应用MAPGIS数字高程模型提取区域地球化学异常信息的方法探讨.pdf

第三十卷 第一期 地 球 学 报 Vol.30 No.1 二○○九年二月 119-125 Acta Geoscientica Sinica Feb. 2009 119-125 www.地球学报.com 本文由中国地质调查局战略性矿产资源远景调查项目编号矿调[2005]14-4 号资助。 收稿日期 2008-03-10; 改回日期2008-05-10。 第一作者简介陈希清，男，1966 年生，高级工程师。主要从事地球化学找矿工作。通讯地址443003，湖北省宜昌市港窑路 37 号。 电话0717-6346923。E-mailcxq6624。 应用 MAPGIS 数字高程模型提取区域地球化学 异常信息的方法探讨 陈希清1，杨晓君1，陈富文1，高立宝2 1宜昌地质矿产研究所，湖北宜昌 443003 2中国核工业地质局 203 研究所，陕西咸阳 712000 摘 要 区域地球化学异常信息提取方法较多，各种方法的原理及适用条件不同。笔者详细介绍了应用 MAPGIS 数字高程模型提取区域地球化学异常信息的方法。该方法具有异常圈定前不需对原始数据作过多 预处理，圈定时可不考虑地质背景划分、地球化学景观的不同，不受工作区研究程度及研究人员专业影响， 方法适应性强，简单、快速，并能客观反映矿化情况，较好地体现地球化学元素的空间变化，对地球化学 分区研究和指导找矿具有重要意义。 关键词 区域化探；异常信息提取；MAPGIS；数字高程模型；地球物化勘查 中图分类号 P612 文献标志码 A 文章编号 1006-3021200901-119-07 A Discussion on the for Extracting Regional Geochemical Anomaly Based on MAPGIS Digital Elevation Model CHEN Xi-qing1, YANG Xiao-jun1, CHEN Fu-wen1, GAO Li-bao2 1 Yichang Institute of Geology and Mineral Resoures, Yichang, Hubei 443003 2 Research Institute No.203 Bureau of geology, CNNC, Xianyang, Shanxi 712000 Abstract There are many s for extracting regional geochemical anomalies, and each has its prin- ciple and applicable conditions. This paper deals with the extraction based on MAPGIS digital elevation model, which needs not complex preprocessing before delineating anomalies and takes no account of geological background, geochemical landscape, research extent and profession of researchers. This in characterized by strong adaptability, suppleness and speediness, and can objectively reflect regional mineralization features and spatial changes of geochemical elements, thus having great significance in regional geochemical study and pros- pecting for ore resources. Key words regional geochemical survey; extraction of anomaly ination; MAPGIS; digital elevation model; geophysical and geochemical exploration 我国以矿产勘查为主要目的区域性地球化学调 查工作，获得了系统而规范的大面积、多参数39 种 分析元素的地球化学数据，建立了全国区域化探数 据库， 为我国的矿产勘查及基础地质研究起到了巨大 的推动作用。但所获海量数据远未得到充分运用，尤 其在一些重要的成矿区带， 选用合适有效的方法提取 客观明确的地球化学异常信息以指导找矿工作仍值 得探讨。 笔者在湘西鄂西地区 1∶20 万化探数据处理 中，对应用 MAPGIS 数字高程模型提取区域地球化学 异常信息的方法进行了初步尝试，取得了一定效果。 120 地 球 学 报 第三十卷 1 常用地球化学异常信息提取方法 常用地球化学异常信息提取方法 1.1 传统方法直接计算异常下限 根据公式 CaC0RS 直接计算异常下限，式中 Ca为异常下限；C0为背景值；S 为标准差；R 为决 定可靠性的一个系数，在 13 之间选取，以固定值 Ca圈定异常。此方法仅在研究区面积较小时接近真 实阮天健等， 1985， 对区域性地球化学异常信息的 提取显然不合适。 1.2 地质背景衬值异常法 在研究区内依据地质背景划分若干统计单元， 分别统计各单元平均值Xj，区内各点数据xji除以 其所在统计单元的平均值Xj， 从而得到该元素的背 景衬值数据图，然后在背景衬值数据图上圈定地质 背景衬值异常图。此方法的优点是考虑了地质背景 因素，能充分体现不同地质体间的差异性，很好的 弥补采用单一异常下限时强度较弱，特别是在低背 景区的异常被削弱或掩盖，导致部分异常信息丢失 的不足。此方法的局限性是工作量较大，处理过程 较繁琐，背景单元的划分受研究人员认识水平、所 持观点及工作区研究程度等因素影响而形成多种划 分方案，导致异常下限可变和异常的不确定李宝强 等，2004。 1.3 滑动平均标准化数值法 以区内各点为中心选取适当大小数据窗口圆 形或矩形，统计窗口内数据的平均值，以该中心点 的数据与窗口内数据平均值的商替代中心点原始数 据，逐点进行替换得到滑动平均标准化衬值数据 图，在滑动平均标准化数据图上求得异常下限，圈 定相应的滑动平均标准化数据异常图。该方法的核 心是将原始数据转换为以该点为中心一定大小窗口 内所有原始数据平均值的倍数，以消除各种原因造 成的背景影响和不同元素间的丰度台阶，形成一套 无量纲的标准数据，可以直接进行元素间相互比 较。该方法不需要考虑地质构单元界线，适合于地 质工作程度极低的地区地球化学数据处理。不足之 处是，对窗口大小的选择基于研究者的经验李宝强 等，2004，因而有一定的人为因素。 1.4 子区中位数衬值滤波SAMCF法 该法是在对已获得的各种化探数据处理方法进 行系统研究的基础上， 吸收了 EDA 技术和滤波技术 开发出的一种处理 1∶20 万区域化探扫面数据的计 算机数据处理方法。这一技术为实现区域化探异常 的快速筛选与评价垫定了基础， 目前已形成一套从数 据处理到绘制单元素、多元素异常图的计算机系统。 EDA 技术中的一套统计参数是数据集的中位数、2 个 极值点和上下 4 分点，它利用下列公式来识别异常 FuQu1.5Sh 1 F1Q1−1.5Sh 2 其中 Fu和 F1为异常界限值，Fu相当于异常下 限，F1相当于异常上限，Qu为上 4 分点，Q1为下 4 分点，Sh为内散度。EDA 方法中 25的数据点被认 为可能是“野”的，这些“野值”对中位数和节点上 下 4 分点不产生影响。 EDA 技术识别异常的一个显 著特点就是能够抵抗干扰和“野”数据当然也可能 是异常的影响史长义等，1999。子区中位数衬值 滤波具体方法为 以 33 个单位格子1∶20 万化探 扫面中 4 km2格子作为中心窗口，求其中位数作为 中心格子的趋势值CWm。取 99 个单位格子中的 中位数作为背景值， 采用 FuQu1.5Sh作为异常下 限，然后计算 CWm与 Fu的比值 FC即衬值。若 FC1，则表明元素具有明显的正异常。在方法的数 据处理过程中，自动地把一个大区域划分成很多个 小子区相应于地球化学小子区， 每个小子区均具有 自己的地球化学背景值和异常下限值，解决了低背 景区和高背景区弱小异常的识别问题，克服了采用 全区统一异常下限给异常识别带来的困难，实现了 不同的地质地球化学子区采用不同的异常下限圈定 异常的要求。现在 SAMCF 方法已被广泛使用赵荣 军，2006；廖敏等，2007。 此外，还有各种化探数据处理方法，如针对地 球化学场的分形方法、对数据的归一化法等朱有光 等，1997；李方林等，1999；裴韬等, 1999，2002； 谢淑云等，2002；王军等，2003；邹林等，2004； 刘大文，2004；李随民等，2005；时艳香等，2005。 2 应用 应用 MAPGIS 数字高程模型提取区域数字高程模型提取区域 地球化学异常信息的方法探讨地球化学异常信息的方法探讨 2.1 方法原理 区域地球化学异常是相对于区域地球化学背景 而言的，地球化学背景包括空间范围和含量幅度两 方面的含义阮天健等，1985图 1。区域地球化学 背景不是一个确定的含量值，而是一个含量范围， 空间上表现为较大范围内连续变化的曲面，主要受 地质背景控制。此外，区域地球化学数据还受地理 景观、采样介质、分析手段等因素影响，不可避免 的产生系统误差而或多或少的改变背景曲面的形 态。在正确圈定异常前就需尽可能真实的模拟区域 地球化学背景曲面的变化，以对区域地球化学数据 进行适当的背景校正包括系统误差的消除。 第一期 陈希清等 应用 MAPGIS 数字高程模型提取区域地球化学异常信息的方法探讨 121 图 1 不同尺度异常的关系示意图 Fig. 1 Sketch map of anomalies on different scales 将原始区域化探数据1∶20 万组合样数据，规 则网格引入 MAPGIS 的数字高程模型系统及高程 库管理系统，形成以元素含量为高程值的数字高程 模型，在高程模型中利用像元邻域统计功能，对模 型中以每一像元为中心的固定大小的窗口内的像元 进行统计，可选用合适的统计结果作为输出数据层 中对应像元的像元值来模拟区域地球化学背景曲 面。像元邻域统计时可改变统计窗口的大小和选择 最小值、最大值、高程范围、累加值、平均值、标 准偏差以及中值七种统计方式，笔者通过用原始数 据对比试验分析，认为采用 77 统计窗口对 1∶20 万化探数据进行邻域中值统计计算后，模型能较好 地反映背景的变化情况。 此外，数据中常常存在由于次生富集的不均匀 性、偶然性变化等引起的离群值，会极大地影响模 拟背景的分布形态，使异常的地质解释受到影响， 因此在背景模拟前需对数据进行空间滤波处理，减 弱或消除局部因素的影响。通过均值低通滤波可以 使原始数据平滑， 减少特别高或者特别低的像元值。 传统方法以固定值 Ca圈定异常，难以发现低背 景区的弱小异常。作者注意到，以衬值计算为基础 的方法却有可能过分地夸大低背景区元素含量的不 明显变化。如图 2 所示，a 点处于相对低背景区，某 元素含量仅为 2虚拟单位， 下同， 其衬值 FCa1.80； 而 b 点元素含量为 10，由于背景值高，其衬值 FCb 图 2 a 点的衬值FCa相比 b 点的衬值FCb被过分 夸大示意图 Fig. 2 Sketch map showing gross magnification of FCa to FCb 也仅为 1.80。事实上由各类地质作用对成矿元素的 富集， 在那些背景值高包括高值区的地区比起背景 值低包括低值区的地区相对更容易浓集成矿。因 此，可运用 MAPGIS 的数字高程模型系统中的规则 网差值运算或数学表达式计算求差功能， 用模拟 的空间背景场值对原始数据进行背景校正，消除地 质背景、地理景观、样品分析批次等不同的影响， 在元素含量校正值残差，为某点上元素的矿化叠加 值基础上运用数字高程模型直接进行异常圈定 和信息的提取。 2.2 方法流程 应用 MAPGIS 数字高程模型提取区域地球化学 异常信息的流程见图 3。 图 3 地球化学异常信息提取流程 Fig. 3 Flow chart of extraction of geochemical anomaly ination 需要说明的是 ①数字高程模型.Grd生成时采 用的网格间距为 10 mm10 mm， 其网度相当于 1∶ 20 万实际组合样品点的间距2 km2 km。对其他 比例尺如 1∶5 万化探数据的应用时，可相应调整 网格间距，使模型能最好的反映数据原貌; ②消除 偶然性变化等引起的离群值采用 33 均值低通滤 波窗口6 km6 km； 模拟区域地球化学背景曲面时 采用 77 窗口14 km14 km进行邻域中值统计， 效果较好，也可结合地质情况适当调整窗口大小； ③经差值运算后的结果数字高程模型Grd，在自动 生成异常图前，可将其高程值经背景校正的矿化强 度信息导出，进行统计分析，指导异常图的编制、 信息的提取。 2.3 应用实例 湘西鄂西地区铅锌找矿工作近年来取得了重要 进展，但运用区域地球化学资料指导找矿工作尚处 于探索阶段。作者运用 MAPGIS 数字高程模型对该 地区 1∶20 万水系沉积物测量的锌网格化原始数据 122 地 球 学 报 第三十卷 面积为 7.5 个 1∶20 万图幅进行了提取区域锌地球 化学异常信息的探索。 测区位于湖南湖北两省交界的西部地区，以往 地质工作程度极低。区内地层受区域构造控制，呈 NNENE 向展布，为一套沉积岩和浅变质的沉积 岩，已发现 Pb、Zn、Cu 矿化点多处。铅锌矿化 点都明显受地层、沉积相和构造控制，物质组分比 较简单，属层控型铅锌矿祝新友等，2006。矿体主 要赋存寒武系娄山关组、奥陶系南津关组、龙王庙 组碳酸盐地层中图 4。 原始数据表EXCEL 表格文件可直接投影转换 生成数字高程模型。本次工作对原始数据进行了对 数变换，变换前后 Zn 分布频数直方图用 GeoKit 软 件路远发，2004自动生成如图 5a、b所示，可 以看出 Zn 原始数据明显正偏而服从对数正态分布。 经由“33 均值低通滤波－77 邻域中值统 计”过程生成的背景模型Zn 背景.Grd，在数字高 程模型系统中通过剖面分析可检查其对地质背景的 拟合情况图 4 中 A－A′图切地化剖面。 剖面上元 素含量曲线显示， 模拟的 Zn 背景曲面的高程值变化 较好地反映了不同地层单元中 Zn 含量的差异， 模型 的陡坡带与不同地球化学块体的边界吻合。 经背景校正后的 Zn 残差值呈正态分布，见图 5c所示，统计特征值C0 0.0016log10−6，S 0.096log10−6。图 6 为经背景校正后生成的 Zn 单元 素异常图异常下限CaC01.65S0.16 log10−6，其 中负异常未表示。 图 7 是用传统方法圈定的 Zn 单元 素异常图异常下限CaC02S120 10−6。 图 4 湘西鄂西地区地质简图附 Zn 地球化学剖面 Fig. 4 Geological sketch map of the west Hubei-West Hunan areawith geochemical section of zinc 图 5 湘西鄂西地区 Zn 分布频数直方图 Fig. 5 Histogram of Zn frequency in the west Hubei-west Hunan area 第一期 陈希清等 应用 MAPGIS 数字高程模型提取区域地球化学异常信息的方法探讨 123 图 6 湘西鄂西地区 Zn 异常图经背景校正后 Fig. 6 Map showing zinc anomalies in the west Hubei-west Hunan arearevised background 图 7 湘西鄂西地区 Zn 异常图传统单一异常下限 Fig. 7 Map showing zinc anomalies in the west Hubei-west Hunan areatraditional single threshold 对比图 6 与图 7 所显示的异常信息，两种方法 所圈 Zn 异常所反映的区内成矿规律大致相当， 在测 区南西已知大中型矿区及中部地区均有较好异常显 示，但从 Zn 异常总体分布规律分析，二者存在较明 显差异。①背景校正后的 Zn 异常，消除了各种因素 引起的背景影响，分布规律性较好，形态规整，比 124 地 球 学 报 第三十卷 较清晰的反映了测区的地层分布与构造格局，异常 的产出部位及走向与本区赋矿层寒武系娄山关组、 奥陶系南津关组、龙王庙组等层位相当，与本区铅 锌矿的层控成矿特征一致。 传统方法圈定的 Zn 异常 在高值区呈大面积的面状分布，低值区为众多孤立 异常点，形态不太规整。②传统方法 Zn 异常图在本 区北东部低背景区除有零星的点状异常外，基本没 有圈出异常，有矿化点的地方也无异常显示，说明 其对低背景区的异常情况反映较差。经背景校正后 不仅在高背景区圈出了显著规整异常，在低背景区 也发现了规模较大呈面状的异常，如本区北东寒武 系、奥陶系地层小范围出露区，部分与已知矿化 点位置吻合较好。 ③结合区内 1∶5 万矿调实际工作 对少量 PbZn 异常进行检查， 异常分布区均可发现民 采点及铅锌矿化体， 部分异常区域显示了良好找矿 前景。 3 认识与结论认识与结论 1 数字高程模型背景校正法与一般常规数据 处理方法不同，直接借助 MAPGIS 数字高程模型强 大功能， 异常圈定前不需对原始数据作过多预处理， 圈定时可不考虑地质背景划分、地球化学景观的不 同，不受工作区研究程度及研究人员专业影响，方 法适应性强。 2 通过模型来模拟地球化学背景空间曲面， 可更细致地逼近地球化学元素含量的自然起伏。在 此基础上对元素含量进行背景校正，用残差圈定矿 化的异常信息，有利真实地反映矿化情况。 3 地球化学背景模型，较好的展现了地球化 学元素的空间变化，对测区的地球化学分区等研究 工作具指导意义。 4 经背景校正后的数据，通过统计分析、选 用合理异常下限值来划分异常，以矿化的强弱为依 据，既压抑了背景噪音影响，又在同一水平上客观 地显示高背景区与低背景区异常。可避免用衬值刻 划异常可能对低背景区元素含量的不大变化的衬值 夸大而圈出面积较大无找矿指示意义的衬值异常。 5 方法简单、快速，在一般微机上即可顺利 实现。适用于不同景观区的 1∶20 万化探数据的处 理和异常筛选。通过修改少量参数，也可适用于其 他比例尺化探工作。 事实上，区域化探数据量很大且信息丰富，异 常信息提取方法很多，在工作中应从研究区实际出 发，注意数据处理方法的对比筛选，以求取得更好 的找矿效果。 参考文献参考文献 李宝强, 孙泽坤. 2004. 区域地球化学异常信息提取方法研讨[J]. 西北地质, 371 102-108. 廖敏, 李佑国, 费光春, 童蕾. 2007. 衬值滤波法在化探数据处 理及找矿中的应用[J]. 地质找矿论丛, 221 76-80. 李方林, 鲍征宇, 裴韬, 李才伟. 1999. 地球化学空间数据处理 原理及软件系统[J]. 地球科学中国地质大学学报, 243 316-319. 李随民, 姚书振. 2005. 基于 MAPGIS 的分形方法确定化探异常 [J]. 地球学报, 262 187-190. 刘大文. 2004. 区域地球化学数据的归一化处理及应用[J]. 物探 与化探, 283 273-279. 路远发. 2004. 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