基于GIS和證據權法的秘魯中南部成礦預測研究

席振，高光明，林騰

(中南大學地球科學與信息物理學院;中南大學莊勝礦業研究院，湖南長沙410083)

成礦預測是基于地質理論及科學方法，充分利用已有的地質、遙感、化探、物探等相關數據和資料，總結成礦條件和規律，指出未來有可能找到有經濟價值礦產產出的遠景區(盧作祥等，1989;呂鵬等，2011;陳建平等，2008)。成礦預測發展到今天，地理信息系統(GIS)的強大數據處理分析功能正在發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，礦產資源豐富。我國許多企業大力進軍國際礦產市場，秘魯作為礦業大國，吸引了很多公司的關注(陳遠望，2009)。在一個陌生區域，如何快速確定資源靶區，有效開展工作，站穩腳跟是一個難題。本次在莊勝礦業研究院幫助下，從秘魯中南部成礦地質背景入手，利用GIS技術對地質、物化探、遙感等數據進行分析提取，結合證據權法對該區有色金屬進行預測評價，為企業的快速選區勘探提供依據。

1 成礦地質背景

研究區位于秘魯南部 Ayacucho、Ica、Apurimac、Arequipa等省區，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，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最東邊。巖漿巖分布面積廣，西部主要是侏羅紀、白堊紀的英云閃長巖、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。構造帶主要為北西向，控制大部分地質體展布，如Incapuquio-El Castillo、Falla El toro、Falla Shila 等大型斷層(Thierry et al.，2004)。北東向、東西向構造為次級構造，與成礦關系密切，如圖1。

本區金屬礦產資源豐富，據統計，已發現和開采的礦床(點)有四百多個，包括金、銀、銅、鉛、鋅、鉬、鐵等。根據礦化分布與地質特征，研究區分為六大成礦帶:(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。已知的礦床數量種類很多。主要礦化發生于165～160 Ma。(2)早白堊世的金－銅－鐵礦化帶。礦化發生主要受控于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的金－銅－鉛－鋅礦化帶。賦存于沿海巖基白堊紀花崗巖中。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。成礦構造主要是北西向及南北向次級構造。如 Incapuquio、Conchao-Cocachacra和Cinta-Lluta等斷層系控制大批礦化的發生。(5)始新世－中新世鉛－鋅礦化帶。賦礦圍巖為上三疊統－下侏羅統白云質碳酸鹽巖層。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，且位于西科迪勒拉山脈和沿海巖基的新生代火山巖區域的西部邊界上。主要控制構造為 CintaLluta斷層(Megard，1987;Carlotto et al.，2005)。

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

2 證據權模型

證據權法是利用多源信息復合技術來進行成礦遠景區預測的一種地學統計方法。20世紀80年代，加拿大地質數學家Bonham-Carter和Agterberg將其進行修改和發展，并開始應用于多源成礦預測(Scott and Dimitrakopoulos，2001;劉曉玲和陳建平，2010;周寧等，2008)。

證據權法主要分三個步驟實施:(1)確定先驗概率:將研究區劃分為T個大小相等的網格單元，其中含已知礦點的單元個數D。P(D)=D/T稱為先驗概率。P屬于非條件概率，為常數，把P換算成先驗有利度(2)權重計算:成礦有利因素二元圖像中，某證據因子存在的網格單元數定為B，不存在的證據因子網格單元數為=T－B。圖中重疊的網格單元有B∩D、，則條件概率分別得到該證據因子的正負權重值為:W+=式中，W+和W－分別表示證據因子存在區域和不存在區域的權重系數值，對于原始數據缺失的區域，其權重值設為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因子，其后驗有利度的對數值為:則后驗幾率為為證據因子存在與(+)否(－)的狀態表示，最后，得到后驗概率為

證據權法的預測成果是后驗概率圖，后驗概率P后驗反映了各個網格單元內的找礦有利度，其變化與存在礦床的概率呈正相關關系，其大小可以作為圈定找礦遠景區的依據。

3 多源成礦信息提取

系統收集處理本區多源地學信息，包括區域地質圖(1∶100萬，1∶10萬)、區域航磁數據(1∶10萬)、區域地球化學數據(1∶10萬)、遙感數據(ETM+)、礦床礦點數據等。

3.1 基礎地質信息與成礦分析

運用GIS空間分析，尋找已知礦床(點)與各地質因素的關系規律。

(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Chocolate組(Ji-vs)、中侏羅統Socosani組(Jmvs)、上侏羅統Guaneros組(Js-vs);上侏羅統到下白堊統 Lagunillas組和Yura群(Jski-mc);下白堊統Murco群(Ki-mc)、下白堊統到上白堊統Casma群和Moho群(Kis-m、Kis-vs);古新統 Puno群(Pp-c)、漸新統到中新統Tacaza群(PN-vs)、中新統Huaylillas組(Nm-v、Nm-vs)、中新統到上新統 Moquegua組(Nmp-v)、上新統Maure群(Np-v)、上新統到更新統Barroso群(NQ-c、NQ-v)、更新統 Yauri組(Qpl-m、Qplh-v)、全新統 Andahua群(Qh-c)。

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

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

(3)構造因素與成礦:研究區斷裂的走向主要在111°～152°間，表現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，當半徑為11 km時，斷裂緩沖帶和已知礦床(點)的相關度最大。選擇半徑為11 km的斷裂緩沖帶為一證據因子。

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。在當地相同土壤、環境和氣候條件下，通過與使用其它品牌水溶肥，在作物生長、產量提高及品質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依據。

(4)綜合地質因素與成礦:地層組合熵斷裂構造、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構特征和數據特征;中心對稱度可識別出等軸狀侵入體和火山機構所特有的環狀、放射狀等局部構造(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因子。

3.2 地球物理處理與成礦分析

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

對比航磁化極異常與地質特征，可將磁異常分成五類:(1)與古－新近紀陸相火山噴溢型礦化相關:正負異常值突變差異大，正異常面積小。主要分布在Pausa、Puquio及Chuquibamba等區。(2)與古－新近紀火山巖類相關: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。(3)古－新近紀火山巖覆蓋區異常:走向北西，帶狀分布，正異常區帶寬，但形態不規則，多分枝、交錯，且正負異常對應不明顯，異常值多不高。主要分布于Cordova、Nazca、Jaqui等區。(4)海岸基巖帶磁異常:走向北西、北東向的分枝或近北西向，受構造控制。正負異常值對應性不明顯，但異常值高，并有高值集中出現區。主要分布在Nazca、Chala、Chaparra等區。(5)巖體中熱液礦化相關異常:范圍大，異常值高但正負異常對應不好，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據進行異常提取，以400 nT等值線以上為航磁異常時，異常區與已知礦床(點)分布相關度最大，選取其為一證據因子。

3.3 地球化學處理與成礦分析

選擇研究區內地表化探 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和對數正態的逐步截尾法(劉曉玲和陳建平，2010)。

區內組合元素的確定，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法進行正交旋轉，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+影像作為遙感數據源，對研究區常與金屬礦產伴生的泥化、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Fe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)。經過相關性分析，ETM3/ETM1(V1)、ETM5/ETM4(V2)、ETM5/ETM7(V3)和ETM7/ETM1(V4)四個波段的相關性較大，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，異常總體北西向、北北東向展布，位于異常內的已知礦床(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、鐵染異常范圍內成礦概率高，其中泥化異常區找礦前景優于鐵染異常區。遙感鐵染信息和泥化信息作為兩個證據因子。

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 秘魯中南部各證據因子權重值Table5 Weights of evidence factors of the Central Southern Peru

4 基于證據權法的成礦條件權重分析

研究區找礦預測比例尺1∶1000000，以5 km×5 km的網格大小將研究區劃分網格單元2925個。根據證據權模型公式計算證據因子正負權重值和相關程度，結果見表5。

本次研究選擇相關程度C值大于0.4的證據層。經過篩選，研究區證據權模型最終確定的證據因子共有22個。對這22個證據因子進行條件獨立性檢驗，在設定顯著性水平為0.05的條件下，它們基本上滿足條件獨立性。通過計算，研究區有單元數據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;遙感鐵染異常和航磁異常與成礦關系一般。

依據后驗概率圖(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，北西角遠景區集中約33%，北東角遠景區集中約18%，可見證據權后驗概率可預測找礦遠景的可靠性較高。依據高值分布，主要分四個找礦前景區域，北西角遠景區以與白堊紀巖漿侵入有關的金、銅、鉛、鋅、鐵找礦為主，南西遠景區以白堊紀巖漿巖區和侏羅紀火山－次火山巖區的銅、鉬、鐵找礦為主，南東遠景區主要尋找新生界覆蓋下的侏羅系斑巖型銅、鉬、金礦床，北東遠景區主要尋找與新生代巖漿活動和中生代碳酸鹽巖相關的金、鉛、鋅、銅等礦床。其中南部兩處遠景區形態彎曲，后驗概率高值多分布在礦點外圍，是已知礦區外延的有利找礦區。

5 結論

在對研究區原始資料搜集、處理、提取有用成礦信息后，利用基于GIS技術的證據權重法，對秘魯中南部金屬礦進行了成礦遠景區預測，結果可靠性高，達到快速確定找礦遠景區，為我國礦業單位境外快速占據資源靶區提供依據的目的。

(1)經過礦點與多源地學數據之間的空間分析或成因分析，并經過成礦相關度篩選，選擇22個有利成礦證據因子，計算后驗概率，其范圍為0.095～0.97，預測的四個成礦遠景區后驗概率均大于0.4，在遠景區中基本都有許多大中型礦床分布，預測結果較為可信。

(2)研究區侵入巖體和大型斷裂是主要的控礦因素。北西向構造是主要的導礦構造，北東、南北向次級構造是主要的儲礦構造。四個找礦遠景區內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。

圖5 秘魯中南部成礦預測后驗概率圖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，覆蓋嚴重，化探、遙感、物探等方法技術應用受到限制，造成該區后驗概率偏低。后續工作中，可以加大該地區淺覆蓋條件下的找礦技術研究。

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

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