Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Методика интерпретации атмогеохимической информации на примерах Норильского рудного района и района минеральных вод Северного Кавказа

ВАК РФ 04.00.11, Геология, поиски и разведка рудных и нерудных месторождений, металлогения

Автореферат диссертации по теме "Методика интерпретации атмогеохимической информации на примерах Норильского рудного района и района минеральных вод Северного Кавказа"

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ РГБ ОД ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ.

Московская государственная геологоразведочная академия имени Серго Орджоникидзе.

На правах рукописи УДК 550. 84 ( 571.5) ( 470.6)

Эдьнури М. Рамадан

Методика интерпретации атюгеохимичеекой информации на примерах Норильского рудного района и района минеральных вод Северного Кавказа.

Специальность 04.00.11 - Металлогения, геология, поиски и

разведка месторождений полезных ископаемых.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук.

Москва 1994 г.

Диссертация выполнена в Московской государственной геологоразведочной академии имени Серго Орджоникидзе Научный руководитель - Доктор геолого-минералогических наук,

профессор Еахомов К И. Научный консультант - Кандидат геолого-минералогических наук,

Фридман А. И.

Официальные оппоненты :

Доктор геолого-ыинералогических наук, профессор Каждая А. Б. Доктор геолого-минералогических наук, Яницкий И. Е Ведущее предприятие - "РЕБУС"

Защита состоится "20" октября 1994 г. в 15 час, 00 мин. . В ауд. N 548 на заседании специализированного совета ССД 063.10.01 при Московской государственной геологоразведочной академии имени Серго Орджоникидзе.

Адрес: ; 117873 ' Шсква, ул. Шклухо-Маклая, 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГГА.

Автореферат разослан _

ученый секретарь специализированного совета,

„-----—к—-------*--------------оовета, // /

------

ОВЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Полученный в последние годы большой фактический материал по характеру проявлений и составу газов различных месторождений полезных ископаемых (рудных, нефтегазовых и месторождений минеральных вод) убедительно свидетельствует о эффективности применения атмогеохимических методов при проведении прогнозных и поисковых работ в районах, расположенных в различных геологических, геохимических и ландшафтных условиях. Это один из способов повышения эффективности и интенсификации геологоразведочных работ, т. е совершенствования получения геологической информации.

Однако эффективность геологоразведочных работ, в том числе атмогеохимических, зависит и от способов математической обработки геологической информации.

В настоящее время обработка атмогеохимической информации основывается на принципах и методах, разработанных в 60-х годах на базе аппарата теории случайных и независимых величин. При этом полностью игнорируется разномасштабность источников природных газов и способы измерений. В последние годы большое внимание исследователей обращено к такому философскому направлен™ как системный подход, позволяющему увязывать в единое целое разномасштабные явления, в связи с чем назрела необходимость в разработке иной методики обработки атмогеохимической информации.

Целью исследований являлась разработка методики обработки атмогеохимической информации, основанной на системном анализе геолого-геохимических моделей объектов поисков.

Основные задачи работы: 1) Разработка методики обработки атмогеохимической информации.

2) Усовершенствования интерпретации атмогеохимической инфор-

нации.

Фактический материал.

фи подготовке данной работы использовались материалы отраслевой научно-исследовательской лаборатории геологии и геохимии природных газов и гаэо-геохимических методов поисков рудных месторождений Московской государственной геологоразведочной академии

Научная новизна.

В работе впервые обращено внимание на разномасштабность источников природных газов. Впервые предложена обработка атмогео-химической информации с позиций системного подхода, учитывающая разномасштабность явлений.

Показана возможность получеши дополнительной геологической информации при предлагаемом подходе к обработке.

Формулировка защищаемых положений.

Первое тезисное положение:

Бри атмогеохимических съемках масштаба 1:25 ООО - 1:50 ООО и мельче, наблюденные газовые поля имеют пространственно-дискретный характер, поскольку размеры баз единичных наблюдений и область влияния проб меньше расстояния между смежными точками наблюдений. В таких условиях наблюденные данные приобретает свойства случайных независимых величин, которые не могут быть геомет-ризованы с помощью изолиний, без предварительного их сглаживания скользящими статистическими "окнами" оптимальных размеров.

Второе тезисное положение:

Сложное, многоуроЕенное строение газовых ореолов требует применение системного подхода при обработке атмогеохимической информации с соблюдением принципов соразмерности, соподчиненнос-ти и пропорциональности качественных и количественных характеристик. Пространственно-дискретный характер наблюденных газовых

полей предопределяет необходимость тренд-анализа исходных данных с помощью скользящих статистических "окон" или оценку аномальности заданного уровня путем расчета некоторых геометрических характеристик (Хаусдорф-метрики).

Третье тезисное положение:

Результаты обработки данных атмогеохимических съемок в Норильском рудном районе и районе Кавказских Минеральных Вод подтверждают правомерность и однозначность результатов их тренд-анализа с помощью скользящих "окон" заданных размеров и их геометрического анализа с помощью Хаусдорф-метрики.

Практическая ценность работы.

1) Предложенная методика обработки атмогеохимической информации в Норильском районе позволила впервые выявить субшротные зоны разломов, которые ранее не были отмечены при обычной обработке.

2)'Выделены новые перспективные участки для постановки детальных поисковых работ на рудоносные интрузии (Норильский район) и минеральные воды ( С. Кавказ).

3) Проведенные исследования позволили детализировать, сделанный ранее (А. Б. Островский, Е. Т.Потапов) предварительный прогноз перспективности на минеральные воды Большого района КМВ (Кавказские Минеральные Воды) и выделить отдельные локальные участки, перспективные для постановки поисковых работ.

4) Подтверждена высокая информативность атмогеохимического метода поисков на разные виды полезных ископаемых, в различных геологических, геохимических и ландшафтыых условиях.

Апробация работы.

Основные результаты работы и её отдельные положения докладывались автором на научных конференциях профессорско-преподава-

- б -

тельского состава и научных сотрудников Московской государственной геологоразведочной академии (1992,1993 гг.).

Подготовлена и сдана в печать одна статья.

Объем и структура работа

Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Она содержит 125 страниц машинописного текста, 4 таблицы, 57 рисунков. Список использованной литературы включает 175 наименований.

В первой главе приводится обзор математических методов обработки информации и подходы к интерпретации результатов. Изложено геологическое строение районов по которым проводилась обработка информации; факторы влияющие на результаты геоиэмерения, а тага® принятые геолого-геохимические модели образования газовых ореолов, которые служили основой для интерпретации атмогеохимической информации.

Во второй главе рассмотрены недостатки существующих методов обработки атмогеохимической информации и намечены пути их устранения.

В третьей главе предлагается методика обработки информации с позиций системного подхода, обосновывается понятие системы и основные принципы обработки количественной атмогеохимической информации.

В четвертой главе, на примерах обработки результатов атмого-химической съемки двух районов, доказывается эффективность применения математических методов обработки атмогеохимической информации с позиции системного подхода.

Работа выполнена на кафедре геоинформатики Мэсковской государственной геологоразведочной академии.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителг доктору геолого-шнерадогичэеких наук, профессору В. И. Пахомов;

и научному консультанту, кандидату геолого-минералогических наук А. И. Фридману за внимание к ходу выполнения настоящей работы.

Содержание работы

Глава 1. Современное состояние обработки и интерпретации количественной геохимической информации.

В настоящее время в прогнозно-поисковых исследованиях применят многочисленные методы, заимствованные из различных разделов математики. Для обработки информации применяется следущие:1) методы оценки параметров распределений и "свертывания" геологической информации; 2) методы проверки гипотез о параметрах одномерных и многомерных распределений; 3) методы разграничения и классификации геологических объектов по комплексу признаков; 4) методы поисков информативных комбинаций признаков, абусловлищих различия в сопоставляемых геологических объектах; 5) методы кор-реляционно-регрессивнного анализа, используемые для извлечения дополнительной информации; 6) методы тренд-анализа, применяемые для обработки данных в прогнозных геологических задачах; 7) сто-хастичекие и эвристические методы "распознавания образов", применяемые в задачах диагноза и классификации геологических объектов; 8) математические методы исследования информационно-логических систем; 9) специальный анализ для частотной составляющей аномальных объектов; 10) методы выделения аномальных объектов.

Вероятностно-статистические методы основывайся главным образом на достижениях математической статистики. Их преимуществом является возможность теоретического определения возможной ошибки по заданной вероятности или, наоборот, вычисление вероятности явления при заданной ошибке. Вероятностно-статистические методы

уже давно известны геодогам.

При изучении газоносности любых месторождений полезных ископаемых, установлении характера газопроявления, приуроченности газовых скоплений к определенным комплексам пород, а также для выяснения возможности использования природных газов в качестве геохимических индикаторов при поисково-разведочных работах и разрешения ряда геологических задач, большое значение имеет представления о происхождении отдельных газовых компонентов.

Образование природных газов происходит в самых разнообразных геолого-геохимических условиях, а высокие миграционные свойства газов обусловливают возникновение природных газовых смесей, отдельные компоненты которых характеризуются различным происхождением. Различные газовые смеси, как 'и отдельные газовые компоненты могут образовываться одновременно в результате различных процессов, с преобладанием того или иного из них в зависимости от конкретной геолого-геохимической обстановки. Основными газообразующими процессами являются : жизнедеятельность различных организмов-, химические реакции, происходящие на поверхности земли в приповерхностных условиях; метаморфизм (как региональный, так и контактовый); химические реакции, протекающие в магматическом расплаве и радиоактивный распад элементов. Значение отдельных газообразующих процессов весьма различное и каждый из них не всегда может быть количественно охарактеризован.

В составе природных газов присутствуют двуокись углерода, кислород, углеводородные соеденения, водород, сероводород, сернистый газ, азот, и иногда галоидные соединение углерода, окись углерода, а!,атак, редкие газы (аргон, криптон, ксенон, радон, неон и гелий).

Основные геологические Факторы, влияющие на образование и распространение природных газов.

Состав и распределение природных газов месторождении полезных ископаемых обусловлены двумя основными причинами: процессами газообразования, обусловившими первичную газоносность, и условиями дегазации. Соотношение этих двух причин создает общую картину распределения природных газов в настоящее время.

На современное распределения природных газов оказывают влияние следующие основные геологические факторы:

1) Особенности развития отдельных районов или месторождений, определившие условия газообразования, с одной стороны, продолжительность и- особенности дегазации с другой.

2) Структурно-тектонические условия. Складчатые структуры

также играет важную роль а распределении и

локализации природных газов. Гаэовые скопления обычно приурочены к осевым частям антиклинальных складок, характеризующееся большей трещиноватостью пород, или к центральны?,-: частям синклинальных складок. Последнее имеет место, главным образом, в районах, где сейчас отсутствует молодой газопроницаемый чехол осадочных отложений, перекрывающий рудные тела и Емеш^ицие их породы.

3) Гидрогеологические условия. В зависимости от геологического строение месторождений подземные

еоды могут приносить природные газы з рудные тела и вмекркзщке породы или, наоборот, выносить их оттуда

4) Литологическке особенности, петрографический состав и коллекторские свойства вмешзших и покрывающих пород.

Высокая миграционная способность флюидов, обусловливающая локализацию месторождений на значительном расстояний от генерирующего очага, указывает, что на их переменуние, такхе как и

природные газы, оказывают решающее влияние такие физически свойства, как пористость и газопроницаемость.

5) Геоморфологические условия, определяющие степень дегаза ции месторождений.

Участки с расчлененным высоким рельефом сильно дегазированы (Тоновые значения и величины аномальных концентраций газовых ком понентов значительно ниже,чем в районах с равнинным рельефом Исключением являются месторождения, расположенные в области алъ пийского орогенеза, где по разломам поступают газы (углекислы газ, иногда водород).

Особенностью природных газов как геохимических индикаторо: является то, что они отмечаются над всеми зонами повышенной проницаемости пород независимо от того локализованы ли в них месторождения полезных ископаемых (минеральные воды и руды) или нет. С учетом большого разнообразия региональных геологических, тектонических, геоморфологических и ландшафтных условий, для целе; данного исследования нами было в1йрано два совершенно различны района, Норильский район (Сибирская платформа) и район Кавказских Минеральных Вод (Альпийская зона орогенеза).

Образование природных газовых индикаторов Норильского район, обусловлено влиянием геологических, гидрогеологических, геокриологических факторов, наличием угольных пластов и углистого вещества в терригенных отложениях Тунгусской серии; битуминозноп вещества и нефти, содержащейся в карбонатных породах морской палеозоя; интенсивным проявлением траппового магматизма, и, ; первую очередь, влиянием крупных рудоносных интрузий габбро-до-леритов; наличием большого количества разрывных структур, включая и глубинные разломы.

Влияние геокриологических условий проявляется в интенсивное-

ти и масштабах миграции природных газов на участках развития многолетней мерзлоты таликах. Последние в сбою очередь развиваются в зонах повышенной трещкноватости, над рудоносными участками интрузий, в понижениях рельефа со значительными водоемами.

Атмогеохкмическая модель образования газовых ореолов Норильского района по существу является моделью газообразуюших процессов, тесно связанных с внедрением и образованием крупных интрузивных тел. с которыми при благоприятных условиях может быть связано медно-никелевое орудененке, а таетэ и с преобразованием исходного органического вещества в каменные угли, нефть и твердые битумы. Кроме того, она тесно связана с геологическими, физико-химическими факторами, обуславливающими современое распределение природных газов.

При миграции природных газов в вышележащие породы и, затем, в атмосферу происходит значительное разубоживание газового потока. При его приближении к поверхности, в особенности, в участках повышенной проницаемости пород (зоны разломов), мигрирующие к поверхности газовые компоненты-индикаторы: углекислый газ, водород, метан, тяжелые углеводородные газы, гелий и возможно фреоны и сероокись углерода смешиваются с атмосферным воздухом, вследствие чего их концентрации в приповерхностных отложениях уменыпа-ются в десятки, сотни и даже тысячи раз.

Существование устойчивых повышенных концентраций природных газов в приповерхностных рыхлых отложениях возможно лишь в тех случаях, если происходит постоянный подток из мест генерации и локализации по проницаемым системам, связанным с зонам! разломов. В этих случаях, учитывая весьма малую активность биохимических процессов в приповерхностных отложениях тундрового ландшафта, будут иметь место контрастные аномалии газовых компонен-

tob - индикат оров.

Основными газовыми компонентами-индикаторами являются мета: и его гомологи, углекислый газ, водород и'в ряде случаев, гелий,

Атмогеохимическая модель образования газовых ореолов район: КМВ (Кавказские Минеральные Воды) по существу является модель; газообразующих процессов, тесно связанных с тектоно-магматической деятельностью и метаморфизмом органического вещества в оса дочных породах.

В отличии от Норильского района район КМВ характеризуете: резко расчлененным рельефом и современной активной тектоно-маг-матической деятельностью. Поэтому большое количество природны газов имеет глубинное происхождение.

Существование устойчивых повышенных концентраций газовьп компонентов-индикаторов возможно лишь в том случае, если происходит их постоянный подток из мест генерации и локализации. Привнос газовых компонентов происходит в результате наличия суб-Еертикального потока по зонам разломов.

При поисках минеральных вод и, в частности, углекислых, : иследованном регионе, методом газо-геохимической съемки, наибольший интерес представляет именно углекислый газ, тесно связанный с подземными водами. Бо, при субвертикальной миграцге глубинной углекислоты сквозь осадочные отложения происходит ei смещение с углекислым газом, генерируемым в самих этих отложениях.

В состав газов спонтанных выделений и растворенных в углекислых минеральных водах водород присутствует в весьма незначительных количествах (з основном, тысячные, реже сотые доли про цента). Поэтому это не дает основания использовать его в качесг ве основного газового компонента-индикатора при поиска:-: коше

ральных вод.

Основным газовым индикатором при поисках минеральных вод является углекислый газ и кислород (как косвенный индикатор). Водород, метан, тяжелые углеводородные газы и гелий могут быть использованы для обнаружения и прослеживания зон разрывных нарушений и, в особенности, разломов глубокого заложения.

Глава 2. Недостатки существующих методов обработки атмогеохпмической информации.

Специфика измерений при геологических исследованиях приводит к понятию " геоизмерения " под которым следует понимать получение в конкретных точках геопространства значений качественных и количественных параметров среды, функционально связанных с характеристиками наблюдений (измерения), й важнейшим характеристикам геоизмерении В. И. Пахомов (1989г) относит базу единичного наблюдения и область влияния измерения.

Базой едшшчного наблюдения называется часть геопространства, в пределах которого при измерении происходит интегральное накопление информации об исследуемом свойстве. Для атмогеохими-ческих исследований база единичного наблюдения это область подсоса подпочвенного воздуха.

Кроме база единичного наблюдения каждое геоизмерение характеризуется также областью влияния измерения. Область влияния измерения - минимальная по размерам часть геопространства, которая может быть выделена в каждом конкретном виде геоизмерекия, в связи с чем, область влияния измерения является характеристикой масштабности выделяемых неоднородностей исследуемых полей. Областью влияния измерения для атмогеохимических исследований является объем взятой пробы газа, который практически не меняется

от точки к точке. Для случая атмогеохшических наблюдений база единичного наблюдения превышает по размерам область влияния измерения на два и более порядка, но обычно меньше шага сети наблюдений и реме - соразмерна с ним. Поэтому ее размеры меняются от точки к точке в несколько раз в зависимости от природных, физико-химических условий образования газовых ореолов рассеяния.

Получаемые статистические выборочные характеристики не имеют смысла, без указания размеров той области, на которую распространяются полученные значения этих характеристик. Это объясняется тем, что выборочная совокупность, формируясь из значений точек наблюдений геологического пространства, несет в себе информацию о геологических пространственных закономерностях различного размера, которые отражают индивидуальные особенности геологического строения.

Подходы к обработке количественных атмогеохимических данных, основанные только на выборочных статистических характеристиках, используют далеко не всю полезную информацию и страдают рядом существенных недостатков. Прежде всего любые выборочные статистические параметры не имеют реального смысла без указания той области, к которой они относятся, а их абсолютные, значения существенно зависят от геометрии проб и геометрии сети опробования. Кроме того, количественная информация о геохимических признаках на низких уровнях строения рудных образований ( в частности, содержания углекислого газа и водорода в объемах геохимических проб) не может быть непосредственно использована для выявления и оценки степени изменчивости этих признаков на более высоких уровнях их строения (например, в объемах месторождений или рудных полай). Это также неправомерно, как попытки определить формацию горной породы по данным ее химического анализа или ее

текстуру по результатам исследования под электронным микроскопом. Наконец, значения выборочных статистических характеристик (так же, как и минимально аномальные содержания) в пределах конкретных участков земной коры зависят от уровней и направленности низкочастотных (трендовых) составляющих изменчивости содержаний элемента, проявления которых отр&таот индивидуальные особенности геологического строения или дандшзфтно-геохимические особенности оцениваемого участка.

Способ обработки и интерпретации количественных атмогеохими-ческих данных, основанные только на выборочных статистических характеристиках (без учета перечисленных выше особенностей геохимических полей), приводят к выявлению огромного числа аномалий, среди которых лишь единичные аномалии непосредственно связаны с зонами разломов, к которым приурочены полезные ископаемые (минеральные воды, рудоносные интрузии и т. д).

На практике недоучет перечисленных выше особенностей математической обработки эмпирических данных отражается на полученных результатах статистического, пространственно-статистического и многомерного анализов, испытывающих значительные колебания, что может привести к существенным ошибкам при прогнозировании и поисках месторождений полезных ископаемых. Поэтому, в зависимости от способов получения информации, размеров, ориентировки оцениваемых участков и геометрии сети наблюдений фоновые и аномальные значения свойств какого-либо конкретного геологического объекта резко отличаются у разных исследователей. Для примера была; рассмотрении результаты газовой съемки в Норильском районе и КМВ (С. Кавказ), показанные на картах в изолиниях содержаний углекислого газа, метана и водорода. Сеть наблюдения в Норильском районе для углекислого газа была принята 100x1000 м, а для метана и

водорода 200x1000 м; в районе КМВ (С. Кавказ) сеть наблюдений составила 1x1 гад.

Бри рассмотрении рисунков обращает на себя внимание, что при отчетливо вытянутых сетях наблюдений 100 - 200 метров по профилям и 1000 м между профилями использование способа изолиний приводит к представлениям об узких газовых ореолах, вытянутых е направлении поперек протяженности маршрутов. Если геометрия сети наблюдений изометрична (lxl кмг), то и в направлении ореолов не устанавливается отчетливых тенденций, однако проявляется большое тело локальных аномалий, часто близких по форме к изометрическим. Четкая зависимость ориентировки газовых ореолов, от направления маршрутов по сближенным точкам наблюдений хорошо известна в практике геохимических съемок и получила название " ложной анизотропии ". Очевидно, что в данном случае, применение аппарата изолиний для целей геометризации неправомерно, так как значения содержаний газов по смежным точкам наблюдений не кореллиру-югся друг с другом, и должны рассматриваться, как случайные независимые величины.

Как следует из отчета по атмогеохимической съемке Норильского района, при выборе варианта увязки фактических данных ее авторы ориентировались на сушэствуюшие представления о разрывной тектонике. Очевидно, что такой подход к интерпретации результатов ке может быть одобрен хотя бы по той причине, что атмогеохи-мическая съемка должна объективно способствовать выявлению у уточнению разрывной тектоники, а не наоборот.

На автокорреляционные кривые исходных данных по несколькю, профилям Норильского района и района КЫВ корреляционная связ! отсутствует при сдвиге на один иаг. Для подтверждения этого былг также рассчитана ошибка интерполяции измерений по формуле, пред-

ложенной Яахомовым В. И. (1989 г)

^ _

о агкл. - _ т

¿инг-

где -------

- Л- (х-х)*-

XI - измеренное значение в 1-й точке, Хьц^т,- интерполяционное значение в 1-й точке.

Ошибка интерполяции имеет размерность от О X до 100 %. Если ¿икг.=0%, то карта изолинии полностью отражает характер пространственной изменчивости. Если же ¿инг. = 100%, то это означает, что карта изолинии несет в себе ложную информацию о характере пространственной изменчивости. Е И. Пахомовым -экспериментально доказано, что интерполяция правомерна лишь при ¿инт. <30%. В данном случае расчетная ошибка интерполяции оказалась больше 90%, что доказывает неправомерность использования способа изолинии.

При случайной изменчивости значения признака, наблюдаемые в различных точках, не зависят друг от друга. Они не зависят также от расстояния между точками наблюдений и имеют по всем направлениям характер случайных колебаний.

Разделение общей изменчивости свойств на случайную и закономерную производиться операцией сглаживания эмпирических данных по методу "скользящей средней".

Шсле сглаживания "окном" 3 км для нескольких профилей Норильского района и "окном" 5 км района КМВ были построены авто-

корреляционные кривые. Связь сохраняется даже при сдвиге на четыре и пять точек. Это значит, что полученные величины после сглаживания являются зависимыми величинами. Дня сглаженных профилей была также расчитана ошибка интерполяции и она оказалась меньше 30%.

Таким образом интерполяция эмпирических атмогеохимических данных правомерна только после сглаживания статистическими "окнами", в результате которых получаем закономерные зависимые величины с ошибкой интерполяции меньше 30%.

Проведенные исследования позволили сформулировать первое защищаемое тезисное положение: При атмогеохимических съемках масштаба 1:25 ООО - 1:50 ООО и мельче, наблюденные газовые поля имеют пространственно-дискретный характер, поскольку размеры баз единичных наблюдений и область влияния проб меньше расстояний между смежными точками наблюдений. В таких условиях наблюденные данные приобретают свойства случайных независимых величин/ которые не могут быть геометризованы с помощью изолиний, без предварительного их сглаживания скользящими статистическими "окнами" оптимальных размеров. Не соблюдение этого условия является одним из основных недостатков существующих методов обработки атмогеохимической информации.

Глава 3. Методика обработки атмогеохимической информации с позиции системного подхода.

Процесс образования газовых ореолов представляет собой совокупность физических, химических и биологических природных явлений, между которыми существуют сложные причинно-следственные связи, поэтому свойства газовых ореолов зависят от множества факторов и характеризуются сильной изменчивостью. Процесс газо-

образования представляет собой разномасштабное явление. Поэтому для получения количественной информации о каком либо структурном уровне строения, предполагается использовать системный подход.

С позиций системного подхода, любой реально существующий геологический объект можно представить как упорядоченное единство - систему, состоящую из комплекса взаимосвязанных элементов неоднородности и обладающую определенной структурой. Под элементами неоднородности могут подразумеваться любые проявления, образующие данную систему, а понятие << структурам включает принцип, способ и закон связи элементов неоднородности в рамках данного целого. Любая система может рассматриваться как совокупность элементов неоднородности различных порядков.

Качественным:! характеристиками рудоносных участков недр могут служить реально существующие иерархические системы - рудные тела, зоны, месторождения, поля, узлы, районы и т. д., а количественными характеристиками - числовые значения свойств соответствующих элементов их неоднородности. Такай подход не противоречит философскому понятию качества как внутренней существенной определенности предмета или явления, представляющей собой функциональное единство его важнейших свойств и выражающей его основные отличия от всех других предметов и явлений, а также понятию качества как объективной степени различия предметов и явлений по однородным свойствам, выражающей определенность предметов со стороны их числовых характеристик.

Процесс рудообразования сопровождается процессами ореолооб-разоаания (в том числе и газовые ореолы). Поскольку наблюдается иерархия рудоносных образований, то должна наблюдаться и иерархия в газовых ореолах. Надо отметить, что газовые ореолы в 3-5 раз превышают размеры объекта. Предполагается следующая иерархия

газовых ореолов: газовые ореолы уровня рудных тел - газовые ореолы уровня продуктивной зоны - газовые ореолы уровня месторождения - газовые ореолы уровня рудного поля - газовые ореолы уровня рудных узлов и т. д. Примеры выделенных систем в Норильском районе: газовые ореолы уровня месторождения и газовые ореолы уровня рудного поля. В районе КМВ выделяют два уровня газовых ореолов: уровень месторождения минеральных вод и уровень поля минеральных вод.

Границами меры при изучении и оценке перспективности недр могут служить предельные размеры элементов их неоднородности, поскольку качественные различия рудных тел, месторождений, полей и т. п определяются запасами полезных компонентов, которые прежде всего зависят от размеров перечисленных иерархических неоднород-ностей. Дея выявления статистических характеристик объекта поиски любого иерархического уровня обработку исходной количественной информации можно проводить с использованием статистического "окна", размером равным минимальному размеру изучаемого объекта, а для выяснения его внутренней структуры - с использованием "окна", близким к размеру элемента неоднородности данного объекта. Таким образом, обработка наблюденных эмпирических данных может быть сведена к разложению исходной количественной атмогеохими-ческой информации в ряд разноуроЕенных количественных характеристик с помощью системы статистических "окон", каждое из которых последовательно выступает в качестве элемента неоднородности очередного иерархического уровня.

Корректное использование системного подхода при обработке и интерпретации атмогеохимических данных требует'уточнения общепринятых понятий и терминов, а также их увязки с конкретными уровнями строения изучаемых участков недр. Достаточно неопреде-

ленное понятие <«местный фон>> может быть заменено понятием <<натуральный фон>> рудоносного участка недр на конкретном иерархическом уровне их строения. За фоновое значение признака на заданном иерархическом уровне строения недр принимается детерминированная составляющая его изменчивости, полученная в результате трансформации исходных данных "окном", сопоставимым с размерами объекта заданного уровня строения. Таким образом, в зависимости от масштабов исследований фоновые значения изучаемых признаков должны устанавливаться для каждого последовательного уровня строения. Аномальные значения признаков также должны определяться применительно к каждому иерархическому уровню строения отдельных участков.

Степень значимости отклонения от фона (степень аномальности) может бьггь определена двумя методологическими аппаратами, основанными на теории математической статистики и теории фракталь-ности. В первом варианте предполагается использовать безразмерный параметр Ь , представляющй собой величину неоднородности, нормированную на ее среднее квадратичное отклонение:

А = А с^_

- -лгт^—

где Д. С - неоднородность з-го уроЕна; (ё ) - остаточная дисперсия в статистическом "окне" ( 3-1) -го уровня строения.

Вероятность значимого отклонения от фона может быть найдена по таблицам значений функции Лапласа.

К вопросу оценки аномальности можно подойти на иной, методологической базе, основой которой является некоторая геометрическая закономерность, выявленная с помощью так называемой Хаус-дорф-метрики (Пахомов В. Е, 1939 г).

На рис.1, представлен условные графики изменения содержания какого-либо элемента с выделенными составляющими конкретных ирархических уровней (С4 и С4 ). В этом случае каждую точку на рассматриваемых графиках можно представить как некоторый прямоугольник с основванием равным области исследования (статистическому "окну" з-го и 0+1) -го уровней). Тогда аадача выделения аномалий может быть сформулирована как оценка степени сложности фигуры, полученной в каждой точке пространства.

С формальной точки зрения геометрическая фигура (см. рис.1) тлеет фрактальную (дробную) природу, поскольку строится одними и теми же повторяющимися элементами с разными основаниями (в данном случае прямоугольниками). Для оценки сложности указанных поверхностей (фигур) применяют Хаусдорф-метрику. Для пловдных фигур метрика представляет собой отношение логарифма периметра фрактальной фигуры к логарифму суммы оснований подобных элементов, т.е.

где БИ - Хаусдорф-метрика; Р - периметр площадной фрактальной фигуры; а1- основание элемента 1 -ой итерации.

Чем выше сложность фигуры,тем выше должно быть значение Ха-усдорф-метрики. Это объясняется следующим; простые геометрические фигуры, такие как треугольник, квадрат, прямоугольник и т.п. , при одинаковой плошэди имеют меньший периметр, чем фигуры характеризующиеся сложным контуром.

Таким образом, применение предлагаемой методики обработки атмогеохимической информации, базирующейся на системном подходе, позволяет выделить разноуровневую информацию аппарата;,т как теории математической статистики так и теории фрактальности.

Рис. 1. Условные графики составляющих разных иерархических уровней (а) и схематические фигуры для расчета Хаусдорф-метрики (б).

На основании изложенного формулируется второе тезисное положение: Сложное, многоуровенное строение газовых ореолов требуем применение системного подхода при обработке атмогеохимическо! информации с соблюдением принципов соразмерности, соподчиненное-ти и пропорциональности качественных и количественных характеристик. Пространственно-дискретный характер наблюденных газовьв полей предопределяет необходимость тренд-анализа исходных данньп с помощью скользящих статистических "окон" или оценку аномальности заданного уровня путем расчета некоторых геометрическш характеристик (Хаусдорф-метрик). Оба метода обеспечивают получение идентичных результатов, что свидетельствует о правомерности их использования, для выявления газовых аномалий нескольких иерархических уровней и получения смежных параметров, обладают^ свойствами пространственных переменных.

Глава 4. Основные результаты обработки количественной атмо-геохимической информации Норильского рудного района и района Кавказских Минеральных Вод.

Экспериментальная проверка возможностей предлагаемой методики обработки и интерпретации атмогеохимической информации выполнена на двух различных районах: Норильский район (Сибирская платформа) и Кавказские Минеральные Воды (Альпийская зона орогенеза) .

Норильский район.

В пределах Норильского района (Мокулаевская площадь) проводилась поликомпонентная газовая съемка масштаба 1:50 ООО с целью обнаружения габброидных интрузивных тел, с которыми часто связано медно-никелевое оруденение.

Обработка атмогеохимических данных заключалась в тренд-ана-

2

лизе измерений статистическими "окнами" размером 3x3 км ("окно" 3x3 кма- это минимальный его размер, обеспечивающих необходимое число наблюдений). В результате обработки были получены карты содержаний углекислого газа, кислорода, водорода и метана. Анализ полученных карт, свидетельствует: о большой схожести по структуре полей углекислого газа и кислорода и совмещенность повышенных значений содержаний первого и пониженных значений содержаний второго.

Почти полная схожесть по структуре полей отмечается у водорода и метана. Это объясняется тем, что основные количества водорода и, в определенной степени метана, образовались в результате термального воздействий интрузивных тел на вмещающие породы, содержащие органическое вещество. Структура полей имеет широтное направление.

Была проведена обработка данных углекислого газа, где использовались только половина данных из общего объема проб, т. е отбрасывалась каждая вторая проба (разряженная сеть). Обработка

заключалась в получении оценок математического ожидания в преде-

2

лах статистического "окна" размером 3x3 км.

Сопоставляя полученную карту (с разряжением) с картой содержания углекислого газа, где использовались все исходные данные (без разряжения), можно отметить, что в основном они являются идентичными по структуре полей и практически одинаково отражают данную геологическую структуру описываемого района. Все вьшекз-ложенное позволяет сделать вывод о том, что получаемый уровень информации практически аналогичен той, которая получена при разряжении сети опробования в дез раза. Следовательно, это позволяет сократить объем полевых работ, время и снизить денежные зат-

раты.

Выделенные аномалии статистическим методом и Хаусдорф-метри-кой пространственно совпадают. Исходя из модели образования газовых ореолов Норильского района был рассчитан следующий комплексный критерий аномальности:

т „ ico? + bit -Ьич-Ь,

4

Предложенная методика обработки атшгеохимичеекой инфоршгпгс в Норильском районе впервые позволила выявить широтные зоны разломов, которые при обычной обработке не фиксировались. Шмимс аномалии, фиксирующих уже известные рудоносные интрузии, существуют другие аномальные зоны, которые являются перспективными для постановки поисковых работ.

Кавказские Минеральные Воры.

Атмогеохимические исследования в пределах КМВ проводились с целью изучения тектонического строения района и выявления новьп проницаемых зон, с которыми может быть связано месторождение минеральных вод. Сеть наблюдений была равна lxl км. В сеязи с зтш» автор выбрал минимальный размер статистического "окна" 5x5 км. Такой размер позволяет выделить геологические неоднородности порядка 5x5 км.

Обработка данных газовой съемки (содержание углекислого газа) с позиции системного подхода заключалась в получении, в пределах статистического "окна", среднего содержания углекислогс газа.

Структура поля характеризуется сложным строением. Это связано с тем, что изучаемый район имеет сложное геологическое строение, а также тлеет место проявления молодой тектоно-магматичес-

кой деятельности. В западной части района четко выделяется пересечение двух разломов: Красновосточного глубинного разлома, имевшего субмеридиональное направление и Бугунтинского глубинного разлома, имеквдэго широтное направление. В середине описываемой площади четко выделяется ' пересечение Бугунтинского глубинного разлома с Бекешевским глубинным разломом. В районе г. Ессентуки выделяется пересечение Нальчикского глубинного разлома, тещзга северо-западное направление, с Нисловодск-Ессентукским разломом. Последний имеет северо-восточное направление. Выделяется также ряд других зон разломов и отдельных зон повышенной проницаемости пород.

Дш оценки перспективности описываемой площади определилось аномальное содержание углекислого газа статистическим методом и методом Хаусдорф-метрика. Выделенные аномалии статистическим методом и Хаусдорф-метрикой пространственно совпадает. Это позволяет более уверенно выделять перспективные участки для поисков месторождений полезных ископаемых и, в частности, минеральных вод.

Помимо аномалии, фиксирующих уже известные месторождения, существует другие аномальные зоны, которые являются перспективными для поисковых работ на минеральные воды.

С целью изучения тектонического строения Большого района КШ и, в частности, уточнения положения крупных разрывных структур, а также выявление новых разломов была проведена газовая съемка по линии профиля, которая начинается у пос. Верхний Баксан, располагающегося на северном крыле ядра Кавказского мегаантиклино-рия, и далее протягивается вниз по долине р. Еаксан, пересекая вкрест простирания Пшекиш-Тырныауэскую зону и Передовой хребет.

Результаты обработки данного профиля заключались в определе-

кии оценки математического ожидания содержаний углекислого газ, и водорода в пределах статистического "окна" размером 5км.

Аномальные зоны были выделены по методу Хаусдорф-метрики дл разных уровней строения. Для более увереного выделения аномальных участков был расчитан комплексный многоуровневый критери для углекислого газа и водорода На исследуемом профиле выделяются следующие аномальные зоны: Берблзодская зона, вторая зон; расположена между р. Юцой и Шыншокским разломом. Выделенная зон; связана с разрывными структурами и их пересечениями, в предела: которых развиты гипабисальные интрузивные тела (локкалиты).

Третья зона протягивается от р. йуркуржш на севере до р. Гун-делен на юге. Выделенная аномалия объединяет две мелкие аномалии: первая приурочена к Нальчикской системе глубинных разломов вторая расположена в районе р. Гунделен и приурочена к зоне Ти-зыльского глубинного разлома. К выделенной зоне приурочены месторождения минеральных вод!

В сашй южной части профиля в породах кристаллического фундамента выделяется четвертая зона приуроченная к Верхнепалеозойским гранитоидам.

Правильность и эффективность использования системного подхода при оценки перспективности территории можно показать вторы вариантам обработки вышеназванного профиля. Обработка заключалась в определении оценки математического ожидания содержали углекислого газа с использованием статистического "окна" размером 3 км. Выли также расчитаны аномалии разных уровней по метод Хаусдорф-метрики. Аномальные зоны выделяются в обоих случаях хотя использовались разные размеры "окон" (Зкм и 5км ). Это дае' основание сделать вывод: при использовании "окна", размер которого близок к размеру объекта поисков, можно зафиксировать это'

объект.

Изучая распределение водорода в подпочвенном воздухе было установлено, что его содержание увеличивается с севера на юг. Это обусловлено, в основном, особенностями геологического строения различных участков профиля и, в первую очередь, интенсивностью тектонических движений и молодой магматической деятельностью (проявления молодого вулканизма в пересекаемой профилем части Бокового хребта и новейшим магматизмом, проявившимся в пределах Ншекиш-Тырныаузской зоны).

Изложенные в главе данные позволяют сформулировать третье защищаемое тезисное положение: Результаты обработки данных атмогеохимических съемок в Норильском рудном районе и районе Кавказских Минеральных Вод (КМВ) подтверждают правомерность и однозначность результатов их тренд-анализа с помощью скользящих "окон" заданных размеров и их геометрического анализа с помощью Улусдорф-метрики. В Норильском районе оба метода обеспечивают однозначный прогноз медно-никелевого оруденения различных иерархических уровней по ореолам метана соответствующих уровней. В обоих районах любой из этих методов способствует выявлению и картированию зон повышенной проницаемости, связанных с тектоническими структурами различных рангов. Экспериментальные исследования подтвердили не только целесообразность, но и заведомо более высокую информативность и эффективность предлагаемых методов по сравнению с традиционными.