基于ArcGIS的AHP型成礦有利度分區(qū)法 在多金屬礦成礦預(yù)測中的應(yīng)用

李本召，高 帥，趙少杰，黃傳計(jì)

(1.河南省有色金屬礦產(chǎn)探測工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450016；2.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第五地質(zhì)大隊(duì)，河南 鄭州 450016； 3.東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；4. 河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第七地質(zhì)大隊(duì)，河南 鄭州 450016)

0 引言

內(nèi)蒙古二連—東烏旗成礦帶是我國重要的多金屬礦床集中區(qū)之一，具有礦種多、成礦類型多以及成礦作用強(qiáng)等特點(diǎn)[1]。成礦帶中段位于阿巴嘎北部地區(qū)，是該成礦帶最重要的銀鉛鋅礦集區(qū)，近些年來先后發(fā)現(xiàn)了眾多銀鉛鋅礦床與礦點(diǎn)，其中典型礦床有哈達(dá)特陶勒蓋[2]、高爾旗[3]、莫若格欽[4]、干珠爾善德[5]、阿扎哈達(dá)等，礦點(diǎn)有烏蘭敖包、薩拉布拉格、塔班陶勒蓋等。由于地理位置特殊以及許多礦床資料仍處于商業(yè)勘查保密階段等原因，針對該地區(qū)銀鉛鋅礦成礦規(guī)律的研究相對較為薄弱，成礦預(yù)測研究亦停滯不前[6]。深入研究區(qū)內(nèi)主要礦床成礦地質(zhì)特征和成礦規(guī)律，采用前沿技術(shù)手段加強(qiáng)成礦預(yù)測研究，無疑對該區(qū)銀鉛鋅礦找礦實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步突破具有重要意義。

地理信息系統(tǒng)技術(shù)(GIS)近些年被廣泛應(yīng)用于綜合信息找礦工作中[7-10]，以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理、空間分析以及成圖技術(shù)能力[11-12]，極大地提高了找礦預(yù)測的工作效率。層次分析法(Analytial Hierarchy Process，簡稱AHP)合理地將定性與定量的決策結(jié)合起來，把決策過程層次化、數(shù)量化[13]，被廣泛應(yīng)用于解決多因素綜合評價(jià)問題。近些年，國內(nèi)外學(xué)者嘗試將層次分析法應(yīng)用到成礦預(yù)測領(lǐng)域，取得了較好的找礦效果[14-17]。

本文結(jié)合地理信息系統(tǒng)技術(shù)和層次分析法各自優(yōu)勢，針對研究區(qū)第四系覆蓋嚴(yán)重，直接找礦線索缺乏的實(shí)際情況，在深入總結(jié)二連—東烏旗成礦帶中段銀鉛鋅礦成礦規(guī)律的前提下，首次將基于ArcGIS的AHP型成礦有利度分區(qū)法應(yīng)用于該區(qū)銀鉛鋅礦成礦預(yù)測評價(jià)工作中。該方法以環(huán)套理論為基礎(chǔ)，運(yùn)用征集專家評分、構(gòu)造判斷矩陣等技術(shù)手段，構(gòu)建了成礦預(yù)測模型，相較于傳統(tǒng)成礦預(yù)測工作效率低、易出現(xiàn)疏漏且停留在定性評價(jià)的特點(diǎn)[18]，新方法具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、分析全面、定量評價(jià)等明顯優(yōu)勢，能夠?yàn)榻窈笤谠搮^(qū)取得更多找礦突破提供科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)位于阿巴嘎旗北部，緊鄰中蒙邊界，大地構(gòu)造位置為興蒙造山帶東段，得爾布干斷裂帶和二連—賀根山縫合帶之間(圖1)，具體位置為查干敖包—東烏珠穆沁旗深斷裂以北的查干敖包—奧尤特—朝不楞構(gòu)造巖漿巖帶中部[19]，具有多階段演化特征。

區(qū)內(nèi)地層分屬東烏珠穆沁旗—博克圖分區(qū)達(dá)來小區(qū)，出露地層為大面積的更新世玄武巖和第四系沉積物，新生代以前地層主要有奧陶系、志留系及泥盆系。侵入巖發(fā)育，以泥盆紀(jì)、石炭紀(jì)、二疊紀(jì)花崗質(zhì)侵入巖為主，局部有燕山期白堊紀(jì)巖體在深部發(fā)育(圖2)。

圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置略圖Fig.1 Geotectonic location map of the study area

圖2 二連—東烏旗成礦帶中段地質(zhì)圖Fig.2 Geological map of the central section of Erenhot - East Ujimqin Banner metallogenic belt

受蒙古—鄂霍茨克造山帶造山作用的影響，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造以NE向?yàn)橹?，次為NW—NNW向，前者貫穿整個(gè)區(qū)域，后者形成時(shí)期較晚，將前者錯(cuò)斷，兩者控制了整個(gè)區(qū)域的構(gòu)造格局，主構(gòu)造及次級構(gòu)造為成礦階段的含礦熱液提供了運(yùn)移通道和儲(chǔ)礦空間，與銀鉛鋅礦床的產(chǎn)出有著密切聯(lián)系，而在礦床形成之后，后期的構(gòu)造活動(dòng)使礦體形態(tài)、位置等發(fā)生變化，局部甚至對礦體產(chǎn)生了破壞作用。

干珠爾善德銀鉛鋅礦蝕變絹云母40Ar/39Ar年齡測定以及哈達(dá)特陶勒蓋銀鉛鋅礦深部堿性長石花崗巖鋯石LA-ICP-MS U-Pb定年等研究成果表明，研究區(qū)銀鉛鋅礦床成礦時(shí)代為晚侏羅世至早白堊世(145.9～125.6 Ma)[20]。哈達(dá)特陶勒蓋巖體主量元素R1-R2、微量元素以及A型花崗巖等構(gòu)造環(huán)境判別研究，進(jìn)一步表明了區(qū)內(nèi)金屬成礦作用多與蒙古—鄂霍茨克造山帶后造山伸展過程有關(guān)，其構(gòu)造位置屬于晚中生代蒙古—華北聯(lián)合板塊的北緣，在區(qū)域性伸展構(gòu)造作用下，深源與表生物質(zhì)大規(guī)模匯集，豐富的成礦物質(zhì)和地?zé)崃黧w、良好的運(yùn)移通道和儲(chǔ)礦空間，為中低溫充填型熱液脈狀銀鉛鋅礦提供了優(yōu)良的成礦條件。

2 典型礦床地質(zhì)特征及成礦規(guī)律

本次工作過程中，對區(qū)內(nèi)主要礦床地質(zhì)特征、礦體特征以及找礦標(biāo)志等進(jìn)行了對比分析(表1)。

研究區(qū)內(nèi)銀鉛鋅礦成礦規(guī)律如下：

1)根據(jù)干珠爾善德和哈達(dá)特陶勒蓋礦區(qū)成礦時(shí)代研究成果，認(rèn)為研究區(qū)內(nèi)銀鉛鋅礦床的形成與晚侏羅世至早白堊世發(fā)生的A型花崗巖巖漿活動(dòng)及成礦作用密切相關(guān)。

2)金屬礦物和脈石礦物的出現(xiàn)順序表明，礦床的形成經(jīng)歷了三個(gè)期次的含礦熱液活動(dòng)，是多期次含礦流體疊加在成礦有利地段的綜合結(jié)果。

3)銀鉛鋅礦床受控于NE向、NW—NNW向主斷裂及張性次級斷裂，斷層控礦特征明顯。

4)礦體主要分布于泥鰍河組中，受地層裂隙及巖性孔隙度影響顯著。

表1 研究區(qū)內(nèi)典型銀鉛鋅礦床地質(zhì)特征對比Table 1 Comparison of typical geological characteristics of Ag-Pb-Zn deposits in the study area

5)不同礦區(qū)的主要成礦元素、礦體形態(tài)、礦石特征以及圍巖蝕變類型等特征均十分相似，且礦床成因均屬于中低溫充填型熱液脈狀銀鉛鋅礦。

3 成礦有利度主控因素分析

3.1 成礦預(yù)測模型設(shè)計(jì)

通過對典型礦床地質(zhì)特征的對比分析，將研究區(qū)AHP成礦預(yù)測模型劃分為3個(gè)層次(圖3)。成礦有利度評價(jià)是最終目的，將其作為模型目標(biāo)層(A層次)；賦礦地層、控礦構(gòu)造、化探異常以及物探異常等找礦主要標(biāo)志，是解決問題的中間環(huán)節(jié)，作為模型的準(zhǔn)則層(B層次)；各具體的主要控制因素構(gòu)成模型的決策層(C層次)，通過對該層次各指標(biāo)的決策，最終可完成成礦預(yù)測的目標(biāo)。

3.2 主控因素權(quán)重值的確定

運(yùn)用“專家評分”方法，征集相關(guān)地勘單位專家以及高校研究學(xué)者意見，對各主控因素在研究區(qū)成礦預(yù)測中的影響程度進(jìn)行打分，并經(jīng)過兩兩比較建立成對比較矩陣。以MATLAB為工具，通過層次單排序及一致性檢驗(yàn)和層次總排序及一致性檢驗(yàn)，最終可以確定決策層11個(gè)影響成礦有利度的主控因素權(quán)重值(表2)。

表2 成礦主控因素權(quán)重值排序Table 2 Sorting table of the weight value of main ore-controlling factors

4 層次分析法成礦預(yù)測模型的應(yīng)用

4.1 數(shù)據(jù)歸一化

為避免各主控因素因量綱的不同而造成不可比性，使數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)具有統(tǒng)計(jì)價(jià)值且便于分析，本文采用公式(1)將各主控因素屬性庫數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化計(jì)算[24]：

(1)

式中：Ai為歸一化后數(shù)據(jù)，a和b分別為歸一化范圍下限和上限，本文取0和1，x為歸一化前數(shù)據(jù)。min(xi)和max(xi)分別為各主控因素量化值的最小值和最大值。

4.2 成礦有利度概念

為能夠綜合反映各主控因素對于成礦預(yù)測的貢獻(xiàn)，在研究區(qū)成礦地質(zhì)特征基礎(chǔ)之上，建立了成礦有利度MFD(Metallogenic Favourability Degree)模型(公式2)[25]，在擬合調(diào)參、滿足評價(jià)精度之后，通過對它的計(jì)算，能夠反映出某一位置成礦可能性的大小。

(2)

= 0.0833f1(x，y)+0.0461f2(x，y)+

0.0915f3(x，y)+0.1183f4(x，y)+

0.0768f5(x，y)+0.0953f6(x，y)+

0.1143f7(x，y)+0.0814f8(x，y)+

0.1026f9(x，y)+0.1014f10(x，y)+

0.0890f11(x，y)

式中：MFD為成礦有利度；Wk為主控因素權(quán)重值；n為影響因素的個(gè)數(shù)；x，y為地理坐標(biāo)；fk(x，y)為第k個(gè)主控因素量化值的歸一值。

4.3 成礦有利度閾值的確定

利用ArcGIS10.2平臺(tái)，將11個(gè)成礦預(yù)測主控因素信息數(shù)據(jù)以單因素歸一化專題圖的形式顯示出來，經(jīng)疊加、重建拓?fù)浜?，形成涵蓋所有主控因素?cái)?shù)據(jù)信息和新的拓?fù)潢P(guān)系的疊加圖。疊加形成的屬性數(shù)據(jù)庫包含了3062個(gè)柵格的屬性數(shù)據(jù)，同時(shí)能夠獲得每個(gè)柵格的成礦有利度數(shù)值。對成礦有利度數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，作成礦有利度統(tǒng)計(jì)頻率直方圖(圖4)，根據(jù)研究區(qū)已發(fā)現(xiàn)礦床(點(diǎn))分布情況，確定分區(qū)閾值為0.081、0.154、0.201。

4.4 成礦有利度評價(jià)專題圖

根據(jù)成礦有利度閾值，將研究區(qū)劃分為4個(gè)區(qū)域：成礦有利區(qū)(MFD≥0.201)、成礦較有利區(qū)(0.201>MFD≥0.154)、成礦一般有利區(qū)(0.154>MFD≥0.081)和成礦不利區(qū)(MFD<0.081)。在ArcGIS中進(jìn)行分級處理，最終生成成礦有利度評價(jià)分區(qū)圖(圖5)。

4.5 模型擬合

為檢驗(yàn)成礦有利度模型是否合理，本文引入成礦有利度擬合率P(MFD)，將研究區(qū)內(nèi)截至目前所發(fā)現(xiàn)的8個(gè)礦床或礦點(diǎn)位置與成礦有利度分區(qū)圖進(jìn)行疊加擬合(公式3)[26]，計(jì)算出礦床或礦點(diǎn)位置落在成礦有利區(qū)和成礦較有利區(qū)的百分率為100%，表明成礦有利度模型符合客觀實(shí)際，能夠滿足成礦預(yù)測評價(jià)精度要求。

圖4 成礦有利度統(tǒng)計(jì)頻率分布曲線Fig.4 Statistical frequency distribution curve of MFD

(3)

式中：P(MFD)為成礦有利度擬合率；DF為落在成礦有利區(qū)或較有利區(qū)的礦床(點(diǎn))個(gè)數(shù)；DS為研究區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)礦床(點(diǎn))總數(shù)。

5 結(jié)果分析與評價(jià)

由圖5可見，成礦有利區(qū)主要分布在三個(gè)區(qū)域：

1)第一處位于研究區(qū)西南部，哈達(dá)特陶勒蓋—干珠爾善德—高爾旗一線，是成礦有利區(qū)分布最集中區(qū)域。該處出露巖性為中下泥盆統(tǒng)泥鰍河組砂巖、變質(zhì)砂巖，含礦熱液運(yùn)移至近地表該套地層內(nèi)，隨著fO2的明顯增高和pH值的驟變，使絡(luò)合物的穩(wěn)定性遭到破壞，有利于Ag、Pb、Zn元素的富集沉淀。NW向、NE向主體構(gòu)造交錯(cuò)，近SN、近EW向次級張性裂隙發(fā)育，為含礦熱液提供了運(yùn)移通道，并為礦體形成提供了儲(chǔ)礦空間。Ag、Pb、Zn元素化探異常發(fā)育，套合性較好，濃集中心明顯。低電阻高極化率異常較發(fā)育，且與化探異常吻合程度較高。布格重力異常邊部梯級帶在該區(qū)東側(cè)穿過，顯示出具有較好的成礦地質(zhì)環(huán)境。

2)第二處位于研究區(qū)中部偏西區(qū)域，塔班陶勒蓋一帶，成礦有利區(qū)具有分布零散、規(guī)模較小的特點(diǎn)。該處出露地層以寶力高廟組為主，次為銅山組，是研究區(qū)內(nèi)次要賦礦地層。該處斷裂構(gòu)造較發(fā)育，為成礦作用提供了良好的運(yùn)移通道。布格重力異常梯級帶在此處穿過，對應(yīng)的剩余重力異常多為正負(fù)交接帶，顯示出該處地質(zhì)環(huán)境變化劇烈，是成礦作用的間接反映。Ag、Pb、Zn元素化探異常較發(fā)育，且套合性較好。

圖5 研究區(qū)成礦有利度評價(jià)分區(qū)圖

3)第三處位于研究區(qū)中南部，烏蘭敖包—莫若格欽—薩拉布拉格一線，具有受泥鰍河組地層控制明顯、呈線性串珠狀分布的特點(diǎn)。泥鰍河組砂巖孔隙為成礦熱液提供了運(yùn)移通道和賦存空間。布格重力異常梯級帶與該區(qū)分布位置嚴(yán)格吻合，顯示出該區(qū)域成礦地質(zhì)背景均較優(yōu)越。斷層交匯部與Ag、Pb、Zn元素化探異常吻合程度較高。低電阻高極化率異常在阿扎哈達(dá)與薩拉布拉格中間區(qū)域較發(fā)育。

成礦較有利區(qū)分布特征與有利區(qū)呈相關(guān)性，主要分布于成礦有利區(qū)的外圍，成礦有利度各主控因素吻合程度相對高或各主控因素?cái)?shù)值相對高。在高爾旗東南部具有較大規(guī)模分布，受更新世玄武巖大面積覆蓋的影響，該處雖然化探異常不發(fā)育，但激電中梯測量成果顯示，低阻高極化異常較發(fā)育，布格重力異常梯級帶在該處穿過，配合可控源測量工作成果，顯示出該處地質(zhì)特征對于成礦較有利。

成礦一般有利區(qū)零散分布于研究區(qū)各處，成礦有利度各主控因素吻合程度相對低或各主控因素?cái)?shù)值相對低。其中以中部偏西區(qū)域規(guī)模最大，主要為單元素化探異常與斷層或布格重力異常梯級帶疊加區(qū)域。

研究區(qū)其余大部分地區(qū)為成礦不利區(qū)，成礦有利度各主控因素?cái)?shù)據(jù)值低或未見成礦有利信息，根據(jù)目前地質(zhì)資料，在這些區(qū)域?qū)崿F(xiàn)找礦突破的可能性較低。

6 結(jié)論

通過對研究區(qū)地質(zhì)背景、典型礦床特征以及成礦規(guī)律的系統(tǒng)研究，首次運(yùn)用基于ArcGIS的成礦有利度分區(qū)法進(jìn)行了銀鉛鋅多金屬礦成礦預(yù)測，將研究區(qū)劃分為成礦有利區(qū)、成礦較有利區(qū)、成礦一般有利區(qū)和成礦不利區(qū)。通過擬合分析，證明成礦預(yù)測模型符合客觀實(shí)際，能夠滿足評價(jià)精度要求。

本次研究方法對于范圍較大、預(yù)測指標(biāo)繁雜、覆蓋嚴(yán)重、直接找礦線索較少的預(yù)測區(qū)具有明顯優(yōu)勢，使處理數(shù)據(jù)量巨大、關(guān)系復(fù)雜的找礦信息智能化、可視化，將專家的經(jīng)驗(yàn)與數(shù)學(xué)邏輯算法有效結(jié)合，使定性問題實(shí)現(xiàn)定量決策，使多源找礦信息利用更充分，預(yù)測范圍更精確。

研究認(rèn)為，將內(nèi)蒙古二連—東烏旗成礦帶中段銀鉛鋅礦找礦工作重點(diǎn)放在成礦有利度各主控因素套合更好的成礦有利區(qū)和較有利區(qū)，能夠有效降低勘查風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省勘查成本，提高找礦工作效率。