关键词：
地球化学异常
空间分布模式
分形拓扑
奇异性分析
多点地质统计
摘要：
矿产勘查工作的一个重要环节是对地质资料中成矿/示矿信息的识别与提取。成矿信息反映为控矿构造、容矿岩和成矿地球物理等对矿床成矿的控制作用,示矿信息一般指从地球化学、地球物理和遥感等勘查数据中提取的反映矿化程度的异常信息。其中,勘查地球化学数据客观反映了研究区内成矿元素的浓集程度,如何根据勘查地球化学数据有效开展地球化学元素空间分布模式的识别与异常提取,挖掘其中的深层次矿化信息,对成矿预测和地质找矿具有重要意义。目前,地球化学元素空间分布模式的识别与异常提取主要涉及地球化学元素空间分布的构建、地球化学弱缓异常的识别与评价这两个重要步骤。首先,如何构建可靠的地球化学元素空间分布是开展异常识别与有利矿化信息提取的前提。确定性插值方法(如IDW插值和克里金插值等)可有效反映地球化学元素分布的空间相关性和变异性,但此类方法会不同程度地平滑数据,难以准确刻画元素空间分布的复杂性结构和获取局部奇异值所包含的示矿信息;地质统计随机模拟方法则可以在很大程度上保持原始数据的空间分布特征和局部变异性,有效刻画元素空间分布的局部结构特征。然而,地球化学元素的空间分布多是不同地质过程导致的复合场的叠加结果,传统的地质统计随机模拟方法难以量化其复杂的模式。多点地质统计模拟方法在表达复杂空间结构和再现目标几何形态方面具有较大优势。但现阶段多点地质统计模拟在固体矿产勘查数据处理方面的应用较少,且多数应用研究在构建地球化学元素分布模式时仍是以单一尺度栅格图像作为训练图像,存在用于模拟的条件点数量少、由训练图像获取的数据事件有限等问题,导致在进行降尺度模拟时局部信息的丢失。因此,如何充分利用同一研究区内多尺度和多类型的地球化学勘查数据,运用多点地质统计模拟方法准确表征元素分布的复杂空间模式,已成为勘查地球化学研究的前沿方向之一。其次,基于分形与多重分形理论发展的非线性模型能够根据地球化学元素空间模式的尺度不变性和自相似性定量描述元素分布的非均质性和奇异性特征。从本质上来讲,基于分形与多重分形的异常识别方法都是以密度与度量尺度之间的幂律关系为核心,它揭示了复杂现象随尺度变化的规律,为弱缓异常信息的提取、复合叠加信息的分解以及异常信息空间各向异性的定量描述等提供了有效工具。然而,经典的局部奇异性分析方法是以不同尺度下滑动窗口中元素的平均浓度计算的,且滑动窗口的大小及其几何形态对元素空间分布模式的影响较大,导致局部的不确定性增强,且固定的窗口几何形状难以很好地刻画元素属性在不同方向的变化规律或各向异性特征。分形拓扑理论给出了尺度不变性的本质定义,认为分形维数的大小由分形行为所控制,由此建立的多重分形拓扑模型厘清了奇异性指数的物理意义,并对多重分形与单分形的判识给出了明确依据。如何将分形拓扑理论与奇异性分析有效结合,充分发挥分形拓扑理论在描述分形属性的控制机制方面的优势,对于提高成矿异常信息的识别效果具有重要意义。针对上述问题,本文以多金属矿床示矿信息相关联的地球化学元素空间分布模式的识别为核心,基于地球化学元素空间分布的尺度不变性,将多点地质统计学、分形拓扑和奇异性理论作为主要分析工具,开展了地球化学元素空间分布的构建、成矿元素组合特征的提取、各向异性地球化学异常的识别与提取、以及多元素地球化学异常提取这四个方面的研究,以期为地球化学空间复杂模式识别与异常提取提供新的解决途径。取得的主要成果如下:(1)探讨了地质空间数据常用的网格化方法在地球化学元素空间分布构建中的适用性,针对地球化学数据尺度类型多样且分布不均等特点,提出了一种基于多尺度勘查地球化学数据的多点地质统计学模拟方法,以此刻画地球化学元素空间分布的复杂结构。该模拟方法的主要步骤为:(1)不同尺度勘查地球化学数据的整合以及模拟网格的生成;(2)多尺度地球化学训练图像的构建;(3)基于直接采样法的降尺度模拟。上述过程涉及到采样点数据栅格化方法的选取、基于分形滤波的异常与背景的分离以及基于确定性插值的趋势场拟合这三个关键技术。分形滤波方法(如S-A模型)可有效降低栅格图像背景以提取复杂性模式,确定性插值方法可将不同尺度的勘查地球化学数据转化为栅格图像并再现元素分布的变化趋势。本文将不同类型和尺度的勘查地球化学数据的栅格图像经S-A分析后的异常图作为模拟网格和训练图像,背景图作为整体的趋势分量,通过与直接采样法的结合实现了基于趋势的精细尺度地球化学元素空间分布的表征。借助该方法对云南中甸岛弧铜多金属矿和青海五龙沟-巴隆金多金属矿成矿元素的地球化学空间分布进行了模拟,两实例的模拟与验证结果表明:该方法在地球化学元素分布模式的构建上是行之有效的,它增强了地球化学元素局部异常的强度,提高了具有相似趋势的空间分布模式再现的精确性,从而提升了多点地质统计模拟在多尺度地球化学数据网格化的适用性。(2)探讨了多重分形研究中矩量法的
