趋势面法提取相山地区地气异常及应用效果评价

王帅帅, 罗齐彬, 杨亚新, 符志军, 洪 昆, 吴信民, 李星阳

(1.东华理工大学地球物理与测控技术学院，南昌 330013；2.东华理工大学核资源与环境国家重点实验室，南昌 330013)

地球化学异常是进行矿产预测及评价的重要依据，不同的异常提取方法适用条件不同[1]。中国对于常规化探异常的圈定方法众多，如传统平均法[2-3]、趋势面法[4-5]、滑动平均法[6]、分形方法[7-8]、归一化法[9]等。其中，传统平均法应用最为广泛，该方法通过计算获取统一的异常下限，对研究区异常进行圈定，对地质背景较为简单的研究区的异常划分效果良好，但该方法不能客观模拟地球化学元素空间分布，在提取弱异常信息方面效果较差。而趋势面法能从地学要素分布的实际数据中分解出趋势值和异常值，识别出弱异常信息，弥补传统平均法的不足。

近年来，随着探矿工作的不断深入, 地表浅埋藏、易勘探的矿产资源日渐枯竭,寻找深部隐伏矿床已成为现在乃至今后找矿的热点和重点[10]。地气测量作为一种大深度勘探方法，其理论与应用也得到不断发展[11-20]，地气测量范围也由早期的某一条试验测线或某小片区域，扩展为较大面积的区域测量，传统平均法已无法满足大范围复杂地质背景下的元素异常圈定，首次将趋势面方法应用于地气异常的圈定，期待找到一种更合适于大面积地气异常圈定的方法，将地气测量更好地应用于深部隐伏矿产勘探。

1 研究区地质概况与工作方法

1.1 地质概况

相山地区位于扬子准地台与华夏褶皱系的过渡部位，属于赣杭火山岩成矿带与大王山-于山花岗岩成矿带交汇处。受 NE 向遂川-抚州深断裂与 NNE 向宜黄-安远深断裂控制，在中生代出现大规模的中酸性火山岩喷发和岩浆浅成侵入活动，形成一个大型火山坍塌盆地-相山盆地。相山地区发育大规模的环形火山塌陷构造，大体上从邹家山-游坊-河口排-管家垅-邹家山，略呈东西向似椭圆状展布，基底向火山盆地中心陡倾。后期次火山岩顺此通道侵位。相山地区岩性以火山岩为主，火山盆地主要分为三层结构：以中元古界浅变质岩系为主，部分地段发育下石炭统、上三叠统沉积建造的基低；上侏罗统火山岩打鼓顶组(J3d)和鹅湖岭组(J3e)分布于基底上部；火山盆地北西侧被白垩系红层所覆盖。

1.2 工作方法

1.2.1 工作布置

研究区位于相山铀矿田，是中国华南热液型铀矿基地，勘探深度已达近千米，但仍然有巨大的深部找矿潜力[21]。本次地气测量旨在获取深部隐伏铀成矿信息，研究区设计测线呈NW走向(133°)，测区内西南测的断裂构造较北东测发育，因此西南测的测线稍密，线距为400 m，北东测的测线线距为500 m，如图1所示。测区内共设计18条测线，测线长4 750 m，点距100 m。

图1 研究区测线布置

1.2.2 样品采集

野外工作使用2 mol/L硝酸10 mL为捕集介质，配合课题组研制的恒流式地气采集器(通过流量传感器调节抽气泵转速，可在不同土壤条件下保持抽气流量恒定)进行主动式地气采样，如图2所示。为提高样品代表性与矿化信息，每个测点打两个孔，孔深0.5 m，孔间距0.5 m左右，每孔抽气 10 L，累积抽气20 L。

图2 野外实际采样

野外根据手持式GPS确定测点，误差约为5 m。现场对地气样品进行编号，并记录每个测点土壤特征、地质简况等。全区预计获取样品951个，实际获取样品951个(图3)，其中检查点样品87个，为测点样品的10%。

图3 部分野外样品

1.2.3 样品分析

样品分析由东华理工大学分析测试中心完成，使用ICP-MS元素分析，分析元素为U、Th、K、Rb、Co、Mo。通过对检查点数据与原测点数据进行对比，发现90%检查点数据在原测点数据值90%～110%范围内，认为本次数据质量较好，数据可靠。

2 趋势面方法

2.1 原理简述与过程实现

趋势面方法认为大部分地学信息包括三部分信息[22]。一是反映区域性变化的：数据中反映总体的规律性变化的部分，基本受区域性因素控制；二是反映局部性变化的：由局部因素决定；三是反映随机性变化的，它是由各种随机因素造成的残差。因此，观测值由三部分构成：

Zi=Ti+Ni+ei

(1)

式(1)中：Zi为采样点的观测值；Ti代表区域性变化；Ni表示局部特征；ei为随机因素。

趋势面方法圈定局部异常一般有三个步骤：数据预处理、剩余值(残差值)计算、元素异常圈定。首先，对元素数据中的特高值进行剔除，一般用元素低值总体累积频率95%处的分位值来代替；第二步，选择合适的多项式拟合元素的趋势面；最后，分解观测值为区域分量和剩余分量，通常使用surfer软件实现此过程[5,23]。

而剩余分量包括Ni和ei,为得到异常分量Ni，需要从剩余值中减去随机分量ei。这里使用赵鹏大院士书中介绍的正剩余平均值法[22]，从剩余分量中过滤出随机分量：

(2)

2.2 数据处理

将研究区U、Th、Rb、K、Mo、Co测量数据的特高值以各元素数据低值总体累积频率95%处的分位值代替后，各元素的平均值、标准差、峰度与偏度均有明显降低(表1)，表明数据离散程度有所下降。元素数据经过处理后，避免了部分人为随机因素造成的特高值影响。应用surfer软件对处理后的数据求取剩余值Ni，以正剩余的平均值为随机分量，最终获取元素异常分量，作相应等值线图。

3 结果讨论与分析

使用两种化探数据处理方法对研究区地气测量数据进行处理后，一组以趋势面获取的剩余分量的异常分量作等值线图(其异常分量为无量纲参数)，仅以高于0值的区域为异常区域，值越大，其成矿意义越大；另一组以各元素数据等值线图为基础，通过传统平均法计算得出的异常下限圈定异常。同时参考课题组资料推测有利成矿前景区域，分析传统平均法与趋势面方法的应用效果。

表1 95%分位值替代特高值前后元素指标

综合课题组内地电化学提取异常信息、Pb同位素特征值向量异常信息以及其他课题组AMT推测基底等深线等资料，认为研究区内主要存在以下几个具有较好中深部以下有利成矿前景区域：①乐家北东侧一带；②杏树下一带；③上家岭一带；④测区西北侧中段；⑤测区南侧牛脑上一带；⑥燕窝-响石中段。

3.1 趋势面法提取地气异常

3.1.1 U、Th、Rb异常提取

经研究发现(图4)，趋势面方法圈定的U、Th、Rb异常分布极为相似，故对三种元素进行统一分析。发现研究区内趋势面法圈定的三种元素异常效果和示矿意义较好，主要表现如下：

(1)对弱异常的提取效果明显；分别在研究区内圈定了多处弱异常。

(2)圈定的异常位置示矿意义良好；分别在乐家北东侧，杏树下，牛脑上一带以及燕窝-响石中段圈定了明显的元素异常，与综合资料推测有利成矿前景区域有明显的重合，说明趋势面方法圈定的U、Th、Rb弱异常有着很好的示矿意义。

3.1.2 Mo、K、Co异常提取

经研究发现(图5)，趋势面法圈定的Mo、K、Co异常与综合资料推测的有利成矿前景区吻合较差，经分析可得出以下结果：

(1)趋势面方法在研究区圈出大范围K异常，分析原因可能为地表土壤受人类农事活动影响造成的污染。

(2)对于Mo、K、Co元素的示矿作用，还有待进一步验证。

3.2 与传统数据处理方法的对比

3.2.1 传统平均法原理

3.2.2 数据处理

表2 各元素取对数后指标与异常下限

3.2.3 对比分析

对比趋势面方法与传统平均法圈定的异常(图4、图5)，发现趋势面方法圈定异常效果明显优于传统平均法，主要表现如下：

图4 趋势面方法等值线图

图5 传统平均法等值线图

(1)对于U、Th、Rb，趋势面方法圈定的异常区域明显增加，除传统平均法圈定的两处研究区边缘的异常外，趋势面方法额外圈出了多处弱异常区域，说明趋势面法在圈定弱异常方面效果明显，较传统平均法更有优势。

(2)U、Th、Rb异常位置示矿意义良好，趋势面方法分别在乐家北东侧，杏树下，牛脑上一带以及燕窝-响石中段圈定了明显的元素异常，与综合资料推测有利成矿前景区域有明显的重合，说明趋势面方法圈定的U、Th、Rb弱异常有着很好的示矿意义。

(3)对于Mo元素，两种方法表现的元素分布趋势较为相似，但趋势面方法圈定的异常更加明显。

(4)对于K、Co元素,两种方法的异常区域存在一定的重合，但趋势面方法额外圈定的部分弱异常。

4 结论

通过对比研究分析，得出以下几点结论：

(1)首次将趋势面方法运用于地气测量异常圈定，应用效果较传统平均法更为理想，说明趋势面法对于较大区域的地气异常提取更具优势。圈定的异常在空间位置上与综合资料推测的铀成矿有利前景区域对应良好，表明趋势面方法在地气测量中的应用能为深部隐伏铀矿靶矿区的划分提供重要信息。

(2)本次地气测量工作中，趋势面法圈定的U、Th、Rb元素异常与课题组综合资料推测的铀成矿有利位置对应良好。表明研究区内，U、Th、Rb元素可视为良好的铀矿指示元素，而K、Mo、Co元素对深部铀矿的示矿作用还有待进一步验证。

(3)地气测量获取的异常信息来源于地下不同深度矿体的叠加，为圈定深部矿体位置，还需配合其他物化探方法对中浅部矿体信息进行剥离，获取深部矿致异常。