Kohonen人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在新疆東天山地區(qū)斑巖型鉬礦資源預(yù)測中的應(yīng)用

王 中，肖克炎，丁建華

(1.安徽省地質(zhì)調(diào)查院，安徽 合肥 230001;2.中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037)

0 引言

在有一定的地質(zhì)工作基礎(chǔ)、有多年采礦歷史、具有一定資料積累、成礦系統(tǒng)復(fù)雜、找礦難度突出的地區(qū)開展有效的礦產(chǎn)預(yù)測工作，需開展新理論、新方法、新手段、新技術(shù)、新數(shù)據(jù)、新系統(tǒng)等應(yīng)用和研究(成秋明等，2009)。其中，非線性數(shù)學(xué)方法與潛力評價技術(shù)的結(jié)合是未來成礦預(yù)測方法研究的熱點，特別是對找礦勘查工作具有重要的理論和現(xiàn)實意義。我國西部地區(qū)礦產(chǎn)資源潛力巨大。通過定位預(yù)測方法的研究，同時結(jié)合定量預(yù)測(Wang et al，2012)，可以總結(jié)出一套符合西部地區(qū)成礦地質(zhì)條件實際情況、可靠而有效的評價方法。

從新疆東天山地區(qū)的成礦條件來看，以該地區(qū)作為西部地區(qū)成礦預(yù)測新技術(shù)的實驗研究區(qū)域，具備較好的條件。(1)東天山地區(qū)是我國固體礦產(chǎn)資源16個重點成礦區(qū)帶之一;是我國有色金屬、貴金屬的重要成礦帶;也是我國西部的重要成礦區(qū)帶。(2)從地質(zhì)特征上來看，東天山地區(qū)地層分布較齊全、沉積建造類型多樣、地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜、巖漿活動較頻繁、變質(zhì)變形作用較明顯，因此該地區(qū)成礦地質(zhì)條件較優(yōu)越。(3)從工作程度上來看，近年來，國土資源大調(diào)查工作在該區(qū)不斷有新的突破，發(fā)現(xiàn)了一些新的礦床，如土屋延?xùn)|銅礦床、坡北銅鎳硫化物礦床、東戈壁鉬礦床等。(4)前人對東天山地區(qū)成礦地質(zhì)特征的研究積累了一定的基礎(chǔ)，較適合于方法試驗(丁建華，2007)。

基于以上幾點，通過非線性統(tǒng)計方法對新疆東天山地區(qū)斑巖型鉬礦資源的預(yù)測進行探討。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景及礦產(chǎn)資源

從構(gòu)造特征來看，東天山地區(qū)具有多期和復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造運動特征，從而導(dǎo)致該地區(qū)構(gòu)造發(fā)育。其中斷裂構(gòu)造系統(tǒng)復(fù)雜，這些斷裂系統(tǒng)包含深大斷裂和一般性斷裂，并且這些斷裂將分割出不同的地質(zhì)構(gòu)造單元，這些地質(zhì)構(gòu)造單元具有不同的地質(zhì)建造特征(圖1)。

圖1 東天山大地構(gòu)造略圖(據(jù)丁建華等，2007修改)Fig.1 Tectonic sketch map of East Tian Shan(modified from Ding et al，2007)

從地層分布來看，古生代—第四紀各個不同地質(zhì)時期形成的地層在東天山地區(qū)皆有出露，其中東天山南部及其毗鄰地區(qū)的火山巖較為發(fā)育。從資源稟賦情況來看，內(nèi)生金屬礦產(chǎn)主要有銅、金、鎳、鐵、鉛鋅、銀、釩、鉬礦等，其中銅、金、鐵、鉛鋅、銀、鉬礦是東天山的優(yōu)勢礦種。在空間分布上，北部(康古爾斷裂兩側(cè))以銅礦為主，自西向東有小熱泉子銅礦、土屋—延?xùn)|銅礦、三岔口銅礦和黃山銅鎳礦等;中部(康古爾斷裂與阿其克庫都克斷裂之間)以金礦和鐵礦為主，其次是銅礦和銀礦等，尤其是金礦集中分布于石英灘—康古爾塔格一帶，如石英灘、康古爾、馬頭灘等金礦;南部(阿其克庫都克斷裂與卡瓦布拉克斷裂之間)以鐵、鉛鋅、鉬、金、銀礦為主，尤其是阿其克庫都克斷裂南側(cè)分布有天湖鐵礦、彩霞山鉛鋅礦、白山鉬礦、東戈壁鉬礦、吉源銅銀礦、馬莊山金礦、玉西銀礦、沙泉子鉛鋅礦、維權(quán)銀多金屬礦等(圖2)。

圖2 東天山及鄰區(qū)金屬礦床分布圖(據(jù)王京彬等，2006修改)Fig.2 Map showing distribution of metallic deposits in East Tian Shan and its adjacent areas(modified from Wang et al，2006)

2 非線性預(yù)測方法及遠景區(qū)評價

2.1 Kohonen人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型法

礦產(chǎn)資源區(qū)域預(yù)測方法有信息量法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、特征分析法、證據(jù)權(quán)法等。但這些方法的基本前提是樣本的充足性。由于以上數(shù)學(xué)模型中的樣本數(shù)量要大于變量數(shù)量才能保證方程非病態(tài)，因此通常認為當(dāng)一個研究區(qū)內(nèi)的同類型礦床數(shù)量≥5個時，采用以上模型會產(chǎn)生較好的預(yù)測效果，否則會影響預(yù)測精度。而東天山已探明的斑巖型鉬礦數(shù)量較少，應(yīng)用以上統(tǒng)計方法不符合定位預(yù)測的基本要求，也無法保證精度。針對無模型或少模型預(yù)測，不少學(xué)者在進行此項研究工作和有益嘗試，這些方法包括動態(tài)聚類分析、數(shù)量化理論III、數(shù)量化理論IV和ART 1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)4種無監(jiān)督分類統(tǒng)計數(shù)學(xué)模型預(yù)測法(朱裕生等，1997;肖克炎等，2006)，本次研究嘗試一種新的非線性無監(jiān)督分類方法——Kohonen人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型法，通過VC++平臺來實現(xiàn)，并集成在礦產(chǎn)資源評價系統(tǒng)(MRAS)中，據(jù)此進行遠景區(qū)圈定。

Kohonen人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)亦稱“自組織特征影射人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”(Kohonen，1984)，它模擬人類大腦神經(jīng)系統(tǒng)的功能分區(qū)和自組織特征影射功能，是一種無監(jiān)督模式識別方法，可用于礦產(chǎn)資源的定位預(yù)測。該網(wǎng)絡(luò)由輸入層和競爭層組成。輸入層的神經(jīng)元個數(shù)為N，競爭層的神經(jīng)元個數(shù)為M=RC，M個神經(jīng)元可以構(gòu)成1個二維平面陣列或1個一維陣列(R=1)。輸入層和競爭層之間實現(xiàn)全互連接(圖3)。在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過程中，當(dāng)輸入一個已知樣品時，競爭層中的各神經(jīng)元相互競爭，最后僅有1個神經(jīng)元獲勝，并修改那些與這個獲勝神經(jīng)元有關(guān)的各連接權(quán)系數(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)向更有利于獲勝神經(jīng)元的方向調(diào)整。當(dāng)所有樣品都具有確定的獲勝神經(jīng)元時，競爭結(jié)束。

圖3 Kohonen人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of Kohonen artificial neural networks

2.2 算法及實現(xiàn)

2.2.1 Kohonen權(quán)值學(xué)習(xí)總體算法

(1)輸入?yún)?shù)X［N］［P］。

(2)構(gòu)造權(quán)值矩陣：

① 由X［N］［P］求中間值Xmid［N］。

② 由Xmid［N］構(gòu)造權(quán)值矩陣 W［M］［N］。

(3)構(gòu)造競爭層：

①求競爭層神經(jīng)元數(shù)M;

② 求鄰域距離矩陣D［M］［N］;

③ 求 D［M］［N］的最大值Dmax。

(4)訓(xùn)練參數(shù)初始化。

(5)學(xué)習(xí)權(quán)值矩陣：

① 更新參數(shù)：學(xué)習(xí)速率(lr)，鄰域距離

(nd);共分2個階段：

(a)粗調(diào)階段更新;

(b)細調(diào)階段更新。

② 求輸入模式X［N］［P］在競爭層的獲勝神經(jīng)元 WIN［P］：

(a)求X［N］［P］與 W［M］［N］的歐氏距離dm;

(b)按距離dm最短，求輸入模式X［N］［P］在競爭層的獲勝神經(jīng)元WIN［P］。

③ 求輸入模式X［N］［P］在競爭層的獲勝神經(jīng)元WIN［P］及其在鄰域距離nd內(nèi)的神經(jīng)元Y［M］［P］。

④ 求輸入模式X［N］［P］在競爭層的獲勝神經(jīng)元WIN［P］及其在鄰域距離nd內(nèi)的神經(jīng)元的權(quán)值修正值ΔW［M］［N］。

⑤ 權(quán)值修正 W［M］［N］=W［M］［N］+ΔW［M］［N］。

⑥學(xué)習(xí)結(jié)束條件：

(a)學(xué)習(xí)循環(huán)到MAX－STEP次;

(b)學(xué)習(xí)速率lr達到用戶制定的最低速率lr－MIN;

(c)學(xué)習(xí)時間time達到用戶制定的最短時間time－LIM。

⑦輸出：

(a)學(xué)習(xí)得到的權(quán)值矩陣W［M］［N］;

(b)鄰域距離矩陣D［M］［N］。

⑧結(jié)束。

2.2.2 Kohonen預(yù)測總體算法

(1)輸入需分類數(shù)據(jù)X［N］［P］，鄰域距離矩陣D［M］［N］。

(2)求輸入模式X［N］［P］在競爭層的獲勝神

經(jīng)元 WIN［P］：

(a)求X［N］［P］與 W［M］［N］的歐氏距離dm;

(b)按距離dm最短，求輸入模式X［N］［P］在競爭層的獲勝神經(jīng)元WIN［P］。

(3)求獲勝神經(jīng)元WIN［P］在競爭層排列的行列位置。

(4)輸出與輸入數(shù)據(jù)適應(yīng)的獲勝神經(jīng)元WIN［P］在競爭層排列的行列位置，作為分類結(jié)果。

(5)結(jié)束。

在VC++平臺上，對以上算法進行了實現(xiàn)并集成在MRAS系統(tǒng)中。

2.3 綜合預(yù)測模型構(gòu)建

中國鉬礦床賦礦圍巖較為多樣化，對全國120個鉬礦床的地質(zhì)特征統(tǒng)計結(jié)果表明：在地質(zhì)時期發(fā)育廣泛的中酸性侵入巖系均存在鉬礦化的發(fā)育(羅銘玖等，1991)。同時，根據(jù)對研究區(qū)內(nèi)該類型鉬礦床的分析及各類信息之間的相關(guān)關(guān)系來看，礦體全部賦存在中酸性巖體中。因此，遠景區(qū)圈定的一個要素是中酸性巖體。在地球化學(xué)上，該地區(qū)Mo、Cu共生、伴生現(xiàn)象普遍，所以提取Mo、Cu的化探元素異常。在控礦構(gòu)造上，走滑斷裂構(gòu)造系統(tǒng)控制著含礦斑巖巖漿快速上升和淺成侵位的主要構(gòu)造系統(tǒng)(侯增謙，2004)，且走滑斷裂系統(tǒng)所引起的淺部構(gòu)造變形租用形成的局部拉張和應(yīng)力釋放環(huán)境，是成礦巖漿流體分凝的必要條件。因此，識別走滑斷裂構(gòu)造系統(tǒng)是尋找該類型礦床的關(guān)鍵，該類型礦床的成礦必要條件為中酸性富堿巖漿巖條件與走滑斷裂及次級斷裂構(gòu)造條件。

依據(jù)前述該類礦床條件與找礦標志分析，結(jié)合現(xiàn)有資料，以綜合信息礦產(chǎn)資源預(yù)測理論(王世稱等，2000)為依托，以礦床模型綜合地質(zhì)信息預(yù)測方法(葉天竺等，2007)為基本技術(shù)方法，總結(jié)出該類礦床預(yù)測評價模型(表1)圈定成礦遠景區(qū)。

表1 斑巖型鉬礦床成礦預(yù)測模型Table 1 Prediction model for porphyry molybdenum deposits

3 遠景區(qū)圈定

3.1 Kohonen人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練

為了對成礦信息進一步濃縮，提高預(yù)測效果，對上述評價因子進行了變量信息提取，并進行二值化，生成二值表(表2)，選擇使用MRAS少模型預(yù)測Kohonen網(wǎng)絡(luò)模塊，進行預(yù)測區(qū)精細分類。設(shè)置競爭層神經(jīng)元個數(shù)為12，最大訓(xùn)練次數(shù)為5 000次，使用3級輸出神經(jīng)元，得出遠景區(qū)優(yōu)選結(jié)果(圖4)。

表2 輸出二值表結(jié)構(gòu)Table 2 Binary table structure

圖4 Kohonen人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練Fig.4 Test of Kohonen artificial neural networks

3.2 遠景區(qū)圈定

從Kohonen網(wǎng)分類結(jié)果(圖5)可以看出，此次遠景區(qū)圈定的效果基本滿意，2個鉬礦床都落入A類遠景區(qū)，該類遠景區(qū)主要分布在區(qū)內(nèi)阿奇庫都克大斷裂和康古爾斷裂帶之間，說明該區(qū)與深大斷裂較近，有較好的導(dǎo)礦構(gòu)造。分析對比成果資料與地質(zhì)、化探異常資料，發(fā)現(xiàn)存在一定的對應(yīng)關(guān)系。B類遠景區(qū)主要分布在A類遠景區(qū)的附近，基本是控礦斷裂的次級區(qū)域，目前正在東戈壁鉬礦以北的庫北地區(qū)進行鉆孔驗證工作，說明B類遠景區(qū)也具有一定的找礦潛力。

圖5 Kohonen人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圈定的遠景區(qū)預(yù)測圖Fig.5 Predicted prospecting areas based on Kohonen artificial neural networks

4 結(jié)論

(1)用綜合信息找礦模型對研究區(qū)的鉬礦進行成礦預(yù)測。確定5類預(yù)測變量(地層、斷裂、巖漿巖、化探、遙感)用于建立綜合預(yù)測模型。由于東天山鉬礦資源樣本較少，傳統(tǒng)的礦產(chǎn)資源預(yù)測方法如證據(jù)權(quán)法、特征分析法和BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等皆不適用于這一地區(qū)的鉬礦資源預(yù)測工作，因此使用少模型預(yù)測的Kohonen人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，此種方法不依賴預(yù)測區(qū)域的樣本數(shù)量，實行非監(jiān)督分類。分類結(jié)果顯示：2個典型礦床皆落入A類成礦有利區(qū)域，證明分類效果較為可信。預(yù)測結(jié)果表明該法具有操作簡單、方便的特點，是一種有效、快捷的預(yù)測方法。

(2)Kohonen人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在計算各連接權(quán)重的過程中可能會產(chǎn)生一定的隨機性。為保證預(yù)測精度和可信度，在未來工作中可以繼續(xù)對此方法進行改進，未來可引入Kohonen和BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法來進行有益的嘗試。

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