地球化學異常下限不同確定方法及合理性探討

姚 濤,陳守余,廖阮穎子

(1.中國地質大學(武漢)地質過程與礦產資源國家重點實驗室,武漢430074;2.中國地質大學(武漢)資源學院,武漢430074)

0 引言

周蒂[1]認為,較合理的異常圈定方法應該是:根據工作區的地質、地球化學及景觀資料逐點估計地球化學背景值,再從觀測數據中減去背景值及隨機誤差而圈定異常。這一認識說明,確定地球化學異常下限是一個很復雜的過程,對于不同的背景應該選擇不同的異常下限。

對于1∶20萬化探掃面數據,史長義等[2]在對已知的各種化探數據處理方法進行系統研究的基礎上,吸收了EDA技術和濾波技術,開發出子區中位數襯值濾波(SAMCF)法。該方法很好地實現了不同子區采用不同的異常下限,但是在實際工作中其計算和成圖過程都比較繁瑣,并且只有在研究區面積足夠大的時候使用該方法才能得到理想的效果。

為了更好的確定異常下限,圈定異常區域,筆者采用了按照不同背景分區采用不同的異常下限圈定異常。但是有一個問題,就是不同地質單元之間的等值線連接是十分不理想的。因此,筆者又嘗試了另一種方法——歸一化法[3],將原始數據經歸一化處理后再計算異常下限。

此外,傳統的地球化學異常下限計算方法(均值+K倍的標準離差)在K值的選擇上存在一定的隨意性。為了克服這一弊端,Cheng Q M(成秋明)等1994提出了含量-面積模式[4],首次將分形引入地球化學異常的判別,并且在加拿大取得了成功,在國內也引起了很大的轟動。

白銀廠銅多金屬礦田是具有很長開發歷史的老礦山,由于計算機技術在最近十幾年才得到普及和發展,所以前人在找礦過程中很少有機會或者根本就沒有機會嘗試現在的一些新技術、新方法。而傳統方法圈出的異常很容易漏掉一些弱小的異常。由于各種原因(比如覆蓋物比較厚),有時候在弱小異常處卻隱藏著大礦,所以從某種程度上說漏掉弱小異常也就是漏掉了發現大礦的機會。

為了進一步開發該地區的礦產資源,筆者嘗試應用新技術、新方法在白銀礦區及外圍圈定地球化學異常區域。本文在分別運用傳統方法、歸一化法和分形方法確定白銀礦區及外圍1∶5萬水系沉積物Cu,Pb,Zn,Ag等4個元素的地球化學下限,對 異常區進行圈定,并將3種方法圈定的結果進行比較分析。

1 區域地質背景

區內地層從古生界到新生界多有出露(圖1)。其中,寒武系—志留系屬地槽型海相沉積(伴有火山碎屑沉積),泥盆系—第三系以內陸湖盆相沉積為主,第四系主為沖溝堆積。不同時代地層多以同構造線方向的斷層相隔。

圖1 白銀礦區及外圍礦產地質略圖(據甘肅省有色地質三隊資料修編)Fig.1 Geological stetch of Baiyin Mine Area and its periphery

侵入巖主要有花崗巖、斜長花崗巖、花崗閃長巖、石英閃長巖、輝綠巖、輝長巖、蛇紋石化橄欖巖等。巖漿作用分異連續完整,基性、中基性、中性、酸性火山巖發育齊全?；鹕綆r的分布受古斷裂的控制[6]。以早古生代海相火山巖最為發育,其在空間展布上與區域構造線方向一致,呈NW-SE向帶狀分布。白銀廠礦田的火山作用以裂隙噴溢為主,局部伴有中心式噴發[7],以熔巖為主,火山碎屑巖類相對較少。

白銀礦區現已發現的礦床主要有折腰山、石青硐、老鉛硐、小鐵山、四個圈和銅廠溝等。其中,折腰山礦床規模最大。

2 區域地球化學特征

白銀廠地區地貌景觀為干旱荒漠,局部有黃土覆蓋,氣候干旱,干涸溝系發育,植被稀少。白銀礦田處于高 Fe2O3,MnO,Na2O,CaO,低SiO2的環境中,在該環境中發育的成礦元素有Cu,Pb,Zn;伴生元素有Cd,Ag,As,Sb,Hg,Au,Bi,Mo,Ba等[8]。

從表1可以看出,研究區成礦元素Cu,Pb,Zn的平均值均明顯高于全國均值和干旱地區平均值,中位數值也都明顯高于全國中位數值;而伴生元素Ag的平均值則只是稍微高于全國平均值,中位數值則遠低于全國中位數值。

表1 Cu,Pb,Zn,Ag元素特征值表Table 1 Characteristic value of Cu,Pb,Zn,Ag

3 地球化學異常下限的確定

3.1 傳統的統計學方法

長期以來,人們主要使用經典的統計學方法,以樣品數據呈正態分布為假設前提,通過計算數據的統計學參數(如均值、中位數、標準離差等)對異常進行篩選和評價[9]。通常認為常量元素接近正態分布,而微量元素則接近于對數正態分布,但是在實際工作當中沒有完全理想的數據滿足正態分布或對數正態分布。因此需要我們對原始數據做一定的處理,使其滿足正態分布或對數正態分布而又不失原 始數據的真實性。若原始數據滿足正態分布,則直接用均值+2倍的標準離差得到異常下限;若原始數據不滿足正態分布,則按照地球化學普查規范(DZ/T0011-91)的要求計算地球化學異常下限值:

(1)將原始數據轉化為對數值,反復用(±2.5S)進行特高值和特低值剔除,直到其滿足對數正態分布,將剩余數據進行統計。

其中,xi為剔除特高值和特低值后剩余的數據值;n為剩余數據的個數;C0為背景的對數;S為取對數后數據的標準離差;CA異常下限的對數。

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按傳統方法圈出的異常(圖2)主要集中在折腰山、白銀市、八八四廠附近的區域,該地區為白銀廠礦田所在區域。由于礦區高異常的壓制作用,使得在其他地區幾乎沒有異常出現。

圖2 白銀礦區及外圍Ag,Cu,Pb,Zn元素異常圖(傳統方法)Fig.2 Cu,Pb,Zn,Ag anomaly map of Baiyin Mine Area and its periphery(Traditional methods)

3.2 歸一化法

陳明等在總結正確劃分化探背景與異常的方法時認為,在進行背景與異常的識別之前,必須選擇合理的方法校正采樣和分析測試帶來的誤差[19]。由于研究區的樣品數據是分4個區采集的,并且在該區有不同的地質背景,所以,筆者嘗試用歸一化法來處理原始數據。

歸一化法是一種簡單的數據調整方法,原理簡單,實現起來也很方便,并且可以取得比較理想的效果。它適用于調整由于系統誤差造成的不同分析批次間的數據“臺階”、不同地區背景值的差異造成元素數據置于一起研究時元素分布信息的弱化或強化等[3]。它是在知曉不同批次或不同空間分布的大塊數據間的差異的前提下,為消除這樣的差異而進行的簡單的數據歸一方法,是襯度法的一種改良方法,它用與元素實際分析值相近的視含量來代替在數值1附近波動的襯值,使得處理后的結果更直觀,更易于理解和接受。

計算公式為:

式中:為第j個地質體中第i個樣品的處理后的數據;Cij為第j個地質體中第i個樣品的原始數據;為第j個地質體分析數據的平均值為整個樣品的總平均值。筆者將歸一化之后的數據用均值+2倍的標準離差(迭代剔值后)計算異常下限,圈定異常。圖3為歸一化法圈定的地球化學異常圖,與圖 2比較,在老鉛硐附近地區出現了Cu,Pb,Zn的異常,符合客觀情況,但在石青硐地區附近依然沒有異常出現。

3.3 分形方法

Cheng Q M等認識到傳統的確定地球化學異常方法存在局限性,并從分形的觀點(地球化學背景和異常的形成是兩個獨立的過程)認為地球化學背景值和異常值具有各自獨立的冪 指數關系,由此導致了一種多重分形分布。在此基礎上,Cheng Q M等提出了確定地球化學異常的分形模型,含量-面積模型。

圖3 白銀礦區及外圍Ag,Cu,Pb,Zn元素異常圖(歸一化數據后常規方法計算下限)Fig.3 Cu,Pb,Zn,Ag anomaly map of Baiyin Mine Area and its periphery(Normalization method)

Cheng Q M等提出的含量-面積模式是運用分形確定地球化學異常的第一次嘗試[9]。筆者分別運用Cheng Q M等開發的Geodas軟件和武漢中地信息有限公司開發的Mapgis軟件嘗試了用含量-面積模式來確定地球化學下限[11],但效果都不是很理想,出現了李長江等在《礦產勘查中的分形、混沌與ANN》一書中提到的問題:分辨率比較低,難以確定異常下限[9]。因此,筆者又嘗試了分形求和法[12],該方法簡單易行,而且效果也比較理想。研究中筆者將原始數據歸一化消除系統誤差之后,再運用分形求和法求異常下限。

分形求和模型:

式中,r為特征尺度;C＞0為比例常數,D＞0為一般分維數;N(r)=N(≥r)為尺度大于等于r的和數。

設地球化學元素的值

這里和式是對于所有滿足xi≥r的xi求和。這樣得到了一組N(ri)和ri(i=1,2,…,n

用最小二乘法求出斜率D的估計量,即為分維數;其散點大致分布在兩段直線上,應采用分段擬合。為了提高界限點確定的客觀性,在兩個區間用最小二乘法進行回歸時采用最優化方法確定界限點。其基本思想是,找出合適的界限點ri0,使各區間擬合的直線與原始數據點之間的剩余平方和Ei(i=1,2)在兩個區間的總和E=E1+E2為最小。其中ri0是界限點,D1和D2分別為相應區間的斜率即分維數,

如圖4所示,在石青硐(主要有鉛、鋅、銅礦)附近出現了弱小的異常,這是前面兩種方法都沒圈出的異常。

4 結果與討論

(1)圖2中的異常主要集中在折腰山、白銀市和八八四廠附近區域,由于高值異常的壓制作用,在礦田以外的地區幾乎沒有異常出現;圖3中的異常范圍比圖2大,在老鉛硐地區出現了異常,這與實際情況相符;圖4中的異常范圍最大,幾乎覆蓋了所有的 礦化集中區,特別是在石青硐附近地區也出現了Cu,Pb異常。

圖4 白銀礦區及外圍Ag,Cu,Pb,Zn元素異常圖(歸一化數據后分形方法計算下限)Fig.4 Cu,Pb,Zn,Ag anomaly map of Baiyin Mine Area and its periphery(Fractal method)

(2)運用傳統方法計算異常下限且原始數據未經歸一化處理時,圈出的異常范圍過小,可能是因為分區采樣時造成的系統誤差沒有校正,不同地質單元采用了統一的下限值(高背景區的下限值)。歸一化法剛好可以解決這個問題,使數據的可信度更高。但是對于歸一化處理之后的數據用傳統的(均值+K倍的標準離差)方法計算異常下限時,在K的大小選擇上仍然受主觀因素的影響比較大。如果取K=2的話,如圖3所示,在石青硐地區附近沒有出現任何異常;如果取K=1的話,則可以在該地區見到異常。當我們沒有發現石青硐礦田時,我們的K值該怎么取呢?分形方法計算異常下限則可以很好地解決這個問題,因為按照分形的觀點,地球化學背景和異常的形成是兩個獨立的過程,它們分別滿足不同的冪指數分布,計算出來的結果更客觀。

(3)分形方法計算異常下限雖然可以克服傳統方法(均值+K倍的標準離差)在K值選擇上受主觀因素影響的弱點,圈定的異常更客觀、更全面。但是,在實際工作中,對于分形模型的選擇要經過不停的嘗試才能得到比較理想的結果,而且要求化探工作者能夠熟練地使用各種不同的軟件,甚至還要求能夠自己編寫程序。所以,運用分形方法計算異常下限對人員素質的要求比較高。

(4)分形方法計算異常下限得到的結果(圖4)雖然沒有漏掉異常,但是同時也存在異常范圍過大的問題,特別是如圖4中的 Pb異常幾乎占了全區的一半。因此,筆者認為可以將圖3和圖4疊合起來,綜合分析圈定異?？梢匀〉貌诲e的效果。

(5)在實際化探工作中,對于地質背景比較復雜的地區,為了能夠得到比較理想的結果,化探工作者必須考慮不同的地質單元的影響,并且采用比較合適的方法消除這種影響;在計算異常下限時要求根據實際情況采用合適的方法或多種方法相結合;圈定異常時,根據多種不同方法圈定的異常,綜合分析應用,圈定成礦有利靶區。

[1] 周蒂.分區背景校正法及其對化探異常圈定的意義[J].物探與化探,1986,14(4):263-273.

[2] 史長義,張金華,黃笑梅,等.子區中位數襯值濾波法及弱小異常識別[J].物探與化探,1999,23(4):250-257.

[3] 劉大文.區域地球化學數據的歸一化處理及應用[J].物探與化探,2004,28(3):273-279.

[4] Cheng Q M,Agterberg F P,Ballantyne S B.The separation of geochemical anomalies from back-ground by fractal methods[J].Journal of Geochemical Exploration,1994,51:109-130.

[5] 廖桂香,王世稱,許亞明,等.白銀廠礦區及外圍區域地質背景、地球化學異常特征及找礦潛力[J].地質與勘探,2007,43(2):28-32.

[6] 彭秀紅.白銀廠礦田構造-巖漿-成礦動態演化模式[D].成 都:成都理工大學,2007.

[7] 王玉往,姜福芝,王明生,等.甘肅白銀地區北部火山巖帶的地質特征及其含礦性[J].地球化學,1995,24(增刊):55-65.

[8] 任天祥,伍宗華,羌榮生,等.區域化探異常篩選與查證的方法技術[M].北京:地質出版社,1998.

[9] 李長江,麻士華,朱興盛,等.礦產勘查中的分形、混沌與ANN[M].北京:地質出版社,1999.

[10] 陳明,李金春.化探背景與異常識別的問題與對策[J].地質與勘探,1999,35(2):25-29.

[11] 李隨民,姚書振.基于MAPGIS的分形方法確定化探異常[J].地球學報,2005,26(2):187-190.

[12] 申維.分形求和法及其在地球化學數據分組中的應用[J].物探化探計算技術,2007,29(2):134-137.