地質礦物中重金屬元素異常信息提取方法研究

宋玉冰

（中國建筑材料工業地質勘查中心吉林總隊，吉林 長春 130000）

按照單質密度大小，金屬元素可以分為重金屬元素和輕金屬元素，在標準狀況下單質密度大于3500kg/m3的金屬元素稱之為重金屬元素，常見的重金屬元素有汞、鎘、鉛等毒性較大的元素，重金屬元素主要來源于礦床開采，主要賦存于地質礦物中。由于重金屬元素具有較大的毒性，對人們身體健康具有一定的危害，因此對于重金屬元素檢測是一項非常重要的工作，因此地質礦物中重金屬元素異常信息提取技術也就成為了重金屬元素檢測中的一項核心技術。隨著人們對地球化學元素分布特征認識的演化，地質礦物中重金屬信息異常提取方法的發展也經歷了有簡單到復雜的過程，最初發展起來的地質礦物中重金屬元素異常信息提取方法主要是基于樣本數據的分布特征，這一類方法主要包括數值模擬法、Gap 統計量法等，基本都是提出重金屬元素潛在的假設，統計異常重金屬元素樣本分布特征。后來大數據技術逐漸應用到地質礦物中重金屬元素異常信息提取方法中，這一類方法主要包括數據分析法、層次分析法、空間加權主成分分析法等，這幾類方法也是目前比較常用的方法，但是在實際應用中傳統方法仍然存在一些問題，為此提出地質礦物中重金屬元素異常信息提取方法研究。

1 地質礦物中重金屬元素異常信息提取現狀

地質礦物中重金屬元素異常信息提取實質是地球化學異常信息提取的問題，首先對地質礦物中重金屬元素化學信息提取就具有一定難度，因為地質礦物中含有的化學物質種類非常多，且地質礦物的化學分布由不具有一定的規律性，因此對于地質礦物中重金屬元素異常信息提出困難程度就更高一些。就目前該方面技術條件而言，雖然能夠提取到一些基本的地質礦物中重金屬元素異常信息，比如地質礦物中重金屬空間分布異常信息，但是無法判斷地質礦物中重金屬元素異常屬于單金屬異常還是多金屬異常，提取到的異常信息不夠全面。除此之外，目前該方面采用的技術手段比較單一，主要是以地球化學統計學理論作為理論技術，使用的技術仍然是一些傳統技術，比如數據模擬技術、大數據技術等，在實際應用中經常出現漏提、錯提現象，提取到的錯誤信息較多，導致傳統地質礦物中重金屬元素異常信息提取方法精度較低，并且提取效率也比較低，信息提取程序繁多，不便于操作，并且對于技術人員的專業技能要求較高，致使目前地質礦物中重金屬元素異常信息提取方法可靠度和實用性較低[1]。所以本文針對目前地質礦物中重金屬元素異常信息提取方法存在的弊端，設計一套新的提取方案，降低地質礦物中重金屬元素異常信息提取到的錯誤信息的比重，提高提取方法的精準度。

2 地質礦物中重金屬元素異常信息提取方法設計

地質礦物中重金屬元素異常信息提取方法主要采用對化學元素的異常進行判斷，通過對地質礦物中重金屬元素化學特征分析，提取到重金屬元素空間分布異常信息，具體流程如下圖所示。

圖1 地質礦物中重金屬元素異常信息提取流程

首先要對地質礦物測量的金屬元素數據信息進行歸類分析，根據元素單質密度分析因子區別測量到的數據信息中重金屬元素信息和輕金屬元素信息，對其中重金屬元素信息收集[2]。然后對收集到的重金屬元素信息的“奇異性”進行分析，即計算地質礦物中局部重金屬元素密集系數，確定地質礦物中重金屬元素空間分布信息。最后將各個信息進行融合，最終提取到地質礦物中重金屬元素異常信息。

2.1 地質礦物中重金屬元素數據獲取

地質礦物中含有的金屬元素種類比較多，如何從地質礦物中獲取到有關重金屬元素相關數據信息，是地質礦物中重金屬元素異常信息提取過程中首要解決的問題，針對該問題本文提出基于光譜測量儀采集地質礦物中重金屬元素數據。地質礦物中包含重金屬元素和輕金屬元素，兩個元素本質區別在于單質密度，因此選取由英國KGH（Knalytucal Gpectral Hevices）公司生產的手持光譜測量儀測量地質礦物中金屬元素的單質密度，其獲取地質礦物中重金屬元素數據過程如下：首先將地質礦物樣本平攤開，嚴格按照光譜測量儀使用說明書，將光譜測量儀提前預熱10-15min，并且將白板定標校準，光譜測量儀均垂直下方對樣品進行測量，垂直高度在0.56m～0.75m 范圍內，測量樣品間隔為1.25nm，光譜分辨率為5.5nm，波長范圍需要嚴格控制在1266.65nm～1465.55nm 范圍內。在測量過程中至少要保持與水平面法線都在±16°之內，距離樣品大約0.01m。白板的定標要貫穿在光譜處理過程中，每15min 進行一次定標，保證地質礦物金屬元素單質密度測量質量[3]。測量完成后會收集到大量的金屬元素單質密度數據，以3500kg/m3單質密度為標準，對獲取的金屬元素數據進行分類，選取單質密度大于3500kg/m3的金屬元素數據作為獲取目標，因為重金屬元素單質密度均大于3500kg/m3，將符合這一類要求的所有金屬元素數據進行統一保持，并根據具體單質密度值的大小確定地質礦物中含有的重金屬元素種類，將測量到的各類重金屬元素相關信息分類收集，用于后續地質礦物中重金屬元素異常信息提取。

2.2 提取地質礦物中重金屬元素異常信息

獲取到地質礦物中重金屬元素相關信息后，要對獲取到的信息進行分析，分析的主要內容為地質礦物中重金屬元素空間分布情況，進而提取到有關重金屬元素異常信息。正常情況下，地質礦物中重金屬元素分布是別叫均衡的，當某一局部出現重金屬元素聚集現象，將其判斷為重金屬元素異常。此次采用奇異性異常分布方法對地質礦物中重金屬元素信息進行分析，其分析過程如下：首先選取地質礦物某一局部鄰域，將該區域定義為，調取該區域內重金屬元素數據，將該區域內的重金屬量用表示，假設重金屬元素量服從多重分形分布，則有以下公式成立：

公式（1）中，c 表示地質礦物局部鄰域N 在空間上的位置；n 表示地質礦物局部鄰域N 的尺度大小。假設該局部鄰域上重金屬元素的平均密度只為p ，進而得到：

公式（2）中，E 表示歐式空間維數，通常情況下E 去數值2；X 為地質礦物局部鄰域N 的重金屬元素異常系數；T 表示在分形幾何空間中重金屬元素分布的分形密度。將上文獲取到的地質礦物中重金屬元素數據帶入到公式（1）和公式（2）中，即可計算得到地質礦物局部重金屬元素密集系數和重金屬元素分布的分形密度，該兩項數值表示著地質礦物中局部重金屬元素空間分布情況，局部重金屬元素密集系數和重金屬元素分布的分形密度越大，表示該局部重金屬元素越異常，因此將該兩個數值作為地質礦物中重金屬元素異常信息提取因子，當局部重金屬元素密集系數和重金屬元素分布的分形密度超出其他區域數值時，則表示該區域重金屬元素異常，提取到對應的重金屬元素信息，比如元素名稱、分布密度等，以此完成地質礦物中重金屬元素異常信息提取。

3 實驗論證分析

實驗以某區域為實驗環境，在該區域中隨機選取5 個地質礦物樣本作為實驗對象，采集的地質礦物樣本用黑色容器收集，避免陽光照射影響到地質礦物中重金屬元素分布，實驗利用此次設計方法與傳統設計方法對采集到的地質礦物中重金屬元素異常信息進行提取，對兩種方法進行對比分析。實驗中兩種方法對每個地質礦物樣本進行三次信息提取，選取其中最合理數據作為最終提取結果，然后將兩種方法提取到的重金屬異常信息與實際值相比較，記錄兩種方法提取到的錯誤信息量，將其作為實驗結果，對兩種方法進行對比分析，實驗結果如下表所示。

表1 兩種方法提取錯誤異常信息量對比（bit）

從上表可以看出，設計方法提取到的錯誤信息量比較少，基本可以控制在1bit 以下。而傳統方法提取到的重金屬元素異常錯誤信息量較大，遠遠多于設計方法，并且占實際信息量的比較也比較大，因此實驗證明了設計方法更適用于地質礦物中重金屬元素異常信息提取。

4 結語

本文對地質礦物中重金屬元素異常信息提取方法進行了研究，結合個人經驗以及查閱的參考資料，提出一套新的地質礦物中重金屬元素異常信息提取理論，并利用實驗驗證了該理論適用于地質礦物中重金屬元素異常信息提取。此次研究為地質礦物中重金屬元素異常信息提取提供了有利的參考依據，有助于提高地質礦物中重金屬元素異常信息提取技術水平。但是此次研究仍存在一些不足之處，對于地質礦物中重金屬元素異常信息的分析得到了理想的效果，但是對于物質中重金屬元素異常信息提取還可以結合其它有關數據進行深入分析，以期得到更加科學合理的結果。