張楠楠*，周可法，程宛文

1.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所新疆礦產資源研究中心，新疆烏魯木齊830011

2.新疆礦產資源與數(shù)字地質重點實驗室，新疆烏魯木齊830011

Au元素空間特征分析及異常提取方法研究

張楠楠1，2*，周可法1，2，程宛文1，2

1.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所新疆礦產資源研究中心，新疆烏魯木齊830011

2.新疆礦產資源與數(shù)字地質重點實驗室，新疆烏魯木齊830011

如何更好地提取地球化學的元素異常信息一直都是地質學家關心的重要問題，因此進行了地球化學元素異常提取技術的研究。研究中利用收集到的西準噶爾地區(qū)1：200 000化探數(shù)據(jù)，對Au元素含量進行空間變異特征分析及插值處理，利用傳統(tǒng)方法和分形方法中的C-A模型，獲得了不同的異常下限值，開展了異常信息提取方法及與應用效果對比研究。結果證明，研究區(qū)Au元素空間分布屬于各向同性，自相關性中等；利用分形方法進行研究區(qū)Au元素異常提取優(yōu)于傳統(tǒng)方法，分形方法提取的Au元素異常信息和已知金礦吻合更好，避免遺漏了異常信息。研究結果對該區(qū)進一步的找礦工作具有一定指導意義。

Au元素；空間變異；C-A模型；地球化學異常；異常提取

引言

在找礦實踐中，定量地提取、對比、分析、歸納和總結地球化學異常有其理論與實踐意義［1］，是將地質異常理論用于找礦實踐并使其量化和具可操作性的關鍵［2］。地球化學信息能直觀揭示研究區(qū)的礦化特征，對成礦預測具有直接指示作用。因此，地球化學異常的提取一直在地質勘探、異常評價中發(fā)揮重要作用。地球化學異常的識別與提取也一直是地球化學勘探的主要目標［3-5］。然而，如何有效地利用地球化學數(shù)據(jù)，區(qū)分地球化學背景與地球化學異常，更好地為成礦預測和礦產勘查服務，已成為人們關注的重要問題［6］。

目前，西準噶爾地區(qū)現(xiàn)有礦床的外部及深部都具有良好的找礦前景，進一步研究和勘察后，有望在現(xiàn)有金礦床的基礎上形成超大型金礦富集區(qū)和一個國家級規(guī)模的金礦基地。在西準噶爾地區(qū)繼續(xù)尋找大型的金礦和銅礦成為地質學家關注的熱點，對于加大中國的礦產資源儲備也具有十分重要的意義。因此，本文以西準噶爾的Au元素為研究對象，在對其進行空間變異特征分析后，利用分形技術中的C-A模型，提取Au元素的地球化學異常并與傳統(tǒng)方法作對比研究，為該區(qū)今后的Au的成礦預測工作提供依據(jù)。

1 地質概況

西準噶爾金礦成礦域（以下稱西準成礦域）位于新疆準噶爾盆地西北緣托里縣境內，西至博樂的艾比湖，東至克拉瑪依的烏爾禾，南至包古圖，北至巴爾雷克［7］。

西準噶爾地區(qū)位于北疆地區(qū)西伯利亞和塔里木兩個古大陸板塊之間的復雜匯聚帶，處于西伯利亞大陸板塊、塔里木大陸板塊、阿爾泰加里東期陸緣增生帶、準噶爾海西期弧后盆地和天山海西期弧島帶等5大構造單元中的準葛爾海西期弧后盆地內，受區(qū)域構造應力場的影響，研究區(qū)的褶皺和斷裂構造比較發(fā)育。西準噶爾地區(qū)大地構造處于巴爾喀什-準噶爾-蒙古南戈壁華力西期陸緣活動帶，構造位置位于準噶爾界山華力西褶皺帶扎依爾—達爾布特復向斜東段南翼［8］，該區(qū)出露地層廣泛，主要有下古生界奧陶系-志留系的淺變質巖系，上古生界泥盆系—石炭系的海相火山巖-濁積巖建造以及二疊系-三疊系的陸相火山-磨拉石建造。其中含金地層為太勒古拉組、包古圖組、希貝庫拉組和庫魯木迪組。侵入巖在區(qū)內較為發(fā)育，以花崗巖分布最廣，其次是超基性巖、閃長巖及中酸性脈巖［9-11］。該區(qū)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了哈圖、寶貝等大中型金礦，另外還有200多個礦點及礦化點［12］。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文利用的是2008年在新疆地礦局收集到西準噶爾地區(qū)1：200 000地球化學數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)分布見圖1，分布范圍是東經(jīng)82?00′00?～86?15′00?，北緯44?45′00?～47?20′00?，空區(qū)表示沒有數(shù)據(jù)。每個數(shù)據(jù)點包括Au、Ag、As、B、Ba、Be、Bi、Cd、Cu、F、Hg、A l2O3、K2O等常量元素和微量元素共39種，采樣間隔為2 km×2 km，共包含8 104個點數(shù)據(jù)。本文主要以Au元素為例，研究其空間變異特征及異常提取方法。

圖1 研究區(qū)地球化學數(shù)據(jù)分布圖Fig.1 Geochem istry data point diagram of study area

2.2 克里格插值

在地質統(tǒng)計學中，區(qū)域化變量的二重性是通過變差函數(shù)來體現(xiàn)的。理論變差函數(shù)的定義為

式中：γ（h）-理論變差函數(shù)；Z（x）—隨機函數(shù)；h—步長；x—區(qū)域化變量；V—協(xié)方差。

在實踐中，樣品的數(shù)目總是有限的，把有限實測樣品建立的變差函數(shù)稱之為實驗變差函數(shù)，其定義為

式中：γ?（h）-實驗變差函數(shù)；N（h）—步長個數(shù)。

變差函數(shù)一般用變異曲線來表示。它是變差函數(shù)r（h）值對距離h的函數(shù)（如圖2所示）。C0稱為塊金常數(shù)，它描述了數(shù)據(jù)在微觀上的的變異性，一般是指觀測變量的測量誤差。a為變程，它是當曲線達到水平段時的距離，變程范圍外的數(shù)據(jù)互不相關，即觀測值不對估計結果產生影響，是變差函數(shù)中最重要的一個參數(shù)。C0+C為總基臺值，反映某觀測變量在研究范圍內變異的強度。

圖2 變差函數(shù)曲線圖Fig.2 Variogram curve diagram

2.3 分形C-A模型

在實際工作中，地球化學元素是不均勻分布的，因此往往不服從正態(tài)分布。由此，國內外研究人員提出用非線性理論提取地球化學異常，其中最典型的就是分形技術［13］。目前已有許多成功的應用實例［14-19］?；诜中卫碚摮汕锩髋cAgterberg在1994年首先提出元素含量-面積（C-A）模型，這種模型是同時兼顧傳統(tǒng)統(tǒng)計學的數(shù)據(jù)頻數(shù)分布和地球化學數(shù)據(jù)的空間相關性，已成為國際通用的勘查地球化學數(shù)據(jù)處理方法［20-24］。

C-A模型可表示為

式中：A（C＞ν）—元素含量C大于某一值ν的區(qū)域的面積；β-分維數(shù)；∝—代表成正比。

隨著含量閾值ν的提高，含量大于C的面積A會相應減小，A隨ν變化的規(guī)律取決于分維數(shù)β的大小。地球化學元素含量分布的變化復雜程度由分維數(shù)β決定，β也被稱為奇異性指數(shù)。直線段的斜率由奇異性指數(shù)β決定，不同線段所對應的分界值往往可作為區(qū)分背景值和異常值的臨界值。廣義自相似特征和異常被C-A模型有效地刻畫和圈定，這為研究地球化學數(shù)據(jù)的分布特征和異常識別提供了理論依據(jù)和技術手段。

3 結果與分析

3.1 統(tǒng)計特征分析

研究地球化學元素的頻率和空間分布規(guī)律是有效圈定地球化學異常的前提［24］。研究區(qū)的Au元素的分布狀態(tài)及統(tǒng)計特征分析如下：由圖3a可以看出，研究區(qū)Au元素的原始數(shù)據(jù)做log變換后其分布并不近似一條直線，偏離直線的部分主要是Au元素含量的較高值引起的，并且由表1也可以看出原始數(shù)據(jù)的均值和中值相差較大，偏度值也較高，說明Au元素的原始數(shù)據(jù)經(jīng)log變換后并不服從對數(shù)正態(tài)分布。

圖3 Au元素的Q-Q圖Fig.3 Q-Q diagram of Au element

由圖3b可以看出，Au元素的含量經(jīng)過迭代剔高處理后其數(shù)據(jù)分布近似一條直線，均值和中值接近，偏度值較小，說明Au元素經(jīng)過迭代剔高處理后其數(shù)據(jù)服從對數(shù)正態(tài)分布。另外，從變異系數(shù)也可看出，原始數(shù)據(jù)由于存在特高值，變化程度較大，而迭代剔高后數(shù)據(jù)較原始數(shù)據(jù)相比元素含量的變化程度較小。

表1 Au元素特征參數(shù)（log變換后）Tab.1 Characteristic parameter of Au chem ical element（After log transformation）

3.2 空間變異特征分析

構建Au元素的變差函數(shù)模型，實現(xiàn)Au元素的空間插值計算，為異常信息提取提供基礎。經(jīng)過剔高和log變換后Au元素基本服從正態(tài)分布，全局的趨勢分析見圖4。

圖4 Au元素的趨勢分析圖Fig.4 The Au element trend analysisgraph

由圖4可以看出，Au元素在研究區(qū)范圍內由西往東元素含量是逐步增加的，而南北方向的趨勢變化不明顯。由于監(jiān)測數(shù)據(jù)全局趨勢的存在，會導致數(shù)據(jù)的二階不平穩(wěn)性［26］，因此在進行克里格插值前應分別對Au采取一階線性擬合剔除趨勢。

變差函數(shù)的變程能有效地反映出地學空間場的各向異性［28］，對Au元素做各向異性檢驗發(fā)現(xiàn)，元素的Au各向異性的特征不明顯，各個方向上的最大變程與最小變程相差不大。因此，認為Au元素基本屬于各向同性。在各向同性下進行結構分析，具體結構分析參數(shù)見表2。

表2 結構分析參數(shù)表Tab.2_ The structuralanalysisparameters

由表2和圖5可以看出，Au的變程比較大，說明Au元素在研究區(qū)范圍連續(xù)性較好。C0/（C0+C）表示空間變異性程度（即隨機性因素引起的空間變異性占系統(tǒng)總變異的比例），如果比值小于25%，說明系統(tǒng)具有強烈的空間相關性；如果比值在25%～75%，表明系統(tǒng)具有中等的空間相關性；如果比值大于75%，說明系統(tǒng)空間相關性很弱［30］。由此判斷Au元素空間自相關性屬于中等。

圖5 Au元素變差函數(shù)圖Fig.5 The Au elementvariogram graph

3.3 克里格插值及交叉驗證

從擬合效果及交互式交叉驗證（表3）來看，選擇球狀模型建立理論變差函數(shù)的模型。?Mean—平均誤差；RMS-均方根值；ASE—平均克里格標準差；MSE-標準化平均誤差；RMSS-標準化均方根

表3 交叉驗證結果分析表Tab.3_ Crossverification resu ltanalysis

Au元素理論變差函數(shù)的模型（球狀模型）為

根據(jù)采樣點的數(shù)據(jù)特征，將數(shù)據(jù)經(jīng)過log變換進行趨勢剔除處理，此外，還將步長設置為2 000m，步長組數(shù)設置為15。采用3種模型進行模擬后進行普通克里格估值，對預測表面進行交叉分析，結果如表3。根據(jù)交叉分析各個指標的標準［31-32］可以看出，只有球狀模型滿足標準要求。其平均誤差值為0.005 278，接近于0，均方根值（0.759 7）和平均克里格標準差值（0.873 0）都比較小且接近，標準化平均誤差為?0.005 358，基本接近0；標準化均方根誤差為0.989 5，基本接近于1。由此可以看出，Au元素的球狀模型均能達到比較好的預測結果。預測結果見圖6。

圖6 Au元素地球化學圖Fig.6 The Au elementgeochem icalmap

3.4 對比分析

在西準噶爾地區(qū)，對Au元素利用分形濾波C-A進行地球化學異常提取，并將其結果和傳統(tǒng)方法提取出的異常對比。圖7為利用C-A模型的元素含量-面積圖。

蕭飛羽阻止了怒意騰升的只手拿云。他推動左腕上的鋼環(huán)對步入場中的天問大師毫不客氣地道：“大和尚是黑旗會所屬？”天問大師淡淡地道“：客人。”蕭飛羽冷冷地道：“為黑旗會示警，又奉黑旗會為貴會，并為黑旗會代勞該是非同尋常的客人。”他將目光轉向紫陽道長道：“你們聯(lián)袂前來表明黑旗會橫行天下并非少林和武當置身事外，而是武當和少林早與黑旗會暗通款曲對嗎？”

圖7 Au元素的元素含量-面積圖Fig.7 Themap of concentration-area of Au element and fitting equation

其擬和方程為

由圖7看出，在雙對數(shù)坐標散點圖上，Au元素的元素含量和面積的對數(shù)值都很難用兩條直線段來擬合，而是用三段直線擬合完成的。說明Au元素體現(xiàn)了多重分形的特征，即兩個或兩個以上的無標度區(qū)體現(xiàn)在Au元素含量的整個空間分布中，分維數(shù)值代表不同的無標度區(qū)。在C-A模型中，Au元素表現(xiàn)出在第1個無標度區(qū)的擬合直線比較平坦，斜率較小，分維數(shù)較小，說明元素的變化的復雜程度較低，研究的背景值一般分布在這段，該段的分界點含量值與Au元素的背景上限非常接近。第2個無標度區(qū)的擬合直線斜率開始增大，有出現(xiàn)高異常值的趨勢，一般其元素含量值為低異常值。第3個無標度區(qū)的擬合直線斜率最大，分維數(shù)最大，元素的變化的復雜程度最大，表明了與礦化相關的高異常值的存在。因此，用β2與β3之間的分界點作為背景與異常的分界點，即ln C0=1.006832。C＞C0代表異常信息。圖8即為該模型提取的出異常圖。

圖8 傳統(tǒng)法Au元素異常圖Fig.8 Au elementanomalymap by traditionalmethod

將迭代剔高后的數(shù)據(jù)用傳統(tǒng)的方法平均值與2倍標準方差之和確定了異常下限，其值為3.811（表4），提取結果見圖9，紅色的部分是異常信息。圖8是C-A模型提取出的Au元素地球化學異常，圖8中紅色代表大于ln C0即異常下限的值，為2.906。

表4 傳統(tǒng)和分形方法確定的異常下限Tab.4_ Abnormal lim itsof traditionaland fractalmethod

圖9 C-A法Au元素異常圖Fig.9 Au elementanomalymap by C-Amethod

利用在新疆收集到的該區(qū)已知的240個金礦（礦化）點作參考，進行異常驗證。對比圖8和圖9，可以看出，傳統(tǒng)方法提取的異常面積為988.15 km2，包含已知金礦的數(shù)量為73個，C-A模型提取出的異常面積為1 986.99 km2，包含已知金礦的數(shù)量為112個。從所含礦點數(shù)來看，基于分形技術的C-A模型和已知金礦吻合更好，而且能夠避免遺漏異常信息。

4 結論

（1）研究區(qū)Au元素地球化學數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布，其空間分布屬于各向同性，自相關性中等。

（2）利用傳統(tǒng)方法確定的研究區(qū)Au元素地球化學異常下限值較大，異常信息的范圍較小，包含的礦點數(shù)量較少。而由分形提取的Au元素地球化學異常信息時，C-A模型確定的異常值較小，提取的異常范圍較大，并且包含了較多的已知礦點，說明利用C-A模型確定的異?？梢员苊膺z漏信息，找到更多與礦床相關的異常信息。

（3）傳統(tǒng)的方法確定地球化學異常并不考慮樣本的空間關系和自相關結構，而分形的方法不僅考慮頻率的相對大小，還利用空間關系和自相關結構，使地球化學異常的提取達到更好的效果。

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編輯：杜增利

編輯部網(wǎng)址：http：//zk.swpuxb.com

Analysisof the SpatialCharacteristicsof Au Elementsand Com parative Studieson Anomaly Extraction M ethod

ZHANG Nannan1，2*，ZHOU Kefa1，2，CHENGWanwen1，2
1.Xinjiang Research Center forM ineralResources，Xinjiang Instituteof Ecology and Geography，Chinese Academy of Sciences，Urumqi，Xiangjiang 830011，China；2.Xinjiang Key Laboratory ofM ineralResourcesand DigitalGeology，Urumqi，Xiangjiang 830011，China

Extraction of information in geochemical anomalieshas long been geologists′concerns.In this paper，we use the collected 1：20m illionsof geochem icaldata of thewestern Junggararea to analyze spatialvariability of the Au elements，and interpolate it.By using the C-Amodelof fractaland the traditionalmethod，we obtain differentanomaly threshold values.We compare themethod of extracting geochem ical anomalies information based on the traditionalmethod and fractal technique. The resultproves that the spatialdistribution of Au elements is characteristic of isotropicw ithmedium correlation；the fractal method isbetter than the traditionalone.Fractal technology and known gold depositsagreebetter，as itcan avoid theomission ofabnormal information.The resulthas certain guiding significance for further prospectionworks in thisarea.

Au elements；spatialvariability；C-Amodel；geochemicalanomalies；anomaly extraction

張楠楠，1980年生，女，漢族，河北靜海人，副研究員，博士，主要從事遙感地質和成礦預測研究。E-mail：znn_0802@163.com

周可法，1972年生，男，漢族，河南鄧州人，研究員，博士，主要從事成礦預測和信息識別方面的研究。E-mail：Zhoukf@ms.xjb.ac.cn

程宛文，1968年生，女，漢族，吉林德惠人，工程師，主要從事圖象處理和信息提取等工作。E-mail：chwawe@163.com

10.11885/j.issn.1674-5086.2014.08.28.03

1674-5086（2016）03- 0082-08

TE122

A

張楠楠，周可法，程宛文．Au元素空間特征分析及異常提取方法研究［J］．西南石油大學學報（自然科學版），2016，38（3）：82-89．

ZHANG Nannan，ZHOU Kefa，CHENGWanwen．Analysis of the Spatial Characteristics of Au Elements and Comparative Studies on Anomaly Extraction Method［J］．Journalof Southwest Petroleum University（Science&Technology Edition），2016，38（3）：82- 89．

2014- 08-28網(wǎng)絡出版時間：

張楠楠，E-mail：znn_0802@163.com

新疆維吾爾自治區(qū)重大專項（201330121-3）；新疆維吾爾自治區(qū)青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)工程（2013731014）。