ООО
«ОМ-Структуры»
М.К.Овсов
СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ ГЕОДАННЫХ
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ
Санкт-Петербург
2003
4.3.
Моделирование геологического строения территории с целью
прогноза полезных
ископаемых на Мстинско-Демянской площади
С целью геопрогноза на изучаемой территории проведены работы первого этапа с построением модели геологического строения по структурным признакам. Как отмечено в п. 3.4.1, изложение материала в этом примере следует схеме отчета о представлении результатов работ.
1)
Характеристика территории
Площадь расположена к югу от оз.Ильмень, имеет прямоугольную форму протяженностью
прямоугольные ХЮ=6318, ХС=6438, YЗ=6286, YВ=6532;
географические РЮЗ=56 °56'49", 29° 41'23"; РЮВ =56° 58'59", 33° 18'03";
РСВ =58° 03'46", 33° 18'03"; РСЗ =58° 01'37", 29 °39'07".
2)
Банк данных
На изучаемую территорию создана база данных структурных признаков - гравиметрии, магнитометрии и отметок рельефа земной поверхности (высота) по сети 2´2 км.
2.1)
Исходные материалы и подготовка цифровых моделей (ЦМ) признаков
Для подготовки ЦМ признаков использовались стандартные топопланшеты, карты аномального поля силы тяжести в редукции Буге с s=2.67 г/куб.см, отчетные карты изолиний модуля вектора магнитной индукции (DТа) аномального магнитного поля в международной разграфке масштаба 1:200000. Данные гравиметрии снимались с карт c кодированием на устройстве "Шифратор-3" точек физических наблюдений. Данные рельефа и магнитометрии снимались вручную по сети 1´1 см карты, либо с помощью кодировщика графических данных "Шифратор-3".
Контрольные операции выполнены в объеме 1-2% путем сравнения фрагментов ЦМ, полученных по разным методикам: основная - вручную по сетке, изолиниям; контрольная - по изолиниям, характерным точкам с повышенной плотностью съема).
2.2)
Технология построения ЦМ признаков
ЦМ признаков получены в результате ввода данных в ЭВМ СМ 1420 и обработки их средствами автоматизированных систем обработки геологоразведочных данных и аэроданных. При этом задействованы программы, которые реализуют следующие функции:
- ввод оцифровки с регулярных сетей,
- прием шифраторных съемов и пересчет координат,
- регуляризация данных способом весового осреднения в палетке,
- регуляризация данных через систему триангуляции,
- линейная трансформация и ликвидация искажений на стыках листов,
- объединение (слияние) матриц,
- оценка средней квадратической погрешности ЦМ признаков,
- построение карт изолиий,
- файловый обмен СМ 1420 -IBM PC.
В результате компьютерной обработки создан банк данных структурных признаков на изучаемую территорию объемом 7550 узлов по сети 2´2 км.
2.3)
Точностные характеристики
По результатом обработки основных и контрольных значений ЦМ в узлах регулярной сети средняя квадратическая погрешность признаков составила:
- рельефа
земной поверхности (высоты) -
- гравиметрии - 1.09 мГл ,
- магнитометрии - 0.88 мЭ .
Анализ карт изолиний показал, что ЦМ признаков содержит заметную величину некоррелированной изменчивости ("шум"). С целью устранения нежелательного эффекта исходные ЦМ были преобразованы. Трансформация состояла в простом осреднении в круговой палетке с радиусом шага основной сети без разрежения. Погрешности трансформированных данных составили:
- высота -
- гравиметрия - 0.49 мГл ,
- магнитометрия - 0.39 мЭ .
Такие значения статистики были приняты в компьютерном моделировании методом структурного анализа для трансформированных данных.
3)
Результаты структурного анализа
Результаты компьютерного решения содержатся в следующих материалах:
1) логическая структура данных, или дерево решения;
2) таблица оценок статистических параметров;
3) карта классов, или образная структура данных;
4) вспомогательные графические материалы.
3.1) Дерево решения
По результатам структурного анализа на третьем (неполном) структурном уровне выделено 25 конечных классов. Логическая структура классов представлена на рис. 4.6. Пояснения к рисунку: в блоках, обозначающих классы вынесены номер класса (первая строка) и число точек в классе (вторая строка). По линии деления родового класса на видовые вынесено исчерпание геологической изменчивости переменной (ИГП) в процентах, обусловленное этим делением соотвественно для признаков: абсолютная высота, гравиметрия, магнитометрия.
3.2) Таблица статистик
Статистические характеристики классов по узлам деления родового класса на видовые приведены в таблице 2.
Примечание:
Значения стандартов даны в единицах погрешности; для перехода к физической
размерности оценок значения стандартов необходимо умножить
Рис. 4.6. Мстинско-Демянская площадь. Логическая структура геофизических и морфометрических данных (пояснения в тексте)
на соответствующие значения погрешности, приведенное в конце п.2.3.
Статистики
признаков в родовых и видовых классах
(корневой
фрагмент)
Таблица
4.2
|
Характеристики классов |
|
||||||||||
|
Номер класса |
Число объек- тов |
Средние значения переменных H DG DT |
Взвешенные стандарты (в единицах погрешности) H DG DT |
Корреляции H-DG H-DT DG-DT |
|||||||
|
1-й уровень деления |
|
||||||||||
|
4 5 6 7 |
7550 4096 1661 1793 |
119.3 79.5 206.9 129.3 |
-5.23 -4.73 -20.9 8.10 |
-1.73 -3.45 0.01 0.62 |
8.66 2.55 4.94 10.5 |
12.1 7.16 6.51 7.26 |
11.8 7.43 7.48 15.5 |
-0.42 0.05 -0.08 -0.46 |
0.18 -0.39 -0.45 -0.14 |
-0.14 -0.31 -0.33 -0.38 |
|
|
2-й уровень деления |
|
||||||||||
|
5 10 11 12
6 13 14 15 16
7 17 20 21 |
4096 1253 1325 1518
1661 458 608 207 388
1793 672 458 663 |
79.5 82.9 60.7 93.1
206.9 195.8 214.8 142.9 241.6
129.3 77.6 65.3 225.9 |
-4.73 -12.90 -2.20 -0.17
-20.9 -21.2 -26.3 -17.7 -13.5
8.10 15.10 5.26 2.98 |
-3.45 -2.74 -1.78 -5.51
0.01 2.79 -0.43 -0.32 -2.41
0.62 -3.37 6.61 0.52 |
2.55 1.87 1.86 1.93
4.94 5.09 2.09 3.57 1.90
10.5 7.55 2.31 1.59 |
7.16 3.27 5.94 4.11
6.51 4.92 4.97 2.18 2.48
7.26 3.72 6.37 4.39 |
7.43 4.45 6.38 4.28
7.48 4.38 3.97 5.38 2.52
15.5 9.77 9.56 5.92 |
0.05 0.03 -0.03 0.39 -0.08 -0.32 -0.46 0.01 0.30 |
-0.39 0.05 0.31 -0.15 -0.45 0.04 -0.14 -0.38 -0.09 |
-0.31 -0.57 -0.15 0.11 -0.33 -0.49 -0.38 -0.12 0.13 |
|
Пояснения к таблице: 1) статистические параметры (оценки статистик) приведены по структурным уровням, а в пределах одного уровня - по узлам ветвления в порядке, соответствующем рассмотрению структурного уровня на рис. 4.6 в направлении слева направо. 2) Строки классов образуют группы, первую строку занимает родовой класс, последующие строки - видовые классы. 3) Промежуточные классы (то есть не корневой и не конечные) для удобства cравнения статистик приведены в таблице дважды - как видовые и как родовые. 4) Конечные классы существуют только как видовые и не имеют в качестве статистик корреляций признаков.
3.3) Карта
классов
Картографические
результаты структурного решения представлены на рис. 4.7. На карте классов
каждая физическая точка (точка наблюдения) изображается картографическим знаком
с площадью, как правило, равной площади влияния точки. Цвета и плотность
картографических знаков принято задавать в соответствии с соподчиненностью
классов. (Однако, это не всегда удается
по причине ограниченных
Рис. 4.7. Мстинско-Демянская площадь. Картографические результаты структурного анализа данных:
а) карта классов;
б) структура данных с номерами классов и условными знаками возможностей устройств графического вывода.)
3.4)
Дополнительные графические материалы
К
анализу результатов решения построены дополнительные материалы: карты классов в
градациях исходных признаков, вариационные кривые распределения признаков к
выбору интервалов градаций, параметрические профили по выбранным направлениям,
которые представлены на рисунках 4.9 - 4.10.
3.5)
Анализ материалов структурного решения
Дерево решения, таблица статистик и карта классов содержат исчерпывающую информацию о структуре данных и ее эволюции. В анализе решения используются все материалы, причем отправной точкой к анализу интересующей ситуации может послужить любой из документов. Несколько примеров показывают эти возможности.
1) Дерево решения. Наиболее эффективное (информативное) деление родового 10-го класса на видовые 22-25, в котором оценка ИГП (в процентах) составляет: Н - 68, DG - 71, D T - 80, средняя величина - 73. На карте классов это две области.
Первая
область расположена в северо-западной части площади сложена классами - 22,23 и
незначительно - 24. Расположение класов зональное: северную часть занимает - 22
, южную - 23. Обращение к таблице статистик позволяет извлечь следующую
информацию: родовой - 10 -класс характеризуется к площади в целом пониженными
значениями H - (-30 )м, DG - (-7.7) мГл и DТ - (-1.0) мЭ с
отрицательной корреляцией DG и DТ - 0.57 (в корневом 4 классе отрицательная корреляция H
и DG
- 0.42); зональное расположение классов - 22 и 23 характеризуется изменением средних значений
переменных в направлении от севера к югу - повышением H и DG (
Вторая
область - пограничная с классами красного цвета шириной 6-
2) Таблица статистик. Наиболее высокими значениями DG характеризуются классы 37,40,41,42 (относительно корневого +18, +28, +21, +19 мГл). Из дерева решения видно, что это видовые классы 17 родового, средние значения в котором (к корневому) -41м, +20мГл, -1.6мЭ с отрицательной корреляцией Н и DТ -0.38. Эффективность деления родового класса на видовые для H, DG, DT составляет 83, 62, 74 процента, в среднем - 73. На карте эти классы занимают две области.
Первая расположена в ю-з части площади и своей конфигурацией похожа на правую половину цифры 8, которую ограничивает западный обрез карты. Можно предположить, что это фрагменты кольцевых (круговых) структур. Северная часть однородна, сложена классом 42 с характеристиками H, DG и DT 186м, 14мГл, -4.2мЭ. Южная часть имеет центральное ядро, составленное 40 классом (97м, 23мГл, -7.1мЭ) и кольцевую периферию, сложенную классом 37 (54м, 13мГл, -5.2мЭ).
Вторая
область - западная часть блока синего цвета в центре у северного обреза
карты. Сложена классами 37 на западе (54м, 13мГл, -5.2мЭ)
и 41 на востоке (39м, 16мГл, -0.3мЭ).
3) Карта классов. Рассмотренные в предыдущем примере классы по легенде имеют синий цвет (видовые к 7) и расположены к западу от полосы красных классов (видовые к 6), к ю-в от которой также расположены классы синего цвета 43-46. В расположении классов можно усмотреть закономерность, наметив ось в с-з направлении: осевую центральную часть занимает класс 46 и далее от оси 44 и 43. В этой последовательности переменные имеют следующие средние значения: H - 216, 241, 229м; DG - 4.6, 6.1, 1.7 мГл; DT - 0.8, 1.6, -1.4мЭ. Класс 45 расположен на с-з конце оси по границе с областью красных классов в форме пятна размером 10´40км, вытянутого в поперечном к оси направлении. Все четыре класса являются видовыми к 21, характеристики 45/21 составляют 218/226 м, -2.3/3.0 мГл, 2.3/0.5 мЭ. Эффективность деления 21 класса на видовые (ИГП) составляет 100, 41, 63 процента, в среднем - 68.
Исследование материалов структурного решения может быть и более сложным, чем это показано в примерах, с восхождением по дереву и анализом соседних логических и образных ситуаций.
4) Анализ статистик полученного решения
Значения ИГП по структурным уровням приведены в табл. 4.3. Следует обязательно отметить, что высокий показатель ИГП является характеристикой низкого уровня случайной составляющей изменчивости относительно закономерной. В последней строке таблицы указана величина теоретически достижимого уровня ИГП исходя из значений погрешностей и выборочных стандартов. Если же принять во внимание, что всегда существует некоторый уровень некоррелированной (некоординированной) изменчивости физических переменных, то фактически достигнутые показатели к закономерной изменчивости геоданных еще выше.
Таблица
4.3
|
Структурный уровень |
Число классов |
Исчерпание изменчивости геологической переменной - ИГП, в процентах |
|||
|
|
|
H |
DG |
DT |
среднее |
|
1 |
3 |
54 |
66 |
29 |
49.8 |
|
2 |
10 |
88 |
86 |
76 |
83.2 |
|
3 (неполный) |
25 |
94 |
93 |
87 |
91.5 |
|
Теоретически достижимый уровень |
--- |
98.6 |
99.3 |
99.3 |
99.1 |
Динамику оценок показателя ИГП иллюстрирует рисунок 4.8.
Анализ стандартов конечных классов из таблицы 2 с целью продолжения работ и оценки достоверности получаемых в продолжении результатов показывает следующее:
1) для двух классов - 23, 46 - с суммарным объемом около 6 процентов продолжение анализа возможно по двум переменным с пониженной достоверностью результата (так комментируется значение выборочной дисперсии от двух до трех);
Рис. 4.8. Полезная информация, извлеченная из данных в структуру (в процентах) для признаков данных
2) для классов 24, 26, 31, 33, 43, 44, 45 с суммарным объемом около 31 процента продолжение анализа возможно по двум переменным;
3) для классов 22, 16, 25, 27, 34, 35, 41 с суммарным объемом около 28 процентов продолжение анализа возможно по трем переменным с пониженной достоверностью результата;
4) для классов 13, 15, 20, 30, 32, 36, 37, 40, 42 с общим объемом около 35 процентов возможно продолжение анализа по трем переменным.
Таким образом показатели соответствия структурной модели исходным данным, приведенные в таблице 3, могут быть улучшены. Возможность вести анализ данных по двум или трем переменным определяется в системе автоматически. Оценка достоверности получаемых в продолжении работ результатов предположительна, она основывается только на анализе выборочных стандартов. В решении вопроса о продолжении работ необходимо принимать в расчет и другие факторы, а именно: 1) минимальный объем класса, который определяется площадью интересующих исследователя картографируемых деталей; 2) самый главный - согласованность с целью работ, которая определяется в процессе анализа и интерпретации карты классов. В заключение анализа стандартов следует заметить, что если из логических соображений требуется детализация, то лучше продолжить решение и, если конкретное деление окажется неудачным, отказаться от него.
5) Элементы интерпретации карты классов
Концепция картографического исследования постулирует следующее: картографическая информация содержится в карте и может быть извлечена. Это достигается интерпретацией карты, которую может выполнить специалист, имеющий цель исследования и владеющий необходимой для ее достижения суммой знаний. Или иначе: эта информация появляется в процессе чтения карты специалистом с определенной целью исследования. Основным видом графических материалов является карта классов. В интерпретации карты главную роль играют специфические приемы выделения картографических образов, их комбинации (композиции) и пространства карты в целом. Для характеристики картографических образов полезно построение параметрических профилей - секущих и продольных, карт переменных в градациях. Эти приемы показаны в данном разделе.
Основным структурным элементом карты является картографический образ - это пространственная комбинация (композиция) картографических знаков, воспринимаемая читателем как целое. По характерному рисунку геолог безошибочно распознает линейные структуры типа горстов и грабенов, постройки центрального типа, образы рудных районов типа "бабочки", "битой тарелки", "черепахового панциря" и т.п. Картографический образ ограничен рубежными линиями, а внутренняя его структура рисуется узлами и структурными линиями. Картографические образы низкого ранга образуют структурные композиции более высокого ранга и т.д. до образа карты в целом.
Построенная по результатам компьютерного моделирования карта классов является лишь исходным материалом к интерпретации. Линии разграничения фрагментов классов, их узлы не ранжированы как рубежные, структурные и второстепенные.
На рис. 4.7 приведена карта классов, соответствующая логической структуре данных, представленной на рис. 4.6, с вынесенными на нее рубежными линиями выделяемых картографических образов, которые характеризуются далее.
1) "Очевидные" картографические образы характеризуются отчетливой формой, однородным фоном, простой внутренней структурой. К ним относятся:
1.а) фрагменты кольцевых структур у западного обреза карты, выполненные классами 42 (северная часть) и классами 37 (кольцо), 40 (центральная часть) на юге. Подробная характеристика этих картографических образов приведена в п.3.5.2).
1.б) Два блока в центральной части карты, расположенные субмеридианально. Южный блок целиком картируется классом 20; северный блок - классами 37, 41, и 20, которые образуют три полосы в субмеридианальном направлении. Все названные классы являются видовыми к родовому классу 7.
Фоном для этих блоков является классы 27 на востоке и юго-западе и 30 на западе, которые в свою очередь являются видовыми к родовому классу 5 ( на одном уровне с классом 7 ). Обращение к статистикам показывает, что свойства классов очень контрастны - для H, DG, DT средние значения 5/7 составляют: 80/129, - 4.7/8.1, - 3.5/0.6; корреляции H с DG и DT также отличны.
2) Картографические образы более сложного строения характеризуются плавно изогнутыми рубежными и структурными линиями сходной морфологии. К этому типу можно отнести область, примыкающую к северному обрезу карты в западной половине карты. Область сложена классами 22,23,24,26 и 30 и выделяется от фоновой области на юге (класс 31) пониженными значениями H и DG. Этот образ интерпретируется как южная окраина Новгородского срединного массива; радиальная зональность классов отражает степень гранитизации пород, слагающих массив, с убыванием интенсивности гранитизации от центра массива к периферии.
3)
Наиболее сложный картографический образ - полоса закономерно сложного строения
в восточной части карты с направлением с Ю-З на С-В. Ширина полосы от 50 до
В
средней части структура претерпевает пережим с сокращением ширины авлакогена с
80 до
Рис. 4.9. Параметрический профиль средних значений признаков в классах по линии АБ
Рис. 4.10. Параметрический профиль средних значений признаков в классах по линии ВГ
В отношении композиций картографических образов можно уверенно сделать следующее заключение. В пределах площади изучения имеется два различных плана, граница между которыми проходит в средней части в субмеридианальном направлении - по западным границам блоков, описанных в п. 1б) этого раздела. В западной части морфология образов характеризуется плавными изометричными изгибами рубежных и структурных линий. В восточной части конфигурация классов имеет вытянутую в северо-восточном направлении форму. Это область Крестецкого авлакогена и прибортовой полосы с северо-запада. Несколько отлично от этой характеристики выглядит прибортовой участок с юго-востока в области пережима авлакогена (эта область охарактеризована в п. 3.5.3).
Более целенаправленный анализ результатов позволит уточнить выделяемые картографические образы и их структуры.
Заключение
В итоге анализа результатов решения выделено 4 структурных картируемых образа, которые образуют в пределах изучаемой территории два структурных плана.
В содержательном смысле отчетливую геологическую интерпретацию получили лишь два из образов, соответствующие Новгородскому срединному массиву и Крестецкому авлакогену. Они имеет отчетливую структуру, которая выражается в зональном строении, и образует два различных структуроформирующих сегмента для планов строения в разных частях карты.
Зональная
структура Новгородского срединного массива, перекрытого чехлом осадочных пород
до
Крестецкий авлакоген, небольшой по протяженности с юго-запада на северо-восток, обладает отчетливыми границами и относительно простым внутренним строением. Район пережима авлакогена в прибортовой части с юго-восточной стороны обнаруживает сложное и закономерное строение, что может быть обусловлено пересечением авлакогена линейной структурой вкрест напрвления его оси. Этот сегмент, имея в виду структурную обстановку в Зимнебережном алмазорудном районе, представляется интересным.
Кольцевые структуры в западной части площади, как показывает компьютерное моделирования на более обширной территории, подтвердились и они образуют свою композицию из трех или более образований, расположенных в меридианальном направлении.
В работах по заверке прогноза структурный анализ применялся в обработке данных шлихоминералогического опробования и минерагенического исследования пиропов с использованием микрозондового анализа. Результаты исследования, частично приведенные на рисунке 4.11, подтвердили перспективность площади изучения.
Рис. 4.11. Сравнительная характеристика пиропов по результатам структурного анализа данных микрозондовых исследований
[продолжение]