地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)的新進(jìn)展

地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)的新進(jìn)展

地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)（空間信息統(tǒng)計學(xué)）是數(shù)學(xué)地質(zhì)領(lǐng)域的一門發(fā)展迅速、應(yīng)用前景的新興學(xué)科。國內(nèi)外的生產(chǎn)實踐表明,地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)除了在異常評價、找礦勘探、礦體圈定、儲量計算、采礦設(shè)計、礦山生產(chǎn)及地學(xué)科研等方面具有明顯的優(yōu)越性外,它在石油地質(zhì)、第四紀(jì)地質(zhì)、地層學(xué)、生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、巖石學(xué)、地球化學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)、地震地質(zhì)、海洋地質(zhì)、農(nóng)業(yè)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、古氣候、古地理、氣象學(xué)、遙感地質(zhì)、環(huán)境、林業(yè)、醫(yī)學(xué)等許多方面都有成功應(yīng)用的實例。地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)在不到50年的研究和實踐中得到了很大的發(fā)展。1地質(zhì)統(tǒng)計的理論和方法的研究得到了極大的改進(jìn)(1)動態(tài)估計及模擬從初期二維平面分析到三維立體空間的靜態(tài)估計,發(fā)展到今天在時空域內(nèi)對研究對象進(jìn)行四維乃至更高維空間的動態(tài)估計和模擬。Journel將克立格法的估值問題,從一般矢量空間擴(kuò)展到n個原始數(shù)據(jù)的全部可測度函數(shù)所形成的矢量空間(希爾伯特空間)進(jìn)行考察。(2)時空域協(xié)同區(qū)域化理論在單變量區(qū)域化變量理論的基礎(chǔ)上,提出了適合多變量的協(xié)同區(qū)域化理論。進(jìn)而研究多個區(qū)域化變量在時空域中的相互影響及時空結(jié)構(gòu)關(guān)系,并提出了時空域中的協(xié)同區(qū)域化理論,研究那些作用于時空域、既具統(tǒng)計相關(guān)又具時空位置相關(guān)且反映多元信息時空結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。(3)u+h-zz變異函數(shù)是區(qū)域化變量增量的方差:2*γ(h)=Var{Z(u+h)-Z(u)}。它是一種空間變異性的測度方法,是地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)研究的基本工具。計算變異函數(shù)或協(xié)方差函數(shù)的方法很多,但不同的方法受不同的應(yīng)用條件限制或者有不同的用途。(4)線性非平穩(wěn)地質(zhì)線性地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)的發(fā)展較快,按其約束條件的平穩(wěn)性可分為線性平穩(wěn)地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)與線性非平穩(wěn)地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)。非線性地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法目前主要有析取克立格法、多元高斯技術(shù)及各種條件模擬等。(5)多元地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)說Matheron為首的參數(shù)地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)派以正態(tài)假設(shè)為前提,在協(xié)同區(qū)域化理論的基礎(chǔ)上,提出多元地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)的基本思想。Journel發(fā)展了無須對數(shù)據(jù)分布作任何假設(shè)的非參數(shù)地質(zhì)統(tǒng)計學(xué),提出了一些非參數(shù)地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)克立格方法。(6)從體制到程序:技術(shù)動態(tài)條件模擬方法的發(fā)展由于時空多元地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)的研究得到重視,早期空間域靜態(tài)建模技術(shù)的研究逐漸過渡到研究時空域多元動態(tài)條件模擬,各種模擬方法得到了發(fā)展。時空域中的協(xié)同克立格技術(shù)在條件模擬中起了很大作用,在向量條件模擬的基礎(chǔ)上發(fā)展時空多元動態(tài)條件模擬。(7)對等因子模型的應(yīng)用早期的等因子模型的因子是埃爾米特多項式,它要求原始數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。為了拓寬等因子模型的應(yīng)用,Matheron提出了離散的等因子模型和連續(xù)的等因子模型,Rivoirard利用析取克立格技術(shù)建立了正交指標(biāo)剩余模型,Lajauine和Lantuejoul等也提出了建立等因子模型的一些方法。(8)主分量指示克立格法如指示克立格法與協(xié)同克立格法相結(jié)合形成指示協(xié)同克立格法;指示克立格法與因子克立格法相結(jié)合形成主分量指示克立格法;協(xié)同克立格法與其它不同的線性地質(zhì)統(tǒng)計技術(shù)相結(jié)合形成各種協(xié)同克立格技術(shù)等。2區(qū)域化變量的統(tǒng)計描述地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)結(jié)合實際需要,多學(xué)科相互滲透,形成了一系列實用有效的新方法,地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)的理論體系得到了不斷的完善和發(fā)展。在這種多學(xué)科的交叉中,地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)的理論主要有如下特點:(1)地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)與數(shù)學(xué)的結(jié)合更加緊密。正如馬克思曾經(jīng)說過“科學(xué)僅當(dāng)它成功地應(yīng)用數(shù)學(xué)時,才算達(dá)到了真正完善的地步”,地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)也只有與數(shù)學(xué)更密切地結(jié)合才能得到更大的發(fā)展。Chiles與Chautru等把數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中的布爾隨機函數(shù)引入地質(zhì)統(tǒng)計學(xué),有助于解決地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)中的支撐(或觀測尺度)改變的難題。在利用指示克立格法對研究對象(如礦體)進(jìn)行幾何建模時,數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)可綜合研究對象的幾何形態(tài)信息,有助于求得指示數(shù)據(jù)的變異函數(shù)或協(xié)方差。當(dāng)區(qū)域化變量屬于分類變量或者是以軟數(shù)據(jù)的形式存在時,用傳統(tǒng)的多元地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)技術(shù)來研究就有點欠妥,于是發(fā)展了概率克立格技術(shù)及條件概率分布估計法。針對研究域內(nèi)區(qū)域化變量在時空分布上經(jīng)常呈周期性出現(xiàn)的現(xiàn)象,引進(jìn)數(shù)學(xué)中的三角函數(shù),形成三角克立格法,可用三角克立格法來濾掉區(qū)域化變量的周期性分量。在觀測數(shù)據(jù)較少的情況下,將地質(zhì)信息(模糊信息)與原始數(shù)據(jù)(確定信息)綜合使用,利用模糊集論來描述模糊信息,這種方法稱為模糊地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)法,它可以解決原始資料少的缺陷,并可充分利用已知的定性的地質(zhì)信息。(2)非線性科學(xué)思想向地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)滲透。非線性科學(xué)在近幾年發(fā)展較快,它主要用來綜合地研究客觀世界的復(fù)雜性。隨著分形理論在石油勘探開發(fā)中的應(yīng)用不斷推廣,在20世紀(jì)80年代末至90年代初,地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)工作者將分形理論與地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合,形成了分形地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)。分形地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)不只用于對幾何形態(tài)特征的分形研究,還可用于對地質(zhì)體或地質(zhì)過程的分形研究。隨著地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)解決復(fù)雜問題的能力不斷增強,地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)與其它的非線性科學(xué)(如混飩理論、耗散結(jié)構(gòu)理論、非線性動力學(xué)、協(xié)同論、突變論等)的聯(lián)系也越來越緊密。(3)穩(wěn)健統(tǒng)計學(xué)與地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)的結(jié)合更加密切。特異值、混合總體、數(shù)據(jù)稀疏且可能分布不均以及分布假設(shè)無法檢驗等現(xiàn)象的存在使得傳統(tǒng)地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)的應(yīng)用受到一定的限制,統(tǒng)計結(jié)果的正確性受到懷疑。地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)家采取了許多有效的措施來進(jìn)行校正:①根據(jù)數(shù)據(jù)的分布特點進(jìn)行變換,使數(shù)據(jù)的分布滿足方法的要求;②修改方法以適應(yīng)已有的數(shù)據(jù)。第一種方法地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)工作者已經(jīng)作了大量的工作;第二種方法屬于穩(wěn)健地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)的范疇,穩(wěn)健地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)是統(tǒng)計學(xué)與地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。穩(wěn)健地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)的穩(wěn)健性體現(xiàn)在三個方面:①數(shù)據(jù)穩(wěn)健處理;②計算穩(wěn)健的變異函數(shù)或協(xié)方差函數(shù);③采用穩(wěn)健的克立格方法進(jìn)行估值。采用穩(wěn)健地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)技術(shù),不需對原始數(shù)據(jù)分布進(jìn)行任何假設(shè)甚至不必對特異值進(jìn)行處理,就可取得較好效果。地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)與其它方面的結(jié)合還很多,地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)的實用性得到了加強。3地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)在地質(zhì)活動中的應(yīng)用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)理論體系的不斷完善和地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)應(yīng)用水平的不斷提高,使得地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)拓廣應(yīng)用到影響人類社會發(fā)展的各個方面,在廣闊的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。下面僅就幾個方面進(jìn)行簡介。(1)地質(zhì)異常的定位研究尋找地質(zhì)異常是礦產(chǎn)勘查的一個重要方面,趙鵬大等提出地質(zhì)異常找礦及地質(zhì)異常礦體定位預(yù)測新理論。地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)對提取地質(zhì)異常、建立地質(zhì)異常模型、評價地質(zhì)異常并進(jìn)行地質(zhì)異常礦體定位研究有非常重要的作用。例如泛克立格法與傳統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)處理技術(shù)相比更適合于地質(zhì)異常的研究與應(yīng)用;穩(wěn)健地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)可以對原始資料進(jìn)行穩(wěn)健化處理,利用穩(wěn)健的變異函數(shù)對區(qū)域化變量進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,利用穩(wěn)健的克立格技術(shù)提取地質(zhì)異常,建立地質(zhì)異常模型,結(jié)合勘探資料圈定“5P”地段。地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)繼續(xù)在確定最優(yōu)勘探網(wǎng)度、評價礦石質(zhì)量、圈定礦體邊界、計算礦體儲量、設(shè)計礦石采選冶方案與設(shè)計礦山生產(chǎn)規(guī)模及指導(dǎo)礦山開發(fā)生產(chǎn)等方面發(fā)揮優(yōu)勢作用。(2)儲層精細(xì)評估儲層非均質(zhì)動態(tài)隨機建模是地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)在油藏描述中的重要應(yīng)用。Journel指出,由于地質(zhì)統(tǒng)計學(xué),更具體地說儲層非均質(zhì)性隨機建模不僅能夠建立更精確的儲層模型,而且能夠衡量儲層空間不確定性,所以倍受儲層分析和工程技術(shù)人員的青睞。地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)能夠為儲層信息綜合分析提供概率的框架和工具;可以對儲層的關(guān)鍵參數(shù)空間分布的不確定性進(jìn)行模擬,并把這種不確定性直接用于有風(fēng)險的油藏管理;可以產(chǎn)生忠實于已有信息的多個等概率、不光滑的儲層非均質(zhì)隨機模型。綜合應(yīng)用多元統(tǒng)計技術(shù)、地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)和適當(dāng)?shù)牡刭|(zhì)推理,改善油藏描述水平,才能改善整個建模過程和油田開發(fā)決策。(3)氡與其它癌病的關(guān)系隨著生活水平的提高,人們的環(huán)保意識逐漸增強。Oliver和Badr(1994)利用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)技術(shù)對三個地區(qū)(Hereford,Buxton,Nottingham)的氡(222Rn)進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)及其與各種癌病的相關(guān)性分析。結(jié)果表明,氡含量高的地區(qū)癌病的發(fā)生率也高,同時也查明氡含量主要與地質(zhì)作用有關(guān)。美國密歇根州肺學(xué)會和美國環(huán)保局對密歇根州東南部住宅空氣中的氡濃度及相關(guān)變量進(jìn)行評價,利用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法查明了影響氡含量的最主要因素是滲透因子,即氡滲透的各種通道。(4)技術(shù)和地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方面的研究地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用還不普遍,目前主要有①據(jù)王博認(rèn)為,降雨和農(nóng)業(yè)灌溉用水系列的聯(lián)合隨機模型研究為灌區(qū)確定水庫規(guī)模、灌溉系統(tǒng)的可靠性、水庫的控制應(yīng)用及供水系統(tǒng)擴(kuò)建等提供了可靠的技術(shù)資料;②李恩羊?qū)ψ魑镄杷靠臻g變異性進(jìn)行了研究,根據(jù)作物需水量空間結(jié)構(gòu)信息及時空變異規(guī)律研究,為較大灌區(qū)內(nèi)部配水、跨流域跨地區(qū)的灌溉水資源引取和調(diào)配提供了依據(jù);③地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)以前在土壤土質(zhì)評價中所建立的模型大都是靜止模型,建立土壤土質(zhì)的高維動態(tài)模型已經(jīng)成為熱點。地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)在其它的許多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用,如核廢料處理、酸雨的形成及影響分析、水資源研究、地球化學(xué)異常評價、各種工程安全防范和改造的風(fēng)險決策、多目標(biāo)有時序投資方案的效益比較等,地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)也在不斷的應(yīng)用中得到了發(fā)展。4地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)目前流行的地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)軟件可以分為國內(nèi)和國外兩類。國外主要有:(1)法國巴黎高等礦院地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)研究中心研制出兩種大型軟件系統(tǒng):ISATIS系統(tǒng)及HERESIM系統(tǒng)。ISATIS軟件主要功能有數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)變異性分析及各類統(tǒng)計分析、主要的地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法、條件模擬和非條件模擬及圖形顯示等。HERESIM系統(tǒng)與ISATIS有許多相近之處,但它對油氣田地質(zhì)及開采工程等方面考慮得尤為周到。(2)美國斯坦福大學(xué)地球科學(xué)應(yīng)用系研制的GEOEAS、GEOSTATTOOLBOX程序包及1992年、1996年又推出了GSLIB兩種版本等。另外有法國的BRGM公司、加拿大的GEOSTAT公司、GEOLOG公司與加拿大礦產(chǎn)與能源中心、美國的Mewnont公司等也制作了一些地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)軟件包,并在生產(chǎn)實踐中得到了應(yīng)用,產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟(jì)效益。國內(nèi)主要有:(1)CGES中文地勘系統(tǒng)軟件是原武警黃金指揮部黃金地質(zhì)研究所在加拿大IGC公司GLS和RCS軟件系統(tǒng)基礎(chǔ)上全面漢化改造并擴(kuò)充功能而完成的。該系統(tǒng)由中文地勘編錄子系統(tǒng)、地質(zhì)數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)、儲量計算子系統(tǒng)及成圖子系統(tǒng)四大部分組成。(2)北京科技大學(xué)侯景儒教授領(lǐng)導(dǎo)下編制的地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)程序集,該程序集是為地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)理論、方法研究及地質(zhì)勘探使用而研制的。另外還有李裕偉教授領(lǐng)導(dǎo)下研制的KPX2.0固體礦產(chǎn)勘查評價自動化系統(tǒng),王仁鐸、胡光道教授領(lǐng)導(dǎo)下編制的一些地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)軟件包,王家華教授研制的地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)制圖系統(tǒng)及有色總公司有色研究院和北京礦產(chǎn)地質(zhì)研究所研制的地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)軟件包。5加強地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)研究,完善理論體系和技術(shù)時代的進(jìn)步給予了地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)發(fā)展的契機,與此同時,地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)理論體系的不斷完善與應(yīng)用水平的不斷提高也促進(jìn)了相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)的發(fā)展方向是:(1)加強理論研究,完善理論體系。注