庐江顺港地区化探异常分形分析

徐庆安, 张千明, 汪龙虎, 洪江生

(安徽省地质矿产勘查局 327地质队,安徽 合肥 230011)



庐江顺港地区化探异常分形分析

徐庆安, 张千明, 汪龙虎, 洪江生

(安徽省地质矿产勘查局 327地质队,安徽 合肥 230011)

庐江顺港地区地质背景复杂,构造活动多期。在综合找矿信息方面,化探数据量大,与矿化有关的微量元素富集规律和空间分布特征具有多维分形的特点,针对化探数据处理,传统方法是采用均值加减几倍离差的方法,仅仅考虑了基本的数理统计特征,忽略了元素在迁移过程中物质与能量的交换。文章以庐江顺港地区为例,通过对土壤的化探数据进行统计分析,采用“含量-面积”模型的分形方法进行研究,对照地质图,得出铜金的富集地层,以MapGIS为工具求出的异常下限和传统方法的计算结果相近。研究认为分形处理的方法在理论上更优越,处理的结果更精确,尤其对于大比例尺的地质调查与矿产调查的钻孔定位效果更好。

地球化学;分形理论;异常值下限;因子分析;庐江

化探数据的处理是提取客观有用信息的关键步骤,有多种数学处理方法,各有优缺点,往往要结合不同区域具体的地质条件加以选择和调整。目前常见的处理方法有均值加减几倍离差、85%累计频率法、分区标准化法、分形分析法等。均值加减几倍离差的适用条件是要求地球化学场数据分布是一个连续曲面[1-2]。85%累计频率法需要对原始数据进行确定置信区间等的预处理,并且可能误删真实值,导致结果不精确[3]。分区标准化数据处理可以有效地压抑高背景区非矿异常, 并强化低背景区矿致异常, 突出了找矿信息[4]；以成矿成晕元素标准化数据的因子得分来圈定矿化类型综合异常, 集中体现了矿致异常信息。分区标准化方法使不同图幅背景部分的标准化均值都为0,方差都为1,以此校正不同图幅的背景差。但是由于化探数据具有独特性、综合性,在空间上的随机性和规律性并存,分区标准化法处理还是不够全面。

文献[5-7]研究认为，地质数据(如地球化学场数据)经过多期次、多类型的矿化叠加,具有随机性和规律性,导致其服从多重分形分布特征。同时往往由于元素的地球化学迁移以及在迁移期间体系与环境之间存在物质和能量的交换,导致元素在地壳中的分布并不均匀,空间分布上有其独特性,用分形分析方法更符合客观事实。

1 地质背景

研究区位于长江中下游铁、铜成矿带的中段北缘,滁州—庐江岩浆构造带的中南部。在区域构造上位于扬子地台、华北地台以及大别山造山带与郯城—庐江断裂带、黄栗树—破凉亭断裂带、矾山—铜陵断裂的复合部位(俗称“三面二刀”的区域构造背景),构造环境独特[8]。构造单元为下扬子台坳、沿江拱断裂带、巢湖穹断褶束。其西南为受北西西向构造控制的北淮阳安山-流纹粗面岩类火山岩带;南南东侧为受北东向构造控制的庐江—枞阳断陷式火山岩盆地,岩性以粗安质-粗面质类火山岩为主。

区域上构造作用强烈,尤其是印支旋回的影响,形成盛桥—庐江褶皱区(主要由龙池山—东顾山向斜、查巴店—照壁山背斜组成),奠定了研究区主要构造轮廓。同时沿郯庐断裂带形成一系列北东向断裂构造，区域附近断层主要有:白石山—松颗韧性剪切带、石山脚—何家大山断层、照壁山—老桥院断层。该区属于扬子地层区、下扬子地层分区、和县—安庆地层小区,震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、二叠系、侏罗系、第四系等岩层均有不同程度出露。该区蚀变强烈而复杂,往往动力变质和热液变质交织或重叠出现,主要有硅化、绢云母化、大理岩化、矽卡岩化、角岩化。

区域内岩浆活动较为强烈,除了有侵入的冶父山正长岩体、菖蒲山闪长杂岩体外,还有流纹质、粗面质的火山喷发岩石组合。

冶父山正长斑岩侵入体,出露面积约5 km2,呈北东向展布,平面上似椭圆形,其可划分为2个相带;岩石呈灰红色、灰黄色,斑状、似斑状结构,斑晶主要为钠长石,其次有钾长石、石英等,具较强烈的钾化、高岭石化、硅化、绢云母化等蚀变。

沙溪石英闪长斑岩体,出露在庐枞盆地外围、中生界复向斜次级隆起带中,是一个以石英闪长斑岩为主,包括各种闪长玢岩及黑云母辉石闪长岩等复合岩相的杂岩体;U-Pb法测年的年龄为167 Ma;该岩体出露面积约13 km2,平面上呈东南边缘不平直的四边形;在铜泉山一带主要呈岩枝、岩墙、岩株状,总体倾向南东,倾角50°～60°。岩体由南西向北东方向上侵,穿插围岩十分明显,常见残留顶盖和捕虏体[9]。

2 分形分析法和传统化探处理方法

全国地质找矿“358”行动纲要专家论证会提出了打造六大机制,确保实现找矿突破[10]。要通过找矿行动进一步丰富我国的矿产勘查理论,用在实践中总结的新理论新方法反过来指导找矿实践,形成实践丰富理论、理论指导实践的有机互动。

庐江地区是矿集区,发现的大中小矿床有泥河铁矿、罗河铁矿、沙溪铜矿、岳山铅锌矿等,在大量深入的地质、物化探工作基础上,已发现了大量的地质找矿线索。

化探测量方法现在主要有原生晕测量、次生晕测量、分散流测量。原生晕测量方法主要是岩石地球化学测量;次生晕测量方法主要是土壤(岩屑、沟系水化学、深穿透地气等)地球化学测量;分散流测量方法就是水系沉积物测量。

成矿元素及伴生元素从矿石中分解出来,迁移到土壤等载体中。本文数据就是基于土壤化学测量,推测可能存在的贵金属矿点甚至矿床。

2.1 元素共生组合分析

本区土壤化探样品经中国石化石油勘探开发研究院勘查地球化学实验室检测。选用Au、Ag、Sn、Cu、Pb、Ba、Zn、As、Sb、Mo共10种元素的1∶10 000土壤样化验数据,对这些元素做多元统计分析,确定致矿元素、伴生元素和成矿元素组合。主要采用原子荧光光谱法。利用激发光源发出的特征发射光照射一定浓度的待测元素的原子蒸气,使之产生原子荧光,在一定条件下,荧光强度与被测溶液中待测元素的浓度关系遵循Lambert-Beer定律,通过测定荧光的强度即可求出待测样品中该元素的含量(文中“含量”均指样品所含元素的粒子数比)。

根据研究区的6 100多组实验数据(有些数据因样本缺失,或者与该点周边数据相差几个数量级的数据,作删除处理),10种元素的数据特征见表1所列,其中Au、Ag元素对应数据乘以10-9,其他元素对应的数据乘以10-6。

表1 10种元素的基本参数表

注:10种元素中每种元素测试数目都为6 167个。

由于Au、Ag的量纲和其他元素的不同,而该区的工作目标是铜金矿普查,所以对这10种元素进行标准化处理,即归一化处理后元素的算术平均值变为0,均方差变为1。

标准化处理后计算元素之间的相关系数,结果见表2所列,可以看出同属于ⅠB族的Au和Ag、Cu的相关性较高(相关系数分别为33.40%、28.50%),同属于ⅤA族的As和Sb相关性高(相关系数为65.40%);另外Pb和Zn相关性较高(相关系数为37.70%),Pb 与Zn 2种元素,虽然不属于同一族,但是从地球化学的成矿作用过程与成矿矿物组合角度来看,均为紧密伴生。铅锌矿是岩浆期后热液形成的硫化物(ZnS、PbS),形成温度为300～200 ℃,因为铅锌都是亲硫元素,所以它们共生在一起。

从数据上看,Au和Sb的相关性为36.00%,具体原因还有待以后深入分析,也可能仅仅是该区的特例。

表2 10种元素的相关系数 %

在相关性分析的基础上进行主成分分析得到特征值及方差贡献率,见表3所列,由表3可知,大于1的特征值有3个(即主成分有3个),其方差贡献率超过50%;再进行因子分析得出元素相关分组[11],正交旋转因子F1～F3载荷见表4所列。从表4中可以明显发现因子载荷有了较大变化,分异性增强,元素组合变得清晰。以因子载荷大于0.5进行筛选,可以得到以下的元素组合:在F1下有Au-Ag-Cu-As-Sb-Mo组合；在F2下有Pb-Zn组合； 在F3下有Sn。

F1因子是成矿层位中最主要因子,而Au在F1中载荷最高,比对地质简图发现Au在灯影组和冷泉王组地层中矿化富集,如图1所示。而Au和Ag、Cu相关性较高(相关系数分别为33.40%、28.50%),表明Ag、Cu元素与Au有较亲密的伴生关系,可以作为指示元素。

表3 特征值与方差贡献率

表4 正交旋转因子F1～F3载荷

图1 F1组合等值线图

2.2 研究区化探数据传统方法处理

传统方法绘制的Au、Cu元素地球化学异常图如图2、图3所示。

图2 Au元素异常分布图

2.3 分形方法圈定元素下限异常

2.3.1 分形原理

在地质领域内广泛存在着统计意义上的多重分形,即地质现象在一定尺度或一定层次中才表现出统计的自相似性,分形重构(或刻画无标度区)常用的数学模型如下。

设分形模型为：

(1)

其中,r 为特征尺度;C为比例常数,C> 0;D为分维数,D> 0;N(r)为尺度大于等于r或尺度小于等于r的数目,当D前面的符号取负号,记为N(≥r),当D前面的符号取正号,记为N(≤r)。为了研究方便,通常采用变通的数学式(2)式,即

(2)

本文中,r为地球化学元素含量值；N(≥r)为大于等于某一元素特定含量值时对应的所有面积之和[12]。

2.3.2 含量-面积法的MapGIS 实现方法

首先生成det数据文件,即在文本文件首行添加x、y、notgrid,保存为*.det,以便进行DTM分析;再在MapGIS中生成网格化数据,DTM分析→Grd模型→离散数据网格化;最后由库管理→属性库管理→属性→属性输出,导出属性数据。输出为数据库表格(*.dbf),以便在Excel中明码显示并进行统计。

(1) 用MapGIS 的DTM分析模块,先将元素含量数据进行等值线绘制,形成一个区文件。该区文件的属性字段有5个,分别为ID、面积、周长、起始值和终止值。

(2)在空间分析子系统装入该区文件,用检索→条件检索进行不同r值所围成的平面面积检索。在起始值字段大于等于操作符后输入不同的r值,r值为DTM分析中等值线的起始值加n倍的增量值。譬如起始值设定为15,步长增量设定为5,则r值分别为20 、25 、30、35、40、45、50、55、60,直至终止值[13]。空间分析得出的属性数据如图4所示。

图4 空间分析得出的属性数据

(3) 用空间分析功能统计元素含量和对应的面积,结果见表5所列。

表5 含量-面积对应统计结果

2.3.3 分形理论确定的异常下限

r与N(r)分别取对数,用Grapher软件对数据进行拟合,求取分维数D1和D2,临界点对应的r值即为元素异常下限。

计算出元素含量(r)对应的面积N,再进行线性拟合,拟合多条直线;并比较剩余平方和,得出最佳交点,即分形的分界点;通过各分段拟合直线方程确定分维数D[14]。lgN(r)与lgr线性拟合图如图5所示。采用最小二乘法拟合,得到拟合方程，2个方程的回归系数均通过显著性检验。

本文求出分界点为3.766,即分维数为3.766,所以异常值下限为e3.766=43.207,略高于传统方法得出的异常值下限(35.5)。

图5 lg N(r)和lg r线性拟合图

2.4 数据处理后的对比分析

由于F1中Au载荷最高,并且和全因子分析中的Ag、Cu相关性较高(相关系数分别为33.40%、28.50%),将图1与异常下限叠加后的图作为金银铜组合元素的空间分布图,并且与传统的等值线法绘制的Au元素异常(图2)和Cu元素异常(图3)对比,发现用新方法处理的Au、Ag、Cu高异常值区域在面积上缩小了,定位靶区更加精准了;方位上略微向东偏移约100 m;并且形状呈分开的2块“蝌蚪状”,而传统方法处理的Au元素高异常区是1块“葫芦状”, Cu元素高异常区是分开的几块或长条状或块状的不规则形状,从视觉上可以发现新方法处理的结果图更加“锐化”。

3 结 论

地球化学领域,传统理论认为化探数据是呈正态分布的,研究方法只注重元素含量的频率分布,忽视了空间信息。含量-面积分形方法可以处理不成正态分布的数据,还可以不处理特低值和特高值。本文通过对新方法和传统方法的对比发现,新方法综合考虑了元素之间的组合伴生关系以及物质能量交换,处理结果也更加精准,而传统方法仅考虑数据的数理统计特征,圈出的异常面积也较大。但是本文中的含量-总量分形处理方法也有局限性,后续工作进行300 m的钻孔验证,实验室测试后并未发现金矿化体。因此,采取多种不同方法计算异常下限并根据地质背景进行综合分析比较是当前圈定异常的科学途径。对于成矿分析和预测,还需根据地质(已知矿床模式、侵入体、赋矿围岩、容矿构造[15]、岩浆岩、热液性质、蚀变、矿物组合等)、物探(极化率、磁异常)等数据综合分析。本文仅对Cu、Au元素的富集地层做了分析,对于成矿物质的来源以及元素运移情况,尚待研究。通过本文的分析研究,确定了贵金属元素的高异常区,对照地质简图,认为Au元素在震旦系的灯影组和寒武系的冷泉王组地层中矿化富集。

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(责任编辑 张淑艳)

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

安徽省地质矿产勘查基金资助项目([2012]-2-19)

徐庆安(1986-),男,安徽合肥人,安徽省地质矿产勘查局工程师;

张千明(1960-),男,安徽合肥人,安徽省地质矿产勘查局正高级工程师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.09.021

P632.1

A

1003-5060(2016)09-1260-06