趙玉巖，李 兵，陸繼龍，郝立波，趙 禹，王東明

1.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春 130026 2.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，西安 710054 3.黑龍江省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查所，哈爾濱 150080

0 引言

我國幅員遼闊，景觀類型多樣。森林、草原、荒漠、沼澤等特殊地質(zhì)地貌區(qū)占陸地面積的1/3以上。東北森林沼澤淺覆蓋區(qū)是其中的一種主要類型，分布于大興安嶺、小興安嶺、長白山、張廣才嶺和完達山等地區(qū)，面積約700 000 km2[1]。該類地區(qū)由于植被覆蓋嚴重，隱伏的巖體、地層、構(gòu)造、礦化等無法直接進行觀察研究(圖1)，通常采用轉(zhuǎn)石法、槽探法等進行地質(zhì)填圖工作。傳統(tǒng)的工作方法在精度、效率及經(jīng)濟角度都存在一定問題，難以滿足現(xiàn)代地質(zhì)填圖要求。目前，國家層面的地質(zhì)填圖工作重點已逐步轉(zhuǎn)向特殊地質(zhì)地貌區(qū)[2-3]，能夠提高上述地區(qū)地質(zhì)填圖效率、精確度和準確度的方法技術(shù)將具有重要的應(yīng)用價值。利用勘查技術(shù)方法(物探、化探和遙感)獲得基巖的多種性質(zhì)信息來輔助填圖，是可行的解決方案。如，物探局部場信息可以反映近地表地質(zhì)體的地球物理性質(zhì)，而繼承性較好的土壤則反映了基巖的地球化學(xué)特征?；诓煌刭|(zhì)體物化探特征的差異，可以實現(xiàn)基巖巖性判別。

國內(nèi)外學(xué)者基于不同勘查技術(shù)理論開展的輔助覆蓋區(qū)填圖的方法實驗，可以概括為以下幾個方面：1)從上覆土壤對基巖物質(zhì)繼承性的角度出發(fā)，以單元素或多元素背景值、特征元素組合的富集或貧化特征為依據(jù)，通過人工對比或采用多元統(tǒng)計分析的方法建立地球化學(xué)特征(元素組合特征)與地質(zhì)體單元的對應(yīng)關(guān)系，通過這些特征完成對整個研究區(qū)巖性分布的推斷[4-10]。2)基于不同地質(zhì)體存在物性特征差異的前提假設(shè)，通過建立重力、磁性或放射性等物性特征與基巖巖性的對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)巖性判斷。其中，磁法由于廣泛存在面積性數(shù)據(jù)，且采樣點密集，研究程度相對深入，有如“多頻段磁異?！?、“單元特征”等對原始數(shù)據(jù)進行衍生后增加信息量的方法探討[11-15]。3)遙感技術(shù)在識別覆蓋區(qū)巖性中應(yīng)用的主要前提是建立基巖巖性-土壤地球化學(xué)特征-生化成分-植物葉片成像光譜特征-遙感光譜和波段的關(guān)聯(lián)關(guān)系，然后進行快速、大面積地劃分。目前，遙感技術(shù)的傳統(tǒng)優(yōu)勢仍在于構(gòu)造的識別[16]。4)由于單方法可能存在的多解性，“綜合方法技術(shù)”或“多源數(shù)據(jù)融合整合”近來成為受關(guān)注的手段。目前應(yīng)用在輔助地質(zhì)填圖時多表現(xiàn)為在“決策層融合”，即先由被融合的各單方法分別解譯出成果圖件，再由專家根據(jù)經(jīng)驗結(jié)合地質(zhì)判斷，完成取舍，給出結(jié)論，尚不能實現(xiàn)在地質(zhì)體單元劃分時充分利用不同信息以降低多解性或相互印證[17]。

圖1 大興安嶺地區(qū)森林沼澤淺覆蓋區(qū)地貌Fig.1 Landform of area covered by forests and swamps at Great Khingan

上述各技術(shù)手段在實現(xiàn)巖性判別以輔助地質(zhì)填圖時，采用的根本思路多是分類(或識別)，即通過判別指標實現(xiàn)地質(zhì)體單元的劃分或識別。由于地質(zhì)情況的復(fù)雜性，一個(套)指標在實現(xiàn)兩三類地質(zhì)體判別時擁有較高的準確度，而在實現(xiàn)較多地質(zhì)體單元判別時準確度難以保證。選用多套指標是常用做法，這種做法可能在多元空間內(nèi)造成信息冗余：假設(shè)地質(zhì)體A和B在指標組合1上存在明顯差別，地質(zhì)體B和C在指標組合2上存在明顯差別，地質(zhì)體C和D在指標組合3上存在明顯差別，……，如果把所有指標組合(指標組合1, 2, 3，…)都疊加起來組合成一套更大的指標體系，那么，多元空間信息的冗余會導(dǎo)致分類效果的迅速降低，如地質(zhì)體A和B在指標組合1上的差別會被多元空間的其他維度拉近，從而降低分辨率甚至最終失去判別的意義。針對上述困難，本文提出協(xié)同利用物化探信息、多步判別、逐步聚類的解決方案，即從一個研究區(qū)所有地質(zhì)體單元的宏觀特點出發(fā)，每一步僅針對擬識別地質(zhì)體單元的特點選擇物化探特征參數(shù)進行判別分析，把確定的地質(zhì)體單元(組)從整體統(tǒng)計數(shù)據(jù)中拆分開，逐步分級，細化分類，逐層逼近，從而實現(xiàn)有針對性的巖性劃分，以達到提高精確度和準確度的目的。

關(guān)于物化探特征的聯(lián)合使用，作者認為這2種信息的特征是地質(zhì)體單元不同性質(zhì)的表現(xiàn)，它們產(chǎn)生的機理存在根本差異，本文中將不討論2類信息的對應(yīng)關(guān)系而重點研究這2類信息的協(xié)同利用，使之在地質(zhì)體識別中發(fā)揮各自的優(yōu)勢。

地質(zhì)填圖面積性工作的特點決定了用來輔助地質(zhì)填圖的勘查技術(shù)方法的數(shù)據(jù)應(yīng)是面積性數(shù)據(jù)。很明顯，區(qū)域化探數(shù)據(jù)滿足上述要求，而且有公開的由“區(qū)域地球化學(xué)掃面計劃”獲得的覆蓋全國的化探數(shù)據(jù)可供使用。常規(guī)物探方法包括重力、磁法、電法、地震和放射性等。其中，航磁數(shù)據(jù)覆蓋面廣、采樣密度高，地質(zhì)研究的重點區(qū)域和成礦區(qū)帶也已基本覆蓋。所以本文將探討如何利用化探、航磁這2種數(shù)據(jù)的二次開發(fā)來輔助淺覆蓋區(qū)地質(zhì)填圖，這從經(jīng)濟角度考慮也是很有價值的。

1 基本步驟

1∶25萬區(qū)域化探數(shù)據(jù)的特點是分析指標多，有39個指標，但采樣密度較低，2 km×2 km采一個樣；1∶5萬航磁測量數(shù)據(jù)的特點是采樣密度較高，每平方公里約150個測量點，但每個測量點只有一個指標，即剩余磁異常(ΔZ)。為了將2種信息協(xié)同使用，需分步解決如下問題：1)物化探采樣單元(統(tǒng)計單元)的統(tǒng)一；2)將統(tǒng)計單元內(nèi)航磁數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為多個特征參數(shù)；3)統(tǒng)計單元內(nèi)篩選化探指標并構(gòu)建其特征參數(shù)；4)采用分類及判別的方法逐步實現(xiàn)地質(zhì)體單元類型的判別。據(jù)此，可將本文數(shù)據(jù)處理的基本步驟總結(jié)為圖2。下面將分別介紹物化探特征的構(gòu)建方法和基于這些特征的地質(zhì)單元逐步識別方法。

2 物化探特征的構(gòu)建方法

2.1 統(tǒng)計單元的建立

已知航磁數(shù)據(jù)采樣密度遠大于化探數(shù)據(jù)，本文采用的方法是將化探單個采樣點代表的區(qū)域面積設(shè)定為統(tǒng)計單元，航磁數(shù)據(jù)按此單元劃分并分別統(tǒng)計計算。1∶25萬比例尺的區(qū)域化探測量是每2 km×2 km測試1件樣品，對應(yīng)的面積內(nèi)有約150個航磁數(shù)據(jù)ΔZ(1∶5萬比例尺數(shù)據(jù))?？梢詫⒀芯繀^(qū)內(nèi)物化探數(shù)據(jù)按照2 km×2 km方格劃分為網(wǎng)格單元，每個單元內(nèi)化探樣品的位置作為新特征數(shù)據(jù)的坐標，每個單元內(nèi)有39個化探指標和約150個航測數(shù)據(jù)，下一步分別將這些數(shù)據(jù)構(gòu)建成特征參數(shù)，即在形式上實現(xiàn)了對研究對象的統(tǒng)一(圖3)。

2.2 物探數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為特征參數(shù)

航磁方法的優(yōu)勢在于其具有穿透性，用于地質(zhì)體識別時不受覆蓋區(qū)景觀條件的限制。由于組成礦物的差異，不同巖石會表現(xiàn)出不同的磁性特性。磁性特征表現(xiàn)在單點級別上是ΔZ數(shù)值的變化，宏觀表現(xiàn)則是區(qū)域磁場特征的變化。地質(zhì)體單元之間的特征差別是識別基巖類型的依據(jù)。從巖類的角度看：大多數(shù)沉積巖幾乎不含鐵磁礦物，它們通常具有最弱的磁性；巖漿巖從酸性到堿性，具有逐漸增多的鐵磁性礦物含量，因而有逐漸增強的磁性；變質(zhì)巖由于其母巖組成的原因而表現(xiàn)出較為復(fù)雜的磁性特征。巖石磁性特征主要受巖性和時代的控制。從地質(zhì)體類型的角度看：多數(shù)情況下，古老的地臺會表現(xiàn)出“無方向性的寬緩的正異?！钡奶卣?；褶皺區(qū)通常表現(xiàn)出“具有明顯方向性的正負交替的條帶異常”的特征；花崗巖地帶是“中等或弱磁性”，其磁性與巖石的成巖年齡成反比；玄武巖地區(qū)是“以高值為特點的變化大的磁異常，有跳變異?！?；沉積巖區(qū)表現(xiàn)為“穩(wěn)定的弱異?！薄Ｒ虼?，可以通過建立統(tǒng)計單元內(nèi)帶有地質(zhì)意義的ΔZ統(tǒng)計參數(shù)來定量描述物探特征。

圖2 物化探數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.2 Flow chart summarising the method of data processing

圖3 單個統(tǒng)計單元內(nèi)物化探數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為特征參數(shù)示意圖Fig.3 Geochemical and geophysical data and parameters generated from them in one sampling unit

地質(zhì)填圖工作研究的是地表附近的地質(zhì)體信息，而航磁信息反映從居里面至地表數(shù)十千米范圍內(nèi)的所有地質(zhì)體的磁場疊加場，它們客觀上也是不對應(yīng)的。因此，需要先對航磁數(shù)據(jù)進行場分離處理，獲得局部場數(shù)據(jù)以進行下一步研究。由于區(qū)域場為低頻信號，局部場為高頻信號，通過數(shù)學(xué)計算將局部場分離出來是可行的。目前，實現(xiàn)場分離的數(shù)學(xué)方法有很多，如解析延拓、匹配濾波、小波變換和切割法等[18-20]。其中切割法可以將距離較近磁性體單元的局部異常較好地分離開來，非常適用于巖性劃分研究。因此，本文選用切割法[21]進行了區(qū)域場和局部場的分割。切割因子構(gòu)建方法如下：

設(shè)切割半徑為R，測量值為z=z(x,y)，Q為計算確定的區(qū)域場，則切割因子為

其中：

z(x,y+R)+z(x,y-R)]，

a=b+c，

Δzx=z(x+R,y)-z(x-R,y)，

Δzy=z(x,y+R)-z(x,y-R)。

在多次連續(xù)切割之后，當計算的區(qū)域場非常接近真實值時(小于設(shè)定的誤差值)，就可以將它作為區(qū)域場(背景場)。從測量數(shù)據(jù)中減去該值可以獲得局部場。然后，利用局部場分別對每個統(tǒng)計單元進行特征統(tǒng)計計算即可得到全區(qū)各單元的特征參數(shù)表。本文使用的航磁特征參數(shù)列于表1。

2.3 化探數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為特征參數(shù)

化探信息能夠用于識別基巖類型的關(guān)鍵因素是研究區(qū)風(fēng)化產(chǎn)物(土壤)與母巖(基巖)成分之間需具有明顯的相關(guān)性。高寒氣候?qū)е聳|北森林沼澤淺覆蓋區(qū)的風(fēng)化作用以物理風(fēng)化為主、化學(xué)風(fēng)化為輔。該區(qū)土壤中含有相當多的殘留造巖礦物，如長石、石英、黑云母等。元素組成因子分析結(jié)果[22]表明，土壤相對基巖造巖元素的組成沒有明顯變化，并且主要造巖元素的組合特征基本一致，證明了土壤對基巖組成的繼承性。因此，在該類地區(qū)通過土壤組分來識別基巖類型是可行的。此外，土壤與其基巖之間的位移距離也是不容忽視的。土壤位移過大，會影響識別精度。研究結(jié)果[22]表明，在坡度小于25°的情況下，東北森林沼澤淺覆蓋區(qū)內(nèi)土壤相對于基巖的位移一般小于200 m(表2)，能夠滿足編制用于輔助填圖的推斷解釋地質(zhì)圖的需要。明確了上述關(guān)系，就可以以土壤指向母巖，根據(jù)土壤的組成完成基巖的判別。

表1 航磁特征參數(shù)表

表2東北森林沼澤淺覆蓋區(qū)土壤相對于基巖的位移統(tǒng)計

Table2SummarycharacteristicsofthedistancefromweatheringresiduetotheirbedrockatshallowoverburdenareainNortheastChina

注：據(jù)文獻[22]。

構(gòu)建化探特征參數(shù)的思路是，從化探數(shù)據(jù)二次利用的思路出發(fā)，基于區(qū)域化探39種指標來構(gòu)建組合指標，組合指標應(yīng)在不同巖性間存在較明顯的差別。如：常見超基性巖石的酸度低，堿度低，但鐵、鎂含量高；碳酸鹽巖酸度低，鈣含量高；泥巖砂巖等則以硅鋁含量高為特點。因此，地球化學(xué)特征指標應(yīng)當包括巖石化學(xué)參數(shù)中常見的酸度、堿度、鋁飽和度等，也可以包括稀土元素、微量元素組合、個別造巖元素等在不同巖性間有區(qū)別度的參數(shù)。本文構(gòu)建的化探特征參數(shù)列于表3。

2.4 特征數(shù)據(jù)的標準化

依據(jù)表1和表3的描述，可以通過編程計算出研究區(qū)所有統(tǒng)計單元的物化探特征參數(shù)，并將所有參數(shù)構(gòu)建到一個新數(shù)據(jù)表中，令參數(shù)為列、樣品為行。但是，還不能直接將這個參數(shù)表用于判別分析；這是由于，不同參數(shù)數(shù)量級的差異可能造成權(quán)重不同，有的參數(shù)可能失效。因此，這些新參數(shù)需要進行標準化或正規(guī)化。本文研究中采用如下標準化方法：

Xij=(xij-xi)/Si。

式中：Xij是輸出的標準化結(jié)果；xij是第i行和第j列中的數(shù)據(jù)；xi是第i列的平均值；Si是第i列的方差。

標準化之后的數(shù)據(jù)可用于樣品的逐級分類研究。對于上述所有計算步驟的Matlab語言程序代碼，讀者可聯(lián)系作者索取使用。樣品分類計算可采用K均值聚類分析方法，該算法能指定分類數(shù)量，是一種高效、可伸縮的經(jīng)典算法。本文采用Minitab 軟件中的K均值聚類模塊進行計算。

3 基于物化探特征的地質(zhì)單元逐步識別

在給定的研究區(qū)，地質(zhì)體的種類一般為十幾類(或二十幾類)左右，在這樣較小的范圍內(nèi)，由于其地質(zhì)作用背景基本相同，巖性識別是容易的。通過3個層次的分類，每層劃分2～4類，就可以實現(xiàn)不超過30類巖性的劃分。

第一層次的分類應(yīng)當是巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖(以下簡稱三大巖)的分類。通常情況下，三大巖的區(qū)別表現(xiàn)在成分和物性等的各個角度，分類特征明顯。在這一分類層次，首先應(yīng)當結(jié)合研究背景推測研究區(qū)超基性巖存在的可能性，如果有，需要首先利用航磁特征和Mg、Fe含量識別出超基性巖。第二步，利用航磁特征和化探特征把三大巖類的數(shù)據(jù)分開，特征參數(shù)的選擇需要根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)背景確定。也可以嘗試基于航磁特征劃分三大巖類，通過分類數(shù)據(jù)的重心距離和已知地質(zhì)情況判斷分類結(jié)果的正確性，如果結(jié)果正確則進行下一層次。即使不能正確地分為3類，通常也能識別出巖漿巖區(qū)域，可以采用化探特征進一步劃分沉積巖和變質(zhì)巖。

表3 化探特征參數(shù)表

完成上述第一層次的分類之后，可以得到巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖3類數(shù)據(jù)。對這3類數(shù)據(jù)分別進行進一步分類。1)關(guān)于巖漿巖數(shù)據(jù)的進一步分類。成分類似的侵入巖和噴出巖是無法通過化探特征區(qū)分的，而它們的磁性特征有較大差異。因此，可以考慮首先嘗試用化探特征進行分類，如酸度、鈣度、稀土等參數(shù)。再進一步觀察每一子類的物探特征： 如果相似就不再分類；如果不同，則用物探特征進行第三層次的分類，區(qū)分出侵入巖和噴出巖，或產(chǎn)于不同時代的類似巖性。這樣可以基本實現(xiàn)巖漿巖數(shù)據(jù)的分類。2)關(guān)于沉積巖數(shù)據(jù)的進一步分類。應(yīng)當首先利用化探特征把碳酸鹽巖和鋁硅酸巖2類巖石分開，如選用參數(shù)X(CaO+MgO)和X(SiO2+Al2O3)，然后再進一步利用物探特征把鋁硅酸巖數(shù)據(jù)分為陸源沉積巖、火山-沉積碎屑巖等2類數(shù)據(jù)。3)關(guān)于變質(zhì)巖數(shù)據(jù)的進一步分類。當前研究針對面積較大的區(qū)域變質(zhì)，區(qū)域地球化學(xué)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)精度上無法實現(xiàn)其變質(zhì)類型的研究。在區(qū)域變質(zhì)作用過程中，巖石的主要造巖元素相對其母巖基本保持不變。由于已經(jīng)把三大巖數(shù)據(jù)分別單獨處理，也就避免了進一步分類時與其他2類巖石中成分相似巖類的混淆。所以，變質(zhì)巖的進一步劃分應(yīng)當依據(jù)主要造巖元素的特征進行分類。

由于分類手段只是實現(xiàn)巖性識別的工具，任何階段分類結(jié)果的正確性都需要研究人員結(jié)合已知地質(zhì)情況分析判斷其正確性，只有認為當前分類層次的結(jié)果合理了才能進行下一步的分類。由于地質(zhì)情況的復(fù)雜性，不能把所有工作簡單機械的委托計算機完成。這也是無法給出“逐步分類判別”標準步驟的根本原因。

在完成所有樣品的分類之后，就可以制作研究區(qū)的地質(zhì)體單元分類圖。進一步工作是將各類轉(zhuǎn)換為地質(zhì)體單元名稱。分類結(jié)果只代表某些樣品屬于同一類，要確定其代表的地質(zhì)體類型，需要建立分類與地質(zhì)體(或巖性)之間的對應(yīng)關(guān)系。確定某類樣品對應(yīng)的地質(zhì)體名稱有如下幾個途徑：1)采用包括了該分類位置地質(zhì)報告(前人研究資料)中的野外描述；2)結(jié)合該分類的物化探特征估計可能的地質(zhì)體類型；3)下一步地質(zhì)工作中，在交通方便利于施工的地方槽探觀察。

通過上述工作獲得的圖件僅可稱作推斷解釋圖，是不能代替地質(zhì)圖的。在正式的野外工作開始之前獲得該圖件，可以參考其布置野外工作的重點和路線。如在不確定巖性地質(zhì)體上易于工作的位置布置少量槽探坑探，面積較大、確定的地質(zhì)體可以少安排野外路線工作，而把精力關(guān)注在巖性邊界或特殊地質(zhì)體位置。由于每個研究區(qū)的地質(zhì)情況不同，規(guī)定出標準的分類步驟和參數(shù)是不科學(xué)的，實際工作中需要根據(jù)地質(zhì)體的根本特點進行調(diào)整，如忽略不存在地質(zhì)體類型的判別步驟。顯然，參數(shù)選定和分類結(jié)果確認都需要較為熟悉該研究區(qū)地質(zhì)背景的科研人員來完成。

4 實例分析

4.1 地質(zhì)概況及數(shù)據(jù)分析

本文以黑龍江省大興安嶺某地區(qū)為研究區(qū)進行試驗研究。該區(qū)位于大興安嶺火山巖帶、上黑龍江盆地、北興安地塊和興華地塊的交界地帶[22]，面積約為8 000 km2，主要地質(zhì)體可分為古元古代巖漿巖、古生代花崗巖、中生代火山巖和沉積巖等，巖石類型包括正長花崗巖、花崗閃長巖、二長花崗巖、玄武巖、安山巖、英安巖、流紋巖、凝灰?guī)r、礫巖、砂巖、泥巖等。該地區(qū)地質(zhì)露頭少，植被覆蓋嚴重，是典型的森林沼澤淺覆蓋區(qū)。研究區(qū)幾乎完全被土壤和植被覆蓋，相對高差小于200 m，腐殖質(zhì)層和殘余礫石層的厚度一般大于2 m(部分地區(qū)可達3 m)。由于覆蓋影響嚴重，在國土資源大調(diào)查工作之前，該區(qū)的地質(zhì)研究程度較低，當時的地質(zhì)簡圖如圖4所示。

1.第四系；2.中生代火山巖；3.中生代沉積巖；4.古生代花崗巖；5.古元古代巖漿巖；6.古元古代變質(zhì)巖；7.中基性巖體；8.斷裂；9.地名。圖4 研究區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.4 Geological map of the study area

本文研究使用的區(qū)域地球化學(xué)數(shù)據(jù)來自區(qū)域化探全國掃面計劃[23]。樣品主要為在草層或腐殖質(zhì)層下的土壤，樣品數(shù)為1 973，采樣密度為1點/(4 km2)。比例尺為1∶25萬(圖5)。每個樣品分析39種指標，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、V、W、Y、Zn、Zr、Al2O3、CaO、Fe2O3、K2O、MgO、Na2O、SiO2和Rb。樣品分析測試嚴格，分析質(zhì)量可靠[23]。

航磁數(shù)據(jù)是通過20世紀80年代由黑龍江省地質(zhì)局物探大隊實施的航磁數(shù)據(jù)調(diào)查項目獲得的，比例尺為1∶5萬[24]。航磁測量的線距為200 m，點據(jù)為5 m，飛行高度為120 m。研究區(qū)磁傾角為11°51′，磁偏角為69°23′，共使用209 740個數(shù)據(jù)點(圖6)。統(tǒng)計結(jié)果表明，磁異常值的范圍為-3 498～7 257 nT，中值為127 nT，平均值為157 nT，標準差為238，方差為56 851。

4.2 統(tǒng)計單元劃分與特征參數(shù)提取

以研究區(qū)區(qū)域化探樣品的采樣密度為標準，設(shè)置單元網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為2 km×2 km，每個網(wǎng)格內(nèi)有1個化探樣品的39個指標，以及約150個航磁ΔZ數(shù)據(jù)(圖5)。根據(jù)表1和表3描述的特征建立方法，建立統(tǒng)一的特征參數(shù)統(tǒng)計表，其格式如表4所示(數(shù)據(jù)量太大，只舉例列出)。

4.3 逐級分類

根據(jù)已有的地質(zhì)資料分析，研究區(qū)內(nèi)沒有較大面積的基性-超基性巖出露，將不再嘗試識別基性超基性巖。因此，樣品第一層次分類的目標是將巖漿巖類與沉積巖等其他巖類樣品分開。采用2種指標分別進行分類試驗：一是采用磁異常眾數(shù)、磁異常寬度、磁異常變化頻率、磁異常峰度和磁異常偏度等地球物理特征指標進行分類；二是上述地球物理特征指標和酸度、鋁含量、鈣鎂含量等幾個地球化學(xué)特征指標聯(lián)合進行分類。為了驗證分類效果，將分類數(shù)分別設(shè)為2類、3類和4類。在所有分類結(jié)果中，位于研究區(qū)中部的一批樣品總是被分為一類。據(jù)此，可以判斷這類樣品在物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)上與全區(qū)其他樣品有明顯區(qū)別，它們可以首先被確認出來。結(jié)合地質(zhì)資料判斷，這類樣品應(yīng)屬于巖漿巖類。而其他樣品在各種分類方案中，則難以發(fā)現(xiàn)類型穩(wěn)定的趨勢。因此，在當前分類參數(shù)下的沉積巖類或其他巖類無法被區(qū)分開，需要在下一步的研究中進行劃分。所以，樣品第一層次的分類結(jié)果是：能夠明顯將巖漿巖類和非巖漿巖類分開(圖6)。在Excel表中將2類數(shù)據(jù)進行篩選、分別存入不同的數(shù)據(jù)文件，分別記為A和B。

針對上一步篩選產(chǎn)生的2類數(shù)據(jù)：巖漿巖類數(shù)據(jù)(A)和非巖漿巖類數(shù)據(jù)(B)，分別進行進一步分類。根據(jù)已知的地質(zhì)資料(圖4)，本區(qū)巖漿巖主要為古生代花崗巖和古元古代巖漿巖，這2類巖石在形成時代上有較大差異；因此，在數(shù)據(jù)A的進一步分類中將這2類樣品分開。由于區(qū)內(nèi)巖漿巖較為古老，磁異常變化頻率和寬度的差異不太明顯，而酸度等在相同巖石類型、不同巖相間的差異大于這兩大類巖石之間的差異；故選擇一些特征明顯的參數(shù)用于分類研究，包括：磁異常眾數(shù)、堿度、X(CaO)、X(B)、X(Be)、X(Ba)、X(Li)、X(V)、X(Ti)、X(Ni)、X(Cr)等。利用上述指標，采用K均值聚類分析方法，將巖漿巖類樣品分為古元古代巖漿巖和古生代花崗巖2類(圖7)，其分布都相對集中，也符合已知地質(zhì)資料和地質(zhì)常識。在Excel表中將2類數(shù)據(jù)進行篩選、分別存入不同的數(shù)據(jù)文件，分別記為A1和A2。非巖漿巖類數(shù)據(jù)(B)代表了區(qū)內(nèi)的中生代火山巖類、中生代沉積巖類等地質(zhì)體?？紤]到區(qū)內(nèi)火山巖和沉積巖的磁性特征差別不明顯，而其化學(xué)組成差異較大，因此，選擇用于分類的參數(shù)為磁異常眾數(shù)和地球化學(xué)特征參數(shù)，包括：X(Al2O3)、X(CaO+MgO)、X(Al2O3+SiO2)和X(B)、X(Be)、X(Ba)、X(Li)、X(V)、X(Ti)、X(Ni)、X(Cr)等。利用上述指標，采用K均值聚類分析方法，將樣品分為中生代沉積巖和中生代火山巖2類(圖8)。在Excel表中將2類數(shù)據(jù)進行篩選、分別存入不同的數(shù)據(jù)文件，分別記為B1和B2。

在完成A1、A2、和B1、B2的數(shù)據(jù)準備之后，開始第三個層次的樣品分類研究，這一部分包括對古元古代巖漿巖類(A1)、古生代花崗巖類(A2)、中生代沉積巖類(B1)和中生代火山巖類(B2)的進一步分類。

古元古代巖漿巖類(A1)的分類結(jié)果如圖9所示。研究區(qū)古元古代巖漿巖以和花崗閃長巖為主，因此，在選擇分類參數(shù)時，主要采用巖石化學(xué)參數(shù)及微量元素指標，包括酸度、堿度X(CaO)、X(Al2O3)

空白位置無數(shù)據(jù)。圖5 研究區(qū)樣品位置和單元劃分Fig.5 Location of geochemical and geophysical samples and description of units

以及X(B)、X(Be)、X(Ba)、X(Li)、X(V)、X(Ti)、X(Ni)、X(Cr)等。

古生代花崗巖類(A2)的分類結(jié)果如圖10所示。研究區(qū)古生代花崗巖發(fā)育面積較大，巖石類型以正長花崗巖和二長花崗巖為主，分布時代為奧陶紀和石炭紀。將樣品同時劃分2個時代和2種巖石類型需要4個維度，可能導(dǎo)致分類結(jié)果不確定性增加；因此，在這一步，僅將樣品根據(jù)時代劃分為奧陶紀花崗巖和石炭紀花崗巖類2類，劃分依據(jù)采用地球物理特征參數(shù)。需要指出的是，在多次嘗試分類過程中，圖10中淺黃色的一類樣品始終獨立存在，結(jié)合地質(zhì)知識判斷，這類樣品的位置是沉積巖(或火山巖)類和花崗巖類的邊界位置，應(yīng)為深部花崗巖類上覆沉積巖(或火山巖)的復(fù)合結(jié)構(gòu)。因此，在本類細分研究時它們的磁性特征與沉積巖、火山巖和花崗巖類均不同。由于處于2類地質(zhì)體的邊界附近，風(fēng)化的土壤也繼承了邊界附近2類地質(zhì)體的特點而變得復(fù)雜。所以在圖10中，以淺黃色標記的一類樣品屬于邊界附近的特殊樣品，這類樣品在最終解譯時應(yīng)根據(jù)其接觸的地層類型進行歸類。

表4 研究區(qū)部分物化探特征數(shù)據(jù)

圖7 巖漿巖類樣品(A)分類圖Fig.7 Sample classification of magmatic rocks

圖8 非巖漿巖類樣品(B)分類圖Fig.8 Sample classification of non-magmatic rocks

圖9 古元古代巖漿巖類(A1)分類圖Fig.9 Sample classification of Early Proterozoic magmatic rocks (A1)

圖10 古生代花崗巖類(A2)分類圖Fig.10 Sample classification of Paleozoic granite (A2)

圖11 中生代沉積巖類(B1)分類圖Fig.11 Sample classification of Mesozoic sedimentary rocks (B1)

中生代沉積巖類(B1)的分類結(jié)果如圖11所示。研究區(qū)中生代沉積巖主要為陸源沉積巖，其進一步分類的主要依據(jù)是碎屑組分的粒徑，而沉積巖中某些微量元素的含量與沉積礦物粒徑大小密切相關(guān)；因此，采用地球化學(xué)特征參數(shù)中的X(B)、X(Be)、X(Ba)、X(Li)、X(V)、X(Ti)、X(Ni)、X(Cr)等為指標對中生代沉積巖進行分類。分類結(jié)果中，深綠色方塊標記的樣品位置與區(qū)內(nèi)已知的以泥巖、粉砂巖為主的地層位置完全吻合，以淺綠色方塊標記的樣品位置則與區(qū)內(nèi)以礫巖、砂巖為主的地層位置吻合。

中生代火山巖類(B2)的分類結(jié)果如圖12所示。研究區(qū)中生代火山巖主要為英安流紋巖(英安巖、流紋巖)系列和玄武粗安巖(玄武巖、粗安巖)系列兩大類。這兩大類的主要造巖元素比較接近且均為噴出巖，磁性特征的差別不明顯。因此，選擇其分類依據(jù)為X(Ba)、X(Li)、X(Ti)、堿度、X(CaO)、X(MgO+Fe2O3)等巖石化學(xué)參數(shù)。

圖12 中生代火山巖類(B2)分類圖Fig.12 Sample classification of Mesozoic volcanic rocks (B2)

至此，完成了A1、A2、B1、B2樣品的進一步分類。但是，在古生代花崗巖(A2)的分類結(jié)果(圖10)中僅完成了奧陶紀花崗巖和石炭紀花崗巖的時代劃分，還需分別進一步分別進行巖石類型劃分。將奧陶紀花崗巖類數(shù)據(jù)保存為A2-O，將石炭紀花崗巖類數(shù)據(jù)保存為A2-C，分別采用巖石化學(xué)參數(shù)及微量元素指標：酸度、堿度、X(CaO)、X(Al2O3)、X(B)、X(Be)、X(Ba)、X(Li)、X(V)、X(Ti)、X(Ni)、X(Cr)等進行分類。分類結(jié)果如圖13、14所示：奧陶紀花崗巖分為奧陶紀正長花崗巖和奧陶紀二長花崗巖；石炭世花崗巖分為石炭紀正長花崗巖和石炭紀二長花崗巖。

圖13 奧陶紀花崗巖類(A2-O)分類圖Fig.13 Sample classification of Ordovician granite (A2-O)

圖14 石炭紀花崗巖類(A2-C)分類圖Fig.14 Sample classification of Carboniferous granite (A2-C)

將上述最終分類結(jié)果(圖9、11、12、13、14)合并到一張圖上，得到研究區(qū)樣品最終分類圖(圖15)。根據(jù)各分類的可能地質(zhì)體類型進行解譯并進行標注，結(jié)果如圖16所示。

4.4 效果分析

圖例同圖9—14。圖15 研究區(qū)樣品最終分類圖Fig.15 Final sample classification of the study area

從解譯圖和已知地質(zhì)信息對比分析來看：1)本文方法是有效的。本文地質(zhì)體單元劃分結(jié)果(圖16)與已知地質(zhì)信息(圖4)的吻合度較高；且劃分結(jié)果更詳細，能為野外地質(zhì)路線布置和解釋提供較多信息。2)本文方法的分類結(jié)果是可靠的。第四系發(fā)育的位置基本位于巖性邊界附近的薄弱地帶，而巖性分類結(jié)果與之匹配，印證了分類結(jié)果的合理性。對A2類樣品進行分類時，圖10中淺黃色一類樣品始終獨立存在。這類樣品的分布位置是沉積巖(或火山巖)類和花崗巖類的邊界位置，應(yīng)為深部花崗巖上覆沉積巖(或火山巖)的復(fù)合結(jié)構(gòu)。根據(jù)物化探特征給出的分類結(jié)果與地質(zhì)現(xiàn)象完全吻合。3)解譯圖精確度受地球化學(xué)樣品采樣密度的控制，與方法本身無關(guān)。本文作為方法驗證的地球化學(xué)樣品的采樣密度為1點/(4 km2)，地質(zhì)體單元解譯的精度受限；如果地球化學(xué)信息采用的采樣密度為8～12點/km2的比例尺為1∶5萬的數(shù)據(jù)，地質(zhì)體單元解譯的精度將會大幅度提高。4)解譯成果對于野外調(diào)查工作具有明確的指導(dǎo)意義。在類似的淺覆蓋區(qū)開展填圖工作時，建議可以先制作解譯圖件。野外路線布置時，可以根據(jù)分類情況有所側(cè)重，如解譯圖中新識別出地質(zhì)體與2類或多類性質(zhì)相似地質(zhì)體的邊界位置；而對于面積較大、可信度較高的同一地質(zhì)體內(nèi)部可以較少安排工作，從而提高效率，節(jié)約成本。

5 結(jié)論

本文提出了采用逐級分類的思想、基于基巖磁性特征及其風(fēng)化產(chǎn)物的物質(zhì)成分特征信息對淺覆蓋區(qū)基巖巖性進行分類識別的理論和方法，并以黑龍江某典型淺覆蓋區(qū)的數(shù)據(jù)為例進行了方法驗證，結(jié)果表明：

1)將區(qū)域物、化探數(shù)據(jù)通過變換，轉(zhuǎn)化為可以共同使用的特征信息，2類特征指向同一研究單元，有利于降低物探或化探單一方法的多解性，提高地質(zhì)研究結(jié)果的準確度。

2)協(xié)同使用物、化探信息，分層次有針對性地選用參數(shù)，實現(xiàn)采樣單元逐級分類，并應(yīng)用于淺覆蓋區(qū)地質(zhì)體識別中，能提高識別精確度，為這類地區(qū)的地質(zhì)填圖提供豐富的信息。

3)本文方法利用已有的區(qū)域化探和物探數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)的二次處理即可得到更多地質(zhì)信息，經(jīng)濟成本較低，計算方法簡單，數(shù)據(jù)處理效率高。

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