大數據時代數字找礦與定量評價趙鵬大2013年6月第一頁，共八十九頁。內容提要一、當代地球科學面臨的重大問題（國際地球行星年IYPE提出，2000）二、美國地調局《直面明日挑戰——美國地調局十年科學戰略（2007-2017）》三、我國找礦突破戰略行動總體目標及階段目標（2011）四、“大數據”時代的成礦預測與定量評價五、關于“數字找礦”第二頁，共八十九頁。一、當代地球科學面臨的重大問題

（國際地球行星年IYPE提出，2000）人類健康：地球物質影響人類健康的過程和效應氣候：全球氣候變化的自然因素和人類活動因素地下水：資源緊缺條件下了解其產狀質和量海洋：與地球歷史相關的洋底過程對環境、資源、生命體的影響土壤：減少流失，防止退化降級，可持續性第三頁，共八十九頁。深部地球：深部地球過程對資源環境災害的影響，過去和未來的過程巨型城市：安全結構和擴展方式地下空間利用與保護地質災害：減少自然和人工誘導災害資源：提升對資源的認識和可持續獲取地球和生命：生物圈動力過程和保護第四頁，共八十九頁。美國地調局的報告新組織方案集中于7個科學使命領域：氣候變化和土地利用變化核心科學體系（其使命是為認識地球的地質格架和描述國家的土地表面及生物多樣性特征提供科學依據…注重為科學家、資源管理者和公眾發送和解釋高分辨率的綜合性圖件和其它形式的數據和信息，發揮為整個美國地質調查局服務于世界的廣博知識庫作基礎性貢獻的功能。）二、美國地調局《直面明日挑戰——美國地調局十年科學戰略（2007-2017）》第五頁，共八十九頁。生態系統能源與礦產環境健康自然災害水

“一個決策支持以問題為依據的科學方針…將會創造出一個我們全部引以為豪的美國地調局新時代?！保ň珠L馬西婭·麥克納特）第六頁，共八十九頁。1、總體目標（1）礦種結構“三并舉”：油氣并舉緊缺礦產和新興材料礦產并舉常規資源與非常規資源并舉三、我國找礦突破戰略行動總體目標及階段目標（2011）第七頁，共八十九頁。（2）區域結構“三并重”：陸海并重東西并重國內國外并重。立足國內，促使國際市場價格處于穩定通道第八頁，共八十九頁。2、階段目標：“358目標”三年實現地質找礦重大進展（2011－2013）五年實現找礦重大突破（2011－2015）八年重塑礦產勘查開發格局（2011－2018）顯著提升境外資源供應能力提升主要礦產境外權益比重推進構建國際礦業經濟新秩序，打破資源國際貿易壁壘和投資障礙，增強對國際礦產品市場的影響力和話語權。第九頁，共八十九頁。3、探索三項改革：以礦業權為核心的市場化改革地勘單位企業化改革礦產資源管理體制改革第十頁，共八十九頁。4、基本原則：突出重點礦種：石油、天然氣、鈾、鐵、銅、鋁、鉀鹽、鉛、鋅、金等緊缺礦產；稀土、鋰等戰略新興礦產；兼顧錳、鎳、鉻、銀、煤炭、鎢、錫、鉬、銻及金剛石、高純石英、晶質石墨等突出重點地區：非油氣礦產圍繞19個重點成礦區帶，87個整裝勘查區，391個重點勘查區第十一頁，共八十九頁。實施找礦新機制：公益先行，基金銜接，商業跟進，整裝勘查，快速突破加強科技支撐和引領：理論先行，綜合信息，定量立體，聯合評價，工程驗證第十二頁，共八十九頁。白春禮（2013）在《科技導報》提出：“科技發展呈多點突破、交叉匯聚的態勢，大數據科學成為新的科學范式?！彼摹ⅰ按髷祿睍r代的成礦預測與定量評價大數據時代：數字地球發展的新階段第十三頁，共八十九頁。美國國家情報委員會NIC（2012）發布了《全球趨勢2030，可能的世界》：“信息技術正在進入大數據時代，在未來15-20年，信息技術的硬件、軟件和連接性將會在性能、復雜度和傳輸速度上有大幅度的提升。海量數據的存儲和處理的解決方案、社交網絡技術以及“智慧城市”技術將是信息技術領域未來的發展熱點。”第十四頁，共八十九頁?！睹绹刭|調查局核心科學體系科學戰略2013-2023年》：“在科學發現中，數字式的方法途徑并不取代傳統方法，但它能補充、激活和改善傳統方法?！薄耙呀浐蛯⒁^續收集的大量數據，能夠使這種范式的轉型變成一種新科學，但也會產生問題，因為數據常常位于分散而互無聯系的地方，且格式不兼容，成為不完整信息，需要把它們搞成無縫對接和可互動的信息。第十五頁，共八十九頁。為了回答復合性更強的問題，模塊式科學框架必須以更細的空間尺度、更長的時間和更多的屬性測量和模擬細節，不斷地加以檢驗和擴充。這種數量和復合性不斷增長的數據，有時被稱為“大數據”，形成了比用較小的數據管理系統和技術所能處理的量更多的數據…數據密集型科學正在變成普通的科學，在未來的科學研究中，它將變成更強大、更重要的科學。”第十六頁，共八十九頁。沈春雷等（2013.3.26中國科學報）：“大數據技術的意義不在于掌握規模龐大的數據信息，而在于對這些數據進行智能處理，從中分析和挖掘出有價值的結構化信息?！睒I內將大數據的特點概括為4個“V”：體量巨大（Volume）類型繁多（Variety）價值密度低（Value）處理速度快（Velocity）第十七頁，共八十九頁。楊書卷（2013）“大數據”魅力正現：“大數據的實質：從各種各樣類型數據中，快速獲得有價值的信息…大數據的特點就是數據來源的“多源異構”，這樣的數據才能保證判斷的可靠性。……決策行為將日益基于數據和分析而做出，而并非基于經驗和直覺?！钡谑隧摚舶耸彭?。潘云鶴（2013）：大數據的發展趨勢是對大數據進行廣泛會聚和智能分析，形成“濃縮”的“數字知識”，并實現知識服務。因此，大數據時代的核心技術是從大數據中理出關系，綜合成系統，以供應用，其也被稱為“數字知識技術”。第十九頁，共八十九頁。張小彥（2013）：“大數據時代的到來，為數據管理提供了新的機遇，這主要是因為快速處理巨量無結構、半結構數據成為可能，這就使在線實時監測、預警、評估和管理、社會服務和福利成為可能。”…“社會管理科學化需要精確可靠的大數據處理過程和能力，包括數據處理實時化（realtime），可視化（datavisualization），數據挖掘和分析（dataminingandanalysis），預測分析（predictionanalysis）等”這是一個將數據加工成信息、將信息提煉成智能、以智能支持決策的系統工程。第二十頁，共八十九頁。大數據時代，一切科學都離不開數據，也沒有無科學的數據。鄂維南（2013）：“科學研究可歸結為數據研究”，兩方面內容：①用數據的方法來研究科學②用科學的方法來研究數據第二十一頁，共八十九頁。過去只用統計分析研究數據，近年來，機器學習，數據挖掘，生物信息，圖像處理，信號處理等方面的發展，數據分析已經深入到計算機科學、社會學、電子工程、生命科學、天文、地質、地理、氣象等領域，從數據分析角度看，這些不同學科的不同問題有相當程度的統一性，正是這種統一性，使“數據科學”有存在和發展的必要。第二十二頁，共八十九頁?！按髷祿睍r代的成礦預測與定量評價地質學屬于數據密集型科學，尤其是礦產資源預測、勘查與評價更是數據密集的分支學科和應用領域；地質學的數據具有深地、深空、深海和深時特點，空間和時間跨度大，數據獲取難度大、成本高、局限性強；成礦預測與定量評價數據具有多元、多源、異構、時空性、方向性、相關性、隨機性、模糊性、非線性等特征；第二十三頁，共八十九頁。成礦預測及定量評價的目標是對成礦遠景區或未知礦床進行定性、定量、定位、定概率的“四定”評估，因此，從大數據中要獲取以上四定的關鍵數據或核心數據；成功的成礦預測應有效地將地球動力學系統、成礦系統和勘查評價系統有機結合，充分挖掘成礦地質及預測評價密切相關的數據，對這些數據進行科學集成和智能分析，所以還應增加預測評價專家系統，將這4大系統完美結合，從中提取找礦預測和資源評價的有用信息，使“數字找礦”發展到“智慧找礦”的新階段；第二十四頁，共八十九頁。信息網絡領域的發展使大數據存儲取得突破，云計算、物聯網、工業互聯網等技術的興起，使信息技術滲透方式、處理方法和應用模式發生變革，使成礦預測評價4大系統的結合和“智慧找礦”的實現成為可能。第二十五頁，共八十九頁。小結：人類已進入大數據時代，數字地球已經發展到第二代“智慧地球”階段，而計算機技術則有云計算、物聯網等更強大和先進的網絡體系。地球科學是數據密集型科學，工作方法包括三個層面：1）數據獲取與保存2）數據挖掘與分析（包括建模、可視化、管理和服務）3）知識層面（深化對地球系統的認識和理解，在大數據時代，數據的產生、應用和轉化已形成一個完整的“數據鏈”）第二十六頁，共八十九頁。小結：完整的“數據鏈”：數字化、定量化及行為化產生數據數據的解析化、集成化、綜合化產生信息信息的模型化、智能化和專業化產生知識和產品知識和產品的實用化、網絡化和可視化產生財富和效益，并服務于公眾和社會在服務公眾和社會過程中，又產生大量新的數據數據信息知識財富服務再數據第二十七頁，共八十九頁。五、關于“數字找礦”定量地學是數據科學在地學中的應用“數字找礦”是定量地學的一個組成部分，是數據科學在礦產勘查中的應用，是用數據分析理論和方法解決礦床勘查中的實際問題。1、定量地學與“數字找礦”第二十八頁，共八十九頁。2、“數字找礦”的優越性和必要性①數量化和數字化是充分提取信息的基礎和前提②數據分析是提取各種信息的必要手段③數據分析是定量評價的依據④數據分析是查明變異性、差異性、相似性、相關性、非線性、復雜性等等的手段⑤地質對象數量規律性：結構特征、空間特征、統計特征、幾何特征、演化特征的查明，等第二十九頁，共八十九頁。⑥各種地質過程的數字模擬⑦數學特征是鑒別地質體、區分地質體的客觀依據⑧對事件結果的多解性、不確定性和模糊性進行定量估計和評價⑨對事件和現象的發展趨勢定量預測⑩進行智慧找礦，專家系統的前提第三十頁，共八十九頁。3、“數字找礦”模型：“三聯式”數字找礦地質異常成礦多樣性礦床譜系“5P”找礦地段圈定

第三十一頁，共八十九頁?！叭撌健倍砍傻V預測模型框圖預測評價數字模型成礦遠景區定量預測及評價礦源、運礦、聚礦、賦礦地質異常圈定與匹配成礦可能、找礦可行、找礦有利、礦產資源體、遠景礦體地質異常圈定與匹配(5P地段圈定)地質異常、物探異常、化探異常、遙感異常圈定與匹配全球、區域、局部、顯微地質異常分析匹配區域礦種、礦床類型（成因、工業、形態類型）礦化范圍、礦床規模、礦化強度、成礦深度多樣性及數字化區域地質背景場、地球化學場、地球物理場、遙感影象場多樣性及成礦多樣性表現地質多樣性與成礦多樣性關聯分析區域成礦時間序列分析及成礦時間譜系建立區域成礦空間趨勢分析及成礦空間譜系建立區域礦化成因演化序列及礦床成因譜系建立礦床譜系與區域成礦模式建立區域礦產競爭力評價與開發利用優度譜系建立地質異常識別與提?。?/p>

成礦地質信息數字化、定量化成礦多樣性分析與評價：礦化特征數字化、定量化礦床譜系分析與建立：區域成礦規律數字化、定量化“三聯式”定量成礦預測第三十二頁，共八十九頁。地質異常的數值提取模型①地殼升降系數法（G值法）②地質復雜系數法（C值法）③熵值法（H值）④地質相似系數法（S值法）⑤地質關聯度法（R值法）⑥分形理論及地質統計學理論第三十三頁，共八十九頁。地殼升降系數（G值）法地殼升降系數是用以研究地殼運動及其所形成的地質異常，它是根據區域地層記錄中平均升降運動背景場的確定、以及它與各單元子區不同地質時代升降運動特征的差異圈定代表隆起區與沉降區的地質異常第三十四頁，共八十九頁。地殼升降系數（G值）法地殼升降系數的表達式為： Gki=ln(Hki/Lki)(k=1,2,.….,m)(i=1,2,……,n)式中H為研究區某時代地層厚度的平均值，L為單元子區某時代的地層厚度，Hki/Lki反映了第k個子區單元第i時代的相對升降幅度，為了限制取值的范圍取其自然對數值第三十五頁，共八十九頁。地殼升降系數（G值）法G值為正時，說明該單元子區相對研究區范圍而言處于沉降狀態，G值越大說明該單元子區的沉降幅度越大，或者說地層保留的相對厚度越大G值為0時，說明該單元子區處于相對升降平衡，該時代地層在地史發展過程中相對穩定G值為負時，說明該單元子區相對研究區范圍而言處于上升狀態，負值越大則上升的越劇烈，或者說地層保留的相對厚度越小第三十六頁，共八十九頁。運用地殼升降系數（G值）法圈定的中國地質異常第三十七頁，共八十九頁。運用地殼升降系數（G值）法圈定的長江中下游地區海西期地質異常（呂新彪等，1997）第三十八頁，共八十九頁。地質復雜系數（C值）法地質復雜系數是衡量某一單元子區相對于研究區平均復雜程度的度量。首先根據研究區的地層、構造、巖漿活動、變質作用等凡能觀測的地質變量進行統計，取平均值作為研究區平均復雜程度的度量（大背景或理想的正常場）第三十九頁，共八十九頁。地質復雜系數（C值）法地質復雜系數用向量如下式所示： X=(x1,x2,……,xp)’根據下式計算每個單元子區相對于平均復雜程度的地質復雜系數： p

Cij=∑(xij-xj)2(i=1,2,……,n) j=1

式中xj為向量X的第j個分量，共計p個地質變量（分量），可近似將它看成背景場，xij為第i個單元子區第j個變量的取值，n為單元總數第四十頁，共八十九頁。地質復雜系數（C值）法當Cij值為0時，表示該單元的復雜程度與研究區的平均復雜程度（正常場）相當當Cij值為正時，表示該單元的地質條件比正常場復雜，數值越大則復雜程度越高當Cij值為負時，表示該單元的地質條件比正常場簡單，數值越小則地質條件越簡單第四十一頁，共八十九頁。運用地質復雜系數（C值）法-構造復雜度圈定的長江中下游地區地質異常（呂新彪等，1997）第四十二頁，共八十九頁。熵（H值）法熵是信息論中度量信息量的一種方法，它也反映事物發生的不確定度。一般來說，復雜系統的不確定性高。因此，地質構造特征越復雜，其不確定度越大，即熵值越高。這就是利用熵來表示地質構造特征復雜程度的基本原理第四十三頁，共八十九頁。熵（H值）法對定和數據，如地層、巖漿巖等出露面積（其和為1），可用下式計算：

p

Hi=-∑XijlogXij(i=1,2,……,n) j=1式中p為變量數，Xij為第i個單元第j個變量的取值（原始數據），對數log可取自然對數或者以10為底的普通對數等第四十四頁，共八十九頁。熵（H值）法對不定和數據，如斷層條數等，可用下式計算： p

n

n

Hi=-∑(Xij/∑Xij)log(Xij/∑Xij) (i=1,2,……,n)

j=1i=1

i=1

式中p為變量數，n為單元數，X為第i個單元第j個變量的取值(原始數據)，對數log可取自然對數或者以10為底的普通對數等第四十五頁，共八十九頁。運用熵（H值）法-組合熵圈定的長江中下游地區致礦地質異常（呂新彪等，1997）第四十六頁，共八十九頁。運用熵（H值）法-組合熵圈定的長江中下游地區致礦地質異常（呂新彪等，1997）第四十七頁，共八十九頁。運用熵（H值）法-地質建造組合熵圈定的云南元江地區地質異常（池順都等，1999）第四十八頁，共八十九頁。地質相似系數（S值）法地質相似系數是衡量某一個單元與周圍單元之間相似程度的度量。一旦某個單元與周圍的地質特征存在差異時，相似程度就降低了，由此可以圈定地質異常。首先對研究區進行網格單元劃分，并分別統計各網格單元的地層、構造、巖漿巖等變量的取值第四十九頁，共八十九頁。地質相似系數（S值）法地質相似系數是根據下公式計算每個 單元與周圍相鄰單元的相似系數：

p

p

p

Sij=(∑XikXjk)/(∑Xik2∑Xjk2)1/2

k=1 k=1k=1(i,j=1,2,……,n)

式中n為單元總數，p為變量數第五十頁，共八十九頁。地質相似系數（S值）法由上式計算出Si1,Si2,……,Si8以后，根據下式取其平均值作為該單元與周圍單元的相似系數：

8

Si=∑Sij/8

j=1第五十一頁，共八十九頁。地質關聯度（R值）法為了便于圈定地質異常，可將相似系數轉換為不相似系數，即不相似系數=1-相似系數，最后可通過圈定等值線或趨勢分析等處理確定地質異常。除計算每個單元與周圍相鄰單元的相似程度（不相似系數）外，還可計算每個單元與平均值之間的不相似程度第五十二頁，共八十九頁。地質關聯度（R值）法關聯分析是灰色系統中定量研究兩個事物之間關聯程度的一種方法，其實質是通過曲線間幾何形狀的分析和對比來計算曲線間的關聯程度。其幾何形狀越接近(相似)的曲線,其發展變化的趨勢越接近，則關聯程度越大第五十三頁，共八十九頁。地質關聯度（R值）法單元之間的關聯度越大，則這兩個單元的地質條件越相似。因此，首先對研究區進行網格單元劃分，分別統計各網格單元的地層、構造、巖漿巖等變量的取值。計算每個單元（稱為參考單元）與周圍相鄰單元（稱為被比較單元）之間的關聯度，取平均值作為該單元與周圍單元的關聯程度第五十四頁，共八十九頁。地質關聯度（R值）法根據下式分別計算每個變量的關聯系數：ξi(k)=A/BA=minminx0(k)-xi(k)+ξmaxmaxx0(k)-xi(k)

i

k

i

kB=x0(k)-xi(k)+ξmaxmaxx0(k)-xi(k)

i

kξ(k)是第k個變量被比較單元與參考單元的相對差值，這個相對差值稱為關聯系數第五十五頁，共八十九頁。地質關聯度（R值）法根據p個變量的關聯系數，取其平均值 作為兩個單元之間的關聯度，即：

8

Rij=(1/p)∑ξi(k)(j=1,2,……,8) k=1其中Rij表示參考單元(i)與被比較單元(j)之間的關聯度第五十六頁，共八十九頁。地質關聯度（R值）法計算了某一個單元（參考單元）與周圍8個單元（被比較單元）的關聯度之后，根據下式取平均值作為該單元與周圍單元的關聯度：

8

Ri=∑Rij/8

j=1第五十七頁，共八十九頁。地質關聯度（R值）法為了便于圈定地質異常，可將關聯度轉換為不關聯度，即不關聯度=1-關聯度最后，可通過圈定等值線或趨勢分析等處理確定地質異常。除了計算每個單元與周圍相鄰單元的不關聯度（不關聯系數）外，還可計算每個單元與平均值之間的不關聯度第五十八頁，共八十九頁。1.多樣性強度值DIS為單位面積或單位剖面長度n為單位面積或單位長度內礦種數成礦多樣性定量表征第五十九頁，共八十九頁。2.多樣性強度指數IDni為第i單元單位面積或單位剖面長度內礦種（或礦產組合類型）數nmax為研究區單位面積或單位長度內最大礦種（或礦產組合類型）數

ID=(ni/nmax)3.偏多樣性強度指數IP

Ip=(nj/Gmax)nj為第j種地質體單位面積（或長度）內礦種數Gmax為研究區單一類型地質體單位面積（或長度）內最大礦種數偏多樣性強度指數愈小的地質體，其成礦專屬性愈強第六十頁，共八十九頁。4.資源現實可利用率Ran1為目前技術經濟條件下可利用礦種（類型）數n為區內現有全部礦種數。5.資源潛在可利用率Rp

or

Rp=1-Ran2為目前暫不能利用或可用性不確定之礦種（類型）數n為區內現有全部礦種數。第六十一頁，共八十九頁。2812相關礦產成礦多樣性特征滇西北喜山期富堿斑巖實例第六十二頁，共八十九頁。DINo.TheporphyrygroupMainOreTypesMain&AssociatedOreTypes1西范坪巖群

1.50%1.75%2劍川巖群

0.75%1.25%3鶴慶北衙巖群

1.00%1.75%4祥云巖群

1.50%2.50%5姚安巖群

0.75%1.50%滇西北地區喜山期富堿斑巖若干主要斑巖群分布區相關礦產的成礦多樣性強度值（DI）

第六十三頁，共八十九頁。成礦多樣性與地質復雜度關系圖Preferableore-findingarea地質復雜度成礦多樣性圖例（孫華山等，2003）第六十四頁，共八十九頁。Preferableore-findingarea成礦多樣性與地質變異度關系圖地質變異度成礦多樣性圖例（孫華山等，2003）第六十五頁，共八十九頁。礦床譜系分類

第六十六頁，共八十九頁。全新世上新世末期漸新世末期中始新世末期TheporphyryCu-Mo-Auseries,etal.TheporphyryPb-Zn-Ag-Auseries,etal.TheporphyryW,Sn,Pb,Zn,Ag,Auseries,etal.Thelateriticandstreamgolddeposits,etal.(夏慶霖等,2003)滇西北地區地質異常演化第六十七頁，共八十九頁。滇西北富堿斑巖相關礦床系列時--空--因結構模式(張壽庭等,2003)實例第六十八頁，共八十九頁。CasestudyThelocationofGejiumineraldistrict.Theboxesshowthestudyareasofthreescales.Gejiu,Yunnanisoneofthemostimportanttinandcoppermineraldistrictsandiswell-knownforitsworldclassintindepositsandtinproduction.ThelocationofGejiumineraldistrictisshownasfollow.第六十九頁，共八十九頁。影響個舊深部Sn、Cu資源潛力評價的關鍵問題：對成礦模式的認識深部找礦信息的提取成礦特征及規律的空間變化性一個統一的成礦體系深-淺部地質異常耦合成礦多樣性-礦床譜系第七十頁，共八十九頁。燕山期構造—巖漿事件與成礦響應陸殼重熔型（主導）斑狀花崗巖階段早期：偏基性粗斑狀花崗巖147Ma

晚期：疏斑狀花崗巖90-100Ma

粒狀花崗巖階段早期：中粗粒等粒狀黑云母花崗巖81-84Ma

晚期：中-細粒黑云母花崗巖81±Ma殼?；烊坌停ㄉ倭浚┑谄呤豁摚舶耸彭?。（據羅君烈等,1995）礦床模型第七十二頁，共八十九頁。揭示個舊各類礦床或礦床組在時-空-因上的關聯性和規律性的礦床譜系喜馬拉雅期表生改造礦床系列

燕山期斑巖脈有關礦床系列燕山期花崗巖有關礦床系列燕山期堿性巖有關礦床系列（張壽庭等，2008）第七十三頁，共八十九頁。成礦遠景區“5P”找礦地段圈定①成礦可能地段（Probableore－formingarea）②找礦可行地段（Permissibleore－findingarea）③找礦有利地段（Preferableore－findingarea）④礦產資源體潛在地段（Potentialmineralresourcesarea）⑤礦體遠景地段（Perspectiveorebodyarea）第七十四頁，共八十九頁?！?P”找礦地段圈定大

小圈定遠景礦體地段工業化“診斷”信息顯示工業礦化地質異常圈定礦產資源體潛在地段礦化“診斷”信息顯示礦化地質異常圈定找礦有利地段多種成礦信息相匹配綜合地質異常圈定找礦可行地段成礦地質事件專屬致礦地質異常圈定成礦可能地段成礦地質異常致礦地質異常圈定各種地質異常事件各種地質事件地質異常找礦信息量

少多

礦產勘查風險第七十五頁，共八十九頁。1P:Probableore-findingareaMapsscale:1:500000*Predictionmethod:SingleGA（陳建國等，2008