趨勢面法提取相山地區(qū)地氣異常及應(yīng)用效果評價(jià)

王帥帥, 羅齊彬, 楊亞新, 符志軍, 洪 昆, 吳信民, 李星陽

(1.東華理工大學(xué)地球物理與測控技術(shù)學(xué)院，南昌 330013；2.東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013)

地球化學(xué)異常是進(jìn)行礦產(chǎn)預(yù)測及評價(jià)的重要依據(jù)，不同的異常提取方法適用條件不同[1]。中國對于常規(guī)化探異常的圈定方法眾多，如傳統(tǒng)平均法[2-3]、趨勢面法[4-5]、滑動平均法[6]、分形方法[7-8]、歸一化法[9]等。其中，傳統(tǒng)平均法應(yīng)用最為廣泛，該方法通過計(jì)算獲取統(tǒng)一的異常下限，對研究區(qū)異常進(jìn)行圈定，對地質(zhì)背景較為簡單的研究區(qū)的異常劃分效果良好，但該方法不能客觀模擬地球化學(xué)元素空間分布，在提取弱異常信息方面效果較差。而趨勢面法能從地學(xué)要素分布的實(shí)際數(shù)據(jù)中分解出趨勢值和異常值，識別出弱異常信息，彌補(bǔ)傳統(tǒng)平均法的不足。

近年來，隨著探礦工作的不斷深入, 地表淺埋藏、易勘探的礦產(chǎn)資源日漸枯竭,尋找深部隱伏礦床已成為現(xiàn)在乃至今后找礦的熱點(diǎn)和重點(diǎn)[10]。地氣測量作為一種大深度勘探方法，其理論與應(yīng)用也得到不斷發(fā)展[11-20]，地氣測量范圍也由早期的某一條試驗(yàn)測線或某小片區(qū)域，擴(kuò)展為較大面積的區(qū)域測量，傳統(tǒng)平均法已無法滿足大范圍復(fù)雜地質(zhì)背景下的元素異常圈定，首次將趨勢面方法應(yīng)用于地氣異常的圈定，期待找到一種更合適于大面積地氣異常圈定的方法，將地氣測量更好地應(yīng)用于深部隱伏礦產(chǎn)勘探。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況與工作方法

1.1 地質(zhì)概況

相山地區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺與華夏褶皺系的過渡部位，屬于贛杭火山巖成礦帶與大王山-于山花崗巖成礦帶交匯處。受 NE 向遂川-撫州深斷裂與 NNE 向宜黃-安遠(yuǎn)深斷裂控制，在中生代出現(xiàn)大規(guī)模的中酸性火山巖噴發(fā)和巖漿淺成侵入活動，形成一個(gè)大型火山坍塌盆地-相山盆地。相山地區(qū)發(fā)育大規(guī)模的環(huán)形火山塌陷構(gòu)造，大體上從鄒家山-游坊-河口排-管家垅-鄒家山，略呈東西向似橢圓狀展布，基底向火山盆地中心陡傾。后期次火山巖順此通道侵位。相山地區(qū)巖性以火山巖為主，火山盆地主要分為三層結(jié)構(gòu)：以中元古界淺變質(zhì)巖系為主，部分地段發(fā)育下石炭統(tǒng)、上三疊統(tǒng)沉積建造的基低；上侏羅統(tǒng)火山巖打鼓頂組(J3d)和鵝湖嶺組(J3e)分布于基底上部；火山盆地北西側(cè)被白堊系紅層所覆蓋。

1.2 工作方法

1.2.1 工作布置

研究區(qū)位于相山鈾礦田，是中國華南熱液型鈾礦基地，勘探深度已達(dá)近千米，但仍然有巨大的深部找礦潛力[21]。本次地氣測量旨在獲取深部隱伏鈾成礦信息，研究區(qū)設(shè)計(jì)測線呈NW走向(133°)，測區(qū)內(nèi)西南測的斷裂構(gòu)造較北東測發(fā)育，因此西南測的測線稍密，線距為400 m，北東測的測線線距為500 m，如圖1所示。測區(qū)內(nèi)共設(shè)計(jì)18條測線，測線長4 750 m，點(diǎn)距100 m。

圖1 研究區(qū)測線布置

1.2.2 樣品采集

野外工作使用2 mol/L硝酸10 mL為捕集介質(zhì)，配合課題組研制的恒流式地氣采集器(通過流量傳感器調(diào)節(jié)抽氣泵轉(zhuǎn)速，可在不同土壤條件下保持抽氣流量恒定)進(jìn)行主動式地氣采樣，如圖2所示。為提高樣品代表性與礦化信息，每個(gè)測點(diǎn)打兩個(gè)孔，孔深0.5 m，孔間距0.5 m左右，每孔抽氣 10 L，累積抽氣20 L。

圖2 野外實(shí)際采樣

野外根據(jù)手持式GPS確定測點(diǎn)，誤差約為5 m?，F(xiàn)場對地氣樣品進(jìn)行編號，并記錄每個(gè)測點(diǎn)土壤特征、地質(zhì)簡況等。全區(qū)預(yù)計(jì)獲取樣品951個(gè)，實(shí)際獲取樣品951個(gè)(圖3)，其中檢查點(diǎn)樣品87個(gè)，為測點(diǎn)樣品的10%。

圖3 部分野外樣品

1.2.3 樣品分析

樣品分析由東華理工大學(xué)分析測試中心完成，使用ICP-MS元素分析，分析元素為U、Th、K、Rb、Co、Mo。通過對檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)與原測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)90%檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)在原測點(diǎn)數(shù)據(jù)值90%～110%范圍內(nèi)，認(rèn)為本次數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，數(shù)據(jù)可靠。

2 趨勢面方法

2.1 原理簡述與過程實(shí)現(xiàn)

趨勢面方法認(rèn)為大部分地學(xué)信息包括三部分信息[22]。一是反映區(qū)域性變化的：數(shù)據(jù)中反映總體的規(guī)律性變化的部分，基本受區(qū)域性因素控制；二是反映局部性變化的：由局部因素決定；三是反映隨機(jī)性變化的，它是由各種隨機(jī)因素造成的殘差。因此，觀測值由三部分構(gòu)成：

Zi=Ti+Ni+ei

(1)

式(1)中：Zi為采樣點(diǎn)的觀測值；Ti代表區(qū)域性變化；Ni表示局部特征；ei為隨機(jī)因素。

趨勢面方法圈定局部異常一般有三個(gè)步驟：數(shù)據(jù)預(yù)處理、剩余值(殘差值)計(jì)算、元素異常圈定。首先，對元素?cái)?shù)據(jù)中的特高值進(jìn)行剔除，一般用元素低值總體累積頻率95%處的分位值來代替；第二步，選擇合適的多項(xiàng)式擬合元素的趨勢面；最后，分解觀測值為區(qū)域分量和剩余分量，通常使用surfer軟件實(shí)現(xiàn)此過程[5,23]。

而剩余分量包括Ni和ei,為得到異常分量Ni，需要從剩余值中減去隨機(jī)分量ei。這里使用趙鵬大院士書中介紹的正剩余平均值法[22]，從剩余分量中過濾出隨機(jī)分量：

(2)

2.2 數(shù)據(jù)處理

將研究區(qū)U、Th、Rb、K、Mo、Co測量數(shù)據(jù)的特高值以各元素?cái)?shù)據(jù)低值總體累積頻率95%處的分位值代替后，各元素的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、峰度與偏度均有明顯降低(表1)，表明數(shù)據(jù)離散程度有所下降。元素?cái)?shù)據(jù)經(jīng)過處理后，避免了部分人為隨機(jī)因素造成的特高值影響。應(yīng)用surfer軟件對處理后的數(shù)據(jù)求取剩余值Ni，以正剩余的平均值為隨機(jī)分量，最終獲取元素異常分量，作相應(yīng)等值線圖。

3 結(jié)果討論與分析

使用兩種化探數(shù)據(jù)處理方法對研究區(qū)地氣測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，一組以趨勢面獲取的剩余分量的異常分量作等值線圖(其異常分量為無量綱參數(shù))，僅以高于0值的區(qū)域?yàn)楫惓^(qū)域，值越大，其成礦意義越大；另一組以各元素?cái)?shù)據(jù)等值線圖為基礎(chǔ)，通過傳統(tǒng)平均法計(jì)算得出的異常下限圈定異常。同時(shí)參考課題組資料推測有利成礦前景區(qū)域，分析傳統(tǒng)平均法與趨勢面方法的應(yīng)用效果。

表1 95%分位值替代特高值前后元素指標(biāo)

綜合課題組內(nèi)地電化學(xué)提取異常信息、Pb同位素特征值向量異常信息以及其他課題組AMT推測基底等深線等資料，認(rèn)為研究區(qū)內(nèi)主要存在以下幾個(gè)具有較好中深部以下有利成礦前景區(qū)域：①樂家北東側(cè)一帶；②杏樹下一帶；③上家?guī)X一帶；④測區(qū)西北側(cè)中段；⑤測區(qū)南側(cè)牛腦上一帶；⑥燕窩-響石中段。

3.1 趨勢面法提取地氣異常

3.1.1 U、Th、Rb異常提取

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)(圖4)，趨勢面方法圈定的U、Th、Rb異常分布極為相似，故對三種元素進(jìn)行統(tǒng)一分析。發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)趨勢面法圈定的三種元素異常效果和示礦意義較好，主要表現(xiàn)如下：

(1)對弱異常的提取效果明顯；分別在研究區(qū)內(nèi)圈定了多處弱異常。

(2)圈定的異常位置示礦意義良好；分別在樂家北東側(cè)，杏樹下，牛腦上一帶以及燕窩-響石中段圈定了明顯的元素異常，與綜合資料推測有利成礦前景區(qū)域有明顯的重合，說明趨勢面方法圈定的U、Th、Rb弱異常有著很好的示礦意義。

3.1.2 Mo、K、Co異常提取

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)(圖5)，趨勢面法圈定的Mo、K、Co異常與綜合資料推測的有利成礦前景區(qū)吻合較差，經(jīng)分析可得出以下結(jié)果：

(1)趨勢面方法在研究區(qū)圈出大范圍K異常，分析原因可能為地表土壤受人類農(nóng)事活動影響造成的污染。

(2)對于Mo、K、Co元素的示礦作用，還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.2 與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法的對比

3.2.1 傳統(tǒng)平均法原理

3.2.2 數(shù)據(jù)處理

表2 各元素取對數(shù)后指標(biāo)與異常下限

3.2.3 對比分析

對比趨勢面方法與傳統(tǒng)平均法圈定的異常(圖4、圖5)，發(fā)現(xiàn)趨勢面方法圈定異常效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)平均法，主要表現(xiàn)如下：

圖4 趨勢面方法等值線圖

圖5 傳統(tǒng)平均法等值線圖

(1)對于U、Th、Rb，趨勢面方法圈定的異常區(qū)域明顯增加，除傳統(tǒng)平均法圈定的兩處研究區(qū)邊緣的異常外，趨勢面方法額外圈出了多處弱異常區(qū)域，說明趨勢面法在圈定弱異常方面效果明顯，較傳統(tǒng)平均法更有優(yōu)勢。

(2)U、Th、Rb異常位置示礦意義良好，趨勢面方法分別在樂家北東側(cè)，杏樹下，牛腦上一帶以及燕窩-響石中段圈定了明顯的元素異常，與綜合資料推測有利成礦前景區(qū)域有明顯的重合，說明趨勢面方法圈定的U、Th、Rb弱異常有著很好的示礦意義。

(3)對于Mo元素，兩種方法表現(xiàn)的元素分布趨勢較為相似，但趨勢面方法圈定的異常更加明顯。

(4)對于K、Co元素,兩種方法的異常區(qū)域存在一定的重合，但趨勢面方法額外圈定的部分弱異常。

4 結(jié)論

通過對比研究分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)首次將趨勢面方法運(yùn)用于地氣測量異常圈定，應(yīng)用效果較傳統(tǒng)平均法更為理想，說明趨勢面法對于較大區(qū)域的地氣異常提取更具優(yōu)勢。圈定的異常在空間位置上與綜合資料推測的鈾成礦有利前景區(qū)域?qū)?yīng)良好，表明趨勢面方法在地氣測量中的應(yīng)用能為深部隱伏鈾礦靶礦區(qū)的劃分提供重要信息。

(2)本次地氣測量工作中，趨勢面法圈定的U、Th、Rb元素異常與課題組綜合資料推測的鈾成礦有利位置對應(yīng)良好。表明研究區(qū)內(nèi)，U、Th、Rb元素可視為良好的鈾礦指示元素，而K、Mo、Co元素對深部鈾礦的示礦作用還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

(3)地氣測量獲取的異常信息來源于地下不同深度礦體的疊加，為圈定深部礦體位置，還需配合其他物化探方法對中淺部礦體信息進(jìn)行剝離，獲取深部礦致異常。