Геосистема, изменчивость свойств горных пород, геологическое тело - однородность и ее оценка - Геоинформатика

Одной из главных задач инженерной геологии на современном этапе ее развития является исследование закономерностей пространственно - - временной изменчивости компонентов геологической среды. Геологическая среда является объектом наук геологического цикла, а следовательно, объектом инженерной геологии. Под геологической средой понимают минеральное вещество, находящееся в твердом, жидком и газообразном состояниях, и присущие ему физические поля. Геологическая среда как правило, представляет собой трехфазную систему (Бондарик, 1989). С общетеоритических позиций любая часть земной коры может быть рассмотрена как определенным образом организованная геологическая система.

И. С.Комаров (1972) под системой понимает совокупность любых элементов, независимо от их природы и субстанции, если этой совокупности присуща определенная внутренная организация, а все слагающие ее элементы рассматриваются во взаимной связи и обусловленности как единое связное тело. В геологических системах - толщах или массивах горных пород - роль отдельных элементов выполняют слои, линзы или геологические тела иной формы, сложенные различными горными породами или комплексами горных пород вместе с насыщаюшими их подземными водами. Из приведенного видно, что геологичекая система сложна, по своей структуре, строением и другими характеристиками. Такая сложность, особенно когда приходится расчленять толщи породы на геологические тела, и изучать распределения свойств горных пород в пространстве, обуславливает обратиться к различным методам схематизации представления о геологическом, геоморфологическом строениях, а также о гидрогеологических, инженерно-геологических и геоэкологических условиях исследуемой территории.

И. В.Круть (1973) под системой понимает предмет, состоящий из других предметов (подсистем-элементов), которые находятся в заданных отношениях между собой и обладают фиксированными свойствами. Совокупность отношений и связей предметов - подсистем является структурой системы. Структура системы определяется как выбором объекта, рассматриваемого в качестве системы, так и принятым расчленением его на элементы, на подсистемы. Совокупность системообразующих факторов (вещей, отношений, свойств), обеспечивающая целостность системы, взаимообусловленность ее элементов, их структурно-функциональное единство, называется организацией системы. Структура системы, т. е. отношения ее элементов, имеет пространственно-временной характер. Пространственный аспект структуры отражает порядок расположения элементов в системе. Временной характеризуется сменой состояния системы во времени и следовательно отражает движение системы (Бондарик,1981).

Математические методы в инженерной геологии могут быть применены лишь в сочетании с глубоким анализом причинных связей с естественно - историческими факторами, обуславливающими ИГУ исследуемого района, т. е. определенного пространства. Поэтому, в первую очередь, возникает вопрос о выделении и описании геологических пространств в пределах исследуемой территории и установление их граничных условий. За такое пространство может быть принято геологическое тело. Термин "геологическое тело" использован в работах Н. В.Коломенского (1956),Н. П.Хараскова (1967), Воронина (1964), Г. К.Бондарика (1971,1977,1981). Для выделения геологических тел используют те или иные наборы геологических параметров. Термин "геологический параметр" употребляется для обозначения какого-либо состава, состояния, свойств, структуры или текстуры горной породы.

Методика проведения горно-буровых работ и опробования пород при геоэкологических съемках и разведке основывается на теории изменчивости свойств пород, рассматривающие общие закономерности распределения состава и свойств пород в пространстве и во времени. Изменения в пространстве и во времени свойств пород называется их изменчивостью.

Различаются два аспекта изменчивости свойств пород: пространственный и временной (Бондарик, 1971). Выделение этих аспектов отражает объективно существующее различие свойств породы в пределах выделенной области пространства в любой момент времени и изменение свойств породы, обусловленное изменением ее состава, состояния и структуры в ходе истории геологического развития. При решении широкого круга геоэкологических задач, например, при изучении изменения и прогнозе геологической среды под влиянием техногенного воздействия, в частности орошения земель, необходимо начать исследования (анализ) с изучением пространственно-временной изменчивости свойств горных пород. Пространственную изменчивость геоэкологических параметров изучают при региональных исследованиях, а временную изменчивость геоэкологических параметров изучают при режимных наблюдениях. Если имеем необходимый геологический параметр в одной точке породы на разные периоды геологической времени, то построенный график изменения параметра во времени можно разложить: коррелированное по геологическому времени изменение параметра (тенденция к возрастанию или снижению - нестационарный случай) и на локальные в пределах некоторых промежутков времени изменения параметра, проявляющимся на фоне корреллированного по геологическому времени изменения параметра. Реализация геологического параметра по геологическому времени получить принципиально невозможно, но в ходе режимных инженерно - геологических наблюдений имеется возможность проследить конец реализации геологического параметра во времени, соответствующий современному периоду. В этом случае время рассматривают в физическом смысле как реальную величину, которую можно непосредственно измерить каким - либо способом с той или иной точностью. Различные инженерно-геологические наблюдения сводятся к непрерывной или дискретной, в зависимости от принятой методики и оборудования, регистрации величин исследуемого показателя свойств пород и отвечающих им промежутков времени. Изменение геологических параметров во времени, фиксируемое или режимных инженерно-геологических исследованиях, обусловлено динамикой физико-географической обстановки или хозяйственной деятельностью человека (инженерно-геологические процессы).

Пространственную изменчивость изучать проще, чем в отличие от временной изменчивости, ее можно исследовать измеряя интересующие параметры в определенном объеме пород, выделенном в соответствии с принятыми критериями, а затем на основании данных этих измерений делать вывод о ее характере. Исследования пространственной и временной изменчивости свойств пород подробно рассматриваются в следующих главах работы.

Рассмотрим вопрос о выделении и установлении границы распространения геологических тел на основе их неоднородности, т. е. разграничение геологических объектов по признакам.

Под геологическим телом следует понимать некоторую занятую геологической средой связанную область пространства, внутри которой остаются непрерывными те геологические параметры, на основе которых выделена граница этой области (Бондарик и др., 1976). При первичном выделении геологических тел в качестве критерия часто используют не количественные признаки однородности показателей свойств горных пород, а качественные. Такое разграничение не всегда позволяет достоверно установить границы их местоположения.

При построении инженерно-геологических карт, требующих количественного обоснования, с объективным выделением границ геологических тел целесообразно использовать геолого-математические методы. Пользуясь ими, можно доказать, различаются ли существенно по показателям свойств грунтов выделенные геологические тела и не следует ли провести более дробное деление. Количественный характер информации позволяет разрешить задачу обоснованного и формализованного разграничения геологических тел.

Для оценки однородности геологических тел пользуются статистическими критериями - Бартлета - B/C, Кохрана - G, Стьюдента - t, Фишера - F, H - критерий, Родионова - VK, дискриминатора - ZO, методы распознавания образов, с применением цепей Маркова и др.

В практике инженерно-геологических исследований нередко возникают задачи, требующие сравнения результатов двух или нескольких выборок по показателям инженерно-геологических свойств грунтов. Эти выборки могут быть результатами анализов образцов, отобранных из различных частей исследуемой толщи горных пород (в этом случае необходимо оценить их по какому - либо показателю свойств пород) с применением различных методических приемов или технических средств. Эти задачи решаются по одной схеме. Если сравнивают две выборки, то нулевая гипотеза сводится к утверждению, что обе сравниваемые выборки представляют собой одну генеральную совокупность. Если нулевая гипотеза принимается, у нас нет основания считать, что выборки отличаются друг от друга. В случае непринятия нулевой гипотезы различие между выборками можно считать доказанными.

При неравных объемах выборок для оценки однородности свойств грунтов можно воспользоватся критерием Бартлета, а при равных объемах выборок используется критерий Кохрана ( Мирахмедов, 1977; Грифитс,1971). Для сравнения двух выборочных совокупностей по величине средних пользуются критерием Стьюдента (Комаров,1972). По критерию Стьюдента предполагается обе выборки отбирать из одной генеральной совокупности с дисперсией S2. Отсюда вытекает следствие о равенстве выборочных дисперсий S12=S22. Если это положение не выполняется и дисперсии значительно различаются, это может привести к увеличению значения t и неправильному выводу о значимом расхождении между средними, во избежании ошибок, рекомендуется предварительно сравнивать дисперсии, используя для этого критерий F. Вновь нулевая гипотеза формируется в том смысле, что S12 и S22 являются оценками одной и той же дисперсии генеральной совокупности, а различие между ними носит случайный характер. Для проверки нулевой гипотезы пользуются критерием Фишера. Метод H - критерий заключается в сравнении двух выборок по значениям коэффициентов изменчивости показателей свойств грунтов.

Задача разграничения геологических тел усложняется при их дифференциации по комплексу показателей свойств грунтов. Для установления таких границ применяются математические методы. В этом случае можно проверить гипотезу о принадлежности одно - или многомерной выборки каких-либо инженерно-геологических показателей свойств грунтов к данной генеральной совокупности. Если проверяемая выборочная совокупность окажется неоднородной, необходимо ее разделить по принятым критериям на однородные части, выделив таким образом границы геологических тел по комплексу показателей свойств грунтов. Имеется два метода: метод дискриминатора - ZO, предложенный М. Е.Деминой и О. М.Калининым, метод, основанный на использовании критерия Vk, предложенный Д. А.Радионовым.

В первом случае вычисляется дискриминатор двух выборок, принадлежащий одному геологическому телу по комплексу показателей свойств грунтов:

K X1i - X2i 1 K X21i - X22i

ZO = ----------- XI с порогом L = --- ---------------

I=1 SI2 2 I=1 SI2

Где K - количество показателей свойств грунтов;

X1i - среднее значение показателя для первой выборки;

X2i - среднее значение показателя для второй выборки;

X I - частотное значение показателя;

SI2 - сводная дисперсия показателя по двум выборкам.

1 N1 n2

SI2 = -----------[ (X1ij - X1i )2 + (X2ij - X2i )2]

N1 + n2 -1 J=1 j=1

Где X1ij и X2ij - значение i-показателя в первой и второй выборках;

X1i и X2i - средние значения i показателя в первой и второй выборках;

N1 и n2 - объемы первой и второй выборок;

L - порог, т. е.точка на прямой с отложенными значениями дискриминатора, соответствующая граница между двумя исследуемыми зонами (выборками).

Сущность второго метода, критерия Vк-Родионова, в том, что геологическое тело рассматривается как некоторая статистическая совокупность Q, которая состоит из nM - мерных случайных величин. Ее однородность оценивается по характеру распределения значений некоторой случайной величины Vк. В случае спpаведливости гипотезы однородности значения Vк распределяются по закону.

2,f с f - степенями свободы при заданном уровне значимости - . Задача разграничения геологических тел состоит в проверке соответствия фактического распределения всех составляющих одного или нескольких геологических тел по закону 2,f. При этом изучаемую совокупность обычно разбивают на части и для каждой из них определяют значение Vк, вычисляемое по формуле:

N - 1 M [(n-k) XIj - k XIj ]2

Vк = - ----- ---N----I=1------ NI=k+1------------

N k(n-k) J=1 X2Ij - 1/n ( XIj )2

I=1 i=1

Где n - число членов в совокупности;

K - порядковый номер части разбивки;

M - число показателей свойств горных пород;

XIj - значение показателей свойств горных пород;

Для оценки вычисленного значения Vк из таблицы находят теоретические значения 2,f при данных f и (Родионов,1968). Если Vк< 2,f, то изучаемую часть совокупности можно считать однородной по тем показателям свойств грунтов, по которым вычислялось значение Vк.

Похожие статьи




Геосистема, изменчивость свойств горных пород, геологическое тело - однородность и ее оценка - Геоинформатика

Предыдущая | Следующая