地质通报  2019, Vol. 38 Issue (6): 1062-1070  
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李欢, 徐国志, 孙璐, 李朋, 邓宇飞. 化探综合异常图定量编制方法及应用[J]. 地质通报, 2019, 38(6): 1062-1070.
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Li H, Xu G Z, Sun L, Li P, Deng Y F. A quantitative method for integrated anomaly map of geochemical prospecting and application[J]. Geological Bulletin of China, 2019, 38(6): 1062-1070.
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基金项目

内蒙古地勘基金项目《内蒙古布日都大队幅等四幅1:5万区域地质矿产调查》(编号:NMKD2008-17)和黑龙江地勘基金项目《黑龙江省黑河市新生幅等三幅1:5万区域地质矿产调查》(编号:HLJKD2005-06)

作者简介

李欢(1990-), 男, 硕士, 从事勘查地球化学研究。E-mail:517806591@qq.com

通讯作者

徐国志(1957-), 男, 教授, 从事勘查地球化学与区域地质调查研究。E-mail:1183222653@qq.com

文章历史

收稿日期: 2017-11-06
修订日期: 2018-03-04
化探综合异常图定量编制方法及应用
李欢1 , 徐国志2 , 孙璐2 , 李朋2 , 邓宇飞3     
1. 北京市地质勘察技术院, 北京 100120;
2. 河北地质大学, 河北 石家庄 050031;
3. 中化地质矿山总局地质研究院, 北京 100101
摘要: 现阶段以单元素异常图为基础编制的综合异常图,只能定性地圈定出综合异常范围,并没有考虑异常点元素彼此之间的叠加贡献,不能定量评价综合异常。研究发现,该类图件不论在图面表达形式还是在应用效果中均存在诸多不足。明确了“平均衬度法”的概念,提出利用平均衬度法编制综合异常图的思路和方法,即以原始分析数据为基础,利用平均衬度定量表达综合异常范围,编制形成平均衬度综合异常图。对比结果表明,平均衬度法对综合异常的圈定效果优于累加衬度法和综合衬度法。平均衬度综合异常图特别适合1:5万化探普查资料的开发研究,由于圈定的范围小、浓集中心明显,适合准确布置地表探矿工程,并可以节约勘查成本,提高找矿命中率。
关键词: 平均衬度综合异常图    定量    平均衬度法    浓集中心    
A quantitative method for integrated anomaly map of geochemical prospecting and application
LI Huan1, XU Guozhi2, SUN Lu2, LI Peng2, DENG Yufei3     
1. Beijing Institute of Geo-exploratin Technology, Beijing 100120, China;
2. Hebei GEO University, Shijiazhuang 050031, Hebei, China;
3. China Chemical Geology and Mine Bureau Research Institude of Geological, Beijing 100101, China
Abstract: At the present stage, the integrated anomaly map is prepared on the basis of single element anomaly map, only the integrated anomaly range can be delineated qualitatively, the superposition contribution of outliers cannot be considered, and the synthetic anomaly cannot be evaluated quantitatively. It is found that there are many shortcomings in this kind of maps both in the form of surface representation and the application effect. In this paper, the authors defined the concept of "average contrast method" and put forward the idea and method of using "average contrast method" to compile integrated anomaly map. Based on the original analysis data, the authors used the average contrast degree to quantitatively express the integrated anomaly range, thus forming an integrated anomaly map of average contrast. The contrast result shows that the average contrast method is better than the additive contrast method and the integrated contrast method. The average anomaly integrated anomaly map is particularly suitable for 1:50000 geochemical exploration census data development research on account of small range and concentration center. It is suitable for accurate layout of the surface prospecting project and can save the cost of exploration as well as improve ore hit rate.
Key words: average contrast integrated anomaly map    quantitative    average contrast method    concentration center    

目前关于化探综合异常图编制方法、表达方式、综合异常的指示意义等研究较少。郭科等[1]以 西藏恒星错测区1∶5万水系沉积物测量为例,完成了基于卡尔曼滤波的信息融合技术在区域化探异常综合评价中的应用探索。杨利民等[2]以青海省乌兰-都兰县的阿尔茨托山区为研究区,完成了成矿能量在化探综合异常提取中的应用研究。

化探行业中综合异常图的常规作法主要参考1:5万地球化学普查规范[3]。一般是机械性地将各单元素异常叠加在一起,并以该异常最外边界线(最低浓度线)手绘综合异常线[4-7]。此方法在图面上表达元素较少(一般为3~5个元素)的情况下,可以清楚地表达各个单元素分布范围和浓集中心,也可以表达元素彼此之间的叠合部分,一般适合组合异常图制作。在综合异常图中由于表达的元素高达10~20个,这种方法的表达使图面非常复杂、凌乱,没有明确的叠合部分。为了解决这个问题,许多化探工作者依据异常范围手绘出一条综合异常曲线(一般地质矿产图中的综合异常线大部分为该类曲线)。该曲线的特点是既没有浓集中心也没有各元素异常叠合部分,表达不出异常浓集中心和异常强度,在以后的应用中会出现许多问题。在现阶段的1:5万化探普查任务中,化探工作分析元素多,每种元素异常线采用不同的颜色表示,且不同的异常浓度分级采用不同的线形表示,导致该类综合异常图颜色多、线条混乱,图面负担较重[8-14]。在圈定综合异常时缺乏对化探原始分析数据的重视和运用。不同的人员利用此方法圈定的综合异常范围不同,人为因素干扰较大。在编制地质矿产图或矿产预测图时,如果将各单元素异常及综合异常范围添加在地质底图上,容易造成图面混乱,各种信息叠压严重,读图不清晰。如果仅将综合异常范围添加在地质矿产图上,在图件中显示的化探信息较少,导致图件的实用性较差。为此需要研究出一种可以定量表达综合异常浓集中心、强度及异常元素组合;并可以自动生成相应综合图件的方法。利用“平均衬度法”制作的平均衬度综合异常图可以降低综合异常图图面负担,在绘制综合异常图时依靠“数据说话”,同时提高该类图件的实用性。该方法在实际应用中取得了较好的效果。

1 衬度法的概念

所谓衬度,指元素分析数据与异常下限的比值[15-17]。每个采样点的各分析元素均可求得相应的衬度值,当衬度值大于等于1时,表明采样点处元素分析数据高于异常下限,此点为元素异常点,该值定义为衬度异常值。利用衬度法,可以消除不同元素地壳丰度的数量级差异,使元素在统一准则上进行数据处理和运算,消除元素间的量纲。

利用衬度法绘制综合异常图的基本思路可以分为3种:一是利用每个采样点的累加衬度值(Additive Contrast Value,简称Ad)圈定综合异常,二是利用平均衬度值(Average Contrast Value,简称Av)圈定;三是利用综合衬度值(Integrated Contrast Value,简称Ic)圈定。

累加衬度值指每一采样点的衬度异常值之和,即:

$ Ad=\sum\limits_{i=1}^{n}{{{a}_{i}}} $ (1)

平均衬度值指每一采样点的衬度异常值之和与异常元素数量的比值,即:

$ Av=\frac{\sum\limits_{i=1}^{n}{{{a}_{i}}}}{n} $ (2)

综合衬度值指每一采样点的累加衬度值与平均衬度值的乘积,即:

$ Iv=Ad\times Av=\frac{{{\left( \sum\limits_{i=1}^{n}{a}i \right)}^{2}}}{n} $ (3)

其中(1)、(2)、(3)式中ai代表每个采样点相应元素的衬度异常值,n代表每个异常采样点的数量。

利用上述3种方法,计算出已知矿致异常每一采样点的累加衬度值、平均衬度值和综合衬度值,并以异常下限为1勾绘等值线,圈定衬度法综合异常图。

圈定结果如图 1图 2所示。图 1-A图 2-A是利用累加衬度值方法圈定的综合异常,图 1-B图 2-B中是利用平均衬度值方法圈定的综合异常,图 1-C图 2-C是利用综合衬度值方法圈定的综合异常。

图 1 衬度综合异常对比(HS-2-乙3) Fig.1 Comparison map of contrast integrated anomaly(HS-2-B3)
图 2 衬度综合异常对比(HS-8-甲1) Fig.2 Comparison map of contrast integrated anomaly (HS-8-A1)

图 1图 2可知,利用综合衬度值圈定的综合异常面积最大,指示效果较差。利用累加衬度值圈定的综合异常面积次之。利用平均衬度值圈定的综合异常面积最小,指示效果最好。3种方法圈定的异常浓集中心位置基本一致,圈定的衬度综合异常范围与常规方法圈定的异常范围套合程度较高。利用综合衬度值和累加衬度值圈定的综合异常范围包含部分非异常点,而利用平均衬度值圈定的综合异常范围内全部为异常点。利用综合衬度值和累加衬度值圈定的综合异常在数据处理和运算时对原始数据的改变较大,拉大了数据之间的差异,而利用平均衬度值圈定的综合异常在数据处理和运算时对原始数据的改变较小,更加尊重原始分析数据结构。因此,比较三者的试验结果,在绘制衬度综合异常图时选择平均衬度值是较理想的数据处理方法。

利用化探方法找矿时,往往会出现单点异常,单点异常内采样点的平均衬度值,可能大于异常元素较多、强度较小的异常内采样点的平均衬度值。化探找矿理论中矿致异常的特点是异常强度高、异常面积大,异常元素组分齐全。而单点异常只具备异常强度高的特点,虽然某些单点异常强度较大,但不能被评价为矿致异常,几乎没有找矿效果。利用平均衬度值方法圈定综合异常时,单点异常与矿致异常相比,虽然平均衬度值较大,但圈定的异常面积较小,围绕某一个采样点进行了等值线绘制,且该异常内可能仅包含一个采样点。从异常形态和异常内采样点的数量看,单点异常明显不同于矿致异常。

2 平均衬度综合异常图的数据处理方法

常规方法绘制综合异常图,以单元素异常为基础,不需要进行任何数据处理。而绘制平均衬度综合异常图是在各元素原始分析数据的基础上,运用“平均衬度法”原理对数据进行再处理,然后利用重新处理完成的数据进行制图。

平均衬度综合异常图数据处理的基本思路是以每个采样点为单位,分别求取各元素的衬度值;挑选出其中大于等于1的所有衬度异常值,然后利用公式(2)计算出每个采样点的平均衬度值。

利用Excel软件可完成数据处理,具体流程如图 3所示。多次使用Excel函数,每一步运算中均以函数相连接,方便管理数据。通过图 3所示的数据运算,不仅可以计算出每一采样点的平均衬度值,还可以统计出每一采样点的异常元素种类和数量。在以后工作中如有类似的数据处理,仅需对表格中的部分内容进行修改即可,既节省时间又提高了工作效率。

图 3 平均衬度综合异常图数据处理流程 Fig.3 Data processing flow chart of average contrast integrated anomaly map
3 制图方法

利用平均衬度法绘制化探综合异常图在Mapgis6.7平台上完成,在该平台中制图方法包括2类:一类是离散数据网格化法,一类是三角剖分法。通过制图试验,认为离散数据网格化法绘制成的综合异常图图面清晰、美观,能够较准确地反映综合异常区域,故在制图方法中选择离散数据网格化法。

在制图时需注意2个方面的问题:一是异常下限的取值为1;二是通过试验论证,等值线步长的选择以2n增长最合适。

4 图式

首次提出平均衬度综合异常图的制作方法,研制该方法的图面表达形式。主要研究两方面的内容:一是依据衬度等值线分布和数值高低来表达浓集中心位置和总异常强度;二是异常元素组分多少。异常组分越多、浓度越高、浓集中心越清楚,找矿效果越佳。

4.1 衬度等值线表达形式

综合异常图的底图为地质图,包含的内容较多,主要有地质分区、地质界线、地层代号、岩性花纹、构造、矿点及矿化点、地形线、高程点、基础地理信息等(图 4-A图 5-A)。综合异常图的底图本身就已经较复杂,在图面上添加化探异常时在保留原化探信息的基础上尽可能地简单表达。通过试验研究,对综合异常地表达选择线条形式,这样既能清晰地显示化探信息,又不遮盖底图地质信息(图 4-B、5-B)。关于线条的颜色和宽度可根据底图信息进行适当调整。

图 4 HS-3-甲1常规(A)与衬度综合异常(B)对比 Fig.4 Comparison map of conventional integrated anomaly (A) and contrast integrated anomaly (B) in HS-3-A1 1—第四系全新统冲积物;2—第四系全新统坡洪积物;3—第四系更新统湖积物;4—上侏罗统玛尼吐组上段;5—上侏罗统玛尼吐组下段;6—中侏罗统新民组下段;7—中二叠统哲斯组;8—中二叠统大石寨组;9—石英闪长岩;10—花岗岩脉;11—花岗斑岩脉;12—闪长岩脉;13—地质界线;14—地层产状;15—实测性质不明断层/推测性质不明断层;16—逆断层;17—火山口;18—黄铁矿化/褐铁矿化;19—高岭土化;20—铜银矿;21—1: 1万重点工作区;22—综合异常区域;23—Cu元素异常;24—Pb元素异常;25—Zn元素异常;26—Ag元素异常;27—W元素异常;28—As元素异常;29—Bi元素异常;30—Hg元素异常;31—Sb元素异常;32—衬度异常等值线及标注
图 5 HS-11-甲1常规(A)与衬度综合异常(B)对比 Fig.5 Comparison map of conventional integrated anomaly (A) and contrast integrated anomaly(B) in HS-11-A1 1—第四系全新统;2—第四系更新统;3—第四系更新统;4—下白垩统光华组;5—下白垩统龙江组;6—晚三叠世中细粒二长花岗岩;7—二长花岗斑岩;8—安山岩脉;9—玄武岩脉;10—地质界线;11—推测火山口/实测火山口12—绿泥石化/褐铁矿化;13—硅化/绢云母化;14—岩金脉;15—砂金;16—1: 1万重点工作区;17—综合异常区域;18—Au元素异常;19—Cu元素异常;20—Mo元素异常;21—Ag元素异常;22—Pb元素异常;23—Sb元素异常;24—衬度异常等值线及标注

在图面上圈定出衬度等值线,用于表达综合异常区域及异常浓集中心。同时要注明标注,反映出综合异常的变化趋势。

4.2 异常元素表达形式

衬度等值线只能反映异常变化趋势、综合异常区域及异常浓集中心,并不能反映异常元素的种类。故在衬度值为1的等值线上(外圈等值线)标定出异常元素种类(图 4-B图 5-B)。将异常元素分为2类,一类是主成矿元素,一类是伴生元素。主成矿元素标定在前,以蓝色表示(颜色可根据底图颜色进行适当调整);伴生元素标定在后,以黑色表示。

在确定异常元素时,需考虑区域成矿背景,同时结合异常的具体特征进行分析。利用平均衬度值圈定的综合异常,异常范围内每一采样点的异常元素种类和数量并不完全相同。统计每一采样点出现的相同的异常元素,将此类元素暂定为主成矿元素,同时考虑区域成矿背景,最终确定出主成矿元素。将异常内出现的其他异常元素归为伴生元素。

5 应用实例

为了验证“平均衬度法”在绘制化探综合异常图中的应用效果,选取2个试验区进行实例论证和对比研究。这2个试验区分别属于不同类型的景观区:东蒙干旱半干旱地区和黑龙江小兴安岭森林沼泽地区。对比的2个异常均为已经发现的矿点异常。这2个试验区均已完成1: 5万区域地质矿产勘查工作。

5.1 内蒙古巴林右旗某地对比研究

研究区位于内蒙古自治区赤峰市北部。地处大兴安岭主脉西南侧,整体属高原中低山,属温带季风型大陆性气候。自然条件差,土地沙化严重,属于半干旱风沙草原景观区。全区一级水系在雨季还有流水通过,大部分时间均为干沟。二、三级水系基本全年很少有水。水土流失严重,发育的水系基本是冲、洪积形成的沟系。

研究区面积约373km2,共采取样品1895件。采样的物质为2类,在沟系中采集洪、冲积物中的粗物质,在沟系不发育的地方采集相同粒级的岩屑。采样重量500g。分析了Sb、As、Bi、Hg、Ag、Zn、Cu、Mo、Ni、Mn、Sn、Pb、W、Au 14种元素。工作比例尺为1: 50000。

5.1.1 主要化探异常特征

区内重要的综合异常是HS-3-甲1。在1:5万化探普查后,发现该综合异常并在此基础上划定出重点工作区。对重点工作区进行1:10000土壤地球化学测量,后经探槽揭露,在HS-3-甲1异常处发现1处铜多金属矿化点。

该异常位于研究区东北部,产在燕山早期花岗岩体与二叠系大石寨组凝灰质粉砂岩外接触带及北西、北东向断裂带交会处。此地也位于二叠系哲斯组板岩、砂岩与上侏罗统玛尼吐组中基性火山岩及火山碎屑岩接触带附近。异常面积19.4km2,呈北西向、L面型展布。异常组分以Pb、Ag、Zn、Cu、W、Bi、As为主,Hg、W元素异常次之。平均强度:Pb 71.91×10-6、Ag 0.27×10-6、Zn 178.9×10-6、W 9.67× 10-6、Cu 80.25×10-6。最大强度:Pb 360.7×10-6、Ag 2.1×10-6、Zn 226.9×10-6、W 24.06×10-6、Cu 100× 10-6。异常强度均达二、三级以上,各元素组合紧密,分为2个显著浓集中心,浓集分带清楚。Cu、W分布在内带,Pb、Ag、Zn、As、Sb分布在外带。

5.1.2 常规与平均衬度综合异常图对比

常规综合异常图是依据1:5万地球化学普查规范和勘查地球化学图式图例等规范绘制成的标准图件(图 4-A)。图 4-B是利用新研制出的“平均衬度法”绘制而成的平均衬度综合异常图[3, 18]

(1)形态套合程度分析

图 4可知,2种方法圈定的综合异常形态和位置基本一致。

(2)图面表达形式对比

常规综合异常图在图面表达形式上颜色多,彼此线条叠压,非常凌乱。线条多、图面负担重,导致地质底图许多信息看不清楚。而平均衬度综合异常图只使用一种线形,图面简单、清晰、易懂,且不遮挡底图(地质图)信息显示。

(3)异常浓集中心与矿体空间关系

利用常规综合异常图提取有用找矿信息时,干扰因素较多。该类综合异常指示的找矿范围大,在元素彼此叠合部分的边部,浓集中心分散不突出。

平均衬度综合异常图可以显示明确的异常浓集中心,找矿靶区指示明显,有利于指导进一步找矿工作的部署。通过对异常浓集中心与矿体空间关系研究,矿体基本位于利用平均衬度法圈定出的异常浓集中心,吻合度高。

(4)经济式优选找矿靶区

根据常规综合异常图中的异常分布情况,综合考虑其他成矿因素,圈定找矿靶区面积约7.3km2。根据平均衬度综合异常图圈定出的异常浓集中心,综合考虑其他成矿因素,圈定找矿靶区面积约5.0km2。利用“平均衬度法”圈定出的找矿靶区面积比常规方法减少2.3km2

5.2 黑龙江黑河某地对比研究

研究区位于黑龙江省北部,行政区划属黑河市管辖。地处小兴安岭北段,地势西高东低,山势平缓,一般海拔高350m左右,相对高差100~150m。区内植被发育,基岩露头较少,属于森林沼泽景观区。

研究区面积约330km2,共采集水系沉积物样品1256件,分析了Au、Ag、As、Sb、W、Mo、Cu、Pb、Zn9种元素。工作比例尺为1: 50000。

5.2.1 主要化探异常特征

区内重要的化探综合异常是HS-11-甲1。在该综合异常的基础上圈定重点工作区,对重点工作区进行1:10000土壤地球化学测量,后经探槽揭露,在HS-11-甲1异常处发现1处岩金矿点。

该异常位于研究区西南部,面积4.1×104km2。异常区出露的地层为中生界龙江组、光华组,侵入岩为晚三叠世中粒二长花岗岩。异常区断裂较发育,南侧为近东西向的法别拉河断裂,该断裂是区域上的深大断裂,是一条多期活动的断裂。西侧发育北西向的疙瘩沟断裂,该断裂为法别拉河断裂的分支断裂,两侧主要分布龙江组安山质火山岩,少量为光华组酸性火山岩,其侧列分支断裂显示左行扭动的特点。

该异常由Au、Ag、Sb、Mo、Cu、Pb等元素异常组成,异常套合好,总规模为25.33km2。组合异常以Au元素异常为主,面积2.55km2,平均值为26.1× 10-9,最高值为109.6×10-9,异常衬度为5.45,规模为13.91km2,具浓度内带。该异常是矿致异常,由金矿脉引起。

5.2.2 常规与平均衬度综合异常图对比

常规综合异常图是依据1:5万地球化学普查规范和勘查地球化学图式图例等规范绘制成的标准图件(图 5-A)。图 5-B是利用新研制出的平均衬度法绘制而成的平均衬度综合异常图[3, 17]

(1)套合程度分析

图 5可知,2种方法圈定的综合异常形态和位置基本一致。

(2)图面表达形式对比

常规综合异常图颜色多、线条乱、图面负担重,而平均衬度综合异常图图面简单、清晰易懂,很少或不遮挡底图信息的显示。

(3)异常浓集中心与矿体空间关系

利用常规综合异常图提取有用找矿信息时,干扰因素较多,无论使用三角剖分还是离散数据网格化,在该类综合异常范围内均有非异常点存在,圈定范围大,浓集中心分散,并未圈定出明显的异常浓集中心,在布置下一步工程揭露工作中指示目标过大,影响找矿效果。平均衬度综合异常图可以显示明确的异常浓集中心,找矿靶区指示明显,有利于指导进一步找矿工作的部署。岩金矿体具有明显的Au、Ag、As、Sb次生晕异常,受地形影响,利用平均衬度综合法圈定的异常浓集中心向矿体下坡方向偏移约50m。浓集中心基本位于矿体上方,异常浓集中心与矿体吻合度高。该结果是因为主要成矿元素最高含量值的点并不一定在矿体的上方,在实际工作中大量例子证实这结论。在选择工程揭露时,往往参考主要成矿元素最高含量点布置揭露工程,但有时不能取得较好的找矿效果。平均衬度综合法建立在矿床风化理论的基础上,一般矿体上或近矿位置是异常元素组分最多的位置,远离矿体处由于风化作用、地形效应等因素,组合在一起的元素发生分异并彼此形成含量差异。平均衬度综合法更多地考虑每个异常元素组合的贡献,异常点中异常元素数量越多,对异常的贡献越大,此法可以弱化单点异常的贡献。

(4)经济式优选找矿靶区

根据常规综合异常图中的异常分布情况,综合考虑其他成矿因素,圈定找矿靶区面积约7.0km2。根据平均衬度综合异常图圈定出的异常浓集中心,综合考虑其他成矿因素,圈定找矿靶区面积约4.2km2。利用平均衬度法圈定出的找矿靶区面积比常规方法减少2.8km2,不仅可以节约勘查成本,而且可以提高找矿准确率。

6 结论

(1)本次研究阐述了定量绘制平均衬度综合异常图的意义,明确了平均衬度法的概念,通过对比累加衬度值、平均衬度值、综合衬度值进行制图的方法,论证了平均衬度值圈定出的综合异常效果最佳。

(2)选取2个试验区进行实例论证,2种方法圈定的综合异常位置、形态基本一致。但平均衬度综合异常图解决了常规综合异常图颜色多、线条乱、图面负担重、异常浓集中心分散等问题。平均衬度综合异常图图面简单、清晰易懂,有利于提高读图的清晰度;显示出明确的异常浓集中心,找矿靶区指示明显,有利于指导进一步找矿工作的部署;浓集中心与矿(化)点的吻合度较高,可以提高找矿精度。运用平均衬度综合异常图圈定的找矿靶区面积小,目标明确,不仅可以节约勘查成本,而且可以提高找矿效率。

(3)平均衬度综合异常是基于原始分析数据圈定出的综合异常,以等值线表达综合异常范围,以等值线的变化表示综合异常的变化趋势,属于定量的表达。由原来的定性制图转向定量制图,对综合异常的定位更加准确、评价更加合理、效果更加显著。

致谢: 本次工作得到黑龙江地质调查研究总院齐齐哈尔分院相关领导给予的支持与帮助,在此深表感谢。

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