CN110826866A - 矿产资源集中开采区土壤环境地球化学背景值的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种矿产资源集中开采区土壤地球化学背景阈值的确定方法，其步骤包括：（1）收集、整理矿集区地质资料，分析矿集区地质背景及土壤环境影响元素，（2）按一定网度采集代表性样品，并进行分析测试；（3）运用元素Q型聚类分析进行矿集区土壤元素地球化学背景分区；（4）运用数据分形理论，分区进行元素地球化学分形阈值研究，确定元素背景值。该方法采用背景分区‑数据分形技术来确定矿产资源集中开采区土壤环境地球化学背景值，为准确评价矿业活动对土壤环境地球化学质量影响程度和范围提供评价依据；该方法适用于各种矿产资源集中开采区土壤环境地球化学背景值的确定与评价。

Description

矿产资源集中开采区土壤环境地球化学背景值的确定方法

技术领域

本发明涉及矿产资源集中开采区土壤环境地球化学背景评价的技术，具体是矿产资源集中开采区土壤环境地球化学背景值的确定方法。

背景技术

矿山开发造成环境污染是矿山普遍存在的环境问题，随着国家对环境问题的重视，特别是矿区土壤环境地球化学背景领域的研究越来越受到国家和科学界重视。土壤环境地球化学背景代表土壤中地球化学物质或者元素的自然含量及变化，是土壤影响评估、土壤污染评价的重要参考指标。

在土壤环境地球化学背景的研究中，矿产资源集中开采区母岩成分对土壤环境地球化学背景的影响最为关键。矿集区土壤元素地球化学直接继承岩石元素地球化学特征，土壤元素地球化学具有高背景、非均一的特征，这也是传统勘查地球化学利用土壤地球化学异常进行找矿的重要依据。目前矿集区土壤地球化学质量影响评价大多采用区域性单一背景值，因此在土壤影响评价中，由于土壤高背景可能夸大土壤污染的人为影响，而土壤背景非均一性则可能引起土壤评价结果的失真。因此，针对具有非均一、高背景值特点的矿集区土壤元素地球化学背景值的研究，采用合理的技术评价方法，可为矿业活动对土壤环境地球化学质量影响程度和范围提供合理、真实、可靠的评价依据，同时对于正确评价该地区元素的累积以及人为污染强度具有十分重要的作用。

发明内容

本发明的目的是提供了一种矿产资源集中开采区土壤环境地球化学背景值的确定方法，通过矿集区背景分区-数据分形相融合，为准确评价矿业活动对土壤环境地球化学质量影响程度和范围提供评价依据；该方法可有效避免矿集区土壤环境地球化学背景由于非均一和高背景特性而导致矿集区土壤评价结果的夸大化和失真等问题。

本发明是通过下述技术方案实现的：

矿产资源集中开采区土壤环境地球化学背景值的确定方法，其特征在于步骤如下：

(1)编制矿产资源集中开采区的地质矿产底图，确定矿产资源集中开采区土壤质量的主要影响元素；

(2)根据地质矿产底图布设采样点，采集代表性样品，并进行分析测试；

(3)运用元素Q型聚类分析进行矿产资源集中开采区的土壤元素地球化学背景分区；

(4)运用数据分形理论，对矿产资源集中开采区土壤元素地球化学背景分区分别进行元素地球化学分形阈值分析，确定元素背景值。

对于步骤(1)中：

进一步的，编制所述地质矿产底图之前，需要采集相应资料，所述资料包括：地质背景资料，自然地理资料，以及已知环境地球化学、岩石地球化学和水系沉积物测量的研究资料。其中：所述地质背景资料至少包括沉积岩、变质岩、岩浆岩及其构造、矿床等背景资料；所述自然地理资料至少包括矿区地形地貌、水文地质和气象等。

进一步的，根据采集的资料，了解和分析矿产资源集中开采区岩石单元岩性、分布区域和展布特征，便于编制地质矿产底图。

对于步骤(2)中：

进一步的，根据地质矿产底图，参照土地质量地球化学评估技术要求(DD2008-06)，布设采样点，再根据不同密度样品的对比情况确定采样密度不低于4点/km²，采集代表性的土壤样品。例如，对于采样点的布设，具体可以是：采样单元以1km²为采样大格，500m×500m为采样小格，每个小格至少布1个点。地质条件复杂，土壤类型较复杂区域加密布样，布设1-3个点每小格(4-8件/km²)，按一定网度布设采样点，采集代表性样品。

进一步的，土壤样品的具体采集步骤参照土地质量地球化学评估技术要求(DD2008-06)，采集表层0-20cm柱状土样，每个采样点采取多点取样组合装样的方式，至少采集3-5个样坑，采样坑间距10-20m，样品原始重量大于1000g，保证所采集样品代表性。

进一步的，采集的土壤样品在日光下干燥，干燥后取部分样品，分为正样和副样送检。例如：采集的土壤样品在干燥后用尼龙筛截取-0.8mm(20目)粒级的样品500g，其中正样200g、副样300g。

进一步的，送检样品的分析过程参照多目标区域地球化学调查规范选择各元素分析方法。

对于步骤(3)，所述元素Q型聚类分析是以每个样品的元素分析值作为变量，来分析样品与样品之间的亲疏关系，进而定量搜索矿集区岩石单元土壤地球化学特征趋同性，基此进行土壤环境地球化学背景分区；其基本思路是：母岩成分对土壤地球化学背景的影响最为关键，相同成岩背景的岩石单元形成土壤元素含量服从正态分布。所述元素Q型聚类分析的具体过程如下：

(3.1)以分析元素为变量，对矿产资源集中开采区的岩石单元进行Q型聚类分析；

(3.2)数据标准化处理，公式如下：

式中：C’_ik为处理后的数据；C_ik为i样品k指标的分析值；max(C_ik)为第i个样品k指标的最大值；i＝1，2……p，p为样品数；

(3.3)采用平方欧式距离计算矿产资源集中开采区内岩石单元之间的相关系数，得到聚类谱系图，公式如下：

式中：i样品k指标的分析值为C_ik；则i，j＝1，2……p，i≠j，p为样品数；k，z＝1，2……，n，k≠z，n为指标项目数；

(3.4)根据岩石单元的聚类谱系图，合并相关性强的岩石单元构成岩石单元群；

(3.5)分析岩石单元群的分布与步骤(1)中收集到的地质背景是否吻合：

如果岩石单元群的分布与地质背景特征吻合，则按岩石单元群进行背景分区；

如果岩石单元群的分布与地质背景特征不吻合，则回到步骤(3.3)重新进行Q型聚类分析。

对于步骤(4)是运用数据分形理论，分区分别进行元素地球化学分形阈值研究，确定元素背景值。这里，分形理论运用到元素地球化学中，是指元素含量的空间分布在不同的浓度值标度内服从不同的幂律分布，即在含量-面积的双对数坐标下元素含量的分布曲线为多条直线，斜率不同的直线反映的是地球化学场。进一步，确定元素背景值主要是通过Mapgis软件的DTM空间分析来实现，具体步骤包括：

(4.1)网格化步骤(2)分析得到的原始数据(C_ik)，生成高程模型文件(_*.grd)；

(4.2)将网格化数据(_*.grd)绘制成平面等值线图，形成区文件(_*.wp)；

(4.3)将生成的区文件导入Mapgis软件的空间分析子模块中，进行双属性分类统计，获得含量尺度(r_n)及其对应的面积A(r_n)数据；

(4.4)将含量尺度(r_n)及其对应的面积A(r_n)绘制在“面积-含量”双对数散点图上，并分段进行最小二乘法拟合，绘制步骤(1)确定的主要影响元素的分形图；

(4.5)根据得到的分形图求取各个线段分维数D，并用最优化方法确定外源叠加影响分形阈值，即得到地球化学背景值。

本发明的有益效果为：

针对矿产资源集中开采区土壤环境地球化学背景具有非均一、高背景的特点，本方法采用背景分区-数据分形技术来确定矿产资源集中开采区土壤环境地球化学背景值，为准确评价矿业活动对土壤环境地球化学质量影响程度和范围提供评价依据。本发明适用于各种矿产资源集中开采区土壤环境地球化学背景值的确定与评价。

附图说明

图1为本发明中矿产资源集中开采区的土壤分形地球化学场模型示意图。

图2为实施例1中的拉拉铜矿集中开采区的土壤元素聚类分析示意图。

图3为实施例1中的拉拉铜矿集中开采区的土壤元素背景分区示意图。

图4为实施例1中的拉拉铜矿集中开采区Ⅰ区部分元素分形图。

具体实施方式

本发明提供了一种矿产资源集中开采区土壤环境地球化学背景值的确定方法，其基本步骤包括如下：

(1)编制矿产资源集中开采区的地质矿产底图，确定矿产资源集中开采区土壤质量的主要影响元素。

(2)根据地质矿产底图布设采样点，主要参照土地质量地球化学评估技术要求(DD2008-06)，采集代表性样品，并进行分析测试。

根据不同密度样品的对比情况确定采样密度不低于4点/km²，采集代表性的土壤样品。例如，对于采样点的布设，具体可以是：采样单元以1km²为采样大格，500m×500m为采样小格，每个小格至少布1个点。地质条件复杂，土壤类型较复杂区域加密布样，布设1-3个点每小格(4-8件/km²)，按一定网度布设采样点，采集代表性样品。

土壤样品的具体采集是：采集表层0-20cm柱状土样，每个采样点采取多点取样组合装样的方式，至少采集3-5个样坑，采样坑间距10-20m，样品原始重量大于1000g，保证所采集样品代表性。

采集的土壤样品在日光下干燥，干燥后取部分样品，分为正样和副样送检。例如：采集的土壤样品在干燥后用尼龙筛截取-0.8mm(20目)粒级的样品500g，其中正样200g、副样300g。

送检样品的分析过程参照多目标区域地球化学调查规范选择各元素分析方法。

(3)运用元素Q型聚类分析进行矿产资源集中开采区的土壤元素地球化学背景分区；所述元素Q型聚类分析是以每个样品的元素分析值作为变量，来分析样品与样品之间的亲疏关系，进而定量搜索矿集区岩石单元土壤地球化学特征趋同性，基此进行土壤环境地球化学背景分区；其基本思路是：母岩成分对土壤地球化学背景的影响最为关键，相同成岩背景的岩石单元形成土壤元素含量服从正态分布。

(4)运用数据分形理论，对矿产资源集中开采区土壤元素地球化学背景分区分别进行元素地球化学分形阈值分析，确定元素背景值。所述元素分形理论是指元素含量的空间分布在不同的浓度值标度内服从不同的幂律分布，即在含量-面积的双对数坐标下元素含量的分布曲线为多条直线，斜率不同的直线反映的是地球化学场。

通过典型矿集区土壤分形研究发现，矿集区土壤元素分形模式一般有2-3个不同的地球化学场，即第一段拟合直线代表的原始背景场，第二段直线代表自然分异场(即元素异常)，第三段直线代表局部叠加场(矿业活动的外源叠加)，其中第二和第三线段的拐点即可认为是元素的分形阈值，即背景值，如图1所示。

基于上述基本步骤，为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明对该技术方案进一步清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

利用本发明提供的矿产资源集中开采区土壤环境地球化学背景分区-数据分形相融合的背景值确定方法，在攀西地区拉拉铜矿集中开采区进行土壤背景值研究，进行如下步骤：

(1)收集矿产资源集中开采区的地质资料，分析矿集区地质背景，编制矿集区地质矿产底图；具体包括：

(1.1)收集拉拉铜矿集中开采区内地质背景资料、自然地理资料、环境地球化学、岩石地球化学和水系沉积物测量等资料；

(1.2)详细了解拉拉铜矿集中开采区矿产地质背景特征，通过编制拉拉铜矿集中开采区地质矿产底图，发现该铜矿集中开采区内岩石单元主要有前震旦系、震旦系、三叠系、侏罗系、白垩系和新生界沉积岩、变质岩，以及晚古元古代－晚古生代基性-超基性岩，共29个岩石单元。

(1.3)根据前人研究的环境地球化学、岩石地球化学和水系沉积物测量等资料，确定拉拉铜矿集中开采区土壤质量可能的影响元素为：As、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Hg、Mn、Mo、Ni、Pb、Se、Zn、F等14种元素。

(2)按一定网度布设采样点，采集代表性样品，并进行分析测试，具体包括

(2.1)参照土地质量地球化学评估技术要求(DD2008-06)进行采样点布设，总体按4点/km²采样密度采集代表性样品1751件，包含重复样55件，重复样比例3.24％；

(2.2)参照土地质量地球化学评估技术要求(DD2008-06)，采集表层0-20cm柱状土样，每个采样点采取多点取样组合装样的方式，采集3-5个样坑，采样坑间距10-20m，样品原始重量大于1000g；

(2.3)采集的土壤样品在日光下干燥，干燥后用尼龙筛截取-0.8mm(20目)粒级的样品500g，其中正样200g、副样300g，送分析单位检测；

(2.4)样品15项微量元素分析方法及分析过程参照多目标区域地球化学调查规范执行；

(3)运用元素Q型聚类分析进行矿集区土壤元素地球化学背景分区，具体包括：

(3.1)对分析数据进行标准化处理，公式如下：

(3.2)采用平方欧式距离计算矿集区内岩石单元之间的相关系数，得到聚类谱系图，如图2所示，公式如下：

(3.3)根据岩石单元的聚类谱系图，合并相关性强的岩石单元构成岩石单元群，把该铜矿集中开采区土壤分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等3个区，如图3所示；

(3.4)把分区图与地质地图进行对比，发现Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区分别对应于中生代沉积岩分布区、早元古代河口群火山-沉积变质岩分布区和中元古代东川群沉积岩变质岩分布区，说明该背景分区与地质背景相吻合。

(4)运用数据分形理论，分区分别进行元素地球化学分形阈值研究，确定元素背景值，主要通过Mapgis软件的DTM空间分析来实现，具体包括：

(4.1)网格化原始数据，生成高程模型文件；

(4.2)将网格化数据绘制成平面等值线图，形成区文件；

(4.3)将生成的区文件装入Mapgis空间分析子模块中，进行双属性分类统计，获得含量尺度(r_n)及其对应的面积A(r_n)数据；

(4.4)含量尺度(r_n)及其对应的面积A(r_n)绘制在“面积—含量”双对数散点图上，并分段进行最小二乘法拟合，绘制各元素的分形图，如图4所示；

(4.5)根据分形图求取各个线段分维数D，并用最优化方法确定外源叠加影响分形阈值，即背景值(表1)。

从表1可以看出矿集区不同地质背景的土壤环境背景值明显不同，每个分区和区域标准也相差很大。

表1拉拉铜矿区土壤元素分区背景值

元素	As	Cd	Co	Cr	Cu	F	Fe	Hg	Mn	Mo	Ni	Pb	Se	Zn
															矿集区	31.2	0.34	61.5	220.9	242.4	1399	12.2	136.0	2165.8	5.85	98.7	36.3	0.48	151.0
Ⅰ区	10.4	0.26	22.3	120.8	54.5	1126	5.3	74.3	890.1	2.00	56.8	22.6	0.35	109.7
															Ⅱ区	55.8	0.35	65.3	217.5	303.0	1200	12.3	146.8	2011.3	6.61	131.1	32.9	0.59	193.6
Ⅲ区	17.9	0.26	52.1	216.4	229.6	1331	11.8	116.9	2520.9	4.31	85.4	33.1	0.28	124.3
															攀枝花	6.1	0.19	28.67	111.6	42.40	507	9.1	37.00	983.0	0.73	47.01	23.2	0.15	98.7
四川A层	9.3	0.08	10.60	73.7	29.70	255	\	40.00	650.0	0.60	31.10	28.9	0.08	49.8
															全国	9.2	0.07	12.70	53.9	20.00	440	\	40.00	482.0	1.20	23.40	23.6	0.22	67.7

Claims (11)

1.矿产资源集中开采区土壤环境地球化学背景值的确定方法，其特征在于步骤如下：

(1)编制矿产资源集中开采区的地质矿产底图，确定矿产资源集中开采区土壤质量的主要影响元素；

(2)根据地质矿产底图布设采样点，采集代表性样品，进行送检分析测试；

(3)运用元素Q型聚类分析进行矿产资源集中开采区的土壤元素地球化学背景分区；

(4)运用分形理论，对矿产资源集中开采区土壤元素地球化学背景分区分别进行元素地球化学分形阈值分析，确定元素背景值。

2.根据权利要求1所述的矿产资源集中开采区土壤环境地球化学背景值的确定方法，其特征在于步骤(1)编制所述地质矿产底图之前，需要采集相应资料，至少包括：地质背景资料，自然地理资料，以及已知环境地球化学、岩石地球化学和水系沉积物测量的研究资料；通过上述相应资料了解矿产资源集中开采区的岩石单元岩性、分布区域和展布特征。

3.根据权利要求1所述的矿产资源集中开采区土壤环境地球化学背景值的确定方法，其特征在于步骤(2)中：根据地质矿产底图，参照土地质量地球化学评估技术要求，布设采样点，再根据不同密度样品的对比情况确定采样密度不低于4点/km²，采集代表性的土壤样品。

4.根据权利要求3所述的矿产资源集中开采区土壤环境地球化学背景值的确定方法，其特征在于，对于采样点的布设具体为：采样单元以1km²为采样大格，500m×500m为采样小格，每个小格至少布1个点。

5.根据权利要求1或3所述的矿产资源集中开采区土壤环境地球化学背景值的确定方法，其特征在于步骤(2)中：土壤样品的具体采集步骤参照土地质量地球化学评估技术要求，采集表层0-20cm柱状土样，每个采样点采取多点取样组合装样的方式，至少采集3-5个样坑，采样坑间距10-20m，样品原始重量大于1000g，保证所采集样品代表性。

6.根据权利要求5所述的矿产资源集中开采区土壤环境地球化学背景值的确定方法，其特征在于步骤(2)中：采集的土壤样品在日光下干燥，干燥后取部分样品，分为正样和副样送检。

7.根据权利要求6所述的矿产资源集中开采区土壤环境地球化学背景值的确定方法，其特征在于步骤(2)中：送检样品的分析过程参照多目标区域地球化学调查规范选择各元素分析方法。

8.根据权利要求1所述的矿产资源集中开采区土壤环境地球化学背景值的确定方法，其特征在于，步骤(3)中元素Q型聚类分析是以每个样品的元素分析值作为变量，来分析样品与样品之间的亲疏关系，进而定量搜索矿集区岩石单元土壤地球化学特征趋同性，基此进行土壤环境地球化学背景分区。

9.根据权利要求1或8所述的矿产资源集中开采区土壤环境地球化学背景值的确定方法，其特征在于，所述元素Q型聚类分析的具体过程如下：

(3.1)以分析元素为变量，对矿产资源集中开采区的岩石单元进行Q型聚类分析；

(3.2)数据标准化处理，公式如下：

式中：C’_ik为处理后的数据；C_ik样品k指标的分析值；max(C_ik)为第i个样品k指标的最大值；i＝1，2……p，p为样品数；

(3.3)采用平方欧式距离计算矿产资源集中开采区内岩石单元之间的相关系数，得到聚类谱系图，公式如下：

式中：i样品k指标的分析值为C_ik；则i，j＝1，2……p，i≠j，p为样品数；k，z＝1，2……，n，k≠z，n为指标项目数；

(3.4)根据岩石单元的聚类谱系图，合并相关性强的岩石单元构成岩石单元群；

(3.5)分析岩石单元群的分布与步骤(1)中收集的地质背景是否吻合：

如果岩石单元群的分布与地质背景特征吻合，则按岩石单元群进行分区；

如果岩石单元群的分布与地质背景特征不吻合，则回到步骤(3.3)重新进行Q型聚类分析。

10.根据权利要求1所述的矿产资源集中开采区土壤环境地球化学背景值的确定方法，其特征在于，步骤(4)中元素的分形理论是指元素含量的空间分布在不同的浓度值标度内服从不同的幂律分布，即在含量-面积的双对数坐标下元素含量的分布曲线为多条直线，斜率不同的直线反映的是地球化学场。

11.根据权利要求1或10所述的矿产资源集中开采区土壤环境地球化学背景值的确定方法，其特征在于，确定元素背景值通过Mapgis软件的DTM空间分析来实现，具体分析步骤为：

(4.1)网格化步骤(2)分析得到的原始数据(C_ik)，生成高程模型文件*.grd；

(4.2)将网格化数据*.grd绘制成平面等值线图，形成区文件*.wp；

(4.3)将生成的区文件导入Mapgis软件的空间分析子模块中，进行双属性分类统计，获得含量尺度(r_n)及其对应的面积A(r_n)数据；

(4.4)含量尺度(r_n)及其对应的面积A(r_n)绘制在“面积-含量”双对数散点图上，并分段进行最小二乘法拟合，绘制步骤(1)确定的主要影响元素的分形图；

(4.5)根据得到的分形图求取各个线段分维数D，并用最优化方法确定外源叠加影响分形阈值，即得到地球化学背景值。

Images