化探數(shù)據(jù)處理原理及方法

1、勘查地球化學數(shù)據(jù)常規(guī)處理及其意義,中國地質(zhì)大學碩士研究生 “勘查地球化學”課程授課,,主要內(nèi)容,一、勘查地球化學分類、數(shù)據(jù)來源及特征二、常規(guī)數(shù)據(jù)預處理三、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析四、地球化學背景與異常的分解五、地球化學異常組合及其作用六、地球化學數(shù)據(jù)處理新方法及其用途七、地球化學異常評價,一、勘查地球化學分類、數(shù)據(jù)來源及特征,（一）地球化學找礦分類 地球化學找礦——地球化學探礦，化探（Geochemical Prospectin

2、g）1、方法分類 測量方式： 航空化探——放射性、氣體 海洋化探——海水、海底沉積物、生植物、放射性、氣體 地表化探——巖石、土壤、水系沉積物、水、生植物、氣 地下（井中）化探——巖礦石、水、放射性、氣體

3、 服務(wù)對象：金屬礦化探、石油化探、農(nóng)業(yè)化探、工程化探、環(huán)境地球 化學測量、城市化探、多目標地球化學填圖等,一、勘查地球化學分類、數(shù)據(jù)來源及特征,范圍和精度：區(qū)域化探——全球地球化學填圖、區(qū)域化探（踏勘、普查） 局域（礦區(qū)）化探——詳查、高精度勘查 取樣介質(zhì)：巖石地球化學測量——原生暈（異常）找礦

4、 土壤地球化學測量——次生暈（異常）找礦 水系沉積物地球化學測量——分散流（異常）找礦 水文地球化學測量——水化學（異常）找礦 氣體地球化學測量——氣體地球化學（異常）找礦 生物地球化學測量——生物地球化學（異常

5、）找礦 放射性地球化學測量——放射性地球化學（異常）找礦,一、勘查地球化學分類、數(shù)據(jù)來源及特征,2、異常分類 異常形成環(huán)境——內(nèi)生異常、表生異常 異常形成關(guān)系——原生異常、次生異常（分散流、水成） 異常時間關(guān)系——同生異常、后生異常 異常介質(zhì)關(guān)系——巖石、土壤、水系沉積物、水文、氣體、生

6、物 異常形成意義——礦致異常、分散礦化帶、非礦異常、假異常 異常形成規(guī)?！厍蚧瘜W?。∟×1000～N×10000平方公里） 區(qū)域地化異常（N×10～N×100平方公里） 局部異常、點異常（指紋）

7、 異常出露情況——顯露異常、隱含異常 異常含量變化——高值異常、低緩異常、正異常、負異常（貧化）,一、勘查地球化學分類、數(shù)據(jù)來源及特征,,頁巖,灰?guī)r,花崗巖,水系沉積物異常,,氣體異常,沖積層,坡積物,生物異常,巖石異常,礦體,,斷層,水化學異常,,土壤異常,,地質(zhì)景觀與地球化學異常,一、勘查地球化學分類、數(shù)據(jù)來源及特征,,一、勘查地球化學分類、數(shù)據(jù)來源及特征,（二）元素地球化學分類及其意義 戈爾德施密特親鐵

8、、親銅、親石、親氣和親生物五分法及其意義： 親鐵元素：Fe Co Ni Mo Tc Ru Rh Pd Re Os Ir Pt C P 親銅(硫)元素：Cu Ag Au Zn Cd Hg Ga In Tl Ge Sn Pb As Sb Bi Se Te Po Br I At S 親石(氧)元素 ：Li Na K Rb Cs Fr Be Mg Ca Sr Ba

9、Ra B Al Sc Y Tr Ac Si Ti V Cr Mn Zr Nb Hf Ta W Th Pa U 親氣元素：N H He Ne Ar Kr Xe Rn 親生物元素：C N H O P B等,一、勘查地球化學分類、數(shù)據(jù)來源及特征,通常的元素分類及意義 (1) 主量元素和微量元素：主量元素(一般在體系中的豐度u／B>

10、;0.1％)和微量元素(一般在體系中的豐度u／<0.1％)。 (2) 造巖元素。是構(gòu)成巖石圈的主量元素，造巖堿性元素和造巖酸性元素。造巖堿性元素: 包括Li、Na、K、Rb、Cs、Be(兩性)、Mg、Ca、Sr、Ba。具親氧性。主要以陽離子形式遷移和存在，構(gòu)成水溶液和巖石中的堿性組分。造巖酸性元素: 包括Be、B、(C)、A1、Si P等，常以酸性配陰離子形式在水溶液中及熔漿中遷移，并形成含氧酸類礦物，構(gòu)成各種巖石的基

11、本結(jié)構(gòu)骨架，也稱為“造網(wǎng)”元素。,一、勘查地球化學分類、數(shù)據(jù)來源及特征,(3) 稀土元素：包括鑭系和釔。屬親氧弱堿性陽離子，但通常為+3價，水 溶液中難溶，由于稀土元素豐度低，常形成副礦物。 (4) 高溫成礦元素：包括Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W、Re、Tc等。其余主要呈酸根配離子形式，表現(xiàn)親氧性，常在高溫巖漿熱液作用過程富集。 (5) 第一過渡族

12、：Sc、Ti 、V 、Cr、 Mn、 Fe 、Co、 Ni 。具有由親氧到親硫的過渡性，主要在基性、超基性巖漿中富集。 (6) 金屬成礦元素：這類元素的親硫性或親鐵性較強，礦床中主要以硫化物、硫鹽或自然金屬形式存在。根據(jù)其經(jīng)濟價值，又可以分為貴金屬和重(賤)金屬。貴金屬元素：包括Ru、Rh、Pd、(Ag)、Os、Ir、Pt、Au、(Hg). 以金屬態(tài)產(chǎn)出，在基性和超基性巖中富集。,一、勘查地球化學分類、數(shù)據(jù)來源及特征,親硫重(

13、賤)金屬元素：包括Cu、Zn、Ga、Ge、As、(Ag)、Cd、In、Sn、Sb、(Hg)、Pb、Tl、Bi等，具親硫性，易進入硫化物相高度富集成礦。 (7) 陰離子族：O、S、Se、Te、F、Cl、Br、I等，是良好的運 礦劑。 (8) 放射性元素：Z大于等于84，包括Po、At、Rn、Fr、Ra、 Ac、Th、Pa、U。幾乎沒有獨立的地球化學活動。與稀土 元素

14、性質(zhì)相似。 (9) 地球揮發(fā)分：包括H、(C)、N、(O)、He、Ne、Ar、Kr、Xe。 常作 為物質(zhì)遷移、分異的活化劑和搬運劑。,一、勘查地球化學分類、數(shù)據(jù)來源及特征,一、勘查地球化學分類、數(shù)據(jù)來源及特征,（三）數(shù)據(jù)特征 1. 離散型 2. 非均勻(極差很大)型 3. 定性、半定量、定量型 4. 有量綱型 5. 受控型(方向、斷層、

15、地質(zhì)體) 6. 存?zhèn)涡?數(shù)據(jù)處理的目的： “去粗取精、去偽存真、由此及彼、由表及里”,二、常規(guī)數(shù)據(jù)預處理,（一）數(shù)據(jù)預處理的目的 1. 使其盡可能的滿足某種分布(正態(tài)分布)，便 于解釋其分布規(guī)律 2. 統(tǒng)一不同元素量綱和數(shù)據(jù)水平，便于累加 等運算 3. 兩個元素間非線性關(guān)系變?yōu)榫€性相關(guān) 4. 突出綜合變量，化減變量數(shù)。,二、常規(guī)數(shù)據(jù)預

16、處理,（二）數(shù)據(jù)預處理方法及意義 1.均勻化 式中:i=1，2，…,p為樣本數(shù)；n 為變量數(shù)。功能：給定yi (1)值，求得yi (n)相對于yi (1)的倍數(shù)值 xi (n)。其中: yi 為xi 的原函數(shù)，xi 為 yi 的像函數(shù)。yi (1)也可以為yi (n)的平均值,2、閾值化式中: i=0,1，2,…,n 劃分的級次數(shù)；ki為閾值。功能：把原始觀測值xi 按照給定的

17、閾值ki轉(zhuǎn)化為0至n的 多元狀態(tài)值；轉(zhuǎn)化后的f（Xi）為0，1， 2，．．．，n無量綱狀態(tài)值，常用于變化范圍較 大的變量。,3、標準化 式中:i=1，2，…,n；為樣本數(shù)；j=1,2,…,m為變量數(shù)；xij為原始觀測值；Sj為標準偏差；xj為平均值；處理后的xij值yij為無量綱數(shù)據(jù)。,4、極差化

18、 式中:i=1，2，…,n；為樣本數(shù)；j=1,2,…,m為變量數(shù)；xij為原始觀測值；xjmax和xjmin分別為第j個變量原始觀測值的極大和極小值 功能：對原始觀測值xij 進行極差化處理，處理后的yij為0至1之間的無量綱值，以減小變量間的極差。,二、多源地學信息分析與變換,5、取對數(shù) Xi’ = Ln (Xi+C)

19、 式中:i=1，2，…,n；為樣本數(shù)； C 為常數(shù)，防止接近于0的元素含量太負； 功能：對原始觀測值xij 含量極差比較大的元素（如：Au、Ag、Hg等成礦元素）進行變換后，使其服從對數(shù)正態(tài)分布。,二、多源地學信息分析與變換,（三）特異數(shù)據(jù)處理,二、多源地學信息分析與變換,1、低于撿出限的數(shù)據(jù)取撿出限1/2 如：1000 ＝ 12503、特異值（高出周

20、邊很多的但點異常值） （1）實驗室處理 （2）野外處理 （3）實際處理（背景剔除、統(tǒng)計及異常保留）4、空白值（單空點——多點平均，區(qū)空保留）,三、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及其意義,（一）統(tǒng)計單元劃分1.統(tǒng)計樣品條件(1)樣品定義的統(tǒng)一性:代表母體,反映母體特征;(2)單元應具有一定數(shù)量,保證形成具有一定容量的樣本,以對母體特征作出較準確的估計;(3)單元應具有一定的獨立性,以保證抽樣的隨

21、機性,形成簡單隨機樣本,有利于樣本分布的估計.2.地質(zhì)條件(1) 單元既是統(tǒng)計樣品,又是資源的載體,保證單元信息的完整性;(2)單元的等級性;(3)單元劃分應以反映礦產(chǎn)資源體與異常標志之間的客觀聯(lián)系為目的.3.滿足資源預測技術(shù)要求單元劃分的目的是通過已知單元異常特征和標志的研究建立預測模型,對未知單元的資源特征和潛力進行評價.因此,必須考慮模型單元與預測單元之間信息的平衡性(直接信息與間接信息).,(二)單元劃分基本類型

22、1.規(guī)則單元網(wǎng)格單元2.自然單元(1)地質(zhì)體單元定性劃分;礦體往往位于地質(zhì)體內(nèi),接觸帶和地質(zhì)體外.(2)地質(zhì)異常單元以網(wǎng)格單元為樣品單元,樣品單元大小根據(jù)預測尺度而定;綜合致礦信息定量標度的樣品異常單元集合.,1. 單變量 （1）針對要解決的地學問題，分析多源信息來源、原理、精度、準確度 、用途及意義。 （2）分析信息變化的特征，如：極大值、極小值、常見值、平均值（中間值）、變異性（波動性）、分布

23、狀態(tài)（正態(tài)單峰、對數(shù)正態(tài)多峰等）、空間變化規(guī)律（梯度、襯度、分帶性）、連續(xù)性（單點突變或多點連續(xù)）等。 2. 多變量 相互之間的正、負相關(guān)關(guān)系、耦合匹配（共生組合）關(guān)系、特征映射關(guān)系、重復性與互補性。,（三）地球化學數(shù)據(jù)分析,（四）主要成礦元素的統(tǒng)計意義,,（四） 圖示分析,（直方圖、點陣圖、三角圖、玫瑰圖、曲線圖、投影圖等） 1、直方圖（單元素含量－頻數(shù)直方圖） 2、散點圖（只管展示元素間、介質(zhì)

24、間相互關(guān)系） 3、餅圖（含量分布百分比） 4、研究統(tǒng)計分布特征 （1）正態(tài)分布（分布比較均勻或樣本密度大） （2）對數(shù)正態(tài)分布（元素含量變化大或多因素疊加） （3）二項分布（不確定性大，地質(zhì)體復雜極不均勻）,（一）元素的豐度、濃集系數(shù)及其意義,元素在地殼中的豐度及濃集克拉克值,某元素的資源量R＝K×A K－估算系數(shù)，A－地殼豐度,

25、四、地球化學背景與異常的分解,濃集克拉克值＝某地質(zhì)體平均值克拉克值 相對濃集系數(shù)＝某地質(zhì)體平均值區(qū)域背景小于0.60 相對貧化0.60-1.60 正常分布1.00-1.50 相對偏高1.50-3.00 明顯富集大于3.00 強富集,,,（二）背景與異常的概念,,,,,,,含量,全球背景,區(qū)域背景(異常),局部異常,奇異異常,地球化學場:Cij=Fi，j (x,y,z,t),（三）異常下限確定,(1)長剖

26、面法(經(jīng)驗法) (2)計算方法 Ca=C0+KS Ca — 異常下限， C0 — 背景值 K — 置信度系數(shù)（1－3）， S —標準差 (3)統(tǒng)計作圖方法,,,,,背景,異常,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Ca,（四）背景與異常分解,作用：將區(qū)域背景與局部異常分離 常用方法： 1、滑動平均

27、2、趨勢分析 3、平均場方法 4、濾波技術(shù) 5、地質(zhì)統(tǒng)計學——克立格,圓滑處理,,,,三點圓滑五點圓滑七點圓滑九點圓滑,,圓滑方法： 手工圓滑 計算方法（中心平均值法）,窗口滑動平均,3 ? 35 ? 57 ? 79 ? 925 ?25,,,,,,,,,,,,5 ? 5,窗口滑動平均實例,云南維西幅,5 ? 5,9 ? 9,25 ? 25,數(shù)字濾

28、波,1．濾波的意義——去粗取精、去偽存真，使下列一些 因素可能造成的干擾從實測中消除 或降低。1）地質(zhì)因素（礦體形態(tài)變化、巖體影響、巖礦物 性變化、地表物質(zhì)干擾等）；2）地形影響3）測量誤差 2．常用的

29、方法 圓滑處理 窗口滑動平均 向上延拓 帶通濾波,帶通濾波,低通濾波 高通濾波,異常劃分,異常劃分（劃分區(qū)域和局部異常）1．突出區(qū)域異常

30、 向上延拓 趨勢分析的趨勢值 低通濾波（或匹配濾波去淺部效應） 平均場2．突出局部異常 向下延拓 趨勢分析的剩余值 高通濾波（或匹配濾波去深部效應）

31、 平均場剩余值 求導數(shù),異常劃分（延拓）,下延500米—局部異常 上延5000米區(qū)域異常,云南中甸-維西布格重力異常,異常劃分（趨勢分析）,云南中甸-維西布格重力異常,局部異常 區(qū)域異常,異常劃分（平均場法）,云南中甸-

32、維西布格重力異常,局部異常 區(qū)域異常,五、地球化學異常組合及其作用,1、元素之間的線性累加（線性相關(guān)分析、極差化處理） 累加、乘積、比值等 2、R、Q型聚類 3、因子分析,堿性系數(shù),,5、R或Q -型聚類（Clustering）分析及應用 R-型聚類分析是依據(jù)相關(guān)系數(shù)(Rij)來度量變量之間的親疏關(guān)系，即:

33、 -1≤Rij ≤1 式中: Rij為i變量和j變量之間的相關(guān)系數(shù)，其值越接近于1，表

34、征兩個變量之間的正相關(guān)性越強或越親近，當 Rij 接近于-1時，表征兩個變量之間呈負相關(guān)關(guān)系；xki和 xkj分別為i變量和j變量的原始觀測值或預處理后的觀測值； 分別為i變量和j變量的平均值。,四、多元信息統(tǒng)計分析與地學應用,Q-型聚類分析是用于揭示樣本或評價單元之間的親疏程度，通常用歐幾里德距離系數(shù)（Dij）來度量（也可以用相似性系數(shù)和相關(guān)系數(shù)等），即:

35、 Dij = 式中: Dij 為i樣本和j樣本之間的歐幾里德距離系數(shù)，其值越接近于0，表征兩個樣本之間越親近，xik和 xjk分別為i樣本和j樣本的原始觀測值或預處理后的觀測值。 通過系統(tǒng)聚類分析研究一個變量與其它變量、一個樣本與其它樣本之間的親疏關(guān)系，將關(guān)系密切的樣本或變量優(yōu)化組合成一個綜合變量，以減少神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入模式的維數(shù)。,,R或Q -型因子（Factor）分析 利用維變換或轉(zhuǎn)換方法減少有效變量的數(shù)目或找

36、到數(shù)據(jù)的不變式。因子分析法或主成分分析（PCA）是依據(jù)變量空間（R模式）或樣本空間(Q模式)的主因子解，進行正交或斜交變換，通過線性組合優(yōu)化，在信息量小于15%的前提下，相關(guān)變量x1，x2，…，xm（或相關(guān)樣本y1，y2，…，yn）可以用數(shù)目較少且本身互不相關(guān)的因子計量f1，f2，…，fj（j＜m或j＜n）來取代，達到特征分類提取、優(yōu)化組合的目的。在R模式因子分析中，fj = βj1x1+βj2x2+ …+βjpxm 或?qū)懗删仃囆问?/p>

37、： F’=X’B式中，B是回歸系數(shù)矩陣，階數(shù)為p×m。按最小二乘法求解，B滿足如下正規(guī)方程組 RB = A 或 B =R-1A 因子計量（因子得分）表達式為： F’=X’R-1 A,對于Q模式因子分析，設(shè)有n個樣本，每一個樣本有p個變量， xij表示第i個樣本的第j個觀測

38、值，用樣本相關(guān)系數(shù)R來表示樣本間的相似程度，依據(jù)相似程度對樣本進行分類，定義為： Rts =式中和 分別表示第t個樣本和第s個樣本的平均值。,秦嶺化探39個元素主因子載荷,秦嶺化探39個元素主因子解綜合異常,秦嶺化探主要成礦元素綜合異常,秦嶺化探39個元素F1主因子異常,秦嶺化探39個元素F3主因子異常,第三講 主 題 內(nèi) 容,灰色關(guān)聯(lián)濾波——相似類比人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)——自適應學習識別小波

39、技術(shù)——高頻若信息提取模糊算法——隸屬分類遺傳算法——特征歸屬分類,六、地球化學數(shù)據(jù)處理新方法及其用途,地球化學異常評價表述,1、區(qū)域異常面積2、異常強度3、異常規(guī)模4、元素組合特征5、元素分帶特征6、地球化學元素金屬省7、地球化學塊體8、有利地質(zhì)環(huán)境9、與物探、遙感異常對比研究10、與已知有價值的礦產(chǎn)點對比研究,地球化學異常評價表述,（1）連續(xù)性、均勻性、漸變性 （2）峰值（極大值）、平均強度、襯度

40、K＝Ca/C0 (C/Ca 、Cmax/Ca) （3）線金屬量 Ml=∑△x (Cx-C0 ) 面金屬量 Ms=∑△s (Cx-C0 ) (4) 形態(tài)描述（線狀、帶狀、等軸狀、不規(guī)則狀）—與地質(zhì)體關(guān)系 (5) 異常的元素組合特征——指示意義，例如： As－Sb－Bi－Hg－Ag，W－

41、Mo－Sn－Cu 組合等 （6） 分帶性特征：元素性質(zhì)分帶、濃度分帶 （水平與垂直）,（7）異常剝蝕度系數(shù) E=（Kele21×Kele22…×Kele2n）/（Kele11×Kele12…×Kele1n）其中Kele1n、Kele2n分別為典型的前緣元素和尾暈元素的異常襯度。（8）不同介質(zhì)中某元素含量（平均值）比值系數(shù)，如： Ki =某元素在土壤中的平均含量/該元素

42、在巖石中的平均含量反映在表生地球化學作用下元素相對于不同地層的貧化與富集程度，用于異常評價和研究元素在不同表生條件下（不同地質(zhì)背景、不同氣候、不同氧化還原環(huán)境等）的遷移、富集規(guī)律。（8）金屬元素特征比值，如：Au/Au+Ag、Cu/Pb+Zn、Ni/Co、Fe/Mn、Ba/Sr、K+Na/Ca+Mg、K+Na/Al等等，表征元素在不同地質(zhì)背景條下的相對富集與分配規(guī)律。,(9) 地球化學元素特征組合參數(shù)及其意義① 規(guī)格化面金屬量（

43、NPA）法（謝學錦，1980） NPA值越大找礦希望越大。還可以計算元素組或主要成礦元素的總的NPA值：② 分帶序列參數(shù)其中：PK1—為主成礦元素NPA值之和；PK2—為前緣元素NPA值 之和；PK3—為尾暈元素NPA值之和； 在無已知分帶模式時，前緣、后尾元素的確定可依據(jù)邵躍（1984）的方案或經(jīng)驗分帶序列。即：前緣元素為 As2、Sb、Ba、Hg、Sr，尾部元素為

44、 W 、Mo、Sn、Bi、Ni、Be。該方法僅用于熱液礦床或熱液再造型礦床。,③ 異常規(guī)模參數(shù)（Ps） 式中：為異常面積內(nèi)異常含量均值，C0為背景值，S為異常面積。最 后按異常規(guī)模大小排序評價。⑤ 成礦元素濃度分帶參數(shù) Ci= K ? C0其中：Ci為成礦元素濃度級，i=1，2，3，4，5，一般分五級，即：內(nèi) 帶、亞內(nèi)帶、中帶、亞外帶、