基于GIS和證據(jù)權(quán)法的秘魯中南部成礦預(yù)測研究

席振，高光明，林騰

(中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院;中南大學(xué)莊勝礦業(yè)研究院，湖南長沙410083)

成礦預(yù)測是基于地質(zhì)理論及科學(xué)方法，充分利用已有的地質(zhì)、遙感、化探、物探等相關(guān)數(shù)據(jù)和資料，總結(jié)成礦條件和規(guī)律，指出未來有可能找到有經(jīng)濟價值礦產(chǎn)產(chǎn)出的遠景區(qū)(盧作祥等，1989;呂鵬等，2011;陳建平等，2008)。成礦預(yù)測發(fā)展到今天，地理信息系統(tǒng)(GIS)的強大數(shù)據(jù)處理分析功能正在發(fā)揮著越來越重要的作用(王功文和陳建平，2008)。

秘魯位于南美安第斯造山帶中部，礦產(chǎn)資源豐富。我國許多企業(yè)大力進軍國際礦產(chǎn)市場，秘魯作為礦業(yè)大國，吸引了很多公司的關(guān)注(陳遠望，2009)。在一個陌生區(qū)域，如何快速確定資源靶區(qū)，有效開展工作，站穩(wěn)腳跟是一個難題。本次在莊勝礦業(yè)研究院幫助下，從秘魯中南部成礦地質(zhì)背景入手，利用GIS技術(shù)對地質(zhì)、物化探、遙感等數(shù)據(jù)進行分析提取，結(jié)合證據(jù)權(quán)法對該區(qū)有色金屬進行預(yù)測評價，為企業(yè)的快速選區(qū)勘探提供依據(jù)。

1 成礦地質(zhì)背景

研究區(qū)位于秘魯南部 Ayacucho、Ica、Apurimac、Arequipa等省區(qū)，屬于海岸基巖帶和西科迪勒拉火山活動帶。出露地層從元古宇到新生界全新統(tǒng)，較為完整。元古宇和中生界主要分布于海岸基巖帶，新生界碎屑巖地層大部分分布在西科迪勒拉褶皺帶上，接觸界線多為北西向。元古宇片麻巖、片巖地層位于海岸邊，殘片狀分布，面積狹小。侏羅系、白堊系的碎屑巖、碳酸鹽巖等分布在海岸平原帶和研究區(qū)最東邊。巖漿巖分布面積廣，西部主要是侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)的英云閃長巖、閃長巖、花崗閃長巖等中酸性侵入巖，中東部為新生代火山熔巖、角礫巖及部分花崗閃長巖小巖體。構(gòu)造帶主要為北西向，控制大部分地質(zhì)體展布，如Incapuquio-El Castillo、Falla El toro、Falla Shila 等大型斷層(Thierry et al.，2004)。北東向、東西向構(gòu)造為次級構(gòu)造，與成礦關(guān)系密切，如圖1。

本區(qū)金屬礦產(chǎn)資源豐富，據(jù)統(tǒng)計，已發(fā)現(xiàn)和開采的礦床(點)有四百多個，包括金、銀、銅、鉛、鋅、鉬、鐵等。根據(jù)礦化分布與地質(zhì)特征，研究區(qū)分為六大成礦帶:(1)中晚侏羅世金－銅－鐵礦化帶。主要受北西向Ica-Islay-Ilo斷層系控制。已知的礦床數(shù)量種類很多。主要礦化發(fā)生于165～160 Ma。(2)早白堊世的金－銅－鐵礦化帶。礦化發(fā)生主要受控于Chocolate組火山巖(115～112 Ma)和Casma盆地巖漿活動。Ica-Islay-Ilo斷層系及北東向次級斷層影響礦床分布。(3)早白堊世巖漿侵入有關(guān)的金－銅－鉛－鋅礦化帶。賦存于沿海巖基白堊紀(jì)花崗巖中。主要控礦斷裂為南北向、東西向和北西向。(4)晚侏羅世斑巖銅－鉬礦化帶。從秘魯南部向北延伸至Lancones盆地。成礦活動受晚白堊世海岸花崗巖控制。成礦構(gòu)造主要是北西向及南北向次級構(gòu)造。如 Incapuquio、Conchao-Cocachacra和Cinta-Lluta等斷層系控制大批礦化的發(fā)生。(5)始新世－中新世鉛－鋅礦化帶。賦礦圍巖為上三疊統(tǒng)－下侏羅統(tǒng)白云質(zhì)碳酸鹽巖層。礦化分布受西科迪勒拉褶皺帶和東科迪勒拉山過渡處的逆沖斷層，和北西向的Satipo-Pangoa-San Francisco斷層系控制。(6)始新世巖漿侵入相關(guān)的金－鉛－鋅－銅礦化帶。礦化包含南北向、東西向和北西－南東走向的石英－金－硫化物礦脈。礦脈成因和始新世的英云閃長巖、花崗閃長巖巖株的侵入有關(guān)，且位于西科迪勒拉山脈和沿海巖基的新生代火山巖區(qū)域的西部邊界上。主要控制構(gòu)造為 CintaLluta斷層(Megard，1987;Carlotto et al.，2005)。

圖1 秘魯中南部地質(zhì)略圖(據(jù)Instituto Geológico Minero Y Metalúrgico，2000資料修編)Fig.1 Geological map of the Central Southern Peru

2 證據(jù)權(quán)模型

證據(jù)權(quán)法是利用多源信息復(fù)合技術(shù)來進行成礦遠景區(qū)預(yù)測的一種地學(xué)統(tǒng)計方法。20世紀(jì)80年代，加拿大地質(zhì)數(shù)學(xué)家Bonham-Carter和Agterberg將其進行修改和發(fā)展，并開始應(yīng)用于多源成礦預(yù)測(Scott and Dimitrakopoulos，2001;劉曉玲和陳建平，2010;周寧等，2008)。

證據(jù)權(quán)法主要分三個步驟實施:(1)確定先驗概率:將研究區(qū)劃分為T個大小相等的網(wǎng)格單元，其中含已知礦點的單元個數(shù)D。P(D)=D/T稱為先驗概率。P屬于非條件概率，為常數(shù)，把P換算成先驗有利度(2)權(quán)重計算:成礦有利因素二元圖像中，某證據(jù)因子存在的網(wǎng)格單元數(shù)定為B，不存在的證據(jù)因子網(wǎng)格單元數(shù)為=T－B。圖中重疊的網(wǎng)格單元有B∩D、，則條件概率分別得到該證據(jù)因子的正負(fù)權(quán)重值為:W+=式中，W+和W－分別表示證據(jù)因子存在區(qū)域和不存在區(qū)域的權(quán)重系數(shù)值，對于原始數(shù)據(jù)缺失的區(qū)域，其權(quán)重值設(shè)為0。(3)得到后驗概率:通過之前對每個成礦有利因素進行檢驗確定，確定證據(jù)因子的條件獨立性。如果它們均能滿足該要求，則對于m個成礦有利因素即證據(jù)因子，其后驗有利度的對數(shù)值為:則后驗幾率為為證據(jù)因子存在與(+)否(－)的狀態(tài)表示，最后，得到后驗概率為

證據(jù)權(quán)法的預(yù)測成果是后驗概率圖，后驗概率P后驗反映了各個網(wǎng)格單元內(nèi)的找礦有利度，其變化與存在礦床的概率呈正相關(guān)關(guān)系，其大小可以作為圈定找礦遠景區(qū)的依據(jù)。

3 多源成礦信息提取

系統(tǒng)收集處理本區(qū)多源地學(xué)信息，包括區(qū)域地質(zhì)圖(1∶100萬，1∶10萬)、區(qū)域航磁數(shù)據(jù)(1∶10萬)、區(qū)域地球化學(xué)數(shù)據(jù)(1∶10萬)、遙感數(shù)據(jù)(ETM+)、礦床礦點數(shù)據(jù)等。

3.1 基礎(chǔ)地質(zhì)信息與成礦分析

運用GIS空間分析，尋找已知礦床(點)與各地質(zhì)因素的關(guān)系規(guī)律。

(1)已知礦床(點)賦存的地層包括:中元古界Costa組(PeB-gn)、寒武系Marcona組(∈-ms)、下侏羅統(tǒng)Chocolate組(Ji-vs)、中侏羅統(tǒng)Socosani組(Jmvs)、上侏羅統(tǒng)Guaneros組(Js-vs);上侏羅統(tǒng)到下白堊統(tǒng) Lagunillas組和Yura群(Jski-mc);下白堊統(tǒng)Murco群(Ki-mc)、下白堊統(tǒng)到上白堊統(tǒng)Casma群和Moho群(Kis-m、Kis-vs);古新統(tǒng) Puno群(Pp-c)、漸新統(tǒng)到中新統(tǒng)Tacaza群(PN-vs)、中新統(tǒng)Huaylillas組(Nm-v、Nm-vs)、中新統(tǒng)到上新統(tǒng) Moquegua組(Nmp-v)、上新統(tǒng)Maure群(Np-v)、上新統(tǒng)到更新統(tǒng)Barroso群(NQ-c、NQ-v)、更新統(tǒng) Yauri組(Qpl-m、Qplh-v)、全新統(tǒng) Andahua群(Qh-c)。

(2)侵入巖體與成礦:研究區(qū)36.8%的礦點直接分布于侵入巖體范圍內(nèi)，對侵入巖做緩沖區(qū)分析，當(dāng)緩沖半徑為1 km時，緩沖影響帶和已知礦床(點)的相關(guān)度C最大(表1)。

表1 礦床(點)與侵入巖不同半徑緩沖帶的相關(guān)程度表Table1 Correlation between deposits and intrusive rocks'radius buffers

(3)構(gòu)造因素與成礦:研究區(qū)斷裂的走向主要在111°～152°間，表現(xiàn)為一條北西向的線性體密集帶。對斷裂進行緩沖分析，以1 km的緩沖半徑間隔，當(dāng)半徑為11 km時，斷裂緩沖帶和已知礦床(點)的相關(guān)度最大。選擇半徑為11 km的斷裂緩沖帶為一證據(jù)因子。

此試驗使用“滴灌二銨”18-46-0水溶肥，“大量元素水溶肥”系列10-8-42+TE、水溶肥。在當(dāng)?shù)叵嗤寥?、環(huán)境和氣候條件下，通過與使用其它品牌水溶肥，在作物生長、產(chǎn)量提高及品質(zhì)改善方面進行了對比。為云天化“滴灌二銨”、“大量元素水溶肥”系列水溶肥在冬棗種植和在運城市場的推廣上提供相關(guān)依據(jù)。

(4)綜合地質(zhì)因素與成礦:地層組合熵斷裂構(gòu)造、巖體接觸帶、地層邊界等因素作用的度量;線性密度是空間上線性體密度分布的結(jié)構(gòu)特征和數(shù)據(jù)特征;中心對稱度可識別出等軸狀侵入體和火山機構(gòu)所特有的環(huán)狀、放射狀等局部構(gòu)造(陳建平等，2008)。選擇地層組合熵、線性密度、中心對稱度等3個綜合因素作為證據(jù)因子。

3.2 地球物理處理與成礦分析

研究區(qū)總磁測物理點有395359個，數(shù)據(jù)覆蓋率70%左右，比例尺為1∶10萬。采用低緯度化極處理方法，對航磁數(shù)據(jù)化磁極，與已知礦床(點)疊加(圖2)。

對比航磁化極異常與地質(zhì)特征，可將磁異常分成五類:(1)與古－新近紀(jì)陸相火山噴溢型礦化相關(guān):正負(fù)異常值突變差異大，正異常面積小。主要分布在Pausa、Puquio及Chuquibamba等區(qū)。(2)與古－新近紀(jì)火山巖類相關(guān):異常長軸北西向，異常值對稱性好，有較高異常值。主要分布于Cordova、Nazca、Puquio等區(qū)。(3)古－新近紀(jì)火山巖覆蓋區(qū)異常:走向北西，帶狀分布，正異常區(qū)帶寬，但形態(tài)不規(guī)則，多分枝、交錯，且正負(fù)異常對應(yīng)不明顯，異常值多不高。主要分布于Cordova、Nazca、Jaqui等區(qū)。(4)海岸基巖帶磁異常:走向北西、北東向的分枝或近北西向，受構(gòu)造控制。正負(fù)異常值對應(yīng)性不明顯，但異常值高，并有高值集中出現(xiàn)區(qū)。主要分布在Nazca、Chala、Chaparra等區(qū)。(5)巖體中熱液礦化相關(guān)異常:范圍大，異常值高但正負(fù)異常對應(yīng)不好，分布較普遍。

圖2 秘魯中南部航磁化極異常圖Fig.2 Aeromagnetic anomalies of the Central Southern Peru(reduction to the pole)

以間隔100 nT的不同等值線為閥值對航磁化極數(shù)據(jù)進行異常提取，以400 nT等值線以上為航磁異常時，異常區(qū)與已知礦床(點)分布相關(guān)度最大，選取其為一證據(jù)因子。

3.3 地球化學(xué)處理與成礦分析

選擇研究區(qū)內(nèi)地表化探 Au、Ag、Cu、Mo、Pb、Zn等六種元素進行單元素異常提取。異常下限的確定采用正態(tài)和對數(shù)正態(tài)的逐步截尾法(劉曉玲和陳建平，2010)。

區(qū)內(nèi)組合元素的確定，采用主成分因子法。對As、Cu、Co、Cr、Mo、Ni、Pb、Zn 元素進行了主成分因子分析，取特征值大于1的前3個主成分因子(三者累積方差貢獻值達到75%以上)作為最終的綜合因子，并對初始因子載荷矩陣用方差最大正交旋轉(zhuǎn)法進行正交旋轉(zhuǎn)，如表2和表3。8種元素可分為3個綜合因子，即3種地球化學(xué)元素給合:F1因子為As、Pb、Zn 組合;F2因子為 Cr、Mo、Ni組合;F3因子為 Co、Cu組合。

表2 主因子方差貢獻表Table2 Variance distribution of the principal factors

表3 主因子分析矩陣Table3 Principal factor analysis matrix

研究區(qū)組合元素異常分布見圖3。選擇Au、Ag、Mo、Cu、Pb、Zn 和元素組合 As-Pb-Zn、Cr-Mo-Ni、Co-Cu等9個化探異常變量作為有利證據(jù)層。

圖3 秘魯中南部組合元素異常Fig.3 Main element association anomalies in the Central Southern Peru

3.4 遙感圖像處理與成礦分析

采用ETM+影像作為遙感數(shù)據(jù)源，對研究區(qū)常與金屬礦產(chǎn)伴生的泥化、鐵染異常進行提取。波段比值 ETM3/ETM1可突出鐵染信息;波段比值ETM5/ETM4對含F(xiàn)e和高SiO2巖類有較好的增強作用;波段比值ETM5/ETM7主要突出與黏土化有關(guān)蝕變信息;比值ETM7/ETM1有利于氧化鐵帽信息的提取(張玉君等，2003;張國榮等，2010;王彪等，2011;趙小星等，2012)。經(jīng)過相關(guān)性分析，ETM3/ETM1(V1)、ETM5/ETM4(V2)、ETM5/ETM7(V3)和ETM7/ETM1(V4)四個波段的相關(guān)性較大，選擇這四個波段比值進行主成分分析，得到主成分分析向量矩陣表(表4)。

從表中可以看出，PC3中，|V1|＞|V2|＞|V4|＞ |V3|，V1的特征值高達 －0.88386，主要反映V1的鐵染信息;PC4中，V2和V3的特征值都比較大，主要反映硅化和黏土化的混合蝕變信息。選擇PC3提取鐵染信息，PC4提取硅化、黏土化混合蝕變信息，如圖4。

表4 主成分分析向量矩陣表Table4 The vector matrix of principal component analysis

金屬礦床的形成常伴隨強烈的熱液活動，發(fā)育面積不等的熱液蝕變，泥化、氧化鐵帽是比較常見的有用礦化指示蝕變。從遙感泥化、鐵染異常分布看，異?？傮w北西向、北北東向展布，位于異常內(nèi)的已知礦床(點)占78%以上。以異常1 km為緩沖帶分析，泥化異常緩沖帶中已知礦床(點)較鐵染多16.6%。遙感泥化、鐵染異常范圍內(nèi)成礦概率高，其中泥化異常區(qū)找礦前景優(yōu)于鐵染異常區(qū)。遙感鐵染信息和泥化信息作為兩個證據(jù)因子。

圖4 秘魯中南部遙感蝕變信息提取圖Fig.4 Alteration extracted from ETM data in the Central Southern Peru

表5 秘魯中南部各證據(jù)因子權(quán)重值Table5 Weights of evidence factors of the Central Southern Peru

4 基于證據(jù)權(quán)法的成礦條件權(quán)重分析

研究區(qū)找礦預(yù)測比例尺1∶1000000，以5 km×5 km的網(wǎng)格大小將研究區(qū)劃分網(wǎng)格單元2925個。根據(jù)證據(jù)權(quán)模型公式計算證據(jù)因子正負(fù)權(quán)重值和相關(guān)程度，結(jié)果見表5。

本次研究選擇相關(guān)程度C值大于0.4的證據(jù)層。經(jīng)過篩選，研究區(qū)證據(jù)權(quán)模型最終確定的證據(jù)因子共有22個。對這22個證據(jù)因子進行條件獨立性檢驗，在設(shè)定顯著性水平為0.05的條件下，它們基本上滿足條件獨立性。通過計算，研究區(qū)有單元數(shù)據(jù)2925個，其中有礦單元 260個，先驗概率0.088889，后驗概率最大值為 0.97，最小值為0.095。

由表5可見，侵入巖和白堊系、侏羅系、古近系與成礦關(guān)系密切;Au、Pb、Cu、Ag元素和元素組合As-Pb-Zn、Co-Cu與成礦較為相關(guān);遙感鐵染異常和航磁異常與成礦關(guān)系一般。

依據(jù)后驗概率圖(圖5)，整體成礦有利度呈北西向展布，已知礦床(點)有近78%位于后驗概率高值區(qū)，北西角遠景區(qū)集中約33%，北東角遠景區(qū)集中約18%，可見證據(jù)權(quán)后驗概率可預(yù)測找礦遠景的可靠性較高。依據(jù)高值分布，主要分四個找礦前景區(qū)域，北西角遠景區(qū)以與白堊紀(jì)巖漿侵入有關(guān)的金、銅、鉛、鋅、鐵找礦為主，南西遠景區(qū)以白堊紀(jì)巖漿巖區(qū)和侏羅紀(jì)火山－次火山巖區(qū)的銅、鉬、鐵找礦為主，南東遠景區(qū)主要尋找新生界覆蓋下的侏羅系斑巖型銅、鉬、金礦床，北東遠景區(qū)主要尋找與新生代巖漿活動和中生代碳酸鹽巖相關(guān)的金、鉛、鋅、銅等礦床。其中南部兩處遠景區(qū)形態(tài)彎曲，后驗概率高值多分布在礦點外圍，是已知礦區(qū)外延的有利找礦區(qū)。

5 結(jié)論

在對研究區(qū)原始資料搜集、處理、提取有用成礦信息后，利用基于GIS技術(shù)的證據(jù)權(quán)重法，對秘魯中南部金屬礦進行了成礦遠景區(qū)預(yù)測，結(jié)果可靠性高，達到快速確定找礦遠景區(qū)，為我國礦業(yè)單位境外快速占據(jù)資源靶區(qū)提供依據(jù)的目的。

(1)經(jīng)過礦點與多源地學(xué)數(shù)據(jù)之間的空間分析或成因分析，并經(jīng)過成礦相關(guān)度篩選，選擇22個有利成礦證據(jù)因子，計算后驗概率，其范圍為0.095～0.97，預(yù)測的四個成礦遠景區(qū)后驗概率均大于0.4，在遠景區(qū)中基本都有許多大中型礦床分布，預(yù)測結(jié)果較為可信。

(2)研究區(qū)侵入巖體和大型斷裂是主要的控礦因素。北西向構(gòu)造是主要的導(dǎo)礦構(gòu)造，北東、南北向次級構(gòu)造是主要的儲礦構(gòu)造。四個找礦遠景區(qū)內(nèi)均分布有中生代中酸性巖巖體，巖體與古近系、新近系火山沉積巖、白堊系碳酸鹽巖接觸部位是找礦重點區(qū)。

圖5 秘魯中南部成礦預(yù)測后驗概率圖Fig.5 Metallogenic prognosis posterior probability of the Central Southern Peru

(3)由于西科迪勒拉褶皺帶新生代火山活動強烈，覆蓋嚴(yán)重，化探、遙感、物探等方法技術(shù)應(yīng)用受到限制，造成該區(qū)后驗概率偏低。后續(xù)工作中，可以加大該地區(qū)淺覆蓋條件下的找礦技術(shù)研究。

致謝:衷心感謝中國地質(zhì)大學(xué)(北京)陳建平教授在百忙之中審閱本文并提出建設(shè)性修改意見和建議，使論文質(zhì)量和本人動手能力都有很大的提高。

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