文件概述：结构不确定性分析中稀疏数据的运动学和随机断层建模

警告：链接这份文件是长期工作的结果，得到了答辩小组的批准，并提供给整个更广泛的大学社区。它受作者的知识产权保护。 这意味着在使用本文件时有义务引用和引用另一方面，任何伪造、剽窃、非法复制的行为都将受到刑事起诉。联系方式：ddoc-theses-contact@univ-lorraine.fr知识产权法。第122条。4.知识产权法。条款L 335.2- L335.10http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.phphttp://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm用于结构不确定性分析的基于稀疏数据的运动学和随机断层建模论文于2018年3月29日（星期四）提交并公开支持，以获得洛林大学博士地球科学专业由加布里埃尔·戈德弗罗伊评审团组成：报告员：朱丽叶·拉马尔彻弗洛里安·W·埃尔曼法国艾克斯-马赛大学高级讲师德国亚琛大学教授检查员：克莱尔·庞德贝特朗·M·艾洛特联合王国阿伯丁大学博士客人：弗洛朗·阿利尔医生，总计，法国论文主任：威廉·奥蒙玛丽·F·奥德法国洛林大学教授法国洛林大学教授综合数值地质学研究-GeoResources洛林大学- ENSG / CNRS /CREGU ENSG -Brabois校区- TSA 7060554518 Vanduvre-lès-Nancy Cedex-法国简短摘要/简短摘要面向公众的简短摘要底土在很大程度上是无法直接观测到的;它的描述是基于模糊和分散的数据，这些数据的解释涉及许多地质概念。在这篇论文中，我感这些不确定性特别影响资源的勘探和生产、废物的储存或建筑物稳定性的研究。我提出了一种方法，利用数理理论，从现有的观测结果中产生几种解释方案。和地质学家制定的规则。我还在开发一个模拟断层周围岩石变形的数值模型。此运算符用于在可用观测值较少时生成一致的3D模型简短摘要地下很大程度上无法进行直接观测。地质学家利用他们以前的地质知识来解释现有的数据（这些数据往往是模糊的或稀疏的）。在这份手稿中，我关注的是与从稀疏数据中建模故障结构相关的不确定性。这些结构不确定性影响资源勘探和生产、废物储存或地面工程危害。我提出了一种方法图理论和数值规则（表示地质知识），从现有证据中生成几种解释方案。还提出了一个数值断层算子，它根据理论位移模型变形预先存在的地质结构这种运动学建模策略提高了3D结构模型的质量，其中只有很少的观察是可用的。我摘要地质观测的缺乏和模糊性，以及用于解释这些观测的概念的选择，使人们无法确定地在这篇论文中，我感本论文的第一个贡献是研究了可能属于同一断层的观测结果组合时解释的不确定性。数值规则，翻译结构解释过程中使用的概念和知识每个关联场景都由一个基于数理理论的元模型表示。基于这种形式主义，提出了一种多场景解释的数值方法。它的使用表明问题的组合维度使得找到正确关联的概率很低，并且规则的选择破坏了所获得的关联。第二个贡献是我提出了一个运动学算子来数值移动断层附近的结构，断层不一定是平面的位移场由描述断层表面释放演变的两个剖面（DX和DZ）、垂直于断层表面方向的衰减剖面（DY）和断层中心的位移值（d max）参数化这些参数是通过数值优化从结构观测中选择的。L’utilisation使用两个数据集测试和讨论了所提出的方法第一个是在摩洛哥近海（伊夫尼边缘）采集的九条二维地震线，这些地震线成像了一个断裂的结晶基底。对这些稀疏数据的解释是以研究附近露头所获得的知识为指导的。然而，使用的第二个数据集位于巴西近海的正断层与分层良好的沉积系列相交。它们由高分辨率地震立方体成像。提取合成稀疏观测值以测试三维地震数据的质量为参考模型提供了良好的置信度。这使得有可能测试在本文中开发的数值方法和地质规则来估计结构不确定性。iii.摘要地质数据的稀疏性和不完整性导致地质学家在模拟地球时使用他们以前的知识。解释中的不确定性是地质学的一个固有部分。在本文中，我的重点是评估与稀疏数据建模故障结构相关的不确定性。结构不确定性部分源于解释相同结构的故障证据的组合。当将这样的稀疏数据解释为二维地震线或有限的外作物观测时，尤其会发生这种情况。我提出了一种数学形式主义来铸造理论中关联错误证据的问题。每个可能的场景都用图形表示。组合分析表明情景的数量以非多项式方式与贝尔数和增量相关。我将以前的地质知识制定为数值规则，以减少情景的数量，并使结构解释更加客观。我提出了一种随机数值方法生成多个解释场景。使用从参考模型中提取的综合数据进行的敏感性分析表明，解释规则的选择强烈影响模拟关联。在第二篇论文中，我结合了在解释和构建三维地下模型时断层相关位移的定量描述。提出了一种参数断层算子，根据理论上孤立的正断层模型，将断层周围的结构紧密置换。位移场使用最大位移（dmax）、断层表面上的两个剖面（DX和DZ）和一个第三个剖面表示垂直于断层表面方向的位移衰减。这些参数是通过对可用的结构观测进行数值优化来确定的。该运动断层算子保证了从稀疏数据和/或在多相变形背景下构建的结构模型的运动一致性在两个数据集上测试和讨论了这两种建模方法。第一个包含九条地震线，对断层和断裂的地下室进行成像。 Ifni Margin，摩洛哥近海。这些线的解释由来自附近陆上场模拟的定向测量指导。然而，不确定性仍然存在于观察结果和结构年表的关联上。第二个数据集位于巴西近海的Santos盆地。一个地震立方体在分层沉积序列中显示出正断层。我从这个高质量的地震数据中建立了一个参考结构模型可以在从该已知参考模型提取的合成稀疏数据上测试和讨论运动学和随机方法。V谢谢谢谢谢谢谢谢谢谢谢谢感谢同意来南锡评估这篇论文的评审团成员感谢他们的更正、问题和讨论，特别是帮助我完成了非常感谢我的论文指导Guillaume（教父，老板，厨师），我感谢你这些年来的指导 我不后悔。玛丽，你的指导总是有效和令人愉快的;你《释义》杂志称你为玛丽·福特不是没有原因的还要感谢我的"联合导演"，戈蒂埃和菲菲，他们回答了我的科学问题，感谢每一个同意与我分享一点知识的人。感谢Pierre Thore同意成为我的监督委员会的一员。感谢Chris Jackson对解释文件的帮助和提供桑托斯盆地数据。感谢Yves Géraud和Bastien Walter提供的摩洛哥数据。谢谢你的"我们在现实生活中是如何做到的？""谢谢你的帮助。感谢Helmut Schaeben和Ines Görz对弗赖贝格的热情欢迎。感谢ASGA和联盟赞助商特别感谢Fatima和Sophie每天都在这里，感谢Armelle、Nicole和Elisabeth远程解决问题。我将永远记得环队的气氛。我会想你的。MERCI的年轻人，朋友，团队的朋友玛歌（即将推出R4/R5/R6），乔恩（快速？），本杰明（感谢MERCI也对其他年轻人，波琳（土耳其3），保罗（保罗科学），克里斯汀的好计划和克里斯托弗（问题!）感谢你告诉我你的经历。 感谢那些在我之前的人，特别是Charline，因为他让我处理了与断层相关的结构不确定性。感谢Adrien和Kevin谢谢你下午的马卡龙。谢谢你，马克森斯，谢谢你对一切的讨论，也谢谢你对室友的讨论。谢谢你马文，几乎是室友，在你家和我们家度过了许多夜晚。特别感谢那些有幸（至少是我）重读这份手稿最初版本的人：纪尧姆、玛丽、玛歌、乔恩、皮埃尔（我的父亲）、皮埃尔（彼得）、戈蒂埃、菲菲、米卡、波琳、福斯蒂娜......没有你，我感谢普瓦捷的朋友们（好吧，不是普瓦捷，但你会认出你自己）和南希羽毛球铁路!RING-TEAM，如果我感谢我的父母和家人从几年前我开始学习（甚至更早）以来对我的坚定支持。我一开门就雇你福斯蒂娜，谢谢!我Wi-Fi故障Spoti-faultPicsou非常了解地质学和 它来自Failleur-foxfault矿工不再找到他开采的矿脉上述软件和技术对本论文做出了重大贡献。共轭断层系统[编辑]不当行为的过错材料表简短摘要/简短摘要I摘要三摘要V引言1本论文的框架71断层网络建模：数据、方法和不确定性111.1故障网络的描述和增长131.2断层网对流体211.3断层网络在地理建模241.4结构不确定性对断层网解释的影响1.5通过多情景方法性341.6结论和展望402以地质规则为指导的2.1结构观测的关联问题2.2结构观测关联的形式化图492.3多情景解释方法的建议2.4合成案例插图（巴西Santos702.5与通过进近解释失效基座相关的不确定性研究多情景（摩洛哥伊夫尼边缘2.6结论和观点823解释和结构建模一致性的运动学模型833.1断层运动学建模的最新技术水平3.2与孤立断层94九材料表3.3操作员与观测值同步的数值优化策略3.4结构解释验证申请1083.5结构建模中的运动学控制1123.6将地质历史与序列运动学建模相结合3.7结论和展望124一般结论131A确定地质模型参数化的数值优化135A.1L’optimisation numérique pour l’ajustement de paramètresA.2GNIR141的实施A.3最小代码示例141A.4结论144B互联网浏览器中地质模型的交互式可视化147B.1结构模型网络可视化的动机148B.2实现的描述B.3地质模型网络传播的应用实例B.4结论154参考书目155x简介地下室记录了我们星球历史的一部分它包含许多资源，如采矿、石油、地热或水，这些资源都是由人类开发的底土也是影响人类活动的地质事件（地震、火山爆发）的起源地质学家试图代表地下，以了解地球的过去，预测自然灾害，并指导资源的开发。地下室在很大程度上仍然无法直接观察。从钻井中获得的数据昂贵且分散，而从地面获得的数据（卫星或航空照片、实地工作）需要做出强有力的假设，以便从深度推断观测结果。地球物理采集方法正在不断发展，但只能提供地下结构的间接视图[例如，Thore等人2002年]。除了观测结果的缺乏和模糊之外，潜在底土结构的复杂性和多样性也是地质学家面临的第二个挑战[Krantz等人，2001年]。2014年]。因此，不确定性在地球科学中无处不在[Frodeman，1995]。然而，那些关于地下物体几何形状的研究很少。例如，在2012年伦敦地质学会关于正断层几何和生长的会议的24份摘要中，不确定性一词为了克服这种数据的缺乏，地质学家利用他们的知识来构建尊重观察结果的表示，同时尊重他们对自然的看法。先验知识可以用类似的数据来定义，可以从文献中获得，也可以从地质历史中获得。这种知识，也称为地质规则[例如，Bond，2015]，对地质学家来说是必不可少的，并允许建立有效的解释自然规律[例如。Linde等人2015年，Boult等人。2016年]。选择和使用这些规则就像问解释地质对象意味着什么。Krantz等人（2014）认为，构建一个或多个整合三维可用信息的心理模型的能力是有经验的地质学家的一个重要素质。这种知识对每个地质学家来说都是独特的，对解释过程中的决策有很大的影响;解释过程是高度主观的，可能会受到经验的影响[ Bond et al. 2007年，Krantz等人。2014年]。将这一地质解释过程正式化，以便以更客观和可重复的方式表示底土[ Caumon，2014年，Linde等人，2014年]。2015年]对地质专业知识的正式定义提出了质疑。对于Linde等人[2015]，如果地质模型整合了地质知识（专业知识、露头、数据库......），则认为该模型是现实的。以使用定量方法的规则的形式。在这篇论文中，我试图定义什么简介2观察结果地质学规则地理模型结构模型验证(a) 有效地质模型的确定性构造(b) 代表不确定性的一组有效地质模型的随机构造观察结果结构模型集有效的结构模型图1-确定性和随机建模方法的比较。(a)在确定性建模中，地质观测和规则被用来建立模型。可以选择修改此模型以符合验证规则。(b)在随机建模中，使用地质概念和观测来生成一组模型。无法验证的模型将被拒绝。地质学规则随机模拟器验证简介3虽然 根据Tarantola[2006]，基于观测解释的问题的解决方案此外，正如Caers（2011）所指出的，不确定性无法客观测量或验证。事实上，不确定性的估计（或建模）既是一个科学问题，也是一个哲学问题，它要求我们面对自己的无知，以便寻求知道我们不知道的东西[ Caumon et al. （2004年，Caers，2011年）。然而，对可能的模型进行抽样提供了几个工作假设，并允许研究不确定性对经济利益问题的影响[ Charles等人，2001年]。2001年]。同时处理多个场景可降低锚定到初始误解的风险这些模型还可能在逆方法建模期间处理未使用的数据[ Tarantola，2006，Suzuki等人，2006]。2008年，Seiler等人。2010年，Cherpeau等人。2012年]。因此，在这篇论文中，我对我试图将其表示为一组可能的模式，这些模式是从观察和观察中创建的例如Linde等人提出的先验知识。 [2015]、[2015]和[2017]。 这种策略与确定性观点相反，在确定性观点中，数据被用来建立一个单一的最佳模型（图1.a），被称为随机建模（图1.b）。我断层是强烈变形的表面或狭窄区域[Fossen等人，2001年]。2010年]。这些结构是相关的过去的构造活动和变形，它们是这些活动的标志;例如，Tvedt等人。 [2016]使用相关的同沉积变形为了研究导致这些断层的盐底栖动物的生长历史，我们必须对正常断层进行观测。断层也与重大地震事件有关[例如，Manighetti等人2009年]并影响地下流体的输送[例如Manzocchi等人1999年，福克纳等人。2010年]。由于断层，特别是正断层对应用地质学中这些问题的影响，在构造地质学文献中有广泛的描述[Fossen等人，2001年]。2010年]。在大多数这些出版物中，作者提出了从高质量数据中得出的概念。相反，在我的工作中，我以两个这些断层分别影响了一个沉积盆地（巴西桑托斯盆地）和一个前寒武纪基底（摩洛哥伊夫尼边缘 这两个数据集最初分别用于Tvedt[2016]和Walter[2016]的论文，并在第2.4节和第2.5节中介绍。地质结构，例如断层结构，可以以地质图和剖面图的形式在二维中表示和可视化。简介4失败侵蚀面折叠(a) 3D块图（b）3D表面结构模型图2 -在结构地质学书籍中，底土结构（这里是断层沉积系列）的几何形状通常用（a）块图(b) 结构表面模型提供了地下结构几何形状的另一种表示，特别是在应用地质学中使用。在三维中，有时会使用块体图（图2.a），但地下结构更准确地表示为一组界定地质单元的表面，称为结构模型（图2.b）。地下室的三维数字建模本身并不是一个目标，而是一种构建和可视化解释的手段，并将其与未用于创建解释的数据进行比较。结构模型特别用于支持现象的数值模拟;这些模拟对结构的几何形状和拓扑结构敏感[Caumon等人，2001年]。2009年，Julio等人。（2015年a）。断层结构的数值模型的构建需要多次迭代，通常是手动迭代，以尊重观测结果，同时遵守地质规则[例如，Freeman等人2010年]。一旦建立了模型，就可以根据地质概念测试其有效性[例如，Freeman等人1990年，Dee等人。2005年]。如果模型无效，则会更新模型。建模和验证之间的这些迭代会显著增加构建有效模型所花费的时间（图1.a）。例如 Caumon等人2013a]。这种迭代构建方法因此，在本文中，我试图在模型构建阶段整合地质概念，以限制结构验证的时间这允许在数据稀疏时补偿数据的缺乏（例如，井数据或2D地震线），并且允许简介5本论文用图形将地质规则引导的构造解释形式化当数据稀疏时，由地质学家和结构专家对解释同一断层的结构观测结果进行分组。Freeman等人描述的断层观测关联的不确定性。 [1990]，通常被忽略，只选择一种解释。该不确定度可使用Julio等人的方法进行采样。 [2015b]、Cherpeau和Caumon [2015]、Aydin和Caers [2017]以及Schneeberger等人。 [2017]生成一组断层网络。这些随机方法使用的解释规则的数量在第二章中，我建议使用数理理论和地质学规则来研究由观测组合引起的不确定性。对这种形式的描述、我还提出了一种抽样方法，以产生一组可能的解释情景。所使用的数据结构基于图形，并提供结构模型的元模型，以克服本文介绍了使用高分辨率三维地震数据（巴西桑托斯盆地）构建的参考模型的验证测试，失效结构的运动学建模在稀疏数据结构模型验证和构建中基于稀疏数据的表面结构模型的构建是这是一个漫长的过程，因为结构建模需要与用户进行大量的手动交互，特别是为了确保与断层相关的位移的一致性。在第3章中，我介绍了一个断层运动学算子，它允许模拟和恢复与断层相关的位移。该算子结合了Georgsen等人的置换方法。 [2012]和Laurent等人[ 2013 ]的位移分布参数化。主要贡献是J’utilise cet opérateur pour valider des interprétations structurales (Section 我还讨论了操作员对从稀疏数据构建结构模型的兴趣（3.5节）。这一贡献是一篇被《解释》杂志接受的文章的主题[ Godefroy等人。2017年a]。最后，我展示了该算子如何允许测试与变形时间相关的几种情景（第3.6节和Godefroy等人，2004年）。[2017b]）。简介6与本论文相关的出版物Gabriel GODEFROY ， Guillaume CAUMON ， Mary FORD ， Gautier LAURENT 和Christopher A-L JACKSON：一个参数断层位移模型，用于从稀疏数据中引入运动学控制来模拟断层。解释，6（2）：1-Gabriel GODEFROY，Guillaume CAUMON，Gautier LAURENT和MaryF ORD：使用数值运动学模型对断层相关变形的地震解释。 SEG技术计划扩展摘要。勘探地球物理学家学会，2016年10月，doi：10.1190/segam 2016 -13880830.1。Gabriel GODEFROY，Gautier LAURENT，Guillaume CAUMON和Bastien WALTER：用于年代结构建模的参数无故障和重做方法。在2017年第79届EAGE大会暨展览会上。EAGE，2017b，doi：10.3997/2214-4609.201701146。出版物准备Gabriel GODEFROY，Guillaume CAUMON，Gautier LAURENT和François BONNEAU：利用图理论和地质规则对稀疏断层数据进行结构解释。数学地球科学，正在编写中。与RING会议的沟通Gabriel GODEFROY，François BONNEAU，Guillaume CAUMON和Gautier LAURENT：使用图表理论和地质规则的故障证据随机关联。2017年年度会议，第1-20页。ASGA，2017a.Gabriel GODEFROY，François BONNEAU和Guillaume CAUMON：使用图理论对故障结构进行随机解释。在2016年的RING会议上。ASGA，2016a.Gabriel GODEFROY，Gautier LAURENT，Guillaume CAUMON和MaryF ORD：从稀疏数据中引入更多的运动学建模缺陷。在2016年的RING会议上。ASGA，2016c.Gabriel GODEFROY，Guillaume CAUMON，Mary FORD，Gautier LAURENT：一种基于矢量场形状变形的灵活断层位移建模方法，应用于运动学一致性建模。在第35届Gocad会议- 2015年环会议。ASGA，2015a.Gabriel GODEFROY ， Hugo MICHEL ， Éloi SEIGNEUR ，Arnaud BOTELLA 和 FrançoisBONNEAU：在Web浏览器中可视化地质表面。在第35届Gocad会议- 2015年环会议。ASGA，2015b.7本论文的框架行政和科学本论文在南锡的GeoRessources实验室（图3.a）、洛林大学（图3.b）、CNRS（国家科学研究中心）和CREGU（矿产和能源原材料地质研究中心）的指导下，在地球科学联合研究单位GeoResources是一个地质学研究实验室。它涵盖了地质资源的范围，从勘探和开发到加工和回收阶段。他研究活动在RING 1团队中进行（综合数值地质学研究，图3.c）。 L’équipeL’équipe RING est composée de trois enseignants-chercheurs de l’Université deLorraine,除教师和研究人员外，大多数成员都是ASGA（地质学及其应用科学协会，图3.d）的雇员。该协会（1901年法律）管理着一个主要来自石油部门的大学和公司财团L’un des objectifs de l’ASGA est le soutien à la recherche dans我曾在两次国际会议上作过口头报告[ Godefroy et al. 2016年，2017b]和三个年度会议，向联盟赞助商介绍团队的工作（RING会议）。我还在苏格兰阿伯丁的道达尔研究中心（该财团的赞助商）进行了为期4天的研究。在更本地化的层面上，在本论文中进行的数字开发以软件、插件和库的形式提供给联盟的赞助商。它们的使用记录在编写的教程中和用户。在RING会议期间组织的会议培训课程中，他们尤其受到重视1http://ring.georessources.univ-lorraine.fr/