ĐẶC ĐIỂM THÔNG TIN ĐỊA CHẤT VÀ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG CÁC MÔ HÌNH XÁC SUẤT TRONG NGHIÊN CỨU TAI BIẾN ĐỊA CHẤT TSKH TRẦN MẠNH LIỂU Viện KHCN Xây dựng Đặt vấn đề Tai biến địa chất nói riêng tai biến tự nhiên nói chung quan tâm đầu tư nghiên cứu mức từ nhiều năm trở lại Tuy nhiên dự báo định lượng tai biến địa chất hạn chế phương pháp Một số tác giả cố gắng lượng hoá vai trò yếu tố phát sinh, phát triển tai biến địa chất, sở phương pháp kinh nghiệm người nghiên cứu Được hỗ trợ chương trình nghiên cứu Bộ KH &CN tài trợ, tác giả xin giới thiệu phương pháp định lượng đánh giá dự báo tai biến địa chất bao gồm sở lý thuyết, nội dung ví dụ áp dụng phương pháp Bài báo phân tích sở khả áp dụng số mô hình toán, mà chủ yếu mô hình xác suất nghiên cứu đánh giá dự báo tai biến địa chất Tính chất định tính định lượng thông tin địa chất Các thông tin địa chất sử dụng nghiên cứu, dự báo trình tai biến địa chất tổ hợp liệu cấu trúc, tính chất vận động môi trường địa chất Các thông tin thường biểu diễn dạng định lượng (các tiêu lý, ) định tính (tên đất đá, tuổi, nguồn gốc, ) Nếu thông tin địa chất biểu diễn dạng định tính việc áp dụng phương pháp toán học địa chất khó khăn Tuy nhiên với phát triển khoa học ngày nay, số lĩnh vực toán học đại (lý thuyết hộp đen, lý thuyết tập mờ,…) cho phép nghiên cứu tính chất chưa định lượng nguyên tắc, lượng hoá thông tin địa chất nào, xem nhẹ đặc trưng mang nội dung định tính, mà chí tìm thấy cách biểu diễn xác tối ưu [3,7,12,15] đặc trưng Nhiệm vụ quan trọng sử dụng phương pháp toán nghiên cứu trình tai biến địa chất tìm kiếm ý tưởng xây dựng khái niệm tương ứng có giá trị hỗ trợ tích cực việc tìm kiếm lời giải cho vấn đề mà phương pháp truyền thống không giải Ví dụ khái niệm địa hệ, hệ thống thông tin địa lý, tiêu tích hợp yếu tố điều kiện địa kỹ thuật nhiều khái niệm khác Trong thực tế áp dụng phương pháp toán địa chất nói chung nghiên cứu trình tai biến địa chất nói riêng, việc phải lượng hoá thông tin định tính Có cách lượng hoá thông tin định tính: - Cho điểm; - Thay đổi ký hiệu; - Biểu diễn số Cho điểm thực tế chưa phải lượng hoá Các yếu tố nguyên nhân phát sinh, phát triển trình tai biến địa chất tác giả tự đánh điểm sở kinh nghiệm nghiên cứu hoàn toàn cảm tính Vì phương pháp chứa đựng nhiều thiếu sót, tính chủ quan cách biểu diễn đánh giá thông tin Tuy nhiên phương pháp sử dụng nhiều địa lý địa chất [16] Cách mô tả định lượng thông tin địa chất theo phương pháp phản ánh đặc trưng định tính thông tin, chưa có khả cho kết nghiên cứu thoả mãn Cách lượng hoá thứ biểu diễn dạng thuật ngữ “có – không – không biết” (1,0,) Cách biểu diễn thông tin cho phép giải số vấn đề liên quan đến đánh giá trị số yếu tố dự báo dựa sở kiểm nghiệm [9] Phương pháp áp dụng tốt trường hợp điều tra lấy ý kiến chuyên gia (phương pháp chuyên gia) Phương pháp biểu diễn www.vatlieuxaydung.org.vn định lượng thông tin theo cách tốt cách thứ Tuy nhiên không tránh khỏi thiếu sót, chủ yếu thông tin biểu diễn chúng ký hiệu (1,0,-), trường hợp phần lớn tác động quan trọng bị lược bỏ Biểu diễn thông tin địa chất hữu hiệu phương pháp số Khi sử dụng phương pháp này, điều quan trọng lựa chọn tiêu đặc trưng cho yếu tố điều kiện địa chất (cùng yếu tố điều kiện địa chất lựa chọn nhiều tiêu đặc trưng khác nhau) Tuy nhiên, khó khăn khắc phục nguyên tắc, thông số điều kiện địa chất biểu diễn định lượng Giá trị thông số địa chất biểu diễn định lượng dạng [4]: / R = R + R R/ thành phần tiền định (có quy luật) thông số địa chất, biến đổi từ điểm đến điểm khác theo quy luật xác định R thành phần ngẫu nhiên thông số địa chất Hai thành phần xác định sở phân tích khối lượng lớn số liệu thực nghiệm Nếu không tính đến thành phần ngẫu nhiên đánh giá thông số địa chất rõ ràng dẫn đến kết luận không chuẩn xác Bản chất khái niệm xác suất nghiên cứu trình tai biến địa chất Nghiên cứu chất sử dụng khái niệm xác suất nghiên cứu địa chất công trình tai biến địa chất quan trọng xét từ góc độ phương pháp luận Có hai quan điểm phân tích khái niệm Quan điểm thứ mà đại diện Kazdan A.B., Guxkov O.A, Shimanxki A.A [10] cho rằng, trình tai biến địa chất tập hợp nhiều trình đơn lẻ, chưa rõ chất trình nên nghiên cứu chúng sở sử dụng biểu thức hàm số quan hệ Do vậy, lời giải trình Y dự báo xác theo giá trị cho trước thông số (X1,X2, Xn) khống chế trình đó; Y=f (X 1,X2, Xn) Với cách tiếp cận vậy, sử dụng số đặc trưng trung bình để dự báo phát triển trình địa chất với xác suất Khái niệm xác suất hoàn toàn mang tính thực dụng (Vistelius A.B) [6] Quan điểm thứ (BondarixG.K [4], Knoring L.D [11], Detr V.N, Khructalev L.P, Pystovoit G.P.) cho xác suất áp dụng nghiên cứu địa chất, có trình địa chất, hoàn toàn có sở phương pháp luận chặt chẽ, tức sử dụng khái niệm hạn chế hiểu biết trình tượng nghiên cứu, mà chất tượng không cho phép sử dụng tổ hợp hàm tiền định Quá trình tai biến địa chất hiểu tương tác trường vật lý khác nhau, tồn số yếu tố tuân theo quy luật quan hệ nhân-quả số yếu tố không rõ đặc tính, có tác động khác giai đoạn phát triển khác trình Nếu phân tích toàn trình thành chuỗi trình cục bộ, đa số tuân theo quy luật vật lý, hóa học hay hóa-lý Ví dụ, theo Bonđarix [4] trình tai biến địa chất ngoại sinh xác định chủ yếu tương tác trọng lực, học, nhiệt động học, hóa – lý thể trình – cấu thành trình địa chất động lực ngoại sinh như: cố kết, tạo khoáng, tích hợp, phân chia, hòa tan, dịch chuyển nhiều trình khác Tuy nhiên chí trình đơn giản mang tính ngẫu nhiên (xác suất), quy luật tự nhiên mang tính ngẫu nhiên, không hiểu biết tự nhiên hay phân tích đánh chất xác suất có vật chất tự nhiên Sản phẩm tương tác trường vật lý phạm trù tương tác với chất lượng Những tương tác thể điểm riêng biệt không gian địa chất Môi trường địa chất tổng thể tập hợp vô hạn điểm, mối điểm trình địa chất định tổ hợp tương tác đặc trưng riêng cho điểm Vì toán nghiên cứu chất trình tai biến địa chất phân nhỏ toán: - Bài toán cục phát triển trình không gian đơn vị (điểm) Giải toán cục sử dụng quy luật ngành khoa học (lý, hóa, ) www.vatlieuxaydung.org.vn - Bài toán tích phân ứng xử vùng thạch quyển, cần phải lý giải yếu tố định biến đổi trình từ điểm sang điểm khác tuân theo quy luật biến đổi Đó toán địa chất Ví dụ, xét trình hình thành phá huỷ bãi bồi gần bờ tác động yếu tố thủy văn điều kiện địa chất tương ứng tính toán tương đối xác mô hình tiền định vận động hạt đất cụ thể có khối lượng kích cỡ cho sẵn Nhưng tổng thể, trình hình thành phá huỷ bãi bồi gần bờ vận động hạt cụ thể, dự báo sở xác suất Đây trình tích hợp xác định chiều cao chu kỳ sóng, góc nghiêng bờ, chiều sâu nước gần bờ, vận tốc hướng dòng chảy ven bờ, hình dạng bờ, thành phần đất đá cấu tạo bờ, nhiều yếu tố khác Do đó, dự báo tổng hợp khả ứng xử vùng thạch với tác động thủy thực sở lý thuyết xác suất Có nghĩa bờ ổn định không góc dốc ven bờ đó, mà xác suất xuất giá trị Với lý khẳng định sản phẩm tương tác trường vật lý xem xét trường trình địa chất Quá trình đặc trưng tính chất sau: Không thuận nghịch, có nghĩa trình phần trình phát triển trái đất nói chung; - Có tính chu kỳ liên quan với hoạt động hệ mặt trời, với chu kỳ quay trái đất xung quanh mặt trời trình khác; - Sự xuất trình điểm riêng biệt không gian địa chất có tính ngẫu nhiên Như giá trị thông số địa chất chứa dựng thành phần ngẫu nhiên xuất với xác suất Xác suất trình tai biến địa chất mang tính sở, có nghĩa tồn tượng trình Đây kết luận quan trọng từ góc độ phương pháp luận, cho phép luận chứng khả sử dụng lý thuyết xác suất thống kê toán học để giải toán địa chất tai biến địa chất Trong tài liệu toán gặp hai khái niệm xác suất: cổ điển thống kê Khái niệm xác suất cổ điển dựa khái niệm biến cố Biến cố lý thuyết xác suất hiểu khả xảy không xảy thí nghiệm Khi xác suất biến cố số đo khả thực (khách quan) biến cố (% phần đơn vị) [5] Trong địa chất khái niệm sử dụng đòi hỏi thông tin đánh giá hội xuất biến cố [13] Khái niệm thứ hai hiểu sau: Xác suất giới hạn tần suất xuất biến cố số lần thí nghiệm dần đến vô [13] Trong thực tế khái niệm xác suất cho phép xác định xác suất biến cố mà khả xuất chúng không rõ trước Đó đặc thù trình tai biến địa chất Khả sử dụng mô hình toán xác suất nghiên cứu trình tai biến địa chất Để đặc trưng hoá môi trường địa chất dự báo trình tai biến địa chất sử dụng tổ hợp mô hình, mô hình tiền định cho phép dự báo xác (với xác suất p = 1) đến mô hình với tham số độc lập Bất kỳ mô hình (bao gồm mô hình toán) bị đơn giản hóa sai khác chất so với thực thể tự nhiên yếu tố tác động Điều dẫn đến đặc tính xác suất kết mà không phụ thuộc vào dạng, tính chất chất lượng mô hình Thậm chí mô hình toán tiền định cụ thể chi tiết bao hàm khía cạnh tính chất đối tượng nghiên cứu Có nghĩa chí sử dụng cách biểu diễn hàm số với đối tượng nghiên cứu có kết mang tính xác suất theo đặc tính Do nghiên cứu thực thể địa chất, trình tai biến địa chất xác suất cách thức mô tả tượng, thạch hình thành cách hỗn độn mô tả mô hình toán học, mà sở khái niệm xác suất www.vatlieuxaydung.org.vn Theo đặc tính liên hệ (tính kế thừa) thông tin địa chất phân biệt nhóm mô hình sử dụng loại thông tin khác nghiên cứu trình tai biến địa chất [14] sau: Mô hình với thông tin đặc trưng tính liên hệ lâu dài (tức hoàn toàn mô tả mô hình tiền định), tất trạng thái trước từ thời điểm To có ảnh hưởng đến trạng thái Tn+1 Mô hình với thông tin đặc trưng tính liên hệ ngắn Từ góc độ phân bố mang tính ngẫu nhiên, từ góc độ khác biết trạng thái trước hệ thống dự báo trạng thái với xác suất Đặc trưng dạng phân bố chuỗi Markov Mô hình với thông tin tính liên hệ, biến cố trước không ảnh hưởng đến xuất biến cố (dãy Bernuly) Loại mô hình sử dụng tương đối thường xuyên nghiên cứu trình tai biến địa chất tính toán độ ổn định mái dốc mô hình toán cơ, tính lún mô hình phân tầng tính tổng,… Phân tích chất nhiều trình mô hình cho thấy việc áp dụng mô hình tiền định thực tế sơ lược hoá trình phương pháp thường không đảm bảo độ tin cậy kết dự báo Tuy nhiên tính toán theo mô hình tiền định lại hiệu Ví dụ, tính lún công trình theo phương pháp phân tầng lấy tổng cho kết gần giống thực tế, không cần thiết phải tìm kiếm mô hình biến cố ngẫu nhiên Loại mô hình thứ chuỗi Markov mô tả trình tai biến địa chất với tính liên hệ thông tin ngắn Đây sơ đồ toán động, ứng dụng nhiều địa chất Một ví dụ cụ thể quy luật biến đổi lớp đất nhịp trầm tích sông (cuội sỏi, cát, bột, sét, cuội sỏi, cát, bột, sét,…) Rõ ràng xuất lớp (cát bột sét) mặt cắt địa chất phụ thuộc vào tồn lớp nằm dưới, mà không phụ thuộc vào tồn lớp trước Có thể kiểm tra tính chất Markov chuỗi số liệu thí nghiệm (quan trắc) theo tiêu chuẩn  [8] Nhóm mô hình thứ đặc trưng độc lập số liệu thí nghiệm (quan trắc), tức số liệu trạng thái trước sau hệ thống mối quan hệ Mô hình sử dụng để nghiên cứu trình tai biến địa chất hoạt động khoảng thời gian ngắn, không gian địa chất hạn chế [9] Những trình coi tính liên hệ để mô tả chúng phải sử dụng mô hình biến số ngẫu nhiên Mô hình có nhiều lợi đơn giản không cần nhiều số liệu thí nghiệm Tuy nhiên sử dụng mô hình phải đáp ứng số điều kiện: - Môi trường địa chất nghiên cứu phải tựa đồng - Các giá trị thí nghiệm thông số địa chất phải độc lập; - Giá trị thông số nghiên cứu không phụ thuộc vào vị trí thí nghiệm không gian Kết luận - Bất kỳ yếu tố điều kiện địa chất làm phát sinh, phát triển trình tai biến địa chất lượng hoá được, xem nhẹ đặc trưng mang nội dung định tính, mà chí đặc trưng tìm thấy cách biểu diễn xác tối ưu; - Nhiệm vụ quan trọng đánh giá dự báo tai biến địa chất phương pháp định lượng phải tìm kiếm ý tưởng xây dựng khái niệm tương ứng có giá trị hỗ trợ tích cực việc tìm kiếm lời giải cho vấn đề mà phương pháp truyền thống không giải được; Tính liên hệ (tính kế thừa) thông tin địa chất lâu dài, ngắn liên hệ Tương ứng với loại thông tin vậy, để đánh giá dự báo trình tai biến địa chất sử dụng mô hình tiền định, chuỗi Markov dãy Bernuly - Khi sử dụng mô hình toán đánh giá dự báo trình tai biến địa chất, mô hình xác suất chiếm ưu hẳn, thực thể địa chất hình thành môi trường, mà tồn quy luật mô tả ngôn ngữ xác suất Các mô hình tiền định sử dụng trường hợp riêng biệt có lợi cho việc sử dụng cách tiếp cận xác suất, mà ngẫu nhiên toán chưa khẳng định TÀI LIỆU THAM KHẢO TRẦN MẠNH LIỂU, ĐOÀN HUY HIÊN Sử dụng khái niệm entropy nghiên cứu đánh giá đặc điểm bất đồng điều kiện địa kỹ thuật Tạp chí KHCN Xây dựng, số 3/2004 TRẦN MẠNH LIỂU, NGUYỄN HUY PHƯƠNG, NGUYỄN VĂN TÁ, ĐOÀN HUY HIÊN, LÊ CHÍ HƯNG Phân vùng định lượng điều kiện địa chất công trình phục vụ xây dựng Tạp chí Địa chất công trình môi trường, số 2/ 2005 БОНДАРИХ Г К О количественной оценке инженерно-геологических условий Советская геология, 4/1982 БОНДАРИХ Г К Теоретические основы инженерной геологии Механико – математические основы М, Недра, 1986 В Е Н Ц Е Л Ь Е С Т е о р и я в е р о я т н о с т е й М Н а у к а 1969 www.vatlieuxaydung.org.vn ВИСТЕЛИУС А В Основы математической геологии Л Наука, 1980 ГОРАЛЬЧУК М И Применение карт взаимосвязии компонентов инженерно-геологических условий для анализа их изменчивости М Вceгингео, 1984 ДЕВИС Дж Статистика и анализ геологических данных М Мир, 1977 ЕЛИСЕЕВА И И Групировка,корреляция, распознование обрацов М Статистика, 1977 10 КАЖДАН А В Математическое моделирование в геологии и разведке полезных ископаемых.М недра, 1979 11 КНОРИНГ Л Д Геопогу о математике Л Недра, 1989 12 КОМАРОВ И С Хайме Н М Многомерный статический анализ в инженерной геологии М Недра, 1986 13 КОМАРОВ И С ХАЙМЕ Н М Накопление и обработка информации при инженерногеологических исследованиях М.Недра, 1972 14 КРАМБАЙН У Детерминированные и вероятностные модели в геологии Модели геологических процессов М Недра, 1973 15 ПЕНДИН В.В К методике количественной оценки сложнрсти инженерно-геологических условий территории Известия вузов Геология и разведка, 7/1980 16 ХОСИТАШВИЛИ Г Р Процессы переформирования берегов горных водохронилищи их прогноз Автор Канд Г М Н М ВСЕГИНГЕО, 1974 www.vatlieuxaydung.org.vn ... xác suất biến cố mà khả xuất chúng không rõ trước Đó đặc thù trình tai biến địa chất Khả sử dụng mô hình toán xác suất nghiên cứu trình tai biến địa chất Để đặc trưng hoá môi trường địa chất. .. đánh giá thông số địa chất rõ ràng dẫn đến kết luận không chuẩn xác Bản chất khái niệm xác suất nghiên cứu trình tai biến địa chất Nghiên cứu chất sử dụng khái niệm xác suất nghiên cứu địa chất công... chất phân biệt nhóm mô hình sử dụng loại thông tin khác nghiên cứu trình tai biến địa chất [14] sau: Mô hình với thông tin đặc trưng tính liên hệ lâu dài (tức hoàn toàn mô tả mô hình tiền định),