基于机器学习的洋岛玄武岩主量元素预测稀土元素

地学共享数据库(如GEOROC、PetDB等)可为地球科学研究提供重要基础数据。然而,这些数据库均存在一个明显缺陷:样品的9种主量元素(SiO2、TiO2、Al2O3、CaO、MgO、MnO、K2O、Na2O和P2O5)均有准确数据,但稀土元素(rare earth elements,REE)数据大量缺失。鉴于REE在地球化学领域的重要作用,我们尝试为数据库缺失的REE值提供一个补全方案,即利用机器学习中的随机森林方法实现由9种主量元素预测REE值。以洋岛玄武岩(ocean island basalt,OIB)为例,把从GEOROC库中搜集到的1 283组OIB数据按8∶2的比例分为两组,其中80%的数据作为训练数据集用于建模,20%的数据作为测试数据集验证模型。比较了随机森林和多元线性回归方法对相同数据进行建模和预测的效果差异,发现无论是回归建模还是预测,随机森林方法都优于多元线性回归,且随着输入参数与输出参数之间关系的复杂化,这种优势更加明显。随机森林对测试数据集的预测效果整体较好,只是随着REE原子序数的增大,预测效果逐渐减弱。这一方面可能是因为原子序数大的REE与主量元素的关系更弱;另一方面可能是由于原子序数大的REE与主量元素的关系更加复杂。其次,随机森林方法预测的REE配分曲线与实际配分曲线吻合度较高,且预测所得配分曲线的区分能力较强,能够反映实际配分曲线之间的相对差异,这一点对推断地球化学过程尤为重要。随机森林方法随着训练数据的增多,其建立的模型也将越稳定,预测结果也会更精确。因此,随着数据库的不断完善,对数据库中REE值的预测也将更为可信、可行。     

中国东部新生代玄武岩的地球化学：Ⅰ.主元素和微量元素组成：岩石成因…

所研究的玄武岩包括拉斑玄武岩、碱性玄武岩、苦橄粗玄岩和钾质玄武岩。主元素和微量元素的组成变化表明，中国东部玄武岩既是不同深度地幔部分熔融的产物，又经历了岩浆结晶分层作用。强不相容元素比值的变化特征显然与岩石圈地幔交代作用有关。软流圈地幔的上涌并导致上覆不均一的岩石圈地幔的部分熔融是形成中国东部新生代玄武岩的主要机制。     

新疆西天山巴音沟与蛇绿岩伴生的洋岛玄武岩——主微量元素证据

对巴音沟蛇绿混杂岩内发育的两套玄武岩进行了主、微量元素研究,结果表明,其中一套TiO2的含量较低,在0.81%~1.00%之间,REE含量低,LREE相对于HREE具轻微亏损,稀土元素配分图和微量元素的原始地幔标准化图上呈平坦分布型式,Nb、Ta略亏损,为大洋中脊玄武岩。结合其他微量元素特征,初步认为该玄武岩源于大洋形成的初期,源区是还没有经历大规模岩浆提取阶段的洋中脊玄武岩。另一套玄武岩则具有典型的洋岛玄武岩特征,具有较高的TiO2含量(1.89%~3.14%),富碱质,同时富集LREE和HFSE元素,高Nb、Ta含量,在微量元素原始地幔标准化图上显示明显的Nb、Ta正异常,微量地球化学元素具有EMⅡ型OIB特征。     

俯冲洋岛玄武岩脱水释放的水流体成分：来自西天山榴辉岩相高压脉的约束

俯冲洋壳的脱水作用对于岛弧火山岩的成因具有重要意义。西天山高压低温变质带中切割主岩蓝片岩/榴辉岩的榴辉岩相脉体记录了古生代俯冲带中的脱水过程。脉体具有典型高压矿物组合：石榴石(＞8%)+绿辉石(15%)+石英(＞55%)+蓝闪石(5%)+冻蓝闪石(10%)±黝帘石±方解石。高压脉及其主岩的岩相学与矿物化学研究表明流体是在俯冲过程中蓝片岩向榴辉岩进变质条件下释放。脉的主量元素成分显示流体富Si。主岩的稀土元素和微量元素表明其原岩为洋岛玄武岩(OIB)。脉和主岩具有相似的微量元素配分模式,并且相对N-MORB都显示富Li、Be、Cs、Rb、Ba、Pb、La的特点。通过模拟计算,在高压脉、与脉平衡的流体以及模拟的原生流体中都富集流体活动性元素(Li、Be、Pb)和LILE(Cs、Rb、Ba),贫HFSE(Nb)和REE(Nd、Sm)。证实了在古生代南天山洋俯冲时洋岛玄武岩脱水释放出富Li、Be、LILE、La和Pb,贫HFSE和HREE的流体。     

中国东部新生代玄武岩的地球化学──Ⅰ．主元素和微量元素组成：岩石成因及源区特征

所研究的玄武岩包括拉斑玄武岩、碱性玄武岩、苦橄粗玄岩和钾质玄武岩。主元素和微量元素的组成变化表明，中国东部玄武岩既是不同深度地幔部分熔融的产物，又经历了岩浆结晶分异作用。强不相容元素比值的变化特征显然与岩石圈地幔交代作用有关。软流圈地幔的上涌并导致上覆不均一的岩石圈地幔的部分熔融是形成中国东部新生代玄武岩的主要机制。     

基于机器学习的表层土壤成矿元素空间预测: 以稀有金属铷元素为例

近些年随着土地质量地球化学调查工作的开展,获取了大量表层土壤样品数据。然而,这些数据也存在一个明显的缺陷,即1∶50 000大比例尺表层土壤数据往往缺少成矿元素。鉴于土壤成矿元素含量对于矿产资源勘查的重要指示作用,尝试基于现有数据对大比例尺表层土壤成矿元素含量提供一个补全方案。以稀有金属铷元素为例,采用随机森林算法把同一区域2 548组1∶250 000小比例尺表层土壤数据按照8∶2的比例随机分为两组,用80%的数据进行训练建模,20%的数据对模型进行验证。采用变量重要性度量排序和构建学习曲线的组合方法优选了8种元素(K、B、Ni、V、Zn、As、Co、Cu)作为预测变量,模型对训练数据和测试数据的拟合优度R²分别达到0.983 2和0.895 6,说明预测变量的优选方法是有效的。随后将1∶50 000表层土壤的上述预测变量数据作为输入变量导入模型中,得到预测的Rb元素含量,预测结果比较符合实际特征。本研究表明将大数据机器学习随机森林算法引入表层土壤地球化学元素含量空间定量预测具有可行性,可进一步拓展土地质量地球化学数据的服务应用维度。     

大洋中脊、洋岛、岛弧玄武岩中橄榄石的对比研究

在岩浆结晶演化过程中,橄榄石是最早结晶的矿物之一,其化学成分不仅受到母岩浆成分的控制,而且还受到岩浆的结晶分异、部分熔融程度、压力、岩浆混合作用以及橄榄石与残余岩浆相互作用等因素的影响。学术界基本的认识是,橄榄石的成分主要与源区、分离结晶作用以及岩浆演化程度有关,是鉴别玄武岩是否为原始岩浆的重要证据,根据橄榄石的Fo值可以恢复岩浆是富镁还是富铁的。之前的学术界很少认为橄榄石与其形成的构造环境有关。本文在对全球大洋中脊玄武岩（MORB）、洋岛玄武岩（OIB）、岛弧玄武岩（IAB）中橄榄石主量元素特征进行了研究和对比后发现,橄榄石也有判断构造环境的功能,尤其OIB 橄榄石在许多元素含量上与MORB 和IAB 的橄榄石不同,可以通过Ni、P、Mg、Fe、K 和Mn等元素之间的关系进行较好的区分。目前的情况是,OIB 与IAB 中的橄榄石在某些情况下也能够区分开,但MORB 与IAB 中的橄榄石很难区分,这是需要进一步研究的。全球全体数据研究表明,OIB 的橄榄石富Ni是一个很重要的现象,本文认为,MORB 和IAB 来源于亏损的上地幔,故其橄榄石的Fo值高;OIB来源于富集的下地幔,可能Fe-Ni地核对OIB橄榄石化学成分有比较明显的影响,故导致OIB的橄榄石贫Fo和富Ni。     

三类构造背景辉长岩单斜辉石主量元素和微量元素的数据分析研究

判别岩浆岩产出的构造环境已经成为岩石学、地球化学及其地球动力学研究的重要内容。作为岩浆岩中的一种喷出岩,玄武岩被视为判别构造环境的最佳成员。对其中单斜辉石的研究,由于其数据本身的利用程度有限而效果欠佳。理论上,不同构造环境的辉长岩也会存在一定差异。为此,利用机器学习算法研究全球新生代辉长岩的单斜辉石势在必行。本文主要针对岛弧(IAB)、洋岛(OIB)及大洋中脊(MORB)3种构造背景辉长岩的单斜辉石进行特征筛选和数据分类。从GEOROC数据库中,经数据收集与清洗,我们分别获得岛弧辉长岩单斜辉石数据385条,洋岛辉长岩单斜辉石数据756条,大洋中脊辉长岩单斜辉石数据5 500条。其中绝大部分为主量元素数据,其余为微量元素数据。在特征提取部分,我们选用卡方检验判断特征独立性,F检验估计两个随机变量之间的线性依赖程度,互信息法捕获其他种类的统计相关性。3种检验方法互相印证,得出了统计学可靠的重要分类特征。在数据分类过程中,本文对比了K-近邻、决策树和支持向量机3种主流机器学习分类算法在辉长岩数据上的表现。研究表明,对于上述3种构造背景,Al2O3、TiO2为最有区分度的辉长岩单斜辉石主量元素成分,Sr为最有区分度的微量元素成分。另外,对于3种构造背景的辉长岩单斜辉石主量元素和微量元素数据,机器学习模型分类准确率均达94%。     

大兴安岭北段早石炭世洋岛型玄武岩的确立及成因意义

大兴安岭北段根河地区早石炭世发育一套细碎屑岩及海相中-基性火山岩石组合,归属为莫尔根河组.其中基性火山岩为细碧岩、变玄武岩,岩石富Na2 O、K2O、TiO2,w(Fe2 O3)/w(FeO)=0.8(平均),属碱性系列.LREE富集,Eu无异常.Ti、Y、Yb略低于MORB外,其它元素高于MORB,具大洋板内玄武岩特征.w(87Sr)/w(86Sr)初始值为0.704 3,εNd(t)=3.00,表明岩浆源于富集地幔.本区莫尔根河组基性火山岩石形成的构造环境为地幔柱成因的夏威夷型洋岛环境.     

高温熔融研制岩石标准玻璃方法初步研究:以玄武岩为例

探索了利用高温炉合成玄武岩玻璃制作原位微区主微量元素含量分析的标准物质的实验条件.选取玄武岩标准物质GBW07105(GSR-3)进行高温熔融、淬火实验研究,获得玄武岩玻璃,为合成其他地质样品微区分析标准参考物质的研制提供了参考方法.用激光剥蚀-四极杆等离子体质谱(LA-Q-ICPMS)对样品微区46个主元素和微量元素...     

砂岩的主量元素特征与盆地物源分析

一定的砂岩地球化学特征对应于特定的源区和构造环境,利用主量元素图解可以进行盆地物源分析。在前人大量研究的基础上,笔者选择性收集了不同构造背景的569个主量元素数据,共分为70套平均值,根据来源文献划分出克拉通内部、陆缘弧、碰撞造山带、大陆岛弧和大洋岛弧5种源区和构造环境。综合分析砂岩主量元素之间的相关性,利用整体及不同源区构造背景下元素间相关系数,得到5个主元素氧化物组合:SiO2、Al2O3 FeOT、K2O Na2O、MnO TiO2和MgO CaO;且建立了应用于5种源区判别的(Al2O3 FeOT)/(Na2O K2O)—SiO2/(MnO TiO2)/100—MgO CaO三角图解。对收集的数据进行判别方程分析得到与SiO2、CaO、MgO、FeOT、K2O、MnO、Al2O3、Na2O和TiO2相关的判别方程F1和F2,并进行F1-F2双变量物源构造环境图解判别。根据主元素对砂岩碎屑组分的反映,利用主元素摩尔含量分析石英、长石和基性岩屑矿物在砂岩中的含量,进而对源区进行约束。所建立的Qel—Fel—Lel图解既反映了主量元素对砂岩物源和构造背景的判别,也近似地表现出相应环境下砂岩的碎屑组成。     

基于机器学习的三维矿产定量预测——以四川拉拉铜矿为例

在大数据蓬勃发展的时代背景下,矿产资源定量预测作为地质大数据的核心部分,其综合分析挖掘多元信息的基本思路与大数据的理念不谋而合。以四川拉拉铜矿为例,开展基于机器学习的三维矿产资源定量预测。通过建立三维地质模型,提取成矿有利信息,构建研究区定量预测模型;基于"立方块预测模型"找矿方法,采用机器学习随机森林算法,计算出研究区成矿概率分布,以此圈定出5个找矿远景区。结果表明,随机森林具有更高的预测准确度与稳定性,且能够对控矿要素重要性做出定量评价。该研究成功地将机器学习应用于三维矿产定量预测,为今后的矿产资源预测评价做出了积极的探索。     

吉林汪清和龙岗新生代岩石圈地幔的含水性和元素地球化学特征

首次报道了来自东北地区岩石圈地幔水含量的数据。通过对吉林龙岗和汪清新生代玄武岩中的橄榄岩包体矿物进行电子探针(EMP)和激光熔蚀等离子体质谱(LA-ICPMS)的分析,得到了矿物的主量元素和微量元素的数据,结果显示这些橄榄岩是原始地幔经历了不同程度部分熔融的残余,大部分样品的熔融程度可能<10%。橄榄岩样品在后期还经历了地幔交代作用,大部分样品受到硅酸岩熔体的交代,少部分样品受到碳酸岩熔体的交代。显微傅里叶变换红外光谱(FTIR)的分析结果显示,橄榄岩样品中的单斜辉石、斜方辉石均含有以结构羟基形式存在的水,而橄榄石中没有明显的羟基吸收峰。龙岗样品中单斜辉石的水含量为(48~464)×10^-6(H₂O, 质量分数),斜方辉石水含量为(28~104)×10^-6;汪清样品中单斜辉石的水含量为(34~403)×10^-6,斜方辉石的水含量为(13~89)×10^-6;所有样品全岩水含量为(8~92)×10^-6。样品的水含量可以代表龙岗和汪清地区岩石圈地幔的水含量信息,并且水含量变化范围较大,造成这种变化的原因可能是由于地幔源区初始水含量的不均一,以及部分熔融和地幔交代作用叠加的结果。     

内蒙古温都尔庙和巴彦敖包-交其尔蛇绿岩的元素与同位素地球化学：对古亚洲洋东部地幔域特征的限制

内蒙古中部发育的三条蛇绿岩带是华北板块和西伯利亚板块之间的缝合带。本文系统研究了其中的温都尔庙和巴彦敖包．交其尔两个蛇绿岩带中变质玄武岩的元素和Sr、Nd、Pb同位素地球化学。苏右旗温都尔庙碱性玄武岩为轻稀土富集型;岩石具有板内和大陆裂谷区玄武岩的特征,可能代表了600Ma左右,温都尔庙地区开始发育的新洋盆。采自苏左旗的巴彦敖包．交其尔玄武岩分为两类,一类呈现轻稀土富集型,呈洋岛玄武岩特征;另一类具有明显的Nb、Ta负异常,显示大洋岛孤玄武岩特征。洋岛玄武岩的存在表明古亚洲洋曾经发育洋盆,大洋岛弧玄武岩的存在表明古亚洲洋内部有大洋岩石圈之间的俯冲。将本文的古亚洲洋洋岛玄武岩与中国西南地区的特提斯洋岛玄武岩进行系统的元素和同位素地球化学特征对比表明,古亚洲洋的洋岛玄武岩显示高U／Pb（HU）和北大西洋和太平洋省的特征,而特提斯洋岛玄武岩属于印度洋省。这些说明古亚洲洋地幔域与特提斯地幔域是两个独立的构造域,它们代表了长期演化的两个不同的地幔地球化学域。     

黑龙江省土壤元素有效量及其与农作物的关系初探

将区域地球化学资料应用于农业问题的研究，是扩大区域地球化学资料应用领域的重要方面之一。通过土壤中Ｃｕ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ元素的全量、有效量、ｐＨ值、有机质与作物产量之间关系的研究，发现元素有效量与土壤中元素全量呈正相关，与ｐＨ值呈负相关，与有机质呈正相关，而作物产量与元素有效量呈正相关     

基于水系分区的滑坡易发性机器学习分析方法:以重庆市奉节县为例

三峡库区是地质灾害管理的重点地区,鉴于长江对其沿岸边坡的水力作用不容忽视,因此需进一步研究水系因素对滑坡易发性的影响.以重庆市奉节县为例,考虑区域内水系影响显著,沿水域两岸300 m区域内划分为分区Ⅰ,其余区域为分区Ⅱ.其次,全域、分区Ⅰ、分区Ⅱ以提取的16个影响因子建立易发性评价指标分析模型,基于随机森林模型计算区域滑坡发生概率,并将全域和分区的滑坡易发性评价结果对比分析.结果表明：奉节县高和极高易发区主要分布在水域两岸及耕地范围内,这是由于库水位升降减少了防滑截面的有效应力,由于原有山体平衡在垦荒过程中被破坏,耕地对斜坡的防护作用微弱;基于水系分区后模型的训练精度优于全域模型的训练精度,准确率和F1分数的最大提升幅度分别可达5.1%、5.2%.基于水系分区的方法有利于提高滑坡易发性评价精度,该方法实用性强,可靠性高.     

基于机器学习的Landsat数据地层信息提取——以西南天山柯坪地区为例

当前机器学习方法不断创新发展,为遥感数据的分析利用提供了很好的平台。结合西南天山柯坪地区沉积岩的典型地质特征,针对1:5万区域地质调查数据,利用Landsat 8数据9个波段的遥感信息进行机器学习方法解译。为增强机器学习过程中参与变量数目,在原始9波段数据的基础上分别采用比值法增强方式、主成分分析法增强方式进行数据叠加。为减弱地质体内部纹理信息,同时不影响地质体之间的边界,笔者采用双边滤波的形式对遥感数据进行进一步处理。选用的极限随机树方法、直方梯度增强随机树、随机森林3种机器学习方法整体识别精度均超过93%,尤其是极限随机树方法达到94.18%。本研究方法可用在其他地质信息解译、地质填图中,值得推广。     

X射线荧光光谱法测定高锶高钡的硅酸盐样品中主量元素

用百分总和检查硅酸盐岩石全分析数据的质量是分析工作者的传统做法,但对于微量元素含量较高的样品,采用X射线荧光光谱法(XRF)进行测定,如果不考虑微量元素的含量及其对主量元素基体效应的影响,往往会使主量元素含量更加偏离真实值。本文针对Sr、Ba含量较高的硅酸盐样品,通过人工配制标准样品,扩大了Sr、Ba校准曲线的定量范围,主量元素校准中加入Sr、Ba的基体校正系数,达到了主量元素定量更加准确可靠的实际效果。采用此方法分析国家标准物质,各主量元素的精密度(RSD)均小于2%;分析不参加回归的标准物质和人工配制的标准样品,主量元素的测量值与标准值(或参考值)基本一致。该方法可以满足硅酸盐的测定要求,主量元素各项结果的加和能够达到《地质矿产实验室测试质量管理规范》的一级标准(99.3%～100.7%)。     

地壳再循环与大陆碱性玄武岩的成因：以山东新生代碱性玄武岩为例

      大陆碱性玄武岩在地球化学特征上与洋岛玄武岩高度相似,被看做是板内玄武岩在大陆上的典型代表。本文以山东 新生代碱性玄武岩为例,探讨大陆碱性玄武岩的成因。山东新生代碱性玄武岩按时空分布特征可以分为两类：早期定向分 布、相互平行的三个火山群（包括鲁西的潍坊火山群、沂水火山群和胶东的蓬莱火山群）和晚期杂乱分布的孤立小火山。 早期火山群碱性较弱,以碱性橄榄玄武岩和碧玄岩为主,微量元素特征和同位素组成变化大;晚期孤立小火山碱性强,以 碧玄岩和霞石岩为主,微量元素特征和同位素组成较均一。因此,从岩性组成和时空分布特征看,山东的火山群相当于洋 岛/海山的造盾期玄武岩,而孤立小火山接近于洋岛/海山上的复苏期玄武岩。潍坊火山群和沂水火山群在Sr-Nd,Nd-Hf同位 素相关图上都存在从亏损到富集的两端元混合排列趋势,但两者的排列趋势有一点区别。其中同位素富集的端元相对于原 始地幔具有偏低的Ce/Pb比和偏高的Ba/Th比,指示其为大陆下地壳物质。同时,这种富集端元的Th/La比值明显低于大陆下 地壳的平均值,其放射成因Hf相对于放射成因Nd过剩（即Nd-Hf同位素解耦）,说明这种富集端元不是岩浆上升过程中混染 的下地壳物质,而是经历过早期熔融的再循环大陆下地壳（榴辉岩或者石榴辉石岩）。鲁西两个平行火山群在同位素排列上 的区别类似于夏威夷玄武岩中的KEA链和LOA链,因此,山东的平行火山群的深部动力学背景可能是地幔柱,再循环大陆 下地壳物质可能是这种地幔柱的重要组成物质。晚期的孤立小火山在地球化学特征上与火成碳酸岩非常相似,如在原始地 幔标准化图上都具有K,Pb,Zr,Hf,Ti的负异常等特征,因此我们认为其地幔源区为碳酸盐化的橄榄岩。孤立小火山中等亏损 的Sr,Nd,Hf同位素特征支持碳酸岩熔体来自年轻的（中生代？）再循环洋壳。     

大兴安岭中南段二叠纪砂岩主量元素地球化学特征及物源区构造环境的判别

通过对研究区内广泛发育的二叠系哲斯组和林西组砂岩进行岩相学及主量元素地球化学研究,探讨其物源区及其古构造环境。岩相学研究结果表明:二叠系哲斯组和林西组砂岩成分成熟度较低,表现为源区相对不稳定、快速剥蚀、快速搬运的特征。A-CN-K三角图解显示砂岩母岩中斜长石含量要高于钾长石含量,指示两组砂岩物源区母岩应以具英云闪长岩和花岗闪长岩等岛弧性质的岩浆岩系列为主。主量元素判别图解揭示了物源区主要具活动大陆边缘和大陆岛弧型并含有少量被动大陆边缘物源区特点,且总体呈现出由活动大陆边缘向大陆岛弧型物源区过渡的趋势。结合前人的研究成果,推测二叠纪砂岩的物源区主要为区域内广泛分布的大石寨组火山岩及研究区北侧及北西侧的苏尼特左旗—锡林浩特—西乌旗南岩浆弧物质并含有少量来自华北板块基底的物源供给。