水系沉積物測量的兩個問題

熊小龍，閆李軍

（合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽合肥 230009）

0 引言

在1∶50000水系沉積物測量的實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)目前的方法存在一些問題，本文探討是否有改進(jìn)的可能。本文工作區(qū)位于安徽沿江江南，屬于濕潤低山丘陵景觀區(qū)。

我國自1980 年代以來開展1∶200000 水系沉積物測量，取得了良好效果，同時形成了一套工作方法。目前在重點(diǎn)區(qū)域開展1∶50000水系沉積物測量。本文認(rèn)為，二者方法原理相同但有不同特點(diǎn)。前者的目標(biāo)是查明較大范圍內(nèi)元素分布狀態(tài)，確定區(qū)域地球化學(xué)背景和異常區(qū)，為找礦及環(huán)境等領(lǐng)域提供信息。它圈出的異常為進(jìn)一步找礦指示方向，不直接指示礦化的位置。在方法上，關(guān)注用較少的采樣點(diǎn)揭示元素富集趨勢，采用組合樣，采用能夠從低濃度背景中提取出富集趨勢的數(shù)據(jù)處理方法和結(jié)果表達(dá)方法。后者的目標(biāo)是在較小的范圍內(nèi)圈出異常，為確定找礦靶區(qū)提供信息。它圈出的異常直接指示礦化的位置。即使只有一個點(diǎn)異常，也同樣予以重視。在方法上，它關(guān)注的重點(diǎn)應(yīng)該是每一個采樣點(diǎn)的實(shí)際控制范圍，以及能夠直觀準(zhǔn)確表示元素富集狀況的數(shù)據(jù)處理方法和結(jié)果表達(dá)方法。目前后者基本上沿襲了前者的方法，不完全適應(yīng)1∶50000水系沉積物測量的特點(diǎn)。本文對其中布點(diǎn)和結(jié)果表達(dá)兩個方法問題進(jìn)行討論。

1 布點(diǎn)方法問題

現(xiàn)行的1∶50000水系沉積物測量布點(diǎn)方法的特點(diǎn)是按地形圖坐標(biāo)網(wǎng)格布置采樣點(diǎn)。本文稱為網(wǎng)格法。其布點(diǎn)規(guī)則的要點(diǎn)是：每1km為一大格，分為四小格，每個小格布1～2 個點(diǎn)，一般不可無點(diǎn)也不必多點(diǎn)，采樣點(diǎn)布在一級水口或二級水系中，每個點(diǎn)的控制流域面積以0.125～0.25km為宜，一級水系長度大于500m時應(yīng)加點(diǎn)，不允許出現(xiàn)連續(xù)3個空白小格。

本文提出按流域布點(diǎn)的方法，其要點(diǎn)是根據(jù)水系流域的實(shí)際情況布點(diǎn)，不受網(wǎng)格限制。本文稱為流域法。其布點(diǎn)原則在很多方面與網(wǎng)格法一致，不同之處是允許小格中無點(diǎn)或多點(diǎn)，允許一個采樣點(diǎn)控制的一級水系長度超過500m。在符合每個樣點(diǎn)的控制流域面積應(yīng)不大于0.25km的前提下允許出現(xiàn)連續(xù)空白小格。

1.1 流域法布點(diǎn)的方法

流域法布點(diǎn)的具體方法如下，圖1給出一個實(shí)例。

圖1 流域法布點(diǎn)的一個實(shí)例Figure 1.An example of point location design using drainage basin method

（1）在地形圖上畫出水系，或者用計(jì)算機(jī)生成水系圖。

（2）從一個大水系的水系口或其在圖中最下游處開始向上游追溯，在支流水系口布點(diǎn)。再沿支流追溯，在更小的水系口布點(diǎn)，直到一個點(diǎn)的控制流域面積不大于0.25km。在這個過程中水系分級是相對的，可將符合布點(diǎn)原則的最小水系稱為一級水系。

（3）對于長度超過500m的一級水系，若流域面積不大于0.25km，則不加點(diǎn)。

（4）如果二級水系兩側(cè)的一級水系排列成羽狀，其中每個一級水系都較短且流域面積都很小，則將此二級水系分為若干段，使每一段兩側(cè)的一級水系流域面積之和不大于0.25km，在每個分段處的二級水系中布置一個采樣點(diǎn)。

（5）三級水系兩側(cè)可能有短小的一級水系，因流域面積過小而不宜布點(diǎn)。如果三級水系也不布點(diǎn)，則這些區(qū)域?qū)⒌貌坏娇刂?。如果有必要且有可能，可在三級水系流入此區(qū)域處和流出此區(qū)域處各布置一個點(diǎn)加以控制。

順帶指出：當(dāng)覆蓋區(qū)土壤層中的沉積物不完全來自鄰近基巖區(qū)時，需要注意不可以布置土壤采樣點(diǎn)替代水系沉積物。這種情況在大河兩岸低山丘陵區(qū)常見，本文工作區(qū)就是一個例子。低山丘陵山腳下的平地實(shí)際上是長江沖積平原的邊緣，歷史上經(jīng)常被長江洪水所淹沒，土壤中含有大量來自長江洪水的沉積物，因?yàn)樽罱鼛资隂]有發(fā)生長江洪水，所以這一問題容易被忽略，往往為了圖面規(guī)整而在這樣的區(qū)域布置土壤采樣點(diǎn)替代，這是不合適的。

1.2 網(wǎng)格法布點(diǎn)與流域法布點(diǎn)的比較

對現(xiàn)行的網(wǎng)格法布點(diǎn)與本課題提出的流域法布點(diǎn)進(jìn)行比較，得出以下結(jié)論。

（1）在低山丘陵區(qū)，沖溝往往比較短小而密集，平行或放射狀分布，每個水系的流域面積很小。網(wǎng)格法布點(diǎn)要求每個小格布置1～2個點(diǎn)，因此出現(xiàn)較多的漏控區(qū)。流域法布點(diǎn)的漏控面積較小。以本文研究區(qū)為例，基巖區(qū)面積約58km，用網(wǎng)格法布點(diǎn)281 個，平均每個采樣點(diǎn)控制流域面積0.15km，漏控面積14.7km，約占基巖區(qū)面積的25%。用流域法布點(diǎn)298個，平均每個采樣點(diǎn)控制流域面積約0.16km，漏控面積8.9km，約占基巖區(qū)面積的15%。在平均采樣密度相近的情況下，流域法布點(diǎn)可以有效地減少漏控面積，獲得更多的信息。圖2是研究區(qū)的一個局部，其中灰色表示漏控區(qū)。

圖2 網(wǎng)格法布點(diǎn)與流域法布點(diǎn)的比較Figure 2.Comparison of grid method with drainage basin method for point location design

（2）在分水嶺附近，沖溝短小，其中多為粗碎屑，很難采集到合格的樣品。從方法原理上講，這樣的小格不宜布點(diǎn)采樣，但是網(wǎng)格法不允許出現(xiàn)連續(xù)空白小格，因此不得不布點(diǎn)，增加了采樣難度而且難以保證采樣質(zhì)量。圖3 是一個實(shí)例，有連續(xù)8 個小格難以采樣。流域法不需要在分水嶺附近布點(diǎn)，因此減輕了采樣難度。

圖3 流域法布點(diǎn)減輕采樣難度的一個實(shí)例Figure 3.An example of drainage basin method for point lo?cation design that reduces the sampling difficulty

（3）網(wǎng)格法布點(diǎn)通過要求每個小格必須布點(diǎn)來控制采樣點(diǎn)密度，使之滿足工作精度要求，便于控制質(zhì)量，質(zhì)量檢查者只要看是否有空白小格即可。流域法布點(diǎn)不受小格限制，是通過要求每個采樣點(diǎn)控制流域面積不大于0.25km來控制采樣點(diǎn)密度的，同樣可以保證滿足工作精度要求，但不便于質(zhì)量控制。質(zhì)量檢查者需要看每個點(diǎn)的控制面積是否過大。

2 測量結(jié)果表達(dá)問題

現(xiàn)行的水系沉積物測量結(jié)果的表達(dá)形式是地球化學(xué)圖和地球化學(xué)異常圖，其核心是用等量線（元素含量等值線）表示元素含量的分布狀態(tài)，在地圖學(xué)中屬于等值線圖一類。等值線圖的特點(diǎn)是經(jīng)過插值計(jì)算、無數(shù)據(jù)的區(qū)域用計(jì)算值代替、注重表示數(shù)據(jù)變化趨勢、異常區(qū)的形態(tài)較圓滑。圖4-a 是本文研究區(qū)某元素地球化學(xué)圖的局部，方法要點(diǎn)是：用流域法布點(diǎn)，用元素含量的對數(shù)值作圖，等值線間隔取0.1，異常區(qū)抽稀，用克里格法插值，高值區(qū)用暖色調(diào)。

前已述及，1∶50000 水系沉積物測量的特點(diǎn)是它所圈出的異常直接指示礦化巖石的位置，它關(guān)注的重點(diǎn)應(yīng)該是每一個采樣點(diǎn)的實(shí)際控制范圍，以及能夠直觀準(zhǔn)確表示元素富集狀況的數(shù)據(jù)處理方法和結(jié)果表達(dá)方法。本文針對這一特點(diǎn)，提出一種新的結(jié)果表達(dá)方法。根據(jù)原理，一個采樣點(diǎn)控制一片流域，若該點(diǎn)某元素含量值偏高，則指示該流域中存在該元素富集的地質(zhì)體。本文認(rèn)為，在查明這個地質(zhì)體露頭的準(zhǔn)確位置之前，只能認(rèn)為該流域中每一處都可能是這個地質(zhì)體的露頭位置，因此該點(diǎn)的整個控制流域都應(yīng)該被賦予同一種顏色。在實(shí)際采樣點(diǎn)位圖中，根據(jù)每個采樣點(diǎn)的元素含量值給每個采樣點(diǎn)的控制流域賦予相應(yīng)的顏色，以此表示元素含量的分布狀況。如果按照異常下限值賦顏色，則表示元素含量異常的分布狀況。本文將這種表達(dá)形式稱為色斑圖。在地圖學(xué)中，這種表示方法屬于質(zhì)量底色法，這種圖屬于類型圖一類。

2.1 繪制色斑圖的方法

本文繪制水系沉積物測量結(jié)果色斑圖的方法如下:

（1）建立一個數(shù)據(jù)文件，其中有實(shí)際采樣點(diǎn)的點(diǎn)號、坐標(biāo)、元素含量值等數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)文件經(jīng)過投影轉(zhuǎn)換生成實(shí)際采樣點(diǎn)的點(diǎn)文件，疊加在地形圖上，描繪采樣點(diǎn)控制流域的邊界，建立采樣點(diǎn)控制流域的區(qū)文件。

（3）通過“Label 與區(qū)合并”的操作，使采樣點(diǎn)控制流域繼承采樣點(diǎn)的屬性。通過根據(jù)屬性賦參數(shù)的操作，給采樣點(diǎn)控制流域賦予與元素含量分級相對應(yīng)的顏色，生成“水系沉積物測量結(jié)果色斑圖”。

（4）確定異常下限值，給采樣點(diǎn)控制流域賦予與異常分帶相對應(yīng)的顏色，生成“水系沉積物測量異常色斑圖”。

圖4-b 是色斑圖的例子，其布點(diǎn)方法、作圖數(shù)據(jù)、著色規(guī)則都與等值線圖相同。

圖4 等值線圖與色斑圖對比Figure 4.Comparison of isoline map with choroplethic map

2.2 色斑圖的判讀方法

根據(jù)水系沉積物測量的方法原理，如果某處存在元素相對富集的地質(zhì)體露頭，在其下游的水系沉積物中的元素含量值會偏高。露頭下游最近的那個采樣點(diǎn)的異常表現(xiàn)最明顯，稱為異常點(diǎn)，位于異常點(diǎn)下游的點(diǎn)可能有異常表現(xiàn)，但會比較弱，越向下游越弱，因?yàn)橐甬惓１憩F(xiàn)的沉積物在向下游搬運(yùn)的過程中逐漸被正常的沉積物稀釋了。這是本文討論色斑圖判讀方法的基本依據(jù)。

色斑圖判讀的基本方法是：若上游采樣點(diǎn)異常而下游點(diǎn)正常，則異常源在上游點(diǎn)的控制流域內(nèi)。若下游點(diǎn)異常而上游點(diǎn)正常，則異常源在下游點(diǎn)的控制流域內(nèi)，且不包括上游點(diǎn)的控制流域。若上游點(diǎn)和下游點(diǎn)都異常，則視異常強(qiáng)度而定，可能在上游也可能同時在上、下游。圖5表示幾種可能遇到的具體情況。

（1）位于一級水系口的采樣點(diǎn)的元素含量高于異常下限，例如圖中的H 點(diǎn)，在色斑圖中表現(xiàn)為該采樣點(diǎn)的控制流域（H區(qū)）為紅色。判斷異常源在H區(qū)內(nèi)。

（2）位于二級水系中的點(diǎn)異常，而且在該點(diǎn)上游沒有異常點(diǎn)，例如圖中的I 點(diǎn)，I 區(qū)為紅色，其上游的J區(qū)、K區(qū)都為無色。判斷異常源在I區(qū)內(nèi)。

（3）位于二級水系中的點(diǎn)異常，上游也有異常點(diǎn)，兩個點(diǎn)的異常強(qiáng)度接近，例如圖中的F 點(diǎn)和H 點(diǎn)，F(xiàn) 區(qū)為玫紅色，H 區(qū)為紅色。判斷異常源在H 區(qū)內(nèi)，也可能同時在H區(qū)和F區(qū)內(nèi)。

（4）位于二級水系中的點(diǎn)異常，上游也有異常點(diǎn)，而且上游點(diǎn)異常較強(qiáng)，例如圖中的D 點(diǎn)和I 點(diǎn)，D 區(qū)為橙色，I區(qū)為紅色。判斷異常源在I區(qū)內(nèi)，D是異常遷移。

（5）位于二級水系中的點(diǎn)異常，上游也有異常點(diǎn)，而且上游點(diǎn)異常較弱，例如圖中的L點(diǎn)和M點(diǎn)，L區(qū)為紅色，M 區(qū)為橙色。判斷L 區(qū)內(nèi)有一強(qiáng)異常源，同時在M 區(qū)內(nèi)有一弱異常源；或者異常源的主體在L 區(qū)內(nèi)，部分在M區(qū)內(nèi)。

在圖5 中，綜合判讀的結(jié)果是，從H 區(qū)東部經(jīng)過I區(qū)到L 區(qū)西部，可能存在一個元素相對富集的帶狀地質(zhì)體，例如巖脈、巖體接觸帶、斷層破碎帶之類，或者多個短軸狀地質(zhì)體，例如多個小巖體。

圖5 在色斑圖中判讀異常源Figure 5.Interpretation of an abnormal source on the chorop?lethic map

2.3 色斑圖與等值線圖的比較

（1）等值線圖的異常形態(tài)較圓滑，表達(dá)數(shù)據(jù)變化趨勢較好，但異常區(qū)不直接對應(yīng)采樣點(diǎn)。色斑圖的異常區(qū)直接對應(yīng)采樣點(diǎn)，直接指示礦化巖石的位置，可以更直觀更準(zhǔn)確地表達(dá)元素分布狀況。

（2）等值線圖經(jīng)過插值，無數(shù)據(jù)的區(qū)域用計(jì)算值代替，有可能出現(xiàn)不合理的數(shù)據(jù)。不同的插值方法、網(wǎng)格大小、搜索策略和參數(shù)等，都會顯著影響等值線的形態(tài)，使表達(dá)具有某種程度上的不確定性。色斑圖不進(jìn)行插值計(jì)算，直接使用測量數(shù)據(jù)成圖，因此表達(dá)更客觀更合理。

（3）在等值線圖中，布點(diǎn)漏控區(qū)被插值掩蓋了。在色斑圖中漏控區(qū)是空白的。對于1∶50000水系沉積物測量而言，每個區(qū)域與鄰區(qū)之間存在差異的可能性都不應(yīng)忽略，與漏控區(qū)相鄰的區(qū)域沒有異常不代表漏控區(qū)也沒有異常。因此，最好的表達(dá)方法是將漏控區(qū)如實(shí)地表達(dá)為空白。

（4）繪制等值線圖的前提是相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)之間是有聯(lián)系的，是漸變的，變化趨勢是可以估算的。對于1∶50000 水系沉積物測量而言，相鄰采樣點(diǎn)之間沒有必然的聯(lián)系，是離散的。從繪圖方法原理上來講，等值線圖不適合表達(dá)離散型數(shù)據(jù)的分布狀況，因此，用等值線圖表達(dá)水系沉積物測量結(jié)果可能導(dǎo)致失真。元素地球化學(xué)分布的一個特點(diǎn)是，低值數(shù)據(jù)近似連續(xù)分布，高值數(shù)據(jù)不連續(xù)分布。對于1∶200000水系沉積物測量而言，由于采樣密度小、采用組合樣、采用強(qiáng)調(diào)變化趨勢的數(shù)據(jù)處理方法等原因，數(shù)據(jù)的離散性特征被淡化了，連續(xù)性特征被相對加強(qiáng)了，因此可以用等值線圖表達(dá)最終結(jié)果。對于1∶50000水系沉積物測量而言，需要強(qiáng)調(diào)相鄰點(diǎn)之間的差異，強(qiáng)調(diào)離散性特征，從這個角度來看，等值線圖不太適用，而色斑圖更適用。

3 結(jié)論

本文提出的流域法布點(diǎn)的方法符合水系沉積物測量的原理，符合現(xiàn)行規(guī)范在布點(diǎn)原則、工作精度等方面的基本要求，同時在減少漏控區(qū)、減輕采樣難度兩個方面好于現(xiàn)行的網(wǎng)格法布點(diǎn)。對于質(zhì)量檢查而言，流域法不如網(wǎng)格法方便，但在廣泛使用GIS 技術(shù)的今天也不困難。因此，現(xiàn)行的布點(diǎn)方法有改進(jìn)的必要和可能。

與等值線圖相比，本文提出的色斑圖可以更直觀準(zhǔn)確地表達(dá)元素分布狀況、更客觀地反映元素異常情況、更準(zhǔn)確地判斷異常源的位置。因此，用色斑圖表達(dá)水系沉積物測量結(jié)果是合適的。

注：本文研究成果是在作者熊小龍攻讀碩士學(xué)位期間完成，熊小龍的碩士學(xué)位論文使用了本文成果。熊小龍合肥工業(yè)大學(xué)碩士畢業(yè)論文題目為《1∶5 萬水系沉積物測量的若干方法問題》