多重分形滤波方法和地球化学信息提取技术研究与进展

圈定地球化学异常是勘查地球化学和环境地球化学研究中的一项基础性工作。笔者通过详细分析近30年来与地球科学密切相关的分形和多重分形等现代非线性理论和新方法的迅速发展和应用,特别是以解决地球化学复杂背景与叠加异常分解难题为例,介绍了广义自相似理论与分形滤波技术的发展和应用,相信在资源、环境、灾害的其他应用领域也将发挥重要影响。文中阐明了多重分形是更具普适性的地球化学元素分布模式,"密度-面积"分形模型是刻画地球化学异常的基础模型,并为多个空间开展分形滤波和分解地球化学复杂背景与叠加异常的理论基础。该方法的显著优势在于将地球化学场的各向异性、尺度不变性、广义自相似性等特征集于一体,具有压制变化性背景干扰,突出局部异常的能力,其中C-A和S-A业已广泛应用于矿产勘查靶区圈定和环境污染模式识别,形成了分解地球化学复杂背景和叠加异常的常用技术,在国内外多个成矿区带取得了显著的找矿效果。     

云南个旧期北山七段玄武岩中磁黄铁矿结构变化分形特征

微观尺度上土壤孔隙、岩石孔洞缝、矿物组构的分形与多重分形研究受到广泛关注,典型的P-A(周长-面积)分形模型、盒子维数等也广泛应用于其中.云南个旧锡多金属矿床老厂期北山垂向上七段玄武岩发育完整,但对其形成机理及对成矿的贡献有较多的争议.这七层玄武岩中磁黄铁矿广泛发育.基于GIS的P-A分形模型研究磁黄铁矿颗粒的大小、颗粒的不规则性及空间分布特征,探讨磁黄铁矿这一标志性矿物在不同层段玄武岩中的变化情况,并为玄武岩的成因给出新的解释.结合盒子维数,分形分析结果显示,从第一段玄武岩到第七段玄武岩磁黄铁矿的面积分维DA和周长分维D,p总体保持不变的态势;而周长-面积分维DPA却有逐渐增大的趋势.DPA增大表明随着深度的增加,磁黄铁矿颗粒不规则性增强.     

空间自相似性与地球物理和地球化学场的分解方法

场的分解是应用勘查地球物理和地球化学数据所必不可少的数理处理工作，这项工作往往是为了分解不同的场来研究和了解不同的地质以及相应的地质过程，比如划分不同岩石类型以及识别和圈定矿化蚀变睡.闰定地质过程所产生的同类型的地质体并不简单地对应于相同的场值和频率，场的分布特征往往还与地质体的几何形态，。埋藏深度以及与其周围地质体的相对差异有关。然而，由于地质过程往往具有多期次和空间相关性等特点，所产生的地质体或者相应的场往往会呈现空间自相似性或统计自相似性。这种自相似性可以帮助分解不同地质过程所产生的同类地质体，文中所介绍的多重分形（multifractal)滤波方法（S－A）根据场的能谱分布的不同空间自相似性形成不规则甚至分形滤波器，并将场分解为不同同的组份，如局部异常和背景场，应用该方法对多处地球化学和地球物理场的处理结果表明，该方法对区分与矿有关的局部异常与背景场是很有效的，对加拿大NOVA SCOTIA省西南部航空放射性铀钍钾（U-Tn-K)数据处理所分解的异常对反映岩体中与铀－钨－锡（U－W－Sn)矿化有关的围岩饰变具有明显的效果。     

从美国地球物理学会2001秋季年会谈非线性地球物理进展

简要介绍美国地球物理协会2001秋季年会“非线性地球物理”分会的活动情况。它可以大致反映出目前非线性理论和非线性地球物理的发展现状和趋势,尤其是在分形,多维分形,尺度独立性,混沌和自组织临界理论方面的研究。     

成矿过程奇异性与矿床预测非线性理论

成矿预测和矿产资源勘查与评价不仅需要了解矿床形成的机理,建立合理的成矿模式,确定准确的找矿标志,而且需要采取有效的评价技术获取充分的找矿信息.如何将成矿理论与矿产勘查技术有机结合是开展成床预测和矿产资源勘查与评价的关键.传统的矿床学研究根侧重于矿床成因机制、成矿环境、成矿条件开展研究,所建立了的各种成矿模型为认识矿床的成因和发生的环境提供了有用的知识,并且为矿产资源预测提供了理论指导,然而,目前大家所熟悉的成矿模型在矿床空间分布模式或矿床场不均匀性方面的研究还相对较簿弱.对矿床形成的空间分布和频率分布等基本性质还不能够完全予以解释,比如矿床规模与矿床个数应该服从何种分布规律?矿床为什么呈空间聚类分布?     

特约主编致读者

特约主编致读者 成秋明陈永清王功文 赵鹏大院士是著名的教育家、科学家和社会活动家,创立了我国数学地质学科,被誉为“中国数学地质之父”。先生一生矢志不渝地追求地球科学真理,不断探索学科发展的新方向,为我国矿产普查与勘探学科和数学地质学科的发展、地质科技人才的培养以及推动自然资源行业的进步都做出了巨大贡献。 赵鹏大院士堪称严谨治学和创新研究的楷模！从最早的定量地质研究,提出“地质体的数学特征”“矿床统计预测”,到“地质异常”“‘三联式’矿产定量预测”“非传统矿产资源”,再到“地学大数据与云找矿”,赵先生在地学领域不懈地探索与创新。 20世纪80年代甚至更早赵先生首次提出数学地质的三大基本任务：(1)查明地质体的数学特征,建立地质体的数学模型;(2)研究地质过程中各有关因素的特征和相互关系,建立地质作用的数学模型;(3)研究适合地质数据特点的数学分析方法及数量化理论,建立地质工作方法的数学模型。其中地质体的数学特征包括几何特征、统计特征、空间特征、时间特征和结构特征,从而奠定新世纪矿体三维可视化研究的基础。进入20世纪90年代,赵鹏大院士提出地质异常的概念,并将矿床统计预测的理论归纳为相似类比、求异和控矿因素定量组合三项内容,开辟了应用致矿地质异常概念和方法定量圈定评价“5P”找矿地段的新方向。进入21世纪,赵鹏大院士进一步关注并提出了成矿事件的时间空间成因成矿多样性和矿床谱系概念,揭示了成矿多样性和矿床谱系与地质异常的内在关联性,发现成矿多样性在成矿物质基础上受矿源地质异常控制,在成矿物质运移上受运矿地质异常控制,在聚矿作用上受赋存环境地质异常控制,在成矿后的变化上受保矿与毁矿地质异常控制,因此,可以通过地质异常的研究来揭示成矿多样性的具体特征。在此基础上,创立了“地质异常成矿多样性矿床谱系”为核心的“三联式”矿产资源定量预测理论和方法体系。在深部找矿研究领域,他认为成矿预测是在不确定条件下制定最优决策的工作,矿床类型的多样性、矿床成因的复杂性、控矿因素的隐蔽性和找矿信息的多解性使得深部成矿预测结果具有较大不确定性,探索成矿预测过程客观化、定量化和精确化是深部成矿预测的前沿课题;他强调深部找矿中要加强地壳深部结构的研究,要重视深部找矿的经济“回报率”和勘查项目的“转化率”的重要性。近年来,赵鹏大院士积极倡导和推动地学大数据应用,提出了“地学大数据与云找矿”“数字地质”等概念,推动了大数据背景下数字地质研究的新局面。 赵鹏大院士始终强调科研服务于生产实践,在矿产勘查、数学地质和资源产业经济等学科领域取得了巨大成就,奠定了我国矿产资源绿色勘查开发和可持续发展的理论基础,相关科研成果得到国际和国内同行的广泛赞誉,获得国际数学地球科学协会IAMG最高奖——克伦宾奖、俄罗斯彼德大帝奖章、国家自然科学奖等一系列重要奖项,并在全国多个重要成矿带推广应用,取得重大找矿突破。 赵鹏大院士在担任中国地质大学校长职务22年间,提出了“培养人才、科学研究、服务社会、传承文化、引领时尚”的高校五项功能、“现代型、开放型、国际型”的办学目标、“前沿、急需、联合、交叉”的学科建设八字方针和增强学校“创造力、贡献力、影响力、竞争力”的四力建设以及培养“爱国心与责任感强、基础理论强、计算机和外语能力强、管理能力强、创新意识和创新能力强”的五强人才等一系列办学理念,并领导中国地质大学京汉校区,狠抓学科和专业建设,积极推动中外学术交流与办学合作,使学校由7个系的单科性院校发展到今天拥有23个学院的“双一流”建设高校,为中国地质大学的快速发展做出了巨大贡献。赵鹏大院士还曾担任第七届全国人大代表、第九届全国政协委员、第三和第四届国务院学位委员会委员及地质勘探矿业石油学科评议组召集人、中国地质学会地质教育研究分会会长等职务,为国家科教事业发展四处奔波,大声疾呼,并积极向政府献计献策。他以学为媒,在广泛的学术交流中,为中俄、中加和中日友谊等做出了重要贡献。先后获得科学中国人最受公众关注奖、华人教育名家等荣誉和称号。 赵鹏大院士已为国家培养了21名博士后、162名博士和21名硕士,他们中有的成为了优秀的专家学者,有的成为了杰出的管理者和企业家。 值此赵鹏大院士90华诞之际,在《地学前缘》编辑部的支持下,出版了《数字地质与矿产勘查》专辑。专辑展示了赵鹏大院士开创的数字地质和矿产勘查领域所取得的最新代表性研究成果,包括28篇论文,大致涵盖“数学地质与定量勘查”(8篇)、“三维地质建模与隐伏矿预测评价”(10篇)、“成矿模式与定量找矿模型”(9篇)和“地球化学与人体健康”(1篇)等方面。 真诚感谢《地学前缘》编辑部的支持,同时感谢作者们的卓越贡献以及审稿专家的辛勤劳动。 谨以此专辑庆贺我国“矿产勘查”与“数学地质”学科的开拓者赵鹏大院士90华诞！     

加权证据权模型和逐步证据权模型及其在个旧锡铜矿产资源预测中的应用

为了消除和减弱当证据层不满足条件独立性假设时对预测结果产生的影响, 提出了逐步证据权模型和加权证据权模型.加权证据权模型通过对logit模型进行修改, 对各个证据层给予一定的权重, 以调整由于证据层与其他证据层的条件相关性对模型的影响; 逐步证据权模型是将证据层按照一定的顺序逐步加入到模型中, 在加入到模型的过程中依次用已经获得的后验概率作为模糊训练层的方法.以个旧锡铜多金属矿产资源预测为例, 应用4种证据权模型的后验概率进行异常圈定, 结果表明两种新的模型对减弱证据层不满足条件独立性假设所产生的影响是有效的.      

云南个旧矿集区区域构造-岩浆演化与锡铜多金属成矿系统

个旧矿集区是滇东南最重要的锡铜多金属矿产地之一, 形成了云英岩-石英脉型矿化、与矽卡岩化有关的锡石-硫化物型矿化、蚀变基性火山-次火山岩型矿化和与断裂有关的各种脉型矿化构成的锡铜多金属成矿系统.根据区域构造-岩浆演化与锡铜多金属矿化系统的配置关系研究, 认为燕山晚期复式花岗岩体侵位进入以中三叠统为主的碳酸盐岩地层组成的褶皱带中, 锡铜等金属元素的成矿富集产生于花岗岩体与围岩接触带及其附近发生的接触交代和更远处发生的交代-充填过程, 成矿元素主要源自燕山期中下部地壳物质熔融形成的花岗岩浆和印支期裂谷环境中来自地幔的玄武岩-辉绿岩-辉长岩类, 多期脉动式的岩浆活动驱动了一个长效的热液系统, 这些要素共同构筑了这一巨量的金属矿集区.由此建立了个旧矿集区的区域成矿模型, 并对进一步寻找新的矿化类型提出了理论线索.      

便携式X荧光仪在研究矿化顺序中的应用

采用便携式X荧光仪对采自金顶铅锌矿床的矿化灰岩角砾岩手标本进行测点分析,形成了手标本尺度多元素高密度地球化学图像,对所得样品2元素地球化学图像进行了多元主成分分析,获得了分别以Zn、Pb和Zn+Pb为主的3个最大主成分。通过分析主成分所对应的相关元素组合(元素载荷)以及组合元素空间分布,结合对Zn、Pb对钙质交代的观察初步确定:该样品所反映出的矿石矿化顺序是后期以Pb为主的矿化穿插(交代),前期以Zn为主的矿化,两期矿化在相交部位叠加。此结论与由传统方法、根据显微镜下观察得出的结论能很好地吻合。     

增强证据权(BoostWofE)新方法在矿产资源定量评价中的应用

证据权方法是矿产资源定量评价的最常用方法之一,尤其是在GIS环境下,证据权方法具有简便、直观、易实现等优点。然而,证据权模型对证据图层之间满足条件独立性的要求过于苛刻。实际应用中证据图层之间往往不满足条件独立性而导致后验概率计算结果的偏差,这一数学模型上的缺陷严重影响到该方法的使用范围,甚至有时造成预测人员对如何构建证据图层的误解。提出了一种新的增强证据权的模型和计算方法:该模型按顺序加入证据图层,依次计算证据图层的条件权重,并以此累积更新后验概率;新的计算方法可依次对训练点集(预测对象)进行加权处理,并以此为基础逐次计算证据图层的条件权重。介绍了增强证据权理论模型和计算方法,并通过应用实例对比了普通证据权方法和增强证据权方法的应用效果。结果表明:由于增强证据权模型不要求证据图层之间具备条件独立性,它克服了证据权模型的缺陷,显著提高了证据权方法的应用精度,有望扩大证据权方法的应用范围。