識(shí)別斑巖銅礦綜合地球化學(xué)異常的光譜角方法

陳松林, 陳 曦, 王成彬, 胡 飛, 方 臣, 熊前進(jìn), 杜翌超

(1.湖北省地質(zhì)勘查基金管理中心,湖北 武漢 430071; 2.湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034; 3.地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430074; 4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 資源學(xué)院,湖北 武漢 430074)

近年來(lái),地球化學(xué)勘探已成為礦產(chǎn)勘查中的一種重要而通用的手段。地球化學(xué)異常的識(shí)別和提取是地球化學(xué)數(shù)據(jù)處理中的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作。數(shù)學(xué)地質(zhì)學(xué)家提出的方法越來(lái)越多,可以分為傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方法、空間數(shù)據(jù)模式方法和高維投影方法。傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方法包括概率圖、方差分析、Q-Q圖、柱狀圖等[1-2]。幾何信息的空間數(shù)據(jù)模式方法為確定地球化學(xué)異常閾值提供了新的視角,如基于分形的方法,包括C-A模型、S-A模型和奇點(diǎn)映射、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头纸?、空間加權(quán)主成分、趨勢(shì)面和空間濾波[1,6-7]。為了解決多因素聚類分析中的高維問(wèn)題,提出了高維投影法,如投影尋蹤分類和光譜角度分類。光譜角法(SAM)是一種基于物理的光譜分類方法,它通過(guò)計(jì)算n維空間中譜向量之間的角度來(lái)確定相似性。它是一種將光譜與單個(gè)光譜或光譜庫(kù)進(jìn)行比較的自動(dòng)化方法。它廣泛應(yīng)用于巖性填圖、水熱蝕變礦物的識(shí)別和物體檢測(cè)[1-4]。地球化學(xué)異常提取一般只集中于單一元素或多元素富集或成礦的區(qū)域。但這種區(qū)域是在特定的地質(zhì)背景和圍巖中形成的,不同種類的成礦區(qū)其主要和微量元素(氧化物)的富集會(huì)導(dǎo)致特有的元素共生組合。斑巖銅礦產(chǎn)于中酸性侵入的火山巖中,主要氧化物(如SiO2、K2O、Na2O、Al2O3、MnO、MgO)和一些微量元素可用于繪制火成巖的位置。針對(duì)中國(guó)國(guó)家地球化學(xué)填圖項(xiàng)目,區(qū)域尺度(1∶200 000)地球化學(xué)調(diào)查,分析了39種微量元素和主要氧化物。如果把每個(gè)元素(或氧化物)都當(dāng)作光譜帶,那么每個(gè)地球化學(xué)樣品都相當(dāng)于遙感的高光譜譜段。因此,將礦床指示元素與地質(zhì)環(huán)境指示元素(氧化物)結(jié)合起來(lái),可使SAM識(shí)別綜合地球化學(xué)異常。數(shù)學(xué)地質(zhì)學(xué)家普遍認(rèn)為,地球化學(xué)數(shù)據(jù)是用于地球化學(xué)異常提取的分形和多重分形模型。本文選取了土屋銅礦和延?xùn)|銅礦的樣品作為參考,通過(guò)設(shè)置不同的光譜角度值,利用SAM提取地球化學(xué)異常。應(yīng)用分形模型對(duì)地球化學(xué)異常的光譜角進(jìn)行了優(yōu)化。

1 技術(shù)方法

1.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

為了消除不同元素值范圍的影響,有必要對(duì)初始地球化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,方法如下:

(1)

圖2 研究區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.2 Simplified geological map of the study area1.第四紀(jì);2.第三紀(jì);3.侏羅紀(jì);4.二疊紀(jì);5.石炭紀(jì);6.志留系泥盆紀(jì);7.奧陶紀(jì);8.泥盆紀(jì)侵入體;9.石炭紀(jì)侵入體;10.石炭紀(jì)火成巖。

式中:xmax(j) 和xmin(j) 分別為第j個(gè)初始地球化學(xué)元素濃度的最大值和最小值;xst(i,j)為標(biāo)準(zhǔn)值。

1.2 光譜角法

光譜角法是一種基于試驗(yàn)樣品與參考樣品相似性的自動(dòng)聚類分類方法(圖1)。該算法將每一個(gè)含有39種元素(或氧化物)的地球化學(xué)樣品視為一個(gè)39維空間中的向量。

圖1 說(shuō)明光譜角法的概念模型Fig.1 Conceptual model illustrating spectral angle method

由于兩個(gè)向量之間的角度相對(duì)于向量的長(zhǎng)度是不變的,因此這種相似性度量對(duì)增益因子不敏感。角度α可以描述為:

(2)

式中:nb等于地球化學(xué)元素(氧化物)的數(shù)量;ti是未知的測(cè)試樣品;ri是參考樣品;α是光譜角,范圍在0～π/2之間。根據(jù)前面提出的所有原則,地球化學(xué)數(shù)據(jù)的SAM分類程序如下:

(1) 用公式(1)標(biāo)準(zhǔn)化地球化學(xué)數(shù)據(jù)；

(2) 利用地理信息系統(tǒng),代表土屋、延?xùn)|銅礦選擇地球化學(xué)樣品作為參考；

(3) 計(jì)算未知試樣與參考之間的光譜角α值；

(4) 用公式(2)設(shè)置分類αt的光譜角閾值。如果α<αt,則樣品與參考樣品類型相同,可指示銅礦床的可能；

(5)應(yīng)用分形模型的對(duì)數(shù)圖,尋找地球化學(xué)異常分離的最佳光譜角。

2 案例研究

2.1 地質(zhì)背景和地球化學(xué)數(shù)據(jù)集

以研究區(qū)為例,研究區(qū)位于中國(guó)著名的斑巖銅成礦帶東天山區(qū)。在該區(qū)發(fā)現(xiàn)了大型土屋銅礦和延?xùn)|銅礦,以及一些中小型銅礦(圖2),大部分銅礦床位于侏羅系和石炭系地層,隨后被中性酸巖漿侵入,志留系地層中也發(fā)現(xiàn)了一些銅礦[5]。

在案例研究中,利用收集的1 355個(gè)1∶200 000區(qū)域尺度的水系沉積物地球化學(xué)樣品,并應(yīng)用SAM提取地球化學(xué)異常。地球化學(xué)數(shù)據(jù)包含39種元素(或氧化物)。

2.2 地球化學(xué)參考光譜

參考譜段會(huì)影響光譜角法的分類結(jié)果,因此,應(yīng)采用具有典型特征的參考譜段來(lái)區(qū)分異常和背景。地球化學(xué)數(shù)據(jù)不同于遙感數(shù)據(jù),遙感數(shù)據(jù)可以通過(guò)光譜圖和光譜庫(kù)從野外調(diào)查中獲得參考。而本文研究分別選取了土屋銅礦和延?xùn)|銅礦附近的兩個(gè)地球化學(xué)樣品作為特征“參考譜段”。它們的“光譜曲線”如圖3所示。土屋、延?xùn)|銅礦床相似的“光譜曲線”在鐵礦床和背景曲線上,在Al2O3、CaO、Co、Cr、Cu、Mg、Ni、Sn、Sr、Th、Ti、U、V、W、Y、Zn、Zr等方面存在差異,證明了用光譜角法提取地球化學(xué)異常是可行的。

3 結(jié)果和討論

3.1 SAM提取的地球化學(xué)異常圖

本文將αt設(shè)為0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4,利用光譜角法對(duì)地球化學(xué)資料進(jìn)行分類,得到地球化學(xué)異常。提取異常的映射如圖4-圖10所示。當(dāng)αt=0.1時(shí),在土屋和延?xùn)|銅礦床附近僅有5個(gè)與參考相似的樣品(圖4)。當(dāng)αt=0.15時(shí),57個(gè)地球化學(xué)樣品分類與地球化學(xué)異常相似。大部分地球化學(xué)異常位于侵入體與石炭系、侏羅系地層的邊界附近,是斑巖銅礦床的最佳地質(zhì)背景(圖5)。當(dāng)αt=0.2時(shí),地球化學(xué)異常隨著地球化學(xué)異常的增加而擴(kuò)展到含志留系、泥盆系地層的區(qū)域,如圖5所示。東天山地質(zhì)調(diào)查成果也指出志留系地層中含有銅礦。當(dāng)αt=0.2時(shí)提取的異常可以預(yù)測(cè)下一個(gè)類似于土屋—延?xùn)|銅成礦帶的銅成礦帶。

圖3 斑巖銅、鐵礦床和背景樣品的光譜差異地球化學(xué)“光譜曲線”Fig.3 Geochemical“spectral curves” showing the spectral differences of samples of porphyry copper, iron deposit and background

圖4 角度閾值αt=0.1時(shí)的SAM分類光柵映射(柵格為2 km×2 km)Fig.4 Raster mapping of SAM classification when angle threshold αt=0.1

圖5 角度閾值αt=0.15時(shí)的SAM分類光柵映射(柵格為2 km×2 km)Fig.5 Raster mapping of SAM classification when angle threshold αt=0.15

3.2 地球化學(xué)異常的最佳光譜角閾值

為了獲得地球化學(xué)異常的最佳光譜角,利用分形模型的對(duì)數(shù)圖,找到了使大部分礦床的異常聚集面積最小的閾值。在圖11中,當(dāng)αt=0.2時(shí),對(duì)數(shù)圖出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)。因此,將角度為0.15和0.2時(shí)由SAM提取的異常分別視為高異常和中異常(圖12)。

圖6 角度閾值αt=0.2時(shí)的SAM分類光柵映射(柵格為2 km×2 km)Fig.6 Raster mapping of SAM classification when angle threshold αt=0.2

圖7 角度閾值αt=0.25時(shí)的SAM分類光柵映射(柵格為2 km×2 km)Fig.7 Raster mapping of SAM classification when angle threshold αt=0.25

圖8 角度閾值αt=0.3時(shí)的SAM分類光柵映射(柵格為2 km×2 km)Fig.8 Raster mapping of SAM classification when angle threshold αt=0.3

圖9 角度閾值αt=0.35時(shí)的SAM分類光柵映射圖(柵格為2 km×2 km)Fig.9 Raster mapping of SAM classification when angle threshold αt=0.35

圖11 對(duì)數(shù)圖中最佳角度閾值的分形分布圖(其中n是α<αt的樣本累積數(shù))Fig.11 Fractal distribution pattern of optimal angle threshold in log-log plot,where N is the cumulative numbers of samples with α<αt

4 結(jié)論

本文介紹了以樣品中的每一種元素(或氧化物)為“光譜帶”,廣泛應(yīng)用于遙感方法提取地球化學(xué)異常的“光譜角”方法。地球化學(xué)“光譜曲線”揭示了斑巖銅礦床、鐵礦床和背景的樣品差異,從理論上證明了可以作為提取異常的指標(biāo)。

較小的角度表示與參考值更接近,利用最大角度閾值區(qū)分不參與分類的樣本。SAM提取的地球化學(xué)異常隨著光譜角度閾值的增大而增大,從土屋和延?xùn)|銅礦床向外延伸。分形分布曲線的拐點(diǎn)表明,0.2是分離地球化學(xué)數(shù)據(jù)和提取地球化學(xué)異常的最佳光譜角度閾值。填圖結(jié)果不僅能圈定與土屋銅、延?xùn)|銅地質(zhì)背景相似的異常,而且可以預(yù)測(cè)志留系侵入?yún)^(qū)新的銅成礦帶。

圖12 顯示斑巖銅礦床勘探潛力目標(biāo)區(qū)域的光柵圖Fig.12 Raster mapping showing target area for prospecting potential of porphyry copper deposits