Математическое моделирование в геологии и разведке полезных ископаемых
Издание:Санкт-Петербургский государственный горный институт, Санкт-Петербург, 2006 г., 223 стр., УДК: 550.8:519.2, ISBN: 5-94211-140-5
В учебнике рассмотрены геологические объекты и их свойства, принципы математического моделирования. Проанализированы одно-, двух- и трехмерные статистические модели, в том числе метод главных компонент, кластерный анализ, распознавание образов. Приведены примеры применения этих моделей к решению геологических задач. Охарактеризованы модели пространственных переменных, в том числе случайные функции, периодическая изменчивость, основы геостатистики, кригинг и их применение в геологии. Дано понятие о базах и банках данных при моделировании месторождений, рассмотрены некоторые приемы обработки банков данных и построения геологических границ на плане и в разрезах. Учебник соответствует стандарту дисциплины и предназначен для студентов геологических специальностей вузов по направлению «Прикладная геология» и для геологов-производственников.
При геологических исследованиях быстрыми темпами накапливается большое количество геологической информации: результаты геологической документации буровых скважин, горных выработок и естественных обнажений, спектральных и химических анализов руд, горных пород и минералов, данные геофизических и геохимических измерений и др. Одно из важнейших направлений научно-технического прогресса в геологии состоит в широком внедрении автоматизированных методов накопления, хранения, обработки и передачи геологической информации с целью повышения эффективности геологических исследований.
Научно-техническая революция в области информатики и вычислительной техники обусловила широкое внедрение в геологическую отрасль компьютеров и современных методов обработки геологической информации. Успешное использование математических методов и компьютеров невозможно без повышения уровня математического образования. Предлагаемый учебник в какой-то мере восполняет этот пробел. Читатель сможет получить представление о принципах и особенностях математического моделирования геологических объектов и явлений, овладеть основными методами математической, преимущественно статистической, обработки геологической информации и научиться применять их для решения геологических задач.
К настоящему времени накоплен большой опыт использования математических методов в геологии. Первые упоминания о применении статистических методов в геологии относятся к началу ХIХ в. Так, Ч.Ляйель в 30-х годах ХIХ в. использовал статистическое соотношение распространенности раковин моллюсков для стратиграфического расчленения разрезов. В начале ХХ в. Д.В.На-ливкин применил статистику для описания изменчивости свойств ископаемых организмов.
В конце XIX – начале XX в. с помощью статистических методов изучали распространение химических элементов в земной коре, что нашло отражение в работах Ф.В.Кларка, В.И.Вернадского, А.Е.Ферсмана, А.П.Виноградова.
В начале ХХ в. С.Ю.Доборжинский, В.И.Бауман и П.К.Соболевский заложили основы горной геометрии для математического моделирования тел полезных ископаемых. В дальнейшем это направление получило развитие в работах П.А.Рыжова, Н.И.Ушакова, З.Д.Низгурецкого, В.А.Букринского и других исследователей.
В первой половине ХХ в. П.Н.Чирвинский, П.Ниггли, Ф.Ю.Левинсон-Лессинг, Г.Розенбуш, А.Н.Заварицкий и другие исследователи на основе статистической обработки минерального и химического состава разработали классификацию магматических горных пород.
Статистика была использована для изучения изменчивости оруденения (В.В.Котульский, Н.К.Разумовский, Л.И.Шаманский, Д.А.Родионов), для решения вопросов опробования (Н.В.Барышев, П.Жи), для обоснования плотности разведочной сети (В.Г.Со-ловьев, Д.А.Зенков, П.Л.Каллистов), для оценки точности подсчета запасов (А.М.Журавский, К.Л.Пожарицкий, Л.И.Шаманский, Д.А.Ка–заковский).
Большое значение имеют работы по изучению простран-ственных переменных на месторождениях полезных ископаемых. Они привели к созданию теории геостатистики, основы которой были заложены Д.П.Криге и Ж.Матероном и получили развитие в тру-дах А.Карлье, М.Давида, В.И.Щеглова и Ю.Е.Капутина.
Применение математических методов при построении структурных и фациальных карт отражено в работах У.Крамбейна, Ф.Грейбилла, Р.Миллера, Д.Кана, Н.Н.Боровко. Статистические методы обработки геологической информации освещены в исследова-ниях И.П.Шарапова, А.Б.Вистелиуса, Д.Н.Родионова, В.В.Бондаренко, Дж.С.Дэвиса и многих других.
При математической обработке геологической информации часто возникает необходимость формализации (однозначного опре-деления) геологических понятий. Большой вклад в эту проблему внесли Ю.А.Воронин и Ю.А.Косыгин.
Д.А.Родионов, Р.И.Коган, В.А.Голубева и другие выпустили краткий справочник по математическим методам в геологии [15]. Имеются учебники А.Б.Каждана, О.И.Гуськова и А.А.Шиманского [8] и внутривузовские учебные пособия по математическим методам в геологии Г.С.Поротова и Ю.Г.Шестакова.
В применении математических методов в геологии можно условно выделить четыре периода. Первый охватывает отрезок времени с начала ХIХ в. до 30-х годов ХХ в. и характеризуется единич-ными работами отдельных исследователей.
Второй период протекал приблизительно в 1930-1965 гг. В это время началось широкое применение статистических и других математических методов в различных областях геологии.
Качественный скачок произошел после 1965 г. в связи с по-явлением ЭВМ. Большие возможности ЭВМ в обработке геологической информации способствовали резкому расширению круга математических методов и решаемых с их помощью задач.
С 1990 г. можно говорить о наступлении четвертого периода, вызванного широким распространением персональных компьютеров, которые стали доступны каждому геологу, позволяя ему оперативно обрабатывать геологическую информацию.
В настоящее время математические методы используют в геологии по следующим основным направлениям:
1) накопление, хранение и систематизация (сортировка, получение выборок и пр.) геологической информации с целью более полного и быстрого ее использования;
2) обработка геологической информации преимущественно на базе методов теории вероятностей и математической статистики для описания, сравнения, классификации геологических объектов и прогнозирования их свойств;
3) математическое моделирование геологических объектов и явлений для решения научных и прикладных задач;
4) автоматизация технологических операций, распространенных в геологии и горном деле, таких как построение геологических карт и разрезов, подсчет запасов и ресурсов, проектирование разведочных и эксплуатационных работ и др.
Разделы в учебнике расположены в порядке возрастания сложности, при этом особое внимание автор обращал на четкость и доступность изложения. При подготовке книги был учтен многолетний опыт преподавания дисциплины «Математические методы в геологии» студентам геологической специальности в Санкт-Петербургском государственном горном институте.
Учебник соответствует стандарту дисциплины «Математические методы моделирования в геологии» и использует опыт практических геологических работ. Для лучшего понимания математических операций в каждом разделе приведены подробные примеры вычислений.
Автор выражает благодарность проф. И.В.Булдакову, проф. В.И.Щеглову и доц. И.К.Котовой, которые своими замечаниями способствовали улучшению качества учебника.
Изложены основы геолого-математического моделирования состава, строения и других свойств горных пород и полезных ископаемых в недрах применительно к решению важнейших геологических задач. Рассмотрены сущность и условия применения одномерных, двумерных и многомерных статистических моделей, методы математического описания пространственных геологических закономерностей, факторы, определяющие выбор и эффективность использования математических ме-тодов в геологии, с учетом возможностей ЭВМ. Большое внимание уделено использованию ЭВМ для моделирования геологических процессов эффективности применения ЭВМ в различных областях геологии. Для студентов геологических специальностей вузов
Многолетняя практика преподавания курса методики поисков и разведки для студентов специальности «геология и разведка месторождений руд редких и радиоактивных металлов» показала целесообразность изучения не только специальных, но и общих вопросов методики разведки опробования и подсчета запасов на примерах месторождений редких и радиоактивных металлов. Этому способствует также исключительное разнообразие их генетических и промышленных типов, сформировавшихся в самых различных геологических условиях. Поэтому, уже начиная с 1953 г., в учебных планах и программах для студентов упомянутой специальности в бывшем Московском институте цветных металлов и золота им. М. И. Калинина общий курс методики поисков и разведки и дополнительный специальный курс были объединены в единый курс «Методика поисков и разведки месторождений», в котором изучение общих методических вопросов проводилось на примерах месторождений руд редких и радиоактивных металлов.
Уран-молибденовая рудная формация имеет важное промышленное значение как источник уранового сырья. В книге впервые всесторонне рассматриваются условия образования гидротермальных урановых месторождении этой формации. Большое внимание уделяется особенностям строения рудоносных территорий, геологической структуре рудных полей и месторождений, связи ору-денения с магматическими образованиями, а также особенностям минералогии и парагепезисов. промышленных руд. Кроме того, значительное место отведено гидротермально-метаморфизован-ным породам и околорудным изменениям, связанным с образованием рудных тел. На основании приведенных материалов рассматриваются структурно-геологические и физико-химические условия формирования месторождений уран-молибденовой рудной формации.
В книге использованы материалы, полученные авторами в результате многолетних исследований, а также работы, опубликованные советскими и иностранными учеными.
Книга рассчитана на широкий круг геологов, работающих в области геологии атомного сырья, научных работников и студентов геологических вузов.
В книге отражено современное состояние теории разведки месторождений полезных ископаемых с учетом возрастающих требований горной практики к количественным характеристикам изменчивости оруденения, степени разведанности запасов и т. д. Особое внимание уделено технико-экономическим предпосылкам теории разведки и методам геолого-математического моделирования месторождений. Рассмотрены теоретические основы опробования и методы определения влияния геометрии проб и разведочной сети на наблюдаемые характеристики изменчивости изучаемых свойств.
Книга рассчитана на геологов производственных организаций, отраслевых научно-исследовательских и проектных институтов. Она представляет интерес также для студентов и преподавателей геологоразведочных вузов и факультетов.
Уран является самым тяжелым из природных химических элементов. Геохимия его определяется положением в периодической системе Д. И. Менделеева и зависит от строения ядра атома и его внешних электронных оболочек. Уран обладает переменной валентностью и встречается в природе в шести- и в четырехвалентном состоянии. Установлены три формы нахождения урана в горных породах: в виде самостоятельных минералов, изоморфных примесей и в рассеянном состоянии. Форма нахождения определяется характером эндогенного процесса минералообразования. Как литофильный элемент уран образует только кислородные соединения. Известно около 200 различных урановых минералов, но промышленное значение имеют немногие.
Выделяются девять важнейших промышленных типов урановых месторождений. Каждый из них характеризуется определенным положением в регионально-геологической структуре, составом вмещающих пород, тектоникой, связью с магматизмом и закономерностями пространственного размещения оруденения.
Геологическими основами поисков урановых месторождений являются их региональные и местные поисковые критерии, поисковые признаки и природные условия районов поисковых работ.
В книге изложены методологические основы разведки месторождений полезных ископаемых, практические приемы производства геологоразведочных работ и основы геолого-экономической оценки разведанных месторождений.
Большое внимание уделено научным основам разведки, методологии изучения неоднородности природных минеральных образований и наблюдаемой изменчивости их свойств. В качестве основного метода познания рассматриваются различные методы моделирования месторождений и важнейших свойств полезных ископаемых в недрах. Особое место отводится теоретическим основам опробования и идее трансформации представлений об объекте разведки под влиянием кондиций горной технологии. Рассматриваются технические средства разведки, методы опробования и изучения месторождений, практические приемы оптимизации условий геологоразведочных работ, вопросы их проектирования и организации.
С учетом современных требований народного хозяйства рассмотрены вопросы обоснования кондиций, подсчета запасов и оценки эффективности использования месторождений в народном хозяйстве. Описаны особенности проведения разведок на различных стадиях изучения недр, особенности разведок месторождений в зависимости от их морфогенетических типов и видов минерального сырья
Рассмотрены принципы, цели и задачи геолого-экономической оценки месторождений полезных ископаемых. Показана взаимосвязь геологической и экономической оценок. Даны требования к изученности месторождений и последовательности проведения геолого-разведочных работ.
Особое внимание уделено денежной оценке месторождений, дифференциальному горному доходу и цене разведанных запасов. Изложены вопросы оценки геологических запасов полезных ископаемых и обоснования кондиций для их подсчета. Рассмотрено содержание геолого-экономической оценки на рахных стадиях геологоразведочных работ.
Для геологов, горняков и других специалистов, занимающихся поисками, разведкой и оценкой месторождений полезных ископаемых
В книге рассматриваются основы геолого-математического моделирования строения и свойств природных минеральных образований применительно к решению различных геологических задач. Излагаются принципы и методы геолого-математического моделирования как одного из методов познания недр. Описываются сущность и условия применения одномерных, двумерных и многомерных статистических моделей, горно-геометрические методы моделирования и модели типа случайных функций. Приводятся примеры использования этих моделей при различных геологических, минералого-петрографических исследованиях в процессе изучения геологии и разведки месторождений полезных ископаемых. Книга является учебным пособием для студентов геологических специальностей вузов. Она может быть полезна и для широкого круга специалистов по геологии и разведке месторождений полезных ископаемых.
Рассмотрено опробование полезных ископаемых и дана геолого-экономическая оценка объектов геологоразведочных работ. Обоснована необходимость системного подхода к изучению недр, прогнозированию и оценке перспективности изучаемых объектов. Описаны технические средства геологоразведочных работ; рассмотрены требования промышленности к полезным ископаемым; изложены методологические подходы к оценке прогнозных и разведанных запасов. Для студентов геологических специальностей вузов.
Изложены основные вопросы производства геологоразведочных работ. Описаны современные методы поисков полезных ископаемых, условия их применения с учетом природных особенностей района поисков. Рассмотрены вопросы оптимизации геологоразведочных работ с использованием геолого-математического моделирования и ЭВМ, а также приемы сбора и обобщения данных. Особое внимание уделено специфике проведения геологоразведочных работ на разных стадиях, особенно поисков и разведки месторождений различных типов полезных ископаемых.
Дисциплина: «Основы компьютерных технологий решения геологических задач»
Лекция_1
Предмет дисциплины и связь ее с другими науками. Роль компьютерных технологий в решении задач прикладной геологии
По мере совершенствования вычислительной техники и появления компьютеров на рабочих местах геологов, геофизиков и разработчиков, в нефтяной индустрии сформировалось новое прикладное направление – геологическое моделирование.
Сегодня все эти специалисты используют цифровые геологические модели – численные представления геологических объектов (осадочных бассейнов, месторождений, природных резервуаров) на сетках в пространстве 3Д.
В связи с расширением возможностей современных физико-химических методов, а также бурным развитием электронно-вычислительной техники, наблюдается широкое проникновение математических методов во все отрасли естественных наук, в том числе и в геологии.
Необходимость применения математических методов при обработке и обобщении геологических данных все острее ощущается и в таких дисциплинах, как палеонтология, стратиграфия, структурная геология, литология, петрография, и др., которые считались чисто описательными. Из года в год поток количественной информации возрастает, а визуальные методы анализа и обобщения эмпирических данных не обеспечивают извлечения из него всей возможной полезной информации, что снижает эффективность проведения геологоразведочных работ. Но это оружие будет эффективным лишь в том случае, если теоретическими основами математического моделирования геологических процессов и объектов овладеют широкие массы геологов.
Особенности использования математических методов в геологии и разведке.
Широкое внедрение математических методов в геологическую науку и практику сопряжено с рядом объективных трудностей. Геология принадлежит к описательным наукам. Экспериментальной основой в геологии являются полевые наблюдения и результаты их камеральной обработки, по данным которых строятся гипотезы и делаются теоретические обобщения. Геолог, как правило, лишен возможности проверять свои теоретические построения путем проведения эксперимента. Поэтому основные выводы опираются на представлениях о генезисе изучаемых явлений и основываются на интуиции геологов.
Система научных понятий в геологии и в математике не соответствуют друг другу. В математике они однозначны, логически совершенны и предельно лаконичны. В геологии же основная масса понятия неоднозначны и многоплановы. Каждый геолог определяет и описывает геологические явления с позиции собственного подхода к пониманию явления или предмета, вследствие чего описания лишены однозначности, отличаются сложностью и многоплановостью. Нетрудно заметить, что петрографические классификации горных пород не удовлетворяют требованиям математической логики, т.к. в основу ее положен комплекс различных признаков, которые сочетаются в сложной последовательности и взаимоотношениях. Геологи считают возможным использовать и используют математические методы для обработки и обобщения экспериментальных данных, причем формализации подвергается не вся геологическая наука, а только объект наблюдения. Такой процесс рассматривается как геолого-математическое моделирование, при выполнении которого гарантируется соответствие геологических и математических моделей.
Принципы и методы геолого-математического моделирования.
Моделирование как средство познания закономерностей широко используется в различных областях науки и техники. Понятие модели в настоящее врем, весьма обширны. Различают:
1. Физическое моделирование – процессы, происходящие в земной коре, используются в экспериментальной геотектонике, петрографии, геохимии и др.
2. Графическое – используется в геологии и в горно-маркшейдерском деле (карты, планы, графики). Модели в изолиниях признают – отражают морфологические свойства и внутреннее строение изучаемых объектов.
3. Математические модели – используются при изучении свойств, морфологии и строении геологических образований. Природные геологические системы не поддаются безупречному количественному описанию, вследствие чего строгое понятие закона заменяется при их изучении более широкие, хотя и расплывчатым понятием модели.
В отличие от закона, модель обеспечивает лишь приближенное представление о строении объекта. Любая модель позволяет судить не о всех, а только о тех свойствах системы, для осуществления которых осуществлялось моделирование.
Объектами моделирования могут быть отдельные участки земной коры, а также различные свойства природных геологических образований – пород, минералов, полезных ископаемых. В процессе моделирования познаются те свойства, знания которых необходимо для решения научных и практических задач.
Моделированию могут быть подвергнуты и процессы, происходящие в земной коре (условия формирования минералов, пород)
В качестве математических моделей используются символы и формулы, описывающие количественные взаимосвязи и закономерности распределения изучаемых геологических признаков.
Природные геологические объекты обладают рядом специфических особенностей, которые определяют методику их изучения:
1.Горные породы и содержащиеся в них полезные ископаемые скрыты в недрах и недоступны для непосредственного наблюдения;
2.Размеры изучаемых объектов несоизмеримо больше, чем размеры естественных или искусственных объектов, по которым производится их изучение;
3.Изучаемые объекты – обладают сложным внутренним строением.
Например:
Для изучения горных пород и полезных ископаемых, скрытых в недрах, следует применять сеть естественных и искусственных обнаружений. В качестве искусственных обнаружений используются разведочные горные выработки и скважины, по которым производятся геологические наблюдения, отбираются образцы и пробы для изучения свойств изучаемых объектов, положенных в основу геологических исследований.
Поэтому исходные данные имеют случайный характер.
Перечисленные особенности определяют основные принципы математического моделирования природных геологических образований и их свойств, которые сводятся к следующему:
Математическое описание свойств природных геологических объектов должно производится на основе системного подхода к оценке особенностей их внутреннего строения, для этого внутреннее строение объектов рассматривается как система, определяющаяся совокупностью множества условно однородных структурных единиц, которые выступают на данном уровне строения как элементы неоднородности. Не соответствие между размерами обнаружений и самих природных скоплений не дает возможности получить однозначного ответа, ведь фактические данные между пунктами наблюдений практически не могут быть получены.
1.В целом обобщенное суждение о структуре объекта производится на основании усредненных характеристик, вычисленных по группам пространственно-сближенных единичных наблюдений и моделировании характера изменчивости параметров объекта.
2. Природная сложность и недоступность геологических объектов, несовместимость их размеров с размерами отбираемых проб, ограниченность экспериментальных данных и прерывность сети наблюдений, и в конечном итоге эти данные представляют собой совокупность случайных величин, из-за чего большинство математических моделей в геологии строятся на вероятностной основе.
3. Выбор наиболее приемлемой математической модели определяется условием соответствия ее свойств свойством объекта моделирования.
Но поскольку полнота представлений о свойствах геологических объектов зависит от их природной сложности и детальности проведенных наблюдений, правильнее говорить о соответствии математической модели тому представлению геологов, которое вырабатывалось у них к моменту моделирования.
Практически это означает, что математические модели свойств геологических образований разрабатываются на базе типовых геологических моделей природных объектов и называются геолого-математическими.
Специфическая особенность геолого-математического моделирования – моделируются не истинные геологические структуры и свойства природных объектов, а изменчивость этих свойств. Характер этой наблюдаемой изменчивости зависит от природы явления, а также от методики и детальности проведенных геологических исследований.
Существуют одномерные, двухмерные и многомерные статистические модели.
Читайте также:
Рекомендуемые страницы:
©2015-2021 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2019-05-16
Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных