王佳營，劉行*，薛生升，張曉軍，張祺，李光耀，謝瑜

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170；2.中國地質(zhì)調(diào)查局鈾礦地質(zhì)重點實驗室，天津 300170；3.山西省地球物理化學勘查院，山西運城 044000；4.中國地質(zhì)大學資源學院，武漢 430074）

內(nèi)蒙古達來廟地區(qū)是內(nèi)蒙古新發(fā)現(xiàn)的一條重要鉬礦帶[1]，包括烏蘭德勒鉬銅多金屬礦床（大型）、烏花敖包鉬礦床（大型）、達來敖包鉬多金屬礦床（中型）、烏日尼圖鎢鉬礦床（中型）、準蘇吉花鉬礦床（小型）等一系列鉬多金屬礦床（點）[2-6]。該地區(qū)具有優(yōu)越的成礦地質(zhì)條件[1]，但地形平坦，第三系、第四系覆蓋嚴重，巖石出露較差，給該地區(qū)開展礦產(chǎn)預測工作帶來極大困難，用于開展礦產(chǎn)預測的成礦信息具有弱緩、復合疊加、缺失和不完整的特點[7]。

以往進行的覆蓋區(qū)找礦工作多為隱伏礦體的定位預測[8-11]，但是對于大范圍覆蓋的區(qū)域性資源潛力預測卻沒有行之有效的方法。前人多利用遙感方法解譯區(qū)域蝕變和成礦專屬地質(zhì)體的方法對遙感數(shù)據(jù)進行綜合處理，再利用比值-主成分分析方法提取覆蓋區(qū)部分礦化蝕變信息[12]，以上方法多存在預測效果不佳，方法單一，只對特定地質(zhì)構(gòu)造專屬下特定礦床有效等弊端而無法大范圍推廣。

隨著非線性理論在礦產(chǎn)資源預測工作中的廣泛應用，成秋明[13，14]率先建立了較為完善的基于Geo-DAS GIS平臺的找礦信息提取和成礦預測方法，采用多重分形局部奇異性理論定量度量礦致異常的空間形態(tài)及結(jié)構(gòu)特征，從而有效地識別和提取隱蔽、微弱、低緩的深部礦致異常，采用多重分形濾波技術(shù)有效地分離疊加異常。并將該技術(shù)應用于新疆天山沙漠覆蓋區(qū)、內(nèi)蒙古大興安嶺草原覆蓋區(qū)、福建武夷山植被和火山巖覆蓋區(qū)的礦產(chǎn)預測中，顯示了較好的前景[15-21]。

奇異性是指在很小的時間-空間范圍內(nèi)具有巨大能量釋放或巨量物質(zhì)形成的現(xiàn)象[22]。成礦作用可以認為是一種特殊的地質(zhì)事件，它通常引起成礦物質(zhì)的巨量堆積和元素高度富集，因而造成成礦元素的奇異性分布。奇異性分析方法從一個新的角度刻劃場的分布特征，是一種全新的數(shù)據(jù)處理和信息獲取方法。應用局部奇異性分析方法可突出局部異常，避免由于背景場值高低對異常圈定的影響。廣義自相似性是指內(nèi)在的一致性和外在的多樣性[23]。“廣義自相似”、“相似”、“廣義相似”是非線性理論領(lǐng)域過去十幾年來的重要發(fā)展之一，也是目前該領(lǐng)域中的研究熱點之一。Cheng et al.（1999）提出了傅立葉頻率空間中度量異向性的空間-頻率綜合方法（SA模型）[24]，該方法已被廣泛用于地球化學和地球物理異常的分解和識別。該模型不僅可以度量時-空復雜模式的廣義自相似性，而且可以形成基于不同廣義自相似性的頻率濾波器，利用這些頻率濾波器可以將空間模式進行分解以達到對異常和背景模式的分離目的[25]。

由于本次研究內(nèi)容較多，限于論文篇幅，筆者已經(jīng)將達來廟地區(qū)綜合信息集成和礦產(chǎn)預測內(nèi)容另文發(fā)表[7]，本篇主要介紹利用奇異性理論和廣義自相似理論開展成礦信息的提取和復合信息的分解等內(nèi)容。這些研究可以直接應用于達來廟地區(qū)草原覆蓋區(qū)鉬多金屬礦產(chǎn)預測。

1 研究區(qū)概況

達來廟地區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中東部，行政區(qū)劃隸屬內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟蘇尼特左旗和阿巴嘎旗管轄，北部與蒙古國接壤。研究區(qū)大地構(gòu)造位置位于西伯利亞板塊與華北板塊之間的晚古生代增生帶，屬古亞洲成礦域、額濟納旗-興安嶺成礦區(qū)、二連-東烏旗晚古生代-中生代成礦帶，中生代受濱太平洋構(gòu)造域疊加[26]，是重要的鉬多金屬成礦區(qū)。研究區(qū)斷裂活動強烈，以北東向、北東東向斷裂為主，北西向次之。巖漿侵入活動以華力西期和燕山期為主，華力西期巖性主要為二長花崗巖、花崗閃長巖、堿性花崗巖等酸性侵入巖[27-29]；燕山期巖體主要為二長花崗巖、正長花崗巖、花崗斑巖等。出露的地層有奧陶系烏賓敖包組、泥盆系泥鰍河組、石炭-二疊系寶力高廟組、二疊系大石寨組、哲斯組、林西組、上侏羅統(tǒng)、第三系、第四系等。研究區(qū)地形平坦，第三系第四系覆蓋嚴重（圖1），占研究區(qū)總面積的58.44%。

2 GIS 數(shù)據(jù)和工作方法

2.1 GIS數(shù)據(jù)集

本次研究工作中涉及的主要數(shù)據(jù)有：（1）地質(zhì)圖數(shù)據(jù)，主要包括地層、侵入巖、巖脈、斷裂、礦點等圖層，比例尺1/20萬。（2）化探數(shù)據(jù)，包括研究區(qū)的化探數(shù)據(jù)分析點共4 921個，數(shù)據(jù)點間距1～2.5 km不等，分析元素種類為全巖分析，包括Ag、As、Au、B、Ba、Be、Bi、Cd、Co、Cr、Cu、F、Hg、La、Li、Mn、Mo、Nb、Ni、P、Pb、Sb、Sn、Sr、Th、Ti、U、V、W、Y、Zn、Zr、Al2O3、CaO、Fe2O3、K2O、MgO、Na2O、SiO2，共39種。（3）地球物理數(shù)據(jù)，1/50萬重力數(shù)據(jù)點共3 549個；1/50萬航磁數(shù)據(jù)點共984個。

2.2 信息處理方法與目的

筆者通過對典型礦床特征、控礦要素、地球化學、地球物理等找礦信息的詳細分析，建立了研究區(qū)鉬多金屬礦產(chǎn)成礦預測的綜合信息找礦模型和研究思路流程（圖2）[7]。通過分析，認為該地區(qū)巖體地層接觸帶是有利的找礦空間，因此本次研究的重點主要是對隱伏巖體和地層的解譯及化探弱緩異常的提取，為下一步基于模糊證據(jù)權(quán)方法的礦產(chǎn)預測提供服務。

圖2 內(nèi)蒙古達來廟地區(qū)綜合預測流程圖Fig.2 Flowchart of mineral prediction for Dalaimiao area,Inner Mongolia

隱伏巖體和地層的解譯方法：（1）對地球物理（重磁）異常采用奇異性分析S-A分解方法進行初處理，突出局部異常，大大改善與已知巖體的吻合度；（2）采用主成分方法結(jié)合地球物理和地球化學異常圈定巖體的空間分布范圍；（3）用主成分方法結(jié)合地球物理和地球化學異常圈定地層的空間分布范圍；（4）根據(jù)解譯的巖體和地層分布范圍圖，結(jié)合地質(zhì)圖各地質(zhì)體的延伸展布趨勢及覆蓋層已有鉆孔資料，實現(xiàn)覆蓋層的揭蓋。

地球化學異常的分析與圈定方法：（1）采用主成分分析方法繪制組合異常圖；（2）對組合異常進行局部異常和弱緩異常提取。

3 數(shù)據(jù)預處理與空間信息提取

3.1 隱伏巖體的推斷

研究區(qū)第三系第四系覆蓋嚴重，出露的基巖有限，而巖漿巖對成礦起著至關(guān)重要的作用，選取適當?shù)姆椒ㄍ茢嘟庾g第三系第四系覆蓋下的巖體是下一步成礦預測的關(guān)鍵。本區(qū)侵入巖體主要為花崗巖、閃長巖等中酸性巖體，其地球化學特征、地球物理特征與圍巖地層有著明顯的差別。因此，本次研究選取了能夠代表中酸性巖體主要組成成分的地球化學元素以及地球物理數(shù)據(jù)，運用主成分分析方法，知識驅(qū)動加數(shù)據(jù)驅(qū)動相結(jié)合，選取代表中酸性巖體的主成分，并結(jié)合地質(zhì)事實，綜合全面的解譯隱伏巖體。

重力、航磁的原始測量數(shù)據(jù)受地形、覆蓋等多種因素影響，與已知出露巖體吻合程度不是很好，分別對其進行了預處理。對重力數(shù)據(jù)進行了奇異性分析，通過奇異性分析，突出了局部異常，大大改善了其與已知巖體的吻合度；對航磁數(shù)據(jù)做了S-A處理，很好的分解了疊加異常的干擾，改善了數(shù)據(jù)質(zhì)量（圖3、4）。

圖4 內(nèi)蒙古達來廟地區(qū)航磁數(shù)據(jù)經(jīng)S-A分解后與巖體分布關(guān)系圖Fig.4 Relationship between aeromagnetic data after S-A decomposition and rock mass distribution in Dalaimiao area,Inner Mongolia

根據(jù)巖體之間的地球化學及地球物理特征的差異性，將研究區(qū)分成西北區(qū)、東南區(qū)兩大區(qū)分開進行處理（圖5）。

圖5 內(nèi)蒙古達來廟地區(qū)侵入巖解譯分區(qū)圖Fig.5 Intrusive rock interpretationzoning map of Dalaimiao area,Inner Mongolia

西北區(qū)選取了能夠代表中酸性巖主要成分的一些主量元素以及與已知出露巖體吻合較好的微量元素組合，主要有K2O、Na2O、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、Mn、V、P，共9種元素。為了避免單獨地球化學方法的局限性，又選取了經(jīng)奇異性分析的重力數(shù)據(jù)和S-A分解的航磁數(shù)據(jù)。在GeoDAS軟件中分別對以上9種地球化學元素做多重分形反距離插值（MIDW），得到9個元素的柵格數(shù)據(jù)圖，對得到的9張地球化學柵格圖、重力奇異圖和S-A分解航磁圖進行主成分分析，選擇總累計方差比率70%，得到PCA1、PCA2、PCA3 三個主成分，分別得到三個主成分的得分圖（圖6、7、8）。

圖6 內(nèi)蒙古達來廟地區(qū)西北區(qū)PCA1主成分得分圖Fig.6 PCA1 principal component score map of northwest region in Dalaimiao area,Inner Mongolia

圖7 內(nèi)蒙古達來廟地區(qū)西北區(qū)PCA2主成分得分圖Fig.7 PCA2 principal component scoremap of northwest region in Dalaimiao area,Inner Mongolia

圖8 內(nèi)蒙古達來廟地區(qū)西北區(qū)PCA3主成分得分圖Fig.8 PCA3 principal component score map of northwest region in Dalaimiao area,Inner Mongolia

其中，PCA1主成分表現(xiàn)為正的重力，負的K2O、Na2O、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、Mn、V、P、航磁，在主成分得分圖上，其正異常區(qū)域與出露的地層吻合較好，代表了本區(qū)的地層。PCA2主成分表現(xiàn)為正的重力、K2O、Fe2O3、MgO、CaO、Mn、V、P，負的Na2O、Al2O3和航磁，其主成分得分的負異常與本區(qū)出露的侵入巖吻合較好，代表了本區(qū)的侵入巖。PCA3主成分表現(xiàn)為正的重力和航磁，其他變量在該主成分中貢獻較小，從其主成分得分圖來看，和本區(qū)第三系第四系的分布位置較吻合，局部吻合程度不好。

東南區(qū)選取了能夠代表中酸性巖主要成分的一些主量元素以及與已知出露巖體吻合較好的微量元素組合，主要有K2O、Na2O、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、U共7種元素，又選取了經(jīng)奇異性分析的重力數(shù)據(jù)和S-A分解的航磁數(shù)據(jù)。對以上7種地球化學元素和地球物理的柵格數(shù)據(jù)進行主成分分析，選擇總累計方差比率70%，得到PCA1、PCA2、PCA3、PCA4四個主成分，選擇了能夠代表中酸性巖體的PCA3主成分。將西北區(qū)與東南區(qū)解譯結(jié)果拼接成圖如圖9。

圖9 內(nèi)蒙古達來廟地區(qū)巖體推斷圖Fig.9 Rock mass inference map of Dalaimiao area,Inner Mongolia

3.2 隱伏地層推斷

隱伏地層的推斷同巖體的解譯相似，都是利用地球化學與地球物理特征之間的差異性對地質(zhì)體進行區(qū)分的，但是地層不同于巖體，因巖性不同，其地球化學和地球物理特征有一定的差異，推斷結(jié)果有一定的參考價值，在判斷邊界位置時，以巖體解譯結(jié)果為主要依據(jù)，輔以地層解譯結(jié)果進行印證。

推斷地層時同樣將研究區(qū)分為西北區(qū)和東南區(qū)，其中，西北區(qū)在進行巖體推斷時，選取了K2O、Na2O、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、Mn、V、P共9種元素以及重力奇異性柵格圖、航磁S-A柵格圖進行主成分分析，其中得到的PCA1主成分即代表了本區(qū)的地層推斷結(jié)果（圖6）。

對于東南區(qū)，出露地層主要有上石炭統(tǒng)-下二疊統(tǒng)寶力高廟組火山巖地層和上侏羅統(tǒng)火山巖地層，其地球化學性質(zhì)和地球物理性質(zhì)與侵入巖較為相似，對地層推斷造成較大的不確定性。在選取地球化學元素組合的時候主要選取了中酸性火山巖與中酸性侵入巖差異較大的元素，選取了SiO2、Na2O、Al2O3、Fe2O3、MgO 共5 種地球化學元素以及重力奇異性柵格數(shù)據(jù)。對這6 個變量做主成分分析，得到PCA1、PCA2兩個主成分，其中PCA1表現(xiàn)為負的重力、SiO2貢獻，正的Na2O、Al2O3、Fe2O3、MgO貢獻，該主成分能夠代表東南區(qū)的地層。綜合西北區(qū)和東南區(qū)對地層的推斷結(jié)果，得到圖10。

圖10 內(nèi)蒙古達來廟地區(qū)地層推斷圖Fig.10 Stratigraphic inference map of Dalaimiao area,Inner Mongolia

3.3 覆蓋層揭蓋

前面已經(jīng)分別對隱伏巖體和隱伏地層做了推斷解譯，綜合這兩個解譯結(jié)果，結(jié)合1/20萬地質(zhì)圖上所填地質(zhì)體的延伸展布趨勢以及已知覆蓋層鉆孔數(shù)據(jù)，嘗試去掉第三系第四系的覆蓋層，實現(xiàn)覆蓋層的揭蓋（圖11）。

圖11 內(nèi)蒙古達來廟地區(qū)覆蓋層揭蓋前后對比圖Fig.11 Comparison before and after cover removal in Dalaimiao area,Inner Mongolia

針對研究區(qū)不同的解譯效果分別采取不同的處理方法：

研究區(qū)西北部，與蒙古國交界處，該區(qū)域巖體推斷和地層推斷效果均較好，分別提取巖體和地層推斷的外輪廓線，結(jié)合地質(zhì)情況，該區(qū)域零星出露了泥鰍河組和瑪尼吐組地層，且地層推斷外輪廓線范圍遠大于已出露的地層，包括了一部分第三系覆蓋區(qū)域，應該適當放大地層的范圍。但是在巖體推斷圖和地層推斷圖上均為藍色的低值區(qū)域，由于覆蓋程度太大，尚不能推斷其下部隱伏情況，則根據(jù)其南側(cè)的鉆孔資料，22.42 m處巖性變?yōu)榇竽ス蘸咏M，而且該區(qū)域也有零星出露的該地層，因此推斷藍色調(diào)的低值區(qū)域下部為大磨拐河組地層。

研究區(qū)中北部，該區(qū)域?qū)σ阎獛r體和已知地層的推斷效果較好，推斷范圍均大于實際出露范圍，且?guī)r體推斷范圍與地層推斷范圍大致互補，根據(jù)二者的推斷范圍大致畫出巖體與地層可能的接觸界限，這樣便有效地揭掉了第四系的覆蓋層。

研究區(qū)東南部白音烏拉蘇木附近，出露的地質(zhì)體主要為晚石炭世寶力高廟組陸相中酸性火山巖地層以及燕山期花崗巖體，花崗巖呈條帶狀穿插切割了寶力高廟組地層，受新生代河流切割嚴重，第四系洪沖積物沿溝谷覆蓋。由于中酸性火山巖與花崗巖的地球化學、地球物理性質(zhì)相似，對巖體、地層的推斷效果均不好，對于這種情況，在進行覆蓋層揭蓋時，主要依據(jù)已知地質(zhì)體的延伸展布趨勢，連接第四系覆蓋兩側(cè)的相同地質(zhì)體，適當?shù)难娱L第四系截斷的長軸狀地質(zhì)體，即可有效地實現(xiàn)覆蓋層的揭蓋。

3.4 地球化學數(shù)據(jù)處理與弱緩異常提取

通過對主要成礦元素進行主成分分析，得到了用于本區(qū)尋找鉬多金屬礦床的兩個成礦元素組合，一個是Ag-As-Bi-Cd-Cu-Hg-Mo-Pb-Sb-W-Zn 組合（PCA1主成分），用以尋找鉬鎢銅鉛鋅多金屬礦產(chǎn)，一個是W-Mo-Bi-Pb組合（PCA3主成分），用以尋找單純鉬鎢等高溫元素成礦的礦產(chǎn)。分別得到以上兩個組合的組合異常（主成分得分圖），如圖12、圖13。

圖12 內(nèi)蒙古達來廟地區(qū)化探PCA1主成分得分圖Fig.12 PCA1 principal component score of geochemistry in Dalaimiao area,Inner Mongolia

圖13 內(nèi)蒙古達來廟地區(qū)化探PCA3主成分得分圖Fig.13 PCA3 principal component score of geochemistry in Dalaimiao area,Inner Mongolia

從這兩張圖中可以看出，異?；径挤植荚诨鶐r出露區(qū)，而在第三系第四系覆蓋區(qū)基本無異?；騼H顯示較弱的異常，異常信息受到了明顯的抑制和屏蔽，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的礦床點無一例外的全部分布于基巖當中，而在覆蓋層下找礦潛力巨大，所以能夠合理的識別和加強覆蓋區(qū)的弱緩異常對研究區(qū)找礦尤為重要。

利用局部奇異性原理和奇異性指數(shù)可以很好的識別和提取因覆蓋而造成的弱小、隱蔽找礦信息。研究區(qū)覆蓋區(qū)域的地球化學元素含量整體偏低，達不到異常級別，但是其地球化學空間分布是完整的，依舊是滿足面積-密度的冪率分布關(guān)系的，因此，利用局部奇異性原理，獲得其奇異性指數(shù)分布圖，可以有效地提取覆蓋區(qū)域的弱緩異常。分別對上面兩個組合異常圖進行奇異性分析（圖14、15）。

圖14 內(nèi)蒙古達來廟地區(qū)化探PCA1奇異性異常圖Fig.14 PCA1 singular anomaly map of geochemistry in Dalaimiao area,Inner Mongolia

圖15 內(nèi)蒙古達來廟地區(qū)化探PCA3奇異性異常圖Fig.15 PCA3 singular anomaly map of geochemistry in Dalaimiao area,Inner Mongolia

通過對原組合異常做奇異性分析處理，得到了新的奇異性指數(shù)圖，在這兩張圖上可以看出，原來無異常的覆蓋區(qū)域識別出了諸多個異常，原來的高異常點被保留，原來的面狀異常被拆解成若干個點狀異常，而且這些異常與已知礦點吻合的很好。對比奇異性異常圖與傳統(tǒng)方法圈定的異常圖，兩種方法圈定的高異常點吻合很好，但是傳統(tǒng)方法受第四系覆蓋影響，其異常信息受到了屏蔽和抑制，異常個數(shù)遠遠少于奇異性圖。

在PCA3主成分奇異性圖上，單個異常的形態(tài)多呈等軸狀孤立存在，個別異常呈NW向或NE向橢圓狀；多個異常多沿NE向呈等距性串珠狀分布，明顯受到NE向大斷裂的控制（圖16）；異常多分布在巖體與地層的接觸帶上，這一點與現(xiàn)有礦床點的分布特征是一致的。

圖16 內(nèi)蒙古達來廟地區(qū)化探PCA3奇異性異常圖與斷裂的關(guān)系圖Fig.16 The relationship between PCA3 singularity anomaly map and fault in Dalaimiao area,Inner Mongolia

4 結(jié)論

運用奇異性理論，對航磁和重力數(shù)據(jù)進行處理，突出了局部異常，分解了疊加異常的干擾，大大改善了與已知巖體的吻合度。

為了減少覆蓋層對礦產(chǎn)預測工作的影響，利用奇異性處理后的地球物理數(shù)據(jù)、地球化學數(shù)據(jù)進行空間主成分分析，分別對隱伏巖體和隱伏地層進行推斷解譯，初步實現(xiàn)了覆蓋層的揭蓋，使得巖體、地層接觸帶的提取更加充分和完整。

對研究區(qū)Ag、As、Au、Bi、Cd、Cu、Hg、Mo、Pb、Sb、Sn、W、Zn 共13 種主要成礦元素進行主成分分析，得到了利于本區(qū)鉬多金屬找礦的兩個主成分PCA1和PCA3，對得到的兩個主成分進行奇異性分析，很好的實現(xiàn)了對覆蓋區(qū)弱緩異常的提取，為下一步開展礦產(chǎn)預測提供了重要依據(jù)。