Разработка модуля геоинформационной системы, основанного на методах интеллектуального выявления аномалий, для глубинных изысканий месторождений

Cтремительное развитие методов повышения геологической изученности невозможно без развития геоинформационных технологий и микроэлектроники. Исследования в этой области используют современные методы компьютерной обработки больших объемов данных наблюдения Земли, а также методы вычислительной математики и искуственных нейронных сетей и машинного обучения. В настоящее время практически отсутствуют препятствия со стороны систем полевых наблюдений, включающие и источники физических полей. Поэтому актуальным является развитие методов численного решения обратных задач геофизики и разработка сервисного программного обеспечения для преобразования цифровых данных в геоинформационные системы для наглядной интерпретации результатов геологических изысканий. Применение геоинформационных систем помогает интегрировать и упорядочить информацию о ресурсном потенциале полезных ископаемых и представить их в удобном для понимания, анализа и управления картографическом виде, начиная с подробного обследования осваиваемых месторождений и проведения на них изысканий.

Рассматриваемые в проекте комплексная прогнозно-минерагеническая модель состоящая из геохимической и геофизической части и цифрового моделирования методами обратных задач геохимии и геофизики направлена на региональное геологическое изучения недр, а именно глубинные части земной коры. Особенно актуальны эти методы в настоящее время для Казахстана, обладающий огромными запасами полезных ископаемых, добыча которых является важной задачей. Важнейшее значение для развития геологической отрасли имеет охват геологической изученности территории Казахстана по глубинному геологическому, геолого-минерагеническому картированию.  Также актуальной является задача разведки новых месторождений вместо истощающихся старых.

В феврале 2020 года на заседании Правительства РК обсуждена и принята Концепция Государственной программы геологической разведки на 2021-2025 годы. Научное направление данного проекта соответствует SMART целям Госпрограммы, а именно:
— повысить и увеличить изучения на основе технологической модернизации отрасли с использованием новых междисциплинарных минерагенических моделей, новой числовой информации, цифровых методов прогнозирования и элементов искусственного интеллекта. 
В 2007 году по инициативе Первого Президента РК, Елбасы Н.А. Назарбаева в национальных и региональных университетах страны были созданы 5 национальных и инженерных лаборатории инженерного профиля. Эти лаборатории являются материаловедческими центрами коллективного пользования по проведению фундаментальных и прикладных научных исследований для различных отраслей экономики, в том числе геологии и разведки полезных ископаемых.

Ожидаемыми результатами исследования являются: 

1. Развитие методологии, методики и технологии решения фундаментальных обратных и томографических задач; 
2. Математические модели обратных задач геохимии и геофизики; 
3. Численные методы решения дискретных аналогов обратных задач геохимии и геофизики основанный на теории сопряженных уравнении; 
4. Математическая модель и эффективные численные методы решения в рамках принятого подхода для решения обратной задачи для описания неоднородных геохимических полей на основе уравнения Гельфанда-Левитана; 
5. Математическая модель, методы и алгоритмы решения задач томографии по геохимическим данным на основе представлений статистической физики; 
6. Создание комплекса компьютерных программ для численной реализации разработанных алгоритмов с использованием суперкомпьютерных вычислительных технологий; 
7. Создание модуля ГИС решения обратных и томографических задач, который станет важным компонентом прогноза, выявления и оценки скрытых месторождений полезных ископаемых. 

1. Разработана математическая модель геохимической задачи в виде обратной задачи о продолжении потенциальных полей в сторону возмущающих масс с использованием математического аппарата интегральных уравнений. Задача заключается в решении интегрального уравнения Фредгольма первого рода для большого количества различных правых частей, при этом ядро интегрального уравнения остается одним и тем же. Разработаны математические модели, методы и алгоритмы решения обратной задачи по геофизическим данным (векторным полям). Разработана математическая модель коэффициентной обратной задачи неоднородных геохимических полей на основе уравнения Гельфанда – Левитана. 

2. Разработана математическая модель задачи томографии по геохимическим данным на основе представлений статистической физики. Разработанные методы численной реализации обратных задач математической геофизики и геохимии показали удовлетворительную точность на тестовых примерах. 

3. Разработаны алгоритмы численного решения интегральных уравнении Фредгольма первого рода. Предложен новый метод численного решения этих уравнений, основанный на применении теории сопряженных уравнений. Разработан метод численного решения интегральных уравнений Фредгольма первого рода методами проекции с базисами в виде вейвлетов Лежандра. Исследованы вопросы математического обоснования предложенных методов. Проведены численные расчеты тестовых задач. 

4. Разработан программный модуль для системы QGIS версии 3.18.3-Zurich, функционирование которого основано на применении теории обратных задач математической геофизики с использованием геологических данных на поверхности земли, геофизических измерений и геохимических анализов в качестве входных данных. Программный модуль основан на комплексной прогнозно-минерагенической модели, состоящей из геохимической и геофизической части и цифрового моделирования методами обратных задач геохимии и геофизики, которая направлена на региональное геологическое изучение недр, а именно глубинные части земной коры. 

Программный модуль предоставляет пользователям системы QGIS набор методов для восстановления полей распределения химических элементов на заданной глубине на основе математического моделирования, и имеет следующие функциональные возможности:

а) Импорт входных данных измерений из файлов формата CSV в базу данных;

б) Проведение прогнозных расчетов на основе входных данных измерений и алгоритма решения обратной задачи;

в) Визуализация исходных данных и данных, полученных в результате решения обратной задачи.

5. Проведена обработка и анализ числовых данных вышеизложенными математическими методами и комплексом прикладных программ. Данные получены в инженерной лаборатории при проведении аналитических исследований ICP-MS спектроскопии, 777 отобранных проб на 70 химических элементах на обследованной территории площадью свыше 40 тысяч квадратных километров, которые получены в экспедиционных исследованиях по геохимии и минералогии рыхлых отложений месторождений полезных ископаемых Рудного Алтая и Калбы.

Публикации в журналах, входящих в перечень КОКСОН МОН РК:

1. Темирбеков Н. М., Имангалиев Е. И., Байгереев Д. Р., Темирбекова Л. Н., Орынгожин Е. С., Алишева Ж. Н. Разработка веб-приложения для управления геологическими, геохимическими и геофизическими данными месторождений // Вестник НИА РК. — 2020. — №4 (78). — С. 76-86. DOI: https://doi.org/10.47533/2020.1606-146X.35
2. Temirbekov N. M., Los V. L., Baigereyev D. R., Temirbekova L. N. Module of the geoinformation system for analysis of geochemical fields based on mathematical modeling and digital prediction methods // News of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan. Series of Geology and Technical Sciences. — 2021. — Vol. 5, No. 449. — pp. 137-145. DOI: dx.doi.org/10.32014/2021.2518-170X.107

Публикации в других журналах:    

1. Мурзадилов Т. Д. Теоретическое обоснование квазитомографии геохимических полей // Геология и охрана недр. — 2021. —  №1(78). – С.47-54.

Публикации в материалах Международных конференций:

1. Temirbekov N., Temirbekova L. Numerical solution of the first kind of Fredholm integral equations by projection method with wavelets as the basis functions // 5th International Conference of Mathematical Sciences (ICMS 2021), Maltepe University, Istambul, Turkey, 2021. – P.98.