книги из ГПНТБ / Журавлёв, Ю. И. Алгоритмы вычисления оценок и их применение [монография]

§ 1. Применение алгоритмов вычисления оценок в решении задач математической геологии

Использование идей и методов прикладной математики и ки­ бернетики в геологии привело к созданию специальных эффектив­ ных методов обработки больших массивов геологической инфор­ мации.

Многочисленные успешные попытки применения математиче­ ских методов в геологии (прогнозирование месторождений золота, никеля и т. д.) позволяют утверждать, что систематическое исполь­ зование их не только намного повысит эффективность поисковых и разведочных работ, но и обеспечит выявление новых мощных месторождений.

Этими методами за сравнительно короткое время можно ре­ шить, например, следующие задачи:

а) выделение наиболее важной группы поисковых признаков для данного типа месторождения;

б) выявление наиболее перспективных участков по каждому виду полезных ископаемых;

в) проведение оконтуривания месторождения; г) установление в ряде случаев точных координат начала

поиска.

Ниже сосредоточим основное внимание на решении с помощью алгоритмов вычисления оценок двух задач — определения меры важности геологических признаков и факторов, а также классифи­ кации геологических однородных блоков по степени их перспек­ тивности.

В практике геологических и поисково-разведочных работ геоло­ гическое прогнозирование проводится повсеместно, систематически, во всех масштабах и в некоторых случаях прогноз может быть дан в категориях запасов. Примером практического прогнозирования являются планы прироста запасов, увеличение фонда площадей для разведки и поисков и т. д.

Во всех случаях геологического прогнозирования выделяются следующие задачи исследования [73]:

1)разработка поисковых критериев и признаков нахождения определенных месторождений;

2)установление характера и меры связи месторождений с каж­ дым данным критерием, признаком;

3)изучение изменчивости и распределения критериев в геоло­ гическом пространстве;

4) собственно геологическое прогнозирование — обоснование ожидаемого распределения месторождений, перспективных площа­ дей и запасов полезных ископаемых.

При научной разработке поисковых критериев важное значение имеют аналогии. Вместе с тем, широкое некритическое пользование аналогиями составляет основной источник просчетов и ошибок. Аналогии — это лишь частичное сходство между различными пред­

70

метами, явлениями в определенных отношениях, поэтому, проводя аналогии, нужно руководствоваться логическими признаками. При исследовании явлений с помощью аналогий должны и могут играть чрезвычайно важную роль количественные методы оценок с приме­ нением различных алгоритмов и процедур распознавания. Именно в таких задачах ярко и естественно могут проявиться эффективность принципов определения меры важности признаков (факторов) и объектов в изучаемых системах.

В настоящее время в геологическом прогнозировании достигнут такой уровень, когда в анализ могут и должны вовлекаться все факторы минерагении, а при оценке использоваться все критерии и признаки.

Локализация оруденения, как правило, происходит под влиянием многих причин, рассматриваемых как факторы размещения (фр).

При составлении детальных и крупномасштабных геологопро­ гнозных карт на отдельных объектах учитывается большое количе­ ство (свыше 50) факторов, которые могут быть объединены в сле­ дующие группы.

1. Структурные факторы, характеризующие внешнюю обста­ новку минерагении. Тектонические и физико-механические факторы обусловливают физическую обстановку, литологические и петрохимические — химическую. Эти факторы доступны для непосред­ ственного изучения и определяют геологическую позицию место­ рождения.

2. Генетические факторы, характеризующие внутренние силы минерагении. Минералогические и геохимические факторы свиде­ тельствуют о внутреннем состоянии минерагеническнх агентов, а магматические, геотектонические, палеогеографические — о внеш­ них условиях действия минерагеническнх агентов. Взаимодействие этих факторов составляет геологический процесс минерагении. Они изучаются по конечным продуктам — магматическим, литоло­ гическим, минеральным формациям, характеризующим генетиче­ ский тип месторождения. Известное значение при их изучении бу­ дут иметь эксперименты.

Вотдельную группу следует объединить поисковые признаки.

Вобщем виде это ореолы различного типа и генезиса.

Значимость отдельных факторов и признаков для концентрации полезного ископаемого можно установить сравнительно легко с по­ мощью фактических данных и аналогий.

Труднее получить интегральные оценки значимости геологиче­ ских позиций, так как возникает проблема относительной значимо­ сти факторов, их информативности.

Здесь еще раз уместно подчеркнуть значение вычисления и ана­ лиза меры важности факторов. Трудности, связанные с интеграль­ ной оценкой геологических позиций, во многом могут быть сняты при применении тех или иных количественных и логических аппа­ ратов вычисления информационного веса.

71

Аспекты проблемы количественного прогнозирования, при кото­ рых могут быть так или иначе использованы результаты вычислений меры важности факторов (признаков), можно сформулировать сле­ дующим образом:

а) количественная оценка геологических явлений массовыми методами;

б) количественная оценка рудоконтролирующих факторов, определяющих минерагению района;

в) сравнительная и абсолютная величины значимости фак­ торов;

г) интегральная оценка геологических позиций; д) количественное прогнозирование запасов, типы геолого­

прогнозных и минерагенических карт.

Количественная оценка геологических явлений позволяет уста­ новить между ними корреляционные связи и учитывать их влияние на минерагению не путем умозаключений, а в цифрах. Интенсив­ ность проявления геологических явлений оценивается или в абсо­ лютных цифрах или в относительных баллах.

В практике обычно применяются две шкалы оценок: пятибалль­ ная и трехбалльная, и фактические оценки по баллам являются основой всех дальнейших исследований.

Частные геологические явления представляют собой элементы тех более общих явлений, которые называются факторами, контро­ лирующими размещение минерализации [73].

По признаку масштаба и характера влияния выделяется три класса факторов: рудогенические (РГ), рудоконтролирующие (РК) и рудолокализующие (РЛ).

Рудогенические факторы определяют время минерализации, место его в широком геотектоническом плане и тип полезного ис­ копаемого. Это — факторы регионального значения.

Рудоконтролирующие факторы создают условия, благоприятные для проникновения минерализующих субстанций к местам минералообразования.

Рудолокализующие факторы характеризуют конкретные условия локализации оруденения.

Относительное значение этих трех групп неодинаково как само по себе, так и в зависимости от масштабов прогнозирования, при­ чем каждый фактор имеет различную интенсивность проявления и изменчивость и, следовательно, различную меру влияния на раз­

числом и мерой (информационным весом) — необходимое условие обеспечения конкретности прогноза.

Для конкретного прогнозирования решающее значение имеют рудоконтролирующие и рудолокализующие факторы. В силу боль­ шого многообразия факторов быстрое и надежное, а, главное, объ­ ективное определение характера, силы связи и важности их оказы­

72

вается возможным лишь при условии применения ЭВМ и эффек­ тивных методов обработки больших массивов информации. При­ менение методов и средств современной кибернетики с одновремен­ ным использованием накопленного опыта геологических исследова­ ний может дать лишь положительный результат.

Учет важности и информативности рудоконтролирующих фак­ торов осуществляется по относительной балльной шкале, которая строится следующими способами.

1. Подсчет и нормировка частоты встречаемости данного фак­

§3 гл. III.

2.Статистический учет количества запасов руды, приходящихся

на рудные тела, сформированные при участии данного фактора. В каждом рудном теле выделяется главный фактор, и запасы (в объеме руды) суммируются по этому фактору. Затем осуществля­ ется переход к шкале баллов путем приведения полученных значе­ ний к общему наименьшему знаменателю.

3.Обработка числовой информации методами математической статистики, проводимая с помощью средств малой счетной техни­ ки — табуляторов и т. п.

4.Учет факторов, определение их важности путем алгоритми­

ческой обработки числовой и другой количественной информации с применением ЭВМ, что позволяет стандартизировать процедуры вычислений так, что становится возможным использовать одни и те же программы на других подобных задачах.

Оценка проявления интенсивности, важности, изменчивости рудоконтролирующих факторов, полученная в баллах или другими способами (с помощью алгоритмов распознавания), применяется так или иначе на всех последующих этапах геологических исследо­ ваний: при сравнении значимости факторов, относительном и коли­ чественном сопоставлении, интегральной и количественной оценке геологических позиций, количественной характеристике однородных блоков с точки зрения перспективности и т. д.

Из описанного выше ясны необходимость и роль изучения ме­ ры важности геологических признаков (факторов) при прогнозиро­ ванииместорождений. И в этом плане разработка и применение обоснованных как в формальном, так и содержательном смысле принципов введения и эффективного вычисления меры важности признаков являются весьма актуальными и исключительно необхо­ димыми вопросами.

С целью изучения практических возможностей внедрения алго­ ритмов вычисления оценок для решения задачи классификации в качестве объекта исследования было выбрано детально обследо­ ванное полиметаллическое месторождение с согласным залеганием оруденения (на западе Узбекистана). В 1962 г. Т. М. Марипов, А. В. Поваров и другие [54] составили структурную карту место-

73

Границами граней служат ребра, являющиеся осями мелких складок продольного и широтного направлений и осложненных раз­ рывными нарушениями. Всего в пределах площади карты выделено 119 таких граней (блоков). С целью разделения блоков по степе­ ням перспективности были собраны единообразные данные, харак­ теризующие основные факторы размещения оруденения на место­ рождении по программе, представленной в форме журнала

(табл. 1).

Т а б л и ц а 1

Перечень геологической информации для комплексной интерпретации на ЭВМ месторождения

Структурная позиция блоков определяется расстояниями от разломов продольного и косого направлений и элементами залега­ ния блоков (азимут и угол падения рудоносного горизонта в пре­ делах блока). Из всех факторов (табл. 1), характеризующих каж­ дый блок, для опенки рудоносности непосредственно было исполь­ зовано 17 (табл. 2); остальные не были взяты из-за неполноты имеющейся информации.

Таким образом, оценку рудоносности каждого блока обуслов­ ливают азимут падения, угол падения, расстояния от разломов, от осей антиклинальных складок, структурные позиции, мощности ру­ довмещающих толщ.

Учитываемые факторы имеют соответствующие интервалы варь­ ирования и могут проявляться в достаточно широких диапазонах. Так, азимут падения, являющийся элементом залегания, может изменяться в пределах 0—360°, угол же падения — в пределах 0—-90°, мощности свит, оцениваемые в метрах, могут принимать значения в интервалах 100—150 м. В то же время оценка струк-

74

рождения в изогипсах кровли рудоконтролирующего горизонта, на которой отражены основные морфологические особенности продоль­ ных и секущих разломов. В результате сочетания мелких складча­ тых и разрывных деформаций поверхность рудоносного горизонта приобрела сложное и коробленное строение. Геометризация ее при составлении структурного плана в изогппсах позволяет оконтурить грани этой поверхности выдержанными в определенных пределах элементами залегания.

В строении площади рудного поля участвуют осадочные, вулка­ ногенные и карбонатно-терригенные отложения палеозоя. Извер­ женные породы непосредственно на площади рудного поля отсут­ ствуют.

Полиметаллическое оруденение приурочено к определенным стратиграфическим горизонтам свит (нижней и верхней) со слож­ ным доломитизированным известняком, доломитами с прослоями алевролитов, аргиллитами и гравеллитами среднего девона [54]. Структура месторождения представляет собой горст-антиклиналь.

Детальный анализ размещения оруденения месторождения по­ казывает, что решающую роль в локализации оруденения играют литологический и структурный факторы. Литологический фактор выражается в том, что подавляющая масса оруденения заключена в нижней и верхней свитах. В числе структурных факторов выде­ ляются складчатые и разрывные деформации, обусловливающие появление многих простых и сложных морфогенетических типов рудных тел.

В зависимости от сочетания складчатых и разрывных наруше­ ний площадь разделяется на ряд блоков, имеющих определенные геологические позиции. Как правило, в определенной позиции про­ является ограниченное количество (два-три) типов тектонических деформаций. Поэтому в их пределах могут присутствовать рудные тела одного-двух морфогенетических типов.

На основе этих положений для исследуемого месторождения были выделены следующие структурно-геологические позиции.

I. Северное крыло антиклинали вне зоны влияния разломов. II. Северное крыло антиклинали в зоне влияния продольных

разломов.

III. Северное крыло антиклинали в зоне влияния секущих разломов.

IV. Северное крыло антиклинали в зоне влияния секущих и продольных разломов.

V. Сводовая часть антиклинали в зоне влияния продольных разломоь.

VI. Сводовая часть антиклинали в зоне влияния продольных и секущих разломов.

VII. Южное крыло в зоне влияния продольных разломов. VIII. Южное крыло вне зоны влияния разломов.

IX. Южное крыло в зоне влияния секущих разломов.

75

Т а б л и ц а 2

Пример кодировки блоков

\

—

•$119 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 — — - — — —

турно-геологической позиции блока проводится строгим установле­ нием факта принадлежности грани к одной из выделенных позиций (I—IX) и в этом смысле структурно-геологическая позиция опре­ деляет качественный показатель, принимающий значения строго 1 или 0. Поэтому геологические позиции (I—IX) с самого начала мо­ гут рассматриваться как отдельные факторы (признаки) объектаблока с бинарным алфавитом.

Следовательно, вся накопленная об объектах информация, сис­

чения из некоторых произвольных числовых алфавитов, а другая — из бинарного алфавита.

Как вычисление информационных весов факторов таблицы объ­ ектов, так и последующая классификация блоков в силу указанных в главе II и III особенностей алгоритмов вычисления оценок и про­ цедур подсчета голосов могут быть проведены с использованием произвольных значений (алфавита) признаков. Однако, учитывая установившуюся традиционную форму представления геологиче­ ской информации в задачах распознавания, в дальнейшем мы ис­ пользовали способ выделения по признакам интервалов, их воз­ можных значений и представления таким образом всей таблицы в виде бинарной.

Интервалы, на которые разбиты значения каждого параметра, и пример кодировки блоков, приведены в табл. 2. Если значения признака попадают в какой-нибудь интервал, то в соответствую­ щем разряде ставится единица, а в остальных разрядах данного фактора нули.

Рассмотрим для примера блок Si (табл. 2): азимут падения находится в пределах 0—90°; угол падения — 61—90°, расстояние от разлома продольного—28 (попадает в первый интервал 0—101), от косого — 139 м, расстояние от оси крупных антиклинальных складок — 101 м, геологическая позиция — 1, т. е. северное крыло антиклинали вне зоны влияния разломов. По данному блоку ин­ формация по признакам 18—21 и 31—36 отсутствует, т. е. неизвест­ ны расстояния от осей мелких антиклинальных складок и мощно­ сти рудовмещающих толщ.

Анализ представления блоков (табл. 2)' показывает, что при­ знаки принимают значение алфавита (0,1, —}. Поэтому при вычи­ слении информационных весов просчет проводится дважды: в пер­ вый раз прочерк заменяется единицей, во второй — нулем. За вес принимается среднее от двух вычислений. Функция близости меж­

Учитывая, что различные длины k голосующих наборов обес­ печивают различную степень «контрастности» при группировке признаков по значениям их информационных весов, вычисляем вес

77

мендациями [18].

Для удобства вычислений и оформления программы информа­

где /7г = 119, Sf , ^ — сравниваемые пары объектов (блоков).

В результате реализации программы на ЭВМ «БЭСМ-6» полу' чены следующие значения информационных весов:

Значения меры важности геологических факторов без разделе­ ния их на интервалы (при учете геологических позиций за отдель­ ные факторы) сведены в табл. 3.

Т а б л и ц а 3

78

Упорядочение информационных весов признаков и мер важно­ сти геологических факторов по их убыванию позволяет выявить

Р-

0,25 .

0,20 .

рис. 1 и 2 ).

С геологической точки зрения полученные результаты интрепретируются следующим образом.

Основными носителями информации о геологических блоках являются мелкие складчатые структуры, структурные позиции: южное крыло — в зоне влияния секущих разломов, сводовая часть антиклинали — в зоне влияния продольных разломов, северное крыло антиклинали — в зоне влияния продольных разломов и юж­ ное крыло — в зоне влияния продольных разломов, т. е. оптималь­ ные сочетания складчатых структур с продольными рудоподводящи­ ми разрывными нарушениями. Как правило, разломы, параллельные осям складчатых структур, являются безрудными. В зонах влияния разломов данного района в рудовмещающих толщах образуется мелкая складчатость, благоприятствующая размещению оруде­ нения.

Из группы «элементы залегания» наиболее информативны по­ логое падение рудоносного горизонта — в пределах 0—30°, азимуты падения 271—360°. Это объясняется тем, что позиции с пологими падениями, направленные навстречу Северному разлому рассмат­ риваемого района, более рудоносны (данный разлом является ру­ довыводным каналом). Участки же с крутыми падениями менее рудоносны и соответственно менее информативны.

Таким образом, все признаки, участвующие при обработке, можно разделить на три группы:

1 ) наиболее информативные (имеющие порядковые номера (см, выше значения информационных весов, рис. 1) 20, 26, 30, 21, 23, 18, 5, 19, 29, 4, 11, 24 и 6);

2)переходные (17, 34, 35, 31, 14, 33, 32, 36, 22, 27, 25);

3)малоинформатнвные (все остальные). •

79