模型与模拟教学课件

模型与模拟模型与模拟46、法律有权打破平静。马格林47、在一千磅法律里，没有一盎司仁爱。英国48、法律一多，公正就少。托富勒49、犯罪总是以惩罚相补偿；只有处罚才能使犯罪得到偿还。达雷尔50、弱者比强者更能得到法律的保护。威厄尔 一、地质系统一、地质系统（一）（一）“系统系统”的概念的概念 系系统统是是根根据据研研究究对对象象和和目目的的来来确确定定的的“一一个个动动态态的的由由互互相相联联系系的的若若干干成成分分(要要素素）组组成成的的集集合合”（JWHarbaughJWHarbaugh）。系系统统的的任任何何一一部部分分发发生生变变化化，都都会会影影响响到到整整个个系系统统。在在系系统统的的定定义义中中应包括两部分内容：应包括两部分内容：组成成系系统的的成成分分及及其其相相互互之之间的的内内在在联系系；系系统的界限的界限。l系系统统的的界界限限:可以分为两类，即物理的界限和抽象的界限。前者是一种物质上的界限，如沉积盆地的物理界限可以用输入盆地的水体的地区性范围未定义。后者则是一种概念上的界限，它可以用包括某些变量、忽略某些变量的方法来加以定义。l系统是一个相对的概念系统是一个相对的概念 在一个大的系统内部还可以定义比较小在一个大的系统内部还可以定义比较小的各级系统，如在太阳系内又可以定义地球的各级系统，如在太阳系内又可以定义地球为系统，在地球上又可以定义岩石圈、板块、为系统，在地球上又可以定义岩石圈、板块、沉积盆地、三角洲、泻湖、点砂坝等为系统，沉积盆地、三角洲、泻湖、点砂坝等为系统，直至无穷。所以系统的界限实际上是可以根直至无穷。所以系统的界限实际上是可以根据研究对象和目的来任意地加以定义的。据研究对象和目的来任意地加以定义的。（二）、地质系统（二）、地质系统l按照上述系统的概念，地质系统可以定义为“一个动态的由互相联系的若干地质成分（地质因素）组合的集合”，而各种地质事件（包括地质体，地质现象和地质过程）就是这个极其复杂的地质动态系统的不同组成部分。举例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大系统，其中的褶皱断裂构造、岩浆岩体定义、变质基底可定义为低级别的系统（或称为子系统），.（三）开放系统和封闭系统（三）开放系统和封闭系统1 1开放系统开放系统 实际的系统一般都是开放的。它会连续不断地受到外界因素的影响，即从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行输出。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。例子：一个海岸系统有输入（河流、海岸流）和输出（紊流）的因素，它们具体体现为输入、输出沉积物的性质、数量、速度、海面升降的起伏和挠动等。这些因素综合作用的结果是连续地使海滩、三角洲、海湾等的外形发生变化，使海岸线的位置发生变迁，从而使整个海岸系统永远处在不断的运动和变化之中。2封闭系统 封闭和开放也是相对的。一个动态系统在某种条件下可能进入稳定的或平衡的状态，这一条件在某时期内保持不变（或变化甚微）不足以破坏系统的稳定和平衡状态时，就可以把这种系统看成是一个与外界没有交流的封闭系统。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。实例：如没有投入开发的油气藏就可以把它看成是由圈闭形成的一个油气封闭系统。可是当油气藏投入开发后，这种稳定或平衡状态立即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，油气藏就由一个封闭系统转变成一个开放的系统。封闭系统比较容易建立，但它往往不能充分真实地反映实际的系统，即它不是完全真实的。系统实例：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结构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究，大都以构成系一个系统的建立和研究，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、构造形迹两方面展开深入研究，以了解它们的形成过程，探索其深入研究，以了解它们的形成过程，探索其形成和演化历史，寻找引起它们时、空变化形成和演化历史，寻找引起它们时、空变化的主要驱动力。的主要驱动力。建立系统的出发点建立系统的出发点:组成系统的各部分相互作用、相互组成系统的各部分相互作用、相互制约、相互适应。系统间能量、物质的制约、相互适应。系统间能量、物质的交换，或称为互反馈作用，在一定时期交换，或称为互反馈作用，在一定时期内处于动平衡，称为稳定系统。能量（热内处于动平衡，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能、应力应变能）的聚集通常是一个缓慢过程，系统结构与状态出现连续变化。当过程，系统结构与状态出现连续变化。当能量聚集到一定极限，系统产生非连续的能量聚集到一定极限，系统产生非连续的突变，称为非稳定的系统，如地震发生、突变，称为非稳定的系统，如地震发生、火山爆发等。火山爆发等。（四）稳定系统与非稳定系统（四）稳定系统与非稳定系统如果一系统各个成分及其结构与时间如果一系统各个成分及其结构与时间无关，就是静态系统，反之就是动态系统。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，运静态与动态是相对的，静止是相对的，运动是绝对的。一个缓慢变化的系统，可以动是绝对的。一个缓慢变化的系统，可以分解为系列的静态系统。例如，油气藏在分解为系列的静态系统。例如，油气藏在形成圈闭过程中显然是动态系统，当构造形成圈闭过程中显然是动态系统，当构造活动相对弱或静止，已形成圈闭的油气藏活动相对弱或静止，已形成圈闭的油气藏可以视为静止的系统。可以视为静止的系统。（五）静态与动态系统（五）静态与动态系统（六）系统的非线性（六）系统的非线性 任何一个系统的各个成分间往往具有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，复杂的关系，通常并不是简单的线性关系，而是非线性的结构和关系。比如混沌而是非线性的结构和关系。比如混沌（chaos）和自组织（）和自组织（selforganization）现）现象，在临界状态下，从无序到有序过程，出象，在临界状态下，从无序到有序过程，出现协同（现协同（Synergetics），都是非线性的。地），都是非线性的。地球系统时间跨度大，状态演化几乎无重复性，球系统时间跨度大，状态演化几乎无重复性，也是不可逆，因此具有明显的非线性特征。也是不可逆，因此具有明显的非线性特征。（七）系统的时空结构（七）系统的时空结构一个系统在定义了它的界限后，对于一个稳定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述即为其空间结构，比如岩浆侵入后互之间关系的描述即为其空间结构，比如岩浆侵入后缓慢冷却下来，不同深度、不同空间位置由内向外形缓慢冷却下来，不同深度、不同空间位置由内向外形成不同的相带，矿物成分、化学组成都会出现规律的成不同的相带，矿物成分、化学组成都会出现规律的空间变化。空间变化。如果研究岩浆侵入过程，岩浆体的空间结构会随如果研究岩浆侵入过程，岩浆体的空间结构会随时间、温度、压力而变化，不同时间段的系统结构，时间、温度、压力而变化，不同时间段的系统结构，可以视为不同的静态系统来研究。可以视为不同的静态系统来研究。现代科学发展趋势-多学科一体化系统多学科一体化系统2二、模型（二、模型（ModelModel）（一）模型的概念 按原义按原义“模型必须与实际系统相似，但模型必须与实际系统相似，但也包含有模型比真实系统更易处理的意思也包含有模型比真实系统更易处理的意思”，或者说模型是，或者说模型是”某种真实系统简化了的因某种真实系统简化了的因而更容易理解的描述而更容易理解的描述”。据此可以把模型定。据此可以把模型定义为义为“一个能描述实际系统特性的简化了的一个能描述实际系统特性的简化了的人造模拟系统人造模拟系统”。一张地质图就是某种模型一张地质图就是某种模型的表现的表现。（二）模型的分类（二）模型的分类 1、物理模型物理模型 用用物物理理量量的的变变化化来来描描述述实实际际系系统统的的模模型型称称为物理模型。为物理模型。（1 1）物质比例模型）物质比例模型 物物质质比比例例模模型型是是用用物物质质按按比比例例做做的的模模型型。如如飞飞机机模模型型、舰舰船船模模型型、构构造造演演化化试试验验软软粘粘土土模模型型（泥泥模模）等等，其其比比例例一一般般都都小小于于实实际际系系统统，但但也也可可以以大大于于实实际际系系统统，如如晶晶体体结结晶晶格架模型。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 光光学学模模型型是是用用光光学学特特性性来来描描述述或或逼逼近近实实际际系系统统的的模模型型，如如光光弹弹模模型型。在在地地质质上上泥泥模模和和光光弹弹模模型型常常被被用用来来研研究究构构造造的的力力学学和和形形变变机机制制。光光学学模模型型是是用用光光学学特特性性来来描描述述或或逼逼近近实实际际系系统统的的模模型型，如如光光弹弹模模型型。在在地地质质上上泥泥模模和和光光弹弹模模型型常常被被用用来来研研究究构构造造的的力力学学和和形形变机制。变机制。（3 3）电子模拟模型）电子模拟模型 电电子子模模拟拟模模型型是是用用电电流流表表示示液液流流或或热热流流的的一一种种模模型型，常常用用于于油油气气运运移移或或聚聚集集过程的实验研究。过程的实验研究。2 2、符号模型、符号模型 它它包包括括图图表表模模型型和和数数学学模模型型两两种种。鉴鉴于于数数学学模模型型的的重重要要地地位位，我我们们把把它它单单独独列列为为一一类类。这这里里仅仅把把图图表表模模型型及及其其作作用用作作一一些些说说明明。所所谓谓图图表表模模型型是是指指用用图图形形及及文文字字表表格格来表表示示的的模模型型，它的作用有三个方面。它的作用有三个方面。各各种种不不同同类类型型的的地地质质图图就就是是典典型型的的符符号号模模型型 将原型的大的特征按比例缩小后用图来将原型的大的特征按比例缩小后用图来表示，以便描述原型的各种基本特征，如表示，以便描述原型的各种基本特征，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。数学模型的处理结果，常常要用图表模型来加以描述或表示。如地球化学指标的趋势面分析结果是用趋势面图表示各种指标背景场的起伏或变化趋势，并用剩余图来说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起使用的，后者只是数学模型处理结果的一种图形输出。用于描述模拟模型，如描述系统各组成部分之间内在联系的过程联系图（图2-2）和描述系统各成分相互作用过程特性。3、数学模型把实际系统的物理真实性简化为用有意义的符号，如字母，数字（即各种变量和参数）等，来代表其全部或者大部分的基本特征，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 模模型型中中各各变量量之之间呈呈函函数数关关系系，而而过程程则用用微微积分或微分方程等来加以描述分或微分方程等来加以描述。(2).(2).随机模型随机模型（即概率型模型）（即概率型模型）一一些些确确定定型型模模型型可可作作为为随随机机型型模模型型的的一一种种特特殊殊情情况况。如如由由热热物物体体向向冷冷物物体体的的热热传传导导过过程程，实实质质上上是是一一个个随随机机过过程程，因因为为它它取取决决于于分分子子的的随随机机运运动动。然然而而在在物物体体的的任任何何一一个个具具体体位位置置上上，分分子子的的数数量量多多到到足足以以绝对地肯定热是由热物体向冷物体方向传导的。绝对地肯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。因为它可以使有关引力作用的复杂现象的观测值用一个极其简单的抽象关系式来加以描述。多元统计分析中的大多数数学模型，如回归分析、趋势分析、因子分析等，皆属于数据分析模型，因为它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。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互相渗透的，在确定型模过这些模型有时是互相渗透的，在确定型模型中可能包含有概率型的成分在内。如干酪型中可能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）按是否是一种随时间变化过程的模型划分）按是否是一种随时间变化过程的模型划分（1）静态模型静态模型(Static model)随时间过程没有变化的模型称静态模型。随时间过程没有变化的模型称静态模型。比如在油藏描述研究中，对某一研究区块建比如在油藏描述研究中，对某一研究区块建立静态模型，它包括油藏构造、岩相、储层、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储层孔隙体积和主要物性参数的计算预测等数学模型。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，油藏描述进入动态研究阶段，就要建立动态油藏述进入动态研究阶段，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义为”一个能描述实际地质系统特性的简一个能描述实际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。如果它仅是对实际地质系统中各种的概念。如果它仅是对实际地质系统中各种地质特征间相互关系的一种定性描述时，就地质特征间相互关系的一种定性描述时，就称为称为“地质概念模型地质概念模型”。故可把它定义为。故可把它定义为“与与定性描述实际地质系统中各地质特征间相互定性描述实际地质系统中各地质特征间相互关系有关的各种地质概念、假设和理论的集关系有关的各种地质概念、假设和理论的集合。合。”地质概念模型是一种定性模型，而与它相地质概念模型是一种定性模型，而与它相对应的数学模型则属于定量模型。地质概念模对应的数学模型则属于定量模型。地质概念模型，是建立数学模型的认识基础和依据。把地型，是建立数学模型的认识基础和依据。把地质概念模型转变为数学模型是一种对地质系统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。认识上由定性向定量化转变的深化过程。地质概念模型的作用地质概念模型的作用图2-4 (3)(3)理论模型与经验模型理论模型与经验模型当地质概念模型及与其相对应的数学模型是当地质概念模型及与其相对应的数学模型是建立在某些已知的地质学基本理论或与它有关的建立在某些已知的地质学基本理论或与它有关的各种科学定理、定律、原理的基础上时，就称这各种科学定理、定律、原理的基础上时，就称这些模型为理论模型；当它们是建立在大量经验资些模型为理论模型；当它们是建立在大量经验资料的基础上时，就称为经验模型。在理论模型的料的基础上时，就称为经验模型。在理论模型的构成中并不排除个别的或局部的经验性因素（经构成中并不排除个别的或局部的经验性因素（经验系数），只要它能客观地描述或逼近实际地质验系数），只要它能客观地描述或逼近实际地质系统中的某些地质特征，一般来说对建立模型的系统中的某些地质特征，一般来说对建立模型的理论依据是不会产生破坏性影响的。理论依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“模仿”，或者是“不充分符合实际地描述某物的状态”。有时也可以把模拟理解为“用一个实验模型做实验以描述或逼近一个实际的系统”。按照这些基本涵意可以把模拟定义为“建立能模仿实际系统的模型，并以此模型做实验”来描述或逼近一个实际系统。三、模拟模拟(Modeling or Simulating)模拟的直接含义就是模拟的直接含义就是“模仿模仿”，或者是，或者是“不不充分符合实际地描述某物的状态充分符合实际地描述某物的状态”。有时也可。有时也可以把模拟理解为以把模拟理解为“用一个实验模型做实验以描用一个实验模型做实验以描述或逼近一个实际的系统述或逼近一个实际的系统”。按照这些基本涵。按照这些基本涵意可以把模拟定义为意可以把模拟定义为“建立能模仿实际系统的建立能模仿实际系统的模型，并以此模型做实验模型，并以此模型做实验”来描述或逼近一个来描述或逼近一个实际系统。实际系统。（一）模拟的概念（一）模拟的概念（二）模拟的分类（二）模拟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 用用模模仿仿实实际际系系统统的的物物理理模模型型做做实实验验称称为物理模拟。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。（三）模拟与模型的关系（三）模拟与模型的关系l1.模拟与模型是不可分离的，不建立模型，模拟与模型是不可分离的，不建立模型，模拟就无法进行；模拟就无法进行；l2.另一方面，建立模型之后，若不进行模拟另一方面，建立模型之后，若不进行模拟试验，则模型的正确与否就难以确定，模型试验，则模型的正确与否就难以确定，模型的作用也发挥不了。的作用也发挥不了。l3.成功的模拟是对所建立模型是否客观正确的成功的模拟是对所建立模型是否客观正确的检验，达到修正、补充、完善模型的目的。检验，达到修正、补充、完善模型的目的。(四四)、数学模拟在造山带、沉积盆地、数学模拟在造山带、沉积盆地研究中的应用研究中的应用 一）造山带模拟的思路一）造山带模拟的思路 1.首先，应根据研究区域的大量构造解析事实、多种资料，建立与其物质组成和主要变形方式相一致的(从时、空两方面)地质构造模型。同时，确定其边界条件和初始条件。这一步，通常是地质专家的任务。2.2.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（建立相应方程）或称为定解问题。这些工作需要数学家和地质学家共同协作解决。3.3.使数学问题程序化，包括大量的数学计算和图形显示。对于反映特定地质问题的数学模型，编制大量计算机程序的重担就落在计算机专家的肩上。4.4.结结果果的的验验证证，主主要要以以已已取取得得的的地地质质事事实实和和边边界界条条件件为为先先验验信信息息来来约约束束，以以便便成成功功再再现地质演化过程。现地质演化过程。5.5.对对于于反反复复调调整整参参数数（物物性性和和结结构构）后后得得到到的的模模拟拟结结果果，肯肯定定存存在在许许多多与与地地质质认认识识不不符符合合的的现现象象，对对其其要要加加以以仔仔细细研研究究，如如果果不不是是在在模模型型设设计计时时某某些些因因素素没没有有考考虑虑到到的的话话，模模拟拟结结果果有有修修正正已已有有地地质质构构造造认认识识和和预测还未发现的地质事实的作用。预测还未发现的地质事实的作用。二）盆地模拟二）盆地模拟 目前数学模拟在石油地质领域中的主要目前数学模拟在石油地质领域中的主要应用是盆地模拟（应用是盆地模拟（Basin ModelingBasin Modeling）。也就）。也就是说，所谓的盆地模拟就是从石油地质的物是说，所谓的盆地模拟就是从石油地质的物理化学机理出发，首先建立地质模型，然后理化学机理出发，首先建立地质模型，然后建立数学模型，最后编制相应的软件，从而建立数学模型，最后编制相应的软件，从而在时空概念下由计算机定量地模拟油气盆地在时空概念下由计算机定量地模拟油气盆地的形成和演化，烃类的生成，运移与聚集。的形成和演化，烃类的生成，运移与聚集。它包括地史、热史、生烃史、排烃史和运移它包括地史、热史、生烃史、排烃史和运移聚集史五个模型所组成的统一体。聚集史五个模型所组成的统一体。沉积学中已建立三个基本理论模型沉积学中已建立三个基本理论模型（Schwarzacher,1975Schwarzacher,1975）:剥蚀作用和沉积作剥蚀作用和沉积作用模型、沉降作用和沉积作用模型及沉积速用模型、沉降作用和沉积作用模型及沉积速率和盆地控制，详细内容参见有关专著。率和盆地控制，详细内容参见有关专著。课堂讨论（1学时）1.举例说明系统的相对性、开放性/封闭性、非线性、稳定/非稳定性质？2.怎样理解模型与模拟的关系、概念模型与数学模型间的辨证关系体现在哪些方面？3.Anyquestiondoyouhave?谢谢你的阅读v知识就是财富v丰富你的人生71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。康德72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。西塞罗73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。伏尔泰74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。屈原75、内外相应，言行相称。韩非