岩溶地质的分形理论的研究方法评述.pdfVIP

岩溶地质的分形理论研究方法评述 李小舟1 1．中山大学地球科学系，广州，广东，510275 摘要：岩溶是指水对可溶性岩石(碳酸盐岩、石膏、岩盐等)进行以化学溶蚀作用为主和流水机械侵蚀(冲蚀、潜蚀和坍陷 等)的综合地质作用以及由此产生的一系列地质现象。目前使用最为广泛的岩溶研究方法主要有地质法和地球物理方法，人 工神经网络(舢qN)和地理信息系统(GIS)等。随着分形理论的逐渐完善，它在岩溶中的应用为切实解决隧道施工期岩溶 地质超前预报问题提供了一种新思路和新方法，在工程实践中将具有较好的应用前景。随着研究的不断深入，目趋成熟的岩 溶地质分形预报方法将会在工程实践中发挥越来越大的作用。 关键词：岩溶；研究方法；分形理论i应用前景 岩溶也称喀斯特，是指水对可溶性岩石(碳酸盐岩、石膏、岩盐等)进行以化学溶蚀作用为主和流水 机械侵蚀(冲蚀、潜蚀和坍陷等)的综合地质作用以及由此产生的一系列地质现象【1】。由于具有发育空间 上的复杂性和隧道开挖出露的随机性，这给提前预报和工程建设造成极大的灾害性损失，也因此成为了工 程界的一个大难题12】。随着经济的高速发展，诸多长大岩溶隧道因路线长、理深大且常穿越多个可溶与非 可溶岩层，除妨碍施进度外常常导致T程事故。目前，人们运用较多的岩溶研究方法主要有地质方法【3l、 地球物理方法【4，5J、人工神经网络法【6l、GIS技术法pJ。此外，施工期间岩溶地质预报法经实践证明也具有 十分重要的意义18】，岩溶地质预报作为一种新方法而引起了人们的关注p11J。 l岩溶预报法 I．I常见岩溶研究方法 目前使用最为广泛的主要有地质法和地球物理方法，前者主要包括地质法、超前平行导坑法和超前水 平钻孔法【瑶13J，后者主要有波反射法、电阻率法和超前钻孔声波测并及跨孔声波投射法【14J，各种方法均有 其优、缺点和适用条件。在研究和运用中，地质法是基础方法呻J，地球物理方法探测不良地质体f尤其是 反射界面诳方法上比较成熟【4，引，因此诸多重大隧道工程地质超前预报一般采用以地质法为基础的综合物 探技术，且因地质条件差异而具体选用相应的物探方法。 物神经系统的新型信息处理系统，适合于模拟识别及复杂非线性函数关系的拟合等【151，其可以被用于诸多 方面(如岩性及岩相预测、储层预测等)的研究和应用【l射。而地理信息系统以计算机为平台，应用地学的 理论和方法对与空间有关的信息进行处理，并以信息技术和信息T程为指导。随着地理信息系统的不断完 善，GIS己被广泛运用于矿坑突水预报ll7】和岩溶塌陷危险性评价11Sl等领域。 1．2分形理论与岩溶研究 分形理论是数学领域里的新工具，被用以分析一些不规则的形态和无序的混乱现象，可以较好的揭示 复杂现象背后的规律和联系【l叼¨。研究显示， 的Euclid几何语言来描述内在联系的典型数学现象也可以通过分形的方法进行处理田l。现实中，分形理论 揭示了非线性系统中有序与无序、确定性与随机性、稳定与不稳定和平衡与非平衡的统一，其可以将一些 表面看来毫无联系、混乱不堪的大气中的湍流、雷电、云的形状、河流及海岸线形状、地壳内的断裂、地 震分布以及人类的社会经济活动等自然或社会现象的规律均可以通过分形几何学加以揭示lZ2)。近年来’-一些 学者基于图像处理和模式识别技术和分形的特征属性在裂隙测量和统计方面作了大量的尝试[23-删，并取得 了较好的效果[z61。对岩溶的研究而言，分形理论最早被用于研究关于岩溶洞穴延伸的线型特征F丌，其次是 169 对岩溶管道(洞穴)形态的数学描述和分形计算方面【28t291及岩溶形态系统的分形特征及其机理m31l等方面的 研究，而蒋忠信和王衡则将分形理论运用于对南昆铁路的岩溶洞穴预报1321。 2岩溶中的分形理论 运用分形理论，前人除了对岩体裂隙及地下水运移相关的分型等特征进行研究外【33调，而在岩溶方面 的研究也同样日趋成剥11’30-32i。 岩溶元也称溶蚀元111‘371，是研究岩溶形态发育微观规律的基本单元。岩溶元可以进行分形生长，但通 常需要具备构造裂隙、可溶性岩石和地下水动力作用等必要条件。当满足必要条件时，该基本单元往往沿 着微裂隙、节理等结构面或岩石表面等按一定规律生长逐渐生长为溶孔、溶缝、溶槽和溶管等，甚至最终 变为溶洞和岩溶暗河。 N一1 N