یافته‌های نوین زمین‌شناسی کاربردی

یافته‌های نوین زمین‌شناسی کاربردی

مدل‌سازی داده‌محور خواص مکانیکی کنگلومراهای سازند قم با استفاده از ویژگی‌های فیزیکی و آزمون‌های شاخص

نویسندگان
1 استاد گروه زمین‌شناسی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران
2 دانشیار گروه زمین‌شناسی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران
3 استادیار گروه زمین‌شناسی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران
4 دکترای زمین‌شناسی، گروه زمین‌شناسی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران
10.22084/nfag.2026.33408.1745
چکیده
این پژوهش با هدف ارزیابی قابلیت روش‌های یادگیری ماشین در پیش‌بینی خواص مکانیکی کنگلومراهای سازند قم در منطقه تجرک، شمال‌شرق همدان، انجام شد. ناهمگنی ناشی از تغییر اندازه و جنس خرده‌سنگ‌ها، مقدار زمینه، سیمان و حفره‌ها، تهیه مغزه نماینده و اندازه‌گیری مستقیم مقاومت را در کنگلومرا دشوار می‌کند. بدین منظور، هشت بلوک بزرگ از رخنمون‌های منطقه برداشت و خواص فیزیکی، سرعت موج فشاری، شاخص بار نقطه‌ای، مقاومت فشاری تک‌محوری (UCS)، مقاومت کششی برزیلین (BTS) و مدول الاستیسیته استاتیکی (E_s) آن‌ها در دو حالت خشک و اشباع تعیین شد. مجموعه داده شامل ۱۶ رکورد حاصل از هشت بلوک در دو وضعیت رطوبتی بود. مدل‌های OLS، Ridge، SVR و RF با سه مجموعه متغیر ورودی مقایسه شدند. برای جلوگیری از برآورد خوش‌بینانه دقت، در هر مرحله اعتبارسنجی، تمام داده‌های یک بلوک شامل حالت خشک و اشباع از آموزش کنار گذاشته شد. عدم‌قطعیت نتایج با ۱۰ هزار تکرار بوت‌استرپ بلوکی و اهمیت متغیرها با حذف جداگانه هر ورودی و محاسبه تغییر خطای مدل بررسی شد. مدل RF با استفاده از خواص فیزیکی، بهترین نتیجه را برای UCS ارائه کرد (R۲‎‎=‎۰/۵۰‎ و MAE‎=‎۵/۱۲‎ MPa). بهترین پیش‌بینی BTS نیز با مدل RF و با استفاده از خواص فیزیکی، سرعت موج فشاری و شاخص بار نقطه‌ای تصحیح‌شده I_(s(50)) به دست آمد (R۲‎‎=‎۰/۸۷‎ و MAE‎=‎۰/۳۶‎ MPa). در مقابل، پیش‌بینی E_s با مدل Ridge ضعیف و نامطمئن بود (R۲‎‎=‎۰/۲۹‎). حذف متغیر وضعیت رطوبتی بیشترین افزایش خطای پیش‌بینی UCS را ایجاد کرد؛ بنابراین تفاوت میان حالت خشک و اشباع، مهم‌ترین اطلاعات مدل UCS بود. در مدل BTS نیز حذف وضعیت رطوبتی یا I_(s(50)) خطای پیش‌بینی را بیش از سایر متغیرها افزایش داد. با توجه به محدودبودن داده‌ها به هشت بلوک مستقل، مدل‌های ارائه‌شده فقط برای برآورد مقدماتی کنگلومراهای محدوده مطالعه مناسب‌ هستند و برای طراحی مهندسی، انجام آزمون مستقیم همچنان ضروری است.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Data-Driven Modeling of the Mechanical Properties of Qom Formation Conglomerates Using Physical Properties and Index Tests

نویسندگان English

Mojtaba Heidari 1
Behrouz Rafiei 2
Reza Alipoor 3
Mehran Noori 4
1 Professor, Department of Geology, Faculty of Science, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran
2 Associate Professor, Department of Geology, Faculty of Science, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran
3 Assistant Professor, Department of Geology, Faculty of Science, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran
4 PhD in Geology, Department of Geology, Faculty of Science, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran
چکیده English

This study evaluated machine-learning methods for predicting the mechanical properties of Qom Formation conglomerates in the Tajarak area, northeast of Hamedan, Iran. Heterogeneity in clast size and composition, matrix content, cement, and voids complicate representative coring and direct strength determination. Eight large blocks were collected, and their physical properties, P-wave velocity, point-load index, uniaxial compressive strength (UCS), Brazilian tensile strength (BTS), and static elastic modulus (E_s) were determined under dry and saturated conditions. The dataset contained 16 records representing eight blocks under two moisture conditions. OLS, Ridge, SVR, and RF were compared using three predictor sets. To prevent optimistic accuracy estimates, all dry and saturated records of one block were excluded from training in each validation iteration. Uncertainty was assessed using 10,000 complete-block bootstrap repetitions. Predictor importance was evaluated by removing each variable separately and recalculating model error. RF using physical properties provided the best UCS result (R^2=0.50 and MAE=5.12 MPa). RF using physical properties, P-wave velocity, and the size-corrected point-load index I_(s(50)) produced the best BTS prediction (R^2=0.87 and MAE=0.36 MPa). In contrast, Ridge prediction of E_s was weak and uncertain (R^2=0.29). Removing moisture condition caused the largest increase in UCS prediction error, indicating that the dry-saturated difference supplied the most useful information for the UCS model. For BTS, removing either moisture condition or I_(s(50)) increased error more than removing the other predictors. Because the dataset comprised only eight independent blocks, these models are suitable only for preliminary estimation within the study area; direct testing remains necessary for engineering design.

کلیدواژه‌ها English

Conglomerate
Uniaxial compressive strength
Brazilian tensile strength
Point-load index
Machine learning

  • تاریخ دریافت 20 مرداد 1405
  • تاریخ بازنگری 15 مهر 1405
  • تاریخ پذیرش 06 آبان 1405