地质统计学的新进展

地质统计学的新进展

地质统计学（空间信息统计学）是数学地质领域的一门发展迅速、应用前景的新兴学科。国内外的生产实践表明,地质统计学除了在异常评价、找矿勘探、矿体圈定、储量计算、采矿设计、矿山生产及地学科研等方面具有明显的优越性外,它在石油地质、第四纪地质、地层学、生物学、生态学、岩石学、地球化学、构造地质、地震地质、海洋地质、农业、水文地质、工程地质、古气候、古地理、气象学、遥感地质、环境、林业、医学等许多方面都有成功应用的实例。地质统计学在不到50年的研究和实践中得到了很大的发展。1地质统计的理论和方法的研究得到了极大的改进(1)动态估计及模拟从初期二维平面分析到三维立体空间的静态估计,发展到今天在时空域内对研究对象进行四维乃至更高维空间的动态估计和模拟。Journel将克立格法的估值问题,从一般矢量空间扩展到n个原始数据的全部可测度函数所形成的矢量空间(希尔伯特空间)进行考察。(2)时空域协同区域化理论在单变量区域化变量理论的基础上,提出了适合多变量的协同区域化理论。进而研究多个区域化变量在时空域中的相互影响及时空结构关系,并提出了时空域中的协同区域化理论,研究那些作用于时空域、既具统计相关又具时空位置相关且反映多元信息时空结构的现象。(3)u+h-zz变异函数是区域化变量增量的方差:2*γ(h)=Var{Z(u+h)-Z(u)}。它是一种空间变异性的测度方法,是地质统计学研究的基本工具。计算变异函数或协方差函数的方法很多,但不同的方法受不同的应用条件限制或者有不同的用途。(4)线性非平稳地质线性地质统计学的发展较快,按其约束条件的平稳性可分为线性平稳地质统计学与线性非平稳地质统计学。非线性地质统计学方法目前主要有析取克立格法、多元高斯技术及各种条件模拟等。(5)多元地质统计学说Matheron为首的参数地质统计学派以正态假设为前提,在协同区域化理论的基础上,提出多元地质统计学的基本思想。Journel发展了无须对数据分布作任何假设的非参数地质统计学,提出了一些非参数地质统计学克立格方法。(6)从体制到程序:技术动态条件模拟方法的发展由于时空多元地质统计学的研究得到重视,早期空间域静态建模技术的研究逐渐过渡到研究时空域多元动态条件模拟,各种模拟方法得到了发展。时空域中的协同克立格技术在条件模拟中起了很大作用,在向量条件模拟的基础上发展时空多元动态条件模拟。(7)对等因子模型的应用早期的等因子模型的因子是埃尔米特多项式,它要求原始数据服从正态分布。为了拓宽等因子模型的应用,Matheron提出了离散的等因子模型和连续的等因子模型,Rivoirard利用析取克立格技术建立了正交指标剩余模型,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与协同克立格法相结合形成指示协同克立格法;指示克立格法与因子克立格法相结合形成主分量指示克立格法;协同克立格法与其它不同的线性地质统计技术相结合形成各种协同克立格技术等。2区域化变量的统计描述地质统计学结合实际需要,多学科相互渗透,形成了一系列实用有效的新方法,地质统计学的理论体系得到了不断的完善和发展。在这种多学科的交叉中,地质统计学的理论主要有如下特点:(1)地质统计学与数学的结合更加紧密。正如马克思曾经说过“科学仅当它成功地应用数学时,才算达到了真正完善的地步”,地质统计学也只有与数学更密切地结合才能得到更大的发展。Chiles与Chautru等把数学形态学中的布尔随机函数引入地质统计学,有助于解决地质统计学中的支撑(或观测尺度)改变的难题。在利用指示克立格法对研究对象(如矿体)进行几何建模时,数学形态学可综合研究对象的几何形态信息,有助于求得指示数据的变异函数或协方差。当区域化变量属于分类变量或者是以软数据的形式存在时,用传统的多元地质统计学技术来研究就有点欠妥,于是发展了概率克立格技术及条件概率分布估计法。针对研究域内区域化变量在时空分布上经常呈周期性出现的现象,引进数学中的三角函数,形成三角克立格法,可用三角克立格法来滤掉区域化变量的周期性分量。在观测数据较少的情况下,将地质信息(模糊信息)与原始数据(确定信息)综合使用,利用模糊集论来描述模糊信息,这种方法称为模糊地质统计学法,它可以解决原始资料少的缺陷,并可充分利用已知的定性的地质信息。(2)非线性科学思想向地质统计学渗透。非线性科学在近几年发展较快,它主要用来综合地研究客观世界的复杂性。随着分形理论在石油勘探开发中的应用不断推广,在20世纪80年代末至90年代初,地质统计学工作者将分形理论与地质统计学相结合,形成了分形地质统计学。分形地质统计学不只用于对几何形态特征的分形研究,还可用于对地质体或地质过程的分形研究。随着地质统计学解决复杂问题的能力不断增强,地质统计学与其它的非线性科学(如混饨理论、耗散结构理论、非线性动力学、协同论、突变论等)的联系也越来越紧密。(3)稳健统计学与地质统计学的结合更加密切。特异值、混合总体、数据稀疏且可能分布不均以及分布假设无法检验等现象的存在使得传统地质统计学的应用受到一定的限制,统计结果的正确性受到怀疑。地质统计学家采取了许多有效的措施来进行校正:①根据数据的分布特点进行变换,使数据的分布满足方法的要求;②修改方法以适应已有的数据。第一种方法地质统计学工作者已经作了大量的工作;第二种方法属于稳健地质统计学的范畴,稳健地质统计学是统计学与地质统计学相结合的产物。稳健地质统计学的稳健性体现在三个方面:①数据稳健处理;②计算稳健的变异函数或协方差函数;③采用稳健的克立格方法进行估值。采用稳健地质统计学技术,不需对原始数据分布进行任何假设甚至不必对特异值进行处理,就可取得较好效果。地质统计学与其它方面的结合还很多,地质统计学的实用性得到了加强。3地质统计学在地质活动中的应用地质统计学理论体系的不断完善和地质统计学应用水平的不断提高,使得地质统计学拓广应用到影响人类社会发展的各个方面,在广阔的领域中得到应用。下面仅就几个方面进行简介。(1)地质异常的定位研究寻找地质异常是矿产勘查的一个重要方面,赵鹏大等提出地质异常找矿及地质异常矿体定位预测新理论。地质统计学对提取地质异常、建立地质异常模型、评价地质异常并进行地质异常矿体定位研究有非常重要的作用。例如泛克立格法与传统的空间数据处理技术相比更适合于地质异常的研究与应用;稳健地质统计学可以对原始资料进行稳健化处理,利用稳健的变异函数对区域化变量进行结构分析,利用稳健的克立格技术提取地质异常,建立地质异常模型,结合勘探资料圈定“5P”地段。地质统计学继续在确定最优勘探网度、评价矿石质量、圈定矿体边界、计算矿体储量、设计矿石采选冶方案与设计矿山生产规模及指导矿山开发生产等方面发挥优势作用。(2)储层精细评估储层非均质动态随机建模是地质统计学在油藏描述中的重要应用。Journel指出,由于地质统计学,更具体地说储层非均质性随机建模不仅能够建立更精确的储层模型,而且能够衡量储层空间不确定性,所以倍受储层分析和工程技术人员的青睐。地质统计学能够为储层信息综合分析提供概率的框架和工具;可以对储层的关键参数空间分布的不确定性进行模拟,并把这种不确定性直接用于有风险的油藏管理;可以产生忠实于已有信息的多个等概率、不光滑的储层非均质随机模型。综合应用多元统计技术、地质统计学和适当的地质推理,改善油藏描述水平,才能改善整个建模过程和油田开发决策。(3)氡与其它癌病的关系随着生活水平的提高,人们的环保意识逐渐增强。Oliver和Badr(1994)利用地质统计学技术对三个地区(Hereford,Buxton,Nottingham)的氡(222Rn)进行空间结构及其与各种癌病的相关性分析。结果表明,氡含量高的地区癌病的发生率也高,同时也查明氡含量主要与地质作用有关。美国密歇根州肺学会和美国环保局对密歇根州东南部住宅空气中的氡浓度及相关变量进行评价,利用地质统计学方法查明了影响氡含量的最主要因素是渗透因子,即氡渗透的各种通道。(4)技术和地质统计学方面的研究地质统计学在农业生产上的应用还不普遍,目前主要有①据王博认为,降雨和农业灌溉用水系列的联合随机模型研究为灌区确定水库规模、灌溉系统的可靠性、水库的控制应用及供水系统扩建等提供了可靠的技术资料;②李恩羊对作物需水量空间变异性进行了研究,根据作物需水量空间结构信息及时空变异规律研究,为较大灌区内部配水、跨流域跨地区的灌溉水资源引取和调配提供了依据;③地质统计学以前在土壤土质评价中所建立的模型大都是静止模型,建立土壤土质的高维动态模型已经成为热点。地质统计学在其它的许多领域都得到了广泛的应用,如核废料处理、酸雨的形成及影响分析、水资源研究、地球化学异常评价、各种工程安全防范和改造的风险决策、多目标有时序投资方案的效益比较等,地质统计学也在不断的应用中得到了发展。4地质统计学目前流行的地质统计学软件可以分为国内和国外两类。国外主要有:(1)法国巴黎高等矿院地质统计学研究中心研制出两种大型软件系统:ISATIS系统及HERESIM系统。ISATIS软件主要功能有数据库及数据管理、数据变异性分析及各类统计分析、主要的地质统计学方法、条件模拟和非条件模拟及图形显示等。HERESIM系统与ISATIS有许多相近之处,但它对油气田地质及开采工程等方面考虑得尤为周到。(2)美国斯坦福大学地球科学应用系研制的GEOEAS、GEOSTATTOOLBOX程序包及1992年、1996年又推出了GSLIB两种版本等。另外有法国的BRGM公司、加拿大的GEOSTAT公司、GEOLOG公司与加拿大矿产与能源中心、美国的Mewnont公司等也制作了一些地质统计学软件包,并在生产实践中得到了应用,产生了较大的经济效益。国内主要有:(1)CGES中文地勘系统软件是原武警黄金指挥部黄金地质研究所在加拿大IGC公司GLS和RCS软件系统基础上全面汉化改造并扩充功能而完成的。该系统由中文地勘编录子系统、地质数据库子系统、储量计算子系统及成图子系统四大部分组成。(2)北京科技大学侯景儒教授领导下编制的地质统计学程序集,该程序集是为地质统计学理论、方法研究及地质勘探使用而研制的。另外还有李裕伟教授领导下研制的KPX2.0固体矿产勘查评价自动化系统,王仁铎、胡光道教授领导下编制的一些地质统计学软件包,王家华教授研制的地质统计学制图系统及有色总公司有色研究院和北京矿产地质研究所研制的地质统计学软件包。5加强地质统计学研究,完善理论体系和技术时代的进步给予了地质统计学发展的契机,与此同时,地质统计学理论体系的不断完善与应用水平的不断提高也促进了相关学科的发展。地质统计学的发展方向是:(1)加强理论研究,完善理论体系。注