Фаціальний закон головки

Фаціальний закон головки

Зокрема, аксіома повністю відповідає фаціальному закону головки і випливають з нього наслідків про закономірності у просторово-часової мінливості геологічних параметрів, про залежності параметра, виміряного в деякій точці області седиментації, від положення точки по відношенню до галузі харчування. Фаціальний закон принципово вірно відображає результати функціонування природної системи. Її можна умовно відокремити в геологічному просторі як область седиментації і процесів литогенеза, в якій здійснюється взаємодія між компонентами, обумовлене набором фізичних полів. В результаті взаємодії формуються гірські породи, підземні води, гази. Однак фаціальний закон говорить лише про просторові відносинах монопородных геологічних тіл (фацій). На його підставі можна встановити тенденції в структурі розрізу гірських порід, зміну їх складу, що явно недостатньо для вивчення просторово-часової мінливості геологічних параметрів і виявлення їх закономірностей.

З першої аксіоми випливають три слідства: геологічний процес, що включає процеси литогенеза, не є повністю детермінованим, але завжди ускладнений випадковою компонентою. Геологічні композиції у загальному випадку являють собою поєднання детермінованої та випадкової компонент, які із-за складності їх структури можна описати в цілому за допомогою розподілу ймовірностей на широкому ансамбль реалізацій. Неможливо точно відтворити поле геологічного параметра, як би точно ні була виміряна детальна структура поля.

Початкова частина першого слідства містить вказівку на детермінований характер геологічного процесу. Детермінованість випливає із закону, який виходить з наявності «пам'яті» геологічного процесу, визначальною не випадковий в цілому характер зміни геологічного параметра та його марківські властивості.

Елементи теорії просторово-часової мінливості геологічних параметрів. Аксіоми та наслідки.

В геологічних взаємодіях беруть участь в них тіла обмінюються іонами, хімічними сполуками, зважених у воді і в повітрі терригенным матеріалом, уламками порід різного розміру, великими обсягами літосфери. Фізичні поля, що зумовлюють неотектонические процеси, процеси минералообразования і формування вивержених гірських порід, є геологічними полями відповідних процесів. Сукупність геологічних полів умовно можна позначити терміном «поле геологічного процесу». На основі уявлень про поле геологічного процесу стосовно до завдань інженерної геології першу аксіому теорії мінливості можна записати в такому вигляді: геологічна середовище, її речовина, структура і властивості є продукт функціонування природної системи, що проявляється у геологічних взаємодії її компонентів, зумовлених полем геологічного процесу.

Поля геологічних параметрів, їх характеристики і структура, в тому числі і статистична, успадковують і в тій чи іншій мірі відображають риси фізичних полів природної системи, що продукує літосферу і визначає її еволюцію (розвиток) в ході литогенеза, геотектонічних та інших геологічних процесів. Іншими словами, поля геологічних параметрів, їх структура і характеристики успадковують і в тій чи іншій мірі відображають риси поля геологічного процесу.

У розгорнутому вигляді другу аксіому можна записати так: поля геологічних параметрів, їх характеристики і структура успадковують і в тій чи іншій мірі відображають структуру гравітаційного, магнітного, геоелектричних, гідро - і аеродинамічних, температурних, концентраційних, біохімічних, напруг та інших полів, що зумовили процеси-компоненти геологічного процесу, в широкому сенсі, розуміється як процес геологічного розвитку. Аксіома узгоджується з загальноприйнятими уявленнями про формування підземних вод та гірських порід, а також доданків ними геологічних тіл у ході геологічного розвитку.

Монопородные геологічні тіла (фації).

Відповідно до фаціальний законом монопородные геологічні тіла (фації), їх мінеральний і гранулометричний склад та інші властивості змінюються в просторі і в часі в певній послідовності, яка залежить від ряду факторів. До них належать клімат, органічний світ, геотектонічний режим осадконакопичення, прояви вулканізму, рельєф, геохімічні умови середовища вивітрювання, осадконакопичення, діагенезу, властивості осаждаемого речовини, тектонічна життя Землі. Позначимо випливає з закону детерміновану компоненту геологічного параметра. Вона перманентно змінюється від точки до точки геологічного простору і часу і має марковскими властивості: її величина залежить від результатів вимірювання геологічного параметра в сусідніх точках геологічного простору і в послідовні моменти часу.

Геологічні композиції являють собою, в повній відповідності з другим наслідком, поєднання детермінованої та випадкової компонент і є випадковими полями геологічних параметрів. Це положення спирається на дуже великий обсяг експериментальних даних, які свідчать про те, що, в межах квазиоднородной по досліджуваного геологічного параметру галузі геологічного простору емпіричні розподіли значень геологічного параметри близькі до нормального або логарифмічно нормального законів розподілу.

При усередненні експериментальних даних вимірювання будь-якого геологічного параметра по одному аргументу, отримують в залежності від прийнятого методу вимірювання випадкову функцію (процес) або послідовність (вимірювання в дискретних точках).

При усередненні даних вимірювання геологічного параметра по простору і часу або тільки по простору отримують випадкове поле.

Випадкові поля геологічних параметрів, якщо прийняти деякі припущення, про які буде сказано далі, можна розглядати у тому сенсі, як це розуміється в галузі математики, теорії випадкових нулів.

У статистичній аеро - і гідромеханіці, теорії автоматичного управління і в інших галузях науки і техніки розглядають багатовимірні випадкові поля. В геологічній практиці часто обмежуються розглядом двох - або тривимірного поля геологічного параметра. Такі поля досліджують при вирішенні завдань регіонального характеру, при методичних проработках питань інженерно-геологічних вишукувань (обсяг і розміщення пунктів отримання інформації), при інженерно-геологічному прогнозуванні. Для вирішення деяких завдань потрібно оперувати динамічним полем геологічного параметра найвищої розмірності. Подібні поля знадобляться для розробки загального регіонального інженерно-геологічного прогнозу в рамках проблеми раціонального використання і охорони природного середовища. Кілька слів про допущень, прийнятих в ході операцій з полями геологічних параметрів. Якщо підходити до полів з суворих позицій класичної теорії ймовірностей, то вони повинні бути такими, щоб допускати можливість багаторазового повторення випробувань. При цьому результат будь-якого окремого випробування не повинен залежати від попереднього. Під випробуванням, стосовно отримання характеристик поля геологічного параметра, розуміють процедуру отримання оцінок параметра у всіх вибраних безперервних або дискретних точках геологічного простору досліджуваного геологічного тіла, розміщених по його об'єму або за деякими перерізів. Іншими словами, випробування - це процедура отримання однією реалізації поля геологічного параметра. Оптимальною слід вважати таку процедуру вимірювання геологічного параметра, яка забезпечує отримання його незалежних і равноточных оцінок по всіх вибраних для вимірювання точок геологічного простору. Треба зауважити, що умови про багаторазове повторення випробувань та незалежності результатів випробувань стосовно геологічними параметрами і їх полів не виконуються повністю з наступних причин. Будь-яке вимірювання геологічного параметра в деяких точках, розміщених за обсягом досліджуваного геологічного тіла або за його перерізу, є наближеним.

Кінцева геологічна композиція.

Реалізація передбачає, що кінцева геологічна композиція виміряна на просторі геологічного тіла. В результаті одиничного вимірювання отримують не істинне значення геологічного параметра в точці виміру, а його оцінку, що включає, як показано вище, і A"R. Сукупність оцінок геологічного параметра являє собою наближення до реалізації. Усереднення декількох реалізацій дає оцінку реалізації.

У світлі викладеного очевидно, що суворе виконання умови щодо можливості багаторазового проведення випробувань, неможливо. Аналогічно йде справа і з виконанням другого умови незалежності будь реалізації нуля геологічного параметра від результатів попереднього і наступного випробувань. Наявність у складі геологічного параметра, а отже, у структурі реалізації детермінованої складової не дає права говорити про повну випадковості реалізації. Так, дві реалізації поля геологічного параметра, отримані для його паралельних перерізів, будуть тим менше відрізнятися один від одного, чим менше відстань між перерізами. Пояснення цьому легко знайти, якщо виходити з першої аксіоми. Механізм будь-якого геологічного процесу (включаючи і процеси литогенеза) визначає набір, інтенсивність, просторову структуру і часовий режим взаємодій. Всі риси взаємодій визначаються структурою фізичних полів. Ясно, що реалізації деякого поля геологічного параметра при рівних умовах вимірювання істотно залежать від простору - часу, і подібність між реалізаціями залежить від кроку дискретизації геологічного простору або періоду часу між вимірюваннями.

Реалізації полів геологічних параметрів можна вважати незалежним, якщо вони отримані з урахуванням певних правил.

Таким чином, для того щоб розглядати поля геологічних параметрів як випадкові і використовувати математичний апарат теорії випадкових полів, необхідно: прийняти допущення про те, що отримуються в ході вимірювань величини геологічних параметрів представляють собою справжні значення, вільні від похибок, а сукупність даних вимірювань можна розглядати як реалізацію поля геологічного параметра. Використовувати таку процедуру вимірювань, яка дає можливість отримувати незалежні значення геологічних параметрів у сусідніх пунктах і незалежні реалізації.

Третій наслідок - про неможливість точного відтворення реалізації - виходить з того, що об'єктивно існує поле показника, яке в кожній з точок досліджуваного геологічного тіла володіє істинним значенням геологічного параметра. Воно являє собою математичне сподівання всіх його оцінок в точці при нескінченному повторенні дослідів. Передбачається, що математичне очікування геологічного параметра в будь-якій точці постійно і не змінюється в процесі проведення вимірювань. Раніше зазначено, що кожне випробування дає своє наближення до реалізації поля геологічного параметра. Відмінності між результатами випробувань пояснюються неможливістю точного відтворення всіх умов попереднього випробування, зокрема тим, що в більшості випадків неможливо виміряти геологічний параметр в одних і тих же точках досліджуваного геологічного тіла.

Для використання апарату математичної статистики і теорії випадкових функцій і полів необхідно розташовувати оцінками геологічного параметра, що не залежать від результатів його вимірювання в сусідніх точках. Це дозволяє оперувати вибірками випадкових величин, випадковими послідовностями і геологічними композиціями, що володіють немарковскими властивостями. Немарковської називають таку випадкову функцію, ймовірнісні властивості якої повністю визначаються її ординатою при даному значенні аргументу.

Радіус кореляції.

Для отримання незалежних оцінок геологічного параметра пункти отримання інформації про нього (точки вимірювання) слід розташовувати на відстані, не меншій радіусу кореляції. Під радіусом кореляції розуміють мінімальну відстань між перерізами випадкової функції (випадкової послідовності), на якому зв'язок між перерізами відсутня, а коефіцієнт кореляції дорівнює нулю. отримують за графіком автокореляційної функції. Радіусу кореляції відповідає відрізок осі абсцис між її початком і точкою, в якій графік вперше досягає нульового значення. Автокореляційна функція є міра зв'язку значень геологічного параметра на різних відстанях (в різних напрямках, характеристика їх відносин), тому вона розглядається в якості статистичної структури випадкової функції або випадкового поля. Умова отримання незалежних результатів вимірювання геологічного параметра можна представити у вигляді нерівності.

Дотримання умови при випробуванні забезпечує отримання не пов'язаних між собою, незалежних результатів випробувань.

У відповідності з другим наслідком теорії мінливості запишемо загальний вираз поля геологічного параметра у вигляді

Лінійна функція, або функція другого порядку, є регіонально-коррелированной складової, нерідко званої трендом. Кожна компонента поля має геологічний сенс. Регіонально-корельована відображає найголовніші риси процесів, транспортування з седиментогенезу осадових порід або риси процесів диференціації речовини і послідовної кристалізації мінералів, що призводять до формування певних мінеральних асоціацій. Спектр квазіперіодичних складових поля геологічного параметра є прояв послідовності у структурі поля чорт природних процесів-компонентів геологічного параметра, що мають істотно періодичний характер.

Концепція поля геологічного параметра.

Квазіперіодична компонента першого порядку може бути наслідком неоднорідності умов процесу транспортування терригенного матеріалу, обумовленої більш або менш регулярним розчленованістю рельєфу. Наприклад, у функції змісту пылеватой фракції лесових порід Одеської області у напрямку з півночі на південь виявляється значуща періодична компонента, що збігається з частотою яружно-балковою мережею. Слід зауважити, що у більшості процесів, іноді не цілком явно, проявляється періодичність. Навіть при седиментації матеріалу в умовах однорідного водного (повітряного) потоку, як показано в гідродинаміці, формуються поперечні періодичні хвилі.

Випадкова компонента поля геологічного параметра з'являється при взаємодії в різних точках геологічного простору фізичних полів. Наприклад, поле гранулометричного складу порід аллювиального походження є результат взаємодії поля гравітації і гідродинамічного поля. Їх відносини обумовлюють фракційний склад осаду. При цьому взаємодія фізичних полів, що визначають процес седиментації, із-за неоднорідності, головним чином умов водного потоку, що формує відповідну неоднорідну структуру гідродинамічного поля, в різних точках області седиментації виявляється різним. У гранулометрическом складі з'являється випадкова компонента, величина якої визначається процесом формування гірської породи. Тому можна стверджувати, що випадкова компонента поля первинних складу і властивостей порід відображає генетичні особливості геологічного тіла.

Поле геологічного параметра можна представити у табличній, графічній і аналітичній формах. Записавши координати і відповідні їм значення геологічного параметра, отримаємо таблицю. Двовимірне поле можна представити в матричній формі.

Подання поля у вигляді математичного виразу.

Найбільш звичним для геолога є, мабуть, графічний спосіб: типовим прикладом є карти геологічного параметра в ізолініях, які можна будувати вручну або на ЕОМ (способи отримання математичних моделей полів геологічних параметрів на ЕОМ розглядаються нижче). Найбільш економічним способом опису поля слід вважати подання поля у вигляді математичного виразу. Воно являє структуру поля змісту пылеватой фракції в покривних суглинках Калінінської області.

Будь-геологічне тіло має складну будову, яка відображається в рисах полів складу та показників властивостей складових його гірських порід. Наприклад, у полях вмісту глинистих частинок і числа пластичності знайдуть відображення лінзи в глинистих породах. У них з'являться аномалії, області мінімальних значень геологічного параметра, просторово збігаються з ділянками підвищеного вмісту піщаних частинок і мають однакову з ними конфігурацію. Вивчення будови (структури) полів різних геологічних параметрів одного геологічного тіла та їх порівняльний аналіз корисні в декількох відносинах. Перш за все, для розробки просторового кількісного прогнозу геологічного параметра та вирішення великого класу обернених задач. Останні полягають у відновленні по структурі поля геологічного параметра механізму, інтенсивності та просторової структури процесів, що зумовили формування геологічного тіла, його речовини і властивостей. Дослідження структури поля геологічного параметра корисно і для обґрунтування методики інженерно-геологічних робіт (обсяг і просторове розміщення пунктів отримання інформації, встановлення граничних умов використання моделі випадкової величини, математичне моделювання, підрахунок статистик тощо).

Під структурою поля геологічного параметра розуміють відносини елементів геокомпозиции.

Інакше кажучи, це - її будову, яка визначається відношенням елементів, що мають різні за величиною і знаку відхилення від регіонального фону. Так як відносини елементів описують функції математичного очікування поля і середнього квадратичного відхилення, то обидві ці функції становлять структуру поля геологічного параметра при його аналітичному вираженні. Поле геологічного параметра має марковскими властивостями, що випливають з інформаційних властивостей («пам'яті») геологічного процесу. Внаслідок цього поля властива ще одна, дуже важлива, так би мовити, внутрішня структура - статистична. Її представляє автокореляційна функція поля, яка описує кореляційну зв'язок між його елементами, розташованими на різних відстанях в різних напрямках. Ця функція в загальному випадку в різних напрямках буде різною. Відмінності, зокрема, проявляються в радіусах кореляції. Таким чином, під структурою поля геологічного параметра розуміють будова і вигляд функції математичного очікування, функції середнього квадратичного відхилення, автокореляційної функції. Як зазначено, автокореляційна функція, що описує взаємозв'язок між оцінками геологічного параметра в різних точках геологічного простору, являє собою статистичну структуру поля. Про структуру поля геологічного параметра можна судити по його математичної моделі, представленої в графічній формі у вигляді тренд-поверхні. Структура поля в цьому випадку визначається відношенням елементів, що мають різні альтитуды, конфігурацію, площа та просторову орієнтацію. Структурні елементи поля представлені аномаліями, областями максимумів і мінімумів геологічного параметра на тренд-поверхні. В залежності від природи поля геологічного параметра воно може бути однорідною або неоднорідною. Для однорідного поля функції математичного сподівання і середнього квадратичного відхилення постійні, а автокореляційна функція залежить тільки від кроку дискретизації, від різниці векторів.

Однорідне поле.

У неоднорідному полі функції математичного сподівання і середнього квадратичного відхилення непостійні. Автокореляційна функція залежить від кроку дискретизації та вибору точки початку координат. Встановлення однорідності (неоднорідності) поля геологічного параметра вимагає дослідження його структур, у тому числі статистичної.

Однорідне поле, на відміну від неоднорідного, має постійний регіональний фон, тому для встановлення однорідності поля геологічного параметра нерідко достатньо дослідити функцію математичного очікування. Якщо вона постійна, то поле в першому наближенні можна вважати однорідним. Практично однорідні поля геологічних параметрів властиві морських глибоководних відкладів, формується під впливом комплексу більш або менш однорідних за своєю просторовою структурою фізичних, фізико-хімічних і біохімічних полів.

Графічна модель однорідного поля геологічного параметра являє собою горизонтальну площину (математичне очікування постійно), ускладнену порівняно невеликими за площею, рівномірно розміщеними по простору поля і чергуються областями максимумів і мінімумів геологічного параметра.

Позитивні і негативні аномалії мають приблизно однакову відхилення від регіонального фону (альтитуду). Неоднорідне поле характеризує яскраво виражена регіонально-корельована складова (тренд), його математичне сподівання непостійне. Наприклад, поле природної вологості лесових порід західної частини Північного Кавказу виявляє зростаючий тренд в північно-західному напрямку. Реальні поля геологічних параметрів у переважній більшості випадків неоднорідні. В їх структурі відображені просторово неоднорідні процеси литогенеза. Внаслідок цього аналіз структури поля геологічного параметра дає можливість не тільки виявити закономірності його просторової мінливості, але і дослідити процеси формування геологічного тіла.

Перетин поля геологічного параметра.

При вирішенні багатьох геологічних питань можна досліджувати не все поле, а його перетин. Перетин поля геологічного параметра в загальному випадку являє собою поле того ж параметра, поставлене у відповідність горизонтальній або вертикальній площині (лінії), січної це поле. Розмірність поля в перерізі, принаймні, на одиницю менше розмірності тривимірного квазистатического поля.

Горизонтальне або вертикальне перетин тривимірного квазистатического поля площиною є двомірне квазістатичне полі відповідно. Перетин поля лінією дає одномірне полі або випадкову функцію геологічного параметра. Так, при аналізі даних про зміну певного геологічного параметра з глибиною (по свердловині оголення) мають справу з одновимірним полем і оперують випадковою функцією. Аналіз перерізу поля вимагає менше інформації. Порівняльна оцінка декількох перерізів дозволяє простежити зміну структури поля в потрібному напрямку. Якщо поле параметра однорідно, то не має значення, в якому напрямку проводити його вертикальне перетин. У неоднорідному полі геологічного параметра характеристики його перетину вертикальною площиною будуть залежати від напрямку перерізу. Перерізу слід орієнтувати так, щоб вони відбили всі елементи структури поля, які представляються істотними для вирішення поставленого завдання. Це досягається орієнтуванням перерізів по головним напрямкам. Під головними напрямками мінливості розуміють напрям дії головного породообразующего процесу і перпендикулярний до нього напрямок. Перерізу поля геологічного параметра, орієнтовані по головним напрямкам, називаються першим і другим головними перерізами. Головні напрямки мінливості (і головні перерізу поля) мають геологічний сенс. При вивченні полів складу чи властивостей порід еолового походження напрямок, відповідає пануючого напрямку повітряного потоку в еоловому процесі.

Вивчення характеру мінливості параметра.

Отже, аналіз першого головного перерізу поля змісту якої-небудь фракції гранулометричного складу за напрямом транспортування терригенного матеріалу дозволяє простежити тенденції в мінливості гранулометричного складу і виявити істотні елементи його структури поля. Вивчення характеру мінливості параметра по другому головному перетину його поля дає можливість одержати характеристики анизотропности поля по головним напрямкам, виділити квазиоднородные з геологічного параметру області поля і вирішити інші завдання. Крім головних, часто вивчають одновимірні та двовимірні перерізи поля. Це обумовлено специфікою методів отримання інформації про геологічні параметри (вимірювання в свердловинах, відслоненнях і вертикальних виробках, відбір зразків по глибині, визначення параметрів геофізичними методами і т. д.). Аналіз головних перерізів поля вимагає знання характеристик мінливості по глибині, оскільки головні перерізу відповідають площинам. При характеристиці одновимірного перерізу поля, або, що те ж саме, випадкової функції геологічного параметра, його просторовий режим позначають термінами «стаціонарний» або «нестаціонарний».

Стаціонарний режим мінливості геологічного параметра відповідає стаціонарного в широкому сенсі випадкової функції, нестаціонарний - нестаціонарної випадкової функції. Просторовий режим мінливості повністю визначається напрямком перерізу поля геологічного параметра. Так, режим мінливості параметра в першому головному перерізі неоднорідного поля буде нестаціонарним, а в другому - стаціонарним. В інших, не головних перетинах режим мінливості геологічного параметра може бути різним, в залежності від структури конкретного поля. У межах однорідного поля геологічного параметра режим його просторової мінливості в будь-якому перерізі поля вертикальною площиною не залежить від напрямку перерізу - він завжди стаціонарний. Внаслідок цього оцінку режиму просторової мінливості геологічного параметра у разі неоднорідного поля слід давати тільки для головних його перерізів.

Процеси геологічного розвитку.

Характеризувати режим просторової мінливості в перерізі однорідного поля вертикальною площиною не має сенсу, оскільки він завжди стаціонарний. Режим просторової мінливості може бути як стаціонарним, так і нестаціонарним.

В головних напрямках мінливості різні не тільки значення геологічних параметрів і їх градієнти, але і міри розсіювання. Процеси геологічного розвитку неоднорідні в просторі і в часі. Первинний геологічний процес ?, більш неоднорідний, ніж за Е... Він володіє більшою мінливістю в напрямку Це призводить до анизотропности геологічних параметрів і заходів їх розсіювання. Для оцінки анизотропности заходів розсіювання використовують модуль анизотропности.

Величина G широко використовується не тільки для оцінки процесу формування геологічного тіла, але і у формулах розрахунку відстаней між пунктами отримання інформації.

Актуальність питання про математичні методи, що використовуються при проведенні регіональних інженерно-геологічних досліджень, очевидна. Накопичений великий досвід по застосуванню, головним чином, математичної статистики при проведенні інженерно-геологічних досліджень на порівняно невеликих ділянках території передбачуваного будівництва споруд пли прояву екзогенних геологічних процесів. У межах регіонів і великих територій розміщення геологічних об'єктів, їх відносини і властивості в просторовому аспекті підкоряються закономірностям, обумовленим древніми і сучасними геологічними процесами, фізико-географічною обстановкою, процесами господарської діяльності людини. Виявити закономірності, які впливають на різні компоненти інженерно-геологічних умов, описати їх - значить вирішити ті завдання, за які проводять регіональні інженерно-геологічні дослідження, зокрема інженерно-геологічну зйомку середнього масштабу. Об'єкт регіональних і локальних інженерно-геологічних досліджень один і той же - геологічне середовище.

Кількісні методи та використання ЕОМ при інженерно-геологічному картографуванні.

Перехід від майбутньої будівельної площадки до регіону обумовлює необхідність застосування іншого математичного апарату. Статистика випадкових величин «працює» тільки в межах обмежених по площі, квазиоднородной з досліджуваного геологічного параметру галузі геологічного середовища. Наявність закономірностей у зміні властивостей об'єкта регіонального характеру свідчить про взаємозв'язки між геологічними параметрами, що відображають ці властивості, і про неможливість застосування для їх опису статистики випадкових величин. Об'єктів регіонального характеру адекватний математичний апарат теорії випадкових функцій (полів).

Інженерно-геологічні дані різного характеру, отримувані в процесі інженерно-геологічної зйомки різними методами, мають бути відфільтровані і відбраковані, зважені на равноточность і равнопредставительность, правильно оброблені і об'єктивно інтерпретовані. Ці вимоги до інженерно-геологічної інформації дозволяють задовольнити кількісні методи і машинні способи її накопичення, обробки і об'єктивного уявлення. Основними завданнями інженерно-геологічного картування слід вважати: виявлення областей літосфери, геологічних тіл, неразличимых або мало відрізняються за заданими властивостями; об'єктивне встановлення кордонів між геологічними тілами, виділеними за різними ознаками; встановлення оцінок геологічних тіл і характеристик їх просторової мінливості; виявлення дефектів структури літосфери, зон тектонічних порушень і тріщинуватості, інших тектонічних елементів, похованих ерозійних врезов, меж площин порушення суцільності, порожнин, каверн і т. д. Для вирішення перерахованих завдань поряд з традиційними якісними методами у все зростаючих масштабах застосовують кількісні. У них є деякі переваги перед якісними методами, але в той же час вони можуть поступатися якісним при вирішенні деяких питань інженерно-геологічного картування, особливо тих, які потребують комплексного зважування та оцінювання ряду ознак геологічного тіла і набору його геологічних параметрів.

Методи аналізу структури поля геологічного параметра.

Кількісні методи в інженерно-геологічному картографуванні використовують для вирішення наступних завдань: встановлення мір подібності (відмінності) порівнюваних об'єктів за окремими ознаками або за комплексом ознак і їх розмежування в просторі; отримання оцінок властивостей і статистичних оцінок однорідних за цим властивостям геологічних об'єктів; кількісна оцінка структур геологічних об'єктів; встановлення взаємозв'язків між показниками різних властивостей одного об'єкта і взаємозв'язків їх просторових структур; виявлення закономірностей просторової мінливості геологічних об'єктів і геологічних параметрів, що характеризують об'єкти; отримання карт окремих компонентів інженерно-геологічних умов, інженерно-геологічних розрізів на базі математичного моделювання полів геологічних параметрів.

Методи аналізу структури поля геологічного параметра дозволяють вирішити ряд важливих питань. До них в першу чергу слід віднести палеогеографічні і фаціальні реконструкції процесів литогенеза, типізацію геологічних тіл і ін Аналіз структури поля геологічного параметра починають з перевірки однорідності нуля і виділення регіонально-коррелированной складової (тренда).

Для перевірки гіпотези про однорідність (неоднорідність) поля геологічного параметра можливо використовувати різні критерії. Однорідність поля можна перевірити по першому головному перерізу, аналізуючи випадкову послідовність. Як наближеної оцінки режиму параметра, можна використовувати графіки різницевих інтегральних кривих.

У разі неоднорідного поля виділення регіонально-коррелированной складової проводять на попередньо згладженої випадкової послідовності методом простого або зваженого ковзного середнього. В останньому випадку передбачено зважування значень геологічного параметра з вагами, рівними коефіцієнтам биноминального розподілу:

Коефіцієнти рівнянь, апроксимуючих випадкову функцію.

Згладжену функцію R апроксимують лінійною функцією або функцією другого порядку. Ступінь многочлена встановлюють, перевіряючи гіпотезу про лінійну регіонально-коррелированной компоненті поля геологічного параметра. Для цього оцінюють сталість градієнта геологічного параметра. Якщо умова не витримується, то слід вибрати поліном більш високого ступеня. Для многочлена другого ступеня критерієм квадратичній залежності величини геологічного параметра служить сталість ряду других різниць.

Коефіцієнти рівнянь, апроксимуючих випадкову функцію, побудовану за експериментальними даними, знаходять методом найменших квадратів. Коефіцієнти поліномів зазвичай визначають машинним способом.

Розкладання поля на просторово-корельований і залишкову складові виробляють відніманням значень геологічного параметра, знайдених по рівнянню тренда, з експериментальних його значень у тих же точках поля:

Подальші операції по аналізу структури поля полягають у розкладанні залишкової випадкової функції на періодичні компоненти і на випадкову компоненту. Виділення періодичних складових залишкової випадкової функції передбачає виконання наступних операцій: побудова графіка автокореляційної функції; визначення кореляційної функції величини або більш чітких періодів; апроксимацію досліджуваної залишкової випадкової функції тригонометричним поліномом. Розрахунок і побудова графіка автокореляційної функції другої залишкової випадкової функції і т. д. до тих пір, поки в складі послідовно обчислюваних залишкових функцій виявляється значуща періодичність. Періодичні складові поля можна виявити за допомогою аналізу. Вихідні значення геологічного параметра розташовують у вигляді ряду рядків, кількість членів яких збільшується.

Центрована випадкова функція.

Число рядків т при цьому зменшується. Потім по кожному стовпцю отриманої таблиці виробляють підсумовування і знаходять різницю максимальної й мінімальної сум. Коли довжина рядка виявиться кратній періоду досліджуваного ряду, різниця суми буде найбільшою. Число рядків т у всіх стовпцях повинно бути однаковим.

В результаті послідовного виділення періодичних компонент отримуємо компоненту - центрированную випадкову функцію. Її кореляційна функція не містить періодичної складової, внаслідок цього вона є випадковою компонентою поля геологічного параметра. Її середнє значення постійно і дорівнює нулю (центрована стаціонарна випадкова функція), а дисперсія відображає природне розсіяння геологічного параметра, на яке накладено помилки експерименту. Остання операція аналізу структури поля полягає в оцінці закону розподілу значень випадкової компоненти. Для цього можна використовувати критерій Джірі або критерій X2 Пірсона, оцінити величину показників симетрії і ексцесу або вдатися до графічного способу лінеаризації кривої розподілу ймовірностей папері.

Синтез структури поля геологічного параметри за експериментальними даними виконують за допомогою методів математичного моделювання. Основою методів моделювання полів геологічних параметрів є теорія мінливості. Методи отримання математичних моделей представляють особливий інтерес для інженерно-геологічного картографування, так як математична модель може бути реалізована у вигляді карти геологічного параметра. Внаслідок цього методам математичного моделювання нижче приділена головна увага.

У 1968-1971 рр. автором спільно з Е. Н. Єрусалимської розроблені основні положення методу отримання математичних моделей полів геологічних параметрів і методика їх моделювання на базі апроксимації експериментальних даних ортогональними поліномами Чебишева.

Моделювання полів геологічних параметрів.

Метод включає традиційні, а також оригінальні, не тривіальні прийоми геологічного аналізу (генетичного, інформаційного), структурний аспект системного та математичного аналізів. Математичний аналіз передбачає використання статистичних прийомів фільтрації даних про геологічні параметри, відбракування нехарактерних значень, виділення квазиоднородных областей, а також аналізу статистичної структури. Методом ортогональних поліномів вдалося реалізувати серію математичних моделей полів геологічних параметрів відкладів лесової і льодовикової субформаций європейської частини території СРСР. Метод був використаний поруч фахівців і дав добрі результати. Він дозволяє описувати структуру поля геологічного параметра аналітично і представляти результати моделювання у звичній для геолога формі -у вигляді карт геологічного параметра в ізолініях (тренд-поверхні). Метод пред'являє досить жорсткі вимоги до вихідної інформації про геологічних параметрів і дозволяє, взагалі кажучи, краще описувати перші два-три яруси структури поля геологічного параметра. Зазвичай цього достатньо при дослідженні структури поля на моделі дрібного масштабу, відбудованої для великої території. Однак така детальність синтезу структури не завжди задовольняє умовам рішення інженерної задачі при моделюванні полів у великому масштабі, тому подальші дослідження були спрямовані на вдосконалення процедури моделювання полів геологічних параметрів. Вдалося відкоригувати метод в частині вибору виду функції, що описує тренд-поверхня (метод групового обліку аргументів), об'єктивного поділу компонент поля на регіонально-корельований і локальну (залишкову). Він запропонував використовувати в якості критерію найкращого наближення зовнішнє доповнення.

С. П. Сидоркіна розробила метод моделювання полів геологічних параметрів, що базується на врахуванні їх статистичних структур.

Інженерно-геологічне картографування.

Він отримав назву методу модельної автокореляційної функції (МАКФ). Цей метод дозволяє виявити і відобразити в моделі більш глибокі яруси структури поля, він пред'являє менш жорсткі вимоги до просторового розміщення експериментальних даних про геологічні параметри, що використовуються для одержання математичної моделі. Можна стверджувати, що інженерно-геологічне картографування має методами, що дають можливість синтезувати структуру поля геологічного параметри за експериментальними даними (методи поліноміальної апроксимації ортогональними і неортогональными поліномами, тренд-аналізу, заснованого на принципі самоорганізації, модельної автокореляційної функції). Для побудови великомасштабних моделей полів геологічних параметрів, що охоплюють обмежені за площею території, можна використовувати сплайн-інтерполяцію. Метод являє собою модифікацію поліноміальної інтерполяції, що реалізує ситуацію, при якій число коефіцієнтів вираження поля дорівнює числу точок експериментальної основи.

Математичне моделювання полів геологічних параметрів дозволяє виділяти геологічні тіла різних категорій, в залежності від масштабу і характеру вихідної інформації; встановлювати і описувати закономірності просторової мінливості геологічних тіл і їх геологічних параметрів; давати просторовий кількісний прогноз геологічних параметрів в будь-якій точці геологічного простору модельованого поля. Відновлювати за експериментальними даними структуру поля деякого параметра з заданими точністю та довірчою імовірністю, достатніми для вирішення інженерної задачі. Виявляти головні напрямки мінливості геологічних параметрів і приймати обґрунтовані рішення щодо різних аспектів методики інженерно-геологічних досліджень; реконструювати умови транспортування і седиментації вихідного матеріалу і деякі риси палеогеографічної обстановки, знання яких необхідно для встановлення генезису порід або перевірки існуючих генетичних гіпотез (зворотна задача).

Моделювання полів геологічних параметрів.

Встановити особливості процесів литогенеза та інших геологічних процесів (зворотна задача).

Моделювання полів геологічних параметрів, як і картографування, можна проводити в будь-якому масштабі. Масштаб моделі визначається метою моделювання, роздільною здатністю геологічного параметра по відношенню до відповідної структуру модельованого геологічного тіла, складністю модельованого обсягу літосфери; а також наявністю експериментального матеріалу необхідного обсягу і якості

Модель повинна відображати структуру модельованого об'єкта лише тією мірою, в якій це вимагається умовами поставленої задачі. У першу чергу це відноситься до глибині структури моделі, тобто до описуваних моделлю поля геологічного параметра детермінованих складових поля, що входять в його математичне сподівання. Наприклад, при регіональних інженерно-геологічних дослідженнях нерідко досить виявити в структурі моделі тільки тренд або тренд і періодичну компоненту найбільш низької частоти (модель першого або другого ярусу). Модель при цьому отримують, фільтруючи несуттєві елементи структури поля, що розглядаються в якості випадкової компоненти. У процесі більш детальних досліджень бажано відобразити в моделі більше число ярусів структури, отримати більш глибоку модель поля з більш проробленої структурою.

Місцеві джерела обурення, ускладнюють процеси литогенеза, проявляються в структурі поля у вигляді аномалій. При аналітичному описі поля їх представляють у вигляді спектра періодичних компонент різної частоти і амплітуди. Їх накладення один на одного формує квазіперіодичну складову поля.

Основні положення методики побудови математичної моделі поля.

Нарешті, додавання незначущих високочастотних періодичних складових і складових, обумовлених узколокальными точковими взаємодіями різного характеру, дає випадкову компоненту поля, в яку вносять внесок похибки вимірювання геологічного параметра. Таким чином, квазістатичне поле геологічного параметра можна представити у вигляді

Незалежно від обраного методу моделювання поля геологічного параметра методика отримання його математичної моделі передбачає виконання наступних операцій: формулювання цілей моделювання; вибір категорії геологічного тіла; накопичення і відбраковування інженерно-геологічної інформації. Розробку геологічної гіпотези; роботу з інформацією про моделюваному геологічному параметрі і складання експериментальної основи; введення інформації в машину і отримання моделі поля; побудова карти поля геологічного параметра; оцінку достовірності моделі.

При побудові моделей дрібного масштабу, що охоплюють велику площу, дослідник, як правило, позбавлений можливості спиратися лише на власний експериментальний матеріал і змушений використовувати літературні та архівні дані. Отримані моделі полів геологічних параметрів відображають перші яруси структури, найбільш загальні риси просторової мінливості геологічного параметра. Моделі дрібного масштабу цілком задовольняють вимогам, що випливають з умов наукової або інженерної задачі. Остання може полягати в порівняльної оцінки інженерно-геологічних умов великої території, необхідної при складанні схем розвитку і розміщення галузей народного господарства. Па основі моделі малого масштабу можна виділити таксономически певні геологічні тіла і оцінити величину геологічного параметра і його розсіювання.

Модель середнього масштабу, реалізована у вигляді тренд-поверхні параметра і його середнього квадратичного відхилення, крім розв'язання обернених задач і задач класифікації геологічних тіл, у методичному відношенні дозволяє побудувати регіональні схеми головних напрямків мінливості.

Напрямки опорних профілів.

Намітити напрямки опорних профілів, орієнтованих по головним перерізів, для проведення на них рекогносцирувальних робіт в рамках среднемасштабной інженерно-геологічної зйомки; наближено оцінити обсяги і параметри системи пунктів отримання інформації; встановити число і розташування ключових ділянок-еталонів. Нижче розглядаються основні операції цього процесу, загальні для всіх методів моделювання.

Після формулювання цілей моделювання приступають до збору, вивчення та аналізу літературних, архівних і фондових матеріалів, що стосуються геологічної будови території, тектоніки, геоморфологічної будови, історії геологічного розвитку, генезису і властивостей гірських порід, що представляють моделируемое геологічне тіло. Роботи з геологічною інформацією проводяться для розробки геологічної гіпотези про умови формування досліджуваної області літосфери, про походження, формування, склад і властивості гірських порід, про закономірності їх мінливості. Оцінки складності геологічної будови території в частині чиста, конфігурації і розмірів геологічних тіл як модельованих, так і їх складових; оцінки можливості побудови єдиної моделі поля геологічного параметра; накопичення даних про властивості геологічного тіла, для якого розробляють модель: відбору інформації про геологічну параметрі, придатної для побудови моделі. Геологічна гіпотеза про генезис і процесах формування геологічного тіла, що складають його порід і їх властивостей дозволяє, використовуючи традиційні методи геологічного аналізу, встановити положення генеральних головних напрямків мінливості і сформулювати робочу гіпотезу про структуру поля модельованого геологічного параметра. Без цього не можна правильно підійти до наступного етапу моделювання - до складання експериментальної основи поля. На підставі геологічної гіпотези виносять висновок про можливості моделювання поля в обраному масштабі і встановлюють критерії, відповідно з якими набирають інформацію про властивості порід, придатну для моделювання поля геологічного параметра.

Вибір геологічного параметра.

На вибір масштабу моделі поля впливає геологічна будова території, особливо число, просторове розміщення, площа та конфігурація геологічних тіл, а також передбачувані умови їх формування.

Крім цільового призначення моделі і складності структури поля геологічного параметра, масштаб моделі багато в чому залежить від його роздільної здатності.

Вибір геологічного параметра визначається призначенням моделі, з одного боку, і наявністю відповідної інформації в архівних і літературних джерелах - з іншого. Наприклад, якщо мета моделювання полягає в реконструкції палеогеографічної обстановки седиментогенезу та раннього діагенезу, то для побудови моделі слід вибирати такий параметр, поле якого за своїм характером є сингенетическим. В цьому випадку структура поля буде відображати риси початкових етапів процесів литогенеза. Прикладом таких полів є полем змісту якої-небудь фракції гранулометричного складу або поля змісту деякого первинного мінералу в гірських породах. У той же час моделювання полів вологості або міцності (епігенетичних) переслідує інші цілі.

Масштаб моделі геологічного поля залежить також від характеру вихідної інженерно-геологічної інформації, до якої висуваються такі вимоги: дані про геологічні параметри повинні бути отримані при випробуваннях, проведених за єдиною методикою, і не повинні містити систематичних похибок; оцінки середніх значень параметра і заходи їх розсіювання, що характеризують точки експериментальної основи, повинні бути рівноточними, підрахованими за вибірками рівного об'єму. Експериментальні дані повинні бути розподілені в просторі у відповідності з принципом равнопредставительности: рівні частини території повинні бути охарактеризовані приблизно рівним числом експериментальних точок.

Закінчення геологічного аналізу.

Вимоги до обсягу та якості інформації про геологічні параметри, придатною для математичного моделювання, є досить жорсткими. Інформація про геологічні параметри, як правило, буває вкрай різнорідної, і використовувати її без попередньої фільтрації не можна. Після закінчення геологічного аналізу і винесення судження про можливості побудови моделі поля геологічного параметра встановлюють критерії фільтрації і відбраковування наявного вихідного матеріалу. Критерії відкидання повинні спиратися, насамперед, на геологічні передумови. У них повинні бути також враховані перераховані вище вимоги. Крім того, експериментальний матеріал повинен містити достатні відомості про геологічну будову і стратиграфическом положенні модельованого геологічного тіла, про число пунктів отримання інформації та розміщення їх у просторі.

Відфільтровану за геологічними критеріями вихідну інформацію при необхідності (наприклад, наявність ураганних значень параметра) піддають перевірці на однорідність за допомогою статистичних критеріїв. Тільки після цього дані про геологічну параметрі можна вважати придатними для побудови математичної моделі. Подальші операції по моделюванню полів геологічних параметрів розрізняються залежно від методу побудови моделі, тому вони розглядаються окремо.

Широко використовується в інженерно-геологічній практиці різновидом методу є апроксимація експериментальних даних ортогональними поліномами Чебишева. Метод добре зарекомендував себе при отриманні моделей на базі накопиченої інформації. Потрібно підкреслити, що він пред'являє досить жорсткі вимоги до вихідних даних і до експериментальній основі. Под экспериментальной основой следует понимать систему ориентированных в пространстве точек, каждой из которых поставлено в соответствие некоторое значение изучаемого параметра, мера его рассеяния, вероятность какого-либо признака или символ его наличия (+) или отсутствия (-).

Статьи pp-budpostach.com.ua Все о бане

Статьи по пеноблоку,пенобетону,пенобетонным блокам

Статьи pp-budpostach.com.ua Статьи по бетону

Статьи Все о заборах

Статьи pp-budpostach.com.ua Все о крышах ( виды, материал, как лутше выбрать)

Статьи Все о Фундаменте

Статті по газобетону ( газоблокам ), газобетонних блоків, блоків газосиликатнных

Новини, статті, чутки, факти, різне і по чу-чуть

Статті по цеглині ( рядовому, особового,облицювальної,клинкерному, шамотною, силікатній,)