Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Корректная методика интер- и экстраполяции инженерно-геологической информации на основе анализа статистической структуры полей геологических параметров

ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Кулакова, Наталья Евгеньевна

Введение

Глава 1. Состояние вопроса

1.1.0 свойствах геологической информации

1.2. Понятие инженерно-геологической информации и ее свойства

1.3. Понятие переноса информации и правила использования инженерно-геологической информации при ее переносе

1.4. Методы переноса геологической, в том числе инженерно-геологической, информации и понятие радиуса переноса информации

Глава 2. Теоретическое обоснование возможности разработки корректной методики интер- и экстраполяции геологической информации

2.1. Пространственно-временная изменчивость как фундаментальное свойство геологической материи

2.2. Неоднородность как следствие пространственно-временной изменчивости геологической материи

2.3. Геологический параметр как количественная мера любого качества литосферного пространства

2.4. Понятие пространственно-временной композиции геологических параметров

2.5. Понятие поля геологического параметра

2.6. Понятие структуры поля геологического параметра

2.7. Определение главных направлений изменчивости свойств

2.8. Понятие однородности поля геологического параметра и страниц методы ее проверки

2.9. Понятие нормального распределения геологического параметра, его показатели и методы его проверки

2.10. Понятие немарковскости свойств геологических параметров

Глава 3. Методика расчета интервала переноса информации

3.1. Описание категории геологических тел, принятой для расчетов в настоящей работе, и обоснование ее выбора

3.2. Описание показателей свойств пород, использованных в расчетах настоящей работы, и обоснование их выбора

3.3. Описание изучаемых в настоящей работе генетических типов четвертичных отложений. Таблицы средних значений (по шурфу) оценок показателей свойств пород, исследованных в главных направлениях изменчивости

3.4. Расчет описательных статистик для подтверждения гипотезы однородности полей геологических параметров, использованных в настоящей работе, и закона нормального распределения

3.5. Алгоритм расчета интервала переноса геологической информации, Y, при исследовании различных показателей изучаемых генетических типов четвертичных отложений по главным направлениям изменчивости для различных уровней доверительной вероятности

Глава 4. Рекомендации по применению результатов исследований

4.1.0 стадиях производства инженерно-геологических работ и значениях доверительной вероятности при получении инженерно-геологической информации

4.2. О различиях в значениях интервала переноса информации для разных генетических типов четвертичных отложений и разных показателей свойств пород

4.3. Рекомендации по расположению пунктов получения инженерно-геологической информации

4.4. Возможность использования полученных значений интервала переноса информации для направлений, отличных от главных направлений изменчивости свойств

4.5. Итоговые таблицы значений интервала переноса информации, рассчитанных для различных показателей свойств четвертичных отложений (соответственно уровням доверительной вероятности), исследованных по главным направлениям изменчивости

4.6. Использование значений интервала переноса информации для дочетвертичных отложений и применение графиков автокорреляционной функции для определения интервалов переноса информации при значениях доверительной вероятности, не рассмотренных в настоящей работе

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Корректная методика интер- и экстраполяции инженерно-геологической информации на основе анализа статистической структуры полей геологических параметров"

Данная работа посвящена разработке и научному обоснованию методики расчета интервала переноса информации при ее интер- и экстраполяции и применению методики в процессе составления геологических, в том числе инженерно-геологических, отчетов, заключений и графических материалов (главным образом, разрезов и карт, являющихся самыми распространенными графическими информационными моделями в практике современных изысканий.). Результаты научных разработок автора могут быть использованы для обоснования объективных, опирающихся на геологические, статистические и аксиологические (целевые) критерии, рекомендаций по оценке расстояний между пунктами получения информации (точками наблюдений, скважинами и т. д.). Кроме того, эти результаты применимы при установлении рекомендаций для определения частоты режимных наблюдений за геологическим параметром. Настоящая работа основана на изучении статистической структуры поля геологического параметра (в главных направлениях изменчивости свойств пород), представленной автокорреляционной функцией, которая описывает корреляционную связь между элементами литокомпозиции, расположенными на разных расстояниях и ориентированных в разных направлениях.

Используемые в настоящее время приемы интер- и экстраполяции геологической, в том числе инженерно-геологической, информации основываются, главным образом, на опыте или методе экспертных оценок. Это нередко приводит к ошибкам в отчетных графических материалах (не обеспеченных требуемыми точностью и уровнем доверительной вероятности) и, следовательно, в выводах и рекомендациях, а также к недочетам при планировании пространственного размещения скважин, шурфов и других пунктов получения информации при проведении инженерно-геологических исследований.

Преимуществами предлагаемой в данной работе методики являются: геологическая, математическая и целевая обоснованность, заданные точность и вероятность (интервалы переноса информации рассчитаны при использовании большой статистической выборки и для разных уровней доверительной вероятности), простота в использовании, гибкость (возможность подбора интервала переноса информации в зависимости от ситуации, а именно, в случае необходимости расположения скважин, пунктов опробования не по главным направлениям изменчивости свойств пород); возможность использования результатов исследований не только для разрезов, но и карт (при определении расположения границ геологического тела); возможность использования разработанной в настоящей работе методики для расчета интервалов переноса информации при исследовании дочетвертичных отложений и для оценки наблюдений параметров геологического процесса во времени.

Актуальность данной проблеме придают широкие масштабы производства инженерно-геологических работ, накопившийся за многие годы большой объем данных по изысканиям (в частности по показателям свойствам пород), возможность более точной переработки такой информации с применением специальных компьютерных программ и рационального планирования расположения пунктов опробования пород (что в некоторых случаях будет приводить к существенному сокращению числа пунктов получения информации, а, следовательно, расходов на прохождение скважин, шурфов и т. п.). Актуальность разработки методики переноса геологической (в частности инженерно-геологической) информации видится автору также в том, что в связи с возрастанием степени хозяйственного освоения территории сокращается количество благоприятных (с инженерно-геологических позиций) участков для строительства зданий и сооружений: возникает необходимость использования территории со сложными инженрно-геологическими условиями, сложенных породами плохо выдержанными по многим показателям свойств, радиус корреляции которых мал и существенно различен для разных показателей свойств. В связи с этим для обоснования числа и пространственного размещения пунктов получения информации требуется выполнить расчеты радиуса корреляции, а также интервалов переноса информации при требуемых уровнях доверительной вероятности.

Целью работы является разработка корректной методики переноса геологической информации для разных показателей свойств различных генетических типов четвертичных отложений с заданными точностью и доверительной вероятностью (соответственно этапам производства инженерно-геологических изысканий).

Достижение этой цели требует решения следующих задач:

1) теоретическое обоснование возможности использования автокорреляционного анализа при операциях с геологическими параметрами;

2) разработка методики расчета интервала переноса информации для различных геологических параметров с заданными значениями точности и доверительной вероятности;

3) построение графиков автокорреляционной функции показателей физических свойств (плотности частиц грунта, плотности скелета грунта, плотности грунта, естественной влажности, пористости, коэффициента пористости, коэффициента водонасыщения грунта и коэффициента дисперсности (по Пендину В. В.) четвертичных отложений различного генезиса (аллювиальных, делювиальных, элювиальных, эолово-делювиальных, лимно-гляциальных и озерно-болотных) по главным направлениям изменчивости;

4) экспериментальная проверка и подтверждение полученных данных на основе сравнения геологических разрезов, построенных в соответствии с существующими способами, и разрезов, построенных на основе результатов исследований этой работы;

5) разработка рекомендаций по использованию разработанной методики переноса геологической информации;

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что впервые в мировой практике исследований в области геологии и инженерной геологии разработана корректная методика расчета расстояний (интервалов) переноса геологической информации (интер- и экстраполяции), которая основана на учете генезиса горных пород и заданного уровня доверительной вероятности.

Автором защищаются следующие положения:

1. Возможность разработки корректной, обеспеченной заданным уровнем доверительной вероятности, методики переноса инженерно-геологической информации в пространстве.

2. Положение о том, что интервал переноса инженерно-геологической информации определяется генезисом пород и заданным уровнем доверительной вероятности.

3. Интервал переноса инженерно-геологической информации есть функция главных направлений изменчивости и статистической структуры полей геологических параметров, отражающей процессы происхождения и формирования горных пород.

4. Алгоритм расчета интервала переноса инженерно-геологической информации.

5. Интервалы переноса инженерно-геологической информации для разных генетических типов отложений, учитывающие заданный уровень доверительной вероятности и точность информации.

Практическое значение работы заключается в том, что разработанная методика переноса инженерно-геологической информации дает возможность: а) рационально планировать расположение пунктов получения информации (шурфов, скважин, пунктов наблюдения и т.д.), опираясь на геологические, статистические и аксиологические критерии; кроме того, результаты данных научных разработок применимы при установлении рекомендаций для определения частоты режимных наблюдений за геологическим параметром; б) корректировать границы геологического тела на картах и разрезах, полученных на предыдущей стадии инженерно-геологических изысканий, и создавать отчетный графический материал (карты, разрезы) с заданными точность и доверительной вероятностью; в) реализовывать численный прогноз геологического параметра во времени с заданными точностью и доверительной вероятностью и обосновывать его изменение заблаговременно;

Структура работы, исходные данные и вклад автора в решение проблемы

Диссертация содержит 138 страниц печатного текста, иллюстрированного 17 рисунками и 71 таблицей, и состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы.

Заключение Диссертация по теме "Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение", Кулакова, Наталья Евгеньевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе исследований, результаты которых обсуждены выше, достигнута поставленная цель: разработана корректная, научно обоснованная методика расчета интервала переноса геологической, в том числе инженерно-геологической, информации при интер- и экстраполяции; рассчитаны интервалы переноса информации для различных генетических типов четвертичных отложений, изученных по главным направлениям изменчивости. Интервал переноса информации есть количественный показатель, который дает возможность рационально, учитывая требуемый уровень доверительной вероятности, планировать расположение пунктов получения информации, корректно объединять или не объединять слои пород, обнаруженных в двух соседних точках опробования, более точно обрисовывать (на картах) границы слоев, изучаемых толщ пород с учетом генетической принадлежности отложений и этапа производства инженерно-геологических работ. Интервал переноса информации в отличие от общепринятых в настоящее время, субъективных способов переноса геологической (в том числе инженерно-геологической) информации, является итогом корректных расчетов, итогом автокорреляционного анализа. Он учитывает генетические, петрографические, гео лого-математические и аксиологические критерии. Разработанная методика открывает широкие возможности для расчета временного интервала переноса информации при замене аргумента автокорреляционной функции, Е, (при замене шага дискретизации) на t - физическое время (время изменения значения какого-либо геологического параметра изучаемого типа отложений).

Разработанная методики интер- и экстраполяции геологической информации основана на свойствах поля геологического параметра: его статистической структуре, обуславливающей возможность использования автокорреляционной функции, немарковскости, дающей возможность применения статистики случайных функций, однородности, дающей возможность использования статистики случайных величин вместо статистики случайных функций), безразличной к пространственному расположению параметра, для операций с показателями свойств пород. В работе рассмотрены такие базовые понятия теории поля, как пространственно-временная изменчивость, неоднородность, геологический параметр, поле геологического параметра, пространственно-временная композиция геологических параметров.

В процессе разработки настоящей методики были решены вопросы однородности (квазиоднородности) полей показателей свойств рассматриваемых генетических типов отложений и нормальности распределения значений геологических параметров, которая была подтверждена соответствующими тестами, основанными на расчете описательных статистик: асимметрии, эксцесса, их стандартных ошибок и отсутствием мультимодальности на гистограммах показателей свойств пород.

Расчет интервалов переноса информации осуществлен на основе анализа значительного объема данных о показателях свойств пород. Расчеты, основанные на автокорреляционном анализе, дали возможность определить интервалы переноса информации по главным направлениям изменчивости при заданных уровнях доверительной вероятности, отвечающих этапам инженерно-геологических работ.

Рассмотрены вопросы возможности использования полученных значений интервалов переноса информации для дочетвертичных отложений; для случая исследования геологического тела под углом к главным направлениям (в латеральной плоскости); использования графиков автокорреляции при получении интервалов переноса информации для доверительных уровней, не обсужденных в настоящей работе.

С целью сравнения рассчитанных в настоящей работе значений интервала переноса информации с данными (в частности, расстоянием между скважинами), полученными существующим способом при производстве инженерно-геологических работ, был построен сравнительный разрез в соответствии с рассмотренной в настоящей работе методикой. Его анализ показал, что пункты получения информации запроектированы (на данной стадии исследований, при соответствующем уровне доверительной вероятности) на расстоянии по первому главному направлению изменчивости свойств, не позволяющем объединять слои пород одного генезиса, обнаруженные в соседних скважинах; что требуется уменьшить шаг дискретизации и увеличить количество пунктов получения информации (по направлению в несколько раз по сравнению с запроектированным.

Рассмотренную в настоящей работе методику интер- и экстраполяции возможно использовать не только для целей инженерной геологии, но также для усовершенствования методов геологических, гидрогеологических и геофизических исследований, а также составления отчетных графических материалов в части пространственного размещения пунктов получения информации.

Перспективными направлениями развития методики переноса геологической (в том числе инженерно-геологической) информации, предложенной автором настоящей работы, могут являться следующие:

1. Заменив аргумент автокорреляционной функции - шаг дискретизации - на физическое время, можно выполнить две задачи: а) осуществить количественный прогноз изменения геологического параметра во времени с заданными точностью и доверительной вероятностью; б) указать срок годности графического материала (карт и разрезов), полученного в какой-то предыдущий период проведения геологических, геофизических, гидрогеологических работ или на одной из предыдущих стадий производства инженерно-геологических работ;

2. Зная интенсивность изменения значений показателей свойств различных генетических типов отложений (и учитывая ряд других, в том числе техногенных, факторов), можно спрогнозировать с заданной точностью и доверительной вероятностью геологические условия изучаемой территории (преобладающий процесс, состав отложений, границы их распространения) на какой-либо период в будущем.

3. Интервалы переноса информации, Y, целесообразно рекомендовать при разработке новых нормативных документов (СП и СНиП), что позволит оптимизировать инженерно-геологические изыскания и обеспечит получение отчетных материалов с заданными точностью и доверительной вероятностью.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Кулакова, Наталья Евгеньевна, Москва

1. Бондарик Г. К. Методика инженерно-геологических исследований. М.: Недра,1986.

2. Бондарик Г. К. Методическое пособие по инженерно-геологическим изысканиям. I, II / М.: Недра, 1984.

3. Бондарик Г. К. Общая теория инженерной (физической) геологии. М.: Недра, 1981.

4. Бондарик Г. К. Основы теории изменчивости инженерно-геологических свойств горных пород. М.: Недра, 1971.

5. Бондарик Г. К. Теория геологического поля (философские и методологические основы геологии). М.: Изд. ВИМС, 2002.

6. Бондарик Г. К., Горальчук М. И., Сироткин В. Г. Закономерности пространственной изменчивости лессовых пород. М.: Недра, 1976.

7. Бондарик Г. К., Зиангиров Р. С. Теоретические основы инженерной геологии. Механико-математические основы. И / М.: Недра, 1986.

8. Бондарик Г. К., Пендин В. В. Методика количественной оценки инженерно-геологических условий и специального инженерно-геологического районирования // Инж. геология. 1982. №4.

9. Борейко JI. Г. Тренд-анализ структуры геологических полей на ЭВМ (алгоритм и программа). Киев. Изд. Геол. Ин-та АН УССР, 1983.

10. Боровиков В. Statistical искусство анализа данных на компьютере. Для профессионалов. СПб.: Питер, 2001.

11. Венцель Е. С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1964.

12. Вернадский В. И. Пространство и время в живой и неживой природе. М.: Наука, 1975.

13. Виньковецкий Я. JI. Геология и общая теория эволюции природы. JL: Недра,

14. Волков И. К., Зуев С. М., Цветкова Г. М. Случайные процессы: учебник для вузов. / Под ред. Зарубина В. С., Крищенко А. П. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана.

15. Воронин Ю. А., Еганов Э. А. Методологические вопросы применения математических методов в геологии. Новосибирск: Наука, 1974.

16. Гнеденко Б. В. Курс теории вероятностей. М.: Наука, 1988.

17. Грязнов Т. А. Оценки показателей свойств пород полевыми методами. М.: Недра, 1984.

18. Джонсон Н. Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы обработки данных. М.: Мир, 1980.

19. Инженерная геология СССР. Платформенные регионы европейской части СССР: В 2 кн.: Сергеев Е. М., Комаров И. С., Трофимов В. Т. и др.; Под ред. Комарова И. С., Зилинга Д. Г., Трофимова В. Т. М.: Недра, 1992 - Кн. 1.

20. Калинин О. М., Демина М. Е. О происхождении обломочных минеральных ассоциаций в апт-сеноманских отложениях юго-западного Приуралья и Примугоджарья. В кн.: Вопросы математической геологии. Л.: Наука, 1968.

21. Круть И. В. Исследование оснований теоретической геологии. М.: Наука,1973.

22. Кудеков Т. К., Ахметов Р. Т. Комплексная оценка влияния неоднородностей горных пород на их физико-механические свойства // Инж. геология. 1982. №4.

23. Малышев В. А., Меньшиков М. В., Петрова Е. Н. Введение в теорию вероятностей. Изд-во Мех-мат. ф-та МГУ, 1997.

24. Огоноченко В. П. Информационные основы инженерно-геологических изысканий. Дисс. на соискание ученой степени д-ра г.-мн наук. Л., 1985.

25. Пендин В. В. Комплексный количественный анализ информации в инженерной геологии (теория, методология, приложения). Дисс. на соискание ученой степени д-ра г-мн наук. М., 1992.

26. Рац М. В. Неоднородность горных пород и их физических свойств. М.: Наука, 1968.

27. Смирнов Н. В., Дунин-Барковский И. В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений. М.: Наука, 1969.

28. Справочник по прикладной статистике под редакцией Э. Ллойда и У. Линдермана. М: Финансы и статистика, 1989.

29. Шафрановский И. И., Плотников Л. М. Симметрия в геологии. Л.: Недра,1975.