По Л. Четверикову [18], анизотропия тел полезных ископаемых проявляется в том, что неслучайная изменчивость изучаемого свойства оказывается различной в разных направлениях; обычно максимальная изменчивость наблюдается по направлению мощности залежей, а минимальная - по простиранию. Анизотропия проявляется в результате упорядоченности пространственного размещения геолого-структурных элементов - зёрен, минералов, минеральных агрегатов, скоплений полезного ископаемого, часто контролируемых слоистостью, сланцеватостью, трещиноватостью и прочими элементами вмещающих пород.
Понятие анизотропии имеет статистический смысл, т.к. она оценивает неслучайную изменчивость строения полезного ископаемого в среднем по заданному направлению.
Одним из показателей степени анизотропии может служить величина Ао = Jmax / Jmin, представляющая отношение «длин» большой оси (Jmax) и малой оси (Jmin) анизотропии, выраженных в условных единицах. Каждая из осей определяется как отношение среднего числа элементов неоднородности N, пересекаемых линиями, проведёнными в заданном направлении, к средним длинам этих линий I в пределах изучаемого объёма полезного ископаемого: J = N / I.
Наиболее широко распространены три главных направления анизотропии, которые часто совпадают с направлениями мощности, падения и простирания. По этим направлениям наблюдаются наиболее значительные различия количественных характеристик неслучайной изменчивости изучаемых свойств. В соответствии с основными морфологическими типами тел полезных ископаемых выделяются три типа анизотропии.
К первому типу относятся тела, имеющие три взаимно ортогональных оси анизотропии. Это пласты, жилы, лентообразные, линзообразные тела, россыпи, у которых ось максимальной изменчивости совпадает с направлением мощности, а ось минимальной изменчивости - с направлением простирания.
Ко второму типу относятся тела, имеющие две оси анизотропии. В этом типе выделяется два подтипа:
1. тела трубообразной формы;
2. изометричные в плане сплюснутые, линзообразные тела.
В обоих подтипах всегда можно видеть круговое сечение, перпендикулярное либо длинной (у труб), либо самой короткой (линзы) оси залежи. Плоскость кругового сечения образуется одним из направлений анизотропии. Другое направление совпадает с осью трубы или линзы. В сплюснутых телах -- это направление максимальной изменчивости (мощность); в вытянутых трубообразных телах это ось минимальной изменчивости.
К третьему типу относятся тела, имеющие одну ось анизотропии, точнее - тела практически изотропные, в которых изменчивость в разных направлениях почти одинакова. Это изометричные штокверки, тела штокообразной формы с концентрически-зо- нальным строением.
Для большинства месторождений, рудных залежей характерно совпадение типов анизотропии на разных структурных уровнях. Например, анизотропия строения рудной зоны может не совпадать с анизотропией входящих в её состав и различно ориентированных рудных тел. А поскольку характеристики анизотропии являются основой для выбора рациональной геометрии разведочной сети, то нередко возникают ситуации, когда переход на более детальный уровень разведки требует изменения ориентировки разведочной сети.
Важной задачей определения морфологии, размеров месторождения является выяснение структуры месторождения - черт, которые часто определяют ход и результаты разведочного процесса. К ним относятся до- рудные складчатые и разрывные нарушения, внутри- и послерудные нарушения, условия локализации рудных столбов, фациальные изменения вмещающих пород, влияющие на морфологию и пространственное распределение полезного ископаемого, характер контактов рудных тел и др. Все эти вопросы детально рассматриваются в учении о месторождениях полезных ископаемых.
Большинство месторождений полезных ископаемых представлено телами с двумя длинными размерами и одним коротким (пласты, линзы, жилы). Изменчивость морфологических свойств подобных месторождений обычно носит плавный и непрерывный характер. Изменения мощности, за исключением резких тектонических разрывов, могут относиться к направленным, т. е. к связанным определённой зависимостью. В случае закономерной изменчивости нет необходимости прибегать к математической статистике для выяснения интенсивности изменчивости.
Нередко тела полезного ископаемого пережимаются, т. е. их мощность на каком-то интервале уменьшается до нуля. Часто месторождения представлены серией параллельных кулисообразных рудных тел или группой мелких линз и гнёзд, разделённых более или менее значительными интервалами пустых пород. Таким образом, во многих случаях отсутствует непрерывность промышленной минерализации. В связи с этим возникло понятие о степени прерывистости минерализации, которую В. И. Бирюков предложил выражать коэффициентом прерывистости.
На практике пользуются коэффициентом рудоносности (у), который определяется как отношение суммы площадей, занятых промышленной минерализацией (s), ко всей площади месторождения (S), или отношением суммы длин выработок с промышленной минерализацией (I) к длине всех выработок (L).
Качество полезного ископаемого обычно определяется двумя видами показателей - содержанием полезных компонентов, их вредных примесей и физическими свойствами. Содержания полезных ископаемых выражаются следующим образом: в процентах (содержание элементов, окислов или минералов), в граммах на тонну, в граммах на кубический метр, качественные показатели физических свойств - размерами кристаллов или моноблоков, значениями твёрдости, хрупкости, вязкости, эластичности, гибкости, крепости, морозостойкости, влагоёмкости, кусковатости, удельного и объёмного веса и пр. Минеральное топливо часто оценивается по теплотворной способности (калорийности). Большая часть руд полезных ископаемых представляет собой комплексное минеральное сырье. Поэтому и исследования минерального сырья должны быть комплексными. Особое внимание привлекают редкие элементы.
Большинство месторождений имеет неоднородное строение. Причины неоднородности заключаются в их генетических особенностях, порождающих зональность, изменчивость качества и др. Целесообразно различать два вида зональности: первичную, обусловленную особенностями процесса формирования месторождения, и вторичную, вызванную экзогенными процессами окисления, выщелачивания и переотложения элементов и соединений, слагающих месторождение. От текстурных особенностей минерального сырья зависит не только выбор способа опробования, но и методика его испытания.
По всем этим показателям оцениваются характер и степень изменчивости качества полезного ископаемого. На разведочной стадии эти показатели иногда значительно важнее данных о изменчивости морфологии рудных тел.
Изменчивость качества полезного ископаемого характеризуется коэффициентом корреляции. Он оценивает степень согласованности изменений двух любых признаков: содержания различных металлов в рудах или содержания полезного компонента и какого-либо физического свойства или качества и формы. Наличие корреляционных связей, например, между содержанием свинца и серебра в полиметаллических рудах позволяет с помощью коэффициента корреляции достаточно точно подсчитать запасы серебра в зависимости от запасов свинца, резко сократив число дорогостоящих химических анализов на серебро. Эта же зависимость помогает решать вопросы технологической переработки полиметаллической руды.
Анизотропия любого порядка, любого показателя выявляется только рациональными методами опробования и размерами пробы; все исходные данные математических расчётов являются результатами качественного опробования. Это обстоятельство осложняет изучение анизотропии по результатам геолого-разведочных работ, так как сплошное изучение и опробование минеральных скоплений проводится не по всем направлениям, а только по направлению их мощности. Чем выше природная неоднородность строения полезных ископаемых, тем труднее выявляются закономерности пространственного размещения изучаемых признаков. С увеличением расстояний между пунктами наблюдений эти закономерности не улавливаются, а с уменьшением - проявляются всё отчётливее. Аналогичная тенденция наблюдается и при увеличении размеров или объёмов проб.
Статистические методы изучения изменчивости месторождений. В качестве количественной характеристики признака (мощности, содержаний компонентов и т. д.) при разведке и подсчётах запасов принято использовать среднеарифметическую величину этого признака (например, содержания полезного компонента)
C = Eci / n,
где сі -- содержание полезного компонента в і-й пробе;
n -- количество проб.
Для сравнения степени изменчивости залежи по различным признакам в разведочной практике широко используется коэффициент вариации V, который показывает отношение степени изменчивости исследуемого признака S к среднеарифметическому его значению C, выраженное в процентах
V = S / C 100 %.
Важной статистической характеристикой является абсолютная величина ошибки вывода среднеарифметического значения признака по данным n наблюдений:
Коэффициент вариации широко применяется в разведочном деле как показатель степени изменчивости содержаний полезных компонентов при отнесении месторождений к той или иной группе; в качестве основы для определения необходимого числа проб (наблюдений) при оценке средней величины исследуемого признака (содержания, мощности). Зная V, можно определить относительную величину погрешности среднего р = `Л - для грубого определения расстояний между пробами.
Основные свойства коэффициента вариации сводятся к следующему:
- он не учитывает расположения проб в пространстве, эта абстрактная характеристика отражает степень изменчивости, но не её характер. Представления о характере изменчивости дают соответствующие графики;
- величина коэффициента вариации зависит от размера проб и способа их отбора: чем больше объем и масса проб, тем ниже коэффициент вариации;
- коэффициент зависит от ориентировки линии отбора проб (относительно осей анизотропии), кроме того, значения его различны для разных участков месторождения.
Таким образом, отношения величин коэффициентов вариации по линиям отбора проб, совпадающим с направлениями максимальной и минимальной изменчивости, соответствуют в известной степени показателям анизотропии. Эти отношения могут учитываться при определении геометрии разведочной сети.
Определяющим фактором выбора плотности наблюдений при разведке пластообразных залежей полезных ископаемых месторождений второй группы по сложности геологического строения являются:
- изменчивость качественной характеристики пластов, морфологии тел полезного ископаемого;
- условия залегания и степень устойчивости элементов залегания тел минерального сырья.
Обоснование вида и плотности разведочной сети выполняется на эталонном участке аналитическим методом, способом разряжения и их комбинацией, из которых следует:
- по распределению полезных компонентов сырьё относится к неравномерным непрерывным или прерывистым по кондициям;
- по мощности полезное ископаемое относительно устойчиво или неустойчиво;
- решающее значение в пологоскладчатом многослойном залегании полезного ископаемого различной степени сплошности принадлежит складкам с размахом крыльев 100...170 м и протяжённостью 100...500 м;
- среди минеральных тел (60 залежей, линз) преобладают площадью 10...50 тыс. м 2, разведка которых по промышленным категориям целесообразна;
- изменчивость параметров по простиранию и падению практически одинакова;
- линзы, вскрытые 5...6 равномерно расположенными выработками, позволяют подсчитать запасы полезного ископаемого с точностью 31...35 %, а тремя выработками - 48 %. Исходя из этих особенностей, рационально разведывать запасы категории В по сети 100х100 м, С1 - 200х200 м, С2 - 400х400 м. При данной разведочной сети точность подсчёта запасов минеральных тел площадью более 50 тыс. м 2 существенно возрастает.
Заключение
Методологические принципы и критерии изучения недр относятся к числу стратегических направлений в познании систем многоуровневой неоднородности вещества Земли. В статье продемонстрированы рациональные методы и практические приёмы использования разнородной выборочной информации для установления достоверных параметров востребованной неоднородности, которой являются полезные ископаемые. Они применимы на стадии оценки и разведки месторождений рудных и нерудных полезных ископаемых.
Список литературы
1. Бахтина И. Л., Лобут А. А., Мартюшов Л. Н. Методология и методы научного познания. Екатеринбург: Урал. гос. пед. ун-т, 2016. 119 с.
2. Берёзкин Ю. М. Методология научных исследований (деятельностный подход). Иркутск: Изд-во БГУ, 2016. 198 с.
3. Ерёмин А. Д. История, философия и методология естествознания: в 3 т. Т. 3. Анализ понятий и концепций. Саров: СарФТИ, 2019. 36 с.
4. Ермолов В. А. Геология. Разведка и геолого-промышленная оценка месторождений полезных ископаемых. М.: Изд-во Моск. гос. горн. ун-та, 2017. Ч. 2. 405 с.
5. Каждан А. Б. Методологические основы разведки месторождений полезных ископаемых. М.: Недра, 1974. 271 с.
6. Каждан А. Б. Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых. Научные основы поисков и разведки. М.: Недра, 1984. - 285 с.