Вычислительная Геология И Визуализация

Современные методы в геологии мы уже обсуждали в статье.

Геология XXI века как наука о данных о Земле на примере модельного землетрясения в горном массиве Монте-Кристо в Неваде, США 15 мая 2020 г.

магнитудой 6,5. И все бы хорошо в этой модели, но самое интересное, что смещение геологических блоков и «дыхание гор» нам схематично указал опытный геолог.

Самое главное, что современная вычислительная геология (включая геофизику, моделирование и визуализацию) позволяет создать динамическую (4D) геологическую модель и увидеть геологические процессы, происходящие в реальности.

Вычислительная геология и визуализация

Геологическая модель с интерферограммой на поверхности рельефа по радиолокационным космическим снимкам, где по шкале Density Anomaly, % – характеристика неоднородности геологической плотности, а черная сфера в центре – координаты эпицентра землетрясения, расположенного на глубине 2,8 км.

Поскольку в статье выше мы уже рассмотрели статическую модель, сразу перейдем к динамической модели и ее визуализации.

Как обычно, мы будем использовать для этого программу с открытым исходным кодом.

ПараВью и мое расширение для данных ГИС Плагин N-Cube ParaView для визуализации 3D/4D ГИС-данных .

Вот как выглядит проект ParaView:

Вычислительная геология и визуализация

Напомню, что геологическую модель мы создаем методом так называемой геофизической инверсии, когда на основе данных гравитационного поля на поверхности Земли рассчитываем соответствующее распределение плотности под этой поверхностью.

Увы, непосредственно измерения гравитационного поля (или нужной нам его вертикальной составляющей) не производятся с такой точностью и частотой, поэтому вместо него мы воспользуемся общедоступными обычными радиолокационными изображениями.

Дело в том, что пространственные спектры гравитационного поля, рельефа и радиолокационных (и оптических) изображений практически эквивалентны, что позволяет с точностью до раза восстановить распределение плотности.

Если интересны подробности, то в репозитории GitHub. Фрагменты ГИС Доступны ноутбуки Jupyter Python 3 с соответствующими моделями (и ссылками на теоретическую информацию).

Спутниковая интерферограмма была получена с помощью замечательного открытого инструментария.

ГМЦАР .

В случае одиночного землетрясения смещение даже огромных геологических массивов происходит довольно быстро, а сам процесс, конечно, практически невозможно зарегистрировать, если только (чудом) не будет получен один из штатных спутниковых снимков именно в этот момент. На практике нам приходится довольствоваться снимками, сделанными за несколько дней до и через несколько дней после землетрясения.

Используя такие изображения, мы построили две модели выбранного участка Монте-Кристо.

Интересны также фотографии, сделанные через несколько недель после события — после так называемого процесса релаксации недра Земли достигают нового стабильного состояния, при этом вероятны небольшие (относительно первоначального смещения) движения геологических блоков.

Поскольку в нашем случае это смещение довольно мало, мы не будем пытаться здесь его визуализировать.

В случае повторных землетрясений на одной территории возможно построение более сложных моделей, показывающих промежуточные геологические состояния, хотя это связано с техническими трудностями корректного расчета результата многократного смещения территории (по трем координатным осям) по период лет и десятков лет. Однако эта проблема успешно решается; теорию и практические примеры можно найти в документации к открытому программному комплексу.

ГМЦАР .

Итак, у нас есть две геологические модели и интерферограмма, снятая в определенный момент времени до и после землетрясения.

В этом случае, когда не произошло никаких катастрофических геологических разломов, мы можем использовать фильтр TemporalInterpolator ParaView для интерполяции промежуточных состояний в моменты времени между нашими двумя моделями.

Началом временного интервала для интерполяции является состояние до землетрясения, а концом – состояние после этого события.

Честно говоря, сначала я пытался сделать плавную анимацию процесса, но добился лишь того, что смещения вообще не были визуально заметны.

С пошаговой анимацией дело пошло лучше и стали хорошо видны смещения геологических блоков:

Вычислительная геология и визуализация

Здесь мы видим, как геологический блок, расположенный близко к поверхности, в левой части модели опускается, а геологическая структура в правой части поднимается, при этом некоторое уплотнение («встряхивание») субгоризонтального слоя в середине модели происходит без его горизонтальное смещение.

Получившаяся картина в точности соответствует описанию геолога, но теперь мы можем все это увидеть сами.

Отметим, что эпицентр землетрясения соответствует стыку геологических блоков, что вполне очевидно для геолога и указывает на то, что подобные смещения происходили и происходят неоднократно.

Именно так горы «растут» на протяжении миллионов лет:

Вычислительная геология и визуализация

Красным цветом на интерферограмме показаны поднятые участки (в данном случае на 20-30 см), синим - пониженные (на 15-20 см).

Подробности смотрите в статье Публично доступные данные дистанционного зондирования Земли: как получить и использовать В заключение скажу, что я сам очень рад видеть такую динамическую модель – несмотря на более чем десятилетнюю работу с геологами и десятки построенных 3D геологических моделей, их объяснения динамики смещения, вращения и скольжения геологических блоков.

были для меня еще не очень понятны.

Отмечу также, что эта динамическая модель построена исключительно для удовлетворения моего научного интереса, поскольку для геолога здесь и так все очевидно.

В заключение приглашаю всех посетить Репозитории GitHub с различными геологическими моделями и их визуализацией в Blender и ParaView, а также примеры анализа пространственного спектра, синтеза гравиметрических данных высокого разрешения на основе данных дистанционного зондирования Земли и других расчетов, в том числе выполненных на геоиде с использованием PostgreSQL/PostGIS. Также смотрите готовые визуализации на сайте YouTube канал .

Теги: #Популярная наука #математика #программирование #3d #Визуализация данных #Геоинформационные услуги #визуализация #4d #паравью #геология #ГМТСАР #геофизика #спутниковая съемка