一种基于GIS空间分析选择地球化学元素组合的方法

摘要

一种基于GIS空间分析选择地球化学元素组合的方法，包括以下步骤：对地球化学元素进行预处理；对经过预处理的地球化学元素进行多重分形谱分析，并计算不对称指数；对多重分形谱左偏的地球化学元素进行ROC曲线分析，计算每个地球化学元素的ROC曲线下的面积AUC的值和用以检验AUC的值在不同置信水平下与AUC＝0.5的差异的Z

说明书

技术领域

本发明涉及地球科学技术领域，尤其涉及一种基于GIS(Geographic InformationSystem,地理信息系统)空间分析选择地球化学元素组合的方法。

背景技术

矿产勘查面临新形势，找矿环境由简单转向复杂，找矿方法由定性转向定量，找矿重点由浅表矿转向复杂地质条件下覆盖区和深部矿。复杂地质条件下矿产勘查尤其是地球化学勘查面临诸多挑战，如由于埋深以及覆盖层屏蔽的影响，导致找矿信息微弱；地质构造复杂，造成找矿信息混杂，难分解；覆盖层的存在往往导致找矿信息不清晰、不完备、难判断。如何有效识别和提取复杂地质条件下弱缓地球化学异常是当前矿产勘查的关键。此外，我国自1978年以来，已经积累了大量高质量的、多元素的、多尺度的地球化学数据，这些数据不仅为我国的找矿勘查与环境评价做出了重要贡献，还为全球地球化学填图，全球地球化学参考网的建立和地球化学基准值的确定等奠定了重要基础。在此背景下，研发复杂地质条件下地球化学异常识别和提取技术，对勘查地球化学数据进行充分利用和再开发，进而提取成矿作用导致的地球化学异常并带动找矿突破，显得尤为重要。

目前主要从多空间、多尺度和多元素等开展复杂地质条件下弱缓地球化学异常识别和提取，如经验模式分解法、多重分形滤波技术、局部奇异性方法、局部稳健富集系数法和局部Gap空间统计量方法。这些方法通常需要利用主成分分析(或因子分析)进行预处理进行降维，并寻求能代表研究区典型成矿作用导致的地球化学元素组合，再利用如经验模式分解法、局部奇异性等方法进行弱缓地球化学异常识别和提取。然而选择哪些元素进行主成分或因子分析，以及如何选择成矿作用导致的地球化学异常元素组合常常因人而异，目前没有统一的认识。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于GIS空间分析选择地球化学元素组合的方法，该方法能够有效提取成矿作用导致的地球化学异常，为进一步的矿产勘查提供更有指示意义的地球化学参考依据。

本发明提供一种基于GIS空间分析选择地球化学元素组合的方法，包括以下步骤：

基于GIS，对收集到的地球化学元素进行预处理；

对经过预处理的每一个地球化学元素进行多重分形谱分析，并计算每一个地球化学元素的不对称指数，所述不对称指数的数值大小反映多重分形谱的不对称性，所述多重分形谱的不对称性包括多重分形谱左偏、多重分形谱右偏和多重分形谱对称分布，所述多重分形谱左偏表示地球化学元素在研究区域明显富集利于成矿；

对多重分形谱左偏的地球化学元素进行ROC(receiver operatingcharacteristic，受试者工作特征)曲线分析，根据ROC曲线分析计算每个地球化学元素的ROC曲线下的面积AUC的值和用以检验AUC的值在不同置信水平下与AUC＝0.5的差异的Z_AUC的值，所述AUC和Z_AUC的值的大小反映地球化学元素与已知矿床的空间关系；

对成矿地质特征进行分析，通过参考研究区的成矿模式以及研究富集矿物，可以初步判断成矿作用导致的地球化学异常；

根据成矿地质特征、不对称指数、AUC和Z_AUC综合选择成矿作用导致的地球化学元素组合。

进一步地，所述计算每一个地球化学元素的不对称指数具体包括以下步骤：

(2.1)将研究区域划分为一系列边长为ε的正方形网格，设μ_i为第i个正方形网格内的金属量，依据多重分形理论，建立金属量μ_i与ε的表达式：

式中，α_i为局部奇异性指数，局部奇异性指数α_i可反映局部的成矿奇异性程度和矿化富集程度，局部奇异性指数α_i被限制在一个有限区间[α_min,α_max],其中-∞≤α_min≤α_max≤+∞,α_min是最小的局部奇异性指数，α_max是最大的局部奇异性指数；

(2.2)求取研究区域内所有局部位置的局部奇异性指数α_i，按照局部奇异性指数α_i的大小对正方形网格进行分组，每组包含有限个局部奇异性指数α_i，设N_ε(α)为各分组内正方形网格的数目，根据地球化学元素分布的多重分形特征，建立N_ε(α)与ε的表达式：

N_ε(α)∝ε^-f(α)

式中，f(α)表示该地球化学分布模式的多重分形谱；

(2.3)利用局部奇异性指数α_i求解不对称指数R，不对称指数R的计算公式为：

式中：α(0)为f(α)的切线斜率为0时对应的局部奇异性指数；R>1,表示多重分形谱左偏；R<1，表示多重分形谱右偏；R＝1，表示多重分形谱对称分布。

进一步地，所述ROC曲线分析具体包括以下步骤：

(3.1)以敏感性为纵坐标代表真阳性率，以特异性为横坐标代表假阳性率，绘制接受者操作特征曲线，设正样本i^th的预测值为{x_i,i＝1,2,…P}，负样本j^th的预测值为{y_j,j＝1,2,…n}，对每个地球化学元素的ROC曲线下的面积AUC的值进行求解，AUC的值的计算公式为：

式中，

(3.2)对AUC的方差S_AUC进行求解，S_AUC的计算公式为：

式中，

(3.3)对用以检验AUC的值在不同置信水平下与AUC＝0.5的差异的Z_AUC的值进行求解，Z_AUC的计算公式为：

式中，Z_AUC服从标准正态分布，AUC的值在0到1的范围内，AUC>0.5,表示地球化学模式与已发现矿床具有显著地空间相关关系；AUC的值越大，表示地球化学模式与已发现矿床的空间相关关系越强。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明采用多重分形谱分析确定地球化学元素的空间分布与富集特征，利用ROC曲线分析多重分形谱左偏的地球化学元素与已发现矿床的空间耦合关系，并结合成矿地质特征确定地球化学元素组合，这些地球化学元素组合对成矿作用导致的地球化学异常具有更高的识别能力，并且能够有效地排除噪声的干扰，可以为进一步的矿产勘查提供更有指示意义的地球化学参考依据。

附图说明

图1是本发明一种基于GIS空间分析选择地球化学元素组合的方法的流程示意图。

图2是本发明一实施例的多重分形谱图。

图3是本发明一实施例的ROC曲线分析图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种基于GIS空间分析选择地球化学元素组合的方法，包括以下步骤：

S101，基于GIS，对收集到的地球化学元素进行预处理。

S102，对经过预处理的每一个地球化学元素进行多重分形谱分析，并计算每一个地球化学元素的不对称指数R，不对称指数R的数值大小反映多重分形谱的不对称性，多重分形谱的不对称性包括多重分形谱左偏、多重分形谱右偏和多重分形谱对称分布，多重分形谱左偏表示地球化学元素在研究区域明显富集利于成矿。

计算每一个地球化学元素的不对称指数R具体包括以下步骤：

(2.1)将研究区域划分为一系列边长为ε的正方形网格，设μ_i为第i个正方形网格内的金属量，依据多重分形理论，建立金属量μ_i与ε的表达式：

式中，α_i为局部奇异性指数，局部奇异性指数α_i可反映局部的成矿奇异性程度和矿化富集程度，局部奇异性指数α_i被限制在一个有限区间[α_min,α_max],其中-∞≤α_min≤α_max≤+∞,α_min是最小的局部奇异性指数，α_max是最大的局部奇异性指数；

(2.2)求取研究区域内所有局部位置的局部奇异性指数α_i，按照局部奇异性指数α_i的大小对正方形网格进行分组，每组包含有限个局部奇异性指数α_i，每组内的局部奇异性指数α_i十分接近，设N_ε(α)为各分组内正方形网格的数目，根据地球化学元素分布的多重分形特征，建立N_ε(α)与ε的表达式：

N_ε(α)∝ε^-f(α)

式中，f(α)表示该地球化学分布模式的多重分形谱，参考图2，一实施例中，f(α)是一条曲线；

(2.3)利用局部奇异性指数α_i求解不对称指数R，不对称指数R的计算公式为：

式中：α(0)为f(α)的切线斜率为0时对应的局部奇异性指数；R>1,表示多重分形谱左偏；R<1，表示多重分形谱右偏；R＝1，表示多重分形谱对称分布。

S103，对多重分形谱左偏的地球化学元素进行ROC曲线分析，根据ROC曲线分析计算每个地球化学元素的ROC曲线下的面积AUC的值和用以检验AUC的值在不同置信水平下与AUC＝0.5的差异的Z_AUC的值,AUC和Z_AUC的值的大小反映地球化学元素与已知矿床的空间关系。

ROC曲线分析具体包括以下步骤：

(3.1)以敏感性为纵坐标代表真阳性率，以特异性为横坐标代表假阳性率，绘制接受者操作特征曲线，图3为一实施例中ROC曲线的示意图，设正样本i^th的预测值为{x_i,i＝1,2,…P}，负样本j^th的预测值为{y_j,j＝1,2,…n}，对每个地球化学元素的曲线下的面积AUC的值进行求解，AUC的值的计算公式为：

式中，

(3.2)对AUC的方差S_AUC进行求解，S_AUC的计算公式为：

式中，

(3.3)对用以检验AUC的值在不同置信水平下与AUC＝0.5的差异的Z_AUC的值进行求解，Z_AUC的计算公式为：

式中，Z_AUC服从标准正态分布，一实施例中，Z_AUC的值在-1.96到1.96的范围内；AUC的值在0到1的范围内，AUC>0.5,表示地球化学模式与已发现矿床具有显著地空间相关关系；AUC的值越大，表示地球化学模式与已发现矿床的空间相关关系越强。

S104,分析成矿地质特征，通过参考研究区的成矿模式以及对富集矿物的研究，可以初步判断成矿作用导致的地球化学异常。

S105,根据成矿地质特征、不对称指数、AUC和Z_AUC综合选择成矿作用导致的地球化学元素组合。

一实施例中，对典型矿床进行分析，根据矿床的成矿地质特征，R>1、AUC>0.5和Z_AUC>1.96，遴选成矿作用导致的地球化学元素组合。

本发明采用多重分形谱分析确定地球化学元素的空间分布与富集特征，利用ROC曲线分析多重分形谱左偏的地球化学元素与已发现矿床的空间耦合关系，并结合成矿地质特征确定地球化学元素组合，这些地球化学元素组合对成矿作用导致的地球化学异常具有更高的识别能力，并且能够有效地排除噪声的干扰，可以为进一步的矿产勘查提供更有指示意义的地球化学参考依据。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。