勘查地球化学方法是矿产资源勘查的一种重要手段,在过去几十年的勘查实践中,勘查地球化学手段对于许多矿床的发现都起到了举足轻重的作用。而地球化学异常信息提取是勘查地球化学方法的一个重要环节,直接影响着矿产资源预测的效果。一直以来,地球化学异常信息提取方法和模型研究是勘查地球化学领域的一个研究热点和前沿。地球化学异常信息提取可以看作是一个空间决策问题,即是否将某空间位置判别为指示矿化作用的异常区域,其中可靠性是考量空间决策结果有效性的一个重要指标。在分析其他一些类似的地学空间决策问题中,如油气开采、地下水开采、土壤污染物处理,通常是借助地质统计学模拟方法得到有关地学变量空间分布的多个可能实现,然后基于这些实现确定决策变量的统计分布,并借此辅助决策。但目前常用的、基于栅格数据的地球化学异常信息提取方法很少关注异常识别结果的可靠性和不确定性。事实上,考虑这种可靠性是很有必要的。一方面,地球化学元素在表生介质中的分布是诸多复杂地质过程共同作用的结果,其分布模式也因此呈现十分复杂的变异特征;同时,由于观测手段的局限性,以及时间、成本、自然条件等因素的限制,获得的观测数据往往是离散分布的有限样本,这些样本的空间分布也可能是不均匀的。这些因素共同决定了由已知样本数据所推断的未采样位置处取值具有不确定性,即从人类认知的角度讲,地球化学元素的空间分布是不确定的。因而,相应的地球化学异常信息提取结果也应当具有不确定性。当前勘查地球化学数据处理实践通常使用插值方法推断元素分布模式,这些方法往往对地球化学元素分布的不确定性及其对异常信息提取结果的影响关注程度不够。另一方面,常用的插值方法如反距离加权插值、克里金插值等本质上是对已知样本数据的加权平均,不可避免地会对元素分布模式造成平滑;而地球化学异常信息提取方法旨在识别数据分布中的差异和异常,从这个意义上讲,平滑效应可能限制局部异常信息的有效提取。此外,地质过程的复杂性使得地球化学元素含量的分布具有复杂的空间结构特征,准确有效地刻画地球化学元素分布模式对于提取地球化学异常也有积极的意义。勘查地球化学数据处理领域常用的插值方法以及基于变差函数的地质统计学模拟方法只能反映元素分布的低阶统计特征,同时不少方法还需要对分布形式作出理论假设;这两方面的因素决定了其刻画复杂空间结构特征的能力有限。近些年发展起来的多点地质统计学模拟方法不仅可以刻画复杂的空间结构特征,同时具有非参数统计特性,但其在地球化学元素分布模式模拟中的应用报道很少。针对上述问题,论文提出了基于多点地质统计学模拟的地球化学异常信息提取思路和方法,并借助MATLAB编写了相关的软件程序,最后通过闽西南地区与矽卡岩型铁多金属矿有关的地球化学异常信息提取的研究实例证实了相关模型方法的有效性。本文主要的研究工作以及获得的认识包括:(1)地球化学元素分布模式的多点统计特征研究论文将基于距离的模式相似性分析与2χ检验的思想相结合,构建了探讨地球化学元素分布模式是否具有多点统计特征的分析思路和方法。通过对研究区铁元素分布模式的研究,结果表明,地球化学元素的空间分布模式具有多点统计特征。(2)地球化学元素分布模式的多点地质统计学模拟研究论文对前沿多点地质统计学模拟方法-直接采样算法进行扩展,并提出了适用于地球化学元素分布模式的两步模拟算法。该模拟算法总体分为两个步骤:第一步,粗尺度模拟;第二步,细尺度模拟;并主要涉及三个方面的技术:(1)以已知样本数据转换得到的栅格数据作为训练数据;(2)借助核密度估计得到待模拟点处取值的分布函数并从中随机抽样;(3)以大尺度的元素分布模式作为训练图像并将其用于小尺度元素分布模式的模拟。其中,技术二针对地球化学元素含量属于连续型变量提出,旨在更好地反映取值的连续性。进一步,论文通过数学推导提供了将核密度估计与直接采样算法结合的有效方法,即两步采样算法,显著提高了模拟效率。借助论文提供的两步模拟算法对研究区铁元素的分布模式进行模拟,并通过低阶、高阶统计量分析,多重分形谱分析等对模拟结果进行评价,结果表明:借助两步模拟算法对地球化学元素的分布进行模拟是可行的、有效的;模拟算法利用了已知数据的多点统计特征以及不同尺度分布模式之间的相似性,模拟实现对验证数据的预测结果具有较高的可靠性。(3)基于模拟数据的单元素地球化学异常信息提取研究在借助两步模拟方法获得地球化学元素分布的模拟实现基础上,论文提出了基于模拟数据的地球化学异常信息提取思路和方法。特别地,论文以局部奇异性分析方法为例,着重探讨了以下三方面的内容:(1)局部奇异性指数的估计涉及不同尺度下的邻域运算,估计值会受到邻域内未采样位置处取值不确定性的影响;(2)考虑到不确定性的传播,基于模拟数据的地球化学异常信息提取结果也具有不确定性;(3)用于融合基于多个模拟实现的异常信息提取结果的方法。通过对研究区锌元素的地球化学异常信息进行提取和评价,结果表明:地球化学元素含量空间分布的不确定性对局部奇异性指数的估计具有显著的影响;基于模拟数据的异常信息提取结果的分布趋势与基于反距离加权插值的异常信息提取结果是一致的,但前者同时可以提供有关异常信息提取结果的可靠性度量;论文提供的最佳阈值确定方法本质上是非监督的,其与通过AUC面积指标确定的最佳阈值结果相一致,从而佐证了所述阈值确定方法的有效性;基于模拟数据的异常信息提取结果所给出的异常概率表达方式可以看作是传统基于插值的异常信息提取结果的二值化表达方式的一般形式。(4)基于模拟数据的多元地球化学异常信息提取研究从地球化学元素的共生组合特征出发,论文进一步提出了基于模拟数据的多元地球化学异常信息提取思路和方法。其关键技术包括:(1)借助因子分析模型以及地质背景知识确定指示成矿作用的地球化学元素组合,(2)利用逻辑回归模型融合不同元素的异常指示概率,最终得到多元地球化学异常信息提取结果。相关的实例研究表明:基于模拟数据的多元地球化学异常信息提取思路和方法是有效的;研究区多元地球化学异常概率分布图对于已知矿床点具有较好的预测能力,其他具有高异常概率且未有已知矿床发现的区域与其他成矿有利要素或矿致异常的空间分布吻合性较好,可以为之后的找矿勘查提供目标工作区域。(5)基于地质统计学模拟的地球化学异常信息提取系统的实现论文遵循软件工程设计与开发的基本思路,借助高级程序设计语言MATLAB(2016a)对基于地质统计学模拟的地球化学异常信息提取系统进行了实现。所设计的软件系统结构简洁、界面友好,同时分析结果的存储格式与主流GIS软件Arc GIS相兼容。该软件为相关数据处理实践提供了一套实用、有效的工具。论文的主要贡献在于:探讨了元素分布模式的多点统计特征并发展了适用于地球化学元素分布模式的两步模拟算法,进而提出了基于模拟数据的地球化学异常信息提取新方法。相关研究工作以及获得的认识不仅丰富了对于地球化学异常信息提取的认识,同时为其他地学变量空间分布模式的识别以及可靠性评价提供了新的思路和方法。
