西北半干旱地區巖屑地球化學異常提取方法的研究

范小軍，陳 沖，王曉剛，陳 根

(1.四川省核工業地質調查院，四川 成都 610066;2.中國地質大學(武漢)資源學院，湖北 武漢430074)

西北半干旱地區巖屑地球化學異常提取方法的研究

范小軍1，2，陳 沖2，王曉剛1，陳 根1

(1.四川省核工業地質調查院，四川 成都 610066;2.中國地質大學(武漢)資源學院，湖北 武漢430074)

西北地區主要發育殘山丘陵地貌。風成砂、急雨過后的黃土硬殼以及下伏膏巖層的普遍發育在一定程度上影響了地球化學勘查數據的代表性，也給異常的提取和解釋帶來了困難。針對這種特殊的自然景觀和地質背景，以西北半干旱地區——阿拉善某地為例，介紹了工作區地質特征，用傳統的統計學方法、趨勢面法、滑動平均法提取相關元素地球化學異常，在此基礎上結合地質礦產資料進行綜合對比，探討了較為適合半干旱地區地球化學勘查數據處理的方法。

巖屑地球化學測量;異常提取;趨勢面法;滑動平均法;西北半干旱地區

0 引言

我國西北地區屬于半干旱氣候條件，嚴重缺水，地質研究程度低。由于本區蒸發強烈，往往在短暫的暴雨后，會在山坡的下部、溝谷以及第四系中形成10～30 cm的堅硬黃土硬殼，第四系中甚至可厚達1 m以上。黃土殼中也有少量的細小巖屑與風成砂，但是巖屑顆粒外被堅硬的黃土皮殼包裹，有些粒度與下部的巖屑粒度相差不大。另外，下伏的膏鹽層在工作區也比較發育，形成的地球化學障能夠對成礦及伴生元素異常的顯示起屏蔽作用。

在前人研究成果的基礎上，結合研究區實際地理景觀條件，認為研究區不適宜水系沉積物地球化學測量，也不適宜基巖地球化學測量。因此，采用巖屑地球化學測量方法。

1 區域地質背景

從大地構造位置上看，研究區地處塔里木、哈薩克斯坦、西伯利亞和華北4大板塊匯聚地帶，屬于天山—興蒙造山系(一級構造單元)額濟納—北山弧盆系(二級構造單元)公婆泉島弧(三級構造單位)構造的西部(潘桂棠等，2009)。北山地區的主體是哈薩克斯坦板塊的東延部分，其北界位于北緯42°以北的駱駝山—紅石山—黑鷹山一線，南界位于柳園—大奇山一帶(聶鳳軍等，2003)。

2 研究區地質特征

研究區出露的巖性主要有中基性巖漿巖(輝長巖體、閃長巖體)，酸性巖漿巖(花崗巖體)，變質巖區(變質熔巖、石英片巖、石英巖)，沉積巖區(灰巖、砂巖、礫巖)，第四系洪沖積物(圖1)。

2.1 地層

研究區出露的地層主要有志留系圓包山組石英片巖和公婆泉組變質火山巖、石炭系綠條山組長英角巖及石英砂巖和岌岌臺子組碳酸鹽建造;中生代地層主要有侏羅系龍鳳山組礫砂巖、赤金堡組砂礫巖和粉砂巖及泥巖;第四系。

2.2 構造

區內斷裂構造主要為北西向、北東、東西向或近東西向，有高角度的正斷層、逆斷層或逆沖斷層，規模大，活動時間長，繼承性明顯，對區內地層的分布起著控制作用。褶皺構造復雜，與華力西期侵入體有密切關系的銅、鐵礦化，多分布在褶皺構造轉折處的斷裂或接觸帶附近。

圖1 研究區簡略地質圖

2.3 巖漿巖

區內侵入巖分布廣泛，占圖幅面積的80%以上，包括基性巖、中性巖、中酸性巖及酸性巖類，其中以中酸性巖類分布最廣，呈巖基、巖枝及巖脈狀產生。侵入活動集中于華力西期。火山巖為早石炭世芨芨臺子組(Cj)中基性火山巖，志留紀公婆泉組(Sg)中酸性火山碎屑巖。區內脈巖發育，其中石英脈中可見孔雀石化，局部含有金礦化。

3 異常提取

風力是破壞巖石和搬運風化產物的最重要地質外營力，化探異常均不同程度受到風成砂的干擾，風的吹蝕、分選搬運和風積物的堆積與混入，不僅可改變和雜化異常分布，而且可使異常強度降低甚至完全消失。研究區具有獨特的半干旱荒漠區戈壁殘山景觀，風化剝蝕嚴重，風成砂、急雨過后包裹細小巖屑的黃土硬殼以及下伏膏巖層的普遍存在，導致元素背景值發生變化，影響地球化學數據的真實性和異常信息的提取。針對這種特殊的自然景觀和地質背景，采用不同的異常提取方法進行探討和分析。

3.1 經典的統計學方法

傳統的統計學方法要求數據服從正態分布或者對數正態分布，從數據統計特征分析可以看出，Cu、Au、Ni服從類似對數正態分布，Co、Cr、Mn 服從類似正態分布，因此要分別對數據進行相應的處理。

對Cu、Au、Ni 3種元素進行取對數，再用對數平均值加減3倍標準差作為數據上下限對奇異值進行迭代替換(表1)。

對Co、Cr、Mn 3種元素無需進行取對數變換，直接用原始數據的平均值加減3倍標準差作為數據上下限對奇異值進行迭代替換(表2)。

表1 Cu、Au、Ni取對數—剔值后的特征值統計結果

表2 Co、Cr、Mn剔值后的特征值統計結果

從表1、表2可見，處理后的數據已基本符合正態分布，可以用于異常的圈定。

單元異常下限的計算公式：T=C0+Ks0(1)式中，T為異常下限;C0為背景值;s0為標準偏差;K為可靠性系數。

研究區內風化剝蝕較為嚴重，巖屑中各元素含量有所變化，并且項目屬于1∶5萬大面積化探，為了不損失一切可能的礦化信息，Co、Cr、Mn異常下限取值應相對降低，信度系數應提高，選擇信度α =0.1對應的 K=1.65;Cu、Au、Ni是取對數后服從正態分布的，取對數的做法大大提高了異常下限(蔣敬業，2006)，因此，信度系數應再提高，選擇K=1.5。

確定了單元素異常下限值T，Cu、Au、Ni的T值要返回(T0=power(10，T))為 T0值，再以 T0的1.0、1.5、2.0倍作為異常的外帶、中帶、內帶下限值(表3)。

表3 各元素的外、中、內帶值

Co、Cr、Mn 直接以 T 值的 1.0、1.5、2.0 倍作為異常的外、中、內帶下限值。按照內帶、中帶、外帶下限值做出了單元素的異常圖(圖2)。

由圖2明顯可見，異常主要與變質火山熔巖和中基性巖關系最為密切，主要分布在公婆泉組(Sg)地層、輝長巖及圓包山組(Sy)地層，且與地質體形態吻合較好;Cu、Au、Ni、Co、Cr、Mn 在尖山幅輝長巖區附近面積比較大，異常有明顯的濃度分帶;Cu異常主要分布在公婆泉組(Sg)地層中，與變質火山熔巖的關系最為密切;Au異常除了主要分布在公婆泉組(Sg)地層中外，其次分布在黑云母花崗巖、赤金堡組(Kc)及綠條山組(Cl)地層中，與變質火山熔巖、黑云母花崗巖、砂巖關系密切;提取的異常與Cu、Au礦化點有一定的吻合度，主要是與尖山輝長巖附近礦化點吻合。

圖2 傳統統計學方法單元素異常圖

異常形態不規整，面積大小不一，形態以鋸齒狀、長條狀、尖棱狀為主;研究區內北西向深大斷裂是一條沖積溝，兩側高山巖屑物質向下流動，提取的異常(如 Cu、Au、Ni、Mn)有沿深大斷裂分布的趨勢，說明傳統法不能抑制地形地貌對異常提取的干擾;雖然提取出的異常與礦化點有一定的吻合度，但是很多重要的礦化點部位都沒有提取到異常，比如尖山幅西南角弱背景區內重要的Cu礦化點D10295(25.99%)、D0172(1.28%)及其周圍也沒有提取到異常;圈出的異常主要分布在公婆泉組高背景區的地質體中，同時這意味著已漏掉其他低背景區的弱緩異常。

因此，傳統方法提取的異常有自身的局限性，由于不同的地質單元一般具有不同的地球化學背景，在分布有多個地質單元的地區開展化探工作時，如果不考慮地質單元的地球化學背景差異，而在全區采用統一的異常下限，勢必會出現這樣的情況：若異常下限選擇過低，則會造成大面積的異常分布;反之，若異常下限過高，則會掩蓋低背景區的異常(趙榮軍，2006)，這就決定了提取的異常主要分布在含量相對較高的背景區內。

3.2 基于Surfer軟件的趨勢面法

3.2.1 數據預處理 由于原始數據中個別異常點的特高值會對趨勢面的形態產生很大的影響，因此各元素數據中高于95%分位數的值全部用95%分位數替換。

3.2.2 異常下限計算 在Surfer軟件運用多項式回歸方法——三次曲面將替換后的數據進行網格化，再計算原始數據與網格化數據的殘差值，以殘差值均值加減3倍的標準差作為上下限對殘差值進行剔值處理，并對其進行統計特征分析(表4)。

表4 殘差值剔值數據特征統計

從表4可以看出，剔值后剩余值的分布模式接近正態分布，總體上噪音(隨機分量)對數據基本沒有影響，可以用傳統方法圈定異常，異常下限取值時，選擇K=1.5;求出異常下限值后，用該值的1.0、2.0、4.0倍作為異常外帶、中帶、內帶的下限值圈定異常(圖3)。

結合圖2及圖3可見，趨勢面法圈出的異常與傳統法圈出的異常大體上類似，與礦化點吻合程度差不多。但是相對于傳統方法圈出的異常，趨勢面法圈出的異常有以下幾個特點。

(1)總體上異常面積縮小，如基東幅與石樁子井幅交界處的大面積Cu、Mn，高背景區的異常被削弱，異常形態相比而言變得較規整。

(2)異常的形態有所變化，產于高背景區的連續大面積異常被分解成斷續異常，如產于公婆泉組(Sg)中的 Cu、Mn異常。

(3)相對高背景區的大面積異常在消弱分解，西林陶勒幅和尖山幅低背景區中小異常的面積大小不變，有的甚至變大，如西林陶勒幅下部Co異常。

趨勢面法能有效地削弱高背景異常，突出低背景區的低緩異常，并且操作比較簡單，不需要對原始數據作過多的處理，在一定程度上也降低了處理數據過程中產生的隨機誤差。

3.3 滑動平均法

正如趨勢面描述的地球化學背景場一樣，滑動平均法也認為地球化學背景面是一個連續起伏變化的曲面，異常提取的關鍵也是從區域趨勢變化中尋找局部富集部位。

首先將化探數據網格化，使每一個網格中只放置1個值，若落在該網格中的是數個點，則要求均值，并將求得的均值再置入該格的中央。

圖3 趨勢面法單元素異常圖

然后，根據地質情況在網格化數據的基礎上開“窗口”，“窗口”中心的趨勢值是根據該“窗口”范圍內的各網格交點的含量、分布特點及數學模型計算求得。滑動平均法是將“窗口”大小范圍內已網格化的數據的平均值作為“窗口”中心的趨勢值。計算完一個“窗口”后，將“窗口”分別進行由行到列的滑動，又依次求出整個區內各滑動“窗口”中心的趨勢值。“窗口”的選擇要結合地質情況和取樣分析數據的大致情況來進行。通常認為，大窗口指示區域的概率比較大，用來模擬地球化學背景的變化。而小窗口更偏重突出一些局部異常，用來模擬地球化學局部異常的變化。最后，用大、小“窗口”模擬的變化趨勢的差值來圈定異常。

具體的操作方法是先將數據網格化，經過選擇對比，確定用3×3滑動平均網格化數據得到網格文件1，在3×3滑動平均網格化的基礎上進行21×21滑動平均，得到網格文件2，最后用網格文件1減去網格文件2得到殘差值。對殘差值以其平均值加減3倍標準差作為數據上下限對其奇異值進行迭代替換，對剔值后的殘差值進行統計(表5)。

表5 剔值后殘差值特征統計

從表5可以看出，處理后的數據服從類似正態分布，可以用傳統方法圈定異常，異常下限取值時，選擇K=1.5;求出異常下限值后，用該值的1.0、2.0、4.0倍作為異常外帶、中帶、內帶的下限值，并根據下限值圈定單元素的異常圖(圖4)。

結合圖2、圖3及圖4可以看出，各種方法作出的異常圖對已知礦化點都有一定程度上的吻合，但很明顯可以看出來滑動平均法對已知礦化點吻合度是最好的，很多重要的礦化點都落到了綜合異常區域，比如尖山幅西南角弱背景區內重要的Cu礦化點D10295(25.99%)、D0172(1.28%)周圍圈到了異常，最終它們將圈進綜合異常區域。

與趨勢面法相比，滑動平均法以小窗口擬合局部異常，以大窗口擬合背景，小窗口及其近鄰的數據都參與背景運算，可以排除局部變化對背景趨勢的影響，使得背景更加“干凈”，不僅可以突出強異常及壓抑背景噪音的影響，而且還可以強化低背景區弱小異常，因而它能發現很多趨勢面法沒有發現的新異常。

滑動平均法作出的異常圖圖面結構均衡，異常形態比較規整，濃度分帶明顯，異常套合性較好，比如石樁子井幅東南角重要的Cu礦化點K6(1.28%)和采樣點1377-A2(0.2%)部位提取到Cu、Ni、Co、Cr、Mn 異常，在已知礦化點和未知礦化部位均有強異常;傳統方法得出的異常除了在已知礦化點及高背景值的公婆泉組變質火山巖中有大面積的異常外，其他地方基本是一些面積小的弱異常;趨勢面法圈出的異常類似傳統法圈出的異常。

另外，滑動平均法是建立在非常規統計學基礎上的數據處理方法，不受原始數據分布規律的制約，可直接利用原始數據來識別異常，不需要對原始數據進行預處理，計算不受特高值的影響，這樣就比其他方法操作方便，人工干擾因素較少。

3.4 異常提取效果的對比評價

通過圖2—圖4的對比，就提取異常的效果而言，滑動平均法明顯優于其他兩種方法，主要體現在以下8個方面。

圖4 滑動平均法單元素異常圖

(1)滑動平均法對背景曲面擬合要優于其他兩種方法。由圖5可知，傳統方法背景曲面是統一大小的水平面，圈出的異常主要在高背景區的地層中;多項式回歸法擬合的背景面較粗略，擬合的背景面是傾斜的平面，在一定程度上能壓制高背景區強異常及突出低背景區的弱緩異常;滑動平均法擬合的背景是起伏變化的背景曲面，對背景的擬合最好，它能有效弱化高背景區的異常及強化低背景區的弱異常，圈出較多低背景區的弱緩異常。因此，滑動平均法在實際應用中效果較好。

圖5 三種方法背景曲面擬合示意圖

(2)對于礦化點的吻合，滑動平均法在3種方法中最優。在已知礦化點及其附近部位，滑動平均法圈出的單元素異常面積都要比兩種方法的大，特別是對石樁子井幅東南角的礦化點吻合最好，6種元素都圈出異常且套合很好。滑動平均法圈出的綜合異常與大多數礦化點吻合，且其綜合異常圖與重要的礦化點如 D10295、K3、K6、D4043吻合;而傳統法和趨勢面法圈出的異常與礦化點沒有吻合或者僅一兩種元素吻合，其綜合異常圖也未與礦化點吻合。

(3)滑動平均法作出的異常圖較為規整，異常以圓形、長條狀和橢圓狀為主，傳統法和趨勢面法作出的異常圖以尖棱狀和長條狀為主。

(4)滑動平均法提取異常的背景區較干凈，基本沒有形態不規整的小異常。

(5)滑動平均法能很有效地弱化強背景區的大面積異常和強化低背景區的弱緩異常，圈出的異常圖圖面結構較均衡，每個圖幅都有濃集分帶明顯的異常，每個元素異常圖中異常的分布位置大體相同且異常的套合及濃度分級較好;傳統方法圈出的異常中，Cu、Mn沿深大斷裂呈長條狀分布，Ni、Cr在西林陶勒幅幾乎沒有異常，這明顯與其他元素的異常圖很不協調;趨勢面法圈出的異常也有類似的現象。

(6)滑動平均法提取的每個元素的異常面積適中，約占全區面積的15%，形態比較規整，異常的分帶較好，三級濃度分帶的異常比較多;傳統方法提取的異常除Cu、Au、Mn外，其他元素的異常面積都偏小，約占全區面積的8%，形態和分帶性也不好;趨勢面提取的異常面積都偏小，形態不規則，分帶性也不好。

(7)滑動平均法能有效抑制地形地貌對異常形態的干擾。北北西向大斷裂貫穿全區，斷裂中心是一條沖積溝，兩邊高山的巖屑向下流動。因此，傳統方法和趨勢面法圈出的異常都有沿著斷裂帶呈帶狀分布的特點，顯示出地形地貌控制異常形態的特點;滑動平均法圈出的異常就能抵制地形地貌的干擾，異常以圓狀、橢圓狀和長條狀為主，形態比較規整，濃度分帶比較好。

(8)滑動平均法不需要對原始數據進行預處理，人為干擾因素最少，而且操作方法簡便。

因此，滑動平均法較為適合西北半干旱地區異常信息的提取。

4 結論

通過對比3種常用的異常提取方法，探討了較為適合西北半干旱地區的異常提取方法，主要取得以下幾點認識和成果。

(1)每一種異常提取方法都是基于對地質數據分布規律的認識。傳統方法認為是地質數據可以擬合成正態分布模式，關鍵是將原始數據通過數學變換成正態分布模式，再求異常下限值。滑動平均法和趨勢面法認為數據在空間上的分布呈連續變化，趨勢面就是用多元函數模擬背景曲面的變化，再用原始分布與其差值求異常的分布。滑動平均法用小窗口模擬局部或噪音的變化，用大窗口模擬背景曲面的變化，再用兩者間的差值求異常的分布。

(2)滑動平均法較適合西北半干旱地區異常的提取，它能有效地弱化分解高背景區的異常，同時還能強化低背景區低緩的弱異常，并且提取出來的異常圖圖面結構均衡，異常形態規整，能夠抑制地形地貌對異常的干擾，濃集分帶明顯，異常套合性較好，與地質體和礦化點的吻合也較好。

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Study on extraction method of rock geochemical anomaly in semi arid region in Northwest China

FAN Xiao-jun1，2，CHEN Chong2，WANG Xiao-gang1，CHEN Gen1

(1.Sichuan Institute of Nuclear Geology，Chengdu 610066，China;2.School of Resources，China University of Geology，Wuhan 430074，China)

Residual hills landforms were developed in Northwest China.The widespread development of loess crust and its underlying rock layers formed by aeolian sand and rain affected the representative of geochemical investigation data，brought difficulties for the extraction and explanation of the anomaly.In lights of the above unique natural landscape and geological settings，the authors presented the geological properties of a place in Alashan of Northwest China as a study case，extracted the related geochemical anomalies with conventional methods of statistical method，trend surface analysis and moving average method.And a comprehensive contrast was conducted in combination with the available information on geology and mineral resources，proper method of geochemical anomaly extraction in semi arid region of Northwest China was discussed in the text.

Rock geochemical anomaly survey;Anomaly extraction;Trend surface analysis;Moving average method;Semi arid region in Northwest China

P618

A

1674-3636(2012)01-0023-10

2011-09-29;編輯：陸李萍

范小軍(1986— )，男，助理工程師，資源勘查工程專業，主要從事地質化探找礦工作，E-mail：364102412@qq.com

10.3969/j.issn.1674-3636.2012.01.23