Автоматизация построения ФГМ с помощью ЭВМ

Классификация ФГМ рудных объектов

Иерархия исследуемых геологических систем включает системы следу­ющих уровней — регион, провинция, пояс или область, район, поле, месторождение, залежь полезного ископаемого. Нетрудно заметить, что системы каждого уровня являются в свою очередь элементами следующего более высокого уровня. На основе указанной иерархии разработана (В. В. Бродовой, 1979) классификация физико-геологичес­ких моделей рудных объектов различного класса (ранга). Эта классификация содержит: сведения о типе объекта, его размерах, требуемой глубинности исследований; указание стадий изучения объекта и геологических задач, решаемых геофизическими методами; геологическую и геофизическую характеристики рудных объектов. Каждая последующая модель является составной частью предшествующей более региональной модели, наследует и детализиру­ет ее основные черты и свойства. ФГМ объекта каждого класса содержит такое сочетание взаимосвязанных элементов, которое может быть использовано для уверенного его выделения и изучения.

Размеры объектов в указанной классификации охарактеризованы их протяженностью и шириной и изменяются от десятков—сотен тысяч квадратных километров (провинция) до первых квадратных километров или их долей (рудные тела). Глубинность исследований отражает как бы третью размерность объекта — его распространение на глубину, выбрана в соответствии с его размерами в плане (должна быть близка к величине поперечника) и учитывает изучение не только объекта, а и его ближайшего окружения (вмещающую среду). Ее величина меняется от 50—60 км (с учетом строения всей мощности земной коры при исследовании провинций) до 1—2 км при изучении (разведке) месторождения (на всю глубину, целесооб­разную и доступную для разведочных работ).

Для объектов каждого класса указана стадия или подстадия исследовании, работами которой объект может быть изучен наиболее полно и достоверно и к тому же может быть сделан выбор объекта для последующего изучения. Так, при региональных работах изучаются рудные провинции, при среднемасштабном геокартировании —рудные пояса и области, крупномасштабном геокартировании (с общими поисками) —рудные районы, крупномасштабных специализированных поисках-рудные узлы и рудоносные структуры, при детальных поисках-рудные поля, поисково-оценочных работах и предваритель­ной разведке —месторождения и их рудные зоны, детальной разведке и доразведке —рудные залежи, эксплуатационной разведке — отдельные блоки месторождений, т.е. на каждой стадии исследований изучаются объекты различных рангов (классов), отличающиеся раз­мерами, физико-геологической характеристикой, проявлением в гео­физических и геохимических полях.

Рассмотрим особенности ФГМ геологических объектов ряда ФГМ рудных объектов Рудная провинция — значительная по площади территория харак­теризующаяся особенностями глубинного геологического строения и ограниченная глубинными разломами, отличающаяся определенным тектоническим режимом, в пределах которой развиты рудные ме­сторождения различного состава и генезиса. Они группируются на геотектонической основе — в зависимости от того, к каким тектоническим сооружениям относились эти территории к моменту рудооб­разования. Отличие рудных провинций от сопредельных можно видеть в особенностях их глубинного строения, тектонического режима развития, в характере проявления платформенного чехла и складчатых сооружении в металлогенической специализации и геохимическом фоне, в особенностях размещения рудных поясов и рудоносных зон Их изучению геофизическими методами способствуют дифференциация основных слоев земной коры по физическим характеристикам (ско­ростным, электрическим, плотностным и магнитным), наличие опор­ных геосейсмических и геоэлектрических горизонтов, магнитоактивных и гравитирующих поверхностей, специфическое проявление складчатых дислокаций в физических полях. Глубина исследований - на всю мощность земной коры.

Рудный пояс (область) —тектонический блок, отличающийся от сопредельных глубинным геологическим строением, специфичным набором формаций, проявлением магматизма, ограниченный глубин­ными разломами, имеющий четко проявленную региональную ме­таллогеническую зональность. Для рудного пояса характерны его приуроченность к геотектоническому блоку или структурно-формаци­онной зоне; отличное от сопредельных блоков глубинное строение-морфология и глубина залегания поверхности «базальтового» слоя (поверхности Конрада); мощность и неоднородность «гранитного» слоя, древнего кристаллического фундамента, расчлененность на при­поднятые и опущенные глыбы; последовательность проявления маг­матических комплексов, степень развития интрузивного магматизма; различный уровень проявления тектонической активности. Как блок, так и отдельные его элементы отмечаются в региональных геофизичес­ких полях и их аномалиях и в глубинных геолого-геофизических разрезах, что связано с различием физических характеристик основных комплексов пород и их изменением под влиянием регионального метаморфизма. Глубинность исследований взята с учетом изучения пояса на всю мощность «гранитного» слоя.

Рудный район (узел) — небольшая площадь внутри рудных поясов, для которой характерны приуроченность к глубинным разломам и тектоническим узлам, определенное положение, структурный план и специфичный состав фундамента, высокая насыщенность рудопро­явлениями отдельных металлов, развитие геохимических полей и по­токов рассеяния. Физико-геологическая модель района содержит сведения о приуроченности к глубинным структурам, рудоносной структуре, ее осложненности более локальными пликативными и ди­зъюнктивными структурами, выражении структур в геофизических полях; литологическом, петрографическом составе, морфоструктурных особенностях, внутреннем строении рудовмещающих формаций, рас­пределении формаций с различными физико-химическими свойствами; особенностях проявления магматизма, характере распространения интрузивных комплексов, физических полях и характеристике инт­рузивных комплексов; основных рудоконтролирующих факторах (стра­тиграфическом, литологическом, структурном, магматическом и др.), аномалиеобразующих геологических объектах, в том числе рудокон­тролирующих, их морфологии, строении; основных типах ореолов рассеяния элементов; размещении рудных полей и зон рудной минерализации. Глубинность исследований предполагает изучение объекта с охватом околорудного пространства.

Рудное поле — ограниченная площадь рудного района, определен­ным образом расположенная относительно региональных структур и контролируемая некоторым сочетанием геологических элементов (сопряженными пликативными и дизъюнктивными структурами, ин­трузивными массивами, проявлениями рудного метаморфизма и ме­тасоматоза), в пределах которой располагаются пространственно сближенные, близкие по времени образования, генетически родствен­ные месторождения. Особенности ФГМ рудного поля: приуроченность к тектоническим узлам и зонам смятия, к структурам второго порядка, геофизические поля, отвечающие этим структурам; положение относительно тектонических нарушений, дифференциация нарушений по совокупности геологических и геофизических признаков; литоло­гический и петрографический состав формаций, благоприятные для рудоотложения стратифицированные комплексы и слоистые толщи; связь рудного поля с магматизмом, морфоструктурные особенности интрузий, зональность интрузивных комплексов по физическим свой­ствам и дифференциация их физических полей; характер и степень проявления различного рода изменений пород; особенности локали­зации оруденения в пространстве, определяющие морфоструктурный тип рудного поля; специфические геофизические и геохимические признаки рудного поля.

Рудное месторождение — природное скопление полезного ископае­мого, приуроченное в каждом из районов к определенному стратигра­фическому уровню, специфичному литологическому комплексу или интрузивным образованиям соответствующего состава, контролируе­мое сочетанием разнородных структурных элементов и представленное рудой какого-либо металла или минерала, которое в количественном и качественном отношениях может быть предметом промышленной разработки. Каждое месторождение представляет собой неповторимое сочетание различных геологических, геохимических, геофизических, геоморфологических и других элементов и признаков. ФГМ каждого месторождения имеет свои отличительные черты, определяемые его генетическим типом, особенностями геологического строения, структу­рно-морфологическими условиями залегания рудных залежей, вещест­венным составом рудоносных формаций, вещественными и текстурно-структурными особенностями руд различных типов. Их физические характеристики: контрастность продуктивных образований по физичес­ким свойствам и их отражению в физических полях; зональность физических свойств пород, проявленная при переходе от неизмененных к измененным рудовмещающим породам и от последних к рудным образованиям; физические характеристики руд различного состава, текстуры и структуры, а также аномальные эффекты месторождений и отдельных их рудных зон и залежей.

Рудное тело — природное скопление руды, приуроченное к об­разованиям определенного состава и возраста, сопровождаемое оре­олом рассеяния рудной минерализации, имеющее определенный ми­нералогический состав и различные формы проявления (жильную, линзо-, штоко-, пластообразную). ФГМ рудного тела характеризует: его геологоструктурную позицию в пределах месторождения, физичес­кие поля, отражающие структурные условия месторождения; связь вещественного состава рудных образований с рудовмещающими толщами, изменение физических свойств рудовмещающих пород в околорудном пространстве; влияние морфологии и формы рудных залежей, а также текстурных особенностей и минералогического состава руд на их физическую характеристику; воздействие процессов окисления и выветривания на физические свойства руд и на характер физических полей.

В ФГМ всех классов рудных объектов должны найти отражение основные геологические и геоморфологические помехи и осложняющие факторы. К ним относятся рельеф земной поверхности и перекрытого скального основания, рыхлые отложения, трапповые покровы, мно­голетняя мерзлота, обводненность, неоднородность покровных от­ложений, наличие физических экранов и др.

Физико-геологическая модель по существу является универсальным конечным продуктом геолого-геофизических исследований, аккумули­рующим всю информацию выполненных на объекте исследований, необходимую для проектирования комплекса работ на различных стадиях поисков и разведки. Кроме того, представление ее инфор­мационной базы в форматах, приемлемых для ЭВМ, позволяет автоматизировать управление геолого-геофизическими исследованиями на всех стадиях геологоразведочных работ.

Оперирование частными моделями на ЭВМ при формировании физико-геологических моделей требует в первую очередь представле­ния их в виде числовых математических моделей, имитирующих реальные объекты или механизмы функционирования. Числовые математические модели, характеризующие проявление природных объектов в физических полях, задаются либо набором значений физических полей или числовых характеристик в закоординированных точках реальных наблюдений, либо в виде числовых значений в узлах равномерной сети заданных размеров.

Для представления в числовом виде моделей материального и материально-энергетического проявления природных тел, отобража­емых в качественных шкалах, Л. А. Верховская и Е. П. Сорокина выделяют следующие этапы.

1. Построение моделей представления. Изучаемые объекты преоб­разуются в представлении исследователя в идеализированный объект — заместитель: зарисовки, карты, схемы, таблицы, словесные описания (М. И. Жуков, 1978).

2. Формирование понятийных моделей — гносеологических конст­рукций, в которых в качестве элементов и свойств выступают геологические понятия (минералы, породы, трещиноватость и т. п.), а отношения (связи) строятся на обычном разговорном языке.

3. Математическое (числовое) моделирование, где элементы и свой­ства заменены математическими категориями — переменными, кон­стантами, параметрами.

В основу функциональной схемы формирования ФГМ с помощью ЭВМ, разработанной В. Д. Борцовым, И. П. Протасьевым, В. П. На­умовым и др., положена идея составления системы моделей, от­ражающих особенности объемного геологического строения изуча­емого пространства недр и закономерности размещения оруденения. Принципы построения функциональной схемы формирования ФГМ базируются на организации взаимоувязанных технологических линий, обеспечивающих решение задач основных этапов построения ФГМ, и представлении технологических линий набором функциональных модулей (программ). Эти модули связаны единством внутримашинного представления информации в виде векторов структуры:

N_i; x_i, y_i, z_{i ;}; p_1, p₂, p₃,..., p_n,

где N_i —номер обрабатываемой информационной единицы (профиль, пикет, маршрут, скважины и т. п.); x_i, y_i, z_i —координаты точек измерений, отбора проб, определения признаков и т. п. в заданной системе координат; p_1, p₂, p₃,..., p_n,— анализируемые признаки.

Функциональная схема включает следующие технологические линии.

1. Технологическая линия формирования информационной базы со­стоит из модулей (программ), обеспечивающих выполнение операций:

- ввод и корректировка исходной информации, представленной на машинных носителях (перфолентах, магнитных лентах, кассетах твердой памяти) в виде записей, матрицы, пространственной матрицы, векторной записи, векторной матрицы, пространственной векторной матрицы;

- формирование рабочих массивов заданной структуры в случае многократного ввода исходных массивов разной длины или с неодинаковым порядком представления параметров (признаков) в наборе;

- определение местоположения точек измерения в пространстве;

- обработка информации, заключающаяся в вычислении парамет­ров по результатам измерений, введение поправок за влияние мешающих факторов (рельеф, рыхлые отложения, вариации физических полей, нестабильность аппаратуры и т. п.); для осуществления всех этих операций разработаны соответствующие пакеты программ;

- формирование объемных числовых моделей по каждому из введенных в ЭВМ или вычисленных параметров, признаков или комплексу параметров, признаков; массив, описывающий объемную числовую модель в пределах изучаемого пространства, представляется в виде набора векторов в матричной форме.

2. Технологическая линия изучения объемного строения физических полей и предварительной оценки параметров аномалиеобразующих объектов включает две группы операций: анализ по отдельным полям и комплексный анализ физических полей.

Анализ по отдельным полям осуществляется путем выпол­нения следующих операций:

- формирование рабочих массивов (матриц) с помощью включе­ния в пакет программ модулей, обеспечивающих организацию рабочих массивов на заданных плоскостях, интерполяцию и, в случае необ­ходимости, выполнение действия по организации закраин необходимых размеров у рабочих массивов;

- оценка компонентности поля и размеров фильтров для раз­деления эффектов аномалиеобразующих объектов различных классов — с помощью способов вычисления коэффициента автокорреляции, отражающего статистическую характеристику степени изменчивости физического поля в выбранном направлении или по площади (Б. А. Андреев, И. Г. Клушин), спектрального анализа, базирующегося на известном положении о возможности представления любой пери­одической функции в виде пары преобразований Фурье, а непери­одической—интеграла Фурье (А. А. Харкевич), и графического способа оценки структуры поля, основывающегося на изучении зависимости средних значений аномалий от радиуса усреднения (И. Г. Клушин);

- фильтрация полей с помощью пакета программ, реализующих методы усреднения (А. Н. Тихонов, Ю. Д. Буланже), пересчета поля в верхнее и нижнее полупространство (В. Н. Страхов), вычисления вариаций, сглаживания аномалий (Б. А. Андреев, В. Гриффин), вычис­ления остаточных аномалий по способу О. Саксова и К. Нигарда, вычисления вторых- производных, а также методы естественных ортогональных функций (Н. А. Багров и др.), являющихся частным случаем линейного ортогонального преобразования, частотной фильтрации (Н. В. Гладкий) (использование частотных фильтров с со­ответствующими частотными характеристиками), сглаживания и вы­равнивания аномалий (фильтрации высокочастотных слабокоррелиру­ющихся помех на основе аппроксимации выделяемой аномалии рациональным комплексом);

- изучение структуры физического поля в заданной плоскости (для уточнения контуров аномалиеобразующих объектов и оценки глубины их расположения) с помощью программного обеспечения на базе таких методов, как метод аналитического продолжения потенциальных полей в нижнее и верхнее полупространство (В. Н. Страхов, И. А. Жаворонкин) (для оценки глубины верхней кромки аномалиеобразующего объекта), и методов, основанных на аналитическом продолжении полного нормированного вертикального градиента (В. М. Березкин, М. А. Киричек);

- районирование физических полей (разделение изучаемой тер­ритории на однородные участки) на базе использования основных характеристик случайных функций, к числу которых относятся оценки математического ожидания, дисперсии и некоторые параметры ав­токорреляционной функции, получаемые по «скользящему окну» (А. Н. Кленчин).

Комплексный анализ физических полей включает опе­рации:

- оценка корреляционных связей и свертка полей с помощью пакета программ «Факторный анализ», реализующих нормирование (стандартизацию), метод главных компонент и собственно факторный анализ для выявления моногенных и гетерогенных полей, получения представления о районировании полей;

- районирование территории по комплексу физических полей на основе метода естественных ортогональных функций (ЕОФ) (А. Н. Кленчин, 1977), с помощью которого достигается снижение размерности признакового пространства за счет использования лишь нескольких наиболее весомых комплексных параметров.

3. Технологическая линия составления петрофизических моделей предусматривает:

- изучение характеристики физико-химических свойств пород и руд, построение опорных петрофизических разрезов, выделение границ по физико-химическим свойствам, вещественному и химичес­кому составу соответственно, оценку эквивалентности источников аномалий геологическим телам, а также проявлениям различных процессов (метаморфизма, метасоматоза и т. п.), установление кор­реляционных связей между физико-химическими свойствами и вещест­венным составом пород и руд (М. М. Чагин, В. В. Волкович);

- построение петрофизической модели — формирование петрофи­зической модели на плоскостях с результатами районирования по статистическим признакам, массивами геологических признаков, опи­сывающих геологическую ситуацию (А. Н. Кленчин и др., 1977); составление нулевого приближения объемной частной петрофизической модели с использованием всей суммы геологических и геофизических данных по оценке параметров и глубин залегания аномалиеобразу­ющих объектов, информации по объемному строению физических полей, а также наблюденных физических полей и их составляющих.

4. Технологическая линия формирования и оптимизации математичес­ких моделей включает такие операции: представление аномалиеоб­разующих тел, в том числе и трехмерных, элементарными геомет­рическими фигурами и точечными источниками; рассмотрение физико-геологической модели как единой системы взаимоувязанных частных моделей. Оптимизация петрофизических моделей исходит из пред­ставлений о том, что контуры любого естественного или целевого геологического тела можно описать замкнутой или незамкнутой кусочно-гладкой поверхностью, что незамкнутая поверхность (напри­мер плоскость разлома) может быть задана трендом, замкнутая поверхность (двух-, трехмерных тел) — контурами сечений, образу­ющими боковой поверхности. Пределы отклонения границ при аппроксимации математической модели элементарными фигурами должны определяться качеством и количеством исходной информации, масштабом исследований и поставленными задачами. Технологическая линия содержит блок из модулей, обеспечивающих решение прямой задачи — вычисление прямых эффектов от заданных элементов в рас­четных точках (по алгоритмам Г. Г. Кравцова, И. А. Непомнящих, В. Н. Страхова, Г. Г. Ремпеля и др.).

5. Технологическая линия — прогнозирование на базе ФГМ включает операции: формирование и постоянная корректировка по мере поступ­ления новой информации типизированных объемных ФГМ и объемных ФГМ областей прогноза различного иерархического уровня; форми­рование массивов признаков по плоскостям, характеризующим различные уровни типизированных моделей и областей прогноза по простиранию и падению рудных объектов (используются только признаки, несущие информацию о закономерностях размещения оруденения); последовательное использование в качестве эталонных объектов признаковых уровней типизированных объемных моделей, обеспечивающих на плоскости оценку контуров перспективного участка и его уровень в рудной колонне и в объемной модели — контуры объема перспективного на обнаружение оруденения с оценкой его положения в рудной колонне.

Формирование типизированных моделей включает: а) оценку ин­формативности и выбор признаков (используются такие критерии, как энтропия, дисперсия, стандарт, или количество взаимной инфор­мации, коэффициент эффективности); б) классификацию моделей, от­носимых к типизированным (с помощью программ таксономии); в) выбор признаков, общих для выделенного класса (с применением методов, реализующих задачу распознавания образов по эталонам). Оценка перспективных объемов предусмотрена для двух ситуаций — в пределах хорошо изученной территории, когда можно сформировать эталоны рудных и безрудных участков, и в пределах недостаточно изученной территории, когда заведомо безрудные эталоны выделить не удается. В первом случае задача эффективно решается с помощью алгоритмов и программ распознавания образов, во втором — с помощью алгоритмов и программ, реализующих количественный метод, основанный на математическом аппарате теории информации, предложенный М. М. Чагиным (1977).

Организация автоматизированного управления геолого-геофизичес­кими работами на основе моделирования должна предусматривать следующие уровни вычислительных работ:

- непосредственно в полевых партиях, отрядах с использованием полевых вычислительных устройств (микро-ЭВМ типа «Электрони­ка 60» — оперативная обработка результатов измерений, введение поправок в наблюденные величины, предварительная интерпретация с помощью простейших в математическом отношении способов, вывод результатов обработки в виде таблиц, графиков и на машинные носители в форматах ЭВМ;

- на уровне экспедиций с помощью полевого вычислительного комплекса — обработка результатов лабораторных исследований, ин­терпретация геофизических аномалий с использованием достаточно простых методов, сбор и обработка экономической информации, вывод результатов, в том числе на машинные носители в форматах ЭВМ;

- на уровне региональных информационно-вычислительных цен­тров (ИВЦ), специализирующихся на формировании информационных баз данных,— оптимизация петрофизических моделей на основе спо­собов объемной интерпретации, составление и корректировка объем­ных физико-геологических моделей, прогнозирование размещения полезных ископаемых, оптимизация комплекса геолого-геофизических исследований и экономический анализ эффективности работ.

Все эти работы обеспечат автоматизированное управление геолого-геофизическими исследованиями на основе объемных ФГМ.