Спорные направления эволюции физико-математических методов в геологоразведочных задачах
Мовчан Игорь Борисович,
кандидат геолого-минералогических наук, доцент.
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург.
В современной геологической науке отчетливо прослеживаются три основные тенденции: ориентация на современный аппаратурный комплекс, присваивание экспериментальным замерам статуса окончательного результата в описании исследуемых объектов, оптимизация затратной компоненты. Математические методы в геологии, способные дать количественный и параметрически обоснованный результат в широком спектре задач от транспортного планирования методом линейного программирования до поиска скрытых взаимосвязей в многомерной гетерогенной выборке методом факторного анализа, всегда были на втором плане и при формировании стадийности геологоразведочных работ, и при работе над отчетными материалами. Указанные выше доминанты создают в сложившихся условиях кажущееся впечатление либо ненужности математического обеспечения в реализации геолого-геофизических программ, либо универсальности параметризованных решений, способных в пределе полностью заменить экспертные оценки. Выраженное неприятие в естественнонаучной среде метода физических аналогий и математического понимания модели природных объектов как системы, предельно упрощенной до ведущих уравнений, начальных и граничных условий, функций распределения по многомерным выборкам со скрытыми корреляционными взаимосвязями, приводит к разработке ряда нежизнеспособных программ и парадоксальных утверждений, наиболее показательные из которых приведены ниже.
I. Обособление математической геологии как самостоятельного научно-производственного направления. 60-е – 80-е годы прошлого столетия, связанные с активным развитием микропроцессорной техники и методов программирования, ознаменовались выходом показательных публикаций по применению ряда математических методов в задачах анализа полевых материалов. Наиболее заметными можно назвать труды А.Б. Вистелиуса [1] и Дж. Дэвиса [2], популяризирующие подходы теории вероятности и математической статистики на примере обработки количественных и полуколичественных геологических данных. Всплеск интереса к возможностям параметрических описаний, алгоритмизации и численным методам приходится на конец 80-х – начало 90-х годов, к которым приурочен выход в свет отечественных программных комплексов по численным пересчетам в геохимии, решению интерпретационных задач в геофизике, созданию баз управления данными. Необходимость перевода фондовых материалов в цифровые редактируемые форматы, плановый характер геолого-геофизических работ, определившие лавинный рост объемов числовых массивов, - эти и прочие факторы, к числу которых относятся стремительно развивающаяся компьютерная техника и отсутствие агрессивной политики в рамках концепции периодического обновления операционной системы, привели к формированию в конце прошлого века Института математической геологии под руководством А.Б. Вистелиуса. Несмотря на развиваемые под его флагом оригинальные проекты, отсутствие принципиально новых математических подходов, равно как финансирование по остаточному признаку, определили закрытие этой организации с отходом от дел его основателя. Прецедент с оформлением математической геологии, как самостоятельной области изысканий, не изменил к ней отношения в геологической отрасли ни на уровне отдельных специалистов, ни на уровне руководящего состава, до сих пор характеризующих ее в своих публикациях лишь как «перспективное направление исследований». Традиционно в учебном процессе рассматривается не «математическая геология», а «математические модели в геологии».
II. Попытки замены методов наземных инструментальных геофизических оценок способами дистанционных зондирований. Последние получили развитие с аэрофотографирования и полагались вспомогательным подходом при различного сорта картографических работах в конце прошлого века. Сейчас дистанционное зондирование притягивает к себе все большее внимание в связи с развитием орбитальной группировки, способной решать комплекс исследовательских задач от привязки и формирования детальной картографической основы до специализированного районирования. Пренебрежение в среде геологов физическими основами метода, равно как и отработанной стадийностью геолого-геофизических изысканий, привело к лавинному потоку заявок на патентование и участие в конкурсах с применением методов дистанционного обнаружения месторождений и рудопроявлений различного генезиса и вещественного содержания. Имеют место такие парадоксальные проекты как локализация скрытых от прямого наблюдения геологических аномалий по спектрозональным космообразам путем нанесения на них прозрачного слоя диэлектрика с редкометальной примесью и последующего радиационного облучения. Другой пример касается распознавания образов с обучением, где авторы проекта применяют в качестве рабочего инструмента стандартную схему интерферометра. В обоих примерах любопытным можно назвать анонс передовой технологии на фоне анализа аналоговых космоснимков, обладающих пониженными динамическим диапазоном и пространственной разрешающей способностью. Достаточно показательны попытки количественной интерпретации непотенциального поля оптической плотности дистанционного образа земной поверхности с применением аналитических продолжений, разработанных для потенциальных геофизических полей. Если в последнем случае имеет место выраженная функциональная зависимость между морфологией и амплитудой сигнала, с одной стороны, и характеристиками аномалеобразующей геологической неоднородности, с другой, то в случае космо- или аэрофотоснимков эта зависимость отсутствует.
III. Сведение многофакторного ГИС-проектирования к картографии с элементарным наложением информационных слоев. Формирование геоинформационных систем преследует цель разработки многослойной картографической продукции, в которой отсутствует проблема информационной перегрузки, а наложение разнородных слоев оказывается показательным в плане визуальной фиксации коррелируемости этих слоев. Исходно ГИСы развивались в рамках топогеодезии и лишь в последние 10-15 лет получили форму систем, включающих элементы программирования, простейшего математического анализа, релятивные конвертеры, базы данных с функцией селективного поиска, что позволяет их применять для специализированных задач в геофизике и геологии. Примером отечественных ГИСов могут служить ГИС-парк и ENVI, использующие аппарат линейной статистики, в частности, функцию распознавания образов. Обращает на себя внимание, что основной акцент в методах сопоставления приходится на линейные операции от отмеченного наложения двух карт до построения дискриминантной функции в проблеме распознавания. При этом корректность результатов параметрических сравнений зависит от степени близости численной выборки к однородной, хотя априори известна выраженная неоднородность любых количественных выборок по большинству геологических объектов. Оценка этой неоднородности и развитие нелинейных методов сравнительного анализа игнорируется в большинстве геоинформационных систем и является предметов узкоспециализированного программного обеспечения.
IV. Автоматизация рабочего места оператора. В современных геофизических методах параметрического оценивания общепринятым можно считать подход с применением автоматизированных численных пересчетов при экспертном сопровождении, обеспечивающем полуколичественные и качественные обобщения. В качестве наглядного примера такой организации интерпретационных работ служит так называемое автоматизированное решение обратной задачи теории потенциала. От оператора требуется лишь задать исходный сигнал, по которому алгоритм отбирает позиции точек экстремума; в их окрестности автоматизировано задается начальное приближение, например, семейство горизонтальных диполей единичной длины на единичной глубине с единичным магнитным моментом. После этого алгоритм самостоятельно переходит к процессу подбора оптимальных параметров диполей, например, одним из методов нелинейного программирования, вращая и изменяя размеры диполей, а также вектор их момента по нелинейной параметрической сетке. На каждой итерации алгоритм без участия оператора выполняет расчет модельного сигнала от семейства диполей и сопоставление с экспериментально измеренным сигналом на основе расчета квадратичного функционала невязки. Глобальный минимум функционала, отвечающий минимальному расхождению графиков модельного и экспериментального сигналов, соответствует конечному решению обратной задачи, которое включает подобранные физические и геометрические параметры диполей. Последние отображаются в плоскости параметрического разреза и позволяют реконструировать такие его морфоструктурные особенности как син- и антиформы, смещения контактной поверхности по плоскости разлома. Алгоритмизируемого пути для этой реконструкции не существует: эталонные образы, равно как и гипотезу, в рамках которой эти образы применяются, обеспечивает эксперт. Наличие полностью автоматизированных интерпретационных модулей порождает иллюзию возможности исключения визуальных оценок и отстранения от осмысления полевого материала геологов. Как результат, в ряде производственных организаций руководством принимается к разработке программа по созданию автоматизированных интерпретационных комплексов, обслуживание которых мог бы осуществлять технический персонал на уровне ввода-вывода данных и обеспечения бесперебойной работы процессора. Неспособность программистов создать такую систему приводит к созданию лишь промежуточных прототипов.
При обучении по естественнонаучным специальностям (инженер-геолог, геолог-геофизик и т.д.) внедрены такие курсы как «Статистические методы в геологии», «Математические методы моделирования в геологии», «Математические методы в геологии», «Математические модели в экологии» и подобные им. Основной акцент в этих курсах сделан на методы линейной статистики и графические отображения. В некоторых случаях рассматриваются элементы приближенных вычислений, в том числе, в задачах численного интегрирования и решения дифференциальных уравнений. В связи с рассмотренными производственными нюансами, обращает на себя внимание:
ритуальные товары еще pohorony.info
- используемый в этих учебных курсах узкий класс программного обеспечения;
- отсутствие раздела с описанием специфики решения обратных задач, к которым относится большинство реконструкций в геологии и геофизике;
- отсутствие элементов обучения прикладному программированию в рамках устоявшейся концепции создания интерактивных расчетных модулей.
Литература
1. Вистелиус А.Б. Основы математической геологии / Л.: Изд-во «Наука», 1980. 380 с.
2. Дэвис Дж. Статистика и анализ геологических данных / М.: Изд-во «Мир», 1977. 571 с.
Поступила в редакцию 19.03.2015 г.