地质矿物中重金属元素异常信息提取方法研究

宋玉冰

（中国建筑材料工业地质勘查中心吉林总队，吉林 长春 130000）

按照单质密度大小，金属元素可以分为重金属元素和轻金属元素，在标准状况下单质密度大于3500kg/m³的金属元素称之为重金属元素，常见的重金属元素有汞、镉、铅等毒性较大的元素，重金属元素主要来源于矿床开采，主要赋存于地质矿物中。由于重金属元素具有较大的毒性，对人们身体健康具有一定的危害，因此对于重金属元素检测是一项非常重要的工作，因此地质矿物中重金属元素异常信息提取技术也就成为了重金属元素检测中的一项核心技术。随着人们对地球化学元素分布特征认识的演化，地质矿物中重金属信息异常提取方法的发展也经历了有简单到复杂的过程，最初发展起来的地质矿物中重金属元素异常信息提取方法主要是基于样本数据的分布特征，这一类方法主要包括数值模拟法、Gap 统计量法等，基本都是提出重金属元素潜在的假设，统计异常重金属元素样本分布特征。后来大数据技术逐渐应用到地质矿物中重金属元素异常信息提取方法中，这一类方法主要包括数据分析法、层次分析法、空间加权主成分分析法等，这几类方法也是目前比较常用的方法，但是在实际应用中传统方法仍然存在一些问题，为此提出地质矿物中重金属元素异常信息提取方法研究。

1 地质矿物中重金属元素异常信息提取现状

地质矿物中重金属元素异常信息提取实质是地球化学异常信息提取的问题，首先对地质矿物中重金属元素化学信息提取就具有一定难度，因为地质矿物中含有的化学物质种类非常多，且地质矿物的化学分布由不具有一定的规律性，因此对于地质矿物中重金属元素异常信息提出困难程度就更高一些。就目前该方面技术条件而言，虽然能够提取到一些基本的地质矿物中重金属元素异常信息，比如地质矿物中重金属空间分布异常信息，但是无法判断地质矿物中重金属元素异常属于单金属异常还是多金属异常，提取到的异常信息不够全面。除此之外，目前该方面采用的技术手段比较单一，主要是以地球化学统计学理论作为理论技术，使用的技术仍然是一些传统技术，比如数据模拟技术、大数据技术等，在实际应用中经常出现漏提、错提现象，提取到的错误信息较多，导致传统地质矿物中重金属元素异常信息提取方法精度较低，并且提取效率也比较低，信息提取程序繁多，不便于操作，并且对于技术人员的专业技能要求较高，致使目前地质矿物中重金属元素异常信息提取方法可靠度和实用性较低[1]。所以本文针对目前地质矿物中重金属元素异常信息提取方法存在的弊端，设计一套新的提取方案，降低地质矿物中重金属元素异常信息提取到的错误信息的比重，提高提取方法的精准度。

2 地质矿物中重金属元素异常信息提取方法设计

地质矿物中重金属元素异常信息提取方法主要采用对化学元素的异常进行判断，通过对地质矿物中重金属元素化学特征分析，提取到重金属元素空间分布异常信息，具体流程如下图所示。

图1 地质矿物中重金属元素异常信息提取流程

首先要对地质矿物测量的金属元素数据信息进行归类分析，根据元素单质密度分析因子区别测量到的数据信息中重金属元素信息和轻金属元素信息，对其中重金属元素信息收集[2]。然后对收集到的重金属元素信息的“奇异性”进行分析，即计算地质矿物中局部重金属元素密集系数，确定地质矿物中重金属元素空间分布信息。最后将各个信息进行融合，最终提取到地质矿物中重金属元素异常信息。

2.1 地质矿物中重金属元素数据获取

地质矿物中含有的金属元素种类比较多，如何从地质矿物中获取到有关重金属元素相关数据信息，是地质矿物中重金属元素异常信息提取过程中首要解决的问题，针对该问题本文提出基于光谱测量仪采集地质矿物中重金属元素数据。地质矿物中包含重金属元素和轻金属元素，两个元素本质区别在于单质密度，因此选取由英国KGH（Knalytucal Gpectral Hevices）公司生产的手持光谱测量仪测量地质矿物中金属元素的单质密度，其获取地质矿物中重金属元素数据过程如下：首先将地质矿物样本平摊开，严格按照光谱测量仪使用说明书，将光谱测量仪提前预热10-15min，并且将白板定标校准，光谱测量仪均垂直下方对样品进行测量，垂直高度在0.56m～0.75m 范围内，测量样品间隔为1.25nm，光谱分辨率为5.5nm，波长范围需要严格控制在1266.65nm～1465.55nm 范围内。在测量过程中至少要保持与水平面法线都在±16°之内，距离样品大约0.01m。白板的定标要贯穿在光谱处理过程中，每15min 进行一次定标，保证地质矿物金属元素单质密度测量质量[3]。测量完成后会收集到大量的金属元素单质密度数据，以3500kg/m³单质密度为标准，对获取的金属元素数据进行分类，选取单质密度大于3500kg/m³的金属元素数据作为获取目标，因为重金属元素单质密度均大于3500kg/m³，将符合这一类要求的所有金属元素数据进行统一保持，并根据具体单质密度值的大小确定地质矿物中含有的重金属元素种类，将测量到的各类重金属元素相关信息分类收集，用于后续地质矿物中重金属元素异常信息提取。

2.2 提取地质矿物中重金属元素异常信息

获取到地质矿物中重金属元素相关信息后，要对获取到的信息进行分析，分析的主要内容为地质矿物中重金属元素空间分布情况，进而提取到有关重金属元素异常信息。正常情况下，地质矿物中重金属元素分布是别叫均衡的，当某一局部出现重金属元素聚集现象，将其判断为重金属元素异常。此次采用奇异性异常分布方法对地质矿物中重金属元素信息进行分析，其分析过程如下：首先选取地质矿物某一局部邻域，将该区域定义为，调取该区域内重金属元素数据，将该区域内的重金属量用表示，假设重金属元素量服从多重分形分布，则有以下公式成立：

公式（1）中，c 表示地质矿物局部邻域N 在空间上的位置；n 表示地质矿物局部邻域N 的尺度大小。假设该局部邻域上重金属元素的平均密度只为p ，进而得到：

公式（2）中，E 表示欧式空间维数，通常情况下E 去数值2；X 为地质矿物局部邻域N 的重金属元素异常系数；T 表示在分形几何空间中重金属元素分布的分形密度。将上文获取到的地质矿物中重金属元素数据带入到公式（1）和公式（2）中，即可计算得到地质矿物局部重金属元素密集系数和重金属元素分布的分形密度，该两项数值表示着地质矿物中局部重金属元素空间分布情况，局部重金属元素密集系数和重金属元素分布的分形密度越大，表示该局部重金属元素越异常，因此将该两个数值作为地质矿物中重金属元素异常信息提取因子，当局部重金属元素密集系数和重金属元素分布的分形密度超出其他区域数值时，则表示该区域重金属元素异常，提取到对应的重金属元素信息，比如元素名称、分布密度等，以此完成地质矿物中重金属元素异常信息提取。

3 实验论证分析

实验以某区域为实验环境，在该区域中随机选取5 个地质矿物样本作为实验对象，采集的地质矿物样本用黑色容器收集，避免阳光照射影响到地质矿物中重金属元素分布，实验利用此次设计方法与传统设计方法对采集到的地质矿物中重金属元素异常信息进行提取，对两种方法进行对比分析。实验中两种方法对每个地质矿物样本进行三次信息提取，选取其中最合理数据作为最终提取结果，然后将两种方法提取到的重金属异常信息与实际值相比较，记录两种方法提取到的错误信息量，将其作为实验结果，对两种方法进行对比分析，实验结果如下表所示。

表1 两种方法提取错误异常信息量对比（bit）

从上表可以看出，设计方法提取到的错误信息量比较少，基本可以控制在1bit 以下。而传统方法提取到的重金属元素异常错误信息量较大，远远多于设计方法，并且占实际信息量的比较也比较大，因此实验证明了设计方法更适用于地质矿物中重金属元素异常信息提取。

4 结语

本文对地质矿物中重金属元素异常信息提取方法进行了研究，结合个人经验以及查阅的参考资料，提出一套新的地质矿物中重金属元素异常信息提取理论，并利用实验验证了该理论适用于地质矿物中重金属元素异常信息提取。此次研究为地质矿物中重金属元素异常信息提取提供了有利的参考依据，有助于提高地质矿物中重金属元素异常信息提取技术水平。但是此次研究仍存在一些不足之处，对于地质矿物中重金属元素异常信息的分析得到了理想的效果，但是对于物质中重金属元素异常信息提取还可以结合其它有关数据进行深入分析，以期得到更加科学合理的结果。