宋玉冰

（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心吉林總隊(duì)，吉林 長(zhǎng)春 130000）

按照單質(zhì)密度大小，金屬元素可以分為重金屬元素和輕金屬元素，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下單質(zhì)密度大于3500kg/m3的金屬元素稱之為重金屬元素，常見(jiàn)的重金屬元素有汞、鎘、鉛等毒性較大的元素，重金屬元素主要來(lái)源于礦床開采，主要賦存于地質(zhì)礦物中。由于重金屬元素具有較大的毒性，對(duì)人們身體健康具有一定的危害，因此對(duì)于重金屬元素檢測(cè)是一項(xiàng)非常重要的工作，因此地質(zhì)礦物中重金屬元素異常信息提取技術(shù)也就成為了重金屬元素檢測(cè)中的一項(xiàng)核心技術(shù)。隨著人們對(duì)地球化學(xué)元素分布特征認(rèn)識(shí)的演化，地質(zhì)礦物中重金屬信息異常提取方法的發(fā)展也經(jīng)歷了有簡(jiǎn)單到復(fù)雜的過(guò)程，最初發(fā)展起來(lái)的地質(zhì)礦物中重金屬元素異常信息提取方法主要是基于樣本數(shù)據(jù)的分布特征，這一類方法主要包括數(shù)值模擬法、Gap 統(tǒng)計(jì)量法等，基本都是提出重金屬元素潛在的假設(shè)，統(tǒng)計(jì)異常重金屬元素樣本分布特征。后來(lái)大數(shù)據(jù)技術(shù)逐漸應(yīng)用到地質(zhì)礦物中重金屬元素異常信息提取方法中，這一類方法主要包括數(shù)據(jù)分析法、層次分析法、空間加權(quán)主成分分析法等，這幾類方法也是目前比較常用的方法，但是在實(shí)際應(yīng)用中傳統(tǒng)方法仍然存在一些問(wèn)題，為此提出地質(zhì)礦物中重金屬元素異常信息提取方法研究。

1 地質(zhì)礦物中重金屬元素異常信息提取現(xiàn)狀

地質(zhì)礦物中重金屬元素異常信息提取實(shí)質(zhì)是地球化學(xué)異常信息提取的問(wèn)題，首先對(duì)地質(zhì)礦物中重金屬元素化學(xué)信息提取就具有一定難度，因?yàn)榈刭|(zhì)礦物中含有的化學(xué)物質(zhì)種類非常多，且地質(zhì)礦物的化學(xué)分布由不具有一定的規(guī)律性，因此對(duì)于地質(zhì)礦物中重金屬元素異常信息提出困難程度就更高一些。就目前該方面技術(shù)條件而言，雖然能夠提取到一些基本的地質(zhì)礦物中重金屬元素異常信息，比如地質(zhì)礦物中重金屬空間分布異常信息，但是無(wú)法判斷地質(zhì)礦物中重金屬元素異常屬于單金屬異常還是多金屬異常，提取到的異常信息不夠全面。除此之外，目前該方面采用的技術(shù)手段比較單一，主要是以地球化學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論作為理論技術(shù)，使用的技術(shù)仍然是一些傳統(tǒng)技術(shù)，比如數(shù)據(jù)模擬技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等，在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)漏提、錯(cuò)提現(xiàn)象，提取到的錯(cuò)誤信息較多，導(dǎo)致傳統(tǒng)地質(zhì)礦物中重金屬元素異常信息提取方法精度較低，并且提取效率也比較低，信息提取程序繁多，不便于操作，并且對(duì)于技術(shù)人員的專業(yè)技能要求較高，致使目前地質(zhì)礦物中重金屬元素異常信息提取方法可靠度和實(shí)用性較低[1]。所以本文針對(duì)目前地質(zhì)礦物中重金屬元素異常信息提取方法存在的弊端，設(shè)計(jì)一套新的提取方案，降低地質(zhì)礦物中重金屬元素異常信息提取到的錯(cuò)誤信息的比重，提高提取方法的精準(zhǔn)度。

2 地質(zhì)礦物中重金屬元素異常信息提取方法設(shè)計(jì)

地質(zhì)礦物中重金屬元素異常信息提取方法主要采用對(duì)化學(xué)元素的異常進(jìn)行判斷，通過(guò)對(duì)地質(zhì)礦物中重金屬元素化學(xué)特征分析，提取到重金屬元素空間分布異常信息，具體流程如下圖所示。

圖1 地質(zhì)礦物中重金屬元素異常信息提取流程

首先要對(duì)地質(zhì)礦物測(cè)量的金屬元素?cái)?shù)據(jù)信息進(jìn)行歸類分析，根據(jù)元素單質(zhì)密度分析因子區(qū)別測(cè)量到的數(shù)據(jù)信息中重金屬元素信息和輕金屬元素信息，對(duì)其中重金屬元素信息收集[2]。然后對(duì)收集到的重金屬元素信息的“奇異性”進(jìn)行分析，即計(jì)算地質(zhì)礦物中局部重金屬元素密集系數(shù)，確定地質(zhì)礦物中重金屬元素空間分布信息。最后將各個(gè)信息進(jìn)行融合，最終提取到地質(zhì)礦物中重金屬元素異常信息。

2.1 地質(zhì)礦物中重金屬元素?cái)?shù)據(jù)獲取

地質(zhì)礦物中含有的金屬元素種類比較多，如何從地質(zhì)礦物中獲取到有關(guān)重金屬元素相關(guān)數(shù)據(jù)信息，是地質(zhì)礦物中重金屬元素異常信息提取過(guò)程中首要解決的問(wèn)題，針對(duì)該問(wèn)題本文提出基于光譜測(cè)量?jī)x采集地質(zhì)礦物中重金屬元素?cái)?shù)據(jù)。地質(zhì)礦物中包含重金屬元素和輕金屬元素，兩個(gè)元素本質(zhì)區(qū)別在于單質(zhì)密度，因此選取由英國(guó)KGH（Knalytucal Gpectral Hevices）公司生產(chǎn)的手持光譜測(cè)量?jī)x測(cè)量地質(zhì)礦物中金屬元素的單質(zhì)密度，其獲取地質(zhì)礦物中重金屬元素?cái)?shù)據(jù)過(guò)程如下：首先將地質(zhì)礦物樣本平攤開，嚴(yán)格按照光譜測(cè)量?jī)x使用說(shuō)明書，將光譜測(cè)量?jī)x提前預(yù)熱10-15min，并且將白板定標(biāo)校準(zhǔn)，光譜測(cè)量?jī)x均垂直下方對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量，垂直高度在0.56m～0.75m 范圍內(nèi)，測(cè)量樣品間隔為1.25nm，光譜分辨率為5.5nm，波長(zhǎng)范圍需要嚴(yán)格控制在1266.65nm～1465.55nm 范圍內(nèi)。在測(cè)量過(guò)程中至少要保持與水平面法線都在±16°之內(nèi)，距離樣品大約0.01m。白板的定標(biāo)要貫穿在光譜處理過(guò)程中，每15min 進(jìn)行一次定標(biāo)，保證地質(zhì)礦物金屬元素單質(zhì)密度測(cè)量質(zhì)量[3]。測(cè)量完成后會(huì)收集到大量的金屬元素單質(zhì)密度數(shù)據(jù)，以3500kg/m3單質(zhì)密度為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)獲取的金屬元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分類，選取單質(zhì)密度大于3500kg/m3的金屬元素?cái)?shù)據(jù)作為獲取目標(biāo)，因?yàn)橹亟饘僭貑钨|(zhì)密度均大于3500kg/m3，將符合這一類要求的所有金屬元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一保持，并根據(jù)具體單質(zhì)密度值的大小確定地質(zhì)礦物中含有的重金屬元素種類，將測(cè)量到的各類重金屬元素相關(guān)信息分類收集，用于后續(xù)地質(zhì)礦物中重金屬元素異常信息提取。

2.2 提取地質(zhì)礦物中重金屬元素異常信息

獲取到地質(zhì)礦物中重金屬元素相關(guān)信息后，要對(duì)獲取到的信息進(jìn)行分析，分析的主要內(nèi)容為地質(zhì)礦物中重金屬元素空間分布情況，進(jìn)而提取到有關(guān)重金屬元素異常信息。正常情況下，地質(zhì)礦物中重金屬元素分布是別叫均衡的，當(dāng)某一局部出現(xiàn)重金屬元素聚集現(xiàn)象，將其判斷為重金屬元素異常。此次采用奇異性異常分布方法對(duì)地質(zhì)礦物中重金屬元素信息進(jìn)行分析，其分析過(guò)程如下：首先選取地質(zhì)礦物某一局部鄰域，將該區(qū)域定義為，調(diào)取該區(qū)域內(nèi)重金屬元素?cái)?shù)據(jù)，將該區(qū)域內(nèi)的重金屬量用表示，假設(shè)重金屬元素量服從多重分形分布，則有以下公式成立：

公式（1）中，c 表示地質(zhì)礦物局部鄰域N 在空間上的位置；n 表示地質(zhì)礦物局部鄰域N 的尺度大小。假設(shè)該局部鄰域上重金屬元素的平均密度只為p ，進(jìn)而得到：

公式（2）中，E 表示歐式空間維數(shù)，通常情況下E 去數(shù)值2；X 為地質(zhì)礦物局部鄰域N 的重金屬元素異常系數(shù)；T 表示在分形幾何空間中重金屬元素分布的分形密度。將上文獲取到的地質(zhì)礦物中重金屬元素?cái)?shù)據(jù)帶入到公式（1）和公式（2）中，即可計(jì)算得到地質(zhì)礦物局部重金屬元素密集系數(shù)和重金屬元素分布的分形密度，該兩項(xiàng)數(shù)值表示著地質(zhì)礦物中局部重金屬元素空間分布情況，局部重金屬元素密集系數(shù)和重金屬元素分布的分形密度越大，表示該局部重金屬元素越異常，因此將該兩個(gè)數(shù)值作為地質(zhì)礦物中重金屬元素異常信息提取因子，當(dāng)局部重金屬元素密集系數(shù)和重金屬元素分布的分形密度超出其他區(qū)域數(shù)值時(shí)，則表示該區(qū)域重金屬元素異常，提取到對(duì)應(yīng)的重金屬元素信息，比如元素名稱、分布密度等，以此完成地質(zhì)礦物中重金屬元素異常信息提取。

3 實(shí)驗(yàn)論證分析

實(shí)驗(yàn)以某區(qū)域?yàn)閷?shí)驗(yàn)環(huán)境，在該區(qū)域中隨機(jī)選取5 個(gè)地質(zhì)礦物樣本作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采集的地質(zhì)礦物樣本用黑色容器收集，避免陽(yáng)光照射影響到地質(zhì)礦物中重金屬元素分布，實(shí)驗(yàn)利用此次設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法對(duì)采集到的地質(zhì)礦物中重金屬元素異常信息進(jìn)行提取，對(duì)兩種方法進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)中兩種方法對(duì)每個(gè)地質(zhì)礦物樣本進(jìn)行三次信息提取，選取其中最合理數(shù)據(jù)作為最終提取結(jié)果，然后將兩種方法提取到的重金屬異常信息與實(shí)際值相比較，記錄兩種方法提取到的錯(cuò)誤信息量，將其作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)兩種方法進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示。

表1 兩種方法提取錯(cuò)誤異常信息量對(duì)比（bit）

從上表可以看出，設(shè)計(jì)方法提取到的錯(cuò)誤信息量比較少，基本可以控制在1bit 以下。而傳統(tǒng)方法提取到的重金屬元素異常錯(cuò)誤信息量較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于設(shè)計(jì)方法，并且占實(shí)際信息量的比較也比較大，因此實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)方法更適用于地質(zhì)礦物中重金屬元素異常信息提取。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)地質(zhì)礦物中重金屬元素異常信息提取方法進(jìn)行了研究，結(jié)合個(gè)人經(jīng)驗(yàn)以及查閱的參考資料，提出一套新的地質(zhì)礦物中重金屬元素異常信息提取理論，并利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該理論適用于地質(zhì)礦物中重金屬元素異常信息提取。此次研究為地質(zhì)礦物中重金屬元素異常信息提取提供了有利的參考依據(jù)，有助于提高地質(zhì)礦物中重金屬元素異常信息提取技術(shù)水平。但是此次研究仍存在一些不足之處，對(duì)于地質(zhì)礦物中重金屬元素異常信息的分析得到了理想的效果，但是對(duì)于物質(zhì)中重金屬元素異常信息提取還可以結(jié)合其它有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，以期得到更加科學(xué)合理的結(jié)果。