謝克文 周四春 張文宇 楊 奎

(成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院)

趨勢(shì)面分析法在溫泉地氣異常圈定中的應(yīng)用*

謝克文 周四春 張文宇 楊 奎

(成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院)

以廣東省重陽鎮(zhèn)暖水村溫泉地氣探測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，研究該區(qū)地氣元素的空間分布規(guī)律。對(duì)溫泉上方地氣測(cè)量獲得的Co、Ni、Cd等元素含量進(jìn)行趨勢(shì)面分析，利用趨勢(shì)面函數(shù)計(jì)算其剩余值，圈定溫泉的地氣異常。結(jié)果表明，趨勢(shì)面分析法可以應(yīng)用于圈定溫泉地氣場(chǎng)，通過地氣場(chǎng)推斷出釋放熱能的隱伏斷裂通道，為尋找高溫泉眼提供依據(jù)。

地氣測(cè)量 趨勢(shì)面分析 剩余值 異常圈定

近年來，隨著社會(huì)對(duì)地?zé)豳Y源的關(guān)注，通過物探、化探、水文等方法尋找地?zé)豳Y源的技術(shù)也越來越成熟。以廣東省重陽縣暖水村溫泉為例，采用趨勢(shì)面分析法對(duì)地氣異常在空間中的分布進(jìn)行分析。

1 趨勢(shì)面分析法原理

1.1 趨勢(shì)面方程

設(shè)變量x,y和z分別表示平面上點(diǎn)的坐標(biāo)和某個(gè)地質(zhì)特征。如果實(shí)際測(cè)得一組數(shù)據(jù)：(x1,x2,x3,…,xn)，(y1,y2,y3,…,yn)，(z1,z2,z3,…,zn)，據(jù)此可建立二元多項(xiàng)式回歸方程，利用最小二乘法原理使數(shù)學(xué)面與頂點(diǎn)面間距離平方和為最小值，采用正交變換法求解方程組得到趨勢(shì)函數(shù)回歸系數(shù)估計(jì)值并代回方程組，即可得到相應(yīng)階次的趨勢(shì)面方程。

1.2 趨勢(shì)面的擬合程度

R2表示原始數(shù)據(jù)的總波動(dòng)平方和中由趨勢(shì)面反映出的波動(dòng)平方和所占的百分比。在實(shí)際工作中，也可用F檢驗(yàn)趨勢(shì)面方程的顯著性

(1)

式中，U為趨勢(shì)值與平均值的偏差平方和；p為k次趨勢(shì)面的項(xiàng)數(shù)，p=k(k+3)/2；Q為原始數(shù)據(jù)與趨勢(shì)值的偏差平方和；n為數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)；若F>Fα(p,n-p-1),則趨勢(shì)面是顯著的；否則趨勢(shì)面沒有顯著性。

2 地氣元素趨勢(shì)面分析

2.1 地氣測(cè)量

地氣測(cè)量是一種通過測(cè)量地氣物質(zhì)中的痕量元素的異常程度，來預(yù)測(cè)地下隱伏礦床或斷裂的探測(cè)方法。已有的研究結(jié)果表明，地球深部存在著穩(wěn)定持續(xù)的上升氣流，該類氣流經(jīng)過隱伏礦床或斷裂帶時(shí)能夠?qū)⑼窘?jīng)過程中的一些微小固體顆粒帶至地表，但該類物質(zhì)一般以納米級(jí)型態(tài)存在，必須通過特殊方法來收集、檢測(cè)、分析。將地氣測(cè)量方法應(yīng)用于溫泉地?zé)峥辈榉矫?，通過動(dòng)態(tài)地氣測(cè)量方法直接在野外打孔采氣，將采集的氣體用ICP-MS儀器進(jìn)行分析。以暖水村溫泉為中心，共布置了3條測(cè)線，大致平行布置，均穿過2處斷裂，由南至北依次為 1#、2#、3#線，線距為600～800 m，且1#測(cè)線位于工作區(qū)溫泉中央，恰好穿過溫泉。

2.2 Z坐標(biāo)軸的數(shù)值分析

重陽溫泉為斷裂構(gòu)造類溫泉，由于該類溫泉多分布于斷裂構(gòu)造帶， 溫泉的分布范圍直接取決于斷裂構(gòu)造的規(guī)模。地表沒有明顯的巖漿熱源，溫泉水的熱源是由于地下水在向地下深處循環(huán)時(shí)，被正常的地溫梯度加熱而升溫。因此，地下水向地下循環(huán)的深度以及地下深處的溫度梯度便成為溫泉水溫的影響因素。溫泉下部具有較大的水流壓力，能夠使得在地下深處循環(huán)的地下水向上涌出地表，形成泉眼，該類溫泉大多分布于山前、河谷等斷裂構(gòu)造分布較多的地帶內(nèi)。地氣測(cè)量法已多次運(yùn)用于尋找隱伏斷裂帶，地氣遷移物質(zhì)在經(jīng)過隱伏斷裂帶后明顯得到了增強(qiáng)。因此，在溫泉勘查區(qū)內(nèi)的地氣異常較為明顯，可得到溫泉地氣測(cè)量的指示元素。通過多次測(cè)量及分析，可以發(fā)現(xiàn)Co、Ni、Cd等元素不但具有聚類效果好的特點(diǎn)，而且能夠充分反應(yīng)溫泉泉眼的異常情況。因此，采用Co、Ni、Cd等3個(gè)元素作歸一化處理，計(jì)算出Co、Ni、Cd等3個(gè)元素的歸一化含量累加值，并以此為Z軸，單位為μg/g。

2.3 X，Y坐標(biāo)軸數(shù)據(jù)處理

X，Y坐標(biāo)值采用的是野外GPS所采用的公里網(wǎng)坐標(biāo)，由于該類數(shù)值較大不利于運(yùn)算，因此需要在處理后再進(jìn)行分析。由于X坐標(biāo)值前2位數(shù)值相同，而Y坐標(biāo)值前3位數(shù)值相同，因此在分析之前將X坐標(biāo)值除去前2位數(shù)值，Y坐標(biāo)值除去前3位數(shù)值，單位取m。

2.4 元素趨勢(shì)面次數(shù)選取

一般來說，將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次或三次趨勢(shì)面計(jì)算，趨勢(shì)面即可代表區(qū)域元素的背景值。以Co，Ni，Cd等3個(gè)元素歸一化后的含量累加值繪制趨勢(shì)面擬合次數(shù)與擬合程度的關(guān)系曲線，見圖1。

圖1 趨勢(shì)面擬合次數(shù)與擬合度的關(guān)系曲線

由圖1可知，數(shù)據(jù)主要受局部異常的影響，擬合次數(shù)選取過大會(huì)造成弱異常的消失，置信度也會(huì)隨之降低，因此取三次擬合進(jìn)行趨勢(shì)面分析較為合適。

2.5 元素三次趨勢(shì)面分析

以Co，Ni，Cd等3個(gè)元素歸一化后的含量累加值作為Z軸，可得出其三次趨勢(shì)面方程為

Z=251.928 9-2.274 605x-1.338 439y+6.479 727×10-4x2+1.048 016×10-3xy-2.177 867×10-4y2

-4.649 828×10-8x3-2.735 962×10-7x2y+2.360 599×10-7xy2-9.558 707×10-8y3，

(2)

式中，x，y分別為經(jīng)過處理后的野外GPS所采用的公里網(wǎng)坐標(biāo)，m。

利用F檢驗(yàn)進(jìn)行方程的顯著性檢驗(yàn)(確定其數(shù)據(jù)的可信度)，該勘查區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為116個(gè)，三次趨勢(shì)面分析的項(xiàng)數(shù)為9，因此，F(xiàn)=1.71。當(dāng)α=0.10時(shí)，F(xiàn)0.10(9,106)=1.68，即：F>F0.10(9,106)，因此，趨勢(shì)面反映的數(shù)據(jù)波動(dòng)是顯著的，可以進(jìn)行三次趨勢(shì)面分析。

2.6 溫泉地氣異常圈定

首先利用式(2)計(jì)算出背景趨勢(shì)值，然后將上述3個(gè)元素歸一化含量累加值與其趨勢(shì)值作差，可以求得3個(gè)元素歸一化含量累加值的殘差，最后采用Sufer軟件繪制出其剩余值(表面)立體圖(圖2)并用殘差繪制出剩余值剖面圖[1]。

圖2 剩余值立體圖

勘查區(qū)大部分出露地層為Q第四系，在勘查區(qū)西南方向存在2條交叉的隱伏斷裂。1#測(cè)線從西北坐標(biāo)延伸至東南坐標(biāo)(2 364 m,761 m)，其間地層主要為第四系和石炭系。在西北坐標(biāo)(2 076 m,977 m)至東南坐標(biāo)(2 124 m,941 m)的地氣1#異常區(qū)內(nèi)存在3個(gè)異常峰，屬于較大的地氣異常區(qū)域，且在交叉隱伏斷裂附近經(jīng)過。2#測(cè)線由西北坐標(biāo)(2 228 m，1 112 m)延伸至東南坐標(biāo)(2 556 m，825 m)，其間地層主要也為第四系和石炭系。在測(cè)線坐標(biāo)(2 268 m，1 077 m)至(2 292 m，1 056 m)之間存在一個(gè)較小的地氣2#異常區(qū)。由西南至東北的1條隱伏斷裂恰好穿過2#異常區(qū)中的峰值點(diǎn)附近，因此推測(cè)2#測(cè)線的地氣異常與該斷裂有較大關(guān)系。由于趨勢(shì)面分析方法取元素的殘差(剩余值)大于平均值絕對(duì)值的正數(shù)作為異常點(diǎn)，在2#異常區(qū)內(nèi)的測(cè)點(diǎn)均大于其殘差平均值，因此可以判定其為地氣弱異常區(qū)域[1-3]。3#測(cè)線從西北坐標(biāo)(2 324 m，1 298 m)延伸至東南坐標(biāo)( 2 582 m，954 m)，期間地層為第四系和石炭系。在測(cè)線坐標(biāo)(2 420 m，1 170 m)至(2 438 m，1 146 m)之間有很高的地氣3#異常區(qū)出現(xiàn)。地氣3#異常區(qū)的最高峰值點(diǎn)也處于隱伏斷裂附近。

1#測(cè)線地氣1#異常區(qū)附近的泉眼TD1，TD2，TD3溫度分別為55，43，53 ℃，屬于高溫泉眼，而最高溫度恰恰位于隱伏斷裂交匯處的附近。2#測(cè)線的地氣弱異常區(qū)附近的泉眼TD11溫度為25.7 ℃，也屬于低溫泉眼，該泉眼正位于隱伏斷裂的正上方。3#測(cè)線由于尚未開發(fā)，所以有待考證。

3 結(jié) 論

(1)溫泉的貯藏和流動(dòng)需要一定的渠道，經(jīng)過推測(cè)發(fā)現(xiàn)，深部的隱伏斷裂可能是其流動(dòng)的渠道。

(2)3條測(cè)線的地氣異常區(qū)經(jīng)過圈定后的地氣異常帶位于大斷裂的左側(cè)，在經(jīng)過實(shí)地考查的區(qū)域內(nèi)，地氣異常帶沿著隱伏斷裂帶延展。2#測(cè)線地氣異常區(qū)呈現(xiàn)的弱異常，可能是由于斷裂寬度較窄而導(dǎo)致地底的流體顆粒物上升困難，從而使得測(cè)量的Co，Ni，Cr元素含量偏低。

(3)趨勢(shì)面分析的地氣異常區(qū)圈定結(jié)果表明，位于測(cè)區(qū)東北部的斷裂附近可能貯藏有較高的地?zé)崮?，具有較大的開發(fā)潛力。

(4)結(jié)合趨勢(shì)面分析結(jié)果可以快速有效地圈定地氣異常區(qū)，從而可以推斷出地下的隱伏斷裂，對(duì)于尋找高溫泉眼具有良好的指示作用。

[1] 張玲玲，劉鴻福，張新軍,等.趨勢(shì)面分析法圈定氡異常[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2014(1)：79-82.

[2] 孟海東，趙國(guó)強(qiáng)，王海棟，等.MapGIS軟件在區(qū)域化探數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014(3)：30-32.

[3] 涂軍橋.廣東潮安田東地區(qū)地球化學(xué)特征及找礦遠(yuǎn)景[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014(2)：66-67.

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：41274131)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(編號(hào)：2012AA061803)；成都理工大學(xué)核安全工程科研優(yōu)秀創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)基金項(xiàng)目(編號(hào)：KYTD201105)。

2015-04-14)

謝克文(1990—)，男，碩士研究生，610059 四川省成都市成華區(qū)二仙橋東三路1號(hào)。