基于GIS的多元信息成礦預(yù)測(cè)研究在湖南錳礦預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

胡　橋， 陳建平, 向　杰

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京100083； 2.北京市國(guó)土資源信息研究開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

基于GIS的多元信息成礦預(yù)測(cè)研究在湖南錳礦預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

胡橋1，2， 陳建平1，2, 向杰1，2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京100083； 2.北京市國(guó)土資源信息研究開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

摘要：應(yīng)用GIS技術(shù)并結(jié)合地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)、遙感等資料進(jìn)行綜合信息成礦預(yù)測(cè)是目前找礦的一個(gè)重要趨勢(shì)。以湖南省錳礦資源成礦預(yù)測(cè)研究為例,在總結(jié)區(qū)域成礦規(guī)律的基礎(chǔ)上,以地質(zhì)異常致礦理論為指導(dǎo),利用GIS平臺(tái)提取地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)等多元地質(zhì)找礦信息,采用證據(jù)權(quán)模型進(jìn)行多元找礦信息的綜合,對(duì)湖南省的有利成礦區(qū)進(jìn)行錳礦預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：錳礦；GIS；多元信息；成礦預(yù)測(cè)；湖南

doi:10.3969/j.issn.1674-3636.2015.03.462

中圖分類號(hào)：TP75;P618.32

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-3636(2015)03-0462-06

收稿日期：2015-06-12；修回日期：2015-07-21；編輯：蔣艷

基金項(xiàng)目：中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目“地質(zhì)勘查遙感系統(tǒng)集成與綜合應(yīng)用示范”(1212011120226)資助

作者簡(jiǎn)介：胡橋(1991—)，男，碩士研究生，地質(zhì)工程專業(yè)，研究方向?yàn)榈V產(chǎn)資源預(yù)測(cè)，E-mail：1208678953@qq.com

0引言

GIS技術(shù)的發(fā)展與成熟,為多元信息綜合成礦預(yù)測(cè)奠定了良好的基礎(chǔ)。在礦產(chǎn)資源預(yù)測(cè)過(guò)程中,通過(guò)地質(zhì)、物探、化探、遙感等局部異常的分析研究，為找礦信息成礦預(yù)測(cè)提供依據(jù)。以湖南省為例，根據(jù)收集的地、物、化、礦產(chǎn)資料,在研究區(qū)域成礦規(guī)律的基礎(chǔ)上,以地質(zhì)異常致礦(趙鵬大等,1995)、綜合信息礦產(chǎn)評(píng)價(jià)理論(王世稱等，2000)為指導(dǎo),利用GIS平臺(tái)開(kāi)展多元信息綜合成礦預(yù)測(cè)研究(陳建平等，2008a),為湖南區(qū)域礦產(chǎn)資源的進(jìn)一步勘探和開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1錳礦成礦條件分析

湖南是全國(guó)錳礦的重要產(chǎn)地之一，錳礦資源儲(chǔ)量大且分布廣泛。湖南錳礦產(chǎn)于多種地質(zhì)成礦年代，其中以震旦紀(jì)、奧陶紀(jì)、二疊紀(jì)和第四紀(jì)為主(祝壽泉，1999)。湖南地跨揚(yáng)子和華夏古陸塊，大致在文家市—永興—郴州一線形成1條俯沖碰撞型拼貼帶，其北西側(cè)屬于揚(yáng)子被動(dòng)陸緣，南東側(cè)為華夏陸塊活動(dòng)陸緣。省內(nèi)侵入巖發(fā)育，與鐵錳礦有關(guān)的巖體主要是燕山期花崗巖(祝壽泉，1999)，即侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)花崗巖?，旇绞借F錳礦是在沉積成巖時(shí)形成的礦源層，經(jīng)熱液疊加改造而富集成礦。

2異常信息提取

2.1　地層異常信息的提取

2.1.1含錳地層通常將含有錳礦或含錳巖石的地層稱之為“含錳巖系”，湖南與錳礦有關(guān)的地層主要是南華系大塘坡組(湘潭式錳礦)、奧陶系煙溪組(響桃園式錳礦)、二疊系孤峰組(東湘橋式錳礦)及泥盆系棋子橋組(瑪瑙山式鐵錳鉛鋅銀礦)(圖1)。

圖1　地層與錳礦點(diǎn)疊加圖Fig.1　Superposition of strata with manganese ore occurrences

2.1.2地層組合熵熵在統(tǒng)計(jì)學(xué)中作為各種隨機(jī)試驗(yàn)不肯定程度的度量，反映事物發(fā)生的不確定度。在地質(zhì)應(yīng)用中，地質(zhì)構(gòu)造特征越復(fù)雜，其不確定度越大，即熵值越高。地層組合熵的計(jì)算公式如下：

(1)

式(1)中，p為變量數(shù)，n為單元總數(shù)，xij為第i個(gè)單元第j個(gè)變量的取值(原始數(shù)據(jù))，對(duì)數(shù)log可以取自然對(duì)數(shù)或者以10為底的普通對(duì)數(shù)等。

統(tǒng)計(jì)不同地層組合熵值區(qū)間內(nèi)的礦點(diǎn)個(gè)數(shù)，落入地層組合熵值為[68,71]區(qū)間內(nèi)發(fā)熱礦點(diǎn)約占總體礦點(diǎn)數(shù)目的63.8%。因此選取地層組合熵區(qū)間[68,71]為錳礦成礦有利區(qū)間(圖2)。

圖2　地層組合熵與錳礦點(diǎn)疊加圖Fig.2　Superposition of stratigraphic combination entropy with manganese ore occurrences

2.1.3地層復(fù)雜度地層復(fù)雜度即地層種類數(shù)，是對(duì)研究區(qū)單元網(wǎng)格內(nèi)地層種類的統(tǒng)計(jì)。地層復(fù)雜度不但可以反映出區(qū)域大地構(gòu)造背景特征，而且還可以顯示出局部地層異常區(qū)段。

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，約占72.5%的礦點(diǎn)落在復(fù)雜度為30～40和50～60的區(qū)間。因此，選取礦床(點(diǎn))集中的區(qū)間[30,40]和[50,60]作為地層復(fù)雜度的異常區(qū)間(圖3)。

圖3　地層復(fù)雜度與錳礦床(點(diǎn))疊加圖Fig.3　Superposition of formation complexity with 　　manganese ore deposits (occurrences)

2.2　構(gòu)造信息的提取

2.2.1斷裂緩沖區(qū)湘西北地區(qū)建造已發(fā)生強(qiáng)烈的區(qū)域變質(zhì)，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，形成緊閉型褶皺和斷裂。對(duì)湖南地區(qū)的深大斷裂做5 km的緩沖區(qū)分析，再疊加礦床(點(diǎn))圖層(圖4)，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)約占65.7%的礦點(diǎn)散落在湖南深大斷裂的5 km緩沖區(qū)內(nèi)，說(shuō)明在斷裂一定距離之內(nèi)的范圍是錳礦形成的一個(gè)非常重要的控礦構(gòu)造因子。

圖4　錳礦床(點(diǎn))與深大斷裂構(gòu)造緩沖區(qū)疊加圖Fig.4　Superposition of manganese ore deposits (occurrences) with deep fault buffer

2.2.2構(gòu)造復(fù)雜度構(gòu)造復(fù)雜度是指單元網(wǎng)格中斷裂構(gòu)造的條數(shù)(不論方向)，反映區(qū)域線形構(gòu)造的復(fù)雜程度。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，起始值為0.625、1.875的區(qū)間賦存的錳礦床(點(diǎn))較多。因此選擇[0.563，0.750]和[1.688,1.875]區(qū)間的構(gòu)造復(fù)雜度作為錳礦形成的有利成礦因子(圖5)。

圖5　錳礦床(點(diǎn))與構(gòu)造復(fù)雜度疊加圖Fig.5　Superposition of manganese ore deposits (occurrences) with structural complexity

2.3　地球化學(xué)信息異常的提取

將湖南省內(nèi)的Mn元素化探異常圖與礦床(點(diǎn))圖作相交分析，發(fā)現(xiàn)約75%的礦點(diǎn)處在Mn元素化探異常的位置(圖6)，根據(jù)Mn元素確定的異常下限，進(jìn)行元素化學(xué)異常信息提取，選取其異常信息圖層作為成礦預(yù)測(cè)因子之一。

圖6　錳礦床(點(diǎn))與Mn元素異常疊加圖Fig.6　Superposition of manganese ore deposits (occurrences) with Mn elemental anomaly

2.4　地球物理信息的提取

2.4.1布格重力異常全省重力場(chǎng)以麻陽(yáng)—南縣—湘潭—衡陽(yáng)弧形重力值高尤為明顯，利用礦點(diǎn)與異常面文件進(jìn)行相交分析，將面文件異常值賦給礦點(diǎn)，然后按屬性統(tǒng)計(jì)礦點(diǎn)的個(gè)數(shù)累計(jì)，重力值在602×10-5～709×10-5m/s2的最有利于成礦(圖7)。

圖7　布格重力異常與礦床(點(diǎn))疊加圖Fig.7　Superposition of bouguer gravity anomaly with ore deposits (occurrences)

2.4.2剩余重力異常通過(guò)對(duì)已有錳礦點(diǎn)與上述布格重力場(chǎng)分布的耦合分析，重力值在29×10-5～342×10-5m/s2與2 853×10-5～3 167×10-5m/s2的區(qū)間最有利于成礦。利用礦點(diǎn)與異常面文件進(jìn)行相交分析，將面文件異常值賦給礦點(diǎn)，然后按屬性統(tǒng)計(jì)礦點(diǎn)的個(gè)數(shù)累計(jì)，圈定異常區(qū)間范圍，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，作出研究區(qū)的重力成礦有利異常區(qū)間(圖8)。

圖8　錳礦床(點(diǎn))與剩余重力異常疊加圖Fig.8　Superposition of manganese ore deposits (occurrences) with residual gravity anomaly

2.5　航磁異常信息提取

通過(guò)對(duì)已有錳礦點(diǎn)與航磁等值線的耦合分析，利用礦點(diǎn)與異常面文件進(jìn)行相交分析，將面文件異常值賦給礦點(diǎn)，然后按屬性統(tǒng)計(jì)礦點(diǎn)的個(gè)數(shù)累計(jì)，航磁異常值值在-35～80 nT與195～541 nT區(qū)間的礦點(diǎn)約占總數(shù)的82%，因此設(shè)定該航磁異常區(qū)間為圈定異常區(qū)間(圖9)。

圖9　航磁等值異常與礦點(diǎn)疊加圖Fig.9　Superposition of aeromagnetic anomaly with ore occurrences

3基于GIS的礦產(chǎn)資源預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)

運(yùn)用3S技術(shù)以及相應(yīng)的軟件作為平臺(tái)，在提取地質(zhì)、物探、化探基礎(chǔ)信息的基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法，分別建立、提取和篩選地層、構(gòu)造、重力、地球化學(xué)和遙感數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)成礦信息標(biāo)志(陳建平等,2005；葉天竺等,2007)，使用證據(jù)權(quán)重法(Agterberg et al,1993；Cheng et al,1999)進(jìn)行研究區(qū)成礦遠(yuǎn)景區(qū)定量預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)。

3.1　證據(jù)層的選擇

將礦床(點(diǎn))與各證據(jù)圖層疊加分析認(rèn)為，研究區(qū)內(nèi)錳礦形成的主要控礦因素取決于以下幾個(gè)方面。(1) 賦礦地層：大塘坡組(湘潭式錳礦)、奧陶系煙溪組(響桃園式錳礦)、二疊系孤峰組(東湘橋式錳礦)及泥盆系棋子橋組(瑪瑙山式鐵錳鉛鋅銀礦)；(2) 有利地層組合熵、有利地層復(fù)雜度等證據(jù)因子；(3) 線性構(gòu)造帶發(fā)育：斷裂緩沖區(qū)、構(gòu)造復(fù)雜度異常等證據(jù)因子；(4) 有利地球化學(xué)異常：Mn元素異常因子；(5) 有利地球物理異常：有利重力異常圈、有利航磁異常圈。

3.2　證據(jù)權(quán)法計(jì)算

3.2.1先驗(yàn)概率先驗(yàn)概率計(jì)算， 即根據(jù)已知礦點(diǎn)分布，計(jì)算各證據(jù)因子單位區(qū)域內(nèi)的成礦概率?？傊?，證據(jù)因子的先驗(yàn)概率估算是計(jì)算證據(jù)因子存在區(qū)域中的礦點(diǎn)像元、非礦點(diǎn)像元所占的百分比。

3.2.2權(quán)重對(duì)任一個(gè)證據(jù)因子二值圖像權(quán)重定義為:

(2)

(3)

式(2)、(3)中，W+、W-分別為證據(jù)因子存在區(qū)和不存在區(qū)的權(quán)重值，對(duì)于原始數(shù)據(jù)缺失區(qū)域權(quán)重值為0，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

用C表示證據(jù)層與礦床(點(diǎn))證據(jù)層的相關(guān)程度，C定義為：

C=W+-W-

(4)

表1　湖南省礦產(chǎn)資源預(yù)測(cè)證據(jù)因子權(quán)重值

3.2.3后驗(yàn)幾率證據(jù)權(quán)重法要求各證據(jù)因子之間相對(duì)于礦點(diǎn)分布滿足條件獨(dú)立。對(duì)于n個(gè)證據(jù)因子，若它們都關(guān)于礦點(diǎn)條件獨(dú)立，后驗(yàn)幾率對(duì)數(shù)為:

(j=1,2,3,…,n)

(5)

后驗(yàn)幾率表示為：

(6)

根據(jù)式(5)，后驗(yàn)概率為:

(7)

對(duì)于證據(jù)權(quán)，最終結(jié)果是以后驗(yàn)概率圖的形式表達(dá)的組合圖。證據(jù)權(quán)法的優(yōu)點(diǎn)在于權(quán)的解釋相對(duì)直觀，并能夠獨(dú)立確定，易于產(chǎn)生重現(xiàn)性。

3.2.4后驗(yàn)概率證據(jù)權(quán)法的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果是成礦后驗(yàn)概率圖(圖10)，其值在0～1之間，后驗(yàn)概率值的大小對(duì)應(yīng)著成礦概率的大小。

圖10　湖南省錳礦預(yù)測(cè)后驗(yàn)概率與錳礦床(點(diǎn))疊加圖Fig.10　Superposition of posterior probability with manganese ore deposits (occurrences)

4結(jié)論

以湖南省錳礦資源多元信息綜合預(yù)測(cè)為實(shí)例,論述多元綜合信息成礦預(yù)測(cè)的技術(shù)流程,取得了良好的預(yù)測(cè)效果。

(1) 在礦產(chǎn)預(yù)測(cè)中,利用計(jì)算機(jī)技術(shù)從地質(zhì)、物探、化探等多元信息中提取成礦信息,特別是利用物探資料對(duì)隱伏信息進(jìn)行反演與提取,在GIS平臺(tái)下進(jìn)行成礦信息關(guān)聯(lián)與綜合,能取得較好的預(yù)測(cè)效果,是未來(lái)礦產(chǎn)資源預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)工作發(fā)展的方向。

(2) 從錳礦預(yù)測(cè)后驗(yàn)概率與錳礦床(點(diǎn))疊加的最終結(jié)果來(lái)看，湖南具有良好的成礦潛力。有利區(qū)多位于大量已知礦床發(fā)育的地段或周圍區(qū)域,證明在已知礦區(qū)的外圍具有良好的找礦前景。

(3) 根據(jù)研究區(qū)內(nèi)錳礦成礦地質(zhì)條件、礦床地質(zhì)特征等，湖南省錳礦勘查的主攻類型應(yīng)以湘潭式(大塘坡組)、東湘橋式(孤峰組)、響濤源式(煙溪組)沉積型錳礦為主，瑪瑙山式沉積改造型錳礦為輔。

(4) 湘中—湘西南分布有前震旦系板溪群、震旦系、奧陶系和二疊系的含錳層位，并且已發(fā)現(xiàn)多處富錳礦床(點(diǎn))。因此，在湘潭、湘鄉(xiāng)、寧鄉(xiāng)、漣源、桃江一帶是尋找下震旦統(tǒng)蓮沱組(湘潭式)含錳巖系表生風(fēng)化錳帽型和淋濾型礦床的找礦區(qū)域。

(5) 湘南位于湘桂粵北海西印支坳陷的淺海陸棚局限盆地中,普遍沉積有二疊系含錳層位，同時(shí)有泥盆系和石炭系含錳層位。區(qū)內(nèi)燕山期火成巖及斷裂構(gòu)造十分發(fā)育,有利于熱液對(duì)含錳地層中錳及其他金屬的改造或富集。且對(duì)應(yīng)錳礦預(yù)測(cè)后驗(yàn)概率與錳礦床(點(diǎn))疊加圖可發(fā)現(xiàn)，湘南雖然存在大量已知礦床(點(diǎn))，但仍具有很大的找礦潛力。

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Application of multi-information metallogenic prediction based on GIS to manganese ore prediction in Hunan Province

HU Qiao1，2， CHEN Jian-ping1，2, XIANG Jie1，2

(1.School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083; 2.Key Laboratory of Land Resources Information Research & Development in Beijing， Beijing 100083， China)

Abstract：Application of the GIS technology combined with comprehensive geological, geophysical, geochemical and remote sensing information to do metallogenic prediction data is an important trend of the present prospecting. Taken the manganese ore prediction in Hunan as an example, the study used GIS platform to extract geological, geophysical and geochemical multivariate information, and utilized the weights of evidence modeling to integrate this comprehensive information to predict the favorable prospecting areas, based on the summary of regional metallogenic regularity and ore geological anomaly theory.

Keywords：manganese； GIS; multivariate information； metallogenic prediction； Hunan