豫陜小秦嶺金礦帶綜合信息成礦預測

王 丹，陳建平，劉 暢

(1.中國地質(zhì)大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083；2.北京市國土資源信息研究開發(fā)重點實驗室，北京 100083)

0 引 言

現(xiàn)代礦產(chǎn)資源定量預測評價及理論方法發(fā)展始于20世紀中期，到80年代末，隨著計算機在地質(zhì)方面的應用，利用GIS平臺、RS、三維建模和可視化技術(shù)，應用地、物、化、遙等多元地學數(shù)據(jù)信息進行找礦預測的研究愈來愈多，為綜合找礦提供了科學的預測方法，對實現(xiàn)找礦工作的突破具有一定的理論意義和現(xiàn)實價值(Agterberg,2014；胡橋等，2015；劉靜等，2017；彭海練等，2017；周永章等，2021)。陳建平等(2011)運用 GIS 技術(shù)，充分利用地、化、遙等多元綜合異常資料，采用證據(jù)權(quán)重法對陜西潼關(guān)地區(qū)金礦進行預測并圈定了找礦靶區(qū)；Yousefi等(2014)應用證據(jù)權(quán)重法對地質(zhì)及地球化學數(shù)據(jù)進行空間分析和權(quán)重分配，圈定了馬贊達蘭密西西比河谷型螢石礦床的成礦遠景區(qū)。此外，國內(nèi)外諸多研究利用GIS技術(shù)進行的礦產(chǎn)預測工作也取得了顯著的成果(申維等，2014；Nielsen et al.,2015；魏巍等，2016；彭海練等，2017；薛仲凱等，2021)。

小秦嶺位于我國河南與陜西境內(nèi)，是我國第二大產(chǎn)金地(魏春霞，2018；張歡歡等，2018；謝亙等，2021)，已發(fā)現(xiàn)的含金石英脈多達1 200余條，已探明的黃金儲量至少800 t，成礦條件好、潛力較大(趙立群等，2019；Liu et al.,2021)。然而，近60年的強力開采已經(jīng)使該區(qū)淺部探明的礦產(chǎn)資源面臨枯竭。現(xiàn)階段，在小秦嶺金礦帶已有勘探基礎(chǔ)上進行深部及外圍地區(qū)勘查找礦工作十分必要。

選取小秦嶺金礦帶為研究區(qū)，在了解區(qū)域地質(zhì)概況、大地構(gòu)造背景、區(qū)域成礦規(guī)律及成礦模式的基礎(chǔ)上，以綜合信息礦產(chǎn)資源評價和地質(zhì)異常致礦等理論為指導(李彩鳳，2019)，基于GIS平臺提取分析地、化、遙找礦信息，利用證據(jù)權(quán)重法進行二維定量成礦預測，在研究區(qū)共圈定4處成礦遠景區(qū)，對在小秦嶺地區(qū)進一步開展找礦工作具有現(xiàn)實意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景與找礦模型

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)大地構(gòu)造屬于華北地臺南緣華熊臺隆小秦嶺臺穹，處于秦嶺—大別造山帶最北端，是華北克拉通與揚子克拉通碰撞的產(chǎn)物(Dong et al.,2011)。該區(qū)構(gòu)造十分活躍，經(jīng)歷了多期構(gòu)造變形活動，斷裂、褶皺十分發(fā)育?？傮w構(gòu)造特征是在伸展模式下形成的不對稱拆離-變質(zhì)核雜巖構(gòu)造，由南北2條邊界大斷裂、區(qū)域中部的老變質(zhì)核雜巖及其內(nèi)部的拆離構(gòu)造3部分組成(胡正國等，1994)。

表1 研究區(qū)熱液型金礦床找礦模型Table 1 Prospecting model of hydrothermal gold deposits in the study area

研究區(qū)內(nèi)出露黏土和亞黏土的地層有：上太古界太華巖群，中元古界熊耳群、高山河群及官道口群，下古生界寒武系朱砂洞組、辛集組、三山子組、饅頭組和奧陶系馬家溝組，中生界白堊系南朝組，新生界新近系以及第四系。其中，上太古界太華巖群為主要出露地層，分布在研究區(qū)中部區(qū)域，屬太古宙綠巖帶，分上下2套巖石地層單位：下基底巖石地層單位包括變質(zhì)花崗巖和變基性表殼巖，上基底巖石地層單位主要由1套副變質(zhì)巖系組成(黎世美等，1996；戚開靜，2010)。巖漿活動貫穿了區(qū)域地質(zhì)演化歷史，燕山期華山、文峪和娘娘山巖體的侵位為小秦嶺金礦的形成與富集提供了熱動力，為區(qū)內(nèi)成礦地質(zhì)體(王義天等，2002)。

1.2 成礦規(guī)律與礦床特征

研究區(qū)礦產(chǎn)資源十分豐富，是豫陜小秦嶺貴金屬成礦帶的重要組成部分。區(qū)內(nèi)主要賦礦地層為上太古界太華巖群，圍繞華山、文峪和娘娘山巖體成群或成帶分布著大量含金礦脈，金礦賦存受斷裂和褶皺構(gòu)造控制顯著。金礦成因類型主要為熱液型，區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)礦床(點)48處，其中大型金礦床6處、中型金礦床12處、小型金礦床29處、金礦化點1處，45處金礦床為熱液型金礦床，3處小型金礦床類型分別為砂礦型、沉積變質(zhì)型和構(gòu)造破碎型。

小秦嶺金礦帶主要分為北礦帶、北中礦帶、中礦帶和南礦帶4個礦帶。其中，北礦帶、北中礦帶、中礦帶為金礦密集區(qū)，南礦帶金礦規(guī)模最小。①中礦帶：位于小秦嶺復背斜核部、老鴉岔背形軸部，礦化條件最好，規(guī)模最大，礦帶整體呈東西向展布，大中型礦床主要有文峪礦床、東闖礦床、楊寨峪礦床、老鴉岔礦床、四范溝礦床等。②北中礦帶：位于七樹坪、金渠溝等地，主要為中小型礦床，如紅土嶺、金渠溝、桐溝等礦床。③北礦帶：位于五里村—大湖峪—荊山峪一帶，沿五里村背斜展布，總體呈東西向，大、中、小型金礦床在該礦帶均有分布，如大湖金鉬大型礦床、馬家凹中型金礦床、煥池峪小型金礦床等。④南礦帶：規(guī)模較小，多為礦化點。

1.3 找礦模型

基于地質(zhì)概況、大地構(gòu)造背景、成礦地質(zhì)背景、礦床成因類型及典型礦床的研究，針對熱液型金礦床，總結(jié)區(qū)內(nèi)金礦的主要控礦要素和成礦規(guī)律，建立研究區(qū)熱液型金礦床找礦模型(表1)。

2 成礦綜合信息分析與提取

基于建立的研究區(qū)熱液型金礦床找礦模型，收集了區(qū)域地質(zhì)圖(1∶50萬)、區(qū)域地球化學數(shù)據(jù)(1∶50萬)、Landsat 8 OLI 遙感影像、全國礦產(chǎn)數(shù)據(jù)等多元地質(zhì)找礦信息，在GIS平臺進行提取分析。

2.1 有利地層信息

全球主要的金礦大多產(chǎn)于綠巖帶中，華北克拉通的主要金礦均產(chǎn)于綠巖帶，小秦嶺金礦產(chǎn)于小秦嶺花崗巖-綠巖帶。通過疊加分析研究區(qū)1∶50萬地質(zhì)圖與已知45處熱液型礦床點數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)39處已知礦床點分布在上太古界太華巖群中，占區(qū)內(nèi)全部礦床點的86.67%，4處分布于太古宇花崗偉晶巖脈中，2處分布于下元古界花崗偉晶巖脈中，其余地層均無已知礦床點分布。因此得出上太古界太華巖群為研究區(qū)主要賦礦地層(圖1)。

2.2 有利巖體信息

圖1 研究區(qū)地質(zhì)圖與已知礦床點疊加圖1-第四系；2-新近系；3-古近系；4-白堊系；5-官道口群；6-高山河群；7-奧陶系；8-寒武系；9-震旦系；10-熊耳群；11-新太古代太華雜巖；12-早白堊世花崗巖；13-中侏羅世花崗斑巖；14-中侏羅世閃長玢巖；15-侏羅紀二長花崗巖；16-早侏羅世花崗閃長巖；17-早古生代輝綠巖；18-志留紀花崗巖；19-新元古代二長花崗巖；20-新元古代正長斑巖；21-新元古代花崗巖；22-中元古代閃長巖；23-古元古代花崗偉晶巖；24-太古宙花崗偉晶巖；25-太古宙花崗巖；26-斷裂；27-已知熱液型礦床及礦點Fig. 1 Superposition of the geological map and known deposit points of the study area

研究區(qū)內(nèi)出露巖體主要為花崗巖，區(qū)內(nèi)西段的華山巖體為侏羅紀巖體，中段和東段的文峪和娘娘山巖體為白堊紀巖體。區(qū)內(nèi)燕山期巖體的侵位為小秦嶺金礦的形成與富集提供了熱動力，與金成礦關(guān)系密切，為有利成礦巖體。區(qū)內(nèi)已知礦床點密集分布在這三大燕山期巖體周圍(圖1)。對燕山期花崗巖體做緩沖區(qū)分析并疊加已知礦床點數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示燕山期花崗巖體8 km緩沖區(qū)范圍內(nèi)有42處已知礦床點，占區(qū)內(nèi)總礦床點數(shù)的93.33%(圖2)，因此燕山期巖體外圍8 km區(qū)域可作為成礦預測有利區(qū)域。

圖2 燕山期花崗巖體8 km緩沖區(qū)與已知礦床點疊加圖1-侏羅紀二長花崗巖；2-早侏羅世花崗閃長巖；3-早白堊世花崗巖；4-巖體8 km緩沖區(qū)；5-大型礦床；6-中型礦床；7-小型礦床；8-礦點Fig. 2 Superposition of 8 km buffer zone of the Yanshanian granitic body and known deposit points

圖3 花崗偉晶巖脈4 km緩沖區(qū)與已知礦床點疊加圖1-下元古界花崗偉晶巖脈；2-太古宇花崗偉晶巖脈；3-巖脈4 km緩沖區(qū)；4-大型礦床；5-中型礦床；6-小型礦床；7-礦點Fig. 3 Superposition of 4 km buffer zone of the granite-pegmatite vein and known deposit points

區(qū)內(nèi)發(fā)育大量含金石英巖脈。對區(qū)內(nèi)東段太古宇花崗偉晶巖脈和西段下元古界花崗偉晶巖脈進行緩沖區(qū)分析并疊加已知礦床點數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示區(qū)內(nèi)38處已知礦床點分布在花崗偉晶巖脈4 km緩沖區(qū)內(nèi)，占總礦床點數(shù)的84.44%(圖3)，因此巖脈外圍4 km區(qū)域可作為成礦預測有利區(qū)域。

2.3 有利構(gòu)造信息

研究區(qū)內(nèi)北部太要斷裂和南部小河斷裂2條邊界大斷裂將小秦嶺復式褶皺區(qū)域圍限，形成“兩斷裂夾一褶皺”的構(gòu)造格架，局部發(fā)育的褶-斷型脆韌性剪切帶為區(qū)內(nèi)含金石英脈礦的控礦構(gòu)造。對區(qū)內(nèi)可提取的構(gòu)造斷裂信息進行定量分析并疊加已知礦床點數(shù)據(jù)，得出金礦床點集中分布的構(gòu)造等密度區(qū)間為(0.020，0.040]，構(gòu)造中心對稱度的有利成礦區(qū)間為(0.035，0.105]，區(qū)內(nèi)主干斷裂的有利成礦區(qū)間為(0.024，0.030]，區(qū)內(nèi)礦床點并未集中分布在主干斷裂高值區(qū)，與賦礦需要較穩(wěn)定的低應力環(huán)境關(guān)系密切，因此將構(gòu)造等密度區(qū)間(0.020，0.040]、構(gòu)造中心對稱度區(qū)間(0.035，0.105]以及主干斷裂區(qū)間(0.024，0.030]作為成礦預測有利因子。

2.4 遙感找礦信息

圍巖蝕變?yōu)闊嵋盒偷V床的主要特征之一，是熱液成礦作用的重要組成部分(陳進等，2018)。小秦嶺地區(qū)圍巖硅化和黃鐵礦化蝕變與金成礦關(guān)系最為密切(張歡歡等，2016)。蝕變異常為熱液礦床的重要找礦標志之一。采用Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)，對影像進行輻射定標和大氣校正后，應用ENVI 5.3 Band Math對冰雪、植被、水體、陰影進行處理，選擇掩膜效果最佳的公式(表2)計算后，得到蝕變異常信息提取圖像，展示研究區(qū)鐵染及羥基蝕變異常。

表2 去除干擾因素計算公式Table 2 Calculation formulas for removing interference factors

2.4.1 鐵染蝕變異常提取 選取Landsat 8 OLI 2、4、5、6波段提取鐵染蝕變異常。根據(jù)代表鐵染類礦物的主分量判斷標準，OLI5與OLI4貢獻系數(shù)符號相反，與OLI2貢獻系數(shù)符號相同，主成分PC2與PC4均滿足條件，因此依次選擇PC2與PC4為主分量進行后續(xù)處理，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)圖及礦產(chǎn)資料，對比得出以PC4為主分量提取的結(jié)果更符合研究區(qū)實際情況，故選取PC4作為主分量(表3)。

表3 OLI 2、4、5、6主成分分析特征向量Table 3 Feature vectors of principal component analysis of OLI 2,4,5 and 6

2.4.2 羥基蝕變異常提取 選取OLI 2、5、6、7進行PCA變換提取羥基蝕變異常，根據(jù)代表羥基類礦物的主分量判斷標準，OLI6與OLI7貢獻系數(shù)符號相反，與OLI2貢獻系數(shù)符號相同，可選PC4作為反映羥基蝕變信息的主分量(表4)。

表4 OLI 2、5、6、7主成分分析特征向量Table 4 Feature vectors of principal component analysis of OLI 2、5、6 and 7

2.4.3 圈定遙感蝕變異常區(qū) 利用公式“均值+N×標準方差(σ)”進行異常等級閾值分割。鐵染蝕變異常取N為1.5、2.0、2.5，將異常信息分為三級弱、二級中、一級強3個異常等級；羥基蝕變異常取N為2.0、2.5、3.0，將羥基異常信息同樣分為3個等級。密度分割后，對結(jié)果進行中值濾波處理，并結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)、地理及礦產(chǎn)情況，除去偽異常信息后，最終得到鐵染、羥基蝕變異常分布結(jié)果(圖4、圖5)。

疊合研究區(qū)已知礦床點發(fā)現(xiàn)，鐵染蝕變異常與已知礦床點分布情況較為吻合，二級蝕變異常區(qū)域內(nèi)分布有大量已知大型及中型礦床，羥基蝕變異常在整個研究區(qū)分布較少。疊加兩類蝕變異常信息，在研究區(qū)內(nèi)共圈定了6個一級遙感蝕變異常區(qū)、5個二級遙感蝕變異常區(qū)、6個三級遙感蝕變異常區(qū)(圖6)。

圖4 研究區(qū)鐵染蝕變異常分布圖1-一級異常;2-二級異常;3-三級異常;4-大型礦床;5-中型礦床;6-小型礦床;7-礦點Fig. 4 Distribution of iron stained alteration anomalies in the study area

圖5 研究區(qū)羥基蝕變異常分布圖1-一級異常;2-二級異常;3-三級異常;4-大型礦床;5-中型礦床;6-小型礦床;7-礦點Fig. 5 Distribution of hydroxyl alteration anomalies in the study area

圖6 研究區(qū)遙感蝕變異常分布圖Fig.6 Distribution of remote sensing alteration anomalies in the study area

2.5 地球化學找礦信息

地球化學異常信息對尋找淺部礦產(chǎn)具有重要價值，將地球化學方法運用于深部礦產(chǎn)資源勘查一直是礦產(chǎn)資源勘查方向的研究熱點。研究區(qū)內(nèi)主要賦存礦體為金礦，Ag、Mo、Zn元素與金礦體賦存呈正相關(guān)，對Au、Ag、Mo、Zn單元素異常進行提取并疊加已知礦床點，得出區(qū)內(nèi)41處已知礦床點分布于Au元素異常區(qū)域內(nèi)，占總礦床點數(shù)的91.11%；30處分布于Ag元素異常區(qū)域內(nèi)，占總礦床點數(shù)的66.67%；21處分布于Mo元素異常區(qū)域內(nèi)，占總礦床點數(shù)的46.67%；33處分布于Zn異常區(qū)域內(nèi)，占總礦床點數(shù)的73.33%。區(qū)內(nèi)金礦化典型成礦元素組合為Au-Ag-Cu-Pb-Zn，研究表明，當Au與Ag、Cu、Pb、Ni、Mo、Bi、W元素出現(xiàn)高異常時，非常接近金礦體(張?zhí)K坤等，2021)。對區(qū)內(nèi)近礦暈元素Au、Ag、Cu、Pb、Zn做組合異常分析(圖7)，疊加區(qū)內(nèi)主成礦元素Au元素，共圈定3處化探綜合異常區(qū)(圖8)。

3 基于GIS的綜合信息成礦預測

利用GIS平臺進行研究區(qū)二維成礦預測工作，主要是根據(jù)已建立的找礦模型及提取的地層、巖體、構(gòu)造有利成礦信息，以及地球化學異常信息、遙感蝕變異常信息，建立成礦定量預測模型。

利用礦產(chǎn)資源MRAS評價系統(tǒng)中證據(jù)權(quán)重模塊進行二維定量預測，圈定研究區(qū)金礦成礦遠景區(qū)。根據(jù)建立的小秦嶺金礦帶找礦模型以及提取的成礦有利信息，總結(jié)預測評價模型(表5)。

證據(jù)權(quán)重法常用來進行礦產(chǎn)資源定量預測工作，是預測評價的一種數(shù)學方法，最早由Agterberg等(1993)提出。預測原理是通過疊加統(tǒng)計成礦相關(guān)要素，得出各要素對成礦的貢獻程度，以計算所有有利信息組合的綜合權(quán)值，最終劃定成礦遠景區(qū)(Carranza,2004；de Quadros et al.,2006；Lyu et al.,2013；李彩鳳，2019)。根據(jù)區(qū)域成礦預測模型選擇證據(jù)因子，計算各因子的權(quán)重值(表6)。

C值表示證據(jù)因子與礦床點產(chǎn)出的相關(guān)程度，C值越大反映該預測變量對成礦越有利，C值為負反映該預測信息對成礦不利。由于三級遙感蝕變異常區(qū)C值為負，故不計入此次預測。有利地層信息(上太古界太華巖群)、有利巖體信息(燕山期花崗巖體)、有利化探信息(Au元素異常及Au-Ag-Cu-Pb-Zn組合異常)的C值均>3(表6)，表明與金礦產(chǎn)出關(guān)系密切程度較高。小秦嶺花崗巖-綠巖帶為金礦產(chǎn)出提供了有利基礎(chǔ)，燕山期巖體侵位提供了熱動力，與金成礦關(guān)系極為密切。對應金屬化學元素富集是礦體礦化形成的本質(zhì)，Au元素異常為直接反映金存在的標志，與金礦化相關(guān)程度高。區(qū)內(nèi)近礦暈元素Au-Ag-Cu-Pb-Zn組合為金礦化典型成礦組合，與金礦化關(guān)系密切。

圖7 研究區(qū)Au-Ag-Cu-Pb-Zn元素組合異常圖Fig.7 Au-Ag-Cu-Pb-Zn anomalies in the study area

圖8 研究區(qū)化探綜合異常圖Fig.8 Comprehensive anomaly map of geochemical exploration in study area

表5 小秦嶺金礦帶成礦預測模型Table 5 Metallogenic prediction model of the Xiaoqinling gold belt

表6 小秦嶺金礦帶各成礦要素權(quán)重值Table 6 Weight values of ore-forming elements in the Xiaoqinling gold belt

對各有利圖層進行條件獨立性檢驗后，計算得到后驗概率值，后驗概率結(jié)果最小值為0.000 000，最大值為0.999 992，將后驗概率≥0.8的區(qū)域視為成礦有利區(qū)域，按照[0.80，0.92)、[0.92，0.98)、[0.98，0.999 992]區(qū)間劃分3個等級，共圈出4處成礦遠景區(qū)(圖9)。

圖9 小秦嶺金礦找礦遠景區(qū)分布圖1-[0.80,0.92)；2-[0.92,0.98)；3-≥0.98；4-成礦靶區(qū)；5-研究區(qū)已知熱液型礦床及礦點；6-省界；7-化探綜合異常；8-太華巖群；9-研究區(qū)斷裂Fig. 9 Layout of promising prospecting areas of the Xiaoqinling gold belt

將預測結(jié)果圖與已知礦床點疊加，顯示后驗概率高值區(qū)與已知礦床點吻合程度較高，驗證了此次預測工作的準確性。預測Ⅰ、Ⅱ號成礦靶區(qū)后驗概率值大，各成礦有利因子之間相互耦合，具有優(yōu)良的成礦條件和潛力，為區(qū)內(nèi)金成礦最為有利的區(qū)域；Ⅲ、Ⅳ號成礦靶區(qū)區(qū)域較小，后驗概率值較Ⅰ、Ⅱ號低，但也是研究區(qū)內(nèi)金成礦條件及潛力突出的區(qū)域，且Ⅲ、Ⅳ號成礦靶區(qū)內(nèi)及外圍無已知礦床點分布，可作為今后的重點勘查找礦區(qū)域。

4 結(jié) 論

(1)基于GIS、RS對小秦嶺金礦資源進行了二維定量預測，根據(jù)小秦嶺區(qū)域地質(zhì)概況、成礦地質(zhì)背景及成礦特征發(fā)現(xiàn)，小秦嶺金礦主要賦礦地層為上太古界太華巖群，燕山期花崗巖體為主要成礦地質(zhì)體，區(qū)內(nèi)金礦體的賦存受斷裂和褶皺構(gòu)造控制顯著，鐵染蝕變異常與區(qū)內(nèi)金成礦關(guān)系密切。

(2)建立了小秦嶺地區(qū)熱液型金礦床找礦模型，利用GIS平臺對區(qū)內(nèi)地層、巖體、構(gòu)造、化探、遙感多元有利成礦信息進行綜合分析，采用證據(jù)權(quán)重法進行礦產(chǎn)預測，成果顯著。

(3)基于礦產(chǎn)資源MRAS評價系統(tǒng)，采用證據(jù)權(quán)重模型對研究區(qū)進行二維成礦預測，圈定了4處成礦靶區(qū)，為研究區(qū)進一步找礦工作提供了參考。