中国复杂的地质背景与成矿环境决定区域化探在矿产资源勘查中的重要地位,是特殊成矿地质条件下的战略选择。中国以20世纪50年代中期第一代区域化探为起点,从第二代到第三代区域化探历经70年跨世纪发展,在有色金属、贵金属及稀有稀土稀散等矿产资源勘查开发方面显示出独特作用。据不完全统计,自第二代、第三代区域化探开展近36年(1979~2015年)期间,全国主要通过区域化探发现的各类大型—超大型矿床182处,相当于平均每年发现大型—超大型矿床5.06处,按照区域化探覆盖全国面积668万km²统计,平均每3.7万km²发现1处大型—超大型矿床,其中有色金属矿产61处,贵金属矿产93处,关键稀缺矿产24处,其他矿产4处,取得突出地质找矿成果,对保障和促进国家经济和社会发展作出重大贡献。区域化探作为国家基础性、公益性与战略性地质工作,以大数据与地球系统科学为标志跨入21世纪,以高精度、高质量大数据为基础,以成矿地球化学理论为指导,以现代科技为支撑进入崭新发展时期。未来将继续推进区域化探以高技术标准、高质量水平实现全国大陆疆域全面覆盖,为国家矿产资源勘查提供更多战略远景地区。在高精度大数据、成矿理论及现代科技支撑下建立人工智能信息化应用体系,推动深部矿产、隐伏矿产及难识别关键稀缺矿产的勘查应用,取得地质找矿更大突破。中国区域化探运用大数据科学不断解决矿产资源勘查评价问题,也就是地球化学勘查体系不断融入国家现代科技进步的过程。

出露地壳是岩石圈与土壤圈、水圈、大气圈接触的关键界面,出露地壳岩石地球化学图可为不同圈层间元素分布与循环研究提供关键的基础地球化学数据。由于大尺度出露地壳元素地球化学图绘制受到数据量和制图技术的制约,目前尚无一张覆盖中国陆域的出露地壳地球化学图。本文结合已掌握的16 000余条岩石地球化学数据和基础地质资料,创新性地提出制图技术路线:构建岩石地球化学库、地层结构信息库和地质单元空间信息库;从基础数据库提取地层和岩体的地理空间信息;将岩石地球化学信息赋予地层和岩体,获得地层和岩体的空间分布及其元素含量;通过GIS技术实现对出露地壳76种元素含量空间分布模式的可视化表达。此外,本文对制图流程存在的地质信息精确度、特殊岩性岩石样品缺乏、可靠性评价与适用范围等问题进行剖析,并提出解决方案。出露地壳元素地球化学图具有重要的应用价值,可为地球化学背景调查和岩石—沉积物元素循环等研究提供基础数据支撑。

安徽庐枞地区的Fe-Cu-U矿化主要发育在正长岩岩体内部及其围岩的接触带上,地球物理勘查方法能否有效地圈定正长岩体,是该地区找矿突破急需解答的科学问题之一。根据取自庐枞深度达2 012 m的科学深钻ZK01孔的358个岩石物性样品,测得其密度、磁性(磁化率与剩磁强度)、电性(电阻率与极化率)、弹性波速度等综合岩石物性数据,通过研究分析得出,正长岩具有低密度、弱磁性特征,具备在该孔或类似的地质条件下,开展区分正长岩的重力勘探及磁法勘探的前提条件;钻孔中地层与正长—二长岩岩体电阻率均呈中—高阻特征,由于差异不显著,电法勘探难度较大;正长—二长岩岩体纵、横波速度均低于砖桥组火山岩地层,具备开展地震勘探区分地层与岩体的基础条件。

在张北盆地的土壤氢气地球化学调查中发现了大面积氢气逸出异常,急需通过地球物理方法了解盆地内具有生氢和导氢作用的基底构造特征。为此,首次在张北盆地开展了针对天然氢的重力和大地电磁调查,在研究区内部署了1∶5万重力和大地电磁测量,基于采集的重力和大地电磁数据,以钻井、地质、物性等资料作为约束,反演了一条横跨研究区的大比例尺重力—大地电磁剖面,确定了盆地“两凹三隆”的构造格局,计算得到中新生代盆地总的沉积厚度为0.62~1.9 km;揭示了4条隐伏断裂,其中F₁及F₄断裂可作为天然氢运移和存储通道;反演结果显示的两个凹陷内地层界面连续稳定、砂岩—泥岩组合层较厚,可有效减少氢气的泄漏,具有良好的封存能力。本次基底构造研究成果可作为区内天然氢远景区评价以及下一步勘查工作部署的重要基础,同时为建立天然氢勘查技术体系和优选勘探靶区提供了重要依据。

老湾金矿带地处秦岭造山带东段,南阳盆地与吴城盆地之间,金资源量达超大型规模,属形成于燕山晚期的中低温岩浆热液型金矿床。为了推动第二找矿空间的开辟,实现新的找矿突破,对老湾金矿59号矿体原生晕进行研究,采用多种统计方法探讨成矿元素之间的相关关系,寻找可靠的地球化学预测标志,进而预测深部找矿方向。研究表明:矿体原生晕轴向分带序列为Sn-Ba-As-Au-Pb-Cu-Sb-Ag-Mo-Bi-W-Hg-Zn,前缘元素Hg排序靠后,在成矿元素Au、Ag、Pb、Cu的后面,指示矿体向深部还有盲矿体,或原有矿体向-650 m以深还有较大的延伸;尾晕元素Sn在分带序列前排,指示矿体遭受了一定程度的剥蚀。采用相关分析、聚类分析和因子分析的方法研究了成矿元素与其他金属元素之间的亲缘性,其中Cu、Ag与Au具较强相关性,可作为矿区内找矿标志。前缘晕与尾晕的累加指数比值在深部-650 m处有升高趋势,且F2因子得分等值线在深部-650 m处异常较为发育且尚未闭合,说明-650 m标高以深仍有较好的找矿远景。综上分析后提出,研究区304勘探线ZK3041标高-650 m以深为找矿目标区域。在304勘探线ZK3041北部指导施工了预测钻孔,在-720 m左右成功见到59号矿体的延伸,根据各评价指标,认为矿体向下仍有很好的找矿潜力。

为发现和识别可能富含金属矿产的区域,提出基于构造地球化学弱信息提取的金属矿产找矿方法。在确定勘查范围后,采用方格网布置采样点,对采集到的样品进行化学测试,通过静态提取、离心、动态提取的过程,提取出样品中的构造地球化学弱信息。根据提取结果分析区域内金属矿产在断裂带中的分布结果,完成金属矿产找矿。在青海省都兰县五龙沟地区无名沟—百吨沟区域开展地质勘查,利用构造地球化学弱信息提取结果,对勘查区内的地质结构进行分析,共发现17条断裂带,其中Ⅳ号断裂带可圈定一条长约为500 m的金属矿体,Ⅵ号断裂带可圈定6条180~400 m的金属矿体,Ⅺ号断裂带可圈定2条550~800 m的金属矿体,其余矿体均为盲矿体。本次构造地球化学弱信息提取在金属矿产找矿方法中的应用取得了显著的效果,满足了金属矿产找矿工作的现实需要,可在该类型地质环境的金属矿产找矿工作中进行推广应用。

新房金矿位于辽宁东部金多金属矿集区内,从区域成矿规律和已有的勘查成果来看,新房金矿所在的鸭绿江断裂带南部具有较大的金矿资源潜力。随着勘查工作的进一步深入,有望发现更多的金矿体。但目前由于缺少有效的深部勘查手段,该金矿区进一步的勘探开发研究工作进度不明显,不能很好地揭示该地区岩性界面延深特征及断裂构造分布情况。因此,本文应用广域电磁法首次在该地区进行勘查,根据数据结果结合地质工程资料对3 km以浅的电性层位进行了厘定,查明了新元古界盖层的厚度,并推测出多条断裂带,结合现有的地质资料认为深1 km左右的低阻异常带为韧性剪切发育的伸展构造面,为辽东地区地质找矿模型的建立提供了有效的地球物理数据,对该地区地质矿产勘查具有较高的研究意义。

在大兴安岭森林沼泽景观区进行区域化探工作时,当主体地质背景多变时,元素的背景会存在明显差异,给异常信息的提取带来一定困难。原始数据网格化后,对比常用的异常下限法圈定的异常与空心微子区法圈定的异常,发现空心微子区法圈定的异常能有效地抑制不同地质背景所引起的地球化学场的差异,能够更客观地提取异常信息。在系统总结该区地质和地球化学特征的基础上进行异常筛选与查证,取得了较好的找矿效果,在此基础上初步总结了该区主要的找矿标志和找矿方向。

铀镭平衡系数是地浸砂岩型铀矿资源储量估算的重要修正参数之一,关系着储量估算的准确性和科学性。本文利用高纯锗γ能谱仪测定二连盆地芒来铀矿床1 431件样品的铀、镭元素含量,得到样品铀镭平衡系数,分别从频率分布特征、铀含量、粒度、岩性、空间分布等方面对其进行统计分析,探讨影响铀镭平衡系数变化的主要因素和指示意义。研究结果表明,芒来铀矿床铀镭平衡系数为0.85,矿床明显偏铀;铀镭平衡系数值与铀含量及其品级呈负相关;矿体铀镭平衡系数垂向分带特征明显;铀成矿砂体中最有利的粒度是砂质砾岩、粗砂、细砂岩;灰黑色、深黑色泥岩的存在有利于促进相邻矿化砂体铀富集成矿;南部主矿体Ⅰ-1块段铀富集能力较强,整体偏铀程度最大;矿床总体偏铀,几乎不发育偏镭区,铀矿床形成以后基本没有受到后期氧化改造作用。这些研究成果可为后续芒来铀矿山的地浸开采施工部署提供科学依据,同时有助于丰富对芒来铀矿床铀矿成矿规律的认识。

普光探区由于受多期构造运动作用,地表、地下双复杂,膏盐等特殊地质体刻画不精细,导致速度场建立不准确,严重降低了成像质量,制约了油气的精细勘探开发。为了提高速度建模精度,改善复杂构造的地震建模与成像效果,本文开展复杂山地全波形反演联合速度建模方法应用研究,形成针对普光探区的基于全波形反演的深度域速度建模流程。通过层析与全波形联合反演,并引入地质信息的约束来提升全波形反演的稳定性,使模型与地下构造更加匹配,通过实际资料测试,全波形反演技术可以显著提升复杂转换带的速度模型的细节刻画精度,对普光大湾—毛坝的复杂构造成像改善作用明显。

针对海域地磁场建模中的关键问题,系统研究了等效源技术的理论基础、建模方法及优化策略。通过对等效源几何参数与空间配置策略的分析,提出了地形跟随式直立六面体等效源配置方案,显著提高了地磁场模型的精度。在算法实现层面上,基于滑动窗口覆盖式的计算方案,有效解决了大规模磁测数据的高精度处理瓶颈问题。实验表明,当窗口重叠率控制在15%~20%时,既能保证拼接边界的连续性,又能维持最优的计算性能。利用不同地质模型验证了该方法的有效性,模型误差控制在5%以内。研究成果为高精度海域地磁场建模提供了技术支撑。

哈萨克斯坦南图尔盖盆地W油田薄互砂体横向变化快且连通性差。多年来,常规储层预测手段应用效果不佳,有利储层横、纵向展布特征认识不清等问题,严重制约了该油田的勘探开发进程。本文针对储层预测难点问题,配套应用正演模拟、叠后资料处理、多属性融合等技术,集成一套适用于研究区地质条件的薄互砂体预测方法:在正演模拟构建储层变化与地震波形变化关系的基础上,通过经验模态反褶积与蓝色滤波处理提高地震资料主频及其分辨率,高分辨率资料波形指示反演结果与均方根振幅、瞬时频率的多属性融合有利于判别目标砂体的展布范围与厚度。研究结果表明:该方法有效预测了有利目标砂体的展布范围及厚度,预测砂体厚度与全区钻遇砂体厚度误差小于2 m,储层平面分布与地质认识一致,可为油田后续滚动评价与高效开发提供有效指导。

梯度结构张量(GST)是表征缝洞体等强非均质储层边界的常用属性之一,在碳酸盐岩储层研究中发挥了重要作用。但该属性无量纲,属性阈值确定难度大,其准确与否直接影响储层雕刻体积与储量计算精度。为此,以碳酸盐岩缝洞体模型为例,通过分析含噪后储层与非储层对应的GST属性值域分布特征,提出“三步法”阈值选取策略:首先,统计GST属性值域分布;其次,估算非储层值域分布,确定其均值点、左临界值点和右临界值点;最后,选取右临界值点作为含噪GST属性阈值,对缝洞体边界进行刻画。模型试算及实际应用表明,该方法具有一定的可行性及有效性。研究成果为GST属性在地球物理领域的应用与推广奠定了基础。

音频大地电磁测深是一种广泛应用于中浅层地质探测的电法勘探技术,影响其数据质量的因素包括人文电磁干扰、电极极化和接地电阻等,本文主要研究电极极化和接地电阻对数据质量的影响规律。首先从理论上分析电极极化作用机理和接地电阻对视电阻率和相位的影响机理。然后结合实测数据分析了电极极化和接地电阻对视电阻率和相位曲线的影响规律,最后通过实测数据二维反演结果对比分析,揭示接地电阻对地质解释结果的影响。研究结果表明:电极极化会显著降低低频段数据质量,但可通过相应数据处理手段予以改善,对高频段影响较小;接地电阻不稳定主要影响高频段数据,造成视电阻率和相位显著降低,至低频段逐渐恢复稳定。此外,接地电阻不稳定将导致反演结果偏离真实地电结构,进而引发错误地质解释。本文研究结果为野外数据采集和资料处理提供了重要参考。

煤矿小窑及巷道采空区对煤矿安全生产影响较大。由于巷道空间尺度小,导致地球物理探测难度增大,对地震资料的分辨率和保真度有更高的要求。在三维地震资料采集中采用了节点地震仪,检波器固有频率为10 Hz。资料解释中通过提取均方根振幅发现有已知截面5 m×4 m的巷道显示,进一步提取谱分解属性、相干能量梯度等属性,能够增强巷道异常特征,所揭示异常中心与已知巷道位置一致。结合正演分析,说明10 Hz检波器对埋深大的煤矿巷道有较好的分辨率,属性技术是突出巷道异常的有效手段。研究成果对煤矿小窑和巷道采空区的解释有较好的参考价值。

随着油气储层勘探的日益发展,常规线性反演方法已经无法满足目前致密砂岩储层的勘探精度需要。为此,本文以致密砂岩储层为勘探背景并采用包裹体模型计算了饱和岩石下的纵、横波速度及密度表达式,基于精确Zoeppritz建立非线性精确反射系数方程,以L₁范数作为反演目标泛函,采用麻雀搜索算法(sparrow search algorithm,SSA),发展了一种高精度的储层参数AVO反演预测方法,相比于常规最小二乘法求解的L₂范数目标函数的反演结果,该方法能够提高反演结果的精度与分辨率,为致密砂岩储层的岩石物理参数预测提供了更为合理、可靠的结果,为致密砂岩储层孔隙发育与含油气性评估提供了更为有效的解决方案。模型测试及鄂尔多斯盆地致密砂岩储层实际资料测试的结果验证了该方法的有效性和实用性。

反射波形反演通过交替更新模型中的中低波数组分和高波数组分为全波形反演提供良好的初始模型。但时域反射波形反演需要存储整个时间序列的震源背景波场与接收点散射波场互相关求取梯度,占用巨量的计算机存储空间。频域反射波形反演虽然有多尺度特性,但对计算机运算内存要求高。本文通过离散傅里叶变换,从时域波场提取对应的频域波场进行多尺度的时频域反演,仅需存储数片单频波场,在存储需求方面明显优于传统的时域反演,运算成本方面明显优于频率域,结合了时域反演的高效性和频域反演多尺度的特性。针对实际地震资料低频地震数据易缺失的问题,进一步结合包络反射波反演,在重构中深层地下介质低频信息的基础上进行逐级优化反演,降低对低频长偏移地震数据的要求。最后本文通过数值算例验证了基于包络数据的时频域反射波形反演方法对低频信息恢复的有效性。

为了验证SOTEM在复杂地形条件下煤矿防治水中的应用效果,本文利用SOTEM方法模拟分析了H_z分量与E_x分量对地层的探测能力,并在贵州黔北地区某煤矿开展了试验工作,本次试验布置4条剖面,用SOTEMSoft软件进行反演,并对反演结果进行了钻探验证。试验结果表明:在赤道向测量时H_z分量具有较强的探测低阻异常体的能力;E_x分量能探测低阻异常体和高阻异常体且探测能力相当,探测低阻体时沿赤道向测量,探测高阻体时沿轴向测量。SOTEM法能在复杂地形条件下精准定位煤矿水害集中区域,试验证明了SOTEM法在贵州黔北地区煤矿防治水中的适用性及准确性。

基于方位地震数据的叠前各向异性地震反演作为裂缝型储层裂缝检测与流体识别的核心方法,为裂缝型储层的勘探开发提供了有效的指导作用。然而,随着勘探目标精细刻画要求的提升,常规约束下的各向异性反演方法的稳定性与可靠性受到挑战,且在发育高角度裂缝的中国东部裂缝型储层工区,缺乏有针对性的裂缝密度预测与流体识别的直接反演方法。为此,本文首先利用多井交会明确了用于流体识别的敏感因子;之后以孔隙弹性理论为指导,基于线性化HTI介质反射系数方程,推导得到了能够反映流体因子与裂缝密度随入射角及方位角变化的方位地震反射系数方程;最后,依托McMC优化算法,发展了一种L₁范数约束的贝叶斯各向异性两步地震反演方法,以通过地震反演的手段实现了高角度裂缝的储层流体识别及裂缝密度的准确预测。反射系数方程精度分析证明了所推导方程的可行性,通过合成记录测试与实际工区应用,验证了所提出方法的合理性与可靠性,为发育高角度裂缝的储层裂缝密度预测与流体识别提供了新的方案。

跟踪式氦光泵磁力仪在地球物理探测领域应用广泛,而滤波器作为国产磁力仪数字化进程中的关键模块,对改善和提升仪器性能指标至关重要。针对现有设计的局限性,本文设计并实现了一款结构简单、占用FPGA资源少、使用方便的多级滤波器结构,通过多级CIC滤波器和IIR滤波器级联的方式,内嵌于锁相放大器中,实现信号的提取与检测,并基于MATLAB仿真和FPGA实现,通过实验验证了滤波器的性能,可以实现磁测过程中基波和二次谐波的信号提取。此外,采用此滤波器结构的氦光泵磁力仪,灵敏度达到pT量级,满足《航空磁测技术规范》(DZ/T 0142—2010)的要求,为新一代航空磁力仪小型化发展提供了技术支撑。

本文在研究MTU系列仪器数据文件的基础上,通过研究Aether大地电磁测量系统的数据文件,基于C#语言编写程序,对原始时间序列A24文件、磁探头校准apial文件、标准时间序列atts文件进行解码,完成了时间序列的拼接、读写、显示等模块的开发,探头文件的读写、显示模块以及傅立叶变换、傅立叶系数显示等模块的开发。最后通过与prMT处理软件相关模块进行对比检验了程序的可应用性,利用野外实际采集数据测试了程序的可操作性,为下一步功率谱估计、干扰信号处理等更加深入的研究提供了一定的基础与依据。

传统的TL线性模型在处理CPT原子磁力仪拖曳式探测系统中的复杂磁干扰数据时,补偿精度存在局限性。为此本文引入神经网络技术,以实现更精准的非线性补偿。然而,常规神经网络模型在参数更新过程中可能遭遇梯度消失或过拟合等问题。为应对这些挑战,本文提出了一种基于深度残差网络的磁补偿模型(MCRNet),以进一步提升吊舱内磁干扰的补偿效果。试验结果显示,与传统方法中补偿效果最优的残差反向传播网络(ResBP)相比,MCRNet模型的改善比(IR)从4.251提升至4.826,增幅达13.53%;而补偿剩磁均方根误差(RMSE)从0.2减少至0.171,降低了14.5%。该模型提升了拖曳式磁异常探测系统的磁测精度。

近年来,绿色食品产业蓬勃发展,合理选择绿色食品产地,并通过环境质量调查进行检测与评价,不仅可以确保绿色食品质量,也可以产生巨大的经济效益、社会效益与生态效益。我国陆续开展了一系列地球化学调查计划,积累了海量且高质量的地球化学数据,但缺少社会公众能够直接使用的软件平台,无法将上述科学数据转化成让公众看得懂的语言。因此,本文针对以上问题,开展永清县自然村和地块尺度下系统的绿色土地调查评价工作,共采集永清县386个行政村和4个农业科技产业园区表、深层土壤样品822件,同时分析测试54种元素和指标,重点监测与绿色食品产地密切相关的氮、磷、钾等养分元素,铜、铅、锌、镍、铬、镉、砷、汞等8种有害重金属元素及硒、锗、氟和碘等健康元素,并对土地类别进行分类评级,综合分析元素的分布情况,进行系统的质量评价和规划利用,生成每个地块专属的土地二维码标识。调查结果显示,永清地区作为京津冀区域内最为清洁的连片土地区域之一,具备大力发展绿色食品产业的基础,该项技术可服务于绿色土地保护利用和农民增产增收。本次研究有助于构建该区域精准的地球化学特征分区分级体系,辅助该地区针对性地制定“一地一策”生态环境保护措施,实现生态环境精准防控和高效治理。同时,在“化学地球”大数据平台基础上搭建首个面向绿色产业的地球化学空间大数据平台,建立永清县绿色土地数据库,形成可视化的土地二维码标识,方便政府管理、企业种植销售和消费者查询使用。可以预见,该项技术在未来经济社会发展中将产生巨大的经济效益和社会效益。

研究土壤养分元素的丰缺状况,对于指导农业生产、改善种植结构、因地制宜科学施肥具有重要参考意义。本文以聊城市典型农业区堂邑镇为研究对象,选择代表性耕地采集84份浅层土壤样品并测试了15种养分指标,基于GIS及地统计学分析方法,揭示了各地球化学元素的空间分布规律,并开展了土壤养分地球化学单指标及综合评价。研究结果表明:①堂邑镇耕地土壤P、CaO呈较丰富—丰富水平;K₂O呈中等—较丰富水平;S含量分布不均,总体达到较丰富及以上水平,局部发生过剩;N和有机质含量较缺乏;微量元素总体含量适中。②区内富硒土壤面积约2.98 km²,Se含量达(0.49~2.03)×10^-6,富硒土地占比约4.76%。③区内土壤养分地球化学综合等级以较丰富(二等)和中等(三等)级别为主,面积占比分别为54.11%和40.47%,较为适宜农业生产。本次成果全面掌握了研究区耕地土壤养分状况并发现富硒土地资源,为指导土地资源开发利用、发展特色农业提供了基础地球化学依据。

为了准确预测黑土地区县域土壤有机碳含量,满足县域农业生产和“双碳”目标的需要,本研究利用宝清县黑土地地表基质调查取得的427个土壤样本数据,通过确定性插值法(反距离权重法)、地统计学方法(普通克里金法)和机器学习方法(随机森林模型法)建立评估模型,进行宝清县表层土壤有机碳含量的预测,并比较不同方法的预测精度和效果。结果显示,反距离权重法预测研究区的土壤有机碳含量均值为27.21×10^-3,普通克里金法预测的均值为26.33×10^-3,随机森林模型预测的均值为32.05×10^-3。随机森林模型在均方根误差(RMSE)、平均绝对误差(MAE)和决定系数(R²)等指标上均优于反距离权重法和普通克里金法,且随机森林模型训练集和验证集的决定系数均达到0.73和0.53,精度均显著高于反距离权重法和普通克里金法,反映出随机森林模型通过环境变量的非线性交互作用,能够更充分地挖掘数据中的潜在规律。总体看,结合多环境变量建立的随机森林模型是评估宝清县表层土壤有机碳含量的最佳模型,且预测精度较好,这对评估黑土地区县域农业生产土壤有机质空间差异和“双碳”目标的区域差异分析具有重要的理论和方法参考。