陈永清 赵鹏大 陈建国
（中国地质大学数学地质遥感地质研究所，武汉 430074）
摘要 在矿床统计预测中，单元可大致概括为两类：规则单元和自然单元；地质异常单元属于自然单元。它是继“网格单元”和“地质体单元”之后，提出的第三种统计单元。该单元以“地质异常致矿理论”为理论基础，并能够在多源地学信息提取及合成的基础上，使用综合信息定量标度。它易于实现单元的自动划分，同时保持了单元信息的完整性。本文阐述了地质异常单元及其划分的理论基础、地质异常单元的基本特点和划分方法。
关键词 地质异常致矿理论 地质异常单元 综合信息 金矿床统计预测
1 引言
单元划分是矿床统计预测的一项基础性工作。其预测的结果皆建立在一定单元划分基础之上。单元不仅作为统计样品，而且作为资源的载体是矿产资源定量预测中统计模型与地质模型有机关联的关键环节。因此，在矿床统计预测中，单元划分是一项十分重要的研究内容，其划分的正确与否直接关系到预测的精度及效果。
矿产资源统计预测中普遍采用的统计单元可概括为两类：“网格单元”和“地质体单元”。“网格单元”划分的关键问题是选择单元的大小，但单元面积大小的确定，目前尚缺乏明确的准则[1]。“地质体单元”划分的方法[2]是一种定性方法，不利于实现单元划分的自动化。为此，我们提出了“地质异常单元法”。
“地质异常单元法”是地质异常单元划分方法的简称。它以“地质异常致矿理论”为理论基础，以计算机为手段，在多源地学信息提取及合成的基础上，利用综合信息定量自动划分统计单元。
2 理论基础
2.1 概述
地质异常单元及其划分的理论基础是“地质异常致矿理论”。70年代中期，原苏联学者M.A.Favorskaya和I.N.Tomson[3]认为：“矿体是与其它类型地质异常（geological anomalies）相联系的地球化学异常”。首次提出了地质异常的概念。70年代末，原苏联学者D.A.Gorelov[3]从统计的角度给出了地质异常的定义：“地质异常是指在构造演化特定阶段，地壳某一区段内地质体的总体特征在统计意义上偏离同类地质体的总体背景”。90年代初，中国学者赵鹏大等[4]提出：“地质异常是在结构、构造或成因序次上与周围环境有着明显差异的地质体或地质体组合”。并认为：“与成矿作用有密切关系的地质因素控制而形成的地质异常体的存在是矿床形成的必备条件，这种地质异常体所表现的‘地质异常，则是指示矿床存在的标志。”从本质上阐明了地质异常的概念及其与矿床（化）的关系。
2.2 致矿地质异常
“地质异常并不一定导致成矿，但矿床形成必然以地质异常的存在为前提”[5]。致矿地质异常系指与矿床的形成和分布具有内在联系的地质异常。它可初步划分为两种类型：控矿地质异常和地质矿异常。前者是指控制矿床形成和分布的地质因素，如控矿地层、控矿构造和控矿侵入体等；后者是指矿床及其原生晕、次生晕和由其引起的物化探、遥感异常等。在中小比例尺矿产统计预测中，预测的目标是成矿远景区（带），因此，整个致矿地质异常都是预测目标；而在大比例尺矿产预测中，预测目标是矿体及其组合，只有地质矿异常才是真正的预测目标。
不同尺度水平的地质异常与不同等级的矿产资源体之间的依次对应控制关系是“地质异常致矿理论”研究的一项重要内容。业已表明[6]：全球地质异常控制着洲际成矿带的分布；区域性地质异常控制成矿省和成矿区带的分布；局部地质异常控制矿田、矿床、矿体的分布；显微地质异常是矿体空间定位的标志。
2.3 地质异常与复杂度
某些学者[3]认为，矿场地质结构异常（atypicality）的概念一定不要与复杂度（complexity）、非均质性（heterogeneity）和变化梯度（gradient）等类似的概念相混淆。“复杂度”和“异常”的概念是相似的，但不是完全等同的。含矿区段的地质结构不是简单（和绝对）的复杂，而是区别于其周围环境的异常。构造带结构越复杂，矿质越不易被封闭。但这里有一个尺度效应问题。对于受全球地质异常和区域地质异常控制的全球成矿带（如环太平洋成矿带）和成矿省、成矿区带这样的I、Ⅱ级致矿地质异常单元而言，地质异常与复杂度是近于等同。即地质异常的强度与复杂度成正比。某些大型内生金属矿产分布于地质复杂度高的地质异常中。譬如，原苏联Kuznets Alatau内生磁铁矿矿化带分布于地质复杂度的高值区域[3]，中国一些已知大型内生金属矿产亦分布于地质复杂度高的地质异常区[6]。在矿床、矿体尺度水平上，以地质复杂度标度的地质异常与地质矿异常（矿床、矿体）在空间分布上存在着明显的差异。例如，在中国腾冲地区，金矿床（点）分布于断裂组合熵标度的地质异常的边缘[5]。这是因为地质结构高度复杂的区域是活动区，多期次的构造－岩浆活动为深部矿液的运移提供了通道和动力，而矿液的沉淀则需要一个相对稳定的空间。绝大多数内生金属矿床不是赋存于多期复活大断裂中和多组构造的交叉点上，而是赋存于大断裂的次一级断裂中和多组断裂交汇的附近区域。这就启示我们在大比例尺矿床统计预测中，应主要根据地质矿异常标志信息和控矿地质异常信息构置成矿有利度综合预测变量，用成矿有利度（ore-forming favorability）而不是单纯根据复杂度标度地质矿异常。
3 地质异常单元的基本特点
“地质异常单元法”具有以下基本特点：
（1）由于地质异常是能够定量表达并具有强弱的性质。因此，可按某种准则确定其临界值定量圈定异常单元，这样有利于实现单元划分的自动化。地质异常具有空间概念。根据临界值圈定的异常单元是一个空间实体。可利用数学手段研究其各种成矿信息的数学特征（几何特征、空间特征、结构特征和统计特征）及其变异性，有利于深化异常单元的立体评价，以实现三维成矿预测。
（2）由于地质异常在结构和物质组成上都与其周围环境存在着显著的差异和统计意义上的偏离；因此，地质异常总应伴有不同强度的物化探和遥感异常。前者是后者形成的根源，后者是在物理上、化学上对前者的反映。我们可以利用物化探和遥感等信息综合定量标度地质异常[7]，从而奠定了地质异常单元综合定量划分的方法学基础。
（3）按抽样理论，地质异常单元法满足统计理论的要求：统计样品应来自同一母体，保证抽样的随机性和样品的代表性。根据“地质异常致矿理论”，单元都是由同一地质异常标度、同一方法综合定量划分的，从而保证在同一成矿地质背景下单元的同母体性。单元划分取决于致矿地质异常的强度，大于某一临界值的区域都被视为单元。单元划分不受其先后序次的影响，即单元之间是相互独立的。由于地质异常事件可视为小概率随机事件，保证了抽样的随机性。
（4）地质异常单元法划分的单元较客观地反映了矿产资源体产出的地质特征及空间分布趋势。单元是矿体存在（或可能存在）的具体位置，单元空间是矿化的可能区域。正是上述特征保证了地质异常体及其信息的完整性。该方法划分的单元使单元和矿产资源体的等级性与地质异常的尺度水平达到了高度统一。不同尺度水平的地质异常与不同等级的单元和矿产资源体一一对应。由于每个单元都是具有不同成矿概率的矿化局域，所以单元空间整体分布特征较客观地反映了矿产资源体的分布趋势。
（5）地质异常单元具有复杂性特点。这是由地质异常和矿产资源体的层次性以及背景和异常的相对性等因素所决定的。譬如，大比例尺矿床统计预测通常是在中、小比例尺区域预测的最优靶区内（或已知矿化的局域）进行的。在中、小比例尺尺度上，这一成矿的有利局域虽然在某种组分和结构上被认为与周围环境迥然不同，但在局域内部则被认为是相对均质的，即单元内任何部分都具有等同的成矿概率。但是，在大比例尺尺度信息水平上这一局域与区域具有等同的复杂性（表1）。表1表明：1:20万信息水平的区域地质异常与1:5万信息水平的局部地质异常在异常复杂性、异常信息和成矿功能等方面表现出高度的自相似性。即在近400km2范围的1:5万信息水平的局部地质异常特征近似地反映了约40000km2范围的1:20万信息水平的区域地质异常特征。不同尺度地质异常的这种自相似（分形）结构特征启示我们：浓缩整个区域成矿信息的局部区段是成矿的最佳远景地段，通过对该地段的详细解剖可近似地认识整个区域的致矿地质异常特征。
表1 鲁西金矿化集中区区域地质异常与铜石金矿田局部地质异常对比
据陈永清.鲁西综合信息金成矿系列预测理论和方法研究（博士学位论文），长春地质学院，1994.
4 地质异常单元的划分方法
地质异常单元的划分方法是一个探索中的课题。这是由地质异常的复杂性所决定的。不同尺度的地质异常具有不同的信息水平和研究内容，当然其定量计算方法亦有所不同。在大比例尺矿床统计预测中，地质异常单元划分与该尺度矿床预测的一系列特点相联系。大比例尺成矿预测的一个显著特征是预测目标由成矿远景区（中、小比例尺）变为矿体和矿体组合。因此，预测的准确度、精度以及资料水平要高，预测难度大，而预测的成果可直接产生经济效益和社会效益。根据这一特点，大比例尺矿床统计预测中的地质异常单元划分包括以下内容：①在地质异常致矿理论指导下，利用高新信息处理技术从多学科地学资料中提取“诊断性”致矿地质异常信息；②选择合适的数学方法，利用现代计算和图像处理技术对上述信息进行有效合成；③运用合成（综合）信息值绘制地质异常图，然后确定临界值，在地质异常图上圈定地质异常单元。下面以地质异常单元在山东西部归来庄金矿区大比例尺金矿统计预测中的应用为例阐明其划分方法和应用效果。
4.1 地质概况
研究区位于鲁西断块隆起平邑—费县中生代断陷火山岩盆地南西边缘的北西向隆起带。控矿岩体为燕山期次火山杂岩体（铜石岩体）。该岩体主要由二长闪长玢岩和二长正长斑岩及相应成分的脉岩组成，并以富K2O（4.06%～10.12%）和Au（5.40×10-9～12.46×10-9）为异常特征。控矿地层主要为前寒武纪泰山群变质岩系和寒武－奥陶系碳酸盐岩系。前者主要岩性是斜长角闪片岩、片麻岩等，并以富含Au（5.90×10-9～139×10-9）、Cr、Ni、Co、V等组分为异常特征；后者主要岩性是白云质灰岩、硅质灰岩和泥灰岩。控矿构造主要为EW、NW和NE向断层系统及其控制的隐爆角砾岩带。已知金的工业矿体赋存于岩体东侧受EW向断层控制的隐爆角砾岩相中，其典型矿物组合是自然金、银金矿和碲金矿；其异常元素组合是Au-Ag-Te。
4.2 信息提取及信息合成
研究区资料包括1:1万矿区地质图、1:1万高精度磁测数据和1:1万Au、Ag、Cu、Pb和Zn等元素土壤地球化学数据。信息提取及合成包括单学科信息提取及合成和多学科信息提取及合成。该项工作的开展以“地质异常致矿理论”为前提，以各学科研究的方法原理为准则，以解决地质问题为目的。
4.2.1 单学科信息提取及合成
高精度磁测数据主要用于研究不同地质体的异常边界、隐伏地质体的三维分布以及断裂格局等。其实质是通过对磁场磁性体地质体特征的对比分析，揭示三者之间的内在联系，从而达到解决上述地质问题之目的。具体做法是对高磁数据首先化极，然后做不同高度（100m、300m、500m）的位场变换并求取各高度、四个方向（0°、45°、90°、135°）的水平一阶导数和垂向二阶导数，提取磁特征线（一阶水平导数极值线和垂向二阶导数零值线），编制高磁特征构造异常图。将该图与同比例尺地质图相叠置，据出露地质体的磁场特征推断其隐伏边界和各种磁性界面（线形和环形界面），编制地质地球物理构造骨架异常图（图1）。
图1 归来庄金矿区地质地球物理异常
1—第四系，2—侏罗纪火山沉积岩；3—奥陶纪碳酸盐岩；4—寒武纪碳酸盐岩；5—太古宙变质岩；6—燕山期闪长玢岩；7—燕山期正长斑岩；8—隐爆角砾岩；9—深断裂；10—推测深断裂；11—浅断裂；12—推测浅断裂；13—金矿床
1:1万土壤地球化学测量数据用于确立地质矿异常的空间定位。首先对其数据分别做标准化数据处理，并编制相应的标准化地球化学图[8]；然后通过相关分析和因子分析确立成矿元素（Au）组合。对组合元素的标准化数据应用（1）式合成。
数学地质和地质信息
式中：yi为第i个测点的组合元素合成值；xj为组合元素中第j个元素的标准化值；n为测点；m为组合元素数。
据yi值编制成矿组合元素的综合标准化地球化学图（图2）。在该图上取等值线由疏变密的临界线作为组合元素的异常下限，并圈定组合元素异常。组合元素异常比单元素异常更准确地反映地质矿异常的可能位置。研究区成矿元素组合为Au-Ag-Cu。
图2 地球化学地球物理异常图
4.2.2 多学科信息合成
多学科信息合成包括定性合成和定量合成。定性合成是将上述单学科提取及合成的地质、地球物理和地球化学信息按空间坐标用不同的符号综合表达到一幅图上，形成综合地质异常（即图1和图2的空间合成）。定量合成是将综合地质异常图上的信息按一定规则取值，并将不同信息的值按一定的数学法则合成，据合成值绘制定量地质异常图。定性合成是定量合成的基础。综合地质异常图全面反映了研究区地质体（地层和岩体）和矿产资源体（矿床、矿体）的地质、地球物理及地球化学特征。对层状岩系而言，中生代火山沉积岩通常显示正磁场特征，而前寒武、奥陶纪碳酸盐岩系则显示负磁场特征。就块状岩系而论，岩性相同的侵入体，磁场强度不同，矿化强度亦有差异。譬如，研究区中部的岩体磁场强度大，Au-Ag-Cu组合异常强度亦大，并有绕等轴状磁场呈环形分布的趋势。其周围出露的小岩体则磁场强度低，组合异常强度亦低或无异常显示。Au-Ag-Cu组合异常除具岩（侵入岩）控性质外，亦具有裂控性质。异常分布总体上受中部侵入岩控制，但是具体受不同方面的断裂控制。异常浓集中心的方向性排列表明：组合异常可分为EW、NW和NE三组，其浓集中心通常分布多组断裂的交汇域（图1和图2）。因此，在大比例尺成矿预测中，断裂的具体控矿作用比岩体的总体控矿作用显得更重要。
4.3 圈定地质矿异常单元
地质矿异常单元是在致矿地质异常图上圈定的。致矿地质异常图是根据控矿地质异常信息（变量）和Au-Ag-Cu组合异常强度信息（变量）的合成值绘制的。
（1）控矿地质异常信息的提取及合成
具体控制矿体就位的地质异常是断裂构造和不同地质体的接触面构造。单位面积内断裂的规模，不同方向断裂的交点数和岩性数反映了控矿地质异常的复杂程度。因此，以单位面积内断裂交点数和岩性数的和为权系数乘以相应单位面积中各方向断裂的总长度，将其乘积作为度量控矿地质异常复杂度的参数。其计算公式为：
数学地质和地质信息
式中：cx为复杂度；n1为单位面积内断裂交点数；n2为单位面积内岩性数；lf为单位面积内各方向断裂的总长度。
（2）成矿元素组合异常信息的提取及合成
将单位面积内成矿元素组合异常的最高值与其相应异常面积的乘积作为度量异常强度的参数。其计算公式为：
数学地质和地质信息
式中：M1代表异常强度；ymax代表单位面积内异常最大值；S代表单位面积内的异常范围。
（3）致矿地质异常图的编制
致矿地质异常的计算公式为：
数学地质和地质信息
图3 归来庄金矿区致矿地质异常
式中：Of代表致矿地质异常强度；cx和M1分别代表控矿地质异常复杂度和成矿元素组合异常强度。
根据Of值编制致矿地质异常图（图3）。
在致矿地质异常图上，选择等值线由疏变密的临界值作为异常下限，圈定地质矿异常单元，以图2为例，取7为异常下限，共圈定5处致矿地质异常单元，其中Ⅴ号单元是归来庄金矿床所在单元。
5 结论
地质异常单元及其划分方法具有坚实的地质理论基础，并符合统计抽样原理。在具体划分程序上利用现代计算机和图像处理等高新技术，最终以综合信息自动定量标度单元边界，从而为成矿预测的自动实现奠定了基础。该方法在大比例尺金矿预测中取得了预期效果。由于不同尺度水平的地质异常与不同等级的矿产资源体相对应，并具有依次控制关系，因此，该方法亦适用于中、小比例尺矿产资源预测。然而，人类对自然界的认识是无止境的，不断提高成矿预测的准确度和精度是数学地质研究的一个永恒主题。赵鹏大[1]曾经指出：目前，困扰成矿预测及矿产勘查精度和效果的主要原因归根结底是成矿信息获取的不充分性和线性预测模型的局限性。解决这一问题的有效途径是运用系统科学和非线性科学的原理，以现代高新信息处理技术为手段，研制提取深层次矿化信息和建立高精度（非线性）预测模型的方法技术。这正是有待我们进一步探索的课题。
参考文献
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