子區(qū)中位數(shù)襯值濾波法在地球化學(xué)異常識(shí)別中的應(yīng)用

趙寧博， 傅 錦 ， 張 川， 劉 歡

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，遙感信息與圖像分析技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083）

子區(qū)中位數(shù)襯值濾波法在地球化學(xué)異常識(shí)別中的應(yīng)用

趙寧博1， 傅 錦1， 張 川1， 劉 歡2

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，遙感信息與圖像分析技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083）

傳統(tǒng)化探方法可能漏掉強(qiáng)度不大但可能致礦的異常，而子區(qū)中位數(shù)襯值濾波法可以有效地避免地質(zhì)背景對(duì)異常圈定的影響，解決了低背景區(qū)和高背景區(qū)弱小異常的識(shí)別問題，消除了全區(qū)統(tǒng)一劃分異常下限對(duì)化探異常識(shí)別的影響。采用該方法在江西某地區(qū)發(fā)現(xiàn)了多個(gè)新的化探鈾異常區(qū)，并在其中的一些異常區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)了鈾礦點(diǎn)，顯示出較好的應(yīng)用效果。

襯值濾波；鈾礦；化探異常

勘查地球化學(xué)誕生以來，化探異常的識(shí)別和解釋一直是研究的重中之重［1］。近年來，越來越多的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法被運(yùn)用到化探的數(shù)據(jù)處理和分類當(dāng)中，不過當(dāng)前化探異常的篩選和評(píng)價(jià)依然存在著較多問題，尤其是隨著近地表礦產(chǎn)的日益減少，尋找深部隱伏礦產(chǎn)成為礦產(chǎn)勘查的新方向，這為化探異常的評(píng)價(jià)工作帶來了更大的困難。傳統(tǒng)方法確定化探異常下限（樣本均值與1～3倍均方差之和）存在著一定的局限性，為了更大程度地發(fā)揮化探數(shù)據(jù)在鈾礦找礦工作中的實(shí)用價(jià)值，筆者采用子區(qū)中位數(shù)襯值濾波法對(duì)研究區(qū)的化探異常進(jìn)行重新分析和篩選。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于江西省九江市某地區(qū)，在大地構(gòu)造上處于揚(yáng)子陸塊區(qū)江南古島弧帶，斷裂構(gòu)造發(fā)育，成礦條件有利，是我國南方震旦系—寒武系中重要的碳硅泥巖型鈾成礦區(qū)。區(qū)內(nèi)地層從前寒武系至白堊系均有出露，鈾礦賦礦層位主要位于上震旦統(tǒng)和下寒武統(tǒng)地層［2］。本區(qū)經(jīng)歷了晉寧期、加里東期、海西期—印支期和燕山期—喜馬拉雅期構(gòu)造旋回，晉寧期發(fā)育緊密線性東西軸向褶皺，酸性和基性巖漿活動(dòng)均較強(qiáng)烈。加里東期屬于槽臺(tái)過渡活動(dòng)，主要是上升運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生NEE向斷層，巖漿活動(dòng)弱。海西期—印支期有弱褶皺作用，巖漿活動(dòng)不強(qiáng)烈。燕山期—喜馬拉雅期中酸性巖漿巖活動(dòng)強(qiáng)烈，NNE向斷裂發(fā)育（圖 1）。

2 方法原理

2.1 常規(guī)方法簡介［1］

傳統(tǒng)的地球化學(xué)理論認(rèn)為地質(zhì)體中各種元素的含量服從正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布，一般認(rèn)為常量元素服從正態(tài)分布，微量元素服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，地球化學(xué)背景值和異常值的確定就是以此為前提的。

化探數(shù)據(jù)如果服從正態(tài)分布，則可以直接計(jì)算其背景值和異常下限。異常下限一般是樣本平均值（X）與1～3倍均方差（S）之和，目前采用比較多的是平均值與2倍均方差之和作為異常下限。如果數(shù)據(jù)服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，則需要將原始數(shù)據(jù)換算成對(duì)數(shù)之后再計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)離差，最終再換算成真數(shù)。

對(duì)于不服從正態(tài)或?qū)?shù)正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，需要剔除極高和極低值。首先將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)變換，以便為標(biāo)準(zhǔn)剔除極高和極低值，然后重新檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布形態(tài)，直到數(shù)據(jù)服從標(biāo)準(zhǔn)分布。

2.2 子區(qū)中位數(shù)襯值濾波法簡介［3-4］

圖1 研究區(qū)地質(zhì)略圖Fig.1 Sketch geologic map of the study area

子區(qū)中位數(shù)襯值濾波法是在EDA（勘查數(shù)據(jù)分析）技術(shù)和濾波技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的化探數(shù)據(jù)處理方法。建立在經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)上的濾波技術(shù)采用低通濾波器（LPF）、高通濾波器（HPF）、框形濾波器（PFF）和柯爾莫哥夫—斯米爾諾夫?yàn)V波器（KSF）。低通濾波器本質(zhì)上相當(dāng)于移動(dòng)平均方法。高通濾波器相當(dāng)于移動(dòng)平均的剩余圖?？蛐螢V波器是將中心圖元的值與其周圍有效半徑為r處的方形圖元環(huán)帶作對(duì)比，如果中心圖元的值超過環(huán)帶的平均值加2倍標(biāo)準(zhǔn)差，則該圖元可視為異常?？聽柲绶颉姑谞栔Z夫?yàn)V波器是將方形環(huán)帶數(shù)據(jù)的累積頻率分布與內(nèi)部中心圖元塊段或圖元數(shù)據(jù)的累積頻率分布進(jìn)行對(duì)比，檢驗(yàn)準(zhǔn)則是兩組累積階梯函數(shù)在所研究方向上的可觀測差最大，但是其前提是在中心和環(huán)帶內(nèi)所取數(shù)值的總體無顯著差異。對(duì)4種濾波器的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比后，Howarth認(rèn)為用3×3中心圖元塊段窗口的KSF最好，其次是PFF。

EDA技術(shù)以穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)學(xué)為基礎(chǔ)，不需要設(shè)定假設(shè)條件，也無需對(duì)原始數(shù)據(jù)作任何處理，而是根據(jù)數(shù)據(jù)本身的特點(diǎn)來提取異常。EDA方法的統(tǒng)計(jì)參數(shù)包括中位數(shù)、2個(gè)極值點(diǎn)和上、下4分點(diǎn)。它的處理算法如下：

式中：Fu表示異常點(diǎn)下限，F(xiàn)1表示異常點(diǎn)上限，Qu表示上4分點(diǎn)，Q1表示下4分點(diǎn)，Sh表示內(nèi)散度，其意義與均方差類似。EDA方法認(rèn)為，數(shù)據(jù)集中有25%的數(shù)據(jù)是無效的，這些數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)集的統(tǒng)計(jì)參數(shù)（中位數(shù)和上、下4分點(diǎn)）不產(chǎn)生影響，異常點(diǎn)臨界值只受內(nèi)散度影響而不受異常點(diǎn)的影響。與穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)量相反，只要有一個(gè)極值點(diǎn)就會(huì)給常規(guī)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)中的算術(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)離差帶來很大的影響，進(jìn)而給建立在常規(guī)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)上的由算術(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)離差確定的異常下限帶來很大的影響。因此EDA方法與傳統(tǒng)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)相比可以有效抵抗干擾。

子區(qū)中位數(shù)襯值濾波法是在上述KSF、PFF和EDA技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)形成的，它采用子區(qū)模擬背景場的空間變異，以EDA技術(shù)計(jì)算異常臨界值，用襯值為基準(zhǔn)度量場值的起伏變化。具體實(shí)現(xiàn)過程是：在1∶20萬化探掃面中，以3×3個(gè)格子（36 km2）作為小窗口，取其中位數(shù)作為小窗口中心格子的趨勢值（CWm）。 以 9×9 個(gè) 格子 （324 km2） 作 為 大 窗口，取其中位數(shù)作為背景值，用EDA的算法Fu＝Qu＋1.5 Sh計(jì)算 Fu， 然后計(jì)算 CWm與 Fu的比值CF，CF即為襯值，如果CF＞1，則代表正異常，據(jù)此，就可以用襯值來進(jìn)行地球化學(xué)元素異常的識(shí)別。

子區(qū)中位數(shù)襯值濾波法用窗口代替子區(qū)，以小窗口為局部異常，以大窗口為局部背景，逐點(diǎn)移動(dòng)，使得每一點(diǎn)或子區(qū)的背景不同，把地球化學(xué)背景面看成一個(gè)連續(xù)起伏變化的曲面。即在該方法處理過程中，自動(dòng)把一個(gè)大區(qū)域劃分成很多個(gè)小子區(qū)，每個(gè)小子區(qū)均具有自己的地球化學(xué)背景值和異常下限值，這就從理論上解決了低背景區(qū)和高背景區(qū)弱小異常的識(shí)別問題，克服了采用全區(qū)統(tǒng)一異常下限給異常識(shí)別帶來的困難。

3 研究區(qū)化探異常提取

3.1 元素?cái)?shù)據(jù)分布形態(tài)分析

對(duì)包括 Ag、As、Au、B、Be和 Bi等 24種元素的研究區(qū)1:20萬水系沉積物數(shù)據(jù)進(jìn)行因子分析，得出在研究區(qū)內(nèi)Mo、Ag、V、Zn和U的成礦可能有較為密切的關(guān)系。主要采用主成礦元素U和與U相關(guān)性較高的Mo兩種元素進(jìn)行研究，探討子區(qū)中位數(shù)襯值濾波法在提取化探異常中的優(yōu)勢。

從U和Mo元素的對(duì)數(shù)正態(tài)Q—Q圖中可以看出，兩種元素的原始數(shù)據(jù)均不符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，以（X±3S）為標(biāo)準(zhǔn)多次剔除極高和極低值后，重新繪制的對(duì)數(shù)正態(tài)Q—Q圖如圖2和圖3，發(fā)現(xiàn)剔除極值后數(shù)據(jù)分布的分位數(shù)和指定分位數(shù)的關(guān)系基本上呈一條直線，但還是有一定程度的分離，從嚴(yán)格意義上講，認(rèn)為它并不服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，只是近似服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

圖2 U元素對(duì)數(shù)正態(tài)Q—Q圖Fig.2 Lognormal Q—Q plot of U

圖3 Mo元素對(duì)數(shù)正態(tài)Q—Q圖Fig.3 Lognormal Q—Q plot of Mo

采用傳統(tǒng)方法只能以數(shù)據(jù)服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布為前提來進(jìn)行計(jì)算，而采用子區(qū)中位數(shù)襯值濾波法并不需要考慮數(shù)據(jù)的分布形態(tài)，也不用剔除極值。

3.2 研究區(qū)化探異常提取應(yīng)用效果

分別采用子區(qū)中位數(shù)襯值濾波法和傳統(tǒng)方法對(duì)鈾和鉬兩種元素進(jìn)行異常的提取，圖4為鈾元素化探異常圖（圖4a為鈾常規(guī)法，圖4b為鈾襯值濾波法），圖5為鉬元素化探異常圖（圖5a為鉬常規(guī)法，圖5b為鉬襯值濾波法）。

圖4和5可以看出，兩種方法提取的鈾和鉬元素異常均對(duì)區(qū)內(nèi)鈾礦的產(chǎn)出具有指示作用，但是兩種方法的提取效果存在較明顯的差別，相比來講子區(qū)中位數(shù)襯值濾波法具有如下優(yōu)勢：

（1）保留了強(qiáng)礦致異常。圖4a和圖5a中多數(shù)強(qiáng)礦致異常在圖4b和圖5b中仍為高異常，例如圖4b中的11號(hào)和12號(hào)異常，以及圖5b中的10號(hào)和11號(hào)異常，這些異常區(qū)域內(nèi)均有鈾礦床產(chǎn)出。

圖4 研究區(qū)鈾元素地球化學(xué)異常圖Fig.4 Geochemical anomaly of uranium in the study area

圖5 研究區(qū)鉬元素地球化學(xué)異常及鈾礦點(diǎn)分布圖Fig.5 Geochemical anomaly of molybdenum in the study area

（2）增強(qiáng)了低背景場內(nèi)的弱、小異常。圖4b中2號(hào)異常內(nèi)的鈾礦床在圖4a中只位于一片大范圍強(qiáng)異常區(qū)的邊緣部位，用常規(guī)方法很容易被漏掉，而襯值濾波法則在該鈾礦床處形成了一片獨(dú)立的異常區(qū)，另外3、5、8號(hào)異常也得到了增強(qiáng)。圖5b中的1、2、4、6號(hào)異常均得到了增強(qiáng)，這些異常與研究區(qū)內(nèi)上震旦統(tǒng)和下寒武統(tǒng)地層的展布較吻合，并且有多處存在鈾礦化現(xiàn)象，有較好的鈾成礦潛力。

（3）削弱了高背景場內(nèi)的非礦致異常。常規(guī)方法統(tǒng)一劃分的背景場和異常場，容易強(qiáng)化某些高背景場內(nèi)的非礦致異常，子區(qū)中位數(shù)襯值濾波法能較好地抑制這種弊端。圖4b中的7號(hào)異常是一個(gè)低強(qiáng)度的異常區(qū)，而在圖4a中該區(qū)域異常強(qiáng)度很高，而且范圍更大，該區(qū)域?yàn)檠嗌皆缙诨◢弾r地層，沒有發(fā)現(xiàn)鈾礦化，但是具有較高的鈾背景值，可能在鈾成礦早期提供了部分鈾源。

（4）發(fā)現(xiàn)了新的鈾異常。圖4b中的4號(hào)異常是采用襯值濾波法圈出的鈾異常，雖然異常強(qiáng)度不高，但其位于研究區(qū)內(nèi)鈾礦成礦的有利地層——下寒武統(tǒng)，而且異常區(qū)內(nèi)存在多處γ異常點(diǎn)，地表揭露見有表外礦化，有一定成礦前景。

此外，采用子區(qū)中位數(shù)襯值濾波法對(duì)Ag、V、Mo和Zn等元素也進(jìn)行了研究，同樣取得了較好的效果，說明了該方法的有效性，同時(shí)也表明U-Mo-Ag-V-Zn元素組合對(duì)研究區(qū)鈾礦有較好的指示作用。

4 結(jié) 論

（1）子區(qū)中位數(shù)襯值濾波法將地球化學(xué)背景面看成一個(gè)連續(xù)變化的曲面，以小窗口為局部異常，大窗口為局部背景來模擬背景場的變化，從而增強(qiáng)了低背景區(qū)內(nèi)的弱小異常，對(duì)于尋找隱伏礦產(chǎn)具有積極作用；同時(shí)削弱了高背景區(qū)的非礦致異常，可以有效縮小找礦靶區(qū)。能夠較客觀地展現(xiàn)礦化異常的展布形態(tài)，便于和多源地學(xué)信息進(jìn)行綜合分析。

（2）在實(shí)際工作中，首先采用因子分析方法得到與鈾成礦關(guān)系密切的元素組合，然后采用子區(qū)中位數(shù)襯值濾波法對(duì)這些元素進(jìn)行處理，取得了較好的應(yīng)用效果，得到的化探異常區(qū)與鈾礦床和鈾礦點(diǎn)具有較好的吻合性，異常形態(tài)良好，表明了該方法的有效性。同時(shí)該方法在計(jì)算機(jī)上運(yùn)算快速、便捷，可在不同地區(qū)、不同地球化學(xué)景觀區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

（3）常規(guī)方法在計(jì)算時(shí)需要考慮數(shù)據(jù)的分布形態(tài)，如果數(shù)據(jù)不服從指定的分布形態(tài)，需要不斷剔除極值直到符合要求的分布形態(tài)，而子區(qū)中位數(shù)襯值濾波法不需要考慮原始數(shù)據(jù)的分布形態(tài)，因而提高了使用的便捷程度。

［1］任天祥，伍宗華，羌榮生，等.區(qū)域化探異常篩選與查證的方法技術(shù)［M］.北京：地質(zhì)出版社，1998.

［2］張待時(shí).修水地區(qū)碳硅泥巖型金（鈾）礦成礦條件［M］.北京：原子能出版社，1993.

［3］史長義，張金華，黃笑梅.子區(qū)中位數(shù)襯值濾波法及弱小異常識(shí)別［J］.物探與化探，1999，23（4）:251-256.

［4］ 史長義.勘查數(shù)據(jù)分析（EDA）技術(shù)的應(yīng)用［J］.地質(zhì)與勘探， 1993， 39（11）:52-58.

［5］胡以鏗.地球化學(xué)中的多元分析［M］.武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1991.

Application of subinterval area median contrast filtering method in the recognizing of geochemical anomalies

ZHAO Ning-bo1， FU Jin1， ZHANG Chuan1， LIU Huan2
（1.National Key Laboratory of Remote Sensing Information and Image Analysis Technology，Beijing Research Institute of Uranium Geology， Beijing 100029， China；2.China University of Geoscience （Beijing），Beijing 100083，China）

Traditional geochemical processing method sometimes maybe loses some weak anomalies related to mineralization，the authors can avoid the influence of geology background and can solve the problem of recognizing weak anomalies in the low-background and high-background area with the subinterval area median contrast filtering method.In an area of Jiangxi Province， several new anomalies are identified by this method and uranium mineralized prospects are found among them.

contrast filtering method； uranium deposit； geochemical anomaly

P622＋.3

A

1672-0636（2012）01-0047-05

10.3969/j.issn.1672-0636.2012.01.008

2011-09-04；

2011-10-10

趙寧博（1985—），男，河南鄭州人，助理工程師，主要從事3S技術(shù)應(yīng)用研究。E-mail：zhaoningbo1985@126.com