化探數(shù)據(jù)處理提取多層次信息的數(shù)據(jù)挖掘方法

程正發(fā)

（安徽省地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)院， 安徽合肥 230022）

0 引言

無論何種目的的地球化學(xué)勘查工作，通常都包括立項(xiàng)、設(shè)計(jì)編寫、野外調(diào)查、樣品分析與測試、數(shù)據(jù)處理與綜合研究以及成果報(bào)告編寫等多個(gè)工作階段。在數(shù)據(jù)處理與綜合研究階段運(yùn)用多種數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法或方法組合，充分而深入地進(jìn)行多層次信息提取，是最大限度的研究資料，保障勘查工作成果的一個(gè)十分重要的工作環(huán)節(jié)，本文以新疆天山某勘查區(qū)多金屬礦地球化學(xué)詳查為例，簡述這些方法的綜合運(yùn)用及其處理效果。

1 勘查項(xiàng)目概況

該詳查區(qū)域?yàn)橐粬|西方向長6.2km，南北方向?qū)?.7km，面積22.94km2的矩形區(qū)域（見圖1）。

區(qū)內(nèi)出露地層有奧陶系中上統(tǒng)大柳溝組玄武安山巖、英安巖、火山角礫巖、沉積凝灰?guī)r；奧陶系中上統(tǒng)廟爾溝組粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、沉積凝灰?guī)r；泥盆系下統(tǒng)大南湖組一段凝灰質(zhì)細(xì)砂巖、含碳粉砂巖、凝灰質(zhì)長石巖屑砂巖；第四系更新-全新統(tǒng)礫石、沙土及亞砂土等。

巖漿巖有石英閃長巖、花崗閃長巖、中細(xì)粒二長花崗巖及鉀長花崗巖等，多呈巖株產(chǎn)出，具有一定規(guī)模。

區(qū)域內(nèi)見有多處Cu及Ag、Pb、Zn、Au等多元素綜合異常。

1∶1萬地球化學(xué)詳查按照200m×40m的規(guī)則網(wǎng)布置采樣點(diǎn)2976個(gè)，分析了Au、Cu、Ag、Pb、Zn、W、Sn、Mo、As、Sb等10種元素。

圖1 新疆天山某詳查區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)圖Fig.1 Geological and mineral map of a detailed survey area in Tianshan, Xinjiang

2 數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法的綜合運(yùn)用

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理是對實(shí)驗(yàn)室提供的分析數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，形成可用于統(tǒng)計(jì)分析及編圖的數(shù)據(jù)文件。最終數(shù)據(jù)文件中不應(yīng)有空白值、不確定值及其它錯(cuò)誤數(shù)值，每個(gè)數(shù)值均應(yīng)大于0，也盡量不要有特別“離群”的特高或特低值。

不確定值的處理：如果分析結(jié)果中有小于分析檢出限的不確定值，建議用檢出限值代替之；有大于分析方法最高檢出限的值，建議用最高檢出限值的1.5倍代替之。如果不確定值過多，例如超過了某元素總數(shù)據(jù)量的10%，建議改變分析方法重新分析樣品。

空白值的處理：如果出現(xiàn)空白值，建議用相鄰樣品分析值或若干個(gè)相鄰樣品分析平均值代替之。如果空白值過多或連續(xù)出現(xiàn)多個(gè)空白值，建議實(shí)驗(yàn)室重新制樣后重新分析。

2.2 地球化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理后得到的數(shù)據(jù)文件就可以用“多元素地球化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)及分布型式檢驗(yàn)程序”來進(jìn)行地球化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)了，這是一項(xiàng)很重要的基礎(chǔ)工作，據(jù)地球化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可劃分色階，編制地球化學(xué)圖。

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析可以得到的各元素地球化學(xué)參數(shù)有：最大值、最小值、中位數(shù)、平均值、標(biāo)準(zhǔn)離差、變異系數(shù)、逐步剔除特異值前后的樣品數(shù)、逐步剔除特異值后的背景值、標(biāo)準(zhǔn)離差、變異系數(shù)及異常下限等，同時(shí)得到的還有頻率分布直方圖的分組參數(shù)及經(jīng)柯-斯準(zhǔn)則檢驗(yàn)的分布型式，見表1～表2所列，表中Au、Ag含量單位為10-9，其它元素為10-6，后文皆同。

還可以得到將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對數(shù)以后，逐步剔除特異值前后的地球化學(xué)參數(shù)等（見表3）。分別統(tǒng)計(jì)各元素按照對數(shù)0.1的間隔進(jìn)行分組的頻率分布直方圖分組參數(shù)，據(jù)此可用Grapher 10繪圖軟件做出各元素含量頻率分布直方圖（圖2）。以元素Ag為例，其分組參數(shù)列于表4。

表1 各元素未經(jīng)過剔除特異值的地球化學(xué)參數(shù)Table 1 Geochemical parameters of each element without removing outliers

表2 各元素剔除特異值后的地球化學(xué)參數(shù)Table 2 Geochemical parameters of each element after removing outliers

地球化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)提取了豐富的地球化學(xué)信息，充分研究各元素的分布特征可以確定其地球化學(xué)圖上的色階值，用Surfer14繪圖軟件制作各元素地球化學(xué)圖，主要成礦元素的色階值見表5。各含量區(qū)間在地球化學(xué)圖上對應(yīng)的顏色分別是：低值區(qū)-深藍(lán)色（Electric Blue）、低背景區(qū)-淺藍(lán)色（Pastel Blue）、背景區(qū)-淡黃色（Chalk）、高背景區(qū)-深黃色（Light Yellow）、異常外帶-淺粉色（Soft Pink）、異常中帶-深粉色（Hot Pink）、異常內(nèi)帶-紅色（Neon Red）、異常強(qiáng)內(nèi)帶-深紅色（Brick Red）。Cu、Pb、Zn、Ag等4種主要成礦元素地球化學(xué)圖見圖3～圖6。

也可以采用穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)學(xué)的EDA法確定各元素色階值及異常下限，以Cu為例統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下：

中位數(shù)12.4，下節(jié)點(diǎn)7.18，上節(jié)點(diǎn)21.5，內(nèi)散度14.32，異常下限參考值28.64（實(shí)際可以采用30.0）。色階劃分及各色區(qū)樣品所占百分比見表6。

2.3 多元統(tǒng)計(jì)分析方法的運(yùn)用

多元統(tǒng)計(jì)分析方法主要有因子分析、聚類分析、對應(yīng)分析及模糊聚類等。為研究揭示元素間共生組合關(guān)系，通常采用一種或多種方法組合，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行更深層次的數(shù)據(jù)挖掘，例如：用襯度累加值和因子得分甚至用襯度累加值及因子得分的趨勢面分析結(jié)果做成等值線圖，提取更深層次的信息，研究元素共生組合關(guān)系，編制綜合異常及成礦遠(yuǎn)景預(yù)測圖等成果圖件。

表3 各元素剔除特異值前后的地球化學(xué)參數(shù)對數(shù)值Table 3 Logarithmic values of geochemical parameters before and after removal of outliers for each element

圖2 主要成礦元素含量頻率分布直方圖Fig.2 Histogram of frequency distribution of contents of main metallogenic elements

表4 Ag的頻率直方圖分組參數(shù)Table 4 Frequency histogram grouping parameters of Ag

本詳查區(qū)以10種元素為變量，用全部數(shù)據(jù)做了R型因子分析，得到的結(jié)果有：相關(guān)系數(shù)、特征值、公因子方差、初始及正交因子載荷、斜交因子相關(guān)、結(jié)構(gòu)及模型矩陣、正交及斜交因子得分等，限于篇幅在此不逐一列出，表7中列出了正交因子載荷。

圖3 詳查區(qū)Cu地球化學(xué)圖Fig.3 Geochemical map of Cu in the survey area

從正交因子載荷所揭示的元素共生組合關(guān)系看，F(xiàn)1因子反映了詳查區(qū)最主要的多金屬礦化Pb-Zn-Ag組合；F2因子反映了W-Sn元素組合；Cu、Au、Mo、As及Sb等均為單獨(dú)因子。

根據(jù)元素共生組合關(guān)系可知，用F1因子得分等值線圖能較好地反映Pb-Zn-Ag綜合異常（圖7），將密切相關(guān)的三種元素襯度值累加，做成襯度累加值等值線圖也可以作為Pb-Zn-Ag綜合異常（圖8），二者具有相似的應(yīng)用效果。

表5 主要成礦元素的色階上限值Table 5 Upper limit of color gradation of major metallogenic elements

圖4 詳查區(qū)Pb地球化學(xué)圖Fig.4 Geochemical map of Pb in the survey area

圖5 詳查區(qū)Zn地球化學(xué)圖Fig.5 Geochemical map of Zn in the survey area

圖6 詳查區(qū)Ag地球化學(xué)圖Fig.6 .Geochemical map of Ag in the survey area

圖7 詳查區(qū)F1因子得分（PbZnAg）等值線圖Fig.7 Contour map of F1 factor score (PbZnAg) in the survey area

表6 穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)得到的Cu的色階上限值Table 6 Upper limit of color gradation of Cu obtained by robust statistics

詳查區(qū)主要礦化或指示元素大致可以分成4組，據(jù)此可編制出各元素組合異常圖（見圖9）。

表7 詳查區(qū)R型因子分析正交因子載荷Table 7 .R-type factor analysis of orthogonal factor loading for the survey area

3 結(jié)論

在勘查地球化學(xué)數(shù)據(jù)處理過程中，根據(jù)研究工作的需要，運(yùn)用多種數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法或方法組合，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深層數(shù)據(jù)挖掘，提取更多的信息，編制各類成果圖件是十分必要且有效的。

圖8 詳查區(qū)PbZnAg襯度累加值等值線圖Fig.8 Contour map of accumulated contrast values of PbZnAg in the survey area

圖9 詳查區(qū)元素組合異常圖Fig.9 Element association anomaly in the survey area

在實(shí)際工作中經(jīng)常會遇到什么是更好的數(shù)據(jù)處理方法的困惑，在此要說明的是沒有更好的方法，只有更合適的方法，應(yīng)根據(jù)不同的工作目的和研究區(qū)大小，靈活選擇或?qū)嶒?yàn)對比運(yùn)用各種數(shù)據(jù)處理方法，以期取得更好的數(shù)據(jù)處理、綜合研究及成果圖件編制效果，進(jìn)而提交高質(zhì)量的成果報(bào)告，更好地完成各類勘查工作任務(wù)。

本文簡述了多種數(shù)據(jù)處理方法的綜合運(yùn)用及其取得的效果，作者并結(jié)合工作實(shí)際編寫了這些方法的計(jì)算機(jī)程序，希望能對同行們有所幫助與啟發(fā)，文中不妥之處還請同行們批評指正。