GIG - Fraktali - Oddelek za geologijo

Univerza v Ljubljani
Naravoslovnotehniška fakulteta
Oddelek za geologijo
Fraktali
22. 11. 2012
doc. dr. Timotej Verbovšek
[email protected]
Fraktal ?
1
Uvod

beseda FRAKTAL je izpeljana iz besede frangere (lat.) = zdrobiti oz. zlomiti
 isti koren kot angl. fracture – razpoka

"izumitelj": Benoit Mandelbrot
 knjiga: Fraktalna geometrija narave
(Fractal Geometry of Nature), 1983

ponavadi rabimo ob fotografiji vključiti pokrovček
objektiva ali kakšno stvar z znano velikostjo, da vemo,
koliko je fotografija velika

za opis zapletenih oblik v naravi, boljša razlaga geoloških procesov, ki so privedli do
njihovega nastanka

tam, kjer "navadna" statistika odpove in ne da zadovoljivih rezultatov
Višji pomen ?
Mandelbrot
"Budabrot"
2
Literatura

Mandelbrot, B., 1983: The Fractal Geometry of Nature

Gleick, J., 1991: Kaos: rojstvo nove znanosti, DZS, Ljubljana.

Turcotte, D. L., 1992: Fractals and Chaos in Geology and Geophysics

Barton, C. C., La Pointe, P. R., 1995: Fractals in the Earth Sciences

Verbovšek, T., 2008: Vpliv prevodnih struktur na tok in prenos snovi v kraškorazpoklinskih vodonosnikih. Doktorska disertacija, NTF.

Verbovšek, T., 2009: Fraktali v geologiji ali kaj je skupnega potresom in
rekam. Proteus 72 (4), 159-165.
Praprot

struktura, ki si je podobna
v vseh merilih

= samopodobnost

izgled se torej ne spreminja,
če gledamo objekt v
različnih merilih

1. nivo povečave
3
Praprot

2. nivo povečave
Praprot

3. nivo povečave
4
Praprot

4. nivo povečave
Broccoli romanesco (D ≈ 2,33)
5
Uporaba fraktalov
 v geologiji:











simulacija rasti mineralov
stratigrafija (analiza debelin plasti)
erozijski procesi
analize rečnih mrež in topografije
seizmične analize (analiza potresov)
določanje zalog nafte in rud
hidrogeologija (določanje poroznosti)
krasoslovje
geofizika
geokemija
...
 ostala področja:








biologija
kemija
fizika
matematika
računalništvo (kompresija slik)
družboslovne znanosti
jezikoslovje
...
Fraktalna dimenzija (D)
 vrednost, ki določa, kako se neka struktura spreminja prek različnih meril
 je mera za zapolnjevanje prostora
 obstaja več vrst fraktalnih dimenzij, ki so povezane z načinom merjenja:
 1. samopodobna dimenzija
 2. dimenzija merske daljice
 3. dimenzija, dobljena s štetjem zasedenih škatel
6
Metode določanja fraktalnih dimenzij

Izračun fraktalne dimenzije


N = št. novih delov
r = faktor pomanjšave
N = rD
D=
log N
log r
Metode določanja fraktalnih dimenzij

1. Samopodobni fraktali
določeni z matematičnimi formulami
 idealni, se razprostirajo v neskončnost preko vseh meril
 v naravi jih ni

Kochova snežinka (otok)
Kochova krivulja
Sierpinskijeva preproga
Konstrukcija Sierpinskijeve preproge
7
Metode določanja fraktalnih dimenzij

1. Samopodobni fraktali - izračun fraktalne dimenzije za Kochovo krivuljo


N = št. novih delov
r = faktor pomanjšave
N = rD
D=
log N
log r
DKOCH = log 4 / log 3
DKOCH = 1,26
torej krivulja bolj zapolnjuje prostor kot premica
Metode določanja fraktalnih dimenzij

1. Samopodobni fraktali

primeri samopodobnih fraktalov
Mengerjeva spužva (goba)
Sierpinskijev trikotnik
D=?
Konstrukcija Mengerjeve spužve
8
Metode določanja fraktalnih dimenzij

1. Samopodobni fraktali

Cantorjev prah
primeri samopodobnih fraktalov
Konstrukcija 3D Cantorjevega prahu
Metode določanja fraktalnih dimenzij

2. Metoda merske daljice (Richardsonova metoda)


uporabna le za zvezne (neprekinjene) objekte
dolžina izmerjene obale (L) je odvisna od dolžine merila oz. metra (r) !
– L = a · r1-D
krajša izmerjena obala
daljša izmerjena obala
Podobnost se ohrani preko različnih meril
9
Metode določanja fraktalnih dimenzij

3. Metoda štetja škatel (Box-counting metoda)
objekt prekrijemo s kvadrati (škatlami) velikosti r
preštejemo zasedene kvadrate N(r)
 postopek ponavljamo z manjšimi kvadrati


– naredimo tabelo
narišemo graf log r - log N(r) in povežemo točke
 fraktalno dimenzijo D izračunamo
kot negativni naklon premice

Primeri fraktalov v geologiji
 rečne mreže
 urejene so fraktalno
 podobnost preko meril
10
Primeri fraktalov v geologiji
 fraktalna dimenzija D je med 1 in 2
Primeri fraktalov v geologiji
 digitalizirane rečne mreže
11
Primeri fraktalov v geologiji
 topografija
 D je med 2 in 3
 programi za izdelavo umetnega terena (Terragen)
Primeri fraktalov v geologiji
 topografija
12
Primeri fraktalov v geologiji
 suturne linije amonitov
 D je med 1 in 2
 bolj kompleksne suture imajo višji D
Primeri fraktalov v geologiji
 simulacija rasti mineralov
 npr. turmalini
 DLA (rast z difuzijo)
13
Primeri fraktalov v geologiji
 razpoke v kamninah
 D je okoli 2,7
 pomembne za npr. pretakanje vode
– pri višjih D je povezanost razpok večja
– lažji pretok vode
Primeri fraktalov v geologiji
 črpalni poizkusi v razpoklinskih vodonosnikih
 lažje predstavljanje geometrije toka
 dimenzija toka (n)
14
Primeri fraktalov v geologiji
 oblike stilolitov (tektonika)
 nepravilne ploskve, nastale pri
raztapljanju zaradi tlakov
Primeri fraktalov v geologiji
 stiloliti
15
Fraktalne porazdelitve


porazdelitve velikosti objektov ali pojavov so velikokrat fraktalne
premica v dvojnem logaritemskem merilu (log-log grafi)
Fraktalne porazdelitve

porazdelitve velikosti potresov

število potresov (N), ki so večji od določene magnitude (m): N ≈ m-b
porazdelitve velikosti izbruhanih delcev pri vulkanskem delovanju
velikosti kraterjev (ki jo lahko povežemo z velikostjo meteoritov)
 velikosti nahajališč rud, nafte in plina


16
Fraktalne porazdelitve

porazdelitve dolžin jam v Sloveniji

višje vrednosti fraktalnih dimenzij so v kamninah s kraško-razpoklinsko in
razpoklinsko poroznostjo
Časovne analize
fraktalne porazdelitve so tudi pri različnih časovnih razmikih med dogodki
 bistvena razlika je v dimenzijah



prostorski fraktali imajo le prostorske dimenzije
časovni pa poleg teh seveda tudi časovno

značilna so velika in majhna nihanja

procesi v naravi:







spreminjanja temperature
izotopske sestave elementov
v geoloških obdobjih
spremembe gladin in pretokov vode
sedimentacija in debelina plasti
pojavljanje fosilov v določenih obdobjih
porazdelitve stratigrafskih praznin
nihanja geofizikalnih meritev
17
Časovne analize
težave nastopajo zaradi naše življenjske dobe, saj pogosto procese, ki
delujejo že milijone let, proučujemo šele nekaj desetletij ali celo manj
 izračunamo lahko Hurstov eksponent (H)


za naključne procese je H = 0,5

dejansko je za naravne procese večji (H = okoli 0,7)
– podatki so neodvisni eden od drugega
– podatki so torej odvisni eden od drugega
Nastanek fraktalov


še vedno ni zadovoljive razlage
primer: razpokanje kamnin
proces, ki deluje v vseh merilih (od velikih svetovnih prelomnic, kot je San
Andreas, do drobnih mikroskopskih razpok)
 določena količina energije se razporedi približno enakomerno po prostornini
kamnine
 nastane majhno število velikih delcev
 nastane veliko število majhnih delcev


erozija se razporedi bolj ali manj enakomerno
po površini terena in povzročijo fraktalno
razporeditev rečnih mrež

Per Bak: knjiga z izzivalnim naslovom Kako deluje narava?

teorija samoorganizirane kritičnosti (angl. SOC)
18
Kaos

opis dinamičnih sistemov - tistih, ki se spreminjajo s časom


geologija!
Občutljivost na začetne pogoje


"metuljev efekt"
zelo majhne spremembe začetnih pogojev vodijo do zelo velikih razlik v rezultatih
Kaos

značilnost:



(obdobja stabilnih nihanj)
popolnoma nepravilna (kaotična) nihanja
področja pojavljanja:







vreme
električni tokovi
kemične reakcije
dinamika tekočin in plinov (turbulenca)
rast populacij v biologiji
nihanja cen v ekonomiji
obrati Zemeljskega magnetnega polja
19
"Igra kaosa"


="chaos game"
naključno mečemo kocko, s tremi možnimi izidi:
1,2: narišemo točko na pol razdalje proti točki 1
3,4: proti točki 2
 5,6: proti točki 3



iz popolnoma naključnega procesa
dobimo... ?
Kaos

popolnoma pravilen Sierpinskijev trikotnik!
20
Kaos

Feigenbaumov diagram
npr. velikost populacije
xn+1 = a · xn · (1-xn)
a=2,00
a=3,10
a=3,67
a=3,82
eno stabilno stanje
dve stabilni stanji
kaotično stanje
stabilna in kaotična
stanja
21