基于MORPAS的敖漢旗林家地金多金屬成礦遠景區預測

趙志偉，劉銳，藺鵬飛，郭永強，丁園，孫國勝

(1.核工業二四三大隊， 內蒙古 赤峰 024000； 2.吉林大學， 吉林 長春 130015)

0 引言

隨著GIS技術的不斷發展，成礦遠景區的定量預測也成為眾多學者研究的熱點之一(聶焱和王明慧，1998；劉馳，1999；梁樹鵬，2012)。實現不同級別數據信息的分析和有效融合，進而提取出找礦有利信息往往是成礦遠景區的預測工作中的重點和難點之一(丁衛平和余先川，2012；沈鈺超，2015)。

基于GIS的多源信息的綜合評價是目前地質領域中的重要發展趨勢，并且在眾多地質災害(蔡益文，2019；彭九慧等，2019)及礦產資源評價中(吳恩政，2014)不斷發揮著重要作用。國內外學者基于GIS理論也在不同的領域有著成功的應用，并在此基礎上研發出了針對解決不同地質信息融合的軟件，如國外的ArcSDM及GeoDAS等系統，國內的MORPAS、MRAS以及綜合信息礦產預測系統KCYC等。此外，基于GIS的信息綜合方法也在地質領域得以成功應用。如在成礦預測中，李堃等(2009)基于MORPAS平臺，使用特征分析法完成了對個舊西區錫多金屬礦的遠景區預測，并成功完成了成礦遠景區的圈定。為更好融合各類地學信息，有學者基于多元統計分析，提出了使用證據權法(Bonham-Carter et al.,1989；Agterberg et al.,1990)對目標礦種進行評價和預測，該方法基于現代成礦理論，并且以地質、物探、化探以及遙感等數據為基礎，應用了統計相關性分析方法分析各圖層的權重，從而有效提取有利成礦的相關信息作為證據圖層，定量地評價地質因素和找礦標志對成礦作用的影響大小，通過計算成礦后驗概率，完成對成礦有利部位的圈定(Chen，2004；Chen et al.，2008)。隨著該方法在MORPAS軟件中實現了成功集成，國內一些學者基于MORPAS平臺并利用證據權法快速有效的提取了目標礦種，并成功圈定成礦靶區(胡鵬等，2009；聶明和王功文，2014；楊吉波，2014)。

隨著內蒙古敖漢旗林家地地區地質調查工作的不斷深入，種種調查結果表明：該區域的金多金屬礦主要位于太古界建平群地層中(單子凌等，2020)，并且區域內發生強烈的構造—巖漿活動，從而造成含礦熱液大量侵入和富集，因此該金屬礦同時受構造的控制(范景遠，2019；高麗曄等，2019)。此外，該區域金多金屬礦點的分布與化探異常有著較好的套合，并且遙感蝕變信息在研究區有著很好的指示。因此，地質構造等證據因子使得基于證據權法實現該區域的成礦遠景區預測成為可能。本文在充分分析了地層、斷裂、地球物理、地球化學以及遙感蝕變信息等找礦有利信息的基礎上，篩選出成礦有利的證據圖層，并基于MORPAS平臺使用證據權方法完成對研究區成礦遠景區的預測，成功圈定了找礦預測靶區，同時對各圈定靶區基于實際地質情況進行了評價，該結果可為研究區進一步找礦工作提供一定的技術支持。

1 研究區概況

研究區位于赤峰市東約120 km，大地構造位置位于華北地臺北部和興蒙造山帶的交匯處。中太古界烏拉山巖群和新太古界變質深成巖組成了該區內地臺結晶基底，蓋層建造則由長城系、石炭系和侏羅系陸相碎屑巖以及廣泛分布的中酸性火山巖等組成(吳繼紅，2017；邱學祥和張慶新，2020)。

研究區出露地層從老到新依次為：太古界建平群小塔子溝組、太古界建平群大營子組、長城系常州溝組、石炭系酒局子組、侏羅系北票組、侏羅系藍旗組、白堊系義縣組、第四系更新統以及全新統。此外，研究區內巖漿巖主要有花崗斑巖、石英斑巖、石英二長斑巖、正長斑巖、黑云母斑巖、閃長巖、花崗巖等(張寶印和馮勇達，2020)(圖1)。由于復雜的地質作用，區內的部分巖石經歷了多次的變形和變質等改造，局部變質程度可達到麻粒巖巖相，但其界線與圍巖接觸仍較為清晰。區域內構造較為復雜，主要包括褶皺、斷裂、盆地以及火山構造等。斷裂發育主要有NW、NE和EW向(李偉等，2016)，并且總體處于長期活動狀態，相互之間切割和制約。中生代火山盆地和侵入巖的空間展布狀態則受多組斷裂交匯部位的控制，這也在一定程度上為多種金屬的成礦提供了有利條件。

2 證據權法原理

(1)

(2)

(3)

圖1 敖漢旗林家地地區地質簡圖(據核工業二四三大隊，2013①修改)

式(3)中，P(D|X)表示單元中含礦的后驗概率，F為證據權和。將分別賦以不同權值的地質變量在GIS環境下進行空間疊加和綜合分析，生成具有不同含礦后驗概率的成礦潛力預測圖，該定量分析結果可以在一定程度上反映不同含礦潛力分區在空間上的分布，從而為進一步的詳細勘查工作提供區域上的超前預測與評價(王全明和方一平，2000；申維等，2014)。

3 成礦遠景區預測

3.1 網格單元化

為了更好地對各證據圖層進行分析，將各圖層進行網格化處理，從而實現數學統計模型和綜合信息概念模型的融合和變換。結合研究區已有的地質資料，本次用于證據圖層的空間尺度大小為1∶5萬，綜合研究區內斷層等構造實際發育情況，將研究區內的網格劃分為500 m×500 m大小，網格單元數為9918個，其中有礦單元為20個，因此劃分單元中有礦的先驗概率為20/9918=0.0020165。

3.2 預測變量的選取及賦值

在進行成礦預測時，需綜合統計單元中的成礦特征而選取合理的預測變量。為建立研究區綜合找礦模型，篩選出地質變量、地球物理變量、地球化學變量以及遙感變量等(陳永清和劉紅光，2001)四個方面的成礦預測變量，從而使得綜合預測模型的建立更加合理和可靠。基于MORPAS平臺，使用地質異常與信息綜合模塊對各預測變量進行處理，主要處理步驟如圖2所示。

由圖2可知，對于斷層等線文件圖層分析時，主要對其條數、方位熵、等密度以及優益度等進行統計和計算；對于地層以及化探異常等面狀圖層，通過計算單位礦產當量(矯東風等，2005)來選取成礦有利度面圖層。針對不同規模儲量，其單位礦產當量計算公式如下：

(4)

式(4)中，KN表示單位礦產當量(km-2)，N為研究區內礦產當量總數(個)，S表示含礦地層地表出露面積(km2)，Ni表示研究區內不同礦產儲量規模(大/中/小)，Cj=10,5,2,1分別表示大型、中型、小型以及礦點等不同礦產儲量規模所對應的權系數。

針對內蒙古敖漢旗林家地地區已有地質資料，分析其與礦產之間的賦存關系，從而選取以下5個證據圖層進行找礦有利度分析。

3.2.1 地層及巖體變量找礦有利度分析

研究地層或巖體與礦點的空間關系時，需進行點面空間分析，建立礦點與地層或巖層的空間疊加關系，從而獲取到含有礦點的地層面文件，并對提取的地層面文件進行統計和檢索，從而更好地判斷成礦最有利地層。通過對含礦地層的礦產當量以及單位面積礦產當量進行計算和統計可知(表1)，內蒙古敖漢旗林家地地區主要成礦有利地層為建平群小塔子溝組以及二長花崗巖巖體，其他地層及巖體則無明顯控礦作用。

3.2.2 斷裂找礦有利度分析

該研究區內斷裂構造發育程度較高，并且對成礦有著不同程度的影響。通過斷層線文件與礦點之間做點線分析，判定礦點與斷層之間的鄰近關系，確定出斷層的最佳影響范圍，從而建立斷層最佳控礦緩沖區。由圖3可知，隨著礦點與斷層距離的增加，礦點數目也在相應的減少，當距離大于463.95 m左右時，礦點的數目與斷層之間已經無明顯關系，因此設置463.95 m為斷層緩沖區最佳半徑，并由此生成斷層緩沖區面文件。

圖2 綜合模型中各預測變量處理流程圖

表1 敖漢旗林家地地區含礦地層及巖體參數統計表

圖3 礦點與斷層鄰近關系統計圖

此外，為了保證證據因子的獨立性以及證據因子的合理性，本文使用地質復雜度來綜合表征地層組合熵以及斷層條數。其公式如下：

GS=(1+LNi)×LEi

(5)

式(5)中，GS為地質復雜度，LNi為斷層條數，LEi為地層組合熵。

通過統計地質復雜度與礦點之間的關系(圖4)可知，地質復雜度低于213.76時其與礦點有著較強的關系,因此地質復雜度的閾值設置為213.76。

圖4 礦點與地質復雜度統計圖

由于研究區內斷裂構造主要有EW、NE、SN以及NW向四組，它們對于區內的多金屬礦種有著不同的控礦作用，為了更加全面表征斷層構造，本文同時考慮了斷層等密度、方位熵、中心對稱度等證據因子。

3.2.3 地球物理找礦有利度分析

研究區的地球物理資料主要為航磁測量結果。通過分析航磁異常與礦點的空間分布關系，從而能夠更加系統地建立起航磁異常與找礦的關系。由圖5可知，研究區內磁場總體為跳動型，等值線主要表現為正負磁場相間分布，空間形態展示無明顯規律。磁場的跳動較為頻繁，一般在-250～250 nT之間跳動，且無明顯的空間方位跳動趨勢。局部存在一處最高值和兩處最低值，最高點磁場可達1000 nT，主要分布于金廠溝梁鎮附近；最低點磁場低至 -500 nT，主要分布于北牛夕河屯和馮家杖子之間地帶。以西北溝—金廠溝梁鎮為界，北部區域總體以負磁場為背景，其中夾雜正磁異常，形態較好及規模較大的正磁異常有三處，分別位于西北溝—官營子—窖溝、金廠溝梁和大東營子地區；南部區域以正磁場為背景，其中夾雜多處負磁異常。

3.2.4 地球化學找礦有利度分析

證據權法要求有益證據因子盡可能多的情況下，變量之間也要滿足條件獨立性原則。因此本文對內蒙古敖漢旗林家地地區已有15種1∶5萬水系沉積物測量樣品元素含量進行分析時，在保證研究Au元素異常的同時，同樣也考慮到其他元素的相關性。為了更加直觀看出Au元素與其他元素直接的關系，根據各元素之間相關系數做出各元素之間的聚類譜系圖(圖6)。該圖中，Au元素與Sb、Ag、Hg、Cu、W分為一組，W與其他幾組元素之間相關性較弱，因此不參與計算，但由于Sb、Ag、Hg之間的相關性較強，因此無法同時作為證據圖層。為了更好地利用已有信息，將三者使用主成分分析方法進行信息綜合。通過計算，三者第一組分貢獻率為82.3%，超過80%，因此選用第一主成分作為三者的綜合信息。綜上，選用Au元素異常，Cu元素異常以及PC1(Sb-Ag-Hg)作為證據圖層，既充分利用了已有資料，又保證了證據圖層間盡可能獨立。考慮到地球化學元素異常的非線性問題，本文使用元素含量—面積分形模型(C-A模型)(楊浩等，2015)完成三種異常下限的圈定，圈定的下限分別為5.75、25.41以及0.62，從而使得圈定的結果兼顧到地球化學元素含量的頻率分布的同時，又考慮到地球化學元素之間的空間關系。

圖5 敖漢旗林家地地區航磁(ΔΤ)異常平面圖

圖6 敖漢旗林家地地區水系沉積物Pearson系數聚類譜系圖

3.2.5 遙感找礦有利度分析

由于研究區內金礦主要是熱液型礦床，并且經過查證主要礦化蝕變有：硅化、絹云巖化、鉀化、綠簾石化和綠泥石化等，這使得通過遙感影像提取蝕變信息成為可能。本文使用Landsat8拍攝的遙感影像完成對研究區內蝕變信息的提取，影像拍攝時間為2013年11月22日，云量0.01%，并已完成原始影像的幾何校正、圖像融合、正射校正、大氣校正、裁剪、植被以及水體掩膜等預處理操作。為了使得提取結果更為準確和高效，本文采用主成分分析法(茹菲娜·阿力木江等，2022)完成對研究區內的羥基和鐵染等蝕變信息的提取。

(1)羥基和鐵染蝕變信息的提取：利用主成分分析法提取研究區的羥基蝕變異常信息，根據羥基波譜特征，選取B2、B5、B6、B7四個波段進行主成分分析提取羥基蝕變異常。再根據羥基蝕變礦物的主分量判斷標準(Crósta et al.，2003)，即B5和B7貢獻系數應與B6相反。由表2可知，PC4滿足含蝕變異常信息主分量，因此選擇PC4提取羥基蝕變異常信息。同理，根據鐵染波譜特征，選取B2、B4、B5、B6四個波段進行主成分分析提取鐵染蝕變異常。再根據鐵染主分量判斷標準(Crósta et al.，2003)，B2和B5貢獻系數應與B4相反。由表2可知，PC3滿足含蝕變異常信息主分量，因此選擇PC3提取鐵染蝕變異常信息。

(2)蝕變異常分級：為了充分考慮統計單元的頻率以及空間分布關系，使用含量—面積分形模型(C-A分形模型)(鄭玉燕，2019)實現其蝕變異常的分級。這充分考慮到了地質過程的非線性以及蝕變信息分布的自相似性，從而能夠更好地分離背景，突出蝕變異常信息，蝕變信息提取結果見圖7。

根據提取出的遙感蝕變信息，結合研究區實際地質情況進行研究區異常區域的圈定。圈定的原則為：(1)多方向斷裂交匯部位或斷裂構造集中區；

圖7 敖漢旗林家地地區蝕變信息提取結果圖1—一級羥基異常；2—二級羥基異常；3—一級鐵染異常；4—二級鐵染異常；5—異常圈定及編號；6—研究區邊界

(2)環形構造集中分布區；(3)有與礦化蝕變有關的遙感羥基異常或鐵染異常，即成礦有利地層分布區域。綜合以上三點共圈定出8處研究區蝕變異常區(圖7)。

3.3 證據權法找礦模型

在MORPAS系統中，采用證據權重法對模型單元的數據矩陣進行了計算，確定了對找礦有利證據圖層的權系數(表3)，據此建立了內蒙古敖漢旗林家地地區的綜合找礦模型。在表3中，變量權系數的大小是表征與其有關的礦化強弱的指標，權系數越大，該預測變量定義的地質因素在成礦過程中的作用也就越大。

表2 蝕變信息主成分特征向量矩陣

表3 蝕變信息主成分特征向量矩陣

3.4 成礦遠景區的圈定及驗證

根據研究區每個網格單元的金多金屬礦后驗概率所生成的等值線做出了內蒙古敖漢旗林家地地區成礦潛力預測圖(圖8)。根據研究區綜合證據權等值線的后驗概率大小，選取了后驗概率為0.8和0.6分別作為一級成礦遠景區和二級成礦遠景區的閾值，并分別圈定出了一級和二級成礦遠景15個和17個。各成礦遠景區圈定的位置、地層或巖體、斷裂發育情況以及找礦遠景的潛力評價等統計見表4。

根據已有的地球化學資料，金多金屬元素在區域的空間分布上具有一致性，水系沉積物中的Au高值區分布與新太古界變質巖老地層的分布基本一致，褶皺斷裂構造發育地段表現最為明顯。因此對表4中一級遠景區潛力評價時，在太古界變質巖地層以及斷裂發育的地方認為其具有較好的找礦前景。此外，I-G圈定在全新統砂質地層中，并且該區域并無斷裂等構造的發育，雖然伴隨著較好的化探異常，這可能與現代河流沖積形成的沉積物有關，因此認為該區域的找礦前景一般。

二級遠景區的圈定標準與一級遠景區相似，但其在后驗概率上低于一級遠景區。根據金多金屬的發育與新太古界變質巖老地層的分布基本一致，并且褶皺斷裂構造發育地段表現最為明顯的標準，圈定了成礦遠景區并對其進行評價。由表4可知，對于圈定在變質巖中的各成礦遠景區，若無斷裂等構造發育，即認為金多金屬元素無明顯運移通道，則認為該區域的找礦前景一般。

研究區內已知金礦點共20處，其中有13處落入所圈定的遠景區內，共占總礦點的65%，超過一半以上的落在了一級遠景區內，從而表明本次證據圖層的選擇是合理的，結果是可靠的，因此可以為進一步的找礦工作提供參考依據。

此外，仍然有7個礦點未落入遠景區內，可能是因為這幾個礦點規模較小，從而導致找礦標志不明顯，但這些礦點仍落在圈定的成礦遠景區附近。表明這些礦點的附近也是良好的找礦靶區，這些靶區仍具有較大的找礦前景。

4 結論

(1)在內蒙古敖漢旗林家地地區基于GIS建立了金多金屬礦綜合信息找礦模型，融合了地質、地球物理、地球化學以及遙感等方面的要素，實現了該地區從地質找礦定性模型到定量模型的轉換，從而在一定程度上提高了該地區成礦預測的效率。

(2)對地質、地球物理、地球化學以及遙感等方面的找礦有利度分別進行了分析，并且建立地球化學以及遙感蝕變信息綜合證據圖層時，在充分考慮各證據獨立的前提下，引入了含量—面積分形模型(C-A模型)用于地球化學元素異常以及遙感蝕變信息的劃分，使得結果更加準確，從而在建立證據圖層時更加合理和可靠。

(3)基于MORPAS軟件，利用證據權法對內蒙古敖漢旗林家地地區進行了成礦遠景區預測，圈定了大小不一的15個一級和17個二級遠景區，并且超過一半礦點落入圈定的遠景區內，證明了該方法的合理性和可靠性。同時在圈定的幾個較大的遠景區中，金廠梁溝鎮(I-L)、馬家溝—盧家地一帶(I-M)以及貝子府公社—社力虎(I-B、I-C、I-F、I-I、I-J)等地附近具有較大的找礦前景。

圖8 敖漢旗林家地地區成礦潛力預測圖

表4 敖漢旗林家地地區I—II級遠景區統計表

續表4

注 釋

① 核工業二四三大隊. 2013. 內蒙古敖漢旗林家地等五幅1∶5萬區域礦產地質調查報告[R].