造模型2 2光学模型光学模型 光学模型是用光学特性来描画或逼近实践光学模型是用光学特性来描画或逼近实践系统的模型，如光弹模型。在地质上泥模和光系统的模型，如光弹模型。在地质上泥模和光弹模型常被用来研讨构造的力学和形变机制。弹模型常被用来研讨构造的力学和形变机制。光学模型是用光学特性来描画或逼近实践系统光学模型是用光学特性来描画或逼近实践系统的模型，如光弹模型。在地质上泥模和光弹模的模型，如光

12、弹模型。在地质上泥模和光弹模型常被用来研讨构造的力学和形变机制。型常被用来研讨构造的力学和形变机制。3 3电子模拟模型电子模拟模型 电子模拟模型是用电流表示液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讨。气运移或聚集过程的实验研讨。 它包括图表模型和数学模型两种。鉴于数学模型的重要位置，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阐明。所谓图表模型是指用图形及文字表格来表示的模型，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减少后用图来将原型的大的特征按比例减少后用图来表示，以便描画

13、原型的各种根本特征，如表示，以便描画原型的各种根本特征，如各种比例尺的地质图、地形图、剖面图、各种比例尺的地质图、地形图、剖面图、立体图等。立体图等。 数学模型的处置结果，经常要用图表模型来加以描画或表示。如地球化学目的的趋势面分析结果是用趋势面图表示各种目的背景场的起伏或变化趋势，并用剩余图来阐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同运用的，后者只是数学模型处置结果的一种图形输出。用于描画模拟模型，如描画系统各组成部分之间内在联络的过程联络图图2-2和描画系统各成分相互作用过程特性。 3、数学模型 把实践系统的物理真实性简化为用有意义的符号，如字母，数字即

14、各种变量和参数等，来代表其全部或者大部分的根本特征，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 1按变量之间的关系划分按变量之间的关系划分(1).(1).确定型模型确定型模型 模型中各变量之间呈函数关系，而过程那么用微模型中各变量之间呈函数关系，而过程那么用微积分或微分方程等来加以描画。积分或微分方程等来加以描画。(2).(2).随机模型即概率型模型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一些确定型模型可作为随机型模型的一种特殊情况。

15、如由热物体向冷物体的热传导过程，本质上是况。如由热物体向冷物体的热传导过程，本质上是一个随机过程，由于它取决于分子的随机运动。然一个随机过程，由于它取决于分子的随机运动。然而在物体的任何一个详细位置上，分子的数量多到而在物体的任何一个详细位置上，分子的数量多到足以绝对地一定热是由热物体向冷物体方向传导的。足以绝对地一定热是由热物体向冷物体方向传导的。 2按模型的功能划分按模型的功能划分 1数据分析模型数据分析模型 数据分析模型简称分析模型。建立这种模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。由于它可以使有关

16、引力即是一个分析模型。由于它可以使有关引力作用的复杂景象的观测值用一个极其简单的作用的复杂景象的观测值用一个极其简单的笼统关系式来加以描画。多元统计分析中的笼统关系式来加以描画。多元统计分析中的大多数数学模型，如回归分析、趋势分析、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，由于它因子分析等，皆属于数据分析模型，由于它们都能起概括或简化观测结果的作用。们都能起概括或简化观测结果的作用。 (2). 计算机模拟模型计算机模拟模型 简称模拟模型，是指可以在计算机上做实简称模拟模型，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。建立验的数学模型，故称计算机模拟模型。

17、建立这种模型的目的是为了解释。模拟模型在实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，因此它验过程中往往会产生大量的新资料，因此它们的作用和数据分析模型是完全不同的。不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相互浸透的，在确定型模过这些模型有时是相互浸透的，在确定型模型中能够包含有概率型的成分在内。如干酪型中能够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。统计分布即概率分布模型。 3按能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

18、没有变化的模型称静态模型。比如在油藏描画研讨中，对某一研讨区块建立静态模型，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动态模型动态模型(Dynamic Model) 具有随时间变化过程的模型称为动态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，它的产液开发，油藏已是一个开放系统，它的产液量随开采时间而发生变化。这时，油藏描量随开采时间而发生变化。这时，油藏描画进入动态研讨阶段，就要建立动态油藏画进入动态研讨阶段，就要建立动态油藏模型。模型。 对于动态模型，当时间对于动态模

19、型，当时间t取某一确取某一确定值时，即为静态。所以动态模型往往又定值时，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。可看作是一系列的静态模型。 三、三、 地质模型地质模型(Geological Model) 1地质模型的概念地质模型的概念 根据模型的概念，可以把地质模型定根据模型的概念，可以把地质模型定义为一个能描画实践地质系统特性的简义为一个能描画实践地质系统特性的简化了的人造模拟系统。化了的人造模拟系统。 2地质概念模型地质概念模型 地质模型是一个含义比较广泛而又很笼统地质模型是一个含义比较广泛而又很笼统的概念。假设它仅是对实践地质系统中各种的概念。假设它仅是对实践地质系统中各种

20、地质特征间相互关系的一种定性描画时，就地质特征间相互关系的一种定性描画时，就称为称为“地质概念模型。故可把它定义为地质概念模型。故可把它定义为“与与定性描画实践地质系统中各地质特征间相互定性描画实践地质系统中各地质特征间相互关系有关的各种地质概念、假设和实际的集关系有关的各种地质概念、假设和实际的集合。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那么属于定量模型。地质概念模型，是建立数学模型的认识根底和根据。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。图2-4 (3) (3) 实际模型与阅历模型实际模型与阅历模型 当地质概念模型及与其相对应的数学

21、模型是建立在某些当地质概念模型及与其相对应的数学模型是建立在某些知的地质学根本实际或与它有关的各种科学定理、定律、原理的知的地质学根本实际或与它有关的各种科学定理、定律、原理的根底上时，就称这些模型为实际模型；当它们是建立在大量阅历根底上时，就称这些模型为实际模型；当它们是建立在大量阅历资料的根底上时，就称为阅历模型。在实际模型的构成中并不排资料的根底上时，就称为阅历模型。在实际模型的构成中并不排除个别的或部分的阅历性要素阅历系数，只需它能客观地描除个别的或部分的阅历性要素阅历系数，只需它能客观地描画或逼近实践地质系统中的某些地质特征，普通来说对建立模型画或逼近实践地质系统中的某些地质特征，普

22、通来说对建立模型的实际根据是不会产生破坏性影响的。的实际根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“模拟，或者是“不充分符合实践地描画某物的形状。有时也可以把模拟了解为“用一个实验模型做实验以描画或逼近一个实践的系统。按照这些根本涵意可以把模拟定义为“建立能模拟实践系统的模型，并以此模型做实验来描述或逼近一个实践系统。 模拟的直接含义就是“模拟，或者是“不充分符合实践地描画某物的形状。有时也可以把模拟了解为“用一个实验模型做实验以描画或逼近一个实践的系统。按照这些根本涵意可以把模拟定义为“建立能模拟实践系统的模型，并以此模型做实验来描画或逼近一个实践系统。二模拟的分类二模拟

23、的分类 模拟有两种类型。模拟有两种类型。 1物理模拟物理模拟 用模拟实践系统的物理模型做实验称用模拟实践系统的物理模型做实验称为物理模拟。为物理模拟。 2数学模拟数学模拟 用数学模型在计算机上做模拟实验就称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。为数学模拟或电子计算机模拟。 l1. 模拟与模型是不可分别的，不建立模型，模拟与模型是不可分别的，不建立模型，模拟就无法进展；模拟就无法进展；l2. 另一方面，建立模型之后，假设不进展模另一方面，建立模型之后，假设不进展模拟实验，那么模型的正确与否就难以确定，拟实验，那么模型的正确与否就难以确定，模型的作用也发扬不了。模型的作用也

24、发扬不了。l3.胜利的模拟是对所建立模型能否客观正确的胜利的模拟是对所建立模型能否客观正确的检验，到达修正、补充、完善模型的目的。检验，到达修正、补充、完善模型的目的。 一造山带模拟的思绪一造山带模拟的思绪 1.1.首先，应根据研讨区域的大量构造解析首先，应根据研讨区域的大量构造解析现实、多种资料，建立与其物质组成和主要现实、多种资料，建立与其物质组成和主要变形方式相一致的变形方式相一致的( (从时、空两方面从时、空两方面) )地质构地质构造模型。同时，确定其边境条件和初始条件。造模型。同时，确定其边境条件和初始条件。这一步，通常是地质专家的义务。这一步，通常是地质专家的义务。2.2.按物理的力学规律和数学方法将地质模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。这建立相应方程或称为定解问题。这些任务需求数学家和地质学家共同协作些