Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Постановка задачи обработки данных геохимических съемок и существующие методы ее решения
1. Геохимические основы обработки геохимической информации. 8
2. Математические методы обработки геохимической информации ... 15
3. Геохимические и математические основы метода построения многомерных геохимических полей... 27
Глава II. Описание метода многомерных полей
1. Классификация данных геохимического опробования. 41
2. Построение одноэлементных геохимических карт .. 49
3. Построение многомерных геохимических полей... 70
Глава III. Автоматизированная система обработки данных геохимических съемок методом многомерных полей
1. Принципы построения 72
2. Язык пользователя 74
3. Общее описание 80
4. Информационная база 85
5. Подсистема МАССИВ 92
6. Подсистема ГЕ0ЖЇ 99
Глава ІV. Примеры интерпретации одноэлементных и многомерных геохимических карт
1. Задачи интерпретации ИЗ
2. Потоки рассеяния 115
3. Гидрогеохимические потоки 125
4. Первичные ореолы рассеяния 135
Глава V. Развитие математического метода в геохимии... 167
Заключение. 175
Литература
- Математические методы обработки геохимической информации
- Построение одноэлементных геохимических карт
- Язык пользователя
- Гидрогеохимические потоки
Введение к работе
Актуальность вопроса. Геолого-разведочные работы, призванные обеспечить народное хозяйство страны всеми видами минерального сырья не только на ближайшее десятилетие, но и на более отдаленную перспективу, с каждым годом становятся более широкими и детальными. Постоянное совершенствование методов проведения таких работ и использование все более совершенных технических средств делают их более эффективными. Значительное развитие получило применение геохимических методов на различных этапах разведочных работ. При этом все большее значение приобретают вопросы математической обработки геохимической информации. При больших массивах данных, которые накапливаются в процессе геохимических съемок, традиционные методы обработки сдерживают дальнейший рост их эффективности. Поэтому вопросы разработки принципиально новой автоматизированной обработки геохимической информации становятся одним из главных направлений поисковой геохимии.
Задачи исследования. Для разработки математических основ обработки геохимических данных возникает необходимость обратиться к применению в этих целях электронных вычислительных машин. Однако эффективное использование ЭВМ ставит ряд дополнительных и сложных задач. Прежде всего необходимо проведение глубоких исследований применяемого математического метода, логических построений, используемых в геохимии и геологии, нужна строгая формализация каждой задачи, входящей в широкий класс геохимических задач. Как правило, применение ЭВМ к тактт достаточно сложным проблемам, какой является рассмотрение
комплекса геохимических задач, требует разработки новых математических основ их решения. При этом должна обеспечиваться эффективность и объективность получаемых результатов, возможность их интерпретации и практического применения.
Входная информация (результаты анализа проб, их координаты и другие величины), если иметь в виду все, что накопили геохимики, представляет собой миллионы чисел, так или иначе упорядоченных. Свободное оперирование, даже с помощью ЭВМ, таким объемом информации является сложной проблемой, которая еще требует своего решения, и это решение возможно только в рамках некоторой автоматизированной системы. Эта система должна обеспечивать ввод, контроль, классификацию и хранение входной информации, ее корректировку и накопление, свободный или санкционированный доступ к ней, выполнение работ по предусмотренным в системе методикам, выдачу соответствующих результатов в принятой форме и, кроме того, пополнение самой системы новыми элементами.
Важнейшее значение для развития направления автоматизированной обработки геохимической информации имеют задачи использования результатов. Возможность получения нетривиальных и новых выводов, значительное повышение информативной отдачи геохимических данных определяются математическими методами. Но решающее значение имеет то, насколько правильно поняты, применены и оценены результаты расчетов. Эта часть обеспечивает стыковку математических и геохимических исследований, определяет круг применения методов и их ценность, потенциальные возможности выбранного направления.
Фактический материал. Работа написана автором по результатам исследований, проводившихся в течение ряда лет в Иркутском государственном университете им.А.А.Жданова и институте геохимии им.А.П.Виноградова СО АН СССР. Автору принадлежит математическая часть. Геохимические основы метода разработаны автором совместно с Н.А. Катаевым и В.НЛумакиным.
Метод реализован в автоматизированной системе обработки; ее идеология, архитектура, организация информационной базы предложены автором»' Система разработана для ЭВМ типа ЕС в операционной системе ОС ЕС сотрудниками Вычислительного центра Иркутского госуниверситета Н.Н.Кирчановой, Т.Г.Радимовой, О.Л.Ривкинд, С.Е.Сыклен. Решение задачи использования автоматически построен-, ных на ЭВМ карт, их геолого-геохимическая интерпретация выполнялась совместно с теми геохимиками, которым принадлежат данные, служившие в качестве исходных материалов.
Научная новизна работы заключается в разработке математических принципов и методов обработки данных геохимических съемок. За основу принято выявление и изображение на площади или в пространстве ассоциации химических элементов. Разработана автоматизированная система, реализующая методы получения карт распределений химических элементов и их ассоциаций. Особенности построения системы предусматривают минимум затрат на ее освоение и эксплуатацию при широком использовании в научных и производственных организациях. Выявлены возможности использования получаемых автоматическим путем карт для решения широкого круга задач, возникающих на различных этапах разведочных работ.
Практическая ценность определяется тем, что выполненные работы дают возможность широко использовать в научных и производственных организациях автоматизированную обработку геохимической информации. Все в целом - математические методы, автоматизированная система обработки, методика интерпретации - позволяет решать широкий круг задач, связанных с геохимическими методами исследования.
Карты распределения отдельных химических элементов и их ассоциаций строятся по данным различных видов съемок: первичным ореолам, потокам рассеяния, лито- и гидрогеохимическим, биогеохимическим. Данные съемок разных лет и масштабов по потокаїл рассеяния используются для построения средне- и мелкомасштабных карт больших территорий, служащих основой для геолого-геохимического прогнозирования. По данным опробования скважин, шурфов, канав, штолен строятся пространственные модели рудных узлов и месторождений.
Реализация в производстве. Автоматизированная система обработки данных геохимических съемок методом многомерных полей внедрена, и имеются акты о внедрении в производственных объединениях Иркутскгеология, Бурятгеология, Якутскгеология и Самаркандгеология.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на конференции "Математические методы в геологии" (Львов, 1971 г.); семинарах: "Методы математической обработки результатов геохимических поисков" (Свердловск, 1973 г.), "Применение математических методов и ЭВМ при обработке информации на геологоразведочных работах" (Свердловск, 1980 г.); на П-УП сессиях Сибирской и I сессии Дальневосточной секции Междуведомственного Совета по проблеме "Научные основы геохимических
методов поисков" (Улан-Удэ, 1972 г.; Чита, 1973 г.; Владивосток, 1975 г.; Красноярск, 1977 г.; Хабаровск, 1979 г.; Якутск, 1980 г.); на I международном симпозиуме "Методы геохимических исследований" (ЧССР, г.Острава, 1979 г.) и П международном симпозиуме "Методы прикладной геохимии".
Публикации. По теме диссертации опубликовано 42 статьи.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из пяти глав, введения и заключения общим объемом 181 страниц машинописного текста и 31 иллюстрации, табличный материал помещен в тексте (10 таблиц). Список литературы включает 143 наименования.
В первой главе рассмотрены геохимические основы, важные для обработки геохимической информации, существующие направления развития математических методов, геохимические и математические основы метода многомерных полей. Во второй главе описаны способы решения задач, составляющих метод многомерных полей. В третьей главе дано краткое описание и принципы построения автоматизированной системы, реализующей метод. В четвертой главе показаны возможности использования полученных автоматическим путем одноэлементных и многомерных геохимических карт. В пятой главе изложено дальнейшее развитие математического метода в геохимии. В заключение приведены основные результаты работы.
Автор глубоко признателен своим коллегам по работе Н.Н. Кирчановой, Т.Г.Радимовой, С.Е.Сыклен, О.Л.Ривкинд, А.Р.Корневой; сотрудникам института геохимии Л.А,Филипповой, А.Е.Гапону, Н.А.Китаєву, В.Н.Зонтову, И.С.Ломоносову за многолетнее сотрудничество и помощь в работе; сотрудникам других организаций Э.М. Рябых, В.В.Перфильеву, Е.Л.Емельянову, Э.Ф.Жбанову, И.И.Крицук,
М.М.Омелъченко, А.А.Шиманскому, Л. ЛОркевич, В.П.Богадипа, Н.Е.Малямину, а также Е.М.Квятковскому за советы и помощь во время внедрения и использования автоматизированной системы и рекомендации по разработке методики интерпретации результатов.
Особую благодарность приносит автор научным руководителям работы профессору В.В.Поликарпочкину и профессору М.Л.Платонову за руководство работой, долголетнее сотрудничество и поддержку исследований.
От себя лично и от липа всех, принимавших участие в работе или использовавших ее результаты, автор выражает большую благодарность академику Л.В.Таусону за направление исследований, постоянную поддержку и внимание к работе.
Математические методы обработки геохимической информации
Типические ассоциации элементов выделяются в ходе исследования определенных геохимических систем с точки зрения процессов их формирования. Типические ассоциации имеют большое значение для поисков месторождений полезных ископаемых геохимическими методами, т.к. каждая из изученных ассоциаций является конечным выражением, результатом известного процесса или группы процессов, выявленных теоретическим путем и проявившихся в образовании определенных геологических объектов или целых геолого--геохимических систем. Примером таких теоретических исследований являются работы І.В.Таусона (1961, 1977, 1979, 1982), В.Д.Козлова и др.(1977, 1981) и др. по типизации изверженных горных пород (гранитоидов, латитов и др.). При этом, одна из главных задач состоит в выяснении принадлежности различных фор-мационных типов месторождений к комплексам изверженных горных пород, что имеет не только теоретический смысл, т.к. решает вопросы генезиса, но и практическое значение при оценке масштабов оруденения.
Естественные или природные ассоциации элементов образуются в результате действия многих процессов, происходящих в земной коре и на ее поверхности. Они формируются в различных средах и материалах, в горных породах, почвенном покрове, атмосфере, воде, живом веществе. Естественные ассоциации представляют, как правило, совокупность взаимно-наложенных ассоциаций различного происхождения. Это могут быть ассоциации, свойственные рудному процессу, различным этапам метасоматоза, горным породам. В естественных ассоциациях отражается хронологическая связь элементов, определяемая; последовательностью процессов, и пространственная, которая определяется структурно-геологической обстановкой, ландшафтом, экологией и т.п. Поэтому естественные ассоциации следует рассматривать в совокупности как системы связанных групп химических элементов.
Теоретическим обоснованием совместного нахождения элементов, их ассоциаций, является учение о парагенезе минералов и элементов. Парагенез элементов - это закономерное совместное нахождение элементов в минералах и горных породах, связанных общими условиями образования. А.Е.Ферсман ввел понятие парагена как закона, управляющего сочетанием элементов и их соединений. Параген представляет собой функциональную зависимость от клар-ков элементов, свойств атомов и их ионов, а также от количественных характеристик химических процессов и т.д. Поэтому пара-ген является средством выделения и исследования ассоциаций химических элементов, теоретических, типических и естественных, установления их хронологической и пространственной связи с физико-химическими процессами.
На понятии геохимического поля, кларках и их законах, ассоциациях химических элементов, а также на понятии-о парагенезе элементов, парагене - как законе парагенеза должна базироваться разработка математических основ исследования природных геохимических систем.
Существующие направления развития математических методов. Рассмотрим применяемые типы математических моделей обработки геохимической информации с точки зрения заложенных в них принщшов, базирующихся на определенных геолого-геохимических пред-ставленнях. По общему подходу к обработке существующие методы можно разделить на два направления. Первое, наиболее распространенное, основано на связи геохимического поля с исследуемыми объектами или областями пространства в пределах некоторых геологических границ. По Л.А.Верховской и др. (1981): "геохимическим полем называем такую разновидность геологических полей, где в качестве признаков рассматриваются показатели химического состава исследуемого объекта ... или каждому естественному геологическому телу соответствует определенный участок геохимического поля, отличный по ряду признаков от других участков".
Такое определение геохимического поля логически подводит некоторых авторов к идее использования метода аналогии, в котором исследуемая область (участок) по совокупности, принадлежащих ей признаков и их значений сравнивается с хорошо изученными (эталонными) областями (участками). При достаточно хорошем совпадении характеристик исследуемой области с характеристиками одной из эталонных областей первой приписываются свойства этой эталонной области, возможно, с некоторыми поправками. Характерным для этого подхода является использование априорной информации различного вида, отражаемой обычно в эталонных массивах. Предлагаются различные формальные, математические способы формирования эталонов, приемов работы с ними и рабочими массивами, предназначенными для распознавания. При этом используются всевозможные математические методы: сравнение выборок, корреляционный, регрессионный, дискриминантный, факторный анализы, методы спектрального анализа, трансформация полей и т.д. (Дубов, 1975, 1979; Каргер и др., 1981; Сапрыкин и др., 1981; Ярков-ский, 1981; Лобанова и др., 1981 и т.д.). Такой подход реализован в системе обработки поисковой геохимической информации на ЕС ЭВМ (Рубо и др., 1981) и системы прогнозирования оловянного оруденения (Калягин и др., 1979). В этих системах обработки геологические данные являются основой выделения эталонных объектов, а геохимическая информация служит для построения формальных решающих правил при распознавании или прогнозировании.
Построение одноэлементных геохимических карт
Основные особенности метода многомерных полей. Как видно из схемы математической обработки, метод многомерных полей распадается на ряд математических задач, решаемых на ЗИЛ в определенной последовательности. Одно из главных достоинств состоит в том, что достигается полная автоматизация расчетов при наименьших затратах труда на подготовку информации. Не требуется ее специальной подготовки: составления выборок, переписки документов, предварительного анализа геологических и других данных. Автоматизация обеспечивается прежде всего предложенным способом выделения классов ассоциаций химических элементов, который основан на совмещении процедур автоматической классификации и метода главных компонент - разновидности факторного анализа. Применение к обработке геохимических данных методов классификации и факторного анализа по отдельности не дает удовлетворительных результатов.
Процедура автоматической классификации не решает задачу выделения ассоциаций элементов, так как разделение проб на классы проводится по формальным статистическим критериям с заданием априорной информации, не связанной с сущностью геохимических исследований. Использование факторного анализа для выделения ассоциаций элементов из всей обрабатываемой совокупности проб недопустимо, поскольку исследуемая совокупность может оказаться неоднородной по составу. Поэтому многие исследователи применяют факторный анализ к группе проб, однородных по какому-либо признаку, например, по принадлежности к геологическому телу. Кроме того, в факторном анализе количество факторов не зависит от размеров изучаемого пространства, а следовательно, и типов минерализации присутствующих на нем. Как правило, выделяется 3-4 ведущих фактора, каждый из которых отображается на отдельной карте. Удобное совмещение этих карт невозможно.
В отличие от факторного анализа, в котором оценивается вклад каждого фактора в пробе, в методе многомерных полей пробы рассматриваются как смеси и разделяются на классы по принадлежности их к одной главной компоненте. Тем самым удается перейти от многомерного геохимического полч, представленного множеством полей распределений химических элементов, к более его экономному представлению в виде последовательности даскретных состояний классов ассопиаций.
Таким образом, предлагаемый метод многомерных полей позволяет изобразить на одной карте все выделенные главные факторы, в отличие от факторного анализа, и получить результаты в минимальном количестве документов.
Другая особенность состоит в том, что классы находятся без привлечения априорных допущений как геологического, так и математического характера. Преобразования исходной информации по фону позволяют отказаться от допущения о линейной пространственной зависимости между элементами. Это дает возможность исследователю при интерпретации выводить не только пространственные связи, но и временные соотношения между геохимическими полями. Например, выделять из получаемых классов ассопиаций с привлечением других данных наложенные во времени типы минерализации и т.д.
Следующая особенность метода многомерных полей, отличающая его от известных, заключается в способе построения полей распределений химических элементов. Способ позволяет использовать полностью всю геохимическую информацию об элементах и отобразить особенности их распределения в пространстве. Закономерная картина получается и в тех случаях, когда элементы характеризуются диффузным распределением, с отсутствием отчетливо выраженных аномалий и закономерным изменением концентраций от пробы к пробе, вследствие этого обеспечивается выделение даже слабых аномалий.
В методе многомерных полей учитываются также основные особенности геохимических полей. Они заключаются в том, что данные опробования (содержания элементов) являются непосредственными выражениями свойств пространства, в них отражается прерывистость, скачкообразность, аназотропность его структуры. Эти свойства характерны для любого масштаба исследований. Общие закономерности поведения элемента должны прослеживаться на фоне его резкого изменения, что определяет невозможность существования производных высоких порядков в каждой точке пространства, как это принято в качестве условия в большинстве методов аппроксимации, а также в методе сплайн-функций. Многие процессы и свойства среды порождают диффузное распределение элемента, но тем не менее необходимо устанавливать закономерности изменения содержаний, особенно это относится к малоконтрастным полям лито- и гидрогеохимических потоков рассеяния. При любых операциях осреднения, используемых при построении полей и их анализе, эти закономерности искажаются и нивелируются.
Язык пользователя
Быстрое развитие вычислительной техники, программного обеспечения, и широкое ее распространение в производственных, научно-исследовательских организациях, в том числе и геологического профиля, создали благоприятные условия не только для разработки, но и для практического использования автоматизированных систем обработки геолого-геохимической информации, которые являются наиболее эффективной формой применения математических методов в данной области научной и производственной деятельности.
Существуют различные определения автоматизированной системы (Канторович, 1968; Математическое обеспечение ... , 1979). Разнила между ними состоит, в основном, в определении уровня автоматизации вычислительного процесса, подготовительных и заключительных процедур, обеспечивающих достоверность вводимых данных, наглядность выводимых результатов.
Основной целью любой автоматизированной системы является получение необходимых результатов, исходя из информации, представленной наборами данных любых размеров с минимальными затратами труда на подготовку исходного материала и прохождение задач на ЭВМ. Чем выше автоматизация процесса обработки данных в системе, тем меньше трудовые затраты, необходимые для реализации тех или иных решений, и тем выгоднее ее широкое использование.
Основную роль в автоматизации вычислительного процесса играет совершенство применяемого математического аппарата. Недостаточно формализованное решение задачи приводит к тому, что исследователь вынужден принимать решение в процессе счета о использовании того или иного метода, вносить коррективы или дополнительную информацию. Такой процесс нельзя признать полностью автоматизированным.
Фундаментом любой автоматизированной системы обработки информации, в том числе и геохимической, являются программы, реализующие математические метода. Все другие программы.являются вспомогательной надстройкой в автоматизированной системе. Они по отношению к ядру системы, программам математической обработки, являются сервисными и служат целям облегчения практической эксплуатации системы.
Ядром описываемой системы являются программы, реализующие метод многомерных полей, который разрабатывался с целью наибольшей автоматизации решения рассматриваемых задач.
Этим же целям служит структура системы, при разработке которой были приняты следующие основные принципы: 1) Иерархичность системы. Система представляет собой совокупность в разной степени функционально связанных друг с другом подсистем, которые в свою очередь содержат группы программ. 2) Минимум информационных связей между подсистемами и между группами программ в подсистемах. 3) Стандартизация представления информации, обращающейся внутри системы. 4) Отказ от хранения необрабатываемой в данный момент информации в оперативной памяти. Весь обмен массивами между программами осуществляется через магнитные диски или магнитные ленты. 5) Доступность информации для других систем обработки. 6) Открытость системы для возмошіого изменения ее конфигурации и функциональных возможностей. 7) Обеспечение возможности контролируемого прерывания процесса обработки и его рестарта для нескольких задач. 8) Мультизадачность, под которой в данном случае понимается возможность производить обработку средствами автоматизированной системы более одного задания администратора. 9) Простота управления работой системы. Для управления работой системы должно быть достаточно уровня подготовки оператора ЕС ЭВМ, который обеспечивает выполнение обычного (в смысле принятом в ОСЕС) задания, подготовленного администратором системы. 2. Язык пользователя
Простота пользования системой может быть обеспечена с помощью различных приемов в зависимости от принятых или ее разработке задач, целей и способов их реализации. Б данном случае для управления работой системы создан специальный язык (язык пользователя или язык администратора), который условно, для удобства описания, можно поделить на язык заданий (директив) и язык описания данных. Термины этого языка и их семантика приведены в таблице I (пункты I и П). Язык директив используется для формулирования списка функций, выполнение которых в заданной последовательности планируется осуществить в конкретном сеансе работы системы. Язык описания данных обеспечивает указания системе с какими конкретными данными система будет работать в данном сеансе работы. Коды языка описания данных и их семантика приведены в таблице I (пункты Ш и 17).
Гидрогеохимические потоки
Одноэлементные и многомерные геохимические карты, полученные описанными выше методами, несут большую.нагрузку, отражают многочисленные связи процессов и т.п. Практика показала, что указанные карты можно применять для решения широкого круга задач. Это получается потому, что обеспечивается необходимое равновесие между количественными математическими методами и в то же время используются знания и интуиция исследователя. Направление построения карт предполагает его участие на конечном этапе - в интерпретации полностью автоматически полученных на ЭВМ результатов. Он проводит содержательный геохимический анализ. Таким образом получается один из оптимальных вариантов взаимодействия "ЭВМ-геолог".
Исследование распределений отдельных химических элементов чрезвычайно важно для геохимических исследований. Предлагаемые в работе алгоритмы позволяют получать поля для различных видов геохимических съемок и имеют потенциальные возможности дальнейшего развития. Математические методы построения одноэлементных карт должны совершенствоваться и в дальнейшем с учетом автоматических средств ввода данных о рельефе местности и других характеристик пространства. Именно в развитии и использовании современной вычислительной техники для построения карт заключается возможность привлекать, наряду с геохимической, информацию геофизическую, геологическую, геодезическую и др., также часто хранящуюся в виде карт.
Одноэлементные карты, полученные описанными выше методами, дают количественную оценку распространения элементов. Причем, как это было изложено выше, зачастую прослеживаются закономерности и при диффузном распределении элемента, выделяются даже небольшие по размерам поля аномальных концентраций.
При изображении одноэлементных карт рекомендуется оптимальный вариант - совмещение способов изображения в изоконпентратах с штриховкой или раскраской. На таких картах ярко выделяются зоны повышенных содержаний элемента, области его концентрирования и рассеяния. Этому способствует способ вывода карт с ЭВМ. Карты выдаются в виде символов АЦПУ, каждый из которых обозначает принадлежность к определенному интервалу содержаний.
Одноэлементные карты в зависимости от задач геохимических исследований и способа отбираемого материала, используются для установления закономерностей и характера распределения отдельных химических элементов, установления связи между элементами и горными породами, выделения и трассирования рудных зон, месторождений, тел и т.д. Использование одноэлементных карт помогает раскрытию процессов, проходящих в зоне гипергенеза.
Цель интерпретации многомерных геохимических карт - выделение естественных (природных) ассоциаций химических элементов и объяснение их распределения в пространстве. При этом важнейшим моментом является отказ от априорного выделения объектов, ассоциации для которых хорошо изучены. По появлению неизвестных ранее ассоциаций выделяются новые типы объектов.
Методика интерпретации многомерных геохимических карт состоит в том, что полученные классы объединяются в группы, в каждой из которых выделяется ассоциация химических элементов. Соответствующие им поля связываются с теми или иными горными породами, относятся к рудным или объясняются другими причинами (гипергенные аномалии, загрязнение окружающей среды и т.п.).
Каждая группа ассоциаций характеризуется определенным набором элементов с повышенными коэффициентами контрастности, а отдельные ассоциации, входящие в группу, отличаются по КК этих элементов. В зависимости от масштаба и вида геохимической съемки карты используются для решения различных задач. По положению аномалий устанавливаются закономерности распределения месторождений. Карты машинного построения дают возможность обнаруживать и трассировать рудные зоны и их ореолы. Кроме того, для различных сечений рудных тел, зон и месторождений характерны свои ассоциации элементов. Сменой этих ассоциаций определяется геохимическая зональность.
Ниже приведены примеры интерпретации одноэлементных и многомерных геохимических карт для некоторых видов геохимических съемок. При этом использованы материалы различных исследователей, опубликованные ранее в научных трудах или производственных отчетах.
