地质构造时空数据模型的设计

王亚奇，汤 军，祝志超

(长江大学 地球科学学院，湖北 武汉 430100)

0 前 言

在油气地质研究过程中，有大量测绘数据、地层岩性数据、地球物探数据、油气田生产数据等，然而数据量大、数据分散、缺乏有效分析方法、数据格式众多、数据传输效率慢、数据重复这几个问题位列数据使用者最头疼问题前几名[1]。面对复杂的数据，我们需要建立数据模型对其进行储存、管理、分析和决策，生成并输出各种油气地质信息，从而为地质研究提供新的评价因素，为油田企业生产提供重要的决策依据。

时空数据模型的研究从上个世纪60年代开始，Gail Langran[2]在1992年总结了时空立方体、快照序列、基态修正和时空复合4种时空数据模型[2]。按照时间在数据模型中所起的作用，大体可分为3个时期[3]：第1个时期侧重记录实体时态变化，称为时态快照时期，此时期提出的时空数据模型包括时空立方体模型[4]、快照序列模型[5]，以及基态修正模型[2]、离散格网单元列表模型[6]、时空复合模型[7]、非第一范式时空数据模型[8]等；第2个时期侧重表达实体变化的前后关系，称为对象变化时期，此时期提出的时空数据模型包括面向对象的时空数据模型[9]、基于图论的时空数据模型[10]、面向过程的时空数据模型[11]等；第3个时期侧重描述实体变化语义，称为事件与活动时期，此时期提出的时空数据模型包括基于事件的模型[12]、时空三域模型[13]、基于本体的时空数据模型[14]等。现有的模型已经在各行业中进行了很多应用，但在通用性方面还有不足，在地质构造方面没有得到有效的应用。

在油气地质研究与决策过程中，地质构造的研究具有极其重要的意义。其研究的主要内容包括构造的形态、产状、分布和组合形式等，更重要的是我们需要研究构造的形成条件、形成机制、形成时间、先后顺序和演变规律。其中，构造类型、空间位置、构造变化、变化方式及时间等等都可以进行数字化管理，而传统的GIS数据模型一般只能描述现实世界的静态现象[15]，难以满足以上要求。因此，我们需要通过地震、测井等数据分析，设计一个地质构造时空数据模型。

该模型的建立，可以有助于阐明构造在空间上的相互关系和时间上的发育顺序，明晰构造的运动规律及其动力来源，探明其客观规律。进而指导生产实践，对解决矿产分布、水文地质、工程地质、地震及环境地质等方面问题提供必要的帮助。

1 地质构造时空数据模型的设计

1.1 时空变化表达

复杂的地理现象是由不同数量的地理对象构成的，其表现为多个地理对象随时间变化并相互作用，地理对象之间的相互作用可以用事件来传递。事件是指地理对象变化达到某种临界状态时生成的，并且传递给其他相关的地理对象，在某种条件下又可以驱动相关地理对象发生相应的变化，地理对象的变化通过该对象的状态序列来记录。例如褶皱演化过程的地理对象是各个岩层，事件是岩层挤压和岩层拉张，以上两个事件是由岩层受力发生的弯曲变形属性变化达到某种临界状态时引起的，使用状态记录岩层某一时刻的属性变化。

根据以上分析，本文提出一个构造时空数据模型，用于记录与管理在复杂地理现象变化过程中涉及的时空数据。首先，对该模型中相关要素的概念进行说明。

地理对象：各种构造类型的抽象表达，由一般属性和可变属性组成。

事件：地理对象显著变化的一次过程。

状态：各种构造类型可变属性在某一时刻所表现出来的形态，用来表现构造的时空变化。

图层：具有共同结构和功能的地质构造集合。

构造时空数据模型中各个要素及其相互关系，如图1所示。

图1 构造时空数据概念模型

时空过程是构造演化的总称，包含着有限多个地理对象和事件。地理对象表现为其所包含的一般属性和可变属性，其中我们把可变属性记录在状态序列中，图2所示。

图2 地理对象的状态

每个状态记录着该地理对象可变化部分某个时刻的快照。在表达地理对象某一时刻的整体状态时，可以通过时态属性查询相应的可变属性和不可变属性，将其合并到一起。

1.2 建立构造时空数据模型

构造时空数据模型应能够表达构造类型、空间属性、时态属性语义。

根据上节中对地理现象时空变化相关要素及其互关系的分析，本节建立面向对象的构造时空数据模型，图3给出了该模型的简图。

图3 构造时空数据模型简图

2 地质构造时空数据模型应用实例

在构造地质学里，构造可以分为褶皱、断层、节理与劈理等。构造时空数据模型和相关软件中用到的所有数据都需要指定相关的数据类型。油田上，要建立一个地区的构造时空数据模型，就必须有褶皱、断层的相关字段项，如“断层类型”、“断层走向”、“断层倾向”等。

同时，无论是勘探还是开发，都涉及到了大量原始数据，为方便做出智能预测和高效管理，以实现对最终油藏的有利预测，这就需要明确构造状态中各种属性的定义。

2.1 断层的时空数据模型

构造带涉及到断层及其相关的一系列参数，首先，要确定每一属性字段是否为可变属性，表1给出了图3中断层状态属性的定义，其中，属性类型值n取0表示该属性为一般属性，不随时间的推移而变化；n取1表示可变属性，该属性可能随时间推移而发生变化。

表1 断层属性数据结构

以狮子沟构造带为例，平面图如图4所示。

图4 柴达木盆地狮子沟构造带平面图(据吴婵等，2013改)

构造带的演化模式可以分为4个阶段(图5)：①路乐河组(E1+2)—下干柴沟组(E32)沉积末期，构造带以近南北向拉张为主，形成少量的基底正断层；②上干柴沟组(N1)—下油砂山组(N21)，构造带处于坳陷期，地层沉积平稳，没有发生明显的变形，断裂发育较少，深部地层发育楔形构造；③上油砂山组(N22)沉积初期，构造带受近南北向的压扭作用；④狮子沟组(N23)沉积初期，造带再次强烈挤压，裂活动。

图5 狮子沟构造带构造演化剖面图(据隋立伟等，2014改)

由剖面图整理得不同时期构造状态原始数据如表2。

表2 狮子沟各沉积时期断层属性

由上文图表可知在路乐河—下干柴沟组沉积时期，只有两个正断层，则输入构造状态表格，例如①断层构造状态表格中，输入“编号11001；发生时间为路乐河—下干柴沟组沉积时期；一般属性：断层名称；可变属性：断层类型、断层走向、断层倾向、穿越地层、断距变化”。

其中，编号第1位为表格代码，“1”表示构造状态表格，“2”表示构造类型表格等；第2位为构造类型编码，“1”表示断层，“2”表示褶皱等；后3位表示该构造状态编码。

同时，注意到在不同时期，断层发生变化，以①断层类型和穿越地层为例，如表3。

表3 断层历史区

同理，可整理出各时期③断层～⑦断层的构造状态，由所有构造状态的集合共同生成构造类型表格，如图6所示。

图6 构造状态集合生成构造类型

其中，在不同时期发生构造变化导致生成不同断层，可输入事件表格，例如输入“编号31001；发生时间为下油砂山组沉积时期；生成构造：③断层”。

如上文所述，整理出断层事件集合，同时把具有共同结构和行为特征的构造类型输入同一图层，在图层中能够随时添加和移除构造类型。

断层、褶皱都为构造类型，其中还可总结节理、劈理等不同的构造类型分别添加在不同的图层中，通过图层对相同类别的构造进行统一样式设置和属性定义。同时，各种构造类型发生缓慢或显著的变化，在构造地质学中，一般构造变化均以百万年计算，也偶有剧烈构造变化(如地震、火山爆发等)，形成新的构造类型，记录在事件中。事件是模型的重要组成部分，记录了生成此事件的构造类型及生成时间。

图层中包含各种构造类型的集合，事件中包含构造发生的变化及新生成的构造集合，由其组成图层集合和事件集合，共同包含在构造演化过程中(见图3)。

2.2 模型的时空数据查询过程

用户在某一时刻对空间数据进行查询操作时，例如查询①断层在上油砂山组沉积时期的穿越地层，就要在数据库中选取该构造状态，继而选取构造状态发生的时间：上油砂山组沉积时期，再从该构造状态中选取属性穿越地层，就可知该对象的属性信息和事件信息。这样，我们可以通过建立的构造时空数据模型对构造演化进行数据存储和规律研究。例如调取过去某一时间段内各构造类型、状态属性、事件和当时构造地区的平面图(如图4)，就可以尝试推演该地区更早时间段的构造平面图和该构造的生成机理，进而可以对该构造带进行三维构造地质建模的探索。

3 结 语

1)分析了复杂地理现象时空变化的特点，提出了一种构造时空数据模型，将构造演化过程、不同构造类型、构造变化、构造状态等要素有机地结合在一起。并且通过对柴达木盆地狮子沟构造带数据的输入，验证了模型的可行性和易用性。该模型符合相对通用的地质构造时空数据模型的特点。而采用面向对象的设计思想，也使得模型具有良好的可实现性和扩展性，为油田在各个领域的扩展应用研究提供基本框架。

2)建立构造时空数据模型，通过对构造资料的处理及分析，不仅可以解决历史数据和现时数据的整合问题，且实现了基于时空变化语义的查询和分析。可以用于油藏描述之中，完善油藏的精细描述；将构造的时空数据合力组织、存储、管理起来，有利于完善数字油田的建设。

总体来说，构造演化与其他地理对象不同，构造的变化通常以百万年记，因此构造的时空变化是一个非常漫长的过程。如何依据构造时空数据模型，在事件中加入变量对构造演化进行准确的动态模拟是接下来需要研究和探讨的内容。

[1] 高倩.多源数字油田数据与油田数据融合及方法研究[D].西安：长安大学,2015.

[2] Langran G. Time in geographic information systems[M]. London:Taylor & Francis Ltd, 1992.

[3] Michael Worboys. Event-oriented approaches to geographic phenomena[J]. International Journal of Geographical Information Science, 2005, 19(1):1-28.

[4] Hägerstraand T. What about people in reglonal science?[J]. Papers of the Regional Science Association, 2010, 24(1):6-21.

[5] Armstrong M P. Temporality in spatial database[C]// Proceedings of GIS/LIS. San Antonio:[s.n.], 1988:886-899.

[6] Gail Langran. A review of temporal database research and its use in GIS applications[J]. International Journal of Geographical Information Science, 1989, 3(3):215-232.

[7] Langran G, Chrisman N. A framework for temporal geographic information[J]. Cartographica the International Journal for Geographic Information & Geovisualization, 1988, 25(3):1-14.

[8] 陈军, 陈尚超, 唐治锋. 用非第一范式关系表达GIS时态属性数据[J]. 武汉大学学报(信息科学版), 1995, 20(1):12-17.

[9] Worboys M F. A model for spatio-temporal information[C]// Proceedings of the 5th Interantional Symposium on Spatial Data Handling: 2. Columbia:University of South Carolina, 1992:602-611.

[10] 尹章才, 李霖, 艾自兴. 基于图论的时空数据模型研究[J]. 测绘学报, 2003, 32(2):168-172.

[11] Pang Y C. Development of process-based model for dynamic interaction process in spatio-temporal GIS[J]. Geoinformatica, 1999, 6(4):323-344.

[12] Peuquet D J, Duan N. An event-based spatiotemporal data model (ESTDM) for temporal analysis of geographical data[J]. International Journal of Geographical Information, 1995, 9(1):7-24.

[13] Yuan M. Representation of wildfire in geographic information systems[D]. Buffalo: State University of New York, 1994.

[14] Galton A. Desiderata for a spatio-temporal geo-ontology[C]// Spatial Information Theory: Foundations of Geographic Information Science. Berlin/Heidelberg: Springer, 2001:1-12.

[15] Peuquet D J. A conceptual framework and comparison of spatial data models[J]. Cartographica the International Journal for Geographic Information & Geovisualization, 1984, 21(4):66-113.