CC BY
16
УДК 551.49:622.51
А.И.ГАВРИШИН
Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), Россия
А.КОРАДИНИ Институт астрофизики, Рим, Италия
КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ ГИДРОГЕОХИМИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ НА ОСНОВЕ МНОГОМЕРНОГО КЛАССИФИКАЦИОННОГО С-МЕТОДА
Многомерные классификационные методы играют ведущую роль в познании жизни, окружающей среды и общества. Разработана новая классификационная процедура, названная G-метод, и применена для выделения однородных гидрогеохимических таксонов и их сравнения. В формировании химического состава подземных вод Донбасса выделено две главные геохимические тенденции: прямая и обратная гидрогеохимическая зональности. Подземные воды с глубиной изменяют химический состав от гидрокарбонатных кальциевых низкой минерализации до хлоридных натриевых, минерализованных по первой тенденции, и до гидрокарбонатно-хлоридных и хлоридных натриевых, слабо минерализованных содовых по второй тенденции. Происхождение содовых вод связывается с процессами испарения и конденсации водяных паров в водоуглеродной газовой фазе.
Multivariate classification methods are important for the ivestigation of life, enviromenment and sosiety. The classification procedure referred to as the G-mode was epplied to isolate hydro-chemical homogeneons taxons in space and compare them. Two geochemical tendencys predicted in forming of grounwater chemical composition of the Donbass region of direct and reverse hy-
drochemical zonaliti. The groundwater change chemical composition from HCO3 -Ca2+ low salinity to Cl3 - Na+ higt salinity on first tendency and to HCO3 - Cl3 - Na+ low mineralized soda-water on second tendency. Origin of soda-water cause processes of evaporation and condensation of water in of СН-rich gas fhase.
Классификационные методы играют ведущую роль в процессе познания окружающего мира, жизни и общества. Общеизвестно значение классификаций в науке и повседневной жизни, например таких, как периодическая система химических элементов, стратиграфическая шкала, классификации биологических видов, горных пород, природных вод и многих других. В известном смысле можно утверждать, что познать -значит классифицировать.
Накопление больших объемов количественной информации о химическом составе природных вод особенно остро поставило вопрос о развитии и применении методов классификации многомерных наблюдений для анализа пространственно-временных закономерностей. Авторами был разработан
многомерный С-метод (Gavrishin) классификации наблюдений, реализованный в виде компьютерной технологии АОАТ и основанный на критерии Z2 [2, 6, 7].
Данный метод характеризуется следующими важными свойствами, которые обеспечивают его высокую эффективность:
• построение классификации многомерных наблюдений в условиях отсутствия априорных сведений о таксономической структуре наблюдений (задача без учителя);
• использование зависимых признаков и наблюдений;
• выделение однородных таксономических единиц различного уровня детальности (типы, классы, семейства и т.д.).
Кроме того, число наблюдений в однородном таксоне может быть меньше числа
признаков; оценивается сходство-различие между однородными таксонами; оценивается информативность признаков; классифицируются новые наблюдения по найденной таксономической структуре.
Выделение однородных таксонов многомерных наблюдений производится по критерию Z :
Ы
ыы
I Хц - X ,
Г = ^ 1Ц = * X ^;
'к У
V 1
ыы
ыык =
/; G = -427-1
где Ху - значение признака у в наблюдении ,; X1 и Sj - среднее и стандартное отклонение
признака у; гк - коэффициент корреляции между признаками 5 и к; /- число степеней свободы; Z2 - значение критерия, которое имеет распределение х2; G - нормализующее преобразование Z2, которое имеет распределение, близкое к нормальному с параметрами (0,1).
Если G < Gq, то наблюдения принадлежат данному однородному таксону.
В процедуре G-метода предусмотрено отыскание в многомерном пространстве трех ближайших наблюдений, которые принимаются за центр первого однородного таксона: 2 ^ 2 2 2
Zpqr — Zjq ) + ^ур — Zjr ) + (Zjq — Zjr )],
1
где Zjp, Zj-q и Zjr - нормированные значения признака у в наблюдениях р, q и г.
Последовательным приближением отыскиваются все наблюдения первого таксона. Аналогично находятся наблюдения всех однородных таксонов. Изменяя критическое значение Gq, которое задает уровень потерь однородного таксона, можно получить классификации различного уровня детальности. В компьютерной технологии AGAT предусмотрено автоматическое построение двухуровневой (типы и классы) классификации многомерных наблюдений.
Метод G применен для построения классификаций и обнаружения пространственно-временных закономерностей формирования природных систем на Земле, Луне, Марсе, астероидах, кометах и в космосе [1,
2, 5-7]. Ниже мы подробно остановимся на описании геохимической зональности подземных вод каменноугольных отложений (С).
Поскольку изменение содержаний в воде многих компонентов по глубине носит криволинейный характер, для характеристики указанной зависимости была предложена следующая функция, которая позволяет описать положительную, отрицательную, переход положительной в отрицательную (и наоборот) и периодическую зависимости:
*-Ь )2
Y = Х а, 10 с ,
где а, - коэффициенты, характеризующие модальные значения функции (вершины); bi - коэффициенты, характеризующие расположение на оси х модальных значений; с, - коэффициенты, характеризующие крутизну линии регрессии; , - номер модального значения.
Наиболее значительные притоки в угольные шахты Донецкого бассейна [5] формируют воды каменноугольных, меловых, палеогеновых и неогеновых отложений. Для выявления и количественного описания вероятной геохимической зональности перечисленных комплексов подземных вод были использованы химические анализы проб вод, отобранные из скважин [3]. Применение последовательного классификационного моделирования с помощью G-метода позволило выявить две главные тенденции в изменении химического состава подземных вод, которые оказались аналогичными для вод указанных водоносных комплексов.
Воды каменноугольных отложений на рассматриваемой территории отличаются высокой неоднородностью химического состава: воды изменяются от гидрокарбонатных кальциевых до хлоридных натриевых, минерализация колеблется от 0,2 до 57,2 г/л, содержания С1- от 0,012 до 35,6, №+- от 0,02 до 17,6 г/л и т.д. (табл.1). Распределение содержаний компонентов не соответствует нормальной модели, и корреляционные связи могут быть криволинейными. Например, для 304- четко формируется переход
2
положительной связи между глубиной Н и минерализацией М на отрицательную. Очень сильную корреляционную связь с минерализацией (г > 0,95) обнаруживают №+, С1-, Са, Mg2+, с глубиной залегания сильно связаны М, С1- и №+. Однако на графиках в координатах минерализация -глубина можно заметить, что на значительной глубине (более 500 м) встречаются как минерализованные (М > 50 г/л), так и маломинерализованные воды (М = 2^3 г/л).
Таблица 1
Химический состав подземных вод каменноугольных отложений, мг/л
Компонент X Me Xmin Xmax S
pH 7,7 7,7 6,4 8,6 0,5
HCO_ 358 352 77 947 135
SO2_ 485 400 15 1427 405
Cl- 2366 243 12 35636 7086
Ca2+ 337 153 20 4084 716
Mg2+ 140 82 4 11145 227
Na+ 1237 252 2 17582 3316
M 4729 1611 178 57419 11149
H, м 124 75,5 3 922 163
Примечание. В таблице X - среднее арифметическое; Ме - медиана; Хтп и Хтах - минимальное и максимальное значения; S - стандартное квадратичное отклонение.
С помощью С-метода по компьютерной технологии AGAT в водах каменноугольных отложений по химическому составу было выделено четыре семейства, которые разделены на 11 однородных геохимических видов (табл.2). Наиболее интересные закономерности выявлены при изучении детальной классификации вод по видам в координатах: глубина Н - содержание компонента - минерализация М. Уверенно выделяются две главные геохимические тенденции в изменении состава подземных вод каменноугольных отложений по глубине, которые отражают вертикальную геохимическую зональность подземных вод. В табл.2 геохимические виды расположены по мере увеличения глубины залегания вод и по геохимическим тенденциям.
Первая тенденция является типичным представителем прямой вертикальной геохимической зональности и, несмотря на высокую неоднородность состава вод, характеризуется закономерным переходом от маломинерализованных гидрокарбонатных и гидрокарбонатно-сульфатных смешанного катионного состава вод к хлоридно-сульфатным и сульфатно-хлоридным смешанного катионного состава и далее по мере увеличения глубины залегания - к минерализованным хлоридным натриевым (табл.2).
Главную роль в формировании химического состава вод каменноугольных отложений по первой тенденции играют С1- и №+, содержание которых возрастает с глубиной, растет также величина рН вод и уменьшается
содержание SO2- . Резко уменьшаются коэффициенты: отношение гНСО- /(гСа2+ + ^2+) - от 0,8 до 0,02, а отношение ^О^- /гС1- - от 6 до 0,002. Закономерности изменения состава вод с глубиной наглядно видны в табл.3 и на
рисунке. Так, увеличение содержания -сменяется на уменьшение (Нтах = 90 м), парный коэффициент корреляции незначим, в то время как криволинейная корреляция значима (г! = 0,66) и уравнение регрессии имеет следующий вид:
М-1,9б)2
SO4 = 790 • 10
0,6
Рассмотрим генезис первой геохимической тенденции. Вполне уверенно можно констатировать, что с глубины 150-200 м в формировании химического состава подземных вод начинает ослабевать роль ин-фильтрационного фактора и нарастать се-
диментационного. Это сказывается на сни-
2_ _
жении содержания в водах SO4 и HCO3 и повышении Cl- и Na+; воды II типа по О.А.Алекину переходят в III тип; содержание J обычно 5-10 мг/л, Br - 20-30 мг/л. В открытой части Восточного Донбасса переход к минерализованным хлоридным натриевым водам происходит на значительной глубине (около 1 км); в окраинных частях бассейна минерализованные воды значительно приближаются к поверхности.
Таблица 2
Состав геохимических видов подземных вод каменноугольных отложений
Тенденция Компоненты, (мг/л и %-моль) Коэффициенты
Вид Н, м рн НСО- ЯО^ - С1- Са2+ Mg2+ №+ М тНСО-
гСа2++ тС1"
Первая 1,6 40 7,1 404 355 46 111 47 134 900
44 48 8 37 25 38 0,71 6
1,2 79 7,7 351 425 213 158 58 183 1200
28 43 29 38 24 38 0,45 1,5
1,3 82 7,7 395 790 315 185 99 333 1900
20 52 28 29 26 45 0,35 1,9
2,2 102 8,0 380 810 1180 275 168 660 3300
11 30 59 24 25 51 0,22 0,51
2,1 106 8,0 387 1160 786 316 177 506 3010
12 46 42 30 28 42 0,21 1,1
3,1 333 8,3 293 86 14700 1300 532 6920 24000
1 0,4 98,6 18 11 71 0,03 0,004
А,1 730 8,4 290 73 33930 3500 1100 16000 55000
0,5 0,2 99,3 18 10 72 0,02 0,002
Вторая 1,4 28 6,8 247 65 18 71 16 25 320
68 24 8 59 22 19 0,84 3
1,1 50 7,4 382 114 57 65 41 82 550
61 23 16 32 33 35 0,94 1,4
1,5 73 7,2 310 176 56 90 34 68 580
49 36 15 44 28 28 0,7 2,4
1,7 100 7,6 372 450 173 98 118 128 1153
30 46 24 24 48 28 0,42 1,9
241 380 7,8 548 418 1250 46 38 1100 3100
17 16 67 43 6 90 1,7 0,2
Таблица 3
Параметры криволинейных уравнений регрессии содержаний компонентов в подземных водах по глубине
Тенденция Компонент а[ Ь\ С1 п Нтах
Первая НСО- 372 2,06 8,23 0,3 115
ЯО2 - 790 1,96 0,6 0,66 90
С1- 32200 3,05 0,89 0,90 > 1000
Са2+ 4550 3,5 1,97 0,82 > 3000
Mg2+ 1280 3,5 2,6 0,82 > 3000
№+ 15950 3,1 1,0 0,92 > 1000
М 54000 3,13 1,16 0,90 > 1000
Вторая НСО- 525 3 8,2 0,46 > 1000
491 2,32 0,63 0,52 210
С1- 1400 2,38 0,3 0,91 240
Са2+ 83 1,44 5,0 0,34 30
Mg2+ 75 2,14 0,7 0,62 140
№+ 1150 2,55 0,3 0,93 350
М 3300 2,45 0,45 0,89 280
Примечание. - максимум, мг/л; Ь - расположение максимума по глубине, ^Н; с1 - крутизна линии регрессии; тх - коэффициент криволинейной корреляции; Нтах - глубина максимума, м.
Изменение состава подземных вод по глубине: а - первая тенденция, б - вторая
Вторая тенденция отражает обратную вертикальную геохимическую зональность состава подземных вод каменноугольных отложений, когда незначительное возрастание минерализации вод с глубиной сменяется на ее уменьшение и формирование вод содового типа. Указанные закономерности хорошо описываются криволинейной показательной функцией (табл.3) с высокими коэффициентами корреляции (г1). По параметрам уравнений регрессии (табл.3) и графикам (см. рисунок) можно установить следующие закономерности: максимальная минерализация фиксируется на глубине 250300 м; содержание НС03 увеличивается с глубиной, но где достигает максимума, надежно спрогнозировать не удается; содержания и С1- максимальны на глубине 200-350 м и глубже уменьшаются; содержания Са2+ и Mg2+ максимальны на глубине 100-250 м и уменьшаются с глубиной.
По второму типу вертикальной геохимической зональности воды с глубиной переходят от гидрокарбонатных кальциевых к сульфатно-гидрокарбонатным и гидрокарбонатно-сульфатным смешанного катионного состава и далее к гидрокарбонатно-хлоридным и хло-ридным натриевым (содовым) с минерализацией 2-3 г/л; воды II типа сменяются на 1с
повышенным содержанием НС03 и очень низкими содержаниями Са2+ и Mg2+. Теперь отношение г НСО^ г Са2+ + г Mg2+) увеличи-
вается до 1,7, а отношение г 80 4 /гС1 уменьшается только до 0,2. Экстраполяция по указанным уравнениям (табл.3) позволяет предположить, что на глубине более 1 км могут быть обнаружены гидрокарбонатные натриевые воды с минерализацией менее 1 г/л.
Относительно образования гидрогеохимических инверсий и появления на значительной глубине маломинерализованных вод существует множество гипотез, из которых наиболее популярными являются: инфильтрационная, ювенильная, дегидрата-ционная и испарительно-конденсационная. В настоящее время имеется большое количество работ, убедительно доказывающих наличие на значительной глубине маломинерализованных вод, связанных с нефтегазовыми месторождениями [4], которые относятся к содовому типу и которые очень близки по химическому облику к описанным выше водам. Авторы считают, что выделенные содовые маломинерализованные воды второй геохимической тенденции в Донбассе наиболее вероятно связаны с процессами конденсации водяных паров из во-доуглеродной газовой фазы [1].
Эти воды обнаруживаются на различной глубине в каменноугольных, меловых, палеогеновых и неогеновых отложениях и часто приурочены к зонам вертикальной тектонической трещиноватости. Теперь, при-
нимая гипотезу испарительно-конденсацион-ного генезиса содовых вод с высоким содержанием НСО- и очень низкими содержаниями Са2+ и М£2+, необходимо признать наличие в пределах Донецкого бассейна в определенных ловушках нефтегазовых скоплений, как это имеет место в сопредельных геологических структурах (Днепровско-Донецком, Донецко-Донском, Азово-Кубан-ском и других бассейнах).
Обнаруженные закономерности вертикальной геохимической зональности подземных вод оказывают существенное влияние на формирование состава шахтных вод [5].
Выводы
1. На основе применения критерия Z2 развит С-метод классификации многомерных наблюдений, который обеспечивает построение классификационной структуры в условиях отсутствия априорной информации об этой структуре.
2. Применение С-метода классификации многомерных наблюдений по компьютерной технологии AGAT позволило объективно выделить и количественно описать закономерности вертикальной геохимической зональности подземных вод Донбасса.
3. Установлено два главных вида геохимической зональности подземных вод Донецкого бассейна: первая тенденция отражает прямую геохимическую зональность и переход с глубиной от гидрокарбонатных кальциевых вод II типа к хлоридным минерализованным натриевым водам III типа, воды инфильтрационного генезиса сменя-
ются на седиментационные. Вторая тенденция характеризует обратную геохимическую зональность и появление на значительных глубинах маломинерализованных содовых вод I типа, инфильтрационный генезис вод в верхней части разреза сменяется на испари-тельно-конденсационный, связанный с прогнозируемым наличием нефтегазовых скоплений.
4. Установленные и описанные типы гидрогеохимической зональности позволят перейти к количественному описанию закономерностей формирования и прогнозу изменения состава шахтных вод при функционировании и ликвидации угольных шахт в Восточном Донбассе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гавришин А.И. О генезисе маломинерализованных содовых вод Донбасса / ДАН. 2005. Т.404. № 5. С.1-3.
2. Гавришин А.И. Многомерный классификационный метод и его применение при изучении природных объектов / А.И.Гавришин, А.Корадини. М.: Недра, 1994. 92 с.
3. Гидрогеология СССР. Донбасс / Под ред. Д.И.Ще-голева. М.: Недра, 1970. 480 с.
4. Маломинерализованные воды глубоких горизонтов нефтегазоносных провинций: Сб. науч. тр. / Под ред. В.В.Колодия. Киев: Наук. Думка, 1985. 280 с.
5. Формирование химического состава шахтных вод в Восточном Донбассе / А.И.Гавришин, А.Корадини, М А.В.охов, Л.И.Бондарева. Новочеркасск: Изд-во Южно-Российского гос. техн. ун-та (НПИ). 2003. 187 с.
6. Gavrishin A.I. Multivariate classification method as a methodological basis for natural object simulation // Hy-drological, Chemical and Brological Process of Transformation and Transport of Contaminats / IAHS Publ. 1994. № 219. P.337-341.
7. Gavrishin A.I. Multivariate classification method in planetary sciences / A.I.Gavrishin, A.Coradini, O.Cerroni // Earch, Moon and Planets. 1992. № 59. P.141-152.
