地球化學(xué)小波分析在火山旋回韻律厘定中的應(yīng)用：以埃塞俄比亞北部施瑞地區(qū)為例

韓世禮 ，張術(shù)根 ，柳建新 ，丁俊 ，張文山 , ，朱思才

(1.中南大學(xué) 有色金屬成礦預(yù)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；3.中色金地資源科技有限公司，北京，100012)

小波分析被譽(yù)為“數(shù)學(xué)顯微鏡”， 在地層層序[1-2]、地球化學(xué)[3-4]、地球物理[5-6]等方面得到廣泛應(yīng)用，是一種有重要應(yīng)用價(jià)值的數(shù)學(xué)理論和方法，具有多分辨率分析或多尺度分析功能。研究區(qū)晚元古代海相火山旋回與VMS型銅多金屬礦關(guān)系密切，由于賦礦的晚元古代地層已廣泛受綠片巖相區(qū)域變質(zhì)、構(gòu)造變形、巖漿侵入等影響，使得該地區(qū)地質(zhì)礦化面貌比較復(fù)雜，對(duì)火山旋回的劃分尤其是韻律單元的劃分難以形成客觀、統(tǒng)一的方案，如何消除人為因素和地球化學(xué)局部異常干擾已成為火山旋回劃分的一個(gè)重要問(wèn)題。本文作者利用小波分析劃分火山旋回及韻律，將反映火山旋回韻律的地球化學(xué)元素及組合分解為不同頻率、不同周期的旋回，結(jié)合地質(zhì)剖面特征，有效劃分火山旋回及韻律，并確定該地區(qū)VMS型銅多金屬礦所處旋回韻律的位置，以便為該地區(qū)礦化定位機(jī)制、定位規(guī)律及成礦預(yù)測(cè)研究提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

埃塞俄比亞北部施瑞地區(qū)處在西岡瓦納古陸東北緣與莫桑比克洋過(guò)渡部位，是阿拉伯—努比亞地盾西南部晚元古代島弧增生帶的重要組成部分[7]。區(qū)內(nèi)主要出露晚元古代形成的呈北東向展布的變火山巖系，并遭受綠片巖區(qū)域變質(zhì)、構(gòu)造變形、巖漿侵入，見(jiàn)圖1。變火山巖系以中性火山巖為主，巖相以溢流相、爆發(fā)相為主。從變火山巖系各巖性巖相類(lèi)型的空間分布特征特別是從熔巖和集塊角礫凝灰?guī)r類(lèi)的分布特征看，裂隙式噴發(fā)是變火山巖系火山活動(dòng)的主要方式。區(qū)內(nèi)經(jīng)歷造山前、造山期和造山期后巖漿侵入活動(dòng)。構(gòu)造以線性構(gòu)造發(fā)育為特征，未發(fā)現(xiàn)與火山巖機(jī)構(gòu)有關(guān)的環(huán)形構(gòu)造。線性構(gòu)造以北東向斷裂和劈理化帶為主，局部發(fā)育北西向和南北向斷裂構(gòu)造。礦體呈層狀、似層狀、透鏡狀和脈狀產(chǎn)出，走向均呈北東—南西，與火山巖巖層、區(qū)域優(yōu)勢(shì)劈理一致，與容礦巖石近乎整合產(chǎn)出。

2 火山旋回的巖性巖相特征

變火山巖系是一套廣泛遭受區(qū)域綠片巖化和以劈理化為主要特征的強(qiáng)烈變形的巖性組成及巖相類(lèi)型復(fù)雜的多旋回海相火山活動(dòng)產(chǎn)物。野外觀測(cè)、巖礦鑒定和巖石化學(xué)研究表明：火山巖系的巖性類(lèi)型從鈉質(zhì)系列到鉀質(zhì)系列，從基性、中性到酸性及其間的過(guò)渡巖性類(lèi)型均有產(chǎn)出，包括玄武巖、堿性玄武巖、玄武安山巖、安山巖、石英安山巖、英安巖、英安流紋巖和流紋巖等。典型基性巖類(lèi)含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)較低，以中酸性巖類(lèi)占優(yōu)勢(shì)。巖層巖性演化規(guī)律性明顯，總體上在單個(gè)韻律中反映為基性—中基性—中酸性—酸性。

圖1 埃塞俄比亞北部施瑞地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Geological map of Shire region in northern Ethiopia

變火山巖系的巖相類(lèi)型包括火山爆發(fā)相、火山溢流相、火山沉積相、沉積相、次火山相和侵入相。就分布含量而言，火山溢流相(熔巖相)和火山爆發(fā)相(碎屑巖相)為主體巖相類(lèi)型，其中爆發(fā)相尤以晶屑凝灰?guī)r發(fā)育最為廣泛，集塊角礫凝灰?guī)r類(lèi)分布比較少。相演化規(guī)律性明顯，總體上，單個(gè)韻律中反映為爆發(fā)相—噴溢相—火山沉積相—沉積相。

3 基于地球化學(xué)含量識(shí)別火山旋回韻律的技術(shù)與方法

火山旋回的識(shí)別是研究變火山巖系VMS型礦床的基礎(chǔ), 不同級(jí)別的旋回反映了不同地質(zhì)演化規(guī)律,特別是礦化就位與火山旋回具有特定的時(shí)空對(duì)比性,對(duì)尋找銅多金屬礦化定位機(jī)制、定位規(guī)律及成礦預(yù)測(cè)研究具有重要意義[8]。

物化探觀測(cè)值實(shí)際上是不同廣度、不同深度和不同性狀的地質(zhì)體在地表的綜合反映，既含有淺部的細(xì)節(jié)信息，又含有深部的地質(zhì)信息；在含有礦化異常的同時(shí)，也含有各種級(jí)別的背景異常[9]。研究區(qū)變火山巖系內(nèi)無(wú)明顯褶皺，地層總體走向北東，傾向南西，具單斜構(gòu)造特征。巖層巖性巖相演化規(guī)律性明顯，巖性總體上在單個(gè)韻律中反映為基性—中基性—中酸性—酸性，巖相反映為爆發(fā)相—噴溢相—火山沉積相—沉積相。正是由于火山噴發(fā)-沉積演化具有旋回性, 而地球化學(xué)含量又包含了大量的地質(zhì)信息, 多尺度小波分析可以將地球化學(xué)含量中所含的信息從高級(jí)別到低級(jí)別依次劃分, 從而對(duì)各級(jí)別層序單元進(jìn)行劃分。因此，可以通過(guò)對(duì)地球化學(xué)含量進(jìn)行小波分析提取有關(guān)旋回及韻律演化的信息，提高旋回劃分、對(duì)比的精度和準(zhǔn)確性。

3.1 小波分析原理

小波變換具有多分辨率分析或多尺度分析功能，可以將含量信息分解成不同的尺度成分，是一種窗口大小固定不變但其形狀可改變的分析方法。這正是小波變換優(yōu)于經(jīng)典的傅立葉變換和短時(shí)傅里葉變換之處[10]。

其中：a為尺度因子；b為平移因子。逆變換(恢復(fù)信號(hào)或重構(gòu)信號(hào))為：

任何函數(shù)f(x)∈L2(R)都可以根據(jù)分辨率為2-N的f(x)的低頻部分(近似部分)和分辨率為2-j(1≤j≤N)時(shí)f(x)的高頻部分(細(xì)節(jié)部分)完全重構(gòu)[11]。多尺度分析時(shí)只對(duì)低頻部分進(jìn)行進(jìn)一步分解，而高頻部分則不予考慮。分解關(guān)系為：

其中：f(x)為信號(hào)函數(shù)；A為低頻近似部分；D為高頻細(xì)節(jié)部分；n為分解層數(shù)。

對(duì)地化含量進(jìn)行小波多尺度分解，其實(shí)質(zhì)就是分解成高頻部分和低頻部分。低頻部分通常包含了地質(zhì)背景的主要信息，高頻部分則與噪音及擾動(dòng)聯(lián)系在一起。根據(jù)分析需要，繼續(xù)對(duì)所得到的低頻部分進(jìn)行分解，得到更低頻部分的信息和頻率較高部分的信息。

3.2 地球化學(xué)含量的選取

地球化學(xué)含量的選取是解決旋回和韻律劃分的基礎(chǔ)。不同的元素具有不同的地質(zhì)意義，進(jìn)行相同的變換可能會(huì)得到不同的結(jié)果。研究區(qū)地球化學(xué)剖面元素包含主量和微量共20種元素含量，基于變火山巖系火山旋回具有從基性(或中基性)向中性、中酸性交互再向酸性方向發(fā)展的演化特征, 即從低硅高鎂鐵含量、低硅高鎂鐵含量與高硅低鎂鐵含量交替到高硅低鎂鐵含量方向發(fā)展，選擇主成分分析中的Si和Fe+Mg含量進(jìn)行小波變換，以劃分火山旋回及韻律。

3.3 小波基及尺度的選取

隨著小波理論的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了多種類(lèi)型的小波基以滿足不同行業(yè)的需要?？偟膩?lái)說(shuō)，每一種小波基具有不同的形態(tài)和函數(shù)，而所有滿足小波條件的函數(shù)都可作為小波基函數(shù)，比較典型的小波基有Daubechies，Symlets，Coiflets，Morlet和Meyer小波基等[12]。在實(shí)際選取小波基時(shí)，一般遵循3種原則[13]：

(1)自相似性原則。對(duì)二進(jìn)小波變換，選擇的小波對(duì)信號(hào)應(yīng)具有一定的相似性，其變換后能量較集中，可有效減少計(jì)算量。

(2)判別函數(shù)。針對(duì)某類(lèi)問(wèn)題找出一些關(guān)鍵性的技術(shù)指標(biāo)，得到1個(gè)判別函，將各種小波函數(shù)代入其中，得到1個(gè)最優(yōu)函數(shù)。

(3)支集長(zhǎng)度。一般選擇支集長(zhǎng)度為5～9的小波。支集太長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生邊界問(wèn)題，支集太短不利于信號(hào)能量集中。

對(duì)于不同的小波可能會(huì)得到不同的結(jié)果, 因此，首先應(yīng)選擇適合旋回韻律劃分的小波基類(lèi)型。在實(shí)際應(yīng)用中，由于具體含量信息存在差異，解決的問(wèn)題不同，很難找到相應(yīng)的模式，因此，需要通過(guò)含量的小波分析結(jié)果與實(shí)際地質(zhì)認(rèn)識(shí)的反復(fù)對(duì)比來(lái)選取[14]。基于小波基選取原則，通過(guò)對(duì)不同小波基的處理分析，認(rèn)為Daubechies小波基對(duì)劃分火山旋回具有較好的適用性。通過(guò)Daubechies(db)小波基對(duì)地球化學(xué)含量采用不同階數(shù)和不同尺度分別處理變換后發(fā)現(xiàn)(見(jiàn)圖2)：選擇db5小波基進(jìn)行三尺度分析能較好地反映旋回韻律演化規(guī)律，其能量較集中，邊界問(wèn)題也不明顯，劃分的結(jié)果與實(shí)際結(jié)果一致。

圖2 元素Si的db5小波三尺度分解與重構(gòu)Fig.2 Db5 wavelet three-scale decomposition and reconstruction for Si

4 應(yīng)用分析

原始地球化學(xué)含量包含局部噪音干擾和地球化學(xué)背景信息，利用MATLAB軟件包中的小波工具箱，對(duì)地球化學(xué)Si和Fe+Mg含量進(jìn)行db5三尺度小波分解, 去除噪音干擾, 提取規(guī)律性周期信息[15]即火山巖系旋回的背景含量信息。為此，選擇Terer，Terakimti和Adi Bladie 3個(gè)礦區(qū)的長(zhǎng)剖面地化含量進(jìn)行小波處理，提取有關(guān)旋回及韻律演化信息。地球化學(xué)采樣點(diǎn)距為30 m，測(cè)試單位為澳實(shí)分析檢測(cè)(廣州)有限公司，分析方法為ME-ICP。

Terer礦區(qū)B-B′地質(zhì)及地化小波處理剖面圖見(jiàn)圖3。從圖3(A)可以看出：經(jīng)小波處理后，共劃分出7個(gè)韻律，2個(gè)旋回界線(Ⅲ-Ⅳ旋回和Ⅳ-Ⅴ旋回)，旋回界線分別位于8號(hào)和92號(hào)點(diǎn)附近，礦體位于第Ⅳ旋回的第三韻律；Terakimti礦區(qū)T-T′剖面經(jīng)小波處理后(見(jiàn)圖3(B)，共劃分出4個(gè)韻律、1個(gè)旋回界線(Ⅱ-Ⅲ旋回界線)，旋回界線位于127號(hào)點(diǎn)附近，礦體位于第Ⅱ旋回的第三韻律；Adi Bladia礦區(qū)L-L′剖面(見(jiàn)圖3(C))，共劃分出5個(gè)韻律、1個(gè)旋回界線(Ⅲ-Ⅳ旋回界線)，旋回界線位于73號(hào)點(diǎn)附近，礦體位于第Ⅲ旋回的第二韻律。

對(duì)于各剖面旋回界線，元素Si均位于波峰向波谷轉(zhuǎn)換部位，F(xiàn)e+Mg位于波谷向波峰轉(zhuǎn)換部位，即以高硅低鎂鐵向低硅高鎂鐵的轉(zhuǎn)變部位。旋回內(nèi)的韻律呈多個(gè)次級(jí)波峰波谷形態(tài)(對(duì)應(yīng)不同的韻律)交替出現(xiàn)，整體向高硅低鎂鐵方向發(fā)展。其旋回韻律規(guī)律與地質(zhì)剖面的巖性巖相一一對(duì)應(yīng)，以中基性(集塊)角礫凝灰熔巖—中基性凝灰熔巖向中酸性晶屑凝灰?guī)r—中酸性沉凝灰?guī)r方向發(fā)展，即向爆發(fā)相—噴溢相—火山沉積相發(fā)展。如B-B′剖面經(jīng)小波處理后的地化含量從8號(hào)到127號(hào)點(diǎn)總體趨勢(shì)為從低硅含量高鎂鐵含量向高硅低含量鎂鐵含量發(fā)展，體現(xiàn)為一個(gè)完整旋回；而其中韻律表現(xiàn)為多個(gè)次級(jí)波峰波谷形態(tài)，共有3個(gè)次級(jí)波，分別對(duì)應(yīng)地質(zhì)剖面的3個(gè)韻律。

各剖面Si和Fe+Mg的原始地化含量受脈狀侵入巖、次火山和局部條帶硅化等影響，含量整體表現(xiàn)比較分散，難以辨別與火山旋回韻律的變化規(guī)律。經(jīng)小波處理后，有效去除了局部噪音干擾，提取了Si和Fe+Mg含量的規(guī)律性周期變化特征?；鹕叫仨嵚烧w從低硅高鎂鐵含量向高硅低鎂鐵含量發(fā)展，旋回內(nèi)的韻律同樣以低硅高鎂鐵含量向高硅低鎂鐵含量發(fā)展，并隨韻律的發(fā)展，逐漸向更高含量的硅和更低含量的鎂鐵方向演化。

由小波處理后的元素Si和Fe+Mg含量曲線特征可以看出：不同的元素及組合反映的曲線形態(tài)不同，但在旋回和韻律的劃分上較一致,同時(shí)也反映了小波變換在火山旋回劃分中的客觀性。

通過(guò)對(duì)變火山巖系各剖面元素及組合的小波分析處理，火山旋回韻律的地球化學(xué)特征具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)在旋回界面，主要為地球化學(xué)成分轉(zhuǎn)換過(guò)渡界面，從早旋回至晚旋回，界面一般是從高硅低鎂鐵含量向低硅高鎂鐵含量方向轉(zhuǎn)化。高硅低鎂鐵含量對(duì)應(yīng)早旋回頂部(中酸性晶屑凝灰?guī)r、中酸性凝灰?guī)r、砂巖)，低硅高鎂鐵含量對(duì)應(yīng)晚旋回的底部(中基性集塊角礫熔巖，中基性凝灰質(zhì)熔巖)。

圖3 地質(zhì)及地化小波處理剖面圖Fig.3 Geology and geochemical wavelet processing section

(2)在旋回內(nèi)部，相應(yīng)化學(xué)成分從低硅高鎂鐵含量、低硅高鎂鐵含量與高硅低鎂鐵含量交替到高硅低鎂鐵含量方向發(fā)展。旋回內(nèi)的韻律呈多個(gè)次級(jí)波峰波谷形態(tài)(對(duì)應(yīng)不同的韻律)交替出現(xiàn)，旋回內(nèi)的韻律同樣以低硅高鎂鐵含量向高硅低鎂鐵含量發(fā)展，并隨韻律的發(fā)展，逐漸向更高含量的硅和更低含量的鎂鐵方向演化。其旋回韻律規(guī)律與地質(zhì)剖面的巖性巖相一一對(duì)應(yīng)，以中基性(集塊)角礫凝灰熔巖—中基性凝灰熔巖向中酸性晶屑凝灰?guī)r—中酸性沉凝灰?guī)r方向發(fā)展，即向爆發(fā)相—噴溢相—火山沉積相發(fā)展。

(3)在旋回期間，據(jù)區(qū)域地化剖面的旋回特性，旋回完整性以中下部旋回最好，中上部旋回較好，下部旋回和上部旋回完整性較差；自下部旋回到上部旋回，總體上巖石的基性程度逐漸降低，酸性程度逐漸增大。

根據(jù)上述小波分析的結(jié)果, 綜合火山旋回地質(zhì)特征和地球化學(xué)特征，研究區(qū)變火山巖系共劃分出6個(gè)旋回15個(gè)韻律。

(1)第Ⅵ旋回，包含韻律1和韻律2。

韻律2(厚度約520 m)：上部為淺灰綠色中酸性凝灰?guī)r；下部為淺灰色晶屑凝灰?guī)r與深灰色變酸性火山熔巖互層。

韻律1(厚度約360 m)：上部為淺灰綠色變中酸性凝灰?guī)r；下部—淺灰色變安山質(zhì)熔巖與晶屑凝灰?guī)r互層。

(2)第Ⅴ旋回，包含韻律1～3。

韻律3(厚度約1 040 m)：上部為淺灰色變中酸性沉凝灰?guī)r；中部為藍(lán)灰綠色-淺灰灰綠色變中基性晶屑凝灰?guī)r；下部為深灰色變余安山質(zhì)凝灰熔巖。

韻律2(厚度約430 m)：上部為深灰綠色間淺灰白色變凝灰質(zhì)砂巖；下部為淺灰色晶屑凝灰?guī)r與深灰色變酸性火山熔巖互層。

韻律1(厚度約570 m)：上部為淺灰色變中酸性沉凝灰?guī)r；中部：灰綠色-淺灰綠色變中基性凝灰?guī)r；下部為深灰綠色變玄武質(zhì)含角礫晶屑凝灰熔巖。

(3)第Ⅳ旋回，包含韻律1～3。

韻律3(厚度約730 m)：上部為淺黃綠色-淺灰綠色強(qiáng)硅化變安山質(zhì)沉凝灰?guī)r；中部為藍(lán)灰綠色碳酸鹽化變安山巖；下部為深灰綠色變玄武質(zhì)角礫集塊晶屑凝灰?guī)r。

韻律2(厚度約600 m)：上部為淺灰綠色變中基性晶屑凝灰?guī)r；下部為深灰綠色含角礫中基性變火山熔巖。

韻律1(厚度約380 m)：上部為主要藍(lán)灰綠色變中性晶屑凝灰?guī)r；中部為淺-深灰綠色碳酸鹽化變安山質(zhì)凝灰熔巖；下部為藍(lán)灰綠色變英安質(zhì)角礫晶屑凝灰熔巖。

(4)第Ⅲ旋回，包含韻律1和韻律2。

韻律2(厚度約750 m)：上部為藍(lán)灰綠色強(qiáng)碳酸鹽化變英安質(zhì)晶屑凝灰?guī)r；中部為淺黃綠色-深灰綠色變中基性凝灰?guī)r；下部為藍(lán)灰綠-深灰綠色變安山質(zhì)含角礫晶屑凝灰?guī)r。

韻律1(厚度約430 m)：上部為暗灰綠色變中性含黃鐵礦沉凝灰?guī)r；中部為淺灰白色變中酸性含黃鐵礦凝灰?guī)r；下部為藍(lán)灰綠色變碳酸鹽化變安山質(zhì)晶屑凝灰?guī)r。

(5)第Ⅱ旋回，包含韻律1～3。

韻律3(厚度約1 500 m)：上部為淺灰白微綠間磚紅色變流紋質(zhì)晶屑凝灰?guī)r；下部為灰綠色變安山質(zhì)熔巖與變玄武質(zhì)角礫凝灰熔巖互層。

韻律2(厚度約540 m)：上部為淺灰白微綠變流紋質(zhì)晶屑凝灰?guī)r；下部為灰綠色變安山質(zhì)熔巖與變玄武質(zhì)角礫凝灰熔巖互層。

韻律1(厚度約1 300 m)：上部為紫紅～磚紅色變流紋質(zhì)晶屑含鐵凝灰?guī)r；中部為灰綠色變石英閃長(zhǎng)巖與變安山質(zhì)角礫晶屑凝灰熔巖互層；下部為淺灰綠色含石英晶屑變中基性晶屑凝灰熔巖。

(6)第Ⅰ旋回，包含韻律1和韻律2。

韻律2(厚度約1 000 m)：上部為淺灰綠色中酸性晶屑凝灰?guī)r；下部為深灰綠色中基性熔巖和角礫凝灰熔巖互層。

韻律1(厚度約900 m)：上部為淺灰綠色基性晶屑凝灰?guī)r；下部為深灰綠色基性熔巖和角礫凝灰熔巖互層。

5 結(jié)論

(1)小波分析在火山旋回厘定中起到了獨(dú)特的作用與效果，不僅可有效劃分區(qū)域火山旋回，而且可有效判別旋回中的韻律，為利用地球化學(xué)資料研究火山旋回韻律提供了一條新的途徑。

(2)經(jīng)小波處理地球化學(xué)成分，可有效去除局部噪音干擾，提取有關(guān)旋回韻律演化的信息，消除傳統(tǒng)地質(zhì)方法劃分的干擾因素, 提高旋回劃分、對(duì)比的精度和準(zhǔn)確性。

(3)通過(guò)地球化學(xué)小波分析，更加客觀地反映了變火山巖系火山旋回韻律的演化特點(diǎn)，即從低硅高鎂鐵含量、低硅高鎂鐵含量與高硅低鎂鐵含量交替到高硅低鎂鐵含量方向發(fā)展。旋回內(nèi)的韻律呈多個(gè)次級(jí)波峰波谷形態(tài)(對(duì)應(yīng)不同的韻律)交替出現(xiàn)，韻律同樣以低硅高鎂鐵含量向高硅低鎂鐵含量發(fā)展，并隨韻律的發(fā)展逐漸向更高含量的硅和更低含量的鎂鐵方向演化。其旋回韻律規(guī)律與地質(zhì)剖面的巖性巖相一一對(duì)應(yīng)，以中基性(集塊)角礫凝灰熔巖—中基性凝灰熔巖向中酸性晶屑凝灰?guī)r—中酸性沉凝灰?guī)r方向發(fā)展，即向爆發(fā)相—噴溢相—火山沉積相發(fā)展。

(4)通過(guò)地球化學(xué)的小波處理，并結(jié)合地質(zhì)剖面特征，埃塞北部施瑞地區(qū)變火山巖系共劃分出6個(gè)旋回15個(gè)韻律。

(5)在火山旋回韻律的厘定中利用地球化學(xué)含量進(jìn)行小波分析是小波分析理論在地學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)有益嘗試，雖然并不能替代常規(guī)的研究方法，但可以作為對(duì)火山旋回韻律研究方法的一種有效補(bǔ)充。采用這種方法有利于減少旋回劃分過(guò)程中由于個(gè)人認(rèn)識(shí)不同給劃分結(jié)果帶來(lái)的差異，使得火山旋回韻律劃分更加客觀。

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