Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Оценка структурного фактора горных пород гамма-гамма методом

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Оценка структурного фактора горных пород гамма-гамма методом"

пп — 9 у %

академия наук ссср

• уральское отделение

ордена трудового красного знамени институт геофизики

На правах рукописи УДК 550.835.4

косякин игорь иванович

оценка структурного фактора горных пород гамма-гамма методом .

Специальность 04.00.12 - Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

■Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 1992 г.

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени Институте геофизики УрО АН СССР

Научный руководитель: доктор технических наук,

член-корреспондент академии естественных наук РСФСР, . В.И.Уткин

Официальные оппоненты: доктор технических' наук Р.Т.Хаматдинов,

доктор геолого-минералогических наук, профессор В.Н.Сазонов

Ведущее предприятие: Уральский горный институт

Защита диссертации состоится " /7^ " Ф^Л^йЛУ 1992 г. в -Цсс часов на заседании специализированной ученого совета Д 003.31.01 в ордена Трудового Красного Знамени институте геофизики Уральского отделения Академии наук СССР по адресу: £20219, г.Екатеринбург, ГСП-144, ул. Амундсена, 100, зал Совета ИГФ УрО АН СССР.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГФ УрО АН СССР.

Автореферат разослан "_ {О " 199Д /.

Ученый секретарь специализированного совета доктор физико-математических наук

Ю.В.Хачай

ОНДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изучение структуры горных пород и руд соприкасается с широким классом прикладных и научно-прогнозных задач, непосредственно связанных с поисками и разведкой рудных месторождений. Результаты исследования структуры пород и руд могут найти применение для наделения во вмещающих породах зон метассматически изменённых пород с локализацией в них рудных тел, для определения и подсчета запасов промышленных концентраций полезных компонентов в рудных объектах, для изучения условий и моделирования механизма формирования рудоносных гидротер-мально-метасоматических систем и рудных месторождений.

В настоящей работе предложен новый метод для определения таких структурных признаков горных пород как характер объёмного распределения и размеры кристаллов составляющих их минералов. Структурные признаки пород определяются по полям однократно рассеянных гамма-квантов различных (в диапазоне от 20 до 60 кзЗ) энергий. Поля однократно рассеянных гамма-квантов разных энергий измеряются по сети наблюдений на поверхности породы.

Иель работы. Определение количественных характеристик структурных особенностей горных пород на основе изучения корреляционных связей меаду поляки одногфатно рассеянных гамма-квантов разных энергий.

Основные задачи работы.

1. Въделение структурных признаков пород, проявляющихся в полях рассеянных гамма-квантов разных энергий.

2. Определение оптимальных условий измерений интенсивности поля.однократно рассеянного гетерогенной средой гамма-излучения для выявления структуры среды.

3. Исследование корреляционных связей между интенсивностью спектральных линий рассеянных гамма-квантов разных энергий по горным породам и рудам с различным минеральным составом и отличными структурная признаками.

. 4. Построение на основе полей некогерентно рассеянных гамма-квантов разных энергий математических (статистических) объектов, вероятностные модели которых количественно характеризуют особенности в структуре горных пород.

5. Физическая интерпретация полученных математических объекте

£. Разработка программного обеспечения для автоматической обработки спектров вторичного гамма-излучения пород и руд и структурного анализа этих объектов.

Основные научные положения, защищаемые в диссертационной

работе

1. Оценка структурных особенностей горных пород по результатам статистической конверсии полей некогерентно рассеянных гамма-квантов разньк энергий.

2. Оценка структурных особенностей горных пород по параметрам их статистических спектров.

3. Оценка структурных признаков (размеры, объёмное распределение минеральных включений) горных пород по топологическим параметрам и коэффициентам формы их вероятностных моделей.

4. Определение структурных особенностей горных пород по результатам кластерного анализа полей когерентно и некогерентно рассеянных гамма-квантов разных энергий.

Научная новизна

1. Структурные особенности и признаки горных пород выражаются численно результатами статистической конверсии полей некогерентно рассеянных гамма-квантов разных энергий, параметрами их статистических спектров и вероятностных моделей, которые рассчитываются по значения!.! интенсивности полей некогерентно рассеянны* гамма-квантов трех энергий.

2. Структурные особенности и признаки разных пород оцениваются по результатам статистической конверсии полей некогерентне рассеянных гамма-квантов разных энергий и значениям параметров их статистических спектров и вероятностных моделей методами статистического анализа. В результате объективно (с заданной дове- ■ рктельной вероятностью) определяются различия в структурных особе неетях и признаках у разных горных пород.

3. В статистическом методе анализа полей некогерентно рассеянных гамма-квантов трех энергий - вероятностная модель гор- . кой породы - корреляционная связь между конверсионными полями некогерентно рассеянных гамма-квантов крайних энергий аппрокси-

мируется математическим объектом, вероятностная модель которого • описывается неоднородным распределением. Параметры этой модели рассчитываются по корреляционным связям между конверсионными полями некогерентно рассеянных гамма-квантов трех энергий и параметрам статистической модели конверсионного поля промежуточного по энергии излучения. Параметры (топологические) вероятностной модели являются коэффициентами топологического образа структуры горных пород, который выражен коническим сечением.

4. Применение методов кластерного анализа ( В - коэффициент, метод К - средних) к полям однократно рассеянных гамма-квантов разных энергий для изучения структуры горных пород.

Достоверность научных положений и выводов

Защищаемые научные положения и выводы подтверглаЕТСя результатами экспериментальных исследований структуры горных пород и руд (образцы, керн) с различным минеральным составом и структурными признаками: интрузивные породы (ультрабазиты, габбро, грано-диориты, граниты), яильныэ породы (пегматиты, диабазы), эффузивные породы (базальты, андезит-базальтовые порфириты,вулканиты), метаморфические породы (серпентиниты , сланцы, метаморфиты), осадочные породы (туффиты, известняки) и вторичные по ним породы с различной степенью метассматической переработки (• листзени-ты, березиты, скарны), сульфидные руды.

Практическая ценность работы

1. Выражение структурного фактора горных пород посредством числовых характеристик - результатами статистической конверсии полей некогерентно рассеянных гамма-квантов разных энергий, параметрам статистических спектров и вероятностных моделей горных пород - позволяет к значениям этих величин применить методы статистического анализа и объективно (с заданной доверительной вероятностью) оценить различия в структуре у разных пород. Кроме того, появляется возможность изучать структуру горных пород по данным ГШ непосредственно в их естественном залегании.

2. Разработана методика исследования структуры пород и руд ГГМ и создана программа для компьютера 1ВМ-РС-АТ для определения по данным ГГМ структурных признаков (размеры, форма объёмного распределения минералов) геологических образований.

3. Создана универсальная программа для компьютера IBM-FC-AT по обработка спектров вторичного гамма-излучения пород и руд.

4. Экспресслость и низкая себестоимость структурного анализа пород и руд ГШ по сравнению с кристаллооптическими методами.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на:

- Всесоюзной научно-теоретической конференции "Проблемы и перспективы, ядерно-геофизических методов в изучении разрезов скважин"

( г.Обнинск, 1989г.);

- Ш научно-техническом совещании по геотомографии (г.Свердловск, 1991г.)

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 2 авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений, изложенных на ЗОЪ стр. машинописного текста. Содержит 77 рисунков, 35 таблиц. Список литературы включает 99 наименований.

Работа над диссертацией выполнялась в 1987-1991г.г. под руководством доктора технических наук, член-корреспондента академии естественных наук PCiCP b.И.Уткина в лаборатории ядерной геофизики Института геофизики УрО АН СССР.

В процессе работы автор пользовался советами и консультациями (по геологическому аспекту работы) доктора reo.-мин.наук, профессора Б.П.Рыяего и доктора reo.-мин.наук И.Н.Бушлякова.

Всем им автор выражает искреннюю признательность за ценные советы и предложения.

Автор выражает благодарность специалистам ПК) "Уралгеология" начальнику лаборатории ядерных методов, кандидату reo.-мин.наук Н.А.Черепанову за предоставление измерительной аппаратуры при проведении экспериментальных работ и главному геологу Павдинской ГСП Л.И.Десятниченко за результаты ыинераграфического анализа горных пород.

содержание работы

Во введении обосновывается актуальность исследований, даются обсие сведения о работе.

В первой главе по опубликованным данным по генезису магматических пород (Г.С.йодер, К.Э.Тилли, 1965; Б.Бейли,1972 ; 'З.Хэтч и др.,1975 ; Ю.С.Геншафт, 1977; А.Е.Рингвуд, 1981; Н.Ф.Шинкарез, В.В.Иваников, 1983; A.A. Маракушев, 1968) анализируется влияние геотектонических и физико-химических процессов, участвующих в образовании магматических пород, на структуру геологических образований и выделяются их отдельные структурные элементы (признаки). Рассматриваются результаты исследования структуры пород и руд гамма-излучением разных энергий по публикациям Г.Митра и А.Вильсона (i960), П.Бери, Г.Фурута. Дч.Роудсона (1969), Д.И.Пмсника (1971,1972). А.Г.Хиславсксго (1973), В.А.Арцыбанева (1978,1963, 1989), Е. П. Декана (1978,1966), Г .А. Пшеничного (1977), З.А.Мейера (1977,1978), В.С.Нахабцева (1978), А.П.Очкура и др.(1985). До этам данным изучается влияние структуры гетерогенной среды (фермы, размероз, статистики распределения включений в среде) на интенсивность спектральной линии рассеянного гамма-излучения при разных энергиях первичного излучения. Определяются оптимальные условия измерений интенсивности спектральной линии рассеянных гамма-квантов (определенной энергии) для выявления элементов структуры гетерогенных сред. Рассматриваются методы статистической обработки распределений интенсивности спектральных линий рассеянных гамма-квантов разных энергий, посредством которых можно выделить -структурные элементы горных пород (Г.Харман,1972; К.Иберла,1960).

Во второй глазе обосновывается выбор гранитов разной зернистости и пегматитов с гиганто-зернистой структурой и с птзеяилками биотита (базовые объекты) для оценки возможностей ГГМ в изучении структуры геологических сред. Рассмотрены техника и методики ;:с-' следования структуры горных пород методом отражения (геометрия прямой видимости с жесткой коллимацией первичного и втеричнего излучений) и методом просвечивания (коллимироЕанные пучки). Пги-ведено описание программы для ЗВМ для обработки результатов измерений. Рассмотрены некоторые методические погрешности, которые возникают при опробовании пород и руд в коренном залегании га;.о/л-излучением нескольких источников с разными энергиями и постоянными распада. Приведены способы их устранения. Приведены резуль-

таты экспериментального исследования базовых объектов методом просвечивания гамма-излучением источника с энергией 38,7 кэВ.

В третьей главе изложены методы диагностики структуры горных пород по полям однократно рассеянных гамма-квантов разных энергий:

- кластерный анализ ( В - коэффициент, метод К - средних);

- статистическая конверсия полей некогерентно рассеянных гамма-квантоЕ разных энергий;

статистический спектр горной породы;

- вероятностная модель горной породы.

В четвертой главе приведены результаты исследования структуры пород и руд Ново-Шемурского медноколчеданного месторожде--ния по скважине 2051 (Северный Урал).

В заключении отражены основные результаты диссертационной работы.

В приложении I приведены результаты структурного анализа пород и руд с различными минеральным составом и структурными признаками в виде графиков их-вероятностных моделей и значений . (статистических) коэффициентов этих моделей.

В приложении 2 приведен текст программы для обработки спектров вторичного гамма-излучения пород и руд для многоканальных спектрометров.

В приложении 3 приведен текст программы структурного анализа горных пород и'руд.

Тексты программ приложений 2,3 составлены на языке программирования Паскаль.

ОСНОВНЫЕ ЗАШРДЕЫЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

I. Оценка структурных особенностей горных пород по результатам статистической конверсии полей некогерентно рассеянных гамма-КЕантов разных энергий

В процессе^бразогания магматических пород на систему расплав .— кристалл оказывает действие ряд факторов: гравитация, поле тектонических напряжений вмещающей среды, гидродинамические, конвекционные процессы и другие, которые в совокупности обуславливают.структуру и минеральный состав горных пород.

Если в процессе образования породы действия таких факторов симметричны (равновероятны) во времени и пространстве, то в таком случае формируется геологический объект,в котором распределения объёмных долей составляющих его минералов, определенных в разных направлениях по точкам породы, будут подчинены нормальному закону (центральная предельная теорема статистики). Более продолжительное действие во времени одного из действующих факторов оказывает соответствующее влияние на характер распределения, размеры, химический состав минеральных включений породы и в таких образованиях распределения объёмных долей разных минералов будут аппроксимироваться статистическими моделями, отличными от нормального распределения.

Формально для оценки и выделения структурных особенностей горных пород предложено следующее решение.

3 исследуемой породе выделяется минерал-индикатор ( ¿ -минерал) с максимальным коэффициентом поглощения гамма-квантов. В разных направлениях по точкам породы определяются объёмные доли х -минерала. Полученное эмпирическое распределение объёмной доли этого минерала посредством некоторой преобразующей функции и статистических тестов (критериев согласия) приводится к базовому распределению, которое аппроксимируется нормальным законом. Значения коэффициентов» отличные от единицы, этой преобразующей функции количественно характеризуют неравновесные по внешним факторам условия образования породы и, еле- , довательно, отражают её структурные особенности и своеобразие минерального состава. Сравнивая у разных пород значения коэффициентов преобразующей функции, получаемые в результате преобразования исходных распределений объёмных содержаний их £ -минералов в базовое распределение, статистическими методами представляется возможным объективного заданной доверительной вероятностью) оценить различия в структуре горных пород близкого минерального состава (оцениваемый по этим коэффициентам эффект структуры смешан с эффектом состава пород). Однако, решение будет справедливым только в том случае, если для оценки структурных различий у сопоставляемых пород применяется преобразующая функция одного вида.

Оценку структурных различий у горных пород (близкого минерального состава) без их разрушения на основе предложенного реизния можно сделать по полям■некогерентно рассеянных гамма- ' квантов разных энергий. Интенсивности таких полей связаны обратной зависимостью с объёмными содержаниями I -минералов в породах.

Предположим, что горные породы, в которых распределения ссъёмных долей I -минералов по точкам наблюдения (областям квантованного зондом пространства пород) подчиняются нормальному закону, формируют поля некогерентно рассеянных гамма-квантов разных энергий, статистические модели которых аппроксимируются нормальным распределением (с разными параметрами).

От абсолютных значений интенсивности "Ц. поля некогерентно рассеянного излучения с энергией первичных гамма-квантов перейдем к положительной совокупности значений случайной ве-

, -V

где и _ среднее значение и среднее квадратическое

отклонение (с.к.о.), соответственно, статистического распределения интенсивности спектральной линии рассеянных гамма-кван-■тов с первичной энергией. Константа 4,5 вводится на

основании неравенства Чебышева. В случае нормального распределения объёмной доли I - минерала по точкам наблюдения в горкой породе, с учетом сделанного выше предположения, распределение случайной величины будет описываться нормальным законе;.; с центром 4,5 и единичной дисперсией (независимо от энергии Е^ первичных гамма-квантов), в противном случае, распределение случайной величины не описывается нормальным распределением.

Для того, чтобы определить особенности в структуре (в распределении объёмной доли I -минерала по точкам наблюдения) горных пород, эмпирическое распределение случайной величины

■ (у ■ , определенное по значениям интенсивности поля некоге-вентно рассеянных гамма-квантов с первичной энергией

посредством степенной преобразующей функции

где Л, - коэффициент преобразующей функции, приводится к нормальному распределению.

Значение коэффициента ГЬ определяется на основе критерия согласия.( - критерия), посредством которого проверяется соответствие статистического распределения случайной величины ^ нормальному закону.

Спектр значений случайной величины , описываемой нормальным распределением, назовем конверсионным полем некогерентно рассеянных гамма-квантов (с первичной Щ энергией). Преобразование посредством выражений (1)-(2) в назовем статистической конверсией поля некогерентно рассеянных гамма-квантов.

Структурные особенности горных пород (с близким минеральным составом) оцениваются по значениям коэффициента ¡Ъ- преобразующей функции полей некогерентно рассеянных гамма-квантов разных по энергии гамма-линий (источников) статистическими методами.

Исследованиями структуры горных пород с разными структурными признаками и минеральном составом гамма-квантами с энергиями 22.2 , 38.7 , 60 кэВ установлено:

I. Зависимость У/ -критерия (критерия согласия) от значений коэффициента /I преобразующей функции для разных пород при различных энергиях гамма-квантов имеет вид выпуклых кривых, проходящих через максимумы. Максимумам И/ -критерия соответствуют значения коэффициента Л- , при которых спектры значений величины «5^" от гамма-линий разных энергий описываются нормальным распределением.

2.Значения коэффициента А преобразующей функции, соответствующие максимумам кривой { Р- ), полученные по полям некогерентно рассеянных гамма-квантов разных энергий в пределах одной породы (структурной, петрографической разности) разные.

3. Различия в структуре горных пород с близким минеральным составом оцениваются по значениям коэффициента п , определенных в п.1 от гамма-линий разных энергий по результатам дисперсионного анализа.

2. Оценка структурных особенностей горных пород по параметрам их статистических спектров

Структура, характер распределения интенсивности, поля однократно рассеянного гамма-излучения в условиях, когда размеры минеральных включений (в основном I -минерала) в исследуемой горной породе соизмеримы с длиной пробега в них гамма-квантов излучения источника, определяется формой, размерами и статистикой распределения минеральных частиц ( I -минерала) по ее объёму (в пределах глубинности исследования) т.е. реальной структурой породы (В.А.Арцыбашев,1983; Е.П.Леман,1986). При изменении энергии первичного гамма-излучения меняются значения коэффициентов поглощения гамма-квантов минеральных включений, характер их зависимости от структуры пород и,следовательно, изменяется структура поля рассеянного гамма-излучения. Поскольку от гетерогенного объекта формируются разные по структуре поля рассеянного гамма-излучения на разных уровнях энергии первичного излучения,то, следовательно, структуру объекта можно определить (оценить) по результатам корреляционного анализа интенсивности полей однократно рассеянных гамма-квантов различных энергий.

С этой целью вводится некоторый параметр Н , структурный коэффициент породы, и на определенном интервале изменения этой величины проводится статистический анализ интенсивности полей некогерентно. . рассеянных гамма-квантов трех энергий.

По значениям интенсивности.полей некогерентно рассеянных исследуемой средой гамма-квантов от 3-х гамма-линий с разными энергиями на каждой точке наблюдения определяют два спектральных числа (свободных от эффекта у0-^ инверсии) в виде:

где 11 , , - интенсивности некогерентно, рассеянных гамма-квантов с меньшей, промежуточной и большей энергиями, соответственно; .

К - структурный коэффициент породы.

По спектральным числам (нормированным спектральным интен-сивкостям) УУ ( 1} , К ) , } «I. 3 и V определяют спектр значений коэффициента корреляции между ними при разных значениях структурного коэффициента К - так называемую

"корреляционную" функцию £ ( К ) горной породы. "Корреляционная" функция представляет собой непрерывную функцию, которая в интервале лес•*«=■<> меняется от +1 до -I. Структура горной

породы обуславливает отличные по характеру распределения интенсивности поля некогерентно рассеянных гамма-квантов крайних энергий и определяет вариации спектрального числа и = /Тг . Разные значения и , в свои очередь, определяет некоторый диапазон К , в котором ] (К) I < I , и значение К , при котором £ ( К )=0. Отметим, при и.-сош^ (мономинеральное образование) /^(£)есть ступенчатая функци со ступенью +1 до -I при К =0.

^.апазон значений структурного коэффициента А? ,.при которых //? <1 назовем ширино'й переходной области "корреляции-онной" функции пород, а значение М , при котором £ ( И )=0 -центром переходной области ( А1 ). Поскольку структура гете-

рогенной среды определяет положение (центр) и ширину переходной области л? ( А? ) на структурной шкале горных пород, то, следовательно, эти два параметра можно использовать для выделения л оценки структурных особенностей геологических образований.

Более'точно ширину переходной области Я ( К? ) определим следующим образом. Представим "корреляционную" функцию горных пород в виде произведения двух-функций (это справедливо, если выразить коэффициент корреляции через смешанный и центральный моменты второго порядка коррелируемых величин):

_ Я, Ск) ■ £ (к) , ■

(к) - ¿- к ,

где

(4)

(5)

(6)

ГД8 ' . ^

¿-- # 1гт^т.

От/

(8) (9)

где

6и » ¿^ » - с.к.о. спектральных чисел И , V, соответственно, и коэффициент корреляции между ними. Р ( < ) представляет собой распределение Коши и характеризует допустимый спектр значений структурного коэффициента К для исследуемой породы и, следовательно, границы переходной области "корреляционной" функции к ( К ). Ширина'переходной области расчитывается на основе теории информации и равна 4зГс1. Отметим, что из выражени (4)-(7) следует, что при К = £ ■ (к )=0 , т.е, параметр £ (центр распределения /- ( АС ) ) является центром переходной области "корреляционной" функции горной породы.

Значениями параметров ^ и сС распределения Р ( К ) определяется центр и ширина переходной области И ( К ), соответственно, и, поэтому, эти параметры можно использовать в качестве числовых характеристик структуры горных пород.

Я СО назовем статистическим спектром горных пород.

Экспериментальными исследованиями структуры разнозернистых гранитов и пегматита с прожилковой биотитовой минерализацией' гамма-квантами с энергиями 22.2, ЗБ.7, 60.0 кэВ установлено, что параметры Ь и статистических спектров Р (К ) горных пород характеризуют размеры и особенности объёмного распределения биотита ( I -минерала)'в этих образованиях.

Структурные особенности горных пород с неизвестными структурными признаками оцениваются по значениям параметров & и ^ их статистических спектров с привлечением информации в виде значений этих величин статистических спектров пород с известной структурой (и минеральный составом).

3. Оценка структурных признаков (размеры, объёмное распре-гелекие минеральных включений) горных пород по топологическим параметрам у. коэффициентам формы их вероятностных "моделей

На основе результатов дисперсионного анализа конверсионных полей некогерентно рассеянных гамма-квантов разных энергий от горных пород с различными структурными признаками и минеральным составом (разнозернистые граниты, пегматит, гранодиорит,габбро, ультрабазит) показано, что конверсионные поля рассеянных гамма-квантов разных энергий в пределах одной породы (структурной, петрографической разности) различны (по своим значениям) и

параметры их статистических моделей определяются структурой и минеральным составом породы. Корреляционные связи между конверсионными полям некогерентно рассеянных породой гамма-квантов разных энергий обусловлены её структурой (объёмным распределением,формой, размерами минеральных включений) и минеральным составом (соотнесениями в коэффициентах поглощения гамма-квантов между составляющими породу минерала!.®). Если эта связи аппроксимировать некоторыми статистическими величинами (корреляционными связями полей рассеянных гамма-квантов разных энергий с этими величинами), тогда в соответствии с концепцией факторного анализа вероятностные модели таких случайных величин будут количественно характеризовать элементы структуры пород и руд. Д;пя построения таких статистических величин можно было бы привлечь аппарат факторного анализа, однако решения, получаемые этим методом, характеризуются тем, что их вероятностные модели описываются нормальным распределением (Г.Харман,1572; К.Иберла, 1980; Дж.Ккм, Ч.Мыоллер и др., 1569). В горных породах и рудах распределение минеральных включений (объёмной доли I -минерала) и спектр размеров не всегда аппроксимируются нормальным законом (Л.И.Шмснин,1972; Ф.Хэтч и др.,1975; С.В.Ефремова, К.Г.'Стафеев, 1585). Поэтому, чтобы объективно оценить структуру пород и руд необходимо построить такие статистические объекты,-вероятностные модели которых отражали бы распределение и размеры минеральных включений и форма этих моделей была свободна от ограничений, присущих решениям факторного анализа.

С этой целью вводятся два структурных коэффициента К и А , и на определенных' интервалах изменения этих величин проводится статистический анализ интенсивности полей некогерентно рассеянных гамма-квантов трех энергий.

' Исходные распределения интенсивностей полей некогерентно рассеянных исследуемой породой гамма-квантов разных (трех) энергий посредством статистической конверсии призодят к базовому (нормальному) распределению. -Ло конверсионному поля Зо нексге-рентно рассеянных гамма-квантов промежуточной энергии строят математический объект X в виде неоднородной совокупности, составленной из двух .нормально распределенных случайных величин Зц и К * А .' взятых с равными Бесами ( К , А - структурные коэффициенты) . Вероятностная модель математического объекта Л опи-

еывается неоднородным распределением Е (Л).

Для того, чтобы посредством вероятностной модели математического объекта X молено было выделить (оценить) структурные признаки пород, необходимо определить такие значения структурных коэффициентов Лил, при которых математическим объекта

X можно было воспроизвести корреляционную связь между конверсионными полями и £ некогерентно рассеянных гамма-квантов с меньшей и ^большей энергиями, соответственно, поскольку, ■ как отмечалось выше, связь между конверсионными полями ^ и обусловлена структурой и минеральным составом исследуемых пород Математически это условие эквивалентно тому, что частный коэффициент корреляции между конверсионными полями некогерентно рассе; ных исследуемой породой гамма-квантов крайних 'энергий при фиксированном значении X был равен нулю. В таком случае справедливо уравнение

= ^ ' ^Х ' ' (Ю)

где » Ъ.х > х ~ коэффициенты корреляции между кон-

версионными полями и , конверсионным полем £/ и объектом X , конверсионным полем Йд и объектом X , соответственно.

Выражая в уравнении (10) коэффициенты корреляции и через К и Л величины , приходим к уравнению кривой второго порядка между ними:

А2 - (<- г

(II)

где е. , р - эксцентриситет и фокальный параметр,соответственн Параметры е и р уравнения (II) определяются по коэффициентам корреляции между конверсионными полями некогерентно рассеянных гамма-квантов трех энергий и параметрам статистической модели конверсионного поля промежуточного излучения и характери-

зуют структуру геологических образований.

В качестве решения уравнения (II) выбираем фокус и .фокальный параметр: р

К = 1ТГ ' ■ (12)

При этих значениях К и Л величин вероятностная модель математического объекта У- описывает структуру горных пород.

Неоднородное распределение Р ( X ) со значениями структурных коэффициентов К и Л , определяемых равенствами'12) назовем вероятностной моделью горной породы.

С одной стороны параметра е и р характеризуют структуру пород, с другой определяют вид кривой (II): эллипс, гиперболу, параболу. Поэтому горной породе с определенными структурными признака.',« можно поставить в соответствие некоторое коническое сечение с соответствующими значениями £ , р величин в X , Л -координатах. На основании этого уравнение (II) можно интерпретировать как топологический образ структуры горных пород, а параметры € и р можно определить как топологические характеристики структуры природных образований.

На основании результатов экспериментальных исследований структуры разнозсрн:1СТ1ЕС гранитов, гигакто-зеркистого пегматита и пегматита с прогалками биотита, гамма-квантами с энергиями 22.2 , 38.7, £0 кэВ установлено:

- структурные признаки пород оцениваются по значениям ^ и Р топологических характеристик структуры этих образований:

а) по значения?,*, параметра р оцениваются размеры включений г -минерала (биотита);

б) по значениям параметра & оценивается форма, пространственного распределения включений ¿ -минерала (биотита) по объёму породы;

- особенности объёмного распределения минеральных включений

¿-минерала (биотита) в породах оцениваются по коэффициентам формы (асимметрии, эксцесса) их вероятностных моделей;

- вероятностная модель /■(•*) горной породы характеризует распределение в ней длины пробега гамма-квантов промежуточного по энергии излучения.

При исследовании горных пород с неизвестными структурными признаками для их идентификации необходимо призлечь информацию в виде значений 5 , р величин и коэффициентов формы вероятностных моделей пород с известными размерами и формой распределения минеральных включений ( * -минерала).

4. Определение структурных особенностей горных пород по результатам кластерного анализа полей когерентно и некогерентно рассеянных гамма-квантов разных энергий

При изучении структуры горных пород с рудной минерализацией ( I -минерал) ГГМ (методом отражения) по заданной сети наблюдений от отдельных областей квантованного зондом пространства породы (точек наблюдения) с одинаковыми объёмными долями и размерами включений рудного минерала спектрометром регистрируются (в пределах погрешности измерений) равные интенсивности отдельно по когерентной и некогерентной составляющим рассеянного гамма-излучения в условиях, когда размеры включений рудного минерала соизмеримы с пробегом в них гамма-квантов источника (Г.А.Пшеничный, В.А.Ыейер, 1977). Объединяя такие объекты (точки наблюдения) в отдельные группы, по исследуемой породе получим ряд кластеров, характеризующих разные объёмные содержания и размеры включений рудного вещества. Разнесем отдельные объекты кластеров по сети наблюдений, в результате получим распределения объёмного содержания и размеров включений рудного вещества по породе, которые характеризуют структуру породы. Поскольку рудные включения по разному поглощают гамма-кванты разных энергий, то для бояьсей представительности и надежности информации о структурном факторе пород необходимо использовать несколько гамма-линий разных энергий.

Разбиение объектов (точек наблюдения) горных пород на отдельные кластеры на основе измерений интенсивности когерентно и некогерентно рассеянных гаму-а-КБантов разных по энергии гам-ма-ликий осуществляется методами кластерного анализа: методом коэффициента принадлежности ( В - коэффициент) (Г.Харман,1972) и методом К - средних (Дк.Ким.Ч.Мьюллер и др. ,1989).

Сдвиг исходных данных, интенсивности когерентно и некоге-. реитно рассеянных породой гамма-квантов различных по энергии гамма-линий источников с разными активностями к периодами полураспада, ликвидируется их нормированием на значения интексивно-стей когерентно и некогерентно рассеянных гамма-квантов соответствующих энергий от контрольного образца (алюминий).

В методе В - коэффициента в качестве меры сходства между объектами используется коэффициент корреляции. Применение этого

метода основано на том, что нормированные интенсивности рассеянных гамма-квантов соответствующих энергий по разным объектам с 'близкими структурныгли признаками (формой, размерами, статистикой распределения минеральных включений) и вещественным составом будут примерно одинаковыми и, следовательно, такие объекты меэду собой будут отмечаться высокими корреляциями по норкгрсванным интенсивностям рассеянных газ.ма-квантов разных энергий, а с объектами с отличными структурными признаками и вещественным составом корреляции будут, низкими. Методом 8 -коэффициента осуществляется первоначальное разбиение объектов породы на кластеры. Однако, коэффициент корреляции между объектами определяет меру линейной связи между их нормированными интенсивностя;® рассеянных гамма-КЕантов разных энергий. Поэтому вероятны случаи,когда в выделенных кластерах присутствуют объекты, нормированные интенсивности которых отличаются от нормированных интенсивностей рассеянного гамма- излучения соответствующих энергий других объектов на постоянные величины. В таком случае однородность кластеров по вещественному составу и структурным признакам наругается и они будут отмечаться большими дисперсиями нормированных интенсивностей рассеянного гамма-излучения разных энергий. Поэтому для корректировки распределения объектов по кластерам применяется метод ^ - средних, посредством которого выделяются кластеры с минимальными дисперсиями нормированных интенсивностей рассеянных гамма-квантов разных энергий.

Различия в структурных особенностях выделенных в породах кластерах оценивают по значениям параметров построенных по ним статистических спектров F { К ) или вероятностных моделей г(х)

Исследованиями горных пород и руд гамма-квантами с энергиями 22.2, 25.1,'26.4 , 33.7 , 60 кэВ установлено, что кластерный анализ наиболее эффективен для изучения структуры метассма-тически измененных пород, в которых присутствуют резкоотличкые по коэффициентам поглощения гамма-квантов группы минералов, ко-, торые по поля;.! когерентно и некогерентно рассеянных гамма-кван-тбв применяемых энергий выделяются в отдельные кластеры. Неизменные породы и массивные руды представляют собой более однородные по коэффициентам поглощения гамма-квантов образования и поэтому кластерным анализом не разделяются на отдельные объекты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы состоят в следующем.

1. Структурные особенности горных пород выделяются по значениям коэффициентов .формы (асимметрии.эксцесса) эмпирических распределений длины пробега гамма-квантов малых (38.7 кэВ) энергий, определенных по (толстым) слоям горных пород методом просвечивания.

2. Неоднотипность условий формирования горных пород и как следствие особенности их структуры и-минерального состава определяются по результатам дисперсионного анализа значений коэффициента Л- степенной преобразующей функции, определяемых при преобразовании этой функцией статистических распределений, смещенных на+4,5 нормированных отклонений интенсивности полей некогерентно рассеян- . ных гамма-квантов различных (не более £0 кэВ) энергиииГЗтим'способом выделяются структурные особенности горных пород близкого минерального состава.

3. Структурные особенности горных пород определяются по параметрам i и d. их статистических спектров F ('/<), построенных по поля;.: некогерентко рассеянных гамма-квантов трех энергий. Эти параметры характеризуют размеры и особенности объёмного распределения минеральных частиц ( L -минерала) в исследуемых природных образованиях.

4. Структурные признаки горных пород: размеры, объёмное распределение минеральных частиц ( i -минерала) характеризуются значениями топологических параметров /5и в , соответственно, их вероятностных моделей F (ж ), построенных по конверсионным полям некогерентко рассеянных гамма-квантов трех энергий на основе неоднородного распределения математического объекта х , который в свою очередь, строится по конверсионному полю промежуточного (по энергии) излучения. Особенности объё;^ного распределения минеральных частиц ( L -минерала) в горных породах дополнительно уточняются по значениям коэффициентов формы (асимметрии,эксцесса) их вероятностных моделей. В физическом отношении вероятностная модель fix) характеризует спектр длины пробега гамма-квантов промежуточной энергии в горных породах.

.5. По результатам кластерного анализа полей когерентно и некогерентно рассеянных гамма-квантов разных энергий выделяются

резкоотличные по коэффициентам поглощения минералы горных пород и устанавливается пространственное распределение включений таких минералов.(в пределах глубинности исследования и исследуемой площади) по породе.

6. С целью сокращения времени в получении ГТМ данных о структурном факторе горных пород, обработка результатов измерений вторичного гамма-излучения пород и их структурный анализ осуществляется в автоматическом режиме с использованием персональных компьютеров.

7. Этот .метод можно использовать в качестве дистанционного метода исследования структуры горных пород и руд в их естественном залегании.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях.

I. Статистический метод оценки гетерогенности горных пород по рассеянному гамма-излучению.- Тез.докл.Всесоюзной научно-теоретической конференции: "Проблемы и перспективы ядерно-геофизических методов в изучении разрезов сквакин".М.: МНТКТеос",1539,с.77.

. 2. Оценка распределения,, минеральных включений в горных породах гамма-гамма методом.- Ш научно-техническое совещание по геотомографии". Тез.докл.-Свердловск, УрО АН СССР,1991, с.£6.

3. Изучение структуры горных-пород гамма-гамма методом.-Сб."Ядерно-геофизические исследования",Свердловск,УрО АН СССР, 1991, с.46-52.

4. Учет влияния вещественного состава горных пород на ре-' зультаты рентгенорадиометрического анализа.- Сб."Ядерно-геофи-.

' зические исследования", УрО АН СССР," 1991, с.53-57.

5. Оценка особенностей структуры и петрографического состава горных пород по результатам статистической конверсии полей- некогерентно рассеянных гамма-квантов разных энергий.-Сб.".Ядерно-геофизические исследования",УрО АН СССР,1992, в печати.

6. Способ радиометрического исследования горных пород. Авторское свидетельство СССР №1548765,кл. (? 01V5/00 от 24.11.87 Опубликовано 07.03.90. Бюллетень №9 (соавтор В.И.Уткин).

'7. Способ флуоресцентного рентгенорадиометрического анализа. Авторское свидетельство СССР №1612247, кл. б 01/^23/223 от 25.10.88. Опубликовано 07.12.90.Бюллетень № 45.