РАЦИОНАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ИЗМЕНЧИВОСТИ СВОЙСТВ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ В НЕДРАХ: ОБЗОР МЕТОДОВ
Ю.В. Павленко
Аннотация
Неоднородности строения недр проявляются при любых масштабах исследований, начиная от неоднородного строения обломка породы до строения земных оболочек. Объект исследования - полезные ископаемые в недрах. Предметом изучения являются природные неоднородности востребованного полезного ископаемого, которые обеспечивают получение достоверных знаний о минеральном объекте, а целью - совершенствование принципов изучения промышленно-ценных скоплений полезных ископаемых по четырём важнейшим показателям - интенсивность, экстенсивность, точность и достоверность, обеспечивающих выбор методов геолого-экономической оценки минерального объекта. Методология исследования базируется на анализе принципов и методов стадийно-системных результатов геологоразведочных работ разнообразных видов и промышленных типов месторождений, учитывает влияние геологического строения на характеристики пространственной изменчивости свойств полезных ископаемых в недрах, позволяет повысить достоверность результатов исследований. Для выяснения природной неоднородности, изменчивости тел полезных ископаемых используются методы современной математики, теории вероятности, математической статистики. Методологические принципы и методы позволяют упростить процесс исследования, сократить затраты труда, времени и средств. Количественные характеристики изменчивости важнейших свойств полезных ископаемых решают многие вопросы методики поисков, разведки, опробования и геолого-экономической оценки месторождения. Они же определяют целесообразную степень изучения месторождения для его промышленного освоения, группу сложности геологического строения месторождения, определяют объёмы физических исследований. В статье продемонстрированы рациональные методы и практические приёмы использования разнородной выборочной информации для установления достоверных параметров полезных ископаемых. Они применимы на стадии оценки и разведки месторождений рудных и нерудных полезных ископаемых
Ключевые слова: методология; научные принципы исследования; неоднородности; изменчивость; полезные ископаемые; оценка; разведка месторождений; земные оболочки; минеральный объект; промышленное освоение месторождения
Annotation
METHODOLOGICAL PRINCIPLES OF STUDYING THE VARIABILITY OF MINERAL PROPERTIES IN THE SUBSURFACE
Yu. Pavlenko
Inhomogeneities in the structure of the subsoil are manifested at any scale of research, from the heterogeneous structure of a rock fragment to the structure of the earth's shells. The object of research is minerals in the subsurface. The subject of the study is the natural heterogeneities of a demanded mineral, which provide reliable knowledge about a mineral object, and the goal is to improve the principles of studying industrially valuable accumulations of minerals according to four most important indicators - intensity, extensiveness, accuracy and reliability, which provide a choice of methods for geological and economic assessment of the mineral object. The research methodology is based on the analysis of the principles and methods of the stage-systemic results of geological exploration of various types and industrial types of deposits, takes into account the influence of the geological structure on the characteristics of the spatial variability of the properties of minerals in the subsoil, and makes it possible to increase the reliability of the research results. To clarify the natural heterogeneity, variability of mineral bodies, the methods of modern mathematics, probability theory, and mathematical statistics are used. Methodological principles and methods make it possible to simplify the research process, reduce labour costs, time and funds. The quantitative characteristics of the variability of the most important properties of minerals solve many questions of the methodology of prospecting, exploration, testing and geological and economic assessment of the deposit. They also determine the appropriate degree of study of the deposit for its industrial development, the group of complexity of the geological structure of the deposit, and determine the volume of physical research. The article demonstrates rational methods and practical techniques for using heterogeneous sample information to establish reliable parameters of minerals. They are applicable at the stage of appraisal and exploration of deposits of ore and non-metallic minerals
Key words: methodology; principles of study; heterogeneity; variability; minerals; assessment; exploration of localities; earth shells; mineral object; industrial development of the deposit
Основная часть
Учение о поисках и разведке полезных ископаемых является самостоятельной прикладной научной дисциплиной геологического цикла, изучающего «условия нахождения и пути наиболее эффективного выявления промышленных месторождений полезных ископаемых». Разработав поисковые геологические критерии, сгруппировав месторождения для целей разведки, создав классификацию промышленных типов месторождений, В. М. Крейтер заложил научно-методологические основы учения о полезных ископаемых, которые вместе с самим учением и нарастающими потребностями человечества в минеральном сырье постоянно совершенствуются и развиваются. На пути развития специальных знаний о природном сырье встречается много неясностей, неточностей, природных особенностей, невероятных неоднозначностей, вызывающих необходимость в уточнении представлений о природе и генезисе даже хорошо известного минерального сырья, которые необходимо учитывать в практической деятельности.
Актуальность исследования вызвана потребностью совершенствовать научные и методологические основы проведения геологоразведочных работ как базовой дисциплины в области геологии, поисков, разведки полезных ископаемых при подготовке горных инженеров и научно-педагогических кадров высшей квалификации.
Объект исследования - полезные ископаемые в недрах.
Предмет исследования - природные неоднородности востребованного полезного ископаемого, которые обеспечивают получение достоверных знаний о минеральном объекте.
Цель исследования - совершенствование принципов изучения промышленно-ценных скоплений полезных ископаемых по четырём важнейшим показателям - интенсивность, экстенсивность, точность и достоверность, которые обеспечивают выбор методов геолого-экономической оценки минерального объекта.
При этом основной задачей является степень изменчивости - сумма случайной и закономерной составляющих изменчивости.
Методология исследования - анализ принципов и методов стадийно-системных результатов геолого-разведочных работ разнообразных видов и промышленных типов месторождений, методы учёта влияния геологического строения на характеристики пространственной изменчивости свойств полезных ископаемых, позволяющих повысить достоверность результатов исследований. полезный ископаемое минеральный геологический
Методологические принципы призваны совершенствовать методы, способы, приёмы, методики научной систематики изучения недр, обеспечивают переход научно-теоретического уровня знаний на уровень технологический. Эти принципы широко используются при изучении недр [4-7; 9; 10; 14] и по многим другим научным направлениям [1-3; 12; 13; 16; 17; 19], в том числе и за рубежом [11; 15].
Методологические задачи включают методы изучения неоднородностей земных недр, основы моделирования их строения и свойств полезных ископаемых в пределах исследуемых объёмов, поддерживающие системность научной дисциплины. При проведении геолого-разведочных работ они позволяют оценить и учесть влияние особенностей геологического строения на характеристики пространственной изменчивости свойств полезных ископаемых в недрах. По мере накопления фактического геологического материала, практического опыта проведения геолого-разведочных работ принципы и методы как составляющие научной дисциплины поисков и разведки полезных ископаемых целесообразно корректировать, уточнять, чтобы, с одной стороны, рационализировать, упростить процесс исследования и, тем самым, сократить затраты труда, времени и средств, с другой - повысить достоверность результатов исследований.
Результаты исследования и их обсуждения. Изменчивость является одним из важнейших свойств залежей полезных ископаемых. Форма, размеры, характер залегания, минеральный и химический составы, текстурно-структурные особенности, объёмная масса и многие другие параметры изменяются в разных частях даже одной залежи. Неоднородность рудных тел и вмещающих пород возникает в процессе их формирования и впоследствии может существенно изменяться в результате преобразований под влиянием процессов диагенеза, эпигенеза, метаморфизма, тектонических деформаций и др.
Неоднородность природных образований, их изменчивость определяют методику и оптимальные условия геолого-разведочных работ. Именно количественные характеристики изменчивости важнейших свойств полезных ископаемых решают многие вопросы методики поисков, разведки, опробования и геолого-экономической оценки месторождения. Они же определяют целесообразную степень изучения месторождения для его промышленного освоения, группу сложности геологического строения месторождения, определяя физические объёмы исследований.
Геологическая неоднородность, выявляемая по дискретной сети наблюдений, проявляется как совокупность случайной и неслучайной пространственной изменчивости данного свойства. По П. Л. Каллистову (1952), у изменчивости чаще различают две её стороны: характер изменчивости и интенсивность. Характер изменчивости - это её направленность, закономерность (случайность), а степень изменчивости - размах колебаний анализируемых величин (содержаний различных компонентов, мощности тел и т. д.). Понятие изменчивости свойств полезных ископаемых ещё не приобрело вполне законченного определения и различными исследователями трактуется по-разному. Так, Д. А. Зенков (1962) выделяет следующие изменчивости:
1. плавную, непрерывную, закономерную;
2. плавную, непрерывную, незакономерную;
3. прерывистую, скачкообразную, закономерную;
4. прерывистую, скачкообразную, незакономерную.
При случайной изменчивости изучаемого признака его значения в смежных точках не зависят ни друг от друга, ни от расстояний между точками. По всем направлениям значения имеют характер случайных беспорядочных положительных и отрицательных колебаний величины параметра, сменяющихся в каждом пункте, реже - через несколько соседних пунктов. Случайная изменчивость может быть количественно охарактеризована различными методами. Случайная изменчивость оказывает непосредственное влияние на статистическую оценку средних характеристик изучаемого свойства, определяя число наблюдений, необходимое для достижения желаемой достоверности средних оценок.
Ещё больше расходятся мнения специалистов о количественном выражении характеристик изменчивости свойств тела полезного ископаемого. Несмотря на разногласия, почти все построения основываются на теории вероятности и математической статистике, т.е. на анализе случайных, функционально не связанных величин. Основным средством количественного выражения изменчивости свойств тела полезного ископаемого является коэффициент вариации (V). Он определяется как отношение среднеквадратического отклонения результатов ряда измерений величины М (мощности тела, содержания металла, объёмной массы и т. п.) к среднему арифметическому (М ср), вычисленному для этого же ряда, и выражается большей частью в процентах.
В практике разведочного дела определение количества наблюдений (п) связано со значительными трудностями, т.к. статистическое распределение значений какого-либо свойства полезного ископаемого в большинстве случаев не следует закону нормального распределения (кривой Гаусса). Обычно статистическое распределение содержаний полезного компонента в рудах отличается резкой асимметрией относительно среднего содержания (п = 45). Как отмечает П. Л. Каллистов (1952), равновероятные положительные и отрицательные ошибки не равновелики, а равновеликие ошибки не равновероятны. Кроме того, при асимметричном распределении количества положительных и отрицательных отклонений признаки неодинаковы. Все это не позволяет непосредственно использовать существующие формулы (или таблицы) нормального интеграла вероятностей, хотя в практике разведки известны случаи полного подчинения закону Гаусса (например, опробование руды в вагонах). Во многих же других случаях коэффициентом вариации целесообразно пользоваться для ориентировочных суждений.
Наблюдаемая в геолого-разведочной практике случайная изменчивость свойств является результатом неполноты знаний на данной стадии изучения объекта. Эта изменчивость оказывает непосредственное влияние на статистическую оценку средних характеристик изучаемого свойства, определяет число наблюдений, необходимое для достижения желаемой достоверности средних ошибок.
Наиболее важна закономерная (неслучайная) изменчивость, которая позволяет оценить характер анизотропии рудного тела и выдержанность его свойств по различным направлениям. Её характеристика служит основой для ориентировки сети наблюдений и выбора расстояний между смежными точками по каждому из наблюдаемых направлений.