基于Protégé的礦床成因類型本體推理判別方法
——以中低溫巖漿熱液型金礦床為例

高 鑫,薛林福,冉祥金,燕 群,王 睿

(吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院)

引 言

礦床成因類型判別是找礦預(yù)測(cè)和礦產(chǎn)勘查中十分重要的研究工作,礦床成因類型的確定決定了找礦方向和是否能夠成功地找到礦產(chǎn)資源。中低溫巖漿熱液型金礦床可以劃分為中溫巖漿熱液型金礦床、遠(yuǎn)成低溫巖漿熱液型金礦床2個(gè)亞類。中溫巖漿熱液型金礦可以劃分為:破碎帶蝕變巖型、石英脈型和部分爆破角礫巖型等3個(gè)子類。遠(yuǎn)成低溫巖漿熱液型金礦床可以劃分為:卡林型、類卡林型、微細(xì)浸染型、濁積巖型等4個(gè)子類[1-2]。

國(guó)內(nèi)外研究人員已經(jīng)在地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域從不同角度構(gòu)建了地質(zhì)本體模型。TRIPATHI等[3]構(gòu)建了水文地質(zhì)本體;NGO等[4]從維基百科中抽取結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行地理本體的構(gòu)建;COX等[5]利用機(jī)器學(xué)習(xí)建立了地質(zhì)年代本體;侯志偉等[6-7]根據(jù)地學(xué)數(shù)據(jù)中的時(shí)間概念及其特征進(jìn)行時(shí)間本體建模,應(yīng)用于地學(xué)數(shù)據(jù)檢索,可以優(yōu)化數(shù)據(jù)檢索質(zhì)量,在此基礎(chǔ)上提出將中國(guó)地質(zhì)年代與地層概念相結(jié)合,構(gòu)建地質(zhì)年代本體,能為用戶提供知識(shí)查詢服務(wù),解決了檢索中的語義異構(gòu)問題;姚健鵬等[8]利用Protégé本體建模軟件對(duì)銅礦床領(lǐng)域本體進(jìn)行了構(gòu)建;WANG等[9]開發(fā)了一個(gè)基于本體的區(qū)域地質(zhì)時(shí)代、古生物學(xué)和基礎(chǔ)地質(zhì)學(xué)信息的數(shù)據(jù)集成與可視化系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了北美地質(zhì)時(shí)間尺度本體的建模與可視化、化石信息的檢索與顯示等功能。陸智卿等[10]利用Jena建立了包含圖片層與知識(shí)層的沉積相知識(shí)庫(kù)。在地質(zhì)找礦領(lǐng)域,利用推理規(guī)則進(jìn)行礦床成因類型的判別還沒有得到應(yīng)用,由此,本文采用Protégé本體建模軟件研究了基于推理規(guī)則進(jìn)行中低溫巖漿熱液型金礦床判別方法研究,期望該方法具有很高的礦床類型判斷準(zhǔn)確度,為其他礦床成因類型的判別提供依據(jù)。

1 Protégé礦床本體建模

1.1 本體的概念

本體形式化地描述了一個(gè)論域[11]。一般由概念、概念間的關(guān)系及建立在該關(guān)系之上的原理3部分組成。Protégé本體建模軟件是一種本體知識(shí)模型構(gòu)建工具,被廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)、法律和農(nóng)業(yè)等本體知識(shí)模型構(gòu)建中。本體通常表示為{C1,R,P,C2,I}形式[12],C1(Concept)代表概念或類(Class),每一類中的父類可以下設(shè)若干子類,是本體中實(shí)例的集合,是具有某種特定性質(zhì)的具體或抽象對(duì)象匯總而成的集體。R(Relation)代表關(guān)系,是類之間的二元關(guān)系,將2個(gè)類連接在一起,表示類與類之間的相互聯(lián)系。P(Property)代表屬性,是實(shí)例之間的二元關(guān)系,將2個(gè)實(shí)例連接在一起,表示實(shí)例與實(shí)例之間的相互聯(lián)系,可以用于描述事物的特征。C2(Constraint)代表約束,用于在本體構(gòu)建時(shí),對(duì)于事物屬性的限制,包括取值范圍和類型等。I(Individuals)代表實(shí)例,是類中包含的對(duì)象,實(shí)例擁有其所屬類的所有屬性和關(guān)系。本體概念的引入,在表達(dá)復(fù)雜礦床的分類與聯(lián)系中提供了有效手段。

1.2 礦床本體構(gòu)建過程

1)確定本體領(lǐng)域及范疇:領(lǐng)域是一個(gè)知識(shí)范圍,在這個(gè)范圍內(nèi)的全部知識(shí)可以解決領(lǐng)域?qū)?yīng)的特定范圍的問題[13]。本文構(gòu)建礦床成因類型的本體,并將“中低溫巖漿熱液型金礦床”作為具體研究對(duì)象,選擇以《地學(xué)大辭典》[14]《地質(zhì)學(xué)漢語敘詞表》[15]《勘查區(qū)找礦預(yù)測(cè)理論與方法(總論)》[1]《勘查區(qū)找礦預(yù)測(cè)理論與方法(各論)》[2]為主要參資料。礦床成因類型本體推理原理見圖1。

勘查區(qū)找礦預(yù)測(cè)理論(又稱“三位一體找礦預(yù)測(cè)理論”)廣泛應(yīng)用于中國(guó)的找礦預(yù)測(cè)實(shí)踐中,其核心概念主要包括:礦床(體)、成礦地質(zhì)體、成礦結(jié)構(gòu)面和成礦構(gòu)造、成礦作用特征標(biāo)志。礦床(體)是指含有用礦物資源且在一定的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下能被開采利用的綜合地質(zhì)體;成礦地質(zhì)體通常為礦床的形成提供了成礦物質(zhì)、流體和能量;成礦結(jié)構(gòu)面和成礦構(gòu)造為礦床的形成提供了成礦流體運(yùn)移通道和成礦空間;成礦作用特征標(biāo)志指示了礦床形成過程。不同礦床成因類型具有不同成礦地質(zhì)體、成礦結(jié)構(gòu)面和成礦構(gòu)造、成礦作用特征標(biāo)志,可基于此建立成礦與找礦預(yù)測(cè)地質(zhì)模型。

圖1 礦床成因類型本體推理原理

2)列出重要術(shù)語:對(duì)于礦床成因類型本體,要盡可能做到使用通用專業(yè)術(shù)語,如發(fā)育、陸塊區(qū)、造山帶等。著重列出與三位一體找礦預(yù)測(cè)理論相關(guān)術(shù)語。

3)定義類及其中的層級(jí):在Protégé本體建模軟件中,每個(gè)本體模型有一個(gè)默認(rèn)總類“owl:Thing”,可以在該總類之下添加多個(gè)不同級(jí)別的子類,本文主要研究對(duì)象為中低溫巖漿熱液型金礦床,以此為例,類的創(chuàng)建過程如下,頂層為礦床概念層,自頂向下由寬泛的礦床成因分類逐層細(xì)化到礦床類型,以樹狀形式展現(xiàn)金礦床的分類結(jié)構(gòu)。此外,根據(jù)三位一體找礦預(yù)測(cè)理論,建立成礦地質(zhì)體、成礦結(jié)構(gòu)面與成礦構(gòu)造、成礦作用特征標(biāo)志3個(gè)大類及其子類,用于表征各類金礦床特征。

4)定義類的關(guān)系:用于描述類或?qū)嵗g的聯(lián)系,向上對(duì)類動(dòng)作狀態(tài)或特征的陳述或說明,向下承接了共性特征層;以共性特征層為實(shí)例,該層為礦床模型的核心層級(jí),涵蓋了各類礦床從宏觀地質(zhì)信息到微觀地質(zhì)特性等核心知識(shí)。本文除了定義用于描述關(guān)系的“是”“具有”“屬于”等一般詞外,還根據(jù)三位一體找礦預(yù)測(cè)理論定義了“成礦地質(zhì)體是”“成礦構(gòu)造是”“成礦結(jié)構(gòu)面是”和“成礦作用特征標(biāo)志是”等關(guān)系。

5)創(chuàng)建實(shí)例:創(chuàng)建屬于類的實(shí)例,一般為領(lǐng)域內(nèi)的對(duì)象,如大橋金礦床。單個(gè)礦床作為礦床成因類包含的元素,既向上歸屬于具體的礦床成因類,又與共性特征層的屬性相互融合。創(chuàng)建后可以在個(gè)體的Description里聲明其所屬的類,在Property Assertion里聲明其具有的屬性。這里主要對(duì)從三位一體找礦預(yù)測(cè)理論角度下的實(shí)例創(chuàng)建過程進(jìn)行說明,以成礦構(gòu)造中的斷裂為例,一般認(rèn)為按相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向可以分為正斷裂、逆斷裂、走滑斷裂;按力學(xué)性質(zhì)可以分為壓性斷裂、張性斷裂、剪切斷裂、張扭性斷裂、壓扭性斷裂;按走向可以分為北東向斷裂、北西向斷裂等。這些術(shù)語既可以按照層級(jí)關(guān)系當(dāng)作父類和子類,也可以按照對(duì)象的角度當(dāng)作實(shí)例。為了推理方便,在斷裂類下面創(chuàng)建“正斷裂”“逆斷裂”“走滑斷裂”“壓性斷裂”“張性斷裂”“剪切斷裂”“張扭性斷裂”“壓扭性斷裂”“北東向斷裂”“北西向斷裂”等。同理,“成礦地質(zhì)背景”類下面包含的實(shí)例為“大地構(gòu)造單元”“成礦帶”“成礦時(shí)代”等?！皫r體”類包含的實(shí)例為“酸性巖體”“中酸性巖體”“中性巖體”“中基性巖體”“基性巖體”“超基性巖體”“基性超基性巖體”等。

從結(jié)構(gòu)、功能、可用性、一致性、完整性、簡(jiǎn)明幾個(gè)維度對(duì)本體反復(fù)評(píng)估及迭代修訂,修訂后的本體在以上幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)相對(duì)最優(yōu)。礦床成因類型本體包含的三元組實(shí)體1 326 014個(gè),關(guān)聯(lián)屬性2 314 541個(gè)(見圖1),本體具有較豐富類間關(guān)系,適于表達(dá)地質(zhì)領(lǐng)域復(fù)雜的關(guān)系。

2 礦床本體推理規(guī)則

2.1 SWRL推理規(guī)則語言

語義網(wǎng)規(guī)則語言(SWRL,Semantic Web Rule Language)是由語義方式呈現(xiàn)規(guī)則的一種語言,該語言符合W3C規(guī)范,也是目前比較流行的規(guī)則語言,SWRL表示規(guī)則[16]見式(1):

A1,A2,A3,…,An->B1,B2,B3,…,Bm

(1)

->兩側(cè)的逗號(hào)表示合取,A1,…,An和B1,…,Bm可以形如C(?x)、P(?x,?y)、sameAs(?x,?y)或者differentForm(?x,?y),其中C是一個(gè)類,P是一個(gè)屬性,x和y是變量、實(shí)例或者數(shù)據(jù)值。SWRL的突出優(yōu)勢(shì)主要在以下2個(gè)方面:一方面可以根據(jù)本體推理涉及領(lǐng)域特點(diǎn),自定義規(guī)則,可復(fù)用性好,在相近的領(lǐng)域可以重復(fù)使用推理規(guī)則;另一方面,SWRL能夠非常清楚地描述規(guī)則之間的層次關(guān)系,具有人機(jī)可讀性好、可以直接結(jié)合本體來建立規(guī)則、易于使用等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 本體推理機(jī)

推理機(jī)(Inference Engine)在Protégé本體建模軟件中是SWRL Tab插件。在該插件中,可以使用SWRL的所有語法,便于將本體實(shí)體加入到規(guī)則中,防止輸入錯(cuò)誤。Protégé本體建模軟件中的推理機(jī)基于HermiT推理算法,可以用來發(fā)現(xiàn)新知識(shí)和識(shí)別錯(cuò)誤知識(shí)。

2.3 礦床類型推理規(guī)則

由于礦床成因類型本體關(guān)系比較復(fù)雜,因此本文選擇用SWRL Tab自定義推理規(guī)則,推理規(guī)則定義了由已知知識(shí)推導(dǎo)出未知知識(shí),用來推理類的規(guī)則的格式見式(2):

rule-name:R1 (?x)^R2(?x,?y)->R3(?x)

(2)

用來推理關(guān)系的規(guī)則格式見式(3):

rule-name:R4(?x)^R5(?x,?y)->R6(?z,?x)

(3)

式中:rule-name為規(guī)則的名稱;R1、R3、R4為本體模型中的某個(gè)類;R2、R5、R6為本體模型中的某個(gè)類或者屬性;->前面為推理前的狀態(tài);->后面為推理得到的結(jié)果;R3和R6由推理得到。

通過推理,可以對(duì)x進(jìn)行歸類,或者得到z與x之間的新知識(shí)。在編寫推理規(guī)則時(shí),將多個(gè)規(guī)則組合,可以進(jìn)行組合推理。

根據(jù)地質(zhì)領(lǐng)域知識(shí),可以創(chuàng)建若干條推理規(guī)則,對(duì)本體模型中包含的知識(shí)進(jìn)行推理,對(duì)構(gòu)建的本體模型進(jìn)行補(bǔ)全。例如:一般認(rèn)為一塊巖石中包含的礦物為石英和長(zhǎng)石,則這個(gè)巖石為花崗巖。將上述理論歸納為SWRL推理規(guī)則即為“S1:巖石(?a)^礦物(?a,石英)^礦物(?a,長(zhǎng)石)->花崗巖(?a)”。

根據(jù)一系列礦床特征和三位一體找礦預(yù)測(cè)理論,可以進(jìn)一步判斷礦床的成因亞類或子類,這屬于推理新知識(shí)的過程。通過SWRL Tab自定義推理規(guī)則,利用Protégé內(nèi)置推理機(jī)可以推理分析該礦床屬于的類型。針對(duì)中低溫巖漿熱液型金礦床,建立找礦模型要素本體,根據(jù)推理格式編寫若干推理規(guī)則。例如:金礦床位于巖體附近,金礦床的成礦時(shí)代為白堊紀(jì),巖體的侵入時(shí)代為燕山期,金礦床的成因類型為中低溫巖漿熱液型金礦床,該推理規(guī)則可以表示為:礦床(?a)^巖體(?b)^附近(?a,?b)^成礦時(shí)期(?a,白堊紀(jì))^侵入時(shí)期(?b,燕山期)->中低溫巖漿熱液型金礦床(?a)。

3 推理應(yīng)用

在“礦床類”下面添加大橋金礦床實(shí)例,以區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告和47篇相關(guān)文獻(xiàn)為參考資料,結(jié)合三位一體找礦預(yù)測(cè)理論,整理出大橋金礦床的成礦要素,結(jié)果見表1。構(gòu)建礦床本體模型,按照大橋金礦床的成礦地質(zhì)背景和礦床地質(zhì)特征為大橋金礦床實(shí)例添加屬性,經(jīng)過推理將大橋金礦床的屬性補(bǔ)全,同時(shí)在Protégé本體建模軟件中可以看到大橋金礦床被歸為“中低溫巖漿熱液型金礦床”和“中溫?zé)嵋盒徒鸬V床”(見圖2),代表著推理后礦床成因類型更加明確,從比較模糊的“金礦”細(xì)化到了“中低溫巖漿熱液型金礦床”,具體推理過程如下。

選擇基礎(chǔ)地質(zhì)規(guī)則庫(kù)對(duì)大橋金礦床現(xiàn)有成礦要素進(jìn)行屬性補(bǔ)全,得出大橋金礦床的巖石主要是濱淺海碳酸鹽組合、陸源碎屑濁積巖、英安巖—安山巖組合;硅化蝕變與金礦化關(guān)系密切;成礦地質(zhì)體為印支晚期中酸性隱伏侵入體,沉淀機(jī)制主要為充填。

選擇礦床成因的推理規(guī)則庫(kù)進(jìn)行二次推理,得到推理結(jié)果為:大橋金礦床屬于中低溫巖漿熱液型金礦,符合普遍認(rèn)為的礦床成因類型。分析得到推理的主要依據(jù)是:大橋金礦床成礦地質(zhì)體為中酸性、酸性、偏堿性侵入體;其沉淀機(jī)制以充填為主;礦體形態(tài)為層狀礦體、脈狀礦體和復(fù)合礦體;礦體受斷裂、硅鈣面等成礦結(jié)構(gòu)面控制;礦化樣式以脈狀、似層狀為主;蝕變類型為硅化、絹云母化(見圖3)。符合礦床成因類型推理一般規(guī)律[17-20]。利用Protégé本體建模軟件的推理機(jī)插件進(jìn)行推理,能夠根據(jù)結(jié)論所在類,挖掘出隱含的關(guān)系,最終得到具有參考意義的結(jié)果。

表1 大橋金礦床成礦要素

圖2 大橋金礦床推理前、后所屬礦床類型對(duì)比

圖3 大橋金礦床推理后屬性

4 結(jié) 語

利用Protégé本體建模軟件,參照勘查區(qū)找礦預(yù)測(cè)理論,對(duì)礦產(chǎn)地質(zhì)知識(shí)進(jìn)行本體建模,在此基礎(chǔ)上基于SWRL,定義一般地質(zhì)規(guī)律規(guī)則和礦床成因類型推理規(guī)則,針對(duì)中低溫巖漿熱液型金礦床,利用HermiT推理機(jī)完成對(duì)大橋金礦床成因類型的推理。經(jīng)驗(yàn)證,推理結(jié)果準(zhǔn)確,并且能夠挖掘出類之間的隱含關(guān)系,能夠依據(jù)理論幫助研究人員確定礦床類型。在未來的研究中,可將基于Protégé本體建模軟件的推理判別方法應(yīng)用于其他礦床成因類型的判別,也可將本方法與現(xiàn)有的人工智能找礦預(yù)測(cè)模型結(jié)合,探索知識(shí)驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)綜合的找礦預(yù)測(cè)方法,輔助研究人員開展深部找礦預(yù)測(cè)工作。