1598 工程科学学报，第42卷，第12期 富钴结壳是继大洋多金属结核之后发现的又 用大量的输人和输出得出映射关系⑧，其中卷积神 一深海固体矿产资源，堆积在海底岩石和岩屑表 经网络从复杂数据中提取特征表现突出，在诸多 面，主要由氢氧化物和铁锰氧化物组成.结壳除了 领域被广泛应用，特别是图像分类领域取得了非 钴元素外，还富含稀土元素和其他的许多金属，例 常好的效果四.卷积神经网络结构与数值矩阵能够 如铁、镁、镍、铜、锌等，具有非常高的开采价值四 更好吻合，自动完成特征提取，其权重共享机制可 富钴结壳的形成和其他矿产资源一样，是非常缓 以降低网络复杂性，适合本文基于数值矩阵的地 慢的自然生成过程，每100万年只能产生1至6mm 形特征区分类找矿任务 的结壳.矿床主要分布于碳酸盐补偿深度(CCD) 本文从结壳矿区的地形特征出发，利用卷积 以上、最低含氧层以下水深500~3500m的平顶 神经网络对大量的数值矩阵训练学习得到预测模 海山、海台顶部和斜坡的表面2-海洋里有诸多 型，对矿区靶点进行预测.另外，对本文方法的应 海山，仅仅在太平洋区域广义海山有约50000多 用及后序研究工作进行了展望 座，高度大于1000m的海山就有约8000多座阿 1研究现状 富钴结壳矿床有非常高的经济价值，估计潜在资 源量达10亿吨阿.富钴结壳是海洋中典型的水成 自1959年国内就开始出现了找矿靶区的相关 成因的矿产资源，由于形成于古海洋和古沉积环 研究，随着研究的深入，出现越来越多与“找矿靶 境，除了资源本身的经济价值，富钴结壳还记录了 区”相关的关键词©.找矿使用的方法一般有经验 海洋和气候的演化历史，具有非常高的环境研究 类比法、综合信息法和数学模型法等，逐渐从经验 价值可.正是由于具有巨大的经济价值和环境价 找矿向理论和科学找矿过渡.如.刘泉清等提出利 值，钴结壳资源一直是海洋调查的重点.我国富钴 用经验法和化学普查相结合的方法杨恒书等 结壳资源的调查开展的比较晚，90年代末才系统 创用浓度级次值特征对比模型和相近率线性模 的开展起来，投入巨资开展了若干综合航次调查， 型，中国科学院地质与地球物理研究所总结提 至今20多年的时间也仅仅调查了几十座海山 出“三场异常互相约束”预测新理论)，张庆华等 1997~2002年的航次主要是选择靶区的侦察性调 提出物探、化探与遥感相结合的方法.随着科学 查，使用多波束、浅剖、重磁、海底摄像和温盐探 技术的发展与研究的不断深人，诸多新技术、新方 仪(CTD)等的环境勘测和使用抓斗、拖网等的地 法被应用到找矿中来.智能找矿方法是在地质类 质取样调查.2002年以后的航次对部分调查过的 比法和模型法应用的基础上，结合计算机技术，将 海山进行加密采样，调查方法增加了可视抓斗、可 已有的专家经验和一定的矿床模型输入计算机， 视浅剖等？无论是初始侦察点的选择还是之后对 建立起预测模型系统，将研究区的有关资料输入， 整个矿区的圈定，都需要对大范围的诸多海域进 在此基础上进行评判.如，王世称主导的综合信息 行大规模的海山结壳资源调查.科考船需要对未 矿产预测系统)，赵鹏大的大比例尺矿床统计预 知的区域进行随机靶点调查，且对于确定的结壳 测专家系统6等.深度学习和机器学习迅猛发展， 矿区的边界的界定还需要进行大量的勘察工作， 硬件技术的进步，简洁的python语言、完善的深度 这些都将耗费大量的人力、物力和时间 学习框架Tensorflow以及基于Theano/Tensorflow 科考船对不同海域多年的普查工作积累了大 更简单易上手的高阶框架Keras,.推动了智能找矿 量的宝贵资料和数据，并且这些数据正在以指数 发展.已有许多学者投入到机器学习与找矿以及 级的形式增长.如何把这些数据合理的运用起来， 成矿预测的研究中来，如徐述腾和周永章以吉林 促进海洋地质的研究进展，成为了科研工作者关 夹皮沟金矿和河北石湖金矿的黄铁矿、黄铜矿等 注的热点问题.作为大数据分析和处理的重要技 为例，设计了Unet卷积神经网络模型，实现了镜下 术手段，机器学习方法在找矿领域也得到了广泛 矿石矿物识别分类叨：刘艳鹏等通过卷积神经网 应用.研究发现，地形是结壳富集的一个重要因 络算法挖掘Pb分布特征与矿体地下就位空间的 素，富钴结壳富集区具有坡度、平整度等明显的地 耦合相关性进行矿产资源预测，肖壮等提出基 形特征.随着遥感等技术的进步，海拔高度的获取 于深度学习的矿区韧性剪切带找矿研究等.然 更加精确，利用密集采点的海拔高度矩阵作为区 而，大部分研究是以陆地矿为基础的，海洋底部矿 域地形特征，具有较高的区分度.机器学习的分支 区的找矿工作要复杂许多，迫切需要在找矿靶区 深度学习善于处理多维数据错综复杂的关系，运 的选取方面进行改进，增加成功找到矿区的可能富钴结壳是继大洋多金属结核之后发现的又 一深海固体矿产资源，堆积在海底岩石和岩屑表 面，主要由氢氧化物和铁锰氧化物组成. 结壳除了 钴元素外，还富含稀土元素和其他的许多金属，例 如铁、镁、镍、铜、锌等，具有非常高的开采价值[1] . 富钴结壳的形成和其他矿产资源一样，是非常缓 慢的自然生成过程，每 100 万年只能产生 1 至 6 mm 的结壳. 矿床主要分布于碳酸盐补偿深度（CCD） 以上、最低含氧层以下水深 500～3500 m 的平顶 海山、海台顶部和斜坡的表面[2−4] . 海洋里有诸多 海山，仅仅在太平洋区域广义海山有约 50000 多 座，高度大于 1000 m 的海山就有约 8000 多座[5] . 富钴结壳矿床有非常高的经济价值，估计潜在资 源量达 10 亿吨[6] . 富钴结壳是海洋中典型的水成 成因的矿产资源，由于形成于古海洋和古沉积环 境，除了资源本身的经济价值，富钴结壳还记录了 海洋和气候的演化历史，具有非常高的环境研究 价值[7] . 正是由于具有巨大的经济价值和环境价 值，钴结壳资源一直是海洋调查的重点. 我国富钴 结壳资源的调查开展的比较晚，90 年代末才系统 的开展起来，投入巨资开展了若干综合航次调查， 至今 20 多年的时间也仅仅调查了几十座海山. 1997～2002 年的航次主要是选择靶区的侦察性调 查，使用多波束、浅剖、重磁、海底摄像和温盐探 仪（CTD）等的环境勘测和使用抓斗、拖网等的地 质取样调查. 2002 年以后的航次对部分调查过的 海山进行加密采样，调查方法增加了可视抓斗、可 视浅剖等[7] . 无论是初始侦察点的选择还是之后对 整个矿区的圈定，都需要对大范围的诸多海域进 行大规模的海山结壳资源调查. 科考船需要对未 知的区域进行随机靶点调查，且对于确定的结壳 矿区的边界的界定还需要进行大量的勘察工作， 这些都将耗费大量的人力、物力和时间. 科考船对不同海域多年的普查工作积累了大 量的宝贵资料和数据，并且这些数据正在以指数 级的形式增长. 如何把这些数据合理的运用起来， 促进海洋地质的研究进展，成为了科研工作者关 注的热点问题. 作为大数据分析和处理的重要技 术手段，机器学习方法在找矿领域也得到了广泛 应用. 研究发现，地形是结壳富集的一个重要因 素，富钴结壳富集区具有坡度、平整度等明显的地 形特征. 随着遥感等技术的进步，海拔高度的获取 更加精确，利用密集采点的海拔高度矩阵作为区 域地形特征，具有较高的区分度. 机器学习的分支 深度学习善于处理多维数据错综复杂的关系，运 用大量的输入和输出得出映射关系[8] . 其中卷积神 经网络从复杂数据中提取特征表现突出，在诸多 领域被广泛应用，特别是图像分类领域取得了非 常好的效果[9] . 卷积神经网络结构与数值矩阵能够 更好吻合，自动完成特征提取，其权重共享机制可 以降低网络复杂性，适合本文基于数值矩阵的地 形特征区分类找矿任务. 本文从结壳矿区的地形特征出发，利用卷积 神经网络对大量的数值矩阵训练学习得到预测模 型，对矿区靶点进行预测. 另外，对本文方法的应 用及后序研究工作进行了展望. 1    研究现状 自 1959 年国内就开始出现了找矿靶区的相关 研究，随着研究的深入，出现越来越多与“找矿靶 区”相关的关键词[10] . 找矿使用的方法一般有经验 类比法、综合信息法和数学模型法等，逐渐从经验 找矿向理论和科学找矿过渡. 如，刘泉清等提出利 用经验法和化学普查相结合的方法[11] ，杨恒书等 创用浓度级次值特征对比模型和相近率线性模 型[12] ，中国科学院地质与地球物理研究所总结提 出“三场异常互相约束”预测新理论[13] ，张庆华等 提出物探、化探与遥感相结合的方法[14] . 随着科学 技术的发展与研究的不断深入，诸多新技术、新方 法被应用到找矿中来. 智能找矿方法是在地质类 比法和模型法应用的基础上，结合计算机技术，将 已有的专家经验和一定的矿床模型输入计算机， 建立起预测模型系统，将研究区的有关资料输入， 在此基础上进行评判. 如，王世称主导的综合信息 矿产预测系统[15] ，赵鹏大的大比例尺矿床统计预 测专家系统[16] 等. 深度学习和机器学习迅猛发展， 硬件技术的进步，简洁的 python 语言、完善的深度 学习框架 Tensorflow 以及基于 Theano/Tensorflow 更简单易上手的高阶框架 Keras，推动了智能找矿 发展. 已有许多学者投入到机器学习与找矿以及 成矿预测的研究中来，如徐述腾和周永章以吉林 夹皮沟金矿和河北石湖金矿的黄铁矿、黄铜矿等 为例，设计了 Unet 卷积神经网络模型，实现了镜下 矿石矿物识别分类[17] ；刘艳鹏等通过卷积神经网 络算法挖掘 Pb 分布特征与矿体地下就位空间的 耦合相关性进行矿产资源预测[18] ，肖壮等提出基 于深度学习的矿区韧性剪切带找矿研究[19] 等. 然 而，大部分研究是以陆地矿为基础的，海洋底部矿 区的找矿工作要复杂许多，迫切需要在找矿靶区 的选取方面进行改进，增加成功找到矿区的可能 · 1598 · 工程科学学报，第 42 卷，第 12 期