17 июня

Геология XXI века как наука данных о Земле

ПрограммированиеГеоинформационные сервисыМатематикаВизуализация данныхНаучно-популярное

Сразу оговорюсь, что деление на века немного условно. Например, спутниковая интерферометрия используется с конца 1980-х годов, при этом высококачественные данные стали общедоступными только в 2000-х годах. Трехмерные модели тоже отнюдь не новинка, и делали их ну очень давно — ведь и плоская Земля на трех китах вполне себе объемная модель. Так в чем же разница геологии века прежнего и настоящего?



Слева — фрагмент геологической карты США, справа — 3D геологическая модель с интерферограммой на поверхности рельефа по данным радарной спутниковой съемки (на шкале Density Gradient,% является характеристикой неоднородности геологической плотности, а Band Magnitude обозначает разность фаз отраженного сигнала радара для пары разновременных снимков)


Геология: ремесло или наука


Как нам подсказывает википедия:


Геоло́гия (от др. -греч. γῆ «Земля» + λόγος «учение, наука») — совокупность наук о строении Земли, её происхождении и развитии, основанных на изучении геологических процессов, вещественного состава, структуры земной коры и литосферы всеми доступными методами с привлечением данных других наук и дисциплин.

Таким образом, геология требует использования знаний и методов многих разных наук. Думаю, многие геологи согласятся с такой формулировкой: мастерство геолога заключается в умении интерпретировать данные разных наук и масштабов для построения непротиворечивой геологической модели. Вдумайтесь — с течением времени все науки делятся на множество специализаций, а геология требует знания и применения различных наук, не говоря уже о знании самой геологии. Конечно, и геологи тоже специализируются на разных разделах геологии, но об этом как-нибудь в другой раз. При этом многие геологические эксперименты не воспроизводимы из-за своей сложности или продолжительности, а результат интерпретации всех данных зависит от опыта геолога и того, насколько он понимает и умеет использовать разнородные данные.


Век XX


Как мы обсудили выше, физика или математика или наука о данных (data science) сами по себе ценности для геологов не представляют — все зависит от того, насколько каждый геолог способен понять их и интерпретировать имеющиеся данные. Общедоступны ли геологические данные в условиях, когда для их получения нужен доступ к специальным архивам (бумажным) и, зачастую, авторам этих данных для получения объяснений? Повторимы ли результаты геологических обследований, выполняемых геологоразведывательными группами из десятков и даже сотен специалистов годами и даже десятилетиями? Может ли физик или математик или специалист по данным получить геологически значимые результаты без участия геолога? За редким исключением, ответ очевиден.


На картинке до хабраката показан фрагмент геологической карты США, достаточно точной пространственно и качественной — но только для определенного масштаба. Просто взять и сравнить эту карту с другими данными [очень] сложно, равно как и оценить степень совпадения и имеющиеся отличия (а тем более — найти их причины).


Век XXI


Что изменилось в нашем веке? Многое, или даже почти все. Данные стали как общедоступными, так и регулярными благодаря дистанционному зондированию Земли с искусственных спутников Земли. В предыдущей статье я перечислил лишь некоторые из общедоступных наборов данных Общедоступные данные дистанционного зондирования Земли: как получить и использовать и многие из них обновляются для каждой точки поверхности планеты каждые несколько дней, так что мы можем проанализировать изменения, их динамику, оценить зашумленность данных, да и просто работать с этими данными с помощью всей мощи статистических методов. Вместо работы со статичной моделью без возможности ее валидации стали доступны динамические модели и разнообразные методы их оценки.


На картинке до хабраката справа на поверхности рельефа показана интерферограмма (смещение каждой точки земной поверхности в единицах длины волны радара), полученная по разновременной паре радарных снимков Sentinel-1 (до и после близкого к поверхности землетрясения в центре). Сама модель посчитана методом инверсии по данным точного рельефа США (построенного по данным спутниковых наблюдений, кстати), подробности смотрите в предыдущей статье Методы компьютерного зрения для решения обратной задачи геофизики. Поскольку нам сразу известны точные координаты как спутниковых снимков, так и участка рельефа, мы легко совмещаем их — нам больше не нужно выезжать на местность и картировать координаты наземных легко узнаваемых на спутниковых снимках точек и потом по ним заниматься так называемой географической привязкой исходных материалов. На интерферограмме мы видим разломы как линии разрыва значений фазы, отражающие поверхности как резкие границы, позиции максимального смещения геологических блоков как центры колец… Добавим, что направления и значения смещений также вычисляются по радарным данным. На картинке внизу слева показана статичная модель и справа к ней добавлены (черным пунктиром) линии смещения геологических блоков:



Разломы можно выделять старым добрым геологическим методом — линеаментным анализом. Линеаменты представляют собой геологически значимые штрихи, получаемые с помощью преобразования Хафа на рельефе или космических снимках. Преобразование Хафа выполняется легко (также доступно во множестве библиотек, например, OpenCV), а вот геологически значимые штрихи это те, которые… сочтет значимыми геолог. Мда. Так вот теперь мы можем выделенные штрихи просто сравнить с интерферограммой для выделения из них геологически значимых.


На следующей картинке показано сечение модели через эпицентр землетрясения — правый от центра блок поднялся вверх и левый от центра опустился вниз в результате этого сейсмического события:



Откуда мы это знаем? Да мне знакомый геолог сказал. Серьезно. А еще мы можем посчитать значения вертикального смещения (в миллиметрах, кстати, это к слову о точности) и убедиться в этом без помощи геолога. На картинке выше хаброката показана фазовая картинка, обратите внимание на порядок чередования окраски полос (желтым или красным к центру) и поведение рельефа — для работающих с интерферограммой специалистов достаточно первого, а для опытного геолога достаточно второго. А можно просто взять и программно посчитать вертикальное смещение поверхности в каждой точке (vertical displacement). Кстати, для анализа смещения при наличии шумов и разрывов используются алгоритмы роутинга на растре — задача нетривиальная, поскольку при миллиметровой точности измерений в результате землетрясений возможны вертикальные разрывы поверхности Земли в метры и десятки метров.


Итак, сегодня возможно построить детальную статичную геологическую модель без участия геолога, используя вычислительные методы и открытые данные дистанционного зондирования Земли, подробнее в статье по ссылке выше. И более того, сопоставляя эту статичную геологическую модель с интерферограммой, мы можем детально проверить положения разломов при их выходе на поверхность, местоположения центров геологических блоков, ограниченных этими разломами, направления и значения смещения геологических блоков — и все это сделать без участия геолога! Кроме того, анализируя интерферограммы по серии снимков (есть примеры анализа лет за 40), можно узнать еще больше о геологической динамике. Если раньше сложные динамические модели создавались годами и целыми коллективами, а точность моделей оставляла желать лучшего, то в наше время ситуация кардинально изменилась. Стоит отметить, что это лишь один из примеров. Например, по данным спутниковых гравитометров публикуются модели движения геологических масс, по данным спутниковых магнитометров изучается движение расплавов и жидкостей,… Само собой, и геолог, получивший такие результаты, сможет дать намного более точный прогноз о состоянии вулканов, разрушительности и вероятности землетрясений, перспективах бурения на полезные ископаемые,...

Теги:HoughgeophysicsGeologydemgravitysatellite imaging
Хабы: Программирование Геоинформационные сервисы Математика Визуализация данных Научно-популярное
+6
2,3k 21
Комментарии 72
Лучшие публикации за сутки

Минуточку внимания

Разместить