ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования

«Кубанский государственный университет» 
 
 

ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ 
 

Курсовая  работа

на тему

  «Математические методы в геологии» 
 
 
 

Выполнила:

Селивёрстова Ольга Александровна

студентка I курса

очной формы обучения

специальность 020305.65 

Геология  и геохимия горючих ископаемых

геологический факультет 

Руководитель:

Остапенко Андрей Александрович Доцент кафедры региональной морской геологии,

Кандидат  географических наук  
 

Краснодар – 2010 г.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ

    Выбор темы настоящей работы обусловлен тем, что для успешного развития геологических наук необходимо использовать полный арсенал существующих прогрессивных научных и технических средств, включая математические методы и компьютерную технику.

    На  современном этапе развития естественных наук, под влиянием научно-технического прогресса происходят существенные изменения методов научных экспериментов, анализа и обобщения получаемых результатов. Этому способствуют не только расширившиеся возможности фундаментальных наук, но также бурное развитие электронно-вычислительной техники и комплексной автоматизации самых разнообразных видов человеческой деятельности. В последние десятилетия наблюдается глубокое проникновение математических методов исследования во все отрасли естественных наук, что способствовало исключительным успехам некоторых из них, например биологии, метеорологии и др.

    Современная геология уже не может ограничиваться изучением лишь качественных сторон явлений и процессов, а должна выявлять их количественные характеристики, обеспечивая тем самым более высокий научный уровень исследования земных недр.

    Геология  – одна из фундаментальных естественных наук, изучающая строение, состав, происхождение и развитие Земли. Она исследует сложные явления и процессы, протекающие на ее поверхности и в недрах. Современная геология опирается на многовековой опыт познания нашей планеты и разнообразные специальные методы исследования. В отличие от других наук о Земле, геология занимается исследованием ее недр.

    Основные  задачи геологии состоят в изучении наружной каменной оболочки планеты  – земной коры и взаимодействующих  с ней внешних оболочек Земли, – атмосферы, гидросферы и  биосферы, а так же внутренних, – мантии и ядра.

    Объектами непосредственного изучения геологии являются минералы, горные породы, ископаемые органические остатки, геологические  процессы.

    Геология  тесно связана с другими науками  о Земле, например с астрономией, геодезией, географией, биологией, и опирается на такие фундаментальные науки как математика, физика, химия. Геология является синтетической наукой, хотя в то же время распадается на множество взаимосвязанных отраслей, научных дисциплин, изучающих Землю в разных аспектах и получающих сведения об отдельных геологических явлениях и процессах. Так, изучением состава литосферы занимаются: петрология, исследующая магматические и метаморфические породы, литология, изучающая осадочные горные породы, минералогия – наука, изучающая минералы как природные химические соединения и геохимия – наука о распределении и миграции химических элементов в недрах земли.

    Геологические процессы, которые формируют рельеф земной поверхности, изучает динамическая геология, частью которой являются геотектоника, сейсмология и вулканология.

    Раздел  геологии, занимающийся изучением истории  развития земной коры и Земли в  целом, включает стратиграфию, палеонтологию, региональную геологию и носит название «Историческая геология».

    Есть  в геологии имеющие большое практическое значение науки, такие как о месторождениях полезных ископаемых, гидрогеология, инженерная геология, геокриология.

    В последние десятилетия появились  и приобретают все большее  значение науки связанные с исследованием  космоса, дна морей и океанов, – космическая геология и морская геология.

    Наряду  с этим есть геологические науки, находящиеся на стыке с другими  естественными науками: геофизика, биогеохимия, кристаллохимия, палеоботаника. К таковым относятся также  геохимия и палеогеография. Наиболее близкая и разносторонняя связь геологии с географией. Для географических наук, таких как ландшафтоведение, климатология, гидрология, океанография, более всего важны геологические науки, изучающие процессы, влияющие на формирование рельефа земной поверхности и историю образования земной коры всей Земли.

    В геологии применяют прямые, косвенные, экспериментальные и математические методы.

    Прямые – это методы непосредственных наземных и дистанционных изучений из тропосферы и космоса состава и строения земной коры. Основной метод – это геологическая съемка и картирование. Изучение состава и строения земной коры производится путем изучения естественных обнажений, таких как обрывы рек, оврагов, склонов гор, искусственных горных выработок, каналов, шурфов, карьеров, шахт и буровых скважин глубиной 3,5 – 4 км в Индии и ЮАР, и более 12 км – Кольская скважина. В горных районах можно наблюдать естественные разрезы в долинах рек, вскрывающих толщи горных пород, собранных в сложные складки и поднятых при горообразовании с глубин 16 – 20 км. Таким образом, метод непосредственного наблюдения и исследования слоев горных пород применим лишь к небольшой, самой верхней части земной коры. Лишь в вулканических областях по извергнутой из вулканов лаве и по твердым выбросам можно судить о составе вещества на глубинах 50 – 100 км и больше, где обычно располагаются вулканические очаги.

    Косвенные – геофизические методы, которые основаны на изучении естественных и искусственных физических полей Земли, позволяющие исследовать значительные глубины недр.

    Различают сейсмические, гравиметрические, электрические, магнитометрические и др. геофизические  методы. Из них наиболее важен сейсмический («сейсмос» – трясение) метод, основанный на изучении скорости распространения в Земле упругих колебаний, возникающих при землетрясениях или искусственных взрывах. Эти колебания называются сейсмическими волнами, которые расходятся от очага землетрясений. Продольные волны возникают как реакция среды на изменения объема, распространяются в твердых и жидких телах и характеризуются наибольшей скоростью. Поперечные волны представляют реакцию среды на изменение формы и распространяются только в твердых телах. Скорость движения сейсмических волн в разных горных породах различна и зависит от их упругих свойств и их плотности. Чем больше упругость среды, тем быстрее распространяются волны. Изучение характера распространения сейсмических волн позволяет судить о наличии различных оболочек шара с разной упругостью и плотностью.

    Экспериментальные исследования направлены на моделирование различных геологических процессов и искусственное получение различных минералов и горных пород.

    Математические  методы в геологии направлены на повышение оперативности, достоверности и ценности геологической информации.

    Основной  целью работы является знакомство с математическими методами экспериментов, анализа и обобщения получаемых результатов в геологии и факторами, влияющими на эффективность их использования.

    Целями  работы являются также:

• расширение и систематизация знаний по использованию математических методов в геологии;
• более глубокое изучение существующих прогрессивных научных и технических методов, используемых для успешного развития геологических наук;
• отработка навыков научно-исследовательской работы.

    Для достижения этих целей необходимо решить следующие задачи:

• рассмотреть методы математической обработки геологической, геохимической и геофизической информации;
• рассмотреть теоретические основы и основные принципы геолого-математического моделирования, главные типы моделей и особенности их применения в различных областях геологии.

 

ИСТОРИЧЕСКИЙ  ОБЗОР

    Количество  геологической информации, такой  как результаты геологической документации буровых скважин, горных выработок и естественных обнажений, спектральных и химических анализов руд, горных пород и минералов, данные геофизических и геохимических измерений и многой другой накапливается быстрыми темпами.

    Большой объём этой информации при проведении геологических исследований требует  внедрения в геологическую отрасль современных методов накопления, хранения, обработки и передачи геологической информации с целью повышения эффективности геологических исследований.

    Научно-техническая  революция в области информатики  и вычислительной техники обусловила широкое внедрение в геологическую отрасль компьютеров и современных методов обработки геологической информации.

    Одно  из важнейших направлений научно-технического прогресса в геологии состоит в широком внедрении автоматизированных методов, реализованных на основе математических методов.

    К настоящему времени накоплен большой опыт использования математических методов в геологии [9]. Первые упоминания о применении статистических методов в геологии относятся к началу XIX в. Так, Ч. Ляйель в 30-х годах XIX в. использовал статистическое соотношение распространенности раковин моллюсков для стратиграфического расчленения разрезов. В начале ХХ в. Д.В. Наливкин применил статистику для описания изменчивости свойств ископаемых организмов.

    В конце XIX – начале XX в. с помощью статистических методов изучали распространение химических элементов в земной коре, что нашло отражение в работах Ф.В. Кларка, В.И. Вернадского, А.Е. Ферсмана, А.П. Виноградова.

    В начале ХХ в. С.Ю. Доборжинский, В.И.Бауман и П.К. Соболевский заложили основы горной геометрии для математического моделирования тел полезных ископаемых. В дальнейшем это направление получило развитие в работах П.А. Рыжова, Н.И. Ушакова, З.Д. Низгурецкого, В.А. Букринского и других исследователей.

    В первой половине ХХ в. П.Н. Чирвинский, П. Ниггли, Ф.Ю. Левинсон-Лессинг, Г. Розенбуш, А.Н. Заварицкий и другие исследователи на основе статистической обработки минерального и химического состава разработали классификацию магматических горных пород.

    Статистика  была использована для изучения изменчивости оруденения (В.К. Котульский, Н.К. Разумовский, Л.И. Шаманский, Д.А. Родионов), для решения вопросов опробования (Н.В. Барышев, П. Жи), для обоснования плотности разведочной сети (В.Г. Соловьев, Д.А. Зенков, П.Л. Каллистов), для оценки точности подсчета запасов (А.М. Журавский, К.Л. Пожарицкий, Л.И. Шаманский, Д.А. Казаковский).