Tóm tắt. Báo cáo trình bày kết quả áp dụng các phương pháp toán học thống kê xử lý phân tích tài liệu bay đo từ, phổ gamma và trọng lực với mục đích dự báo và đánh giá triển vọng khoáng sản. Hệ phương pháp được xây dựng trên cơ sở các kết quả nghiên cứu, kinh nghiệm áp dụng thực tế trong nhiều năm của các tác giả ở Liên đoàn Vật lý Địa chất .
Các phương pháp toán học thống kê xử lý, phân tích tài liệu bay đo từ phổ gamma và trọng lực chủ yếu gồm: xác định các đặc trưng thống kê, đặc trưng liên kết của các trường, các phương pháp phân chia trường thành các thành phần như các bộ lọc tuyến tính, xác định dị thường theo tổ hợp các dấu hiệu,và các phương pháp nhận dạng đối tượng chuẩn…
Báo cáo cũng trình bày kết quả áp dụng xử lý, phân tích tài liệu bay đo từ phổ gamma và trọng lực tỷ lệ 1 : 50.000 vùng Tiên Phước, Quảng Nam với nhiệm vụ chủ yếu khoanh định các vùng triển vọng khoáng sản vàng gốc.Trong phạm vi vùng Tiên Phước đã tiến hành điều tra địa chất và khoáng sản tỷ lệ 1 :50.000 và đã có các mỏ có giá trị công nghiệp đã được điều tra, đánh giá và khai thác như: các mỏ vàng Bồng Miêu, vàngTrà Dương, graphit Hương Nhượng, felspat kali Tiên hiệp... Kết quả xử lý, phân tích tài liệu ngoài các diện tích triển vọng phù hợp các khu mỏ đã biết đã khoanh định được 4 diện tích có triển vọng vàng gốc mới. Kết quả kiểm tra sơ bộ 2 trong số 4 diện tích triển vọng đã phát hiện các đới thạch anh – sulfur – vàng có quy mô lớn, hàm lượng vàng cao [ 1.0 ÷ 102 g/t Au ].
Mở đầu.
Ở Việt nam công tác điạ vật lý bay đo từ, phổ gamma và trọng lực tỷ lệ 1:50.000 đến 1:25.000 đã tiến hành được hơn 100.000 km2 , phủ kín hầu hết các diện tích từ Thanh Hoá đến Bình Thuận, hầu hết diện tích vùng Tây nguyên và một số diện tích vùng núi phía bắc. Các tài liệu này cho đến nay đã được nhiều tác giả xử lý, phân tích với mức độ và mục đích khác nhau. Trong đó nhiều tác giả xử lý, phân tích chủ yếu phục vụ các báo cáo từng phương án bay đo và đo vẽ trọng lưc nên mức độ khai thác và tổng hợp thông tin còn hạn chế.
Việc nghiên cứu hệ phương pháp xử lý, phân tích tổng hợp tài liệu bay đo từ - phổ gamma và trọng lực phục vụ điều tra địa chất và khoáng sản có hệ thống được bắt đầu từ 1995 ở các khía cạnh khác nhau bởi các tác giả: Nguyễn Tài Thinh, Nguyễn Thế Hùng, Đỗ Tử Chung,Võ Thanh Quỳnh, Nguyễn Tuấn Phong, Doãn Ngọc San...Các kết quả này đã được áp dụng thực tế ở các mức độ khác nhau. Trong đó hệ phương pháp xử lý, phân tích tài liệu bay đo từ phổ gamma và trọng lực phục vụ điều tra địa chất và khoáng sản dựa trên cơ sở toán học thống kê của các tác giả Nguyễn Tài Thinh và Nguyễn Thế Hùng có sự tham gia những người khác xây dựng và hoàn thiện đã được áp dụng rộng rãi và mang lại những kết quả đáng kể trong việc giải đoán địa chất và phát hiện khoáng sản.
Kết quả xử lý phân tích tài liệu địa vật lý theo các phương pháp toán học thống kê trong những năm qua đã có nhiều đóng góp trong điều tra địa chất và đánh giá khoáng sản, đặc biệt đã phát hiện nhiều mỏ mới quan trọng như: uran [Quảng Nam ], fluorit [ Bình Định ], magnhezit [ Gia Lai ], nhiều mỏ vàng, thiếc ở các vùng Nghệ An, Quảng Bình, Huế, Lâm Đồng v.v. và đã khoanh định nhiều diện tích triển vọng khoáng sản khác nhau làm cơ sở điều tra, đánh giá tiếp theo.
- Các phương pháp xử lý thống kê chủ yếu thường áp dụng.
1. Các tham số đặc trưng dị thường phổ gamma chủ yếu. Trong lĩnh vực điều tra địa chất và khoáng sản các tham số đặc trưng trường phổ gamma thường sử dụng là:
- Chỉ số bức xạ tương đối [JK, JTh, JU]: là tỷ lệ đóng góp của các trường thành phần trong trường tổng, dùng để đánh giá bản chất chủ yếu gây trường của các nguyên tố phóng xạ.
Chỉ số bức xạ tương đối được tính theo công thức sau
[1.1]
Trong đó: Ji là cường độ bức xạ tương đối [Ji = JU, JTh, JK]
aJi - độ nhạy hàm lượng của kênh tổng đo với mô hình quặng i
qi - hàm lượng nguyên tố xác định trên kênh thứ i [ qth, qk, qu ]
J - cường độ bức xạ gamma trên kênh tổng
- Tỉ số hàm lượng các nguyên tố phóng xạ: Trong các đá gốc của vỏ trái đất, đối với mỗi loại đá đặc trưng bởi các hàm lượng nguyên tố phóng xạ [qU, qTh, qK] nhất định và thường khá ổn định. Nhưng do các quá trình biến đổi nội, ngoại sinh làm mất tính cân bằng vốn có của chúng trong đất đá ban đầu nên các tỷ số giữa các nguyên tố thay đổi khác nhau tuỳ thuộc loại biến đổi. Thường sử dụng các tỷ số sau: qTh/qU; qK/qTh; qU/qK [ 1.2 ]
- Chỉ số đa thành phần [F]: Chỉ số đa thành phần được xác định theo biểu thức sau:
F = qU.qK/ qTh [1.3]
Chỉ số F cao thường phản ánh các đới biến chất nhiệt dịch, vì vậy chỉ số F còn được gọi là chỉ số triển vọng.
- Tham số Dominal: Quá trình phân bố lại các nguyên tố phóng xạ do các quá trình biến đổi khác nhau sẽ làm tăng hoặc giảm nguyên tố này hay nguyên tố khác. Thông số Dominal [DU, DTh, DK] cho phép xác định quá trình tăng, giảm đó và được biểu diễn theo biểu thức:
DU = qU.qU / qTh.qK; DK = qK.qK / qU.qTh; DTh = qTh.qTh / qU.qK [ 1.4 ]
- Hàm lượng riêng trên phông của từng nguyên tố: Δqij tính theo công thức:
Δqij = qi2 - kij . qi [1.5]
Trong đó: Δqij - Hàm lượng riêng trên phông của nguyên tố thứ i
qi - Hàm lượng nguyên tố thứ i
kij - Giá trị phông của tỷ số cặp số liệu thứ i và thứ j
2. Các đặc trưng thống kê cơ bản.
Xác định các đặc trưng thống kê ngẫu nhiên các số liệu bay đo từ phổ gamma và trọng lực là giai đoạn cần thiết phục vụ việc lựa chọn phương pháp và cách thức xử lý, phân tích tiếp theo. Các đặc trưng thống kê cơ bản thường áp dụng: kỳ vọng toán học; phương sai; độ lệch trung bình bình phương, độ bất đối xứng, khoảng biến đổi; gradient, bán kính liên kết… và các đặc trưng khác như:
- Hàm tự tương quan D[K, M] dùng để mô tả tính chất thống kê của trường địa vật lý theo diện được cho tại các nút lưới đều.
D[K,M] = [2.1]
Trong đó: F[i,j] là giá trị của trường tại tuyến thứ j và điểm thứ i,
M – bước trượt theo các điểm; K – bước trượt theo các tuyến,
N – số điểm trên tuyến; P – số tuyến
- Hàm tương quan giữa hai quá trình ngẫu nhiên.
Đánh giá tương quan của hai quá trình ngẫu nhiên được xác định bằng công thức sau:
B[m] = [2.2]
Trong đó:
F1, F2 – là hai quá trình ngẫu nhiên;
; ;
- Hàm tự tương quan và tương quan cấu trúc
Tự tương quan cấu trúc RR[L] là phép biến đổi trường xuất phát Z được cho rời rạc với bước không thay đổi bằng 2L
[2.3]
Với C1 là hàm tự cấu trúc, biểu diễn dưới dạng:
C [2.4]
Trong đó: [2.17]
L - kích thước biến thiên của cửa sổ lọc [L = 1,2,3,..., L ],
H[L] – các giá trị trọng số của lọc đối xứng, m – khoảng trung bình của hàm tự cấu trúc.
Hàm RR[L] đặc trưng như là tương quan của các giá trị trường lân cận và phương sai trên khoảng 2L.
Tương tự có hàm tương quan cấu trúc SS[L]:
[2.5]
Với S[L] là hàm cấu trúc lẫn nhau được tính toán tương tự:
[2.6]
Việc tính toán RR[L] và SS[L] là điểm mạnh của phép phân chia dị thường yếu
- Đặc trưng phổ của trường địa vật lý. thường sử dụng các phương pháp phân tích điều hoà Furie:
[2.7]
Trong đó: N- số điểm quan sát trên tuyến;
; - tần số cơ bản bằng 1/N
; [ 2.8 ]
3. Các phương pháp phân chia trường thành các thành phần.
Các bộ lọc bộ lọc tối ưu.
Các bộ lọc tối ưu cho phép thực hiện hiệu quả nhất bài toán phân chia trường thành các thành phần, việc tính toán các giá trị trọng số của bộ lọc và tích chập của chúng trong cửa sổ với các giá trị của trường.
Tích chập hai chiều của các dữ liệu đầu vào F[j,i] được xác định bởi công thức:
[3.1]
Trong đó: j – số hiệu của tuyến, j = 1,2,3....M0;
i – số hiệu điểm trên tuyến, i = 1,2,3....N0
- Bài toán tìm kiếm các giá trị trọng số của bộ lọc năng lượng là tìm kiếm các giá trị riêng cực đại của ma trận tương quan [[RF]] và vec tơ riêng [H] tương ứng với nó:
[3.2]
- Tìm kiếm các giá trị trọng số [H] của bộ lọc Vine – Conmogorop theo phương trình:
[[RF]] . [H] = [RA] [3.3]
Trong đó: [[RF]] là ma trận tương quan của trường xuất phát;
[RA] là ma trận tương quan của tín hiệu trên lối ra của lọc;
Các bộ lọc tối ưu là một trong những thuật toán mạnh nhất của phép lọc trong các điều kiện phân tích sai số của các trường với các bán kính tương quan khác nhau. Nó khác với lọc thông thường bởi phương pháp thay các kích thước, độ nghiêng và các hệ số lọc bằng việc xác định sự thay đổi các tính chất tương quan của trường ban đầu.
Phương pháp phân tích thành phần chính
Đây là phương pháp phân tích thống kê nhằm xác định thành phần mang lượng thông tin nhiều nhất trong số các dấu hiệu sử dụng. Phương pháp được xây dựng dựa trên cơ sở mô hình toán học phân tích yếu tố mô tả bởi phương trình:
[3.4]
Trong đó: fj là yếu tố ban đầu thứ j, không phụ thuộc lẫn nhau;
- sai số đo; N - số yếu tố ban đầu
Về mặt toán học, thành phần chính là vec tơ riêng của ma trận phương sai – hiệp phương sai. Trường hợp số liệu đã chuẩn hóa, đó chính là ma trận tương quan. Giá trị thành phần chính được tính từ các giá trị vec tơ riêng và ma trận các số liệu nguyên thuỷ [B]
[3.5]
trong đó: là ma trận m.n các thành phần chính; - ma trận m.n số liệu nguyên thuỷ
- ma trận m.m của vec tơ riêng được chuẩn hoá.
Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này là có thể tăng số lượng dấu hiệu sử dụng nhưng lại giảm số lượng dấu hiệu cần phải xử lý ban đầu, làm cho quá trình xử lý trở lên đơn giản và hiệu quả hơn. ….
4. Phương pháp phát hiện dị thường theo tổ hợp dấu hiệu
Sử dụng hàm tự tương quan và tương quan cấu trúc [RR và SS] đã trình bày trên trong trường hợp tổ hợp dấu hiệu, ta có thể phát hiện được các dị thường yếu một cách hiệu quả. Khi đó, cần xác định hàm phân phối của tất cả các RR và SS giá trị trung bình median RR~ và SS~ của mức ý nghĩa đã cho [ví dụ 0,95]. Các giá trị nhận được là ngưỡng dưới “xác suất bé”. Chấp nhận chúng để làm ngưỡng 3σ, có thể tính được độ lệch trung bình bình phương S của mỗi chỉ thị theo công thức:
[4.1]
Trên cơ sở đó, xác định chỉ số chỉ thị tổ hợp dấu hiệu đặc trưng cho đối tượng cần tìm. Chỉ số này có thể được gọi là “chỉ thị địa vật lý” của đối tượng.
5. Các phương pháp phân lớp đối tượng
Phương pháp phân lớp K- trung bình
Phương pháp phân lớp K – trung bình do Macqueen đề xuất, với nội dung như sau:
Giả sử tồn tại n đối tượng, mỗi đối tượng được đặc trưng bằng vec tơ số liệu các dấu hiệu nghiên cứu X[li]- [l = 1,2,3…L] quan sát được ở một điểm hay trên một diện tích cơ sở thứ i nào đó của khu vực khảo sát. Nhiệm vụ đặt ra là cần phân chia toàn bộ n đối tượng thành M lớp, với M 80%, phân bố rải rác trong diện tích.
Trong diện tích này đã tiến hành điều tra, đánh giá khoáng sản tỷ lệ 1: 10.000 vùng Trà Dương khoảng 10 km2 ở phía tây diện tích, ngoài ra có 1 điểm quặng vàng đã phát hiện ở Dương Yên.
3. V ùng triển vọng Núi Nưa [ III ]: có dạng kéo dài theo hướng ĐB – TN, dọc theo các đứt gãy cùng phương. Chiều dài 10km từ Hương Lam đến Thôn Một, rộng khoảng 2km. Diện tích Núi Nưa chủ yếu phân bố trong các thành tạo phụ hệ tầng Khâm Đức dưới.
Trong diện tích khoanh định các dải dị thường kiểu 2. Kết quả nhận dạng phù hợp với mẫu Bồng Miêu với độ tin cậy > 85%, phân bố tập trung ở 3 diện tích nhỏ là Hương Lam, Đèo Liễu và Thôn Một.
Theo [1] đã phát hiện 1 điểm quặng vàng tại thôn Một, trong diện tích tồn tại các vành trọng sa vàng.
4. Vùng triển vọng thôn Ba, xã Trà Đốc [ IV ]: nằm phía tây nam diện tích nghiên cứu, có dạng kéo dài hướng á vĩ tuyến, chiều dài 8km, rộng 3 km, sát rìa phía nam đứt gãy cấp II Long Bình – Núi Che. Phần phía bắc diện tích phân bố các thành tạo phụ hệ tầng Khâm Đức dưới, phía nam là các thành tạo phụ hệ tầng Khâm Đức giữa. Các đứt gãy phát triển theo các phương TB – ĐN, ĐB – TN và á kinh tuyến.
Trong diện tích xác định được các dải dị thường kiểu 2 và kiểu 1 phân bố xen kẽ nhau. Kết quả nhận dạng cho một số diện tích phù hợp mẫu Bồng Miêu, một số diện tích phù hợp mẫu Trà Giang với độ tin cậy cao > 85 %.
Trong diện tích chưa phát hiện điểm khoáng sản nào.
5. Vùng triển vọng thôn Bốn xã Trà Đốc [ V ]: nằm sát rìa tây vùng nghiên cứu, có dạng kéo dài phương tây bắc – đông nam, kích thước khoảng 11x 4 km, sát rìa bắc đứt gãy Long Bình – Núi Che. Các thành tạo chủ yếu là phụ hệ tầng Khâm Đức dưới, ở trung tâm lộ khối magma phức hệ Quế Sơn 2. Hệ thống đứt gãy, khe nứt phức tạp.
Trong vùng khá tập trung các dị thường kiểu 1 và kiểu 2. Kết quả nhận dạng đã khoanh định một số diện tích phù hợp mẫu Bồng Miêu, một số diện tích phù hợp mẫu Trà Giang có độ tin cậy cao > 85% , tập trung chủ yếu ở 2 diện tích thôn Bốn và Núi Ba.
Trong diện tích tồn tại các vành trọng sa vàng.
6. Vùng triển vọng Vĩnh Ninh xã Tiên Lãnh [ VI ]: nằm phía tây bắc vùng nghiên cứu, có dạng tương đối đẳng thước, kích thước khoảng 5 x 4,5 km. Các thành tạo địa chất chủ yếu là phụ hệ tầng Khâm Đức dưới và giữa, nằm sát khối sâm nhập phức hệ Hải Vân ở phía đông. Hệ thống đứt gẫy phá huỷ rất phức tạp.
Đặc điểm trường vật lý: tồn tại dị thường từ kích thước không lớn với ∆T = - 270 ¸ 185 nT, trong vùng tập trung chủ yếu dị thường kiểu 2 và có 1 diện tích tồn tại dị thường kiểu 1b với mức hàm lượng kali cao, có thể liên quan thể pecmatit giầu kali. Kết quả nhận dạng cũng thể hiện một số diện tích phù hợp mẫu Bồng Miêu, một số diện tích phù hợp mẫu Trà Giang, với độ tin cậy cao > 80%.
Trong diện tích đã phát hiện 1 điểm quặng vàng sát rìa sông Tranh, và nhiều vành trọng sa vàng.
Ngoài ra theo kết quả xử lý, phân tích đã khoanh được 1 diện tích tập trung dị thường kiểu 3, nằm trùng diện tích khu mỏ graphit Hương Nhượng và 2 diện tích tập trung các dải dị thường kiểu 1b với hàm lượng kali cao, có thể liên quan các thành tạo pecmatit giầu kali, trong đó một diện tích trùng khu mỏ fenspat kali Tiên Hiệp.
3. Kết quả kiểm tra thực địa.
Sau khi có kết quả xử lý, phân tích các tác giả đã tiến hành kiểm tra sơ bộ tại thực địa 2 diện tích là Núi Nưa và thôn Ba xã Trà Đốc bằng các phương pháp chủ yếu là lộ trình địa chất, tìm kiếm và đãi mẫu trọng sa với khối lượng hạn chế.
Kết quả kiểm tra vùng triển vọng Núi Nưa. Công tác kiểm tra thực địa được tiến hành trên một diện tích khoảng 5 km2 trên tổng số 20 km2 của của toàn vùng triển vọng Núi Nưa.
Các thành tạo địa chất chủ yếu có mặt trong vùng gồm đá phiến gneis, đá phiến gneis biotit, đá phiến biotit thuộc hệ tầng Khâm Đức. Hệ thống phá huỷ kiến tạo phát triển khá phức tạp với sự có mặt của các đới dập vỡ kiến tạo. Các đứt gãy phát triển theo phương TB - ĐN và á kinh tuyến.
Trong vùng đã phát hiện được 3 đới biến đổi nhiệt dịch phát triển theo phương TB - ĐN, chiều dài 300 ÷ 750 m, rộng 30 ÷ 100 m. Các biến đổi thường gặp là thạch anh hoá, sericit hoá, bezisit hoá. Trong các đới biến đổi nhiệt dịch phát triển các mạch thạch anh sulfur chứa vàng có chiều dày từ 10 cm ÷ 50 cm, các mạch có phương phát triển á kinh tuyến hoặc TB - ĐN. Hàm lượng sulfur trung bình khoảng 10 ÷ 12%. Kết quả phân tích 20 mẫu có 7 mẫu cho hàm lượng vàng đạt từ 12.5 ÷ 13.3 g/t, hàm lượng bạc từ 20 ÷ 21 g/t.
Kết quả kiểm tra vùng triển vọng thôn Ba xã Trà Đốc. Công tác kiểm tra thực địa được tiến hành trên một diện tích khoảng 6 km2 trên tổng số 24 km2 . Kết quả cho thấy tồn tại 3 đới biến đổi có quy mô lớn, kéo dài 300 ÷ 1000m, chiều rộng thay đổi vài mét đến 50 ÷ 70m. Trong đới biến đổi có các mạch quặng với chiều dày 1 ÷ 2 m tập trung dày đặc. Quặng hoá ở dạng thạch anh sulfur vàng, hàm lượng sulfur khá cao 20 ÷ 40%. Các biến đổi thường gặp là thạch anh hoá, sericit hoá, berezit hoá.
Các đá vây quanh là đá phiến gneis, đá phiến gneis biotit, đá phiến biotit thuộc hệ tầng Khâm Đức. Ngoài ra còn có mặt các khối nhỏ granit biotit thuộc phức hệ Hải Vân phân bố rải rác trong vùng. Hệ thống phá huỷ kiến tạo phát triển khá phức tạp với sự có mặt của các đới dập vỡ kiến tạo, một đôi nơi còn gặp các đới dăm kết kiến tạo. Kết quả phân tích 50 mẫu có 35 mẫu cho thấy hàm lượng vàng đạt 4 –102 g/t, hàm lượng bạc từ 9 – 31 g/t.
Kết luận: Các phương pháp toán học thống kê xử lý, phân tích tài liệu bay đo từ, phổ gamma và trọng lực phục vụ điều tra địa chất, khoáng sản đã được áp dụng ở Liên đoàn Vật lý -địa chất đã nhiều năm và đã có đóng góp không nhỏ cho công tác điều tra địa chất và khoáng sản, đặc biệt đã trực tiếp hoặc gián tiếp phát hiện nhiều mỏ khoáng quan trọng. Kết quả xử lý, phân tích tài liệu địa vật lý máy bay vùng Tiên Phước và kiểm tra thực địa 2 diện tích trong số các vùng triển vọng đã xác lập, mặc dù còn rất sơ bộ với khối lượng và phương pháp nghiên cứu hạn chế nhưng đã cho thấy tính khách quan và hợp lý của hệ phương pháp xử lý, phân tích đã trình bày.
Các tác giả hy vọng có thể mở rộng việc áp dụng hệ phương pháp này xử lý, phân tích tài liệu địa vật lý phục vụ các lĩnh vực điều tra cơ bản khác như: điều tra, đánh giá các nguồn tài nguyên nước dưới đất, và điều tra cơ bản về môi trường…phục vụ cho mục đích quy hoạch và phát triển kinh tế, xã hội bền vững.