森林沼泽覆盖区化探异常提取方法研究——以内蒙古三七林场幅为例.pdf

第一作者简介：张诗敏（1996），女，从事矿床学与矿床地球化学研究，硕士研究生。E-mail： 通讯作者简介：李随民（1971），男，从事矿床地球化学、环境地球化学等方面研究，教授。E-mail： 基金项目：河北地质大学学生科技基金项目 康保县北沙城矿致异常识别及应用（编号：KAG202106）第45卷 第2期 化 工 矿 产 地 质 Vol.45 No.2 2023 年 06 月 GEOLOGY OF CHEMICAL MINERALS Jun.2023 森林沼泽覆盖区化探异常提取方法研究以内蒙古三七林场幅为例 张诗敏1 李随民2 周吉晨3 焦建4 1 山西省地质工程勘察院有限公司，山西 太原 030024 2 河北地质大学，河北 石家庄 050031 3 浙江久核地质生态环境规划设计有限公司，浙江 湖州 313000 4 陕西地矿第二综合物探大队有限公司，陕西 西安 710003 摘 要 为强化和提取覆盖区低弱地球化学异常的识别，本文通过 K 均值聚类法对呼伦贝尔市三七林场 15 万化探数据进行了分析。根据内蒙古自治区呼伦贝尔市三七林场 15 万地质图中出现的地质单元数目和 K 均值聚类的轮廓系数，可以将该地区分为五大类，以 Au、Cu 元素为例，异常值采用 3S 法剔除，然后计算平均值、标准差、异常下限值、衬度值，绘制等值线图。通过等值线图可知，分类后圈定的 Au、Cu 异常与传统方法圈定的异常范围差别较大，通过 K 均值聚类法有效消除了岩性对地球化学背景值的影响。关键词 K 均值聚类法 低弱地球化学异常 内蒙古三七林场 中图分类号：P596 文献标识码：A 文章编号：10065296（2023）02018805 勘查地球化学工作的重要环节是数据的处理和解释。化探数据处理的核心内容是有关地球化学背景与地球化学异常的合理区分问题，从大量数据中发现与矿有关的地球化学信息是化探数据处理的目的1。以往研究者提出了几种消除背景值影响的解决方法，这些方法对强异常比较有效2-4，覆盖区、浅覆盖区化探信息减弱，如何增强和提取覆盖区化探弱异常是目前研究的热点和难点。目前识别低弱地球化学异常方法主要有子区中位数衬值滤波法5-6、趋势面法7、多重分形方法8、子区异常下限衬值滤波法9-10、泛克里格法11，上述方法存在一定的人为因素，如趋势面方法中拟合方程和拟合次数的选择、子区衬值滤波法中子区大小的选择等。内蒙古呼伦贝尔市三七林场幅位于牙克石市和扎兰屯市之间，区内森林茂密，灌木丛生，植被覆盖较多，树种以松、桦、柞为主，杨、柳、榆次之，河谷中沼泽发育，基岩出露较差，属于典型的森林沼泽景观。区内化探数据统计结果显示，白音高老组（J3by）中 Cu 的均值和方差为5.59、5.78，Au 的均值和方差为 0.23、0.11；早白垩世二长花岗岩（K1）中 Cu 的均值和方差为 7.44、3.66，Au 的均值和方差为 0.36、0.31；早白垩世石英二长斑岩（K1）中 Cu 的均值和方差为 8.19、8.33，Au 的均值和方差为 0.28、0.15。根据上述统计，不同地质单元内 Cu、Au 元素的均值、方差差异较大，即存在将元素背景值含量高的地质体圈定为异常的现象，而 K 均值聚类法可以圈定出传统方法圈定不出的异常，且圈定的异常连续，也可避免将元素背景值含量高的地质体圈定为异常，所以本文采用 K 均值聚类法对内蒙古三七林场 15 万化探数据进行处理，以消除影响。第2期 张诗敏，等：森林沼泽覆盖区化探异常提取方法研究以内蒙古三七林场幅为例 189 1 研究区地质概况 研究区位于内蒙古自治区呼伦贝尔市境内，大兴安岭北段东坡，大兴安岭主脊在其西北部通过，地势西高东低，山脉走向以近南北向、北西向、北东向为主。地层自下而上划分为侏罗系满克头鄂博组（J3mk）、玛尼吐组（J3mn）、白音高老组（J3by），第四系全新统沼泽堆积物（Qhalp）、冲洪积物（Qhfl）12。研究区岩浆活动频繁，中生代侵入岩和火山岩分布广泛。侵入岩岩石类型大部分为花岗岩类，少部分为中性岩，以中深成相为主，区内大面积以火山碎屑岩类为主，熔岩类次之，主要为流纹质火山碎屑岩，出露满克头鄂博期火山岩；火山碎屑岩类、熔岩类在区内玛尼吐期，主要为安山岩、英安岩、英安质火山碎屑岩；区内白音高老期以熔岩类、火山碎屑岩类为主，主要为流纹岩、流纹质火山碎屑岩；区内岩石类型有安山岩、粗安岩、流纹岩、英安岩、流纹斑岩、花岗斑岩、正长斑岩、闪长岩、石英闪长岩、闪长玢岩及石英脉，脉岩发育12。板岩类、变砂岩类和（变）泥质岩类为区内区域变质岩主要岩石类型，少见变火山岩类和碳酸盐类；糜棱岩化岩石、糜棱岩、碎裂岩化岩石、碎裂岩和碎斑岩等为区内主要动力变质岩。热接触变质作用为区内主要接触变质作用，中侏罗世二长花岗岩和早白垩世二长花岗岩体内出露热接触变质岩，范围较小，交代变质岩在区内出露相对多些12。2 K 均值聚类原理及计算方法 2.1 K 均值聚类原理 将 k 设置为最优分类数，K 均值聚类法将所有研究对象分为 k 个簇（使得每一簇内研究对象的相似度高而不同簇之间的相似度低），从所有采集的数据里随机提取 n 个数据，把 n 当做每个簇的中心，计算其他数据与 n 的距离，按最小距离原则将其他数据分配到这些簇中，然后计算每个簇内的平均值，将得到的平均值作为最为新的中心再次聚类，重复上述步骤，直到准则函数会聚13。2.2 K 均值聚类计算 2.2.1 确定分类数 内蒙古自治区呼伦贝尔市三七林场 1:5 万地质图中出现的地质单元数目和K均值聚类的轮廓系数为分类数确定的主要依据。K 均值聚类法的效果主要由最优分类数 k 所决定，轮廓系数可以确定最优分类数 k。轮廓系数计算公式14：?=?(?,?)（1）其中，ai表示一个类中第 i 个元素到其他所有元素的平均距离；bi是该元素到其他所有类中所有元素的最小距离。轮廓系数的值为-1+1，其值越大表示聚类的效果越好13。2.2.2 分类标准化 首先验证每个子类内元素是否符合正态分布，通过 SPSS 软件绘制带正态曲线的直方图来对比直方图与正态曲线的拟合程度，判定数据的分布形态是否接近正态分布，然后用 3S 法将近似符合正态分布元素的异常值剔除，直到元素符合正态分布。3S 法原理为：在有较多数据时，可疑数据可以通过 3 倍标准差作为判别依据，当样品元素含量值在其平均值加减 3 倍标准差的范围之外时，将其剔除，反复迭代直至所有数据都处在此范围之内。剔除异常值后，对于符合正态分布的元素分别按照以下公式计算元素的均值和标准差（常量元素一般符合正态分布，微量元素一般符合近似对数正态分布）。平均值：?=?（2）标准差：?=?（3）呈近似对数正态分布的元素采用以下公式计算：平均值：?=?（4）标准差：?=?1 （5）其中，为数据的自然对数均值；为数据的自然对数标准离差。通过均值和标准差，得出异常下限值和衬度值。异常下限值是根据数据是否符合正态分布或对数正态分布来确定的，异常下限值为平均值加 2 倍标准差，衬度值为元素与该190 化 工 矿 产 地 质 2023 年 元素异常下限值的比值。然后将所有子类数据合并为一个数据集。3 三七林场低弱地球化学异常的识别 3.1 样品采集 研究区进行 15 万土壤地球化学测量，以平均采样点密度为 8.90 点/km对研究区进行了网格式调查，采集样品 2693 个，采样粒级为-4+20目。采样时，特别强调样品的代表性，野外现场作业均采集为基岩风化产物中的残积层或岩屑，且为多点采集，组合成为一个样品。采样时避开了各种污染、废石堆和河床堆积物，采样部位主要选择在基岩出露区细粒物质聚集部位，并对矿化蚀变部位、构造岩脉发育部位加密采样，不遗漏任何一个地质单元的样品。3.2 确定分类数 通过对 2693 个数据的预处理，剔除异常值后，有效数据为 1630 个。研究表明，一般分为 510类可取得良好的效果13。1-全新统冲洪积物；2-全新统沼泽堆积物；3-上侏罗统玛尼吐组；4-上侏罗统白音高老组；5-上侏罗统满克头鄂博组；6-早白垩世花岗斑岩；7-早白垩世二长花岗岩；8-早白垩世石英正长岩；9-早白垩世石英二长斑岩；10-中侏罗世二长花岗岩；11-中三叠世二长花岗岩；12-K 均值聚类法分类第一类；13-K 均值聚类法分类第二类；14-K 均值聚类法分类第三类；15-K 均值聚类法分类第四类；16-K 均值聚类法分类第五类 图 1 研究区分类图 Fig.1 Classification map of the study area 根据内蒙古自治区呼伦贝尔市三七林场 15 万地质图中出现的地质单元（花岗斑岩、二长花岗岩、石英正长岩、石英二长斑岩、二长花岗岩）与 K 均值聚类轮廓系数(?=?(?,?)），ai表示一个类中第 i 个元素到其他所有元素的平均距离；bi是该元素到其他所有类中所有元素的最小距离)的对应关系，该地区可分为五大类（图1，表 1）。表表 1 各类在研究区中的分布各类在研究区中的分布 Table 1 Distribution of each category in the study area 分类 分布 1 在除全新统冲洪积物和全新统沼泽堆积物外均有分布 2 在全区均有分布，在全新统冲洪积物和全新统沼泽堆积物中极少量分布 3 主要分布在上侏罗统满克头鄂博组 4 在上侏罗统满克头鄂博组、上侏罗统白音高老组和上侏罗统玛尼吐组分布较多，在其他区域分布较少，在全新统冲洪积物和全新统沼泽堆积物中不分布 5 在上侏罗统满克头鄂博组和上侏罗统白音高老组分布较多 3.3 分类标准化 本文选取研究区成矿元素 Au、Cu，用 K均值聚类法圈定的异常和传统方法进行比较。首先，将每一类数据正态检验后进行 3S 检验，剔除异常值，再计算均值、标准差和异常下限值（表 2，表 3），根据求出的异常下限值得到衬度值来圈定异常。在 excel 中利用在表 2、表3 中求得的异常下限值分别计算五类数据中 Au、Cu 元素的衬度值(即 Au、Cu 元素与该元素异常下限的比值)，将得到的衬度值整合为一个数据集，在 surfer 软件中绘制等值线图以圈定异常(图 2、图 3、图 4、图 5)。表表 2 K 均值聚类法均值聚类法 Au 元素异常下限值元素异常下限值 Table 2 Lower limit of Au element anomaly by k-mean clustering method 分类 3S 处理后数据 异常下限值（均值+2 倍标准差）均值 标准差 第一类 0.51 0.05 0.61 第二类 0.52 0.06 0.64 第三类 0.50 0.02 0.54 第四类 0.52 0.07 0.66 第五类 0.50 0 0.50 第2期 张诗敏，等：森林沼泽覆盖区化探异常提取方法研究以内蒙古三七林场幅为例 191 表表 3 K 均值聚类法均值聚类法 Cu 元素异常下限值元素异常下限值 Table 3 Lower limit of Cu element anomaly by k-mean clustering method 分类 3S 处理后数据 异常下限值（均值+2 倍标准差）均值 标准差 第一类 4.38 1.54 7.46 第二类 3.83 1.26 6.35 第三类 3.85 1.47 6.79 第四类 4.86 1.51 7.88 第五类 4.24 1.54 7.32 图 2 Au 传统方法圈定异常 Fig.2 Delineated anomalies by traditional method of Au 图 3 Au 的 K 均值聚类法圈定异常 Fig.3 Delineated anomalies by K mean clustering method of Au 图 4 Cu 传统方法圈定异常 Fig.4 Delineated anomalies of Cu by traditional method 图 5 Cu 的 K 均值聚类法圈定异常 Fig.5 Delineated anomalies of Cu by K mean clustering method 3.4 K 均值聚类法与传统方法圈定异常区域对比 将原始数据中的 Au、Cu 元素进行异常值剔除，使其近似符合正态分布，传统方法圈定元素异常采用平均值加 2 倍标准差即 Au、Cu 的异常下限值（表 4）。表表 4 传统方法传统方法 Au、Cu 元素异常下限值元素异常下限值 Table 4 lower limits of Au and Cu anomalies in traditional method 元素 3S 处理后数据 异常下限值（均值+2 倍标准差）均值 标准差 Au 0.51 0.05 0.61 Cu 4.40 1.65 7.70 3.5 讨论 通过分类处理的方法有效地提取了低弱地球化学异常也避免了岩性对元素背景的影响。在对Au、Cu 进行传统方法和 K 均值聚类法圈定异常的对比中可以发现，K 均值聚类法异常连续，未出现单点异常，K 均值聚类法圈定出来的异常范围和传统方法相比有一定的差异，K 均值聚类法有效地圈定出了一些低弱 Au、Cu 异常（图 3、图 5 中椭圆圈定区），并且加强了一些原有的异常。K 均值聚类法消除了岩性背景对地球化学异常的影响，识别出低弱地球化学异常区域，同时圈定出研究区传统方法圈不出的异常。4 结语 本文利用K均值聚类法对内蒙古呼伦贝尔市三七林场 Au、Cu 元素进行分类，再计算每个子类均值、标准差、异常下限值等，通过传统方法与 K 均值聚类法圈定地球化学异常的对比，圈定192 化 工 矿 产 地 质 2023 年 出在传统方法中无法识别的低弱异常，也可以避免将元素背景值含量高的地质体圈定为异常的现象，K 均值聚类法圈定的异常连续，与已知矿化点（或矿床）吻合程度好。参参 考考 文文 献献 1黄瑞.化探数据处理方法研究D.成都：成都理工大学,2005.2谢学锦.区域化探全国扫面工作方法的讨论J.物探与化探,1979(01):18-26.3李宝强,孙泽坤.区域地球化学异常信息提取方法研讨J.西北地质,2004(01):102-108.4焦保权,白荣杰,孙淑梅,等.地球化学分区标准化方法在区域化探信息提取中的应用J.物探与化探,2009,33(02):165-169+206.5史长义,张金华,黄笑梅.子区中位数衬值滤波法及弱小异常识别J.物探与化探,1999(04):3-5.6史长义,赵永平,刘莉.矿产资源地球化学评价和预测的几个问题J.地质与勘探,2003(06):14-17.7李随民,姚书振,韩玉丑.Surfer 软件中利用趋势面方法圈定化探异常J.地质与勘探,2007(02):72-75.8张焱,周永章.多重地球化学背景下地球化学弱异常增强识别与信息提取J.地球化学,2012,41(03):278-291.9廖敏,李佑国,费光春,等.衬值滤波法在化探数据处理及找矿中的应用以乡城-稻城-得荣地区斑岩型铜矿为例J.地质找矿论丛,2007(01):76-80.10王嘉莹.昌都地区区域化探弱信息提取与评价D.成都：成都理工大学,2012.11王振民,张庆洲,李泊洋.内蒙中部区泛克里格法化探数据处理效果J.化工矿产地质,2012,34(01):47-51.12张文龙,郑涛.内蒙古三七林场一带中生代火山岩地球化学特征与构造环境研究J.甘肃冶金,2017,39(02):36-42.13田密.水系沉积物低弱地球化学异常提取方法研究D.长春：吉林大学,2017.14朱连江,马炳先,赵学泉.基于轮廓系数的聚类有效性分析J.计算机应用,2010,30(S2):139-141+198.Study on extraction method of geochemical anomaly in forest swamp covered area:a case study of Sanqi tree farm in Inner Mongolia Zhang Shimin1，Li Suimin2，Zhou Jichen3，Jiao Jian4 1 Shanxi geological engineering exploration Institute Co.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi,030024,China 2 Hebei GEO University,Shijiazhuang,Hebei,050031,China 3 Zhejiang Jiuhe geological ecological environment planning and design Co.,Ltd.,Huzhou,Zhejiang,313000,China 4 The No.2 comprehensive geophysical prospecting brigade Shanxi geological mining Co.,Ltd.,Xian,Shanxi,710003,China Abstract In order to strengthen and extract the low and weak geochemical anomalies in the coverage area,this paper uses the K-mean clustering method to analyze the 150000 geochemical data of Sanqi tree farm in Hulunbuir.According to the number of geological units and K-mean clustering silhouette Coefficient we got in this area,the area can be divided into five categories.Taking Au and Cu elements as examples,3S method is used to eliminate abnormal values,then we calculate mean value,standard deviation,abnormal lower limit value and contrast value,and draw contour map.According to the contour map,the Au and Cu anomalies delineated by classification are quite different from those delineated by traditional methods,and the influence of lithology on geochemical background value is effectively eliminated by K-means clustering method.Key words:K-means clustering method，Low-weak geochemical anomalies，Sanqi tree farm in Inner Mongolia