鄂東南銅綠山地區(qū)Cu元素地球化學(xué)分布特征分析

劉 超， 李 程， 柯于富， 任際周

(1.成都理工大學(xué) a.地球科學(xué)學(xué)院,b.數(shù)學(xué)地質(zhì)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,c.科技處，成都 610059；2.鄂東南地質(zhì)大隊(duì)，大冶 435100)

0 引言

鄂東南銅綠山地區(qū)位于長江中下游銅、鐵、金成礦帶，具有非常豐富的礦產(chǎn)資源潛力。區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富，已查明的有鐵、銅、鉛、鋅、金、銀、鎢、鉬、石膏、硫鐵礦、石灰?guī)r、大理巖、白云巖、天青石、煤等四十余種，共400余處礦床(點(diǎn))。區(qū)域地層除缺失中、下泥盆統(tǒng)及上侏羅統(tǒng)外，其余均有出露。侵入巖、噴出巖分布廣泛，劃分為兩期(燕山期、喜山期)三個(gè)侵入-噴出階段六次侵入活動(dòng)，形成靈鄉(xiāng)、殷祖、陽新、鐵山、金山店等巖體，區(qū)內(nèi)侵入巖與銅礦成礦密切相關(guān)(圖1)。

成礦元素的空間分布特征是區(qū)域礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，然而，受到復(fù)雜地質(zhì)因素、多期次成礦疊加、礦體埋深等多種因素的影響，地表地球化學(xué)成礦信息受到強(qiáng)烈的干擾或弱化，導(dǎo)致形成的地球化學(xué)元素分布特征低緩、微弱和難識(shí)別。由此，地球化學(xué)場的復(fù)雜疊加分離和弱緩異常提取越來越受到關(guān)注。本次嘗試采用地球化學(xué)傳統(tǒng)方法和多重分形S-A模型對(duì)區(qū)域地球化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1 研究區(qū)元素地球化學(xué)分布特征

1.1 研究區(qū)元素豐度特征

研究區(qū)參與統(tǒng)計(jì)分析的1∶100 000水系沉積物樣品數(shù)共為 472個(gè)(圖1)，測試分析元素10種，研究區(qū)面積約為227 km2，數(shù)據(jù)來源是1982年8月由湖北省地質(zhì)局物探隊(duì)《鄂東南地區(qū)水系沉積物測量報(bào)告》中提交的，各元素的統(tǒng)計(jì)參數(shù)見表1。

由表1可知，在鄂東南銅綠山地區(qū)Cu元素是非常富集的，而其他元素則是輕度富集。Fe2O3元素含量的平均值是全國水系沉積物的1.227倍。Au元素含量的平均值是全國水系沉積物的 1.795倍。上述元素均值和全國水系沉積物的數(shù)據(jù)相比，研究區(qū)水系沉積物含量均高于全國水系沉積物數(shù)據(jù)均值。

圖1 區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)與采樣點(diǎn)位圖Fig.1 Riqional gelogy,deposits and sample location(a)地質(zhì)礦產(chǎn)圖；(b)采樣點(diǎn)位圖

特征項(xiàng)AgAsCuAuMoMnPbVZnFe2O3均值94．1211．5262．122．151．33694．5434．35105．1777．485．28方差23930．3852．3623474．6255．0611．3961504．511202．52483．152688．691．62最小值30．002．4011．900．200．40270．0010．6050．8036．203．06最大值2360．0058．202468．00150．0057．302871．00307．00243．20635．6015．0425%值50．007．7024．000．800．70546．2522．6089．8553．904．49中位值60．0010．1029．101．100．90664．5026．60102．4562．805．0875%值80．0012．5044．631．901．20799．5031．90114．7881．955．81全國水系沉積物均值73．009．0020．001．200．80653．0023．0077．0067．004．30

Au質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10-9，氧化物為10-2，其他元素為 10-6，全國水系沉積物數(shù)據(jù)引自史長義等[1]。

1.2 研究區(qū)元素離散特征

在研究地球化學(xué)元素離散特征時(shí)，通常采用元素變異系數(shù)來衡量，變異系數(shù)越大則元素局部富集趨勢越明顯，成礦可能性就大；變異系數(shù)越小則表示元素局部富集趨勢越差，成礦可能性就小。首先采用傳統(tǒng)方法迭代剔除原始數(shù)據(jù)中的異常點(diǎn)，將剔除異常值的所有數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)各地球化學(xué)元素原始數(shù)據(jù)的變化系數(shù)(Cv1)和剔除后數(shù)據(jù)的變化系數(shù)(Cv2)，最后用Cv1/Cv2反映剔除后數(shù)據(jù)對(duì)離散群的特高值和特低值的削平程度[2]，見表2。

橫坐標(biāo)用Cv1/Cv2的比值，縱坐標(biāo)用Cv1值得到各地球化學(xué)元素變異系數(shù)散點(diǎn)圖(圖2)。從圖2中可以直觀地看到各種元素含量變化程度及異常數(shù)據(jù)的多少，進(jìn)而反映元素富集成礦可能性大小。在鄂東南銅綠山地區(qū)可以分析得到：Cu、Au 、Mo元素富集成礦的可能性大，而且研究區(qū)內(nèi)已有銅礦成礦事實(shí)，如位于研究區(qū)東南部位的銅綠山礦床，并伴有Mo產(chǎn)出，可作找Cu的指示元素；Ag、Pb、Zn元素富集成礦可能性較大；其他元素富集成礦可能性小，但不排除局部富集成礦的可能性。

表2 研究區(qū)10種元素變異系數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.2 Variable coefficient of 10 elements in study area

圖2 各元素變異系數(shù)解釋圖Fig.2 Variable coefficient map

1.3 Cu元素的空間分布特征

地球化學(xué)圖能夠比較直觀反映元素含量數(shù)據(jù)的空間分布狀態(tài)，在鄂東南銅綠山地區(qū)由于有銅鐵礦床的存在，故而筆者選取Cu元素作為主要研究的目標(biāo)元素進(jìn)行分析，其中包括分布形式的檢驗(yàn)、含量直方圖和Q-Q概率圖等，對(duì)主成礦元素Cu含量的對(duì)數(shù)值進(jìn)行分布檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 Cu元素?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖Fig.3 Statistical chart of Cu(a)Cu元素含量對(duì)數(shù)頻率直方圖；(b)Cu元素的Q-Q概率圖

圖4 剔除極值后Cu元素統(tǒng)計(jì)圖Fig.4 Statistical chart of Cu by eliminating extremne values(a)剔除極值后Cu元素含量對(duì)數(shù)直方圖；(b)Q-Q概率圖

圖5 Cu元素累頻地球化學(xué)圖Fig.5 Geochemical mapping of Cu by cumulative frequency method

從圖3(a)中可以看出，元素的含量對(duì)數(shù)直方圖呈單峰分布，數(shù)據(jù)離散程度較高，與對(duì)數(shù)正態(tài)分布曲線有較大的偏離；從圖3(b)中可以看出，絕大部分Cu元素的含量數(shù)據(jù)的分位數(shù)與對(duì)數(shù)正態(tài)分布的分位數(shù)偏離直線。由于Cu元素的原始數(shù)據(jù)不服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，采用均值加減3倍標(biāo)準(zhǔn)差剔除數(shù)據(jù)中的極值，剔除極值后的檢驗(yàn)結(jié)果見圖4。

從圖4(a)中可以看出，Cu元素在剔除極值數(shù)據(jù)處理后，數(shù)據(jù)的偏度和峰度明顯減小，近似服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布形式。而且圖4(b)表明，Cu元素剔除極值數(shù)據(jù)后，大部分?jǐn)?shù)據(jù)分布在指定的直線上，近似服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。依據(jù)累頻方法繪制Cu元素的地球化學(xué)圖(圖5)可知，Cu元素在在不同的地質(zhì)單元含量差別較大，異常區(qū)主要分布在研究區(qū)的東南部，分布面積較大，具有明顯的濃集中心。異常區(qū)與區(qū)內(nèi)銅礦及銅多金屬礦高度吻合，圖5與圖1(a)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，Cu元素的空間分布與區(qū)內(nèi)中酸性侵入巖體的分布高度相關(guān)。

2 基于多重分形S-A模型的Cu元素異常信息提取

地球化學(xué)場是地球各種地質(zhì)作用下經(jīng)過漫長時(shí)間自發(fā)演化的結(jié)果，不同的地質(zhì)時(shí)期所對(duì)應(yīng)的地球化學(xué)元素含量的空間分布也會(huì)有所不同，因此地球化學(xué)場是一種非穩(wěn)定場[3]。傳統(tǒng)的地球化學(xué)數(shù)據(jù)處理方法因忽略了元素的空間分布，以及地球化學(xué)場的廣義自相似性，因此對(duì)奇異性數(shù)據(jù)的特征缺乏刻畫功能[4]。近年來，分形理論作為成熟的非線性數(shù)學(xué)方法在研究微量元素在巖石、水系沉積物和土壤中的空間分布和富集規(guī)律取得了大量的研究成果[5-9]。基于分形理論，國內(nèi)、外涌現(xiàn)出大量的異常提取方法，其中以成秋明教授[10-11]提出的C-A模型和S-A模型、以及局部奇異性理論的應(yīng)用最為突出，并得到了廣泛地應(yīng)用。

2.1 S-A 模型

S-A模型的主要思想是將地球化學(xué)數(shù)據(jù)在頻率域上進(jìn)行分解，再通過構(gòu)建分形濾波器在能譜空間中分離出背景和異常。S-A模型的優(yōu)勢在于能夠克服高背景區(qū)的影響，特別是在地質(zhì)背景復(fù)雜多變的區(qū)域，對(duì)地球化學(xué)背景與異常進(jìn)行精確有效地分離[12]。

由S-A模型提取的地球化學(xué)異常在頻率域中表現(xiàn)出自相似性特征。成秋明[4]指出以下指數(shù)模型能夠刻畫這種自相似性：

A(S>s)∝S-β

(1)

式中:S是能譜密度;A(S>s)是能譜密度大于S的面積;β為分形指數(shù)。

2.2 S-A模型提取Cu元素背景與異常

S-A模型將地球化學(xué)數(shù)據(jù)分解到頻率域，這種變換具有壓制背景變化的影響，突出局部異常信息的特點(diǎn)，因此相對(duì)于傳統(tǒng)的方法，它能夠有效的提取局部弱異常，對(duì)覆蓋區(qū)或是未勘探區(qū)的找礦提供依據(jù)。

圖6 Cu元素S-A雙對(duì)數(shù)散點(diǎn)圖Fig.6 Log-log mapping of Cu from S-A model

圖7 S-A模型地球化學(xué)背景圖Fig.7 Geochemical background mapping by S-A model

圖8 S-A模型地球化學(xué)異常圖Fig.8 Geochemical anomaly mapping by S-A model

通過繪制ln(S)-ln(A(>S))雙對(duì)數(shù)關(guān)系圖(圖6)，用三條不同斜率的直線對(duì)雙對(duì)數(shù)進(jìn)行擬合，得到的兩個(gè)直線交點(diǎn)為lgS1=1.48,lgS2=16.5，不同斜率的直線段代表了了不同的自相似特征，相對(duì)應(yīng)的就是地球化學(xué)背景和異常[12]，從而表明研究區(qū)Cu元素?cái)?shù)據(jù)均服從多重分形分布。利用擬合出的直線交點(diǎn)構(gòu)建分形濾波器，得到Cu元素地球化學(xué)背景和異常(圖7、8)。

對(duì)照?qǐng)D7和地質(zhì)礦礦產(chǎn)圖圖1(a)明顯可以看出，高背景區(qū)位于區(qū)域東南部，與東南部侵入巖體關(guān)系密切；而從S-A模型的Cu元素地球化學(xué)異常圖可以得出：①異常區(qū)域與Cu礦點(diǎn)分布密切相關(guān)，②異常區(qū)域具有圍繞侵入巖體邊緣分布的趨勢，這和區(qū)域Cu礦成礦背景是相符合的，具有指示礦產(chǎn)勘查方向的作用。

3 結(jié)論

筆者結(jié)合前人研究成果，首次采用非線性方法中的分形理論對(duì)鄂東南銅綠山地區(qū)1∶100 000水系沉積物的10種元素地球化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并主要探討了Cu元素的空間分布特征，得到以下的結(jié)論和認(rèn)識(shí)：

1)鄂東南銅綠山地區(qū)1∶200 000水系沉積物的10種元素?cái)?shù)據(jù)參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析顯示：研究區(qū)Cu元素表現(xiàn)為高度富集，元素?cái)?shù)據(jù)具有非線性特征，Cu、Au、Mo可作為本區(qū)尋找銅礦的指示元素。

2)S-A模型在Cu元素空間分布的研究中作用明顯，其背景可以指示成礦巖體的賦存部位，其異常能夠?yàn)檎业V勘查提供有效支撐。

致謝

感謝鄂東南銅綠山地質(zhì)大隊(duì)的數(shù)據(jù)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1] 史長義,梁萌,馮斌.中國水系沉積物39種元素系列背景值[J].地球科學(xué),2016,41(02):234-251.

SHI C Y, LIANG M, FENG B.Average background values of 39 chemical elements in stream sediments of China[J]. Earth Science,2016,41(02):234-251.(In Chinese)

[2] 韓國豪. 江西玉華山地區(qū)多重分形地球化學(xué)異常提取及成礦預(yù)測[D].東華理工大學(xué),2016.

HAN G H. Geochemical anomalies identification based on multifractal modeling and mineral prospectivity mapping in Yuhuashan area of Jiangxi[D]. East China University of Technology,2016. (In Chinese)

[3] 於崇文.固體地球系統(tǒng)的復(fù)雜性與自組織臨界性[J].地學(xué)前緣,1998(03):159-170+172-182.

YU C W. Complexity and self-organized criticality of solid earth system[J].Earth Science Frontiers,1998(03):159-170+172-182. (In Chinese)

[4] 成秋明.多維分形理論和地球化學(xué)元素分布規(guī)律[J].地球科學(xué),2000(03):311-318.

CHENG Q M. Multifractal theory and geochemiacl element distribution pattern[J].Earth Science,2000(03):311-318. (In Chinese)

[5] 施俊法.浙江省諸暨地區(qū)元素地球化學(xué)分布與標(biāo)度律[J].地球科學(xué),2001(02):167-171.

SHI J F. Element geochemical distribution from zhuji area, Zhejiang province and Scaling laws [J]. Earth Science, 2001(02):167-171. (In Chinese)

[6] 謝淑云,鮑征宇.地球化學(xué)場的連續(xù)多重分形模式[J].地球化學(xué),2002(02):191-200.

XIE S Y, BAO Z Y. Continuous multifractal model of geochemical fields[J].Geochimica, 2002(02):191-200. (In Chinese)

[7] 韓東昱,龔慶杰,向運(yùn)川.區(qū)域化探數(shù)據(jù)處理的幾種分形方法[J].地質(zhì)通報(bào),2004(07):714-719.

HAN D Y, GONG Q H, XIANG Y C. Some new fractal methods for regional geochemical survey data processing[J]. Geological Bulletin of China,2004(07):714-719. (In Chinese)

[8] 成秋明.空間模式的廣義自相似性分析與礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)[J].地球科學(xué),2004(06):733-743.

CHENG Q M. Quantifying the generalized self-similarity of spatial patterns for mineral resource assessment[J]. Earth Science, 2004(06):733-743. (In Chinese)

[9] 成秋明.成礦過程奇異性與礦床多重分形分布[J].礦物巖石地球化學(xué)通報(bào),2008(03):298-305.

CHENG Q M. Singularity of mineralization and multifractal distribution of mineral deposits[J]. Bulletin of Mineralogy Petrology and Geochemistry, 2008(03):298-305. (In Chinese)

[10] 成秋明,趙鵬大.奇異性理論在個(gè)舊錫銅礦產(chǎn)資源預(yù)測中的應(yīng)用:成礦弱信息提取和復(fù)合信息分解[J].地球科學(xué)(中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)),2009,34(02):232-242.

CHENG Q M，ZHAO P D.Application of singularity theory in prediction of tin and copper mineral deposits in gejiu district,yunnan,China:weak information extraction and mixing information decomposition [J].Earth Science,2009,34(02):232-242.(In Chinese)

[11] 張焱,周永章.多重地球化學(xué)背景下地球化學(xué)弱異常增強(qiáng)識(shí)別與信息提取[J].地球化學(xué),2012,41(03):278-291.

ZHANG Y, ZHOU Y Z. Recognition and extraction of geochemical weak anomalies based on multiple geochemical backgrounds[J]. Geochimica,2012,41(03):278-291. (In Chinese)

[12] ZUO R, CHENG Q, XIA Q. Application of fractal models to characterization of vertical distribution of geochemical element concentration[J]. Journal of Geochemical Exploration, 2013, 102(1):37-43.