云南某地區(qū)域地球化學(xué)元素分形特征及指示意義

歐陽立勝

(1.廣東省地震局，廣東 廣州 510070；2.中國(guó)地震局地震監(jiān)測(cè)與減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510070；3.廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （籌），廣東 廣州 510070）

云南某地區(qū)域地球化學(xué)元素分形特征及指示意義

歐陽立勝1，2，3

(1.廣東省地震局，廣東 廣州 510070；2.中國(guó)地震局地震監(jiān)測(cè)與減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510070；3.廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （籌），廣東 廣州 510070）

以云南某地1∶20萬區(qū)域地球化學(xué)為例，選取其中的Ag、Cd、Co、Cu、Mn、Mo、Ni、Pb、Zn、Sn、W等11個(gè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用含量-面積法對(duì)上述元素分析，建立元素的C-A分形模型，研究表明，元素在空間分布上服從分形分布特征，可以通過不同的分維值來刻畫；分形方法可以有效的分析地球化學(xué)的背景場(chǎng)與異常場(chǎng)，根據(jù)元素異常場(chǎng)的分維值，可以從元素空間富集角度對(duì)地球化學(xué)元素進(jìn)行分類，研究表明，Cu、Sn、Ag、Pb、Zn、Cd、Mn可以為本區(qū)的主要成礦元素，具有找礦潛力。

區(qū)域地球化學(xué)；分形模型；面積-含量；云南

0 前言

區(qū)域地球化學(xué)信息是進(jìn)行成礦規(guī)律研究和礦產(chǎn)資源潛力的重要基礎(chǔ)信息，同時(shí)作為研究地球演化過程中物質(zhì)成分變化在地球表層的總體表現(xiàn)，可以為礦床形成的物質(zhì)來源和礦物的富集賦存環(huán)境的空間分布提供了豐富的信息資源。通過對(duì)區(qū)域性地球化學(xué)數(shù)據(jù)處理、分析、綜合研究，可以在找礦靶區(qū)圈定、基礎(chǔ)地質(zhì)研究、成礦構(gòu)造研究、成礦規(guī)律研究、以及礦產(chǎn)資源潛力的定性、定量預(yù)測(cè)等方面發(fā)揮重要的作用，區(qū)域地球化學(xué)空間結(jié)構(gòu)分布規(guī)律的研究是揭示礦化空間變化規(guī)律的重要途徑。本文以云南某地區(qū)域地球化學(xué)11個(gè)元素為研究對(duì)象，研究元素在空間分布的結(jié)構(gòu)特征，特別是背景場(chǎng)與異常場(chǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并探討了不同類型元素之間的空間變化和礦化富集規(guī)律。

1 含量-面積 （C-A）分形方法

地球化學(xué)元素含量值一般由背景值和異常值組成，體現(xiàn)了礦化過程尤其是與熱液有關(guān)的過程往往呈多期次重復(fù)性以及成礦空間上分布上的復(fù)雜性。傳統(tǒng)對(duì)于區(qū)域地球化學(xué)數(shù)據(jù)的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)研究往往基于數(shù)據(jù)的正態(tài)分布或者對(duì)數(shù)正態(tài)分布前提下，然而地球化學(xué)含量數(shù)據(jù)最顯著的特征是它的空間屬性，尤其是區(qū)域性的地球化學(xué)勘查，這種特征更為顯著。但以單一的正態(tài)分布，不能正確地反映真實(shí)的地質(zhì)景觀現(xiàn)象。由于地質(zhì)過程往往具有多期次和空間相關(guān)性等特點(diǎn)，所產(chǎn)生的地質(zhì)體或者相應(yīng)的場(chǎng)會(huì)呈現(xiàn)空間自相似性或統(tǒng)計(jì)自相似性,與礦產(chǎn)資源有關(guān)的地質(zhì)異常的形成往往是非線性的動(dòng)力學(xué)過程結(jié)果，所產(chǎn)生的元素在地質(zhì)體中的分布常常是奇異的，地球化學(xué)異常滿足分形或多重分形分布，與礦化有關(guān)的微量元素地球化學(xué)場(chǎng)具有多重分形結(jié)構(gòu)特征，其中微量元素的背景值往往服從正態(tài)或?qū)?shù)正態(tài)分布，然而高低異常值服從多重分形分布[1～5]。

近來提出的地球化學(xué)異常的分形方法得到了較好的應(yīng)用。采用元素含量-面積 (C-A)模式，可以避免同一成礦區(qū)帶中存在不同地理地質(zhì)景觀對(duì)地球化學(xué)空間分布的影響，并有效揭示元素分布的空間結(jié)構(gòu)規(guī)律。C-A分形模型可以表述如下[1]：

式中A(ρ＞C)表示元素含量大于某一值C的區(qū)域的面積，D為分維數(shù)。K為常數(shù)，隨著C值的提高，A總是相應(yīng)的減小，A隨C變化的規(guī)律取決于分維數(shù)D的大小。分維數(shù)D定量地刻畫了地球化學(xué)元素含量分布在該無標(biāo)度區(qū)內(nèi)的變化復(fù)雜程度。在背景值和異常值范圍，這種變化對(duì)應(yīng)不同的D值。在log-log雙對(duì)數(shù)圖上將決定直線段不同的斜率，不同線段所對(duì)應(yīng)的分界值往往可作為區(qū)分背景和異常的臨界值。這為研究地球化學(xué)的分布規(guī)律提供了理論依據(jù)[1、4]。

2 數(shù)據(jù)來源及特征

本次研究的數(shù)據(jù)來源于云南某地1∶20萬區(qū)域化探數(shù)據(jù)，采樣介質(zhì)為水系沉積物，區(qū)域內(nèi)出露的地層較為復(fù)雜，從古生代到新生代均為出露，古生代主要出露地層巖性為砂板巖夾中基性火山巖、硅質(zhì)巖、碳酸鹽巖及含煤碎屑巖建造;中生代為碎屑巖、酸性火山巖建造，新生代主要為第三系陸相紅色碎屑巖建造。選取其中的11個(gè)主要金屬元素Ag、Cd、Co、Cu、Mn、Mo、Ni、Pb、Zn、Sn、W進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)的基本特征如表1。

表1 區(qū)域地球化學(xué)元素特征表Table 1 Regional geochemical element characteristic table

3 元素的C-A分形模型

對(duì)云南地區(qū)的11個(gè)元素分別進(jìn)行分形統(tǒng)計(jì)分析，得到了元素含量-面積的雙對(duì)數(shù)圖，即logC-logA圖，如圖1所示。圖1為Zn元素的C-A分形模型，由圖可知，Zn的分形曲線可以分為兩部分，分別擬合兩條曲線，兩條直線分別可以通過公式2以函數(shù)進(jìn)行表達(dá)，代表了Zn元素的背景場(chǎng)與異常場(chǎng)。各近似線段擬合的直線斜率，即該標(biāo)度區(qū)的分維數(shù)。圖中背景段分維值D1值為1.0，異常段分維值D2為3.2，異常段分維值要大于背景段。

圖1 Zn的分形模型圖解Fig.1 Zn fractal model diagram

圖2為研究區(qū)11個(gè)元素的分形模型圖解。從圖中可以看出在各元素的log-log圖中:

（1）元素含量與所包含面積的投影點(diǎn)呈現(xiàn)出連續(xù)的曲線分布，各元素所形成的曲線都有兩段近似的直線段，可以用直線進(jìn)行擬合，其中含量值小的部分相對(duì)平坦，大致反映了元素含量的低值區(qū)或背景區(qū)；而含量較高的線段相對(duì)陡傾，大致反應(yīng)了元素含量的高值區(qū)或異常區(qū)。兩條直線之間的拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的元素含量值可以作為劃分異常和背景的臨界值。

（2）各元素的D1值相對(duì)比較集中在1.0左右，各元素之間沒有太大的差異，而反應(yīng)異常場(chǎng)得D2存在明顯的差異，體現(xiàn)了元素富集的差異性特征。根據(jù)D2的大小，11個(gè)元素從小到大依次為：Cu＜Sn＜Ag＜Pb＜Zn＜Cd＜Mn＜Mo＜W＜Ni＜Co,其中數(shù)值比較小的特別是小于4.0的6個(gè)元素Cu、Sn、Ag、Pb、Zn、Cd、Mn為本區(qū)的主要成礦元素，已經(jīng)形成若干礦床。導(dǎo)致這種現(xiàn)象形成的原因，李堃等[6]解釋為D值越小，即直線越平緩，元素的低含量點(diǎn)到高含量點(diǎn)的頻率下降得慢，元素含量在空間上的富集程度越高，存在著較多的高含量點(diǎn)的分布，并有富集成礦的趨勢(shì)；D值越大，則高含量點(diǎn)分布較少，主要含量點(diǎn)集中在低含量區(qū)，就不存在富集成礦的可能[6]，因此可以根據(jù)D2對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，元素的分類反應(yīng)了空間富集特征的相似程度，可以作為區(qū)分成礦元素、伴生元素以及不成礦元素的指示標(biāo)志。

圖2 元素C-A分形模型Fig.2 Element C-A fractal model

（3）研究同時(shí)結(jié)合了多元統(tǒng)計(jì)的聚類分析法對(duì)元素進(jìn)行分析，如圖3所示，與D2進(jìn)行元素分類大體上存在一致性，如Ni、Co值具有明顯的相關(guān)性，體現(xiàn)在D2上二者具有較大的數(shù)值，超過10，兩種分類的異同在于，D2不僅能夠反應(yīng)不同元素之間的相關(guān)性，更能反應(yīng)元素的空間富集程度規(guī)律，因而可以作為指導(dǎo)區(qū)域礦產(chǎn)潛力預(yù)測(cè)的標(biāo)志。

（4）利用此模型可以有效的分析異常下限，即兩擬合直線的交點(diǎn)可以視為異常下限，進(jìn)而圈定地球化學(xué)異常，利用C-A分形模型確定異常下限是當(dāng)前進(jìn)行此項(xiàng)工作的重要方法，較于傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法、累積頻率法等方式具有較明顯的優(yōu)勢(shì)[7]。

4 結(jié)論

圖3 元素聚類譜系圖解Fig.3 Element cluster pedigree chart

本文運(yùn)用 “C-A”分形模型方法分析了元素的空間分布結(jié)構(gòu)特征，可以作為研究地球化學(xué)元素分布規(guī)律的有效方法。本區(qū)11個(gè)元素在空間富集成礦有著各自的地質(zhì)背景、成礦機(jī)理以及元素共生組合，分形模型圖解上表現(xiàn)為元素的分布曲線呈現(xiàn)不同的分布模式，分形維值是重要的參數(shù)，根據(jù)異常段得分維值，可以作為區(qū)分成礦元素與不成礦元素的標(biāo)志，據(jù)此認(rèn)為Cu、Sn、Ag、Pb、Zn、Cd、Mn為本區(qū)的主要成礦元素，并具有較大的找礦潛力。

[1]Cheng Q，Agterberg F P，Bonham-carter G F.A spatial analysis method for geochemical anomaly separation [J].J Geochem Explor，1996，56：183-195.

[2]Cheng Q，Agterberg F P，Ballantynes B.The separation of geochemical anomalies from background by fractal methods[J].J Geochem Explor，1994，51：109-130.

[3]成秋明.多維分形理論和地球化學(xué)元素分布規(guī)律[J].地球科學(xué)，2000，25(3)：311-318.

[4]成秋明.空間模式的廣義自相似性分析與礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)[J].地球科學(xué)，2004，29(6)：l733-1743.

[5]文戰(zhàn)久，劉洪臣，高星.地球物理和地球化學(xué)異常的多重分形分析與分解[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2007，22（3）：972-978.

[6]李堃，胡光道，劉才澤.個(gè)舊地區(qū)地球化學(xué)元素的多重分形特征及找礦預(yù)測(cè)[J].礦產(chǎn)與地質(zhì)，2006，20 (4-5)：498-502.

[7]戴慧敏，宮傳東，鮑慶中，等.區(qū)域化探數(shù)據(jù)處理中幾種異常下限確定方法的對(duì)比-以內(nèi)蒙古查巴奇地區(qū)水系沉積物為例[J].物探與化探，2010，34（6）：782-786.

（1.Earthquake Administration of Guangdong Province,Guangzhou 510070,China;2.Key Laboratory of Earthquake Monitoring and Disaster Mitigation Technology,CEA,Guangzhou 510070,China;3.Key Laboratory of Guangdong Province Earthquake Early Warning and Safety Diagnosis of Major Projects,Guangzhou 510070,China)

Fractal Characteristics and Indicative Significance of Regional Geochemical Element in Yunnan

OUYANG Lisheng1，2，3

Eleven regional geochemical data in Yunan Ag,Cd,Co,Cu,Mn,Mo,Ni,Pb,Zn,Sn, W,etc.with scale 1:200000 are selected and analyzed in the application of Concentration-Area (C-A)fractal method,the C-A fractal models are built for each element.Studies show that spatial distribution of elements conforms to the fractal distribution characteristics,which can be illustrated by different fractal dimensions.Fractal analysis can be used to separate background field from anomalous field effectively.Given the fractal dimension of anomalous field,geochemical elements can be classified according to spatial enrichment degree of elements.Research also shows that Cu,Sn,Ag,Pb,Zn,Cd,Mn are the main ore-forming elements and have the potential of assisting in searching minerals.

Regional Geochemistry;Fractal Model;C-A;Yunnan

P315.726

A

1001-8662（2012）03-0075-06

2012-04-10

歐陽立勝，男，1974年生，工程師，主要從事工程防震研究. E-mail：1095705480@qq.com.