張 焱, 周永章, 王正海, 黃 銳, 呂文超, 王林峰,梁 錦, 曾長(zhǎng)育

1)中山大學(xué)地球科學(xué)系, 廣東廣州 510275;

2)廣東省地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源探查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東廣州 510275;

3)武漢地質(zhì)工程勘察院, 湖北武漢 430051

廣東龐西垌地區(qū)地球化學(xué)組合異常識(shí)別與提取

張 焱1,2), 周永章1,2), 王正海1,2), 黃 銳3), 呂文超1,2), 王林峰1,2),梁 錦1,2), 曾長(zhǎng)育1,2)

1)中山大學(xué)地球科學(xué)系, 廣東廣州 510275;

2)廣東省地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源探查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東廣州 510275;

3)武漢地質(zhì)工程勘察院, 湖北武漢 430051

為了解地球化學(xué)元素空間組合分布規(guī)律, 采用因子泛克里格法構(gòu)建組合模型用于識(shí)別組合地球化學(xué)異常, 使用分形濾波技術(shù)強(qiáng)化弱異常并分離異常與背景。將組合異常模型和分形濾波技術(shù)用于欽杭結(jié)合帶南段龐西垌地區(qū)1:5萬(wàn)水系沉積物地球化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析, 目的在于尋求地球化學(xué)致礦異常, 尋找未知礦床。研究結(jié)果表明, 根據(jù)組合變量提取出的組合異常與研究區(qū)已知礦化地段重合性較高, 盡管組合異常不足以體現(xiàn)局部異常但高異常區(qū)可為探尋未知礦床指明方向, 且在此基礎(chǔ)上采用分形濾波技術(shù)分離出的異常與背景能夠?yàn)橄乱徊降目碧教峁┲笇?dǎo)作用。

地球化學(xué)組合異常; 因子泛克里格; 分形濾波技術(shù); 龐西垌; 水系沉積物

由于地球化學(xué)元素?cái)y帶了某種礦化信息, 研究地球化學(xué)元素的空間分布特征可直接或間接地揭示礦化溯源問(wèn)題。隨著勘查地球化學(xué)的深入發(fā)展, 有關(guān)地球化學(xué)異常評(píng)價(jià)已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)(王學(xué)求, 2003; 王瑞廷等, 2005; 謝學(xué)錦等, 2009; 王學(xué)求等, 2011)。地球化學(xué)元素異常分析是找礦的重要工作, 其目的就是發(fā)現(xiàn)異常并對(duì)其進(jìn)行篩選評(píng)價(jià), 并由此發(fā)現(xiàn)礦體, 實(shí)現(xiàn)找礦突破(王崇云, 1987; 馬生明等, 2011)。而確定地球化學(xué)異常與背景的分界點(diǎn)至關(guān)重要, 傳統(tǒng)的方法有均值加兩倍方差(Galuszka, 2007), 單變量分析和多變量分析等, 考慮到空間的結(jié)構(gòu)性, 隨后又出現(xiàn)了克里金方法、傅里葉變換、小波技術(shù)等方法用于消除噪聲突出異常(鮑征宇等, 1999; 李方林等, 1999; 周在明等, 2011)。自從分形概念出現(xiàn)之后(Mandelbrot, 1975), 越來(lái)越多基于分形、多重分形模型的技術(shù)被用來(lái)描述空間異常(李隨民等, 2005; Cheng et al., 2009; 張建, 2009; 徐明鉆等, 2010; 張焱等, 2011), 分形濾波技術(shù)就是其中之一(Xu et al., 2001; Cheng, 2007)。

文中使用組合異常模型對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了組合異常分析, 在此基礎(chǔ)上基于分形濾波原理分離出異常與背景, 實(shí)現(xiàn)成礦遠(yuǎn)景區(qū)預(yù)測(cè)。

1 組合異常模型及分形濾波技術(shù)

1.1 組合異常模型

面對(duì)海量的地球化學(xué)數(shù)據(jù), 逐個(gè)元素分析可能費(fèi)事費(fèi)力, 通過(guò)元素組合的辦法, 使之最大限度地保留元素的相關(guān)信息, 且通過(guò)元素組合可以彌補(bǔ)數(shù)據(jù)缺失情況, 組合模型由此產(chǎn)生。由于組合元素具有自相關(guān)性和空間相關(guān)性, 采用一定的數(shù)學(xué)模型可識(shí)別異常, 對(duì)于地球化學(xué)找礦工作起到了指示性作用。文中選取因子泛克里格模型進(jìn)行組合異常識(shí)別(李春華, 2010)。

將研究區(qū)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)采用因子分析構(gòu)造出主成分, 也即公因子, 原始數(shù)據(jù)信息可用得出的公因子解釋, 公因子最大化地保留了原始信息。然后選用泛克里格法得出異常, 它是采用具有漂移的區(qū)域化變量 Z(x)=m(x)+R(x)得出, 假設(shè) Z(x)只存在變差函數(shù), 對(duì) m(x)的估計(jì)可在相差一常數(shù)的條件下進(jìn)行,則其增量具有非平穩(wěn)一階矩與二階矩, 在最優(yōu)條件和無(wú)偏條件下可求出R(x)即異常。

1.2 分形濾波技術(shù)

分形濾波技術(shù)是空間分析和頻譜分析的集成,主要是利用頻域中明顯的廣義自相似性, 根據(jù)場(chǎng)的能譜分布的不同, 采用濾波的方法選取頻率信息重新恢復(fù)空間模式將異常從背景中分離出來(lái)(Cheng, 1999)。能譜密度S與能譜密度大于S的波數(shù)集合的面積A之間的關(guān)系為:

上式取對(duì)數(shù)并用最小二乘法對(duì) lgA-lgS進(jìn)行分段擬合可求出對(duì)應(yīng)于不同能譜密度范圍的冪指數(shù) β, 根據(jù)能譜密度設(shè)計(jì)濾波器濾波, 從而達(dá)到對(duì)場(chǎng)分離的目的(成秋明, 2001; 文戰(zhàn)久等, 2007; Ali et al., 2007)。

2 實(shí)例分析

為通過(guò)揭示元素富集規(guī)律來(lái)幫助圈定未發(fā)現(xiàn)的尤其是隱伏礦床的分布位置, 以欽杭結(jié)合帶南段龐西垌地區(qū) 1:5萬(wàn)地球化學(xué)數(shù)據(jù)為例, 選取龐西垌地區(qū)水系沉積物7236個(gè)樣品進(jìn)行試驗(yàn)分析, 包含Au、B、Sn、Cu、Ag、Ba、Mn、Pb、Zn、As、Sb、Bi、Hg、Mo、W和F 16種元素。

圖1 欽杭結(jié)合帶及其鄰區(qū)大地構(gòu)造分區(qū)略圖(據(jù)楊明桂等, 1997)Fig.1 Tectonic zoning sketch map of Qinzhou-Hangzhou juncture zone and its adjacent areas(after YANG Ming-gui et al., 1997)

2.1 地質(zhì)背景

欽杭成礦帶位于楊子板塊與華夏古板塊的結(jié)合帶(圖 1), 南西起自廣西欽州灣, 經(jīng)湘東和贛中, 北東至浙江杭州灣, 全長(zhǎng)2000 km, 寬70～130 km, 總體呈反 S狀弧型分布。欽杭結(jié)合帶構(gòu)成了華夏構(gòu)造體系域的中軸, 是華南構(gòu)造活動(dòng)的重要策源地和最強(qiáng)烈、最復(fù)雜的一條構(gòu)造帶, 也是一條顯著的巖石圈不連續(xù)帶(楊明桂等, 1997)。板塊運(yùn)動(dòng)總體以揚(yáng)子古陸核為中心向外擴(kuò)展, 大洋俯沖、大陸側(cè)向增生的高峰期在約 1000 Ma, 表現(xiàn)為島弧式俯沖, 在揚(yáng)子陸塊東南緣形成江南中元古代褶皺造山帶。以往地質(zhì)工作表明, 欽杭帶資源潛力很大, 湘、桂、粵地區(qū)都有重大發(fā)現(xiàn), 都取得了預(yù)期的成果, 但欽杭成礦帶南段的研究工作還不夠深入。需進(jìn)一步加強(qiáng)成礦帶南段的整體研究, 開展精細(xì)的礦調(diào)工作, 加大中深部找礦勘查力度(楊明桂等, 2009)。

表1 相關(guān)系數(shù)矩陣Table 1 Correlation coefficient matrix

表2 方差極大正交旋轉(zhuǎn)因子解Table 2 Varimax orthogonal rotation factor solution

文中研究區(qū)屬粵西云開隆起區(qū)的南緣, 北東向信宜-廉江斷褶帶南段, 為晚古生代以來(lái)的長(zhǎng)期隆起區(qū)。北東向信宜-廉江斷裂帶貫通全區(qū), 控制了調(diào)查區(qū)主體構(gòu)造格局。根據(jù)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、沉積建造、巖漿活動(dòng)及變質(zhì)作用可劃分為晉寧期、加里東、華力西-印支期、燕山、喜馬拉雅五個(gè)構(gòu)造階段。礦產(chǎn)主要分布在西北部和東南部, 沿龐西洞斷裂帶和古城-沙鏟斷裂帶, 呈北東向展布。研究區(qū)礦產(chǎn)較豐富, 礦種繁多, 比較突出的有: 黑色金屬——鐵; 有色金屬——鉛、鋅、銅、鎢、鉬、錫; 貴金屬——金、銀, 已勘探查明或正在開采利用的礦產(chǎn)有金礦、銀礦、鐵礦、鉛鋅礦、鎢鉬礦等。

2.2 組合異常識(shí)別

圖2 元素組合地球化學(xué)異常(A)-F1, (B)-F2, (C)-F3, (D)-F4, (E)-F5Fig.2 Element composite geochemical anomalies

本文采用因子泛克里格模型對(duì)龐西垌地區(qū)進(jìn)行地球化學(xué)異常識(shí)別分析, 首先需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)變換使之服從正態(tài)或近似正態(tài)分布, 并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理, 使之變成無(wú)量綱的具有統(tǒng)一尺度的數(shù)據(jù)。同時(shí)需要檢驗(yàn)該研究區(qū)變量是否適合做因子分析, 檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是: 1)KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)越接近1(意味著變量間的相關(guān)性越強(qiáng)); 2)概率P值小于給定的顯著性水平 a, 則認(rèn)為原有變量適合作因子分析。一般認(rèn)為當(dāng)KMO大于0.9時(shí)效果最佳, 0.7以上時(shí)效果尚可, 0.6時(shí)效果很差, 0.5以下時(shí)不適宜做因子分析。本研究區(qū)KMO值為0.769, 概率P值為0.00, 適合做因子分析。然后分析各個(gè)變量間的相關(guān)性, 計(jì)算得到各相關(guān)系數(shù)矩陣見表 1。對(duì)其進(jìn)行因子分析, 得到 5個(gè)公因子, 其累積方差貢獻(xiàn)率為68.86%, 對(duì)應(yīng)的特征值分別為: 4.83、2.19、1.88、1.09和1.04, 這五個(gè)公因子已包含原始數(shù)據(jù)的大部分信息。由于因子解的不唯一性, 采用公因子對(duì)地質(zhì)解釋更有意義, 由于正交旋轉(zhuǎn)因子負(fù)載矩陣比初始因子負(fù)載矩陣所反映的元素組合更具合理性和可解釋性, 在此對(duì)公因子解進(jìn)行正交旋轉(zhuǎn), 對(duì)經(jīng)過(guò)方差極大正交旋轉(zhuǎn)后的因子模型(表 2)進(jìn)行研究,將載荷絕對(duì)值大于0.6的作為該因子的主要載荷元素。

從表2中可看出, 公因子F1中具有高載荷的元素為: Au、Cu、As、Sb和B, 且Au與As相關(guān)系數(shù)為0.45, Au與Sb相關(guān)系數(shù)為0.46, Au與Cu相關(guān)系數(shù)為0.41, B與As相關(guān)系數(shù)為0.57, B與Sb的相關(guān)系數(shù)為0.49, Cu與As的相關(guān)系數(shù)為0.50, Cu與Sb的相關(guān)系數(shù)為0.48, As與Sb相關(guān)系數(shù)為0.72, 可見該組元素兩兩相關(guān)性較強(qiáng)。As與Sb均為親銅族成礦元素, 它們的地球化學(xué)行為相近同屬低溫半金屬兩性元素, 且遷移能力較強(qiáng)。公因子F1中Au、Cu、As、Sb和B的共生組合關(guān)系反映了中低溫?zé)嵋撼傻V元素的聚集過(guò)程。從研究區(qū)實(shí)際礦化角度看, Au、Cu組合為成礦元素組合類型, As、Sb和B可作為前緣元素組合類型, 主要分布于龐西垌斷裂帶附近。

公因子 F2中具有高載荷的元素為: Pb、Zn和Ag, Pb和Zn伴生通常作為多金屬礦的指示元素, 作為親酸性元素的Pb在表生條件下不易遷移, 它與作為親基性元素且在表生條件下容易遷移的 Zn結(jié)合,說(shuō)明其代表的地質(zhì)背景極其復(fù)雜, 且Pb和Zn的相關(guān)系數(shù)達(dá) 0.61, 從研究區(qū)實(shí)際礦化角度看該組合為成礦元素組合類型, 主要分布于研究區(qū)西南方向文地幅內(nèi)。

公因子F3中具有高載荷的元素為: W、Bi、Mo和Sn, 且W與Bi相關(guān)系數(shù)為0.66, W與Mo相關(guān)系數(shù)為0.57, Bi與Mo相關(guān)系數(shù)為0.44, Sn與W、Bi的相關(guān)系數(shù)分別為0.48、0.49.該組合可能反映了高溫成礦帶元素組合, 此組元素共生與斑巖銅-鉬礦化有關(guān), 是尋找銅-鉬礦床、鎢-鉬礦床的指示標(biāo)志。

公因子 F4和 F5中具有高載荷的元素分別為Mn和 F。Mn一般與賤金屬共生, 屬沉積類型礦床的標(biāo)志。F通常與W、Mo和Sn等元素異常共生產(chǎn)出, 是尋找Sn、W、Mo礦的指示標(biāo)志。

由因子泛克里格模型得到的異常圖見圖 2, 圖中可直觀的展示異常的走向、規(guī)模形態(tài)及分布位置?？v觀組合地球化學(xué)異常圖, 由圖2A得知Au、Cu、As、Sb和B組合異常的高異常區(qū)主要位于研究區(qū)河唇幅地段和塘蓬幅東南方向, 野外實(shí)際工作研究表明該異常區(qū)存在斑巖銅礦床, 下一步工作可從該組合異常著手確定斑巖銅礦床的具體產(chǎn)出位置; 圖2B沿研究區(qū)東南方向?qū)蔷€有明顯的分界, 高異常區(qū)位于對(duì)角線西北方向, 該異常主要反映Pb、Zn組合異常, 且該異常區(qū)已發(fā)現(xiàn) Pb-Zn礦兩處, Au-Pb-Zn礦一處, Zn礦兩處, 兼有幾處Au、Ag礦,可見該組合異常區(qū)存在較大的找礦潛力; 圖 2C反映的W、Bi、Mo和Sn組合異常主要集中于文地幅與塘蓬幅的交界處, 此處組合異常與Pb-Zn組合異常大部分重疊, 研究區(qū)的東部也是該組合異常的集聚地, 該異常區(qū)已發(fā)現(xiàn)兩處W-Mo礦, 一處Cu礦,總的來(lái)說(shuō), W、Bi、Mo和Sn組合異常區(qū)與已知礦點(diǎn)重疊程度較高。

圖3 面積-能譜雙對(duì)數(shù)圖, 橫坐標(biāo)代表能譜值對(duì)數(shù)變換,縱坐標(biāo)表示面積的對(duì)數(shù)值Fig.3 lg-lg plot showing relationships between power spectrum values and areas with power

2.3 組合異常提取

為提取各公因子中異常背景信息為成礦預(yù)測(cè)做鋪墊, 使用分形濾波技術(shù)提取, 采用最小二乘法擬合直線段見圖3, 根據(jù)能譜密度S與面積 A的變化規(guī)律, 將元素能譜密度值分為不同的區(qū)間, 實(shí)際應(yīng)用中證實(shí)分四段擬合最具有顯著性(計(jì)算其剩余誤差, 即各區(qū)間擬合的直線與原始數(shù)據(jù)之間剩余平方和, 剩余平方和越小且擬合程度越高則回歸方程越顯著), 對(duì)組合異常 Au、Cu、As、Sb、B確定閥值為1057, 當(dāng)S＜1057時(shí)代表異常, S＞1057代表背景;對(duì)組合異常 Pb、Zn確定閥值為545, 當(dāng) S＜545時(shí)代表異常, S＞545代表背景; 對(duì)組合異常W、Bi、Mo、Sn確定閥值為598, 當(dāng)S＜598時(shí)代表異常, S＞598時(shí)代表背景。

通過(guò)分形濾波技術(shù)以各閥值確定的空間域中異常場(chǎng)與背景場(chǎng)見圖 4, 由圖 4(A～B)可看出分形濾波技術(shù)可有效地從高背景區(qū)域(圖4A)提取出組合異常(圖4B), 同時(shí)對(duì)比圖2A和圖4A得知經(jīng)過(guò)濾波得到的異常與已知礦床吻合程度更高, 如位于文地幅的異常在采用分形濾波技術(shù)提取出的異常(圖4A)中更為突出明顯, 且已知 Au、Ag、Pb、Zn礦點(diǎn)對(duì)應(yīng)程度較高, 沿?cái)鄬幼呦蚋黠@, 出露地質(zhì)體主要有泥盆系、寒武系, 北東向斷裂構(gòu)造特別發(fā)育, 該組合異常套合好, 強(qiáng)度高, 面積大, 異常連續(xù)性好, 濃集中心與已知的眾多的鐵、銅礦床(點(diǎn))吻合, 可能主要反映豐村-坡仔營(yíng)一帶為多金屬和金成礦的有利地段;對(duì)比圖2B與圖4C意外地發(fā)現(xiàn)在組合異常中沿研究區(qū)東南對(duì)角線下向的弱異常區(qū)(圖 2B)在提取出的異常(圖 4C)中呈高值顯示, 而此區(qū)域已發(fā)現(xiàn)有大量的鐵礦、硫鐵礦和三處 Pb-Zn礦, 這說(shuō)明由分形濾波技術(shù)提取出的異常更符合實(shí)際地質(zhì)情況, 可以有效地指示隱伏礦床的分布位置, 同時(shí)由于該異常為Pb-Zn組合異常, 可在下一次的野外實(shí)際工作中進(jìn)一步對(duì)該類礦床進(jìn)行異常查證; 對(duì) W-Mo-Bi-Sn組合異常(圖2C)的對(duì)比研究(圖4E)得知(圖4E)更能反映 W-Mo礦的具體產(chǎn)出方位, 該組合異常總的呈北東向展布產(chǎn)于古城-沙產(chǎn)大斷裂的兩側(cè), 與區(qū)域性斷裂方向一致, 且與已知的南和W-Mo礦床和Cu礦點(diǎn)位置吻合。

3 結(jié)論

采用組合異常模型和分形濾波技術(shù)對(duì)地球化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行異常識(shí)別與提取即是采用簡(jiǎn)單步驟和圖件來(lái)顯示多元數(shù)據(jù)中的核心信息, 揭示了常規(guī)方法難以發(fā)現(xiàn)和解決的地質(zhì)與找礦問(wèn)題, 是對(duì)勘查地球化學(xué)的一大貢獻(xiàn)。組合異常模型體現(xiàn)了元素間空間信息互補(bǔ), 反映了成礦過(guò)程中地球化學(xué)元素內(nèi)在的組配機(jī)制, 為欽杭結(jié)合帶南段龐西垌地區(qū)具有多源、多期次成礦特征提供了證據(jù)。通過(guò)分形濾波技術(shù)分離出異常與背景, 可進(jìn)一步對(duì)異常與背景關(guān)聯(lián)分析,得出有利于礦化解釋的因子, 為尋求未知礦床提供可靠信息。

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The Recognition and Extraction of Geochemical Composite Anomalies: A Case Study of Pangxidong Area

ZHANG Yan1,2), ZHOU Yong-zhang1,2), WANG Zheng-hai1,2), HUANG Rui3), Lü Wen-chao1,2), WANG Lin-feng1,2), LIANG Jin1,2), ZENG Chang-yu1,2)
1) Department of Earth Sciences, Sun Yat-Sen University, Guangzhou, Guangdong 510275;
2) Guangdong Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resource Exploration, Guangzhou, Guangdong 510275;
3) Wuhan Institute of Geological Engineering Exploration, Wuhan, Hubei 430051

In order to study the spatial combination distribution of geochemical elements, the authors used factor-kriging method to construct a combinational model for identifying combinations of geochemical anomalies, and employed fractal filtering technique to strengthen weak anomalies and separate anomaly and background.The composite anomaly model was combined with fractal filtering techniques for processing and analyzing geochemical data obtained from 1:50000 stream sediment geochemical survey at Pangxidong in the southern segment of Qinzhou-Hangzhou juncture zone, with the purpose of looking for ore-related anomalies and finding unknown deposits.The results show that composite anomalies from combinational variables are consistent with known mineralization of the study area.Although the composite anomalies can not fully reflect local anomalies, high anomaly areas can indicate direction for exploring unknown deposits and, on such a basis, anomaly and background separated from composite anomalies by using fractal filtering technique can provide guidance for further work.

geochemical composite anomaly; factor-kriging model; fractal filtering techniques; Pangxidong; stream sediments

P622.3; P628.1

A

10.3975/cagsb.2011.05.03

本文由廣東龐西垌地區(qū)礦產(chǎn)遠(yuǎn)景調(diào)查(編號(hào): 1212010071012)、國(guó)家青年科學(xué)基金(編號(hào): 41004051)和全國(guó)礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)項(xiàng)目(編號(hào):國(guó)土資源部資[2007]038-01-18)聯(lián)合資助。

2011-08-09; 改回日期: 2011-08-25。責(zé)任編輯: 魏樂(lè)軍。

張焱, 女, 1983年生。博士研究生。主要從事數(shù)學(xué)地質(zhì)與信息技術(shù)研究。E-mail: zhang_yan1117@163.com。