基于GIS和證據(jù)權(quán)模型的克什克騰旗有色金屬成礦預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)

呂 鵬， 朱鵬飛， 畢志偉， 陳建平

(1.中國(guó)地質(zhì)圖書館，北京 100083;2.中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所，北京 100101;

3.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029;4.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北石家莊 050061; 5.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)北京市國(guó)土資源信息開(kāi)發(fā)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

以地質(zhì)、地球物理勘探、地球化學(xué)勘探、遙感等手段獲取的多源數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)發(fā)現(xiàn)、提取、轉(zhuǎn)換和關(guān)聯(lián)，并利用信息綜合技術(shù)建立區(qū)域綜合信息礦產(chǎn)預(yù)測(cè)模型，進(jìn)行礦產(chǎn)資源定量評(píng)價(jià)，是當(dāng)前礦產(chǎn)資源勘查領(lǐng)域信息找礦的重要途徑(陳建平等，2008)。同時(shí)，在歸納的礦床地質(zhì)模型、合理的成礦預(yù)測(cè)理論和合適的數(shù)學(xué)地質(zhì)方法指導(dǎo)下，使用地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)對(duì)多源地學(xué)信息進(jìn)行集成管理，通過(guò)其強(qiáng)大的空間信息處理和分析功能進(jìn)行快速有效的綜合分析，也是國(guó)內(nèi)外獲得廣泛肯定的礦產(chǎn)資源定量評(píng)價(jià)技術(shù)體系(王功文等，2008;肖克炎等，2009;趙鵬大等，2009)。

本文在內(nèi)蒙古赤峰市克什克騰旗地質(zhì)背景與成礦規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，利用GIS技術(shù)進(jìn)行區(qū)域成礦專題信息分析與提取，建立評(píng)價(jià)證據(jù)指標(biāo)模型，使用證據(jù)權(quán)重法對(duì)該區(qū)有色金屬進(jìn)行了成礦預(yù)測(cè)，指出該區(qū)具有進(jìn)一步的找礦潛力。

1 地質(zhì)背景與成礦規(guī)律

克什克騰旗區(qū)內(nèi)地層出露以古生代、中生代和新生代地層為主(圖1)。中生代受燕山運(yùn)動(dòng)影響，形成了由新井至經(jīng)棚的景峰花崗巖巖體、黃崗梁花崗巖體、204花崗巖體、北大山花崗巖體、萬(wàn)合永花崗巖體。燕山期成礦作用形成了黃崗梁特大型鐵錫礦床、臺(tái)萊花釩鉭鈹?shù)V床以及花崗石石材礦等。該區(qū)位于中朝與西伯利亞晚占生代對(duì)接帶，西里廟－達(dá)青牧場(chǎng)大斷裂及溫都爾廟－西拉沐淪河深斷裂從該區(qū)西北角和南部穿過(guò)，將本區(qū)分為二部分:北部屬愛(ài)力格廟－錫林浩特中間地塊中東段南緣，中部屬蘇尼特右旗晚華力西地槽褶皺帶中段，南部屬溫都爾廟－翁牛特旗加里東地槽褶皺帶中東段北緣。北東向構(gòu)造為本區(qū)主體構(gòu)造，控制了大多數(shù)地質(zhì)體的展布，也是多次構(gòu)造變形軸線方向;東西向構(gòu)造以西拉沐淪河深斷裂帶為主，具有多期次活動(dòng)特點(diǎn)，在區(qū)內(nèi)占有重要地位;北西向、南北向斷裂多為破壞性構(gòu)造，為不同期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的派生構(gòu)造，僅起一定的輔助作用。此構(gòu)造格局及其相關(guān)的沉積作用、巖漿活動(dòng)和變質(zhì)作用，對(duì)本地區(qū)金屬礦產(chǎn)的成礦控制起著決定性的作用。

該區(qū)屬于濱(西)太平洋成礦域，內(nèi)蒙古－興安嶺晚古生代－中生代銅、鉛、鋅、金、銀、錫、鉻、(鉬)Ⅱ級(jí)成礦區(qū)，處于以近東西向的華北地臺(tái)北緣深斷裂以北的(赤峰北部地區(qū))烏蘭浩特－巴林右旗(克什克騰旗)華力西期、燕山期銅、鉛、鋅、銀、錫Ⅲ級(jí)成礦帶。有色金屬成因類型以熱液礦床與熱液交代變質(zhì)型礦床(矽卡巖型)為主，熱液礦床以柳林鄉(xiāng)小東溝鉬礦、天合園鄉(xiāng)安樂(lè)錫礦、同興鄉(xiāng)查木罕鎢錫礦為代表，接觸交代型的礦床以同興鄉(xiāng)黃崗梁鐵錫礦為代表(馬光等，2009)。有色金屬主要成礦時(shí)代集中在中侏羅－白堊紀(jì)，以與燕山期酸性火山－侵入活動(dòng)有關(guān)的錫鎢(鐵)多金屬礦床成礦系列和鉬多金屬火山沉積熱液交代礦床及多金屬熱液系列礦床為主。

圖1 內(nèi)蒙古赤峰市克什克騰旗地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of the Keshenketeng Qi area in Chifeng，Inner Mongolia1－第四系;2－新近系;3－白堊系;4－侏羅系;5－二疊系;6－志留系;7－玄武巖;8－花崗巖;9－花崗斑巖;10－花崗閃長(zhǎng)巖;11－閃長(zhǎng)巖;12－閃長(zhǎng)玢巖;13－正長(zhǎng)巖;14－超基性巖;15－石英脈;16－斷層1－Quaternary;2－Neogene;3－Cretaceous System;4－Jurassic System;5－Permian System;6－Silurian System;7－basalt;8－granite;9－granite porphyry;10－granodiorite;11－diorite;12－diorite porphyrite;13－syenite;14－ultramafic rock;15－quartz veins;16－fault

2 證據(jù)權(quán)模型

礦產(chǎn)資源預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)是以地質(zhì)異常致礦(趙鵬大等，1994)、綜合信息礦產(chǎn)評(píng)價(jià)(王世稱等，2000)等地質(zhì)找礦理論為指導(dǎo)，以地理信息系統(tǒng)等計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)為工具，通過(guò)信息量、層次分析、證據(jù)權(quán)模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等定量方法研究地質(zhì)、物探、化探、遙感等多源地質(zhì)信息與礦床資源潛力之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)未發(fā)現(xiàn)礦床的的定位、定量評(píng)價(jià)。其中，證據(jù)權(quán)模型是一種以貝葉斯條件概率為基礎(chǔ)的多源信息定量評(píng)價(jià)方法(Agterberg，1989;Bonham－Carter et al.，1990;Pan，1996;Agterberg et al.，2002)，近20年來(lái)在礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用(Agertberg et al.，1990;Cheng et al.，1999;蘇紅旗等，1999;劉星等，2003;Porwal et al.，2006;徐善法等，2006;成秋明等，2007)。該方法將前期收集到的多源地學(xué)信息作為模型的證據(jù)因子，每個(gè)證據(jù)因子對(duì)成礦預(yù)測(cè)的貢獻(xiàn)則由這個(gè)因子的權(quán)重值來(lái)確定，最后通過(guò)整合證據(jù)圖層的權(quán)重來(lái)計(jì)算后驗(yàn)概率并依此圈定預(yù)測(cè)靶區(qū)。證據(jù)權(quán)法的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)各證據(jù)因子的權(quán)重可分別獨(dú)立計(jì)算，且解釋直觀、易于重現(xiàn)。該方法的關(guān)鍵步驟為:

(1)計(jì)算先驗(yàn)概率(P(D)=N(D)/N(T))和先驗(yàn)幾率(O(D)=P(D)/(1－P(D)))，其中研究區(qū)T的總面積為A(T)，被劃分為固定面積u的單元格，則研究區(qū)T內(nèi)共有N(T)=A(T)/u個(gè)單元格，其中A()表示面積;N()表示單元格數(shù)量;礦床(點(diǎn)) D中有礦床(點(diǎn))數(shù)量為N(D)，在單元格面積u足夠小時(shí)，每個(gè)礦床(點(diǎn))占據(jù)一個(gè)單元格，則實(shí)際上是研究區(qū)內(nèi)有N(D)個(gè)單元格內(nèi)有礦點(diǎn)。

(2)根據(jù)貝葉斯公式計(jì)算所有證據(jù)因子(B)、有礦(D)和無(wú)礦()之間關(guān)系(，的條件概率(P(D|B)，P(D|ˉB)，P(ˉD|B)，P。

(3)定義并計(jì)算任一證據(jù)因子權(quán)重:W+=ln(P和，其中W+和W－分別為證據(jù)因子存在區(qū)和不存在區(qū)的權(quán)重，如果原始數(shù)據(jù)缺失，那么權(quán)重為0。

(4)定義并計(jì)算C=W+－W－，表示控礦地質(zhì)因素與礦床(點(diǎn))產(chǎn)出狀態(tài)之間的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)弱，用以選擇找礦指示性好的地質(zhì)標(biāo)志參與后驗(yàn)概率的計(jì)算。

(6)最后計(jì)算后驗(yàn)概率 P后驗(yàn)=O后驗(yàn)/(1+ O后驗(yàn))，后驗(yàn)概率P代表了單元格內(nèi)找礦的有利度或成礦概率，其數(shù)值的大小作為圈定成礦遠(yuǎn)景區(qū)的依據(jù)。

3 研究區(qū)成礦信息提取

基于GIS的多源成礦信息提取是在研究成礦規(guī)律的基礎(chǔ)上，對(duì)收集到的地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)、遙感等多源信息進(jìn)行處理，并從這些資料中推斷，挖掘隱含的成礦信息(陳建平等，2008)。本文收集到研究區(qū)(東經(jīng)116°～119°，北緯42°～44.5°，面積1.4萬(wàn)km2)范圍內(nèi)的有色金屬礦產(chǎn)地?cái)?shù)據(jù)、1∶20萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)圖、1∶20萬(wàn)地球化學(xué)數(shù)據(jù)、1∶20萬(wàn)地球物理數(shù)據(jù)、Landsat ETM+遙感影像數(shù)據(jù)等，處理過(guò)程中使用單元格的大小為2 km×2 km，以保證每個(gè)礦床(點(diǎn))占據(jù)一個(gè)單元格。

3.1 地質(zhì)信息提取

通過(guò)將礦床(礦點(diǎn))與地層、巖體等地質(zhì)信息進(jìn)行疊加統(tǒng)計(jì)，該區(qū)有色金屬礦床(礦點(diǎn))主要分布在林西組、大石寨組、滿克頭愕博組、新民組、于家北溝組、侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)花崗巖、圍巖蝕變帶、巖脈體內(nèi)，上述地質(zhì)因素與有色金屬礦床存在著較為緊密的聯(lián)系(圖2)。因此，從地質(zhì)圖中把上述地質(zhì)信息提取出來(lái)，作為成礦預(yù)測(cè)的證據(jù)因子層。此外，依據(jù)地質(zhì)異常致礦理論，本文還計(jì)算地層組合熵來(lái)表征地層的組合特征(池順都等，2000)。研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造同地層一樣，控制并影響著礦床的產(chǎn)出。本文通過(guò)斷裂緩沖區(qū)分析和斷裂密度計(jì)算來(lái)提取構(gòu)造成礦信息，并作為礦床預(yù)測(cè)的證據(jù)權(quán)因子。圖4(d)為斷裂緩沖區(qū)分析結(jié)果，其中深大斷裂取10km半徑緩沖區(qū)，次級(jí)斷裂取1km半徑緩沖區(qū)。

3.2 地球物理信息提取

收集到的地球物理數(shù)據(jù)為點(diǎn)文件格式的航磁數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)格化并繪制等值線圖(圖3)可以看出，克旗南部地區(qū)成航磁較高異常，等值線密集，磁異常變化梯度大。異常帶成近東西向展布。在研究區(qū)的最南端，也呈現(xiàn)局部的航磁正異常。在研究區(qū)北部，呈現(xiàn)總體負(fù)異常，但異常變化平緩。總體上看，克旗地區(qū)航磁為中間高異常，向北逐漸下降，向南急劇上升的正高異常，而礦床(點(diǎn))大多分布在負(fù)磁場(chǎng)區(qū)中或靠近負(fù)磁場(chǎng)區(qū)邊部的等值線扭曲處。

3.3 地球化學(xué)成礦信息提取

該區(qū)處于西拉木倫河Pb、Zn、Mo、W等元素區(qū)域高背景場(chǎng)內(nèi)，收集到地球化學(xué)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)格化和插值，選取主要成礦元素Cu、Pb、Zn、W、Mo、Au、Ag、Mn、Fe進(jìn)行地球化學(xué)異常分析(圖5)。異常的確定采用正態(tài)及對(duì)數(shù)正態(tài)的逐步截尾法方法，關(guān)鍵步驟為:(1)求原始數(shù)據(jù)n個(gè)樣本的均值ˉx，均方差S，并對(duì)其做正態(tài)或?qū)?shù)正態(tài)分布檢驗(yàn)。如不服從標(biāo)準(zhǔn)分布，則將觀測(cè)值大于均值加3倍均方差的數(shù)據(jù)刪除; (2)再次計(jì)算均值與方差，檢驗(yàn)保留數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)分布。如仍不服從標(biāo)準(zhǔn)分布，再將預(yù)測(cè)值中大于均值加3倍均方差的數(shù)據(jù)刪除;(3)重復(fù)上述步驟，直至保留數(shù)據(jù)服從標(biāo)準(zhǔn)分布，采用ˉx+2倍方差標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定異常下限值。(4)根據(jù)各元素確定的異常下限，進(jìn)行元素化學(xué)異常信息提取，各異常信息圖層用作成礦預(yù)測(cè)因子。

3.4 遙感成礦信息提取

基于巖石、礦物波譜曲線的遙感蝕變信息提取，對(duì)于圈定蝕變帶，進(jìn)行成礦靶區(qū)預(yù)測(cè)有重要意義(劉福江等，2007;楊自安等，2009)。研究區(qū)內(nèi)各類礦床受燕山期花崗巖巖漿熱液的影響，圍巖蝕變比較發(fā)育，不同巖石中蝕變類型及強(qiáng)度均有明顯差異，它們是同一作用下蝕變礦化或不同水熱蝕變?cè)谕豢臻g上疊加的現(xiàn)象，可作為直接或間接的找礦標(biāo)志。本文使用Landsat ETM+遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行蝕變帶信息提取(圖6):(1)鐵染異常信息的提取。由于含鐵蝕變巖在TM3的高反射，在TM1的強(qiáng)吸收特征，用TM3/1來(lái)提取鐵染信息;(2)羥基異常信息的提取。利用含羥基礦物在TM5上高反射，TM3上強(qiáng)吸收的波譜特性，用TM5/3來(lái)提取羥基異常。

4 證據(jù)因子構(gòu)置與權(quán)重計(jì)算

根據(jù)對(duì)研究區(qū)成礦規(guī)律和控礦因素的分析，利用GIS技術(shù)進(jìn)行提取并確定研究區(qū)的有色金屬礦床證據(jù)因子22個(gè)(表1):1)地層(6個(gè)):林西組、大石寨組、滿克頭愕博組、新民組、于家北溝組地層和地層組合熵異常;2)構(gòu)造(2個(gè)):構(gòu)造緩沖區(qū)與斷裂密度;3)巖體(4個(gè)):侏羅紀(jì)花崗巖、白堊紀(jì)花崗巖、圍巖蝕變帶、巖脈體;4)航磁異常(2個(gè)):航磁正異常和航磁突變帶;5)地球化學(xué)(6個(gè)):主要成礦元素Cu、Pb、Zn、W、Mo、Mn地球化學(xué)異常;6)遙感蝕變(2個(gè)):鐵染蝕變信息和羥基蝕變信息。

分別計(jì)算各證據(jù)層與成礦的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)證據(jù)權(quán)值(W+、W－)和相關(guān)程度(C)，并對(duì)各證據(jù)因子進(jìn)行條件獨(dú)立性檢驗(yàn)，在顯著性水平為0.05的情況下，上述22個(gè)評(píng)價(jià)因子滿足條件獨(dú)立性。由表1可以看出1、4、6、7、9、10、12、15、16、17、18證據(jù)相關(guān)程度C均超過(guò)1.5，表明其與成礦的關(guān)系較為密切。通過(guò)證據(jù)權(quán)法運(yùn)算得到成礦后驗(yàn)概率圖(圖7(a))，選取0.6為閾值生成等值線圖，作為圈定找礦遠(yuǎn)景區(qū)的依據(jù)。根據(jù)等值線高異常，劃分出7個(gè)有色金屬勘查遠(yuǎn)景區(qū)(圖7(b))。其中1、2、3號(hào)遠(yuǎn)景區(qū)與已知礦床(礦點(diǎn))相吻合，而其他預(yù)測(cè)區(qū)作為現(xiàn)有礦山的周邊延伸，作為進(jìn)一步詳查工作的靶區(qū)。

圖4 內(nèi)蒙古克什克騰旗重要地質(zhì)成礦信息提取Fig.4 Extraction of important geological mineralization information in keshenketeng Qi area1－礦點(diǎn);2－地層;3－花崗巖;4－地層組合熵;5－斷裂緩沖區(qū);(a)－林西組地層與礦點(diǎn)疊加;(b)－花崗巖與礦點(diǎn)疊加; (c)－地層組合熵與礦點(diǎn)疊加;(d)－斷裂緩沖區(qū)與礦點(diǎn)疊加1－mine;2－formation;3－granite;4－combined entropy of strata;5－fault buffer;(a)－superposition of linxi formation and mine; (b)－superposition of granite and mine;(c)－superposition of strata combined entropy and mine;(d)－superposition of fault buffer and mine

圖5 內(nèi)蒙古克什克騰旗主要化探元素異常Fig.5 Main geochemical anomalies in the keshenketeng Qi area1－礦點(diǎn);2－異常范圍;(a)－Cu異常;(b)－Pb異常;(c)－Zn異常;(d)－W異常;(e)－Mo異常;(f)－Mn異常1－mine;2－anomaly line;(a)－Cu;(b)－Pb;(c)－Zn;(d)－W;(e)－Mo;(f)－Mn

表1 有色金屬預(yù)測(cè)證據(jù)層權(quán)值計(jì)算Table 1 Calculation of evidence weights of predicted layers of non－ferrous metals

5 結(jié)論

通過(guò)本文的研究可以得到以下結(jié)論:

(1)利用GIS對(duì)研究區(qū)開(kāi)展多源地學(xué)信息綜合管理，并使用證據(jù)權(quán)法對(duì)區(qū)域控礦因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)綜合致礦信息的集成，為區(qū)域成礦預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)提供了重要的技術(shù)和方法手段。

(2)結(jié)合克什克騰旗地質(zhì)特征、區(qū)域成礦規(guī)律和條件等直接找礦信息，通過(guò)應(yīng)用基于GIS的證據(jù)權(quán)法進(jìn)行克什克騰旗有色金屬多源成礦信息綜合預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，提出了7個(gè)有色金屬勘查遠(yuǎn)景區(qū)，為研究區(qū)勘查工作部署提供了定量化依據(jù)。

(3)從預(yù)測(cè)結(jié)果可以看出，成礦有利度大于1.5的地區(qū)多與已知大中型礦床的分布區(qū)相吻合，有利度大于0.7以上的地區(qū)一般均有已知大中型礦床的產(chǎn)出，說(shuō)明預(yù)測(cè)結(jié)果的可信度較高。同時(shí)在預(yù)測(cè)結(jié)果中還有尚無(wú)大中型礦床產(chǎn)出的成礦有利區(qū)塊，這些區(qū)塊為該地區(qū)進(jìn)一步的找礦工作部署指出了方向。

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