姚 濤,陳守余,廖阮穎子

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢430074;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院,武漢430074)

0 引言

周蒂[1]認(rèn)為,較合理的異常圈定方法應(yīng)該是:根據(jù)工作區(qū)的地質(zhì)、地球化學(xué)及景觀資料逐點(diǎn)估計(jì)地球化學(xué)背景值,再從觀測數(shù)據(jù)中減去背景值及隨機(jī)誤差而圈定異常。這一認(rèn)識說明,確定地球化學(xué)異常下限是一個很復(fù)雜的過程,對于不同的背景應(yīng)該選擇不同的異常下限。

對于1∶20萬化探掃面數(shù)據(jù),史長義等[2]在對已知的各種化探數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上,吸收了EDA技術(shù)和濾波技術(shù),開發(fā)出子區(qū)中位數(shù)襯值濾波(SAMCF)法。該方法很好地實(shí)現(xiàn)了不同子區(qū)采用不同的異常下限,但是在實(shí)際工作中其計(jì)算和成圖過程都比較繁瑣,并且只有在研究區(qū)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(qū)域,筆者采用了按照不同背景分區(qū)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(zhì)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——?dú)w一化法[3],將原始數(shù)據(jù)經(jīng)歸一化處理后再計(jì)算異常下限。

此外,傳統(tǒng)的地球化學(xué)異常下限計(jì)算方法(均值+K倍的標(biāo)準(zhǔn)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(xué)異常的判別,并且在加拿大取得了成功,在國內(nèi)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(fā)歷史的老礦山,由于計(jì)算機(jī)技術(shù)在最近十幾年才得到普及和發(fā)展,所以前人在找礦過程中很少有機(jī)會或者根本就沒有機(jī)會嘗試現(xiàn)在的一些新技術(shù)、新方法。而傳統(tǒng)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(fā)現(xiàn)大礦的機(jī)會。

為了進(jìn)一步開發(fā)該地區(qū)的礦產(chǎn)資源,筆者嘗試應(yīng)用新技術(shù)、新方法在白銀礦區(qū)及外圍圈定地球化學(xué)異常區(qū)域。本文在分別運(yùn)用傳統(tǒng)方法、歸一化法和分形方法確定白銀礦區(qū)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(xué)下限,對 異常區(qū)進(jìn)行圈定,并將3種方法圈定的結(jié)果進(jìn)行比較分析。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

區(qū)內(nèi)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(nèi)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(gòu)造線方向的斷層相隔。

圖1 白銀礦區(qū)及外圍礦產(chǎn)地質(zhì)略圖(據(jù)甘肅省有色地質(zhì)三隊(duì)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(xù)完整,基性、中基性、中性、酸性火山巖發(fā)育齊全。火山巖的分布受古斷裂的控制[6]。以早古生代海相火山巖最為發(fā)育,其在空間展布上與區(qū)域構(gòu)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(fā)[7],以熔巖為主,火山碎屑巖類相對較少。

白銀礦區(qū)現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)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(guī)模最大。

2 區(qū)域地球化學(xué)特征

白銀廠地區(qū)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(fā)育,植被稀少。白銀礦田處于高 Fe2O3,MnO,Na2O,CaO,低SiO2的環(huán)境中,在該環(huán)境中發(fā)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(qū)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(qū)平均值,中位數(shù)值也都明顯高于全國中位數(shù)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(shù)值則遠(yuǎn)低于全國中位數(shù)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(xué)異常下限的確定

3.1 傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

長期以來,人們主要使用經(jīng)典的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,以樣品數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布為假設(shè)前提,通過計(jì)算數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)(如均值、中位數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)離差等)對異常進(jìn)行篩選和評價[9]。通常認(rèn)為常量元素接近正態(tài)分布,而微量元素則接近于對數(shù)正態(tài)分布,但是在實(shí)際工作當(dāng)中沒有完全理想的數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布。因此需要我們對原始數(shù)據(jù)做一定的處理,使其滿足正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布而又不失原 始數(shù)據(jù)的真實(shí)性。若原始數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布,則直接用均值+2倍的標(biāo)準(zhǔn)離差得到異常下限;若原始數(shù)據(jù)不滿足正態(tài)分布,則按照地球化學(xué)普查規(guī)范(DZ/T0011-91)的要求計(jì)算地球化學(xué)異常下限值:

(1)將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為對數(shù)值,反復(fù)用(±2.5S)進(jìn)行特高值和特低值剔除,直到其滿足對數(shù)正態(tài)分布,將剩余數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

其中,xi為剔除特高值和特低值后剩余的數(shù)據(jù)值;n為剩余數(shù)據(jù)的個數(shù);C0為背景的對數(shù);S為取對數(shù)后數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)離差;CA異常下限的對數(shù)。

2孕媽媽冬季少扎堆 冬季孕媽媽要盡量避免去人群眾多的公共場所，減少被傳染的幾率。孕媽媽如果想去看場電影、逛超市，要盡量戴上口罩。

按傳統(tǒng)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(qū)域,該地區(qū)為白銀廠礦田所在區(qū)域。由于礦區(qū)高異常的壓制作用,使得在其他地區(qū)幾乎沒有異常出現(xiàn)。

圖2 白銀礦區(qū)及外圍Ag,Cu,Pb,Zn元素異常圖(傳統(tǒng)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(jié)正確劃分化探背景與異常的方法時認(rèn)為,在進(jìn)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(qū)的樣品數(shù)據(jù)是分4個區(qū)采集的,并且在該區(qū)有不同的地質(zhì)背景,所以,筆者嘗試用歸一化法來處理原始數(shù)據(jù)。

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

計(jì)算公式為:

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

3.3 分形方法

Cheng Q M等認(rèn)識到傳統(tǒng)的確定地球化學(xué)異常方法存在局限性,并從分形的觀點(diǎn)(地球化學(xué)背景和異常的形成是兩個獨(dú)立的過程)認(rèn)為地球化學(xué)背景值和異常值具有各自獨(dú)立的冪 指數(shù)關(guān)系,由此導(dǎo)致了一種多重分形分布。在此基礎(chǔ)上,Cheng Q M等提出了確定地球化學(xué)異常的分形模型,含量-面積模型。

圖3 白銀礦區(qū)及外圍Ag,Cu,Pb,Zn元素異常圖(歸一化數(shù)據(jù)后常規(guī)方法計(jì)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(yùn)用分形確定地球化學(xué)異常的第一次嘗試[9]。筆者分別運(yùn)用Cheng Q M等開發(fā)的Geodas軟件和武漢中地信息有限公司開發(fā)的Mapgis軟件嘗試了用含量-面積模式來確定地球化學(xué)下限[11],但效果都不是很理想,出現(xiàn)了李長江等在《礦產(chǎn)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(shù)據(jù)歸一化消除系統(tǒng)誤差之后,再運(yùn)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(shù),D＞0為一般分維數(shù);N(r)=N(≥r)為尺度大于等于r的和數(shù)。

設(shè)地球化學(xué)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(jì)量,即為分維數(shù);其散點(diǎn)大致分布在兩段直線上,應(yīng)采用分段擬合。為了提高界限點(diǎn)確定的客觀性,在兩個區(qū)間用最小二乘法進(jìn)行回歸時采用最優(yōu)化方法確定界限點(diǎn)。其基本思想是,找出合適的界限點(diǎn)ri0,使各區(qū)間擬合的直線與原始數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的剩余平方和Ei(i=1,2)在兩個區(qū)間的總和E=E1+E2為最小。其中ri0是界限點(diǎn),D1和D2分別為相應(yīng)區(qū)間的斜率即分維數(shù),

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

4 結(jié)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(qū)域,由于高值異常的壓制作用,在礦田以外的地區(qū)幾乎沒有異常出現(xiàn);圖3中的異常范圍比圖2大,在老鉛硐地區(qū)出現(xiàn)了異常,這與實(shí)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(qū),特別是在石青硐附近地區(qū)也出現(xiàn)了Cu,Pb異常。

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

(2)運(yùn)用傳統(tǒng)方法計(jì)算異常下限且原始數(shù)據(jù)未經(jīng)歸一化處理時,圈出的異常范圍過小,可能是因?yàn)榉謪^(qū)采樣時造成的系統(tǒng)誤差沒有校正,不同地質(zhì)單元采用了統(tǒng)一的下限值(高背景區(qū)的下限值)。歸一化法剛好可以解決這個問題,使數(shù)據(jù)的可信度更高。但是對于歸一化處理之后的數(shù)據(jù)用傳統(tǒng)的(均值+K倍的標(biāo)準(zhǔn)離差)方法計(jì)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(qū)附近沒有出現(xiàn)任何異常;如果取K=1的話,則可以在該地區(qū)見到異常。當(dāng)我們沒有發(fā)現(xiàn)石青硐礦田時,我們的K值該怎么取呢?分形方法計(jì)算異常下限則可以很好地解決這個問題,因?yàn)榘凑辗中蔚挠^點(diǎn),地球化學(xué)背景和異常的形成是兩個獨(dú)立的過程,它們分別滿足不同的冪指數(shù)分布,計(jì)算出來的結(jié)果更客觀。

(3)分形方法計(jì)算異常下限雖然可以克服傳統(tǒng)方法(均值+K倍的標(biāo)準(zhǔn)離差)在K值選擇上受主觀因素影響的弱點(diǎn),圈定的異常更客觀、更全面。但是,在實(shí)際工作中,對于分形模型的選擇要經(jīng)過不停的嘗試才能得到比較理想的結(jié)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(yùn)用分形方法計(jì)算異常下限對人員素質(zhì)的要求比較高。

(4)分形方法計(jì)算異常下限得到的結(jié)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(qū)的一半。因此,筆者認(rèn)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(shí)際化探工作中,對于地質(zhì)背景比較復(fù)雜的地區(qū),為了能夠得到比較理想的結(jié)果,化探工作者必須考慮不同的地質(zhì)單元的影響,并且采用比較合適的方法消除這種影響;在計(jì)算異常下限時要求根據(jù)實(shí)際情況采用合適的方法或多種方法相結(jié)合;圈定異常時,根據(jù)多種不同方法圈定的異常,綜合分析應(yīng)用,圈定成礦有利靶區(qū)。

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