改进的特殊地质单元综合方法——以岩脉为例_李雯静.pdf

改进的特殊地质单元综合方法以岩脉为例 李雯静 1， 2 李思怡 1， 2 （1. 武汉科技大学资源与环境工程学院， 湖北 武汉 430081； 2. 冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430081） 摘要岩脉总是与矿脉密切共生， 对于揭示区域地质演化过程、 指导找矿工作具有重要意义， 但在地质图自 动综合过程中， 由于岩脉出露规模较小， 通常被合并处理。针对地质图综合过程中岩脉信息丢失问题， 提出了地质 图综合过程中基于地理事实的岩脉综合方法。首先根据连续性原则， 识别潜在同源的岩脉组， 再推理演绎地质过 程， 对岩脉进行同一性判断， 对岩脉进行初步合并； 其次， 在开方根定律的基础上， 确定相应比例尺地图的载负量及 面积阈值， 并根据计算结果对岩脉进行取舍； 最后， 简化岩脉的外部轮廓以及内部结构， 避免制图比例尺变换过程 中导致的岩脉与其他地质单元之间的邻近冲突问题， 从而实现地质图的岩脉综合处理。试验结果与现有小比例尺 地质图对比表明 所提出的岩脉自动综合方法较合理， 可以在保留地层岩性特征、 地质构造特征的条件下， 有效避 免岩脉的完整性被破坏， 综合过程受人为因素的影响较小。该方法为地质图综合过程中特殊地理要素高效处理提 供了一个新的思路。 关键词地图综合岩脉地质演化过程特殊地理要素开方根定律 中图分类号P623.6文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -05-124-08 DOI10.19614/ki.jsks.201905020 An Improved Generalization for Special Geological UnitA Case Study on Dyke Li Wenjing1Li Siyi22 （1. College of Resource and Environmental Engineering， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， China； 2. Hubei Key Laboratory for Efficient Utilization and Agglomeration of Metallurgic Mineral Resources， Wuhan 430081， China） AbstractDykes are always closely coexisting with ore veins in deposit， and it is of great significance in reveling region- al geological evolution process and guiding prospecting work.During the process of geological mapping and geological map syn- thesis， dyke is often neglected or integrated with general geological unit because of its relatively small exposure scale.In veiw of the loss question of dyke ination in geological map synthesis， a generalization of dyke based on geographical fact during the geological generalization process is put forward.Firstly， based on the continuity principle， the potential homolo- gous dyke groups are identified， through the deduction of geological evolution process， the homologous judgement of dykes is conducted and dykes are amalgamated preliminarily.Then， based on the square root law， loading capacity and area threshold of the maps with different mapping scale are calculated， so as to determine dyke retention or abandonment.Finally， the outer shape and internal construction of dykes are simplified， so as to avoid the adjacent conflict problem between dykes and other geological units in the process of mapping scale transation， therefore， dykes generalization process of geological map is re- alized.The comparison results of test and existing geological maps with small scale show that the proposed automatic dyke gen- eralization is more reasonable， the dyke integrity can be effectively avoided under the condition of retaining the strati- graphic lithological characteristics and geological tectonic characteristics， and the generalization process is less affected by hu- man factors.The above study results further indicated that a new ideal for the processing of special geographical elements dur- ing the generalization process of geological maps is proposed. KeywordsCartographic generalization， Dyke， Geological evolution process， Special geographical elements， Square root law 收稿日期2019-03-15 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 41271449） 。 作者简介李雯静 （1978） ， 女， 教授， 博士， 博士研究生导师。 总第 515 期 2019 年第 5 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 515 May 2019 124 ChaoXing 地质图件是地质工作成果的主要载体之一， 是 地质工作服务于经济社会发展的主要工具， 是体现 国家地质研究程度、 地质科学技术水平和社会文明 程度的主要标志之一， 历来受到各国政府和国际地 学组织的高度重视 ［1］。地质图数据属于具有空间特 性的空间数据， 随着地质调查工作的不断深入和地 质科学研究水平的提高， 地质图件作为地质成果的 集中体现， 积累了大量的各种比例尺的地质数据资 料 ［2］。其中， 大比例尺地质图往往作为中小比例尺地 质图的编制依据， 在中小比例尺地质图的编制过程 中扮演着重要角色， 因此， 地质图自动综合技术的不 断发展和创新对地质图的编辑、 使用、 维护具有重要 意义。 地质图是用于描述地壳表层岩相、 岩性、 地层 年代、 地质构造、 岩浆活动、 矿产分布等地图的总称， 是适应人类社会经济文化和工业生产的需要而产 生， 能够在矿产资源发现、 灾害评估等国民经济建设 方面提供十分重要的信息 ［3-6］。 岩脉是最普通、 最常见的地质体， 由于出露规模 相对较小， 在地质填图工作乃至地质图综合过程中 往往被忽略， 或者以一般地质单元综合步骤对其进 行综合处理。然而， 多数岩脉总是与一些内生金属 矿床有着千丝万缕的联系， 特别是造山后的脉岩群 可能与成矿关系较为密切， 有望成为内生金属成矿 作用的宏观标志体 ［7-8］； 岩脉充填于火山或侵入体的 补给通道中， 可以作为原生岩浆或者母岩浆的代表， 用于反演源区物质组成 ［9-10］和岩浆喷出历史［11-12］； 岩 脉充填于某种构造裂隙中， 其空间配置方式反应了 当时的构造应力场 ［13］； 岩脉所充填的裂隙也是成矿 流体赖以上升的良好通道， 使其成为良好的找矿标 志 ［14-18］。因此， 优化地质图综合过程中对岩脉的处理 方式， 对于揭示、 再造区域地质演化过程和指导找矿 工作具有重要意义。 1地质图综合研究概述 1. 1一般地质单元综合流程 岩脉作为一种普通而又特殊的地质体， 其综合 方式在延续一般地质单元综合流程的同时， 也有其 特点。地图制图综合是指在编制地图的过程中， 根 据编图的目的， 对编图资料和制图对象进行适当选 取与概括。一般地质单元综合过程中选取部分的 流程可分为2个阶段 即类驱动综合及几何驱动综 合 ［19］。类驱动综合是将大比例尺地质图上所有具有 相近特征的相邻地质单元合并， 形成新的地质单元， 完成初步的地质单元综合； 几何驱动综合则是按照 开方根定律确定由大比例尺地质图向小比例尺地质 图综合后应保留的地质单元的数量， 再以初步综合 后的各个地质单元的面积确定具有保留资格的地质 单元的面积阈值， 并作为判定依据筛选出应该舍弃 的地质单元， 最后将该类 “规格外” 的地质单元合并 到与其相邻的面积最大的地质单元中。在完成地质 单元选取后， 再通过夸大、 位移等综合方法实现对地 质单元轮廓的概括。地质单元综合流程见图1。 1. 2岩脉综合方法改进 岩脉综合也基本遵循一般地质单元综合流程， 在几何驱动综合时， 小于面积阈值的岩脉将被舍 弃。但是原本完整的岩脉由于一些地质过程的发 生， 在大比例尺地图上表现出不连续的状态， 若交由 计算机处理， 按照一般地质单元综合方法， 面积小于 预设阈值的岩脉 （实为原始岩脉的一部分） 必将被舍 弃， 在一定程度上会阻碍岩脉信息的完整表达 （图 2） ， 也会对后期地质事件判读产生影响。因此需要 对一般地质单元综合流程进行改进， 在类驱动综合 阶段还原岩脉的连续关系， 尽可能避免呈现不连续 状态但应该被保留的部分同源岩脉在综合过程中由 于不符合保留条件而被舍弃。 地质过程虽然一直在进行， 但进程十分缓慢， 若 排除人文因素， 一个原本完整的地质单元出现不连 续一般有构造运动、 河流或海水的侵蚀和堆积2种 非排他性原因。其中， 构造运动引起的地质单元不 连续又可以细分为 ①断层横穿或斜穿岩层， 使得岩 层中断与另一岩层接触 （图3 （a） ） ； ②岩浆活动过程 中， 岩浆侵入到上覆围岩时， 在侵入体内外形成了侵 入体， 改变了原围岩的完整性和邻接关系 （图 3 （b） ） 。 李雯静等 改进的特殊地质单元综合方法以岩脉为例2019年第5期 125 ChaoXing 河流或海水的堆积与侵蚀解释了另外一种地质 单元不连续的情况， 即河流在后期将河谷旁蚀成宽 广的谷地， 冲积物沉积于被部分侵蚀的覆盖层地质 单元之上， 使得完整的地质单元在地壳表层表现为 不连续的状态。本研究主要讨论地质图综合过程中 对岩脉的综合方法， 前提是在覆盖层下的地质构造 特征不发生明显变化， 通过对覆盖层进行地质过程 分析还原岩脉的原始状态， 主要目的是发现那些在 深层连续而在覆盖层表现为不连续的同源岩脉， 并 在地质图上表现出它们连续的本质特征。通过分析 地质单元不再连续的原因， 可以逆推出岩脉同源与 否的判定条件 是否发生过构造运动或是否发生过 河流或海水的侵蚀与堆积。对岩脉进行同源认定 后， 进一步判断同源岩脉在覆盖层之下是否连续 构 造运动会同时影响覆盖层以及覆盖层以下地质单元 之间的接触关系， 同源岩脉的连续性从本质上发生 了改变； 由河流或海水的侵蚀堆积过程造成的覆盖 层地质单元不连续较少影响到覆盖层下的地质特 征， 岩脉在覆盖层下基本连续。最后， 以岩脉之间的 连续关系为依据对岩脉进行选取和综合。 2地质图综合理论基础 2. 1连续性原则 由于地理现象一般是连续的， 可以根据连续性 原则判断岩脉之间是否存在连续关系， 从而进一步 筛选出具有连续性特征的岩脉。“连续性” 概念源于 心理学中的格式塔组织原则， 作为一种感知原则， 在 理解图像和地图的过程中具有至关重要的作用， 其 在地图综合中的重要性也早已得到认可， 在道路网 综合、 断层综合等方面已得到了较好应用。根据连 续性原则可知， 具有相近走向的元素之间的关联性 强于相异走向的元素之间的关联性。采用邻近搜索 方法， 通过控制以岩脉中心线任意端点为中心的搜 索半径以及中心线走向的角度容差， 筛除连续性较 差的岩脉， 初步确定能够与目标合并的候选岩脉， 最 后得到若干组预备合并的岩脉， 如图4所示。 2. 2地质过程推演 地质图表现出的是一定时期内地质体、 地质现 象的最终结果， 可以通过假设其发生的前提条件， 通 过推导演绎地质过程得到假设前提下地质过程的最 终结果。通过将其与真实地质体及地质现象的最终 结果进行比较， 从而判断假设前提是否正确 ［20］。可 以借用地质过程推演的思想进行岩脉同一性判断， 在假定原始状态时岩脉完整的前提下， 模拟可能造 成岩脉变得不再完整连续的地质过程， 若按照该过 程进行地质过程演变后的结果与现状地质图上的岩 脉及其相邻地质单元的位置关系矛盾， 证明原假设 金属矿山2019年第5期总第515期 126 ChaoXing 不成立， 即可认为该类岩脉不具有同一性。 2. 3开方根模型及其拓展 大比例尺地图向小比例尺地图综合时， 由于比 例尺的变换， 同一区域范围内容纳的地物数量也会 变少， 需要借助一定的模型来确定尺度变换后的地 图相对于原始地图地物的选取程度。 方根规律模型是20世纪60年代初由德国制图 学家Topfer提出的地物数量选取模型， 作为制图综合 中进行数量选取的主要模型一直沿用至今， 模型基 本公式为 ［21］ NbNaMaMb，（1） 其中，Na为原图地物数量；Nb为目标比例尺地质图上 应保留的地物数量；Ma为原图比例尺分母；Mb为目标 比例尺分母。 在对地质图上的岩脉进行综合过程中， 由于岩 脉较多， 且为成群、 成带分布的细小岩体， 若以原图 地物数量直接参与计算， 则许多面积小、 实际上应当 被舍弃的岩脉也会被保留， 将直接影响岩脉综合效 果。因此在岩脉综合过程中有必要对开方根模型进 行改进。利用聚类算法， 将岩脉按照面积大小相似 性进行度量， 将面积相近的岩脉归为一类， 使得类间 差异较大而类内差异较小。考虑到对岩脉聚类时类 别数应当是有限且可以确定的， 本研究使用K均值将 岩脉按照面积相似度进行聚类， 分为若干个类Ca后， 以岩脉面积大小作为岩脉综合选取的依据， 在此基 础上， 利用开方根模型对类按照面积由大至小进行 选取。改进后的开方根模型可以表示为 CbCaMaMb，（2） 其中，Ca为原图中按照面积对岩脉聚类后的类别数； Cb为目标比例尺地质图上应保留的类别数。 通过对开方根模型进行改进， 可以有效减少岩 脉面积和数量之间对应关系的不平衡对地物选取效 果的影响。 3改进的岩脉综合方法 本研究提出的岩脉综合方法主要分为岩脉选 取、 轮廓简化两大步骤， 其中岩脉选取又进一步细分 为类驱动综合和几何驱动综合。在类驱动综合阶 段， 针对岩脉同一性识别问题， 提出一种基于连续性 原则及地质过程推演的岩脉同一性认定流程， 对潜 在连续的岩脉进行初步合并； 在几何驱动综合阶段， 在开方根定律的基础上确定岩脉保留限额， 根据计 算结果对初步合并后的岩脉进行取舍； 最后简化岩 脉的外部轮廓以及内部结构。 3. 1类驱动下的岩脉综合 考虑到岩脉在地质事件传达中的重要性， 在类 驱动综合过程中， 岩脉作为传达地质事件特殊的一 类， 不参与和其他具有相近特征地质单元的合并过 程， 在类驱动综合阶段主要解决岩脉同一性认定问 题， 主要从连续性原则和地质过程先后顺序角度讨 论岩脉的同一性。 为简化试验， 将岩脉抽象成线， 以各岩脉的中心 线代表岩脉。假设原始地质图上的岩脉集合为 {L1,L2,L3,,Ln}。类驱动的基本思想是顾及当前岩脉 与其他岩脉之间的连续程度 （岩脉之间的端点距离 小于阈值ϕ且岩脉之间夹角小于角度容差θ可认为岩 脉连续） ， 通过模拟地质过程来判断岩脉是否同源 （图5） 。需要指出 地质过程模拟是在构造运动对地 层构造改变的彻底性和连续性原则的限定下， 即使 在构造运动之前岩脉是一体的， 由于岩脉的深层连 接关系彻底发生改变， 使得在一般地质图上还原岩 脉的原始状态不再有意义， 因此仅需在初步得到候 选岩脉组后对组内的岩脉进行河流海水侵蚀堆积过 程模拟， 来判定岩脉同源假设是否合理。具体步骤 如下 （1） 针对岩脉Lii1,2,3,,n， 分别计算Li两端端 点Pl i、 Pr i与岩脉Lj （j1,2,3,,n,且j≠i两端端点Pl j、 Pr j 之间的距离dll ij、 dlr ij、 drl ij、 drr ij以及岩脉Li与岩脉Lj之间的夹 角αij。 （2） 若存在d∈{dll ij， dlr ij， drl ij， drr ij}使得d小于ϕ且αij＜ θ， 则认为Li与Lj之间存在较好的连续性。 （3） 连接Li与Lj的近端， 设为lij， 则lij必定会穿过地 质图上除岩脉以外的地质单元， 若该地质单元是河 流海水侵蚀堆积的产物， 则可以认为Li与Lj同源， 可以 合并。 （4） 重复步骤 （1） ～步骤 （3） ， 直至集合中的所有 岩脉元素都完成同一性判断。 3. 2几何驱动下的岩脉综合 类驱动综合步骤完成后， 具有同一性的岩脉被 合并， 合并后的岩脉与不具有合并条件的岩脉构成 了一组新的岩脉{D1,D2,D3,,Dn}， 该类岩脉将参与 几何驱动下的岩脉综合。在几何驱动综合过程中， 按照一般地质单元综合方法， 确定相应比例尺地图 的载负量及面积阈值， 筛选目标图幅上应保留的岩 脉对象以及小于阈值应被舍弃的岩脉对象。该类被 舍弃的岩脉作为孤立且相对较小的岩脉单元， 将被 李雯静等 改进的特殊地质单元综合方法以岩脉为例2019年第5期 127 ChaoXing 合并到相邻且具有相似岩性的其他地质单元中。具 体步骤如下 （1） 首先对新的岩脉集合{D1,D2,D3,,Dn}按照 面积大小进行聚类， 形成Ca个类，Ca2MaMb。 （2） 按照改进后的开方根定律确定相应比例尺 地质图上应保留的岩脉类数Cb， 取面积排名前Cb类的 岩脉作为目标比例尺地质图上应保留的岩脉， 剩余 的岩脉将被舍弃。 （3） 在被舍弃的岩脉集合中选择任意一个需要 被舍弃的岩脉， 通过检查与其相邻地质单元的属性 来判断最终归属。若岩脉周围有且仅有一个地质单 元与其相邻， 即该岩脉处于 “孤岛” 状态， 可直接将其 合并到与它唯一相邻的地质单元中； 若岩脉周围有 若干个地质单元与其相邻， 可首先考虑将其合并到 与其具有相似岩性特征且面积最大的地质单元中， 当相邻地质单元与其岩性特征无关或者关联较小 时， 可直接按照面积大小对岩脉进行综合。 3. 3地质单元概括 为解决制图比例尺变化带来的多边形与多边 形之间以及多边形内部的邻近冲突问题， 需要对岩 脉进行形状化简。岩脉综合作为地质图综合的一 部分， 不仅应考虑岩脉自身的形状简化问题， 还需 要综合考虑与其邻接的地质单元形状简化后的拓 扑关系。对经过综合后的岩脉进行进一步处理时， 主要是去除其轮廓形状的碎部， 代之以总的形状特 征， 简化外部轮廓以及内部结构， 在保持岩脉形状 简化前后相似性的同时兼顾地质单元之间的总体 结构相似性。 4试验分析 本研究试验一数据来自诸塚山1 ∶ 5万地质图 （图 6 （a） ） 及延岡1 ∶ 5万地质图 （图6 （b） ） ， 试验区a图幅 与试验区b图幅相邻， 前者包含了9个大小形状各异 的岩脉单元， 后者包含了3个岩脉单元。 由比例尺1 ∶5万到1 ∶20万的岩脉综合过程中， 提取各个岩脉的中心线， 对该类中心线进行比对筛 选， 在试验区a找到了7组两两走向相近的岩脉， 在试 验区b找到了1组走向相近的岩脉。随后对该类岩 脉组进行同一性检验， 试验区a中有4组岩脉表现出 走向相近， 且岩脉之间的地质体均为年代较晚的河 流或堆积物， 试验区b符合条件的岩脉只有1组， 将 该类具有同一性质的岩脉分别合并。经过合并处理 后， 试验区a的岩脉数变为2， 试验区b的岩脉数为1， 确定了载负量及面积阈值后， 试验区a的1个岩脉被 舍弃， 合并到相邻地质单元中。图7为试验一岩脉综 合结果。 在图7的基础上， 对保留的岩脉进行形状概括， 金属矿山2019年第5期总第515期 128 ChaoXing 试验二数据来自岸和田1 ∶ 5万地质图数据 （图9 （a） ） ， 试验区包含55条岩脉， 在地物选取阶段， 被判 断为同源岩脉的有4组， 类驱动综合后剩余51条岩 脉。对岩脉进行聚类后得到4类岩脉， Ⅰ类包含3条 岩脉， Ⅱ类包含7条岩脉， Ⅲ类包含13条岩脉， Ⅳ类 包含22条岩脉。经过几何驱动综合后， 保留了Ⅰ类 和Ⅱ类岩脉共计10条。最后对岩脉进行形状概括， 结果如图9 （b） 所示。 将试验结果与现有的1 ∶ 20万地质图进行比较， 发现改进后的岩脉综合方法在对岩脉进行综合时， 能够识别出同源岩脉， 对该类岩脉进行合并处理后 得到的综合结果较好地保留了岩脉产状信息。总体 来说， 本研究提出的岩脉综合方法可以在保留地层 岩性特征、 地质构造特征的条件下， 有效避免岩脉完 整性被破坏。 5结语 岩脉对于揭示和再造区域地质演化过程、 指导 生产实践活动具有重要价值， 本研究提出了综合考 虑地质过程影响、 还原岩脉原始状态的自动综合新 方法。通过与1 ∶ 20万地质图比较， 认为该方法在自 动综合的情况下能够较好地保留岩脉的完整性， 对 岩脉的综合效果较好， 综合过程受人为因素影响较 小。但该方法仅适合于普通地质图综合， 在地貌及 第四纪地质图或水文地质图等着重表示沉积层或水 文现象特征的地质图综合时， 岩脉的重要程度可能 会降低， 因此本研究提出的岩脉综合方法也将不再 适用。如何根据地质图的用途， 在考虑各类地质体 重要程度的前提下进行地质图综合是后续的研究方 向之一。 参 考 文 献 李廷栋， 丁伟翠， 郑宁， 等.博览群图提升地质制图的科学技术 水平 ［J］ .地球信息科学学报， 2011， 13 （6） 711-719. 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