基于磷灰石地球化学特征判别构造环境的方法及系统

本发明涉及地球化学与地质数据分析，具体为基于磷灰石地球化学特征判别构造环境的方法及系统。

背景技术：

1、磷灰石作为各类岩浆岩中广泛存在的副矿物，微量元素组成能够记录岩浆源区特征及结晶演化过程，随着原位微区分析技术的发展，利用分类算法对磷灰石地球化学数据进行处理，进而判别岩石成因及所属构造环境，已成为地质勘查与地球化学研究的重要手段。

2、在现有的基于磷灰石成分判别构造环境的方法中，仅提取矿物表面单点位置的静态地球化学数据进行分类计算，然而，实际地质环境中的磷灰石经常经历早期的岩浆结晶阶段与后期的流体热液叠加作用，常规的单点静态测试难以反映矿物由核部到边部的成分梯度变化，导致算法在处理具有复杂生长演化历史的样品时缺乏充分的判别依据。

3、同时，现有的数据分类算法大多采用纯数据驱动的模式，在特征提取和概率输出阶段缺乏地质学先验知识的约束，由于忽略岩浆温度、氧逸度等真实物理化学条件的限制，常规模型在处理特征边界模糊的地质数据时，会在物理形成条件完全对立的构造环境类别之间产生误判，输出违背客观地质规律的判定结果。

4、为获取矿物内部的动态演化特征以提高判别准确率，部分检测流程尝试对所有地质样品强制执行全面的微区线扫描分析，但这种无差别的全面扫描方式延长检测仪器的机时占用，导致测试成本高昂，对于静态地球化学特征已经足够明确的常规样品而言，线扫描操作不仅产生大量冗余数据，还严重拖延整体分析进度，现有技术难以在仪器测试效率与构造环境判别准确率之间实现合理平衡。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了基于磷灰石地球化学特征判别构造环境的方法及系统，解决了现有技术缺乏地质规律约束会导致误判，且无差别执行微区全扫描导致测试效率低下的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、本发明第一方面提供一种基于磷灰石地球化学特征判别构造环境的方法，方法包括以下步骤：

4、获取包含基准组颗粒与演化预留组颗粒的待测样品靶，在数据库中保存所述基准组颗粒与所述演化预留组颗粒的坐标与测试状态参数，初始测试状态参数设为未损坏；

5、对所述基准组颗粒执行原位微区主量元素分析，计算所述基准组颗粒的主量元素特征指数以生成测试序列文件，根据所述测试序列文件及所述坐标对待测样品靶上的基准组颗粒进行原位微量元素分析获取地球化学成分数据，并将所述基准组颗粒的测试状态参数更新为已损坏；

6、对所述地球化学成分数据进行离群点筛查与检出限平滑处理及对数比变换操作，构建待测样品的静态特征向量；

7、将所述静态特征向量输入至分类模型，所述分类模型输出属于各类构造环境的原始后验概率，所述分类模型的损失函数包含地质成因惩罚矩阵；

8、计算所述原始后验概率中最大两个类别概率的差值，当该差值小于置信度阈值时，在所述数据库中获取所述测试状态参数为未损坏的演化预留组颗粒的坐标，依据获取的坐标对所述演化预留组颗粒执行线扫描测试提取空间成分演化梯度特征，综合所述静态特征向量与所述空间成分演化梯度特征输出最终的构造环境判定结果。

9、本发明上述技术方案通过设置基准组与演化预留组，在初始分析阶段利用静态特征进行判定；当静态特征判定结果的概率差值小于设定阈值时，触发针对演化预留组颗粒的线扫描测试，以补充空间成分演化数据，此外，通过在分类模型的损失函数中引入地质成因惩罚矩阵，利用岩浆温度和氧逸度条件对模型进行约束，降低复杂环境下模型输出的误判率。

10、优选的，所述基准组颗粒为晶体形态完整以及光学特征均一且内部无明显环带结构的单矿物颗粒；所述演化预留组颗粒为长轴物理长度大于100微米且存在可见的生长环带或核边结构的单矿物颗粒；所述基准组颗粒与所述演化预留组颗粒间隔排列并固定于同一模具制成所述待测样品靶，本实施例依据颗粒形态与内部光学特征进行分类制靶，基准组用于获取初始岩浆成分数据，演化预留组用于保留生长环带结构以提取后期流体叠加信息。

11、进一步的，所述计算所述基准组颗粒的主量元素特征指数以生成测试序列文件，包括：

12、提取所述原位微区主量元素分析获取的所述基准组颗粒中的氯元素质量分数与铁元素质量分数，构建代表挥发分流体相环境的触发指数；将所述触发指数与预先设定的物理化学分界阈值进行数值比对；若所述触发指数大于所述物理化学分界阈值，则生成流体敏感模式测试序列文件，将锶元素以及铀元素的单点积分时间延长；

13、若所述触发指数小于或等于所述物理化学分界阈值，则生成晶体分馏模式测试序列文件，将稀土元素与锶元素的单点积分时间分别延长，本实施例基于主量元素计算结果提前评估地质样品的成分特征，通过调整相关指示元素的仪器积分时间，提高微量元素数据的获取精度。

14、优选的，所述对所述地球化学成分数据进行离群点筛查与检出限平滑处理及对数比变换操作，构建待测样品的静态特征向量，包括：

15、对所述地球化学成分数据计算同种元素的微量元素浓度序列的中位数绝对偏差，依据所述中位数绝对偏差计算稳健标准差分数进行离群点筛查；针对经过所述离群点筛查后的低于仪器测量检出限的数据点执行平滑替代操作；提取平滑替代后的特定元素浓度值进行比值求对数运算，以将数据由定和约束空间映射至欧几里得空间，获取反映岩浆源区挥发分交代的正交维度参数以及反映岩浆深部滞留分离结晶程度的正交维度参数；

16、将获取的传统标量特征与所述正交维度参数进行数学维度的拼接组合操作，构建所述静态特征向量，本实施例采用对数比变换处理成分数据定和效应带来的闭合问题，通过提取正交维度参数独立表征不同的地质演化过程。

17、进一步的，所述分类模型为深度前馈神经网络，所述地质成因惩罚矩阵嵌入分类算法底层构建非对称惩罚损失函数；所述地质成因惩罚矩阵的构建原则为：当两个构造环境在岩浆温度以及氧逸度物理条件下较为接近时赋予低度惩罚权重系数，当物理形成条件存在极端对立时赋予高度惩罚权重系数；输出所述原始后验概率的过程中，采用温度缩放算法在归一化指数函数的计算过程中引入全局温度标量参数以平滑调整输出层的最终概率分布形状，本实施例将地质物理条件作为非对称权重引入算法底层的损失函数计算中，控制模型在物理化学环境差异类别间的权重分配。

18、优选的，所述依据获取的坐标对所述演化预留组颗粒执行线扫描测试提取空间成分演化梯度特征，包括：

19、获取目标演化预留组颗粒的实时影像，结合图像边缘检测算法提取目标演化预留组颗粒的长轴矢量方向及物理边界轮廓；以所述数据库中调取的对应坐标为起始点，沿所述长轴矢量方向自动计算出触及所述物理边界轮廓的终点坐标，从而构建出精准的线扫描轨迹路径；依据所述线扫描轨迹路径，在目标演化预留组颗粒表面执行由矿物晶体核心向边缘延伸的连续线扫描剥蚀测试以获取空间序列剥蚀数据；

20、基于所述空间序列剥蚀数据计算代表岩浆期后热液叠加作用的锶元素与钇元素浓度对数比值随线扫描实际物理距离变化的微分比值，作为所述空间成分演化梯度特征，本实施例利用图像识别结合坐标获取测试路径，通过特征元素浓度对数比值的空间微分率表征流体交代的演化程度。

21、进一步的，所述综合所述静态特征向量与所述空间成分演化梯度特征输出最终的构造环境判定结果，包括：

22、将所述静态特征向量与所述空间成分演化梯度特征数值进行张量拼接融合以构建融合扩展特征向量；将所述融合扩展特征向量输入至处于训练收敛状态的二次分类网络模型进行正向映射计算；基于所述二次分类网络模型输出的最终鉴定概率分布，挑选最终鉴定概率分布中数值最大的类别名称作为具有最高置信度的所述最终的构造环境判定结果，本实施例通过融合静态成分序列与空间动态特征，获取最终的分类判定结果。

23、优选的，所述计算所述原始后验概率中最大两个类别概率的差值之后，还包括：

24、当所述差值大于或等于所述置信度阈值时，直接提取降序排列后第一大类别概率对应的构造环境名称作为最终的鉴别结果并终止分析流程，本实施例在静态特征判定满足置信度要求时，省略演化预留组颗粒的测试步骤，提高整体检测效率。

25、本发明第二方面提供一种基于磷灰石地球化学特征判别构造环境的系统，系统包括：

26、样品制备模块，用于获取包含基准组颗粒与演化预留组颗粒的待测样品靶，配置有保存所述基准组颗粒与所述演化预留组颗粒的坐标与测试状态参数的关系型数据库；

27、成分分析模块，配置有数据流转总线接口，用于对所述基准组颗粒执行原位微区主量元素分析计算主量元素特征指数，依据所述主量元素特征指数生成测试序列文件，并基于所述测试序列文件及所述关系型数据库中的所述坐标进行原位微量元素分析获取地球化学成分数据；

28、数据预处理模块，连接所述成分分析模块，用于接收所述地球化学成分数据并进行离群点筛查与检出限平滑处理及对数比变换操作；

29、特征提取模块，连接所述数据预处理模块，用于基于处理后的数据构建静态特征向量；

30、判别模块，连接所述特征提取模块，内设所述分类模型用于接收所述静态特征向量并输出所述原始后验概率，配置为计算所述原始后验概率中最大两个类别概率的差值触发针对所述演化预留组颗粒的空间追溯指令提取空间成分演化梯度特征，并综合所述静态特征向量与所述空间成分演化梯度特征输出最终的构造环境判定结果。

31、本发明系统对应于前述判别方法，通过设置连接各模块的判别节点，在数据置信度较低时自动下发空间追溯指令，驱动成分分析设备进行补充测试，实现分类算法对硬件测试行为的控制联动。

32、优选的，所述判别模块包含反馈控制接口；所述反馈控制接口分别连接所述样品制备模块的关系型数据库及所述成分分析模块；所述反馈控制接口配置为：当所述最大两个类别概率的差值小于预先设定的置信度阈值时，触发所述空间追溯指令以查询所述关系型数据库获取测试状态参数为未损坏的所述演化预留组颗粒的坐标，并将该坐标下发至所述成分分析模块以执行连续线扫描剥蚀测试的二次测试指令以供所述特征提取模块提取所述空间成分演化梯度特征，本实施例通过反馈控制接口调用数据库和分析模块，系统化完成演化预留组颗粒的补充分析与数据整合判别。

33、本发明提供了基于磷灰石地球化学特征判别构造环境的方法及系统。具备以下有益效果：

34、1、本发明兼顾地质样品的测试效率与环境判别的准确率，通过在制靶阶段设置基准组与演化预留组，并在分析流程中引入基于概率差值的置信度判断机制，系统对特征典型的样品在基准组静态测试后即可直接输出判定结果并终止流程；仅当最大两个类别概率差值小于置信度阈值时，才触发对演化预留组颗粒的线扫描测试以补充空间演化特征，该方式避免对所有样品执行耗时的全面微区线扫描，控制仪器机时成本。

35、2、本发明提高关键微区地球化学数据的采集精度与可靠性，通过先期提取基准组颗粒中氯和铁的质量分数构建触发指数，预先评估样品的成因环境倾向，并据此生成不同的测试序列文件，在原位微量元素分析阶段，针对性地延长特定环境指示元素，如流体敏感模式下的锶和铀，或分馏模式下的稀土元素的仪器积分时间，解决常规固定模式下低含量特征元素信噪比不足的问题，为后续的特征提取提供高质量的数据基础。

36、3、本发明降低分类算法模型在处理复杂地质数据时的脱离物理现实的误判率，通过将岩浆温度和氧逸度等物理化学条件转化为地质成因惩罚矩阵，并嵌入分类模型的非对称惩罚损失函数中，在模型底层施加地质学先验规则约束，对于物理形成条件极端对立的构造环境类别，模型在误判时会产生高度惩罚，从而引导数据驱动模型的优化方向服从客观地质规律，提升最终鉴定概率分布的合理性。