Введение к работе
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 1:200 000, 1:50 000 и 1:10 000). 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;
-
сбор и накопление геохимической информации в соответствии с разработанной структурой информационного хранилища;
-
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 размеще
ния 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 А.А., 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 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.
-
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.
-
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
-
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;
-
теоретически обоснована кластерная модель структуры базы данных, соответствующая этапам геохимических исследований, модель доступа к данным и их обработки;
-
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
-
реализован механизм динамической пространственной кластеризации хранящихся в системе данных, который позволяет выполнять разномасштабный статистический анализ исследуемой территории;
-
показаны преимущества взаимодействия программно-инструментальных ГИС оболочек с централизованной информационной системой в сравнении с работой с дискретными данными;
-
создан специализированный веб-интерфейс для обеспечения взаимодействия пользователей с базой геоданных;
-
проведён анализ методов создания картографических моделей распределения химических элементов в целях комплексной оценки территории на предмет обнаружения медно-никелевых месторождений;
-
организован механизм взаимодействия между объектами базы данных и средствами автоматизированной и полуавтоматизированной обработки;
-
созданы геохимические модели рудоносного массива, как основа для прогнозирования потенциально промышленного оруденения;
-
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 «Петрология 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. А.С. 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. А.В. 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 ТПП-геологическая компания" Ю.Н. Киселёву за постоянную поддержку работы; С. С. Хабар дину 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.
