徐慶安, 張千明, 汪龍虎, 洪江生

(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局 327地質(zhì)隊(duì),安徽 合肥 230011)

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廬江順港地區(qū)化探異常分形分析

徐慶安, 張千明, 汪龍虎, 洪江生

(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局 327地質(zhì)隊(duì),安徽 合肥 230011)

廬江順港地區(qū)地質(zhì)背景復(fù)雜,構(gòu)造活動(dòng)多期。在綜合找礦信息方面,化探數(shù)據(jù)量大,與礦化有關(guān)的微量元素富集規(guī)律和空間分布特征具有多維分形的特點(diǎn),針對(duì)化探數(shù)據(jù)處理,傳統(tǒng)方法是采用均值加減幾倍離差的方法,僅僅考慮了基本的數(shù)理統(tǒng)計(jì)特征,忽略了元素在遷移過程中物質(zhì)與能量的交換。文章以廬江順港地區(qū)為例,通過對(duì)土壤的化探數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用“含量-面積”模型的分形方法進(jìn)行研究,對(duì)照地質(zhì)圖,得出銅金的富集地層,以MapGIS為工具求出的異常下限和傳統(tǒng)方法的計(jì)算結(jié)果相近。研究認(rèn)為分形處理的方法在理論上更優(yōu)越,處理的結(jié)果更精確,尤其對(duì)于大比例尺的地質(zhì)調(diào)查與礦產(chǎn)調(diào)查的鉆孔定位效果更好。

地球化學(xué);分形理論;異常值下限;因子分析;廬江

化探數(shù)據(jù)的處理是提取客觀有用信息的關(guān)鍵步驟,有多種數(shù)學(xué)處理方法,各有優(yōu)缺點(diǎn),往往要結(jié)合不同區(qū)域具體的地質(zhì)條件加以選擇和調(diào)整。目前常見的處理方法有均值加減幾倍離差、85%累計(jì)頻率法、分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化法、分形分析法等。均值加減幾倍離差的適用條件是要求地球化學(xué)場數(shù)據(jù)分布是一個(gè)連續(xù)曲面[1-2]。85%累計(jì)頻率法需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行確定置信區(qū)間等的預(yù)處理,并且可能誤刪真實(shí)值,導(dǎo)致結(jié)果不精確[3]。分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理可以有效地壓抑高背景區(qū)非礦異常, 并強(qiáng)化低背景區(qū)礦致異常, 突出了找礦信息[4]；以成礦成暈元素標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的因子得分來圈定礦化類型綜合異常, 集中體現(xiàn)了礦致異常信息。分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化方法使不同圖幅背景部分的標(biāo)準(zhǔn)化均值都為0,方差都為1,以此校正不同圖幅的背景差。但是由于化探數(shù)據(jù)具有獨(dú)特性、綜合性,在空間上的隨機(jī)性和規(guī)律性并存,分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化法處理還是不夠全面。

文獻(xiàn)[5-7]研究認(rèn)為，地質(zhì)數(shù)據(jù)(如地球化學(xué)場數(shù)據(jù))經(jīng)過多期次、多類型的礦化疊加,具有隨機(jī)性和規(guī)律性,導(dǎo)致其服從多重分形分布特征。同時(shí)往往由于元素的地球化學(xué)遷移以及在遷移期間體系與環(huán)境之間存在物質(zhì)和能量的交換,導(dǎo)致元素在地殼中的分布并不均勻,空間分布上有其獨(dú)特性,用分形分析方法更符合客觀事實(shí)。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于長江中下游鐵、銅成礦帶的中段北緣,滁州—廬江巖漿構(gòu)造帶的中南部。在區(qū)域構(gòu)造上位于揚(yáng)子地臺(tái)、華北地臺(tái)以及大別山造山帶與郯城—廬江斷裂帶、黃栗樹—破涼亭斷裂帶、礬山—銅陵斷裂的復(fù)合部位(俗稱“三面二刀”的區(qū)域構(gòu)造背景),構(gòu)造環(huán)境獨(dú)特[8]。構(gòu)造單元為下?lián)P子臺(tái)坳、沿江拱斷裂帶、巢湖穹斷褶束。其西南為受北西西向構(gòu)造控制的北淮陽安山-流紋粗面巖類火山巖帶;南南東側(cè)為受北東向構(gòu)造控制的廬江—樅陽斷陷式火山巖盆地,巖性以粗安質(zhì)-粗面質(zhì)類火山巖為主。

區(qū)域上構(gòu)造作用強(qiáng)烈,尤其是印支旋回的影響,形成盛橋—廬江褶皺區(qū)(主要由龍池山—東顧山向斜、查巴店—照壁山背斜組成),奠定了研究區(qū)主要構(gòu)造輪廓。同時(shí)沿郯廬斷裂帶形成一系列北東向斷裂構(gòu)造，區(qū)域附近斷層主要有:白石山—松顆韌性剪切帶、石山腳—何家大山斷層、照壁山—老橋院斷層。該區(qū)屬于揚(yáng)子地層區(qū)、下?lián)P子地層分區(qū)、和縣—安慶地層小區(qū),震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、二疊系、侏羅系、第四系等巖層均有不同程度出露。該區(qū)蝕變強(qiáng)烈而復(fù)雜,往往動(dòng)力變質(zhì)和熱液變質(zhì)交織或重疊出現(xiàn),主要有硅化、絹云母化、大理巖化、矽卡巖化、角巖化。

區(qū)域內(nèi)巖漿活動(dòng)較為強(qiáng)烈,除了有侵入的冶父山正長巖體、菖蒲山閃長雜巖體外,還有流紋質(zhì)、粗面質(zhì)的火山噴發(fā)巖石組合。

冶父山正長斑巖侵入體,出露面積約5 km2,呈北東向展布,平面上似橢圓形,其可劃分為2個(gè)相帶;巖石呈灰紅色、灰黃色,斑狀、似斑狀結(jié)構(gòu),斑晶主要為鈉長石,其次有鉀長石、石英等,具較強(qiáng)烈的鉀化、高嶺石化、硅化、絹云母化等蝕變。

沙溪石英閃長斑巖體,出露在廬樅盆地外圍、中生界復(fù)向斜次級(jí)隆起帶中,是一個(gè)以石英閃長斑巖為主,包括各種閃長玢巖及黑云母輝石閃長巖等復(fù)合巖相的雜巖體;U-Pb法測年的年齡為167 Ma;該巖體出露面積約13 km2,平面上呈東南邊緣不平直的四邊形;在銅泉山一帶主要呈巖枝、巖墻、巖株?duì)?總體傾向南東,傾角50°～60°。巖體由南西向北東方向上侵,穿插圍巖十分明顯,常見殘留頂蓋和捕虜體[9]。

2 分形分析法和傳統(tǒng)化探處理方法

全國地質(zhì)找礦“358”行動(dòng)綱要專家論證會(huì)提出了打造六大機(jī)制,確保實(shí)現(xiàn)找礦突破[10]。要通過找礦行動(dòng)進(jìn)一步豐富我國的礦產(chǎn)勘查理論,用在實(shí)踐中總結(jié)的新理論新方法反過來指導(dǎo)找礦實(shí)踐,形成實(shí)踐豐富理論、理論指導(dǎo)實(shí)踐的有機(jī)互動(dòng)。

廬江地區(qū)是礦集區(qū),發(fā)現(xiàn)的大中小礦床有泥河鐵礦、羅河鐵礦、沙溪銅礦、岳山鉛鋅礦等,在大量深入的地質(zhì)、物化探工作基礎(chǔ)上,已發(fā)現(xiàn)了大量的地質(zhì)找礦線索。

化探測量方法現(xiàn)在主要有原生暈測量、次生暈測量、分散流測量。原生暈測量方法主要是巖石地球化學(xué)測量;次生暈測量方法主要是土壤(巖屑、溝系水化學(xué)、深穿透地氣等)地球化學(xué)測量;分散流測量方法就是水系沉積物測量。

成礦元素及伴生元素從礦石中分解出來,遷移到土壤等載體中。本文數(shù)據(jù)就是基于土壤化學(xué)測量,推測可能存在的貴金屬礦點(diǎn)甚至礦床。

2.1 元素共生組合分析

本區(qū)土壤化探樣品經(jīng)中國石化石油勘探開發(fā)研究院勘查地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室檢測。選用Au、Ag、Sn、Cu、Pb、Ba、Zn、As、Sb、Mo共10種元素的1∶10 000土壤樣化驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)這些元素做多元統(tǒng)計(jì)分析,確定致礦元素、伴生元素和成礦元素組合。主要采用原子熒光光譜法。利用激發(fā)光源發(fā)出的特征發(fā)射光照射一定濃度的待測元素的原子蒸氣,使之產(chǎn)生原子熒光,在一定條件下,熒光強(qiáng)度與被測溶液中待測元素的濃度關(guān)系遵循Lambert-Beer定律,通過測定熒光的強(qiáng)度即可求出待測樣品中該元素的含量(文中“含量”均指樣品所含元素的粒子數(shù)比)。

根據(jù)研究區(qū)的6 100多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(有些數(shù)據(jù)因樣本缺失,或者與該點(diǎn)周邊數(shù)據(jù)相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)的數(shù)據(jù),作刪除處理),10種元素的數(shù)據(jù)特征見表1所列,其中Au、Ag元素對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)乘以10-9,其他元素對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)乘以10-6。

表1 10種元素的基本參數(shù)表

注:10種元素中每種元素測試數(shù)目都為6 167個(gè)。

由于Au、Ag的量綱和其他元素的不同,而該區(qū)的工作目標(biāo)是銅金礦普查,所以對(duì)這10種元素進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,即歸一化處理后元素的算術(shù)平均值變?yōu)?,均方差變?yōu)?。

標(biāo)準(zhǔn)化處理后計(jì)算元素之間的相關(guān)系數(shù),結(jié)果見表2所列,可以看出同屬于ⅠB族的Au和Ag、Cu的相關(guān)性較高(相關(guān)系數(shù)分別為33.40%、28.50%),同屬于ⅤA族的As和Sb相關(guān)性高(相關(guān)系數(shù)為65.40%);另外Pb和Zn相關(guān)性較高(相關(guān)系數(shù)為37.70%),Pb 與Zn 2種元素,雖然不屬于同一族,但是從地球化學(xué)的成礦作用過程與成礦礦物組合角度來看,均為緊密伴生。鉛鋅礦是巖漿期后熱液形成的硫化物(ZnS、PbS),形成溫度為300～200 ℃,因?yàn)殂U鋅都是親硫元素,所以它們共生在一起。

從數(shù)據(jù)上看,Au和Sb的相關(guān)性為36.00%,具體原因還有待以后深入分析,也可能僅僅是該區(qū)的特例。

表2 10種元素的相關(guān)系數(shù) %

在相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行主成分分析得到特征值及方差貢獻(xiàn)率,見表3所列,由表3可知,大于1的特征值有3個(gè)(即主成分有3個(gè)),其方差貢獻(xiàn)率超過50%;再進(jìn)行因子分析得出元素相關(guān)分組[11],正交旋轉(zhuǎn)因子F1～F3載荷見表4所列。從表4中可以明顯發(fā)現(xiàn)因子載荷有了較大變化,分異性增強(qiáng),元素組合變得清晰。以因子載荷大于0.5進(jìn)行篩選,可以得到以下的元素組合:在F1下有Au-Ag-Cu-As-Sb-Mo組合；在F2下有Pb-Zn組合； 在F3下有Sn。

F1因子是成礦層位中最主要因子,而Au在F1中載荷最高,比對(duì)地質(zhì)簡圖發(fā)現(xiàn)Au在燈影組和冷泉王組地層中礦化富集,如圖1所示。而Au和Ag、Cu相關(guān)性較高(相關(guān)系數(shù)分別為33.40%、28.50%),表明Ag、Cu元素與Au有較親密的伴生關(guān)系,可以作為指示元素。

表3 特征值與方差貢獻(xiàn)率

表4 正交旋轉(zhuǎn)因子F1～F3載荷

圖1 F1組合等值線圖

2.2 研究區(qū)化探數(shù)據(jù)傳統(tǒng)方法處理

傳統(tǒng)方法繪制的Au、Cu元素地球化學(xué)異常圖如圖2、圖3所示。

圖2 Au元素異常分布圖

2.3 分形方法圈定元素下限異常

2.3.1 分形原理

在地質(zhì)領(lǐng)域內(nèi)廣泛存在著統(tǒng)計(jì)意義上的多重分形,即地質(zhì)現(xiàn)象在一定尺度或一定層次中才表現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)的自相似性,分形重構(gòu)(或刻畫無標(biāo)度區(qū))常用的數(shù)學(xué)模型如下。

設(shè)分形模型為：

(1)

其中,r 為特征尺度;C為比例常數(shù),C> 0;D為分維數(shù),D> 0;N(r)為尺度大于等于r或尺度小于等于r的數(shù)目,當(dāng)D前面的符號(hào)取負(fù)號(hào),記為N(≥r),當(dāng)D前面的符號(hào)取正號(hào),記為N(≤r)。為了研究方便,通常采用變通的數(shù)學(xué)式(2)式,即

(2)

本文中,r為地球化學(xué)元素含量值；N(≥r)為大于等于某一元素特定含量值時(shí)對(duì)應(yīng)的所有面積之和[12]。

2.3.2 含量-面積法的MapGIS 實(shí)現(xiàn)方法

首先生成det數(shù)據(jù)文件,即在文本文件首行添加x、y、notgrid,保存為*.det,以便進(jìn)行DTM分析;再在MapGIS中生成網(wǎng)格化數(shù)據(jù),DTM分析→Grd模型→離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化;最后由庫管理→屬性庫管理→屬性→屬性輸出,導(dǎo)出屬性數(shù)據(jù)。輸出為數(shù)據(jù)庫表格(*.dbf),以便在Excel中明碼顯示并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

(1) 用MapGIS 的DTM分析模塊,先將元素含量數(shù)據(jù)進(jìn)行等值線繪制,形成一個(gè)區(qū)文件。該區(qū)文件的屬性字段有5個(gè),分別為ID、面積、周長、起始值和終止值。

(2)在空間分析子系統(tǒng)裝入該區(qū)文件,用檢索→條件檢索進(jìn)行不同r值所圍成的平面面積檢索。在起始值字段大于等于操作符后輸入不同的r值,r值為DTM分析中等值線的起始值加n倍的增量值。譬如起始值設(shè)定為15,步長增量設(shè)定為5,則r值分別為20 、25 、30、35、40、45、50、55、60,直至終止值[13]?？臻g分析得出的屬性數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 空間分析得出的屬性數(shù)據(jù)

(3) 用空間分析功能統(tǒng)計(jì)元素含量和對(duì)應(yīng)的面積,結(jié)果見表5所列。

表5 含量-面積對(duì)應(yīng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.3.3 分形理論確定的異常下限

r與N(r)分別取對(duì)數(shù),用Grapher軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,求取分維數(shù)D1和D2,臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的r值即為元素異常下限。

計(jì)算出元素含量(r)對(duì)應(yīng)的面積N,再進(jìn)行線性擬合,擬合多條直線;并比較剩余平方和,得出最佳交點(diǎn),即分形的分界點(diǎn);通過各分段擬合直線方程確定分維數(shù)D[14]。lgN(r)與lgr線性擬合圖如圖5所示。采用最小二乘法擬合,得到擬合方程，2個(gè)方程的回歸系數(shù)均通過顯著性檢驗(yàn)。

本文求出分界點(diǎn)為3.766,即分維數(shù)為3.766,所以異常值下限為e3.766=43.207,略高于傳統(tǒng)方法得出的異常值下限(35.5)。

圖5 lg N(r)和lg r線性擬合圖

2.4 數(shù)據(jù)處理后的對(duì)比分析

由于F1中Au載荷最高,并且和全因子分析中的Ag、Cu相關(guān)性較高(相關(guān)系數(shù)分別為33.40%、28.50%),將圖1與異常下限疊加后的圖作為金銀銅組合元素的空間分布圖,并且與傳統(tǒng)的等值線法繪制的Au元素異常(圖2)和Cu元素異常(圖3)對(duì)比,發(fā)現(xiàn)用新方法處理的Au、Ag、Cu高異常值區(qū)域在面積上縮小了,定位靶區(qū)更加精準(zhǔn)了;方位上略微向東偏移約100 m;并且形狀呈分開的2塊“蝌蚪狀”,而傳統(tǒng)方法處理的Au元素高異常區(qū)是1塊“葫蘆狀”, Cu元素高異常區(qū)是分開的幾塊或長條狀或塊狀的不規(guī)則形狀,從視覺上可以發(fā)現(xiàn)新方法處理的結(jié)果圖更加“銳化”。

3 結(jié) 論

地球化學(xué)領(lǐng)域,傳統(tǒng)理論認(rèn)為化探數(shù)據(jù)是呈正態(tài)分布的,研究方法只注重元素含量的頻率分布,忽視了空間信息。含量-面積分形方法可以處理不成正態(tài)分布的數(shù)據(jù),還可以不處理特低值和特高值。本文通過對(duì)新方法和傳統(tǒng)方法的對(duì)比發(fā)現(xiàn),新方法綜合考慮了元素之間的組合伴生關(guān)系以及物質(zhì)能量交換,處理結(jié)果也更加精準(zhǔn),而傳統(tǒng)方法僅考慮數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)特征,圈出的異常面積也較大。但是本文中的含量-總量分形處理方法也有局限性,后續(xù)工作進(jìn)行300 m的鉆孔驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)室測試后并未發(fā)現(xiàn)金礦化體。因此,采取多種不同方法計(jì)算異常下限并根據(jù)地質(zhì)背景進(jìn)行綜合分析比較是當(dāng)前圈定異常的科學(xué)途徑。對(duì)于成礦分析和預(yù)測,還需根據(jù)地質(zhì)(已知礦床模式、侵入體、賦礦圍巖、容礦構(gòu)造[15]、巖漿巖、熱液性質(zhì)、蝕變、礦物組合等)、物探(極化率、磁異常)等數(shù)據(jù)綜合分析。本文僅對(duì)Cu、Au元素的富集地層做了分析,對(duì)于成礦物質(zhì)的來源以及元素運(yùn)移情況,尚待研究。通過本文的分析研究,確定了貴金屬元素的高異常區(qū),對(duì)照地質(zhì)簡圖,認(rèn)為Au元素在震旦系的燈影組和寒武系的冷泉王組地層中礦化富集。

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(責(zé)任編輯 張淑艷)

Fractal analysis of data abnormities in geochemical exploration in Shungang, Lujiang

XU Qing’an, ZHANG Qianming, WANG Longhu, HONG Jiangsheng

(No.327 Team of Bureau of Geology and Mineral Exploration of Anhui Province, Hefei 230011, China)

Shungang is an area of complex geological background and multistage tectonic activities in Lujiang area. In terms of comprehensive prospecting information, the number of exploration data is huge, and the trace elements’ rules of mineralization enrichment and spatial distribution have multi-dimensional fractal characteristic. With regard to the geochemical data processing, the traditional times mean plus or minus deviation method considers only the basic features of mathematical statistics, ignoring the exchange of matter and energy elements during the migration. In this paper, taking the district of Shungang, Lujiang as an example, through the statistical analysis of soil geochemical data and based on the content-area fractal method, the copper-gold enrichment formations are drawn by comparing to the geological map. The anomaly threshold obtained by using MapGIS is similar to that by traditional methods. The method of fractal process is theoretically superior, and has more precise result of the treatment. And it has better results in drilling positioning in large-scale geological survey and mineral survey.

geochemistry; fractal theory; anomaly threshold; factor analysis; Lujiang

2015-04-10；

2015-07-03

安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查基金資助項(xiàng)目([2012]-2-19)

徐慶安(1986-),男,安徽合肥人,安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局工程師;

張千明(1960-),男,安徽合肥人,安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局正高級(jí)工程師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.09.021

P632.1

A

1003-5060(2016)09-1260-06