張權(quán)平，陳建平，胡　彬，朱月琴

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；2.北京市國土資源信息開發(fā)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國地質(zhì)大學(xué)(北京))，北京 100083；3.國土資源部地質(zhì)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037；4.中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心，北京 100037)

礦產(chǎn)資源預(yù)測一直是國內(nèi)外數(shù)學(xué)地質(zhì)科學(xué)研究的前沿問題，也是世界上其他國家實(shí)現(xiàn)找礦突破及礦產(chǎn)資源潛力評價的重要內(nèi)容，更是實(shí)施科學(xué)找礦勘探的重要途徑和方法[1]。隨著高新技術(shù)的高速發(fā)展，礦產(chǎn)資源預(yù)測進(jìn)入了新階段，利用計(jì)算機(jī)建模技術(shù)和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行隱伏礦體三維預(yù)測成為礦產(chǎn)勘查領(lǐng)域的主流趨勢[2]，三維地質(zhì)建模技術(shù)的發(fā)展，為海量化的地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)提供了可視化平臺，得到了學(xué)術(shù)界的廣泛研究與認(rèn)可[3-4]。陳建平等[5]提出了基于三維可視化技術(shù)的“立方體預(yù)測模型”找礦方法，并在山東焦家、云南個舊等地取得了很好的應(yīng)用效果[6-7]；楊帆等[8]、賈文娟等[9]利用自主研發(fā)的預(yù)測軟件GeoCube在河南欒川等地進(jìn)行三維預(yù)測；毛先成等[10-13]提出了基于三維地質(zhì)建模和三維空間分析的深部隱伏礦體三維預(yù)測方法與技術(shù)框架并在福建丁家山鉛鋅礦、甘肅金川銅鎳礦等地的深部找礦預(yù)測工作中取得良好效果。

本次研究以成熟的三維地質(zhì)可視化軟件Surpac為平臺，在地質(zhì)異常理論指導(dǎo)下，構(gòu)建三維地質(zhì)可視化模型，提取有利控礦要素，建立山西渾源羅框礦區(qū)找礦預(yù)測模型，采用模糊證據(jù)權(quán)方法對研究區(qū)進(jìn)行成礦遠(yuǎn)景區(qū)圈定，在此基礎(chǔ)上利用找礦信息量法劃分預(yù)測區(qū)，評價找礦概率，為下一步的勘查工作指出方向。

1　研究區(qū)地質(zhì)背景

山西渾源張旺礦區(qū)處于呂梁-太行斷塊的五臺塊隆之恒山-五臺山穹狀隆起北緣，陰山構(gòu)造帶以南，太行-燕山造山帶中段北西側(cè)[14]，受東西向燕山造山作用和太行山造山運(yùn)動的雙重影響[15]，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，巖漿活動強(qiáng)烈，巖漿巖分布廣泛，為內(nèi)生金屬礦產(chǎn)的形成創(chuàng)造了有利條件，并形成了以金礦、銀礦為主的堯峪、張旺多金屬礦成礦區(qū)，成礦地質(zhì)條件有利。

圖1　羅框地區(qū)地質(zhì)圖

研究區(qū)內(nèi)斷裂以北西-北北西向斷裂為主，傾向南西或北東，斷裂帶內(nèi)可見高嶺土化、綠泥石化及褐鐵礦化，已探明礦體產(chǎn)于斷裂帶附近，斷裂控礦因素明顯。變輝綠巖呈巖墻狀產(chǎn)出，南北向貫穿羅框研究區(qū)，受斷裂控制明顯。霏細(xì)巖接近貫穿于羅框研究區(qū)，走向南東呈脈狀侵入到灰色片麻巖中，同時切穿走向北西的變輝綠巖墻，在空間上與礦體產(chǎn)出位置有很大的關(guān)聯(lián)性。根據(jù)實(shí)際研究，認(rèn)為成礦熱液來源主要為巖漿期后熱液，礦質(zhì)來源主要為巖漿期后熱液的廣泛活動，使Au、Ag等成礦元素活化轉(zhuǎn)移，在次級構(gòu)造破碎帶空間富集成礦。

2　三維成礦預(yù)測

2.1　數(shù)字礦床模型建立

數(shù)字礦床為礦床的信息模型，是一個以地理坐標(biāo)為依據(jù)的、數(shù)字化的、三維顯示的虛擬礦床，其核心思想是利用數(shù)字化的手段整體地解決礦床及其與空間位置相關(guān)的信息的表達(dá)與知識管理。地質(zhì)實(shí)體模型是二維地質(zhì)調(diào)查資料的三維可視化，本次研究中模型建立采用地表地質(zhì)體界線控制走向、實(shí)測地質(zhì)剖面圖控制輪廓、圖切剖面圖控制整體、鉆孔數(shù)據(jù)控制細(xì)節(jié)的方法，利用主流的三維地質(zhì)建模軟件Surpac構(gòu)建張旺礦區(qū)內(nèi)的地表、巖體、構(gòu)造、礦體信息的三維可視化實(shí)體模型(圖2)。

圖2　羅框數(shù)字礦床模型構(gòu)建

2.2　成礦有利信息提取

在建立各地質(zhì)體的實(shí)體模型后，采用網(wǎng)格化方法將整個研究區(qū)建立成形狀大小均相同的均質(zhì)體組合(后續(xù)稱塊體)，并將各地質(zhì)體定量化賦予每一個塊體，而后將與礦體相關(guān)的信息提取出來，建立山西張旺礦區(qū)的找礦預(yù)測模型。

2.2.1有利巖體信息提取

金礦的形成與巖漿巖的強(qiáng)烈活動密不可分，巖漿巖的形成可為礦體沉積提供熱源及成礦物質(zhì)，巖體的緩沖區(qū)及有利巖性是提取有利巖體信息的關(guān)鍵變量[1]。這里對巖漿巖本身的含礦性與巖漿巖影響區(qū)域(即巖漿巖緩沖區(qū))與礦體的關(guān)系進(jìn)行分析提取，構(gòu)建不同各尺度下的巖體緩沖區(qū)并與礦體進(jìn)行疊加分析。選取含礦率與礦塊比都相對穩(wěn)定區(qū)間作為優(yōu)益區(qū)，經(jīng)分析，花崗閃長玢巖在本研究區(qū)不作為控礦要素(圖3(a))，霏細(xì)巖140 m緩沖區(qū)(圖3(b))及變輝綠巖40 m緩沖區(qū)(圖3(c))可作為巖體的有利控礦要素。

圖3　巖體成礦有利區(qū)提取

2.2.2斷裂有利信息提取

斷裂活動對成礦特別是內(nèi)生礦產(chǎn)的生成具有重要的影響，構(gòu)造活動控制著巖漿熱液的侵入，同時也控制了熱液的運(yùn)移，為礦床的成礦流體提供了直接運(yùn)移通道，構(gòu)造的發(fā)育對礦化富集與礦床的分布也具有明顯的控制作用，構(gòu)造的多期活動可以產(chǎn)生多期礦化疊加，成礦后的構(gòu)造發(fā)育對礦體表現(xiàn)為改造作用和礦床保存條件的破壞作用[1,6]。研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動強(qiáng)烈，區(qū)內(nèi)的斷裂為礦源物質(zhì)移動提供運(yùn)移通道，并且在斷裂周圍一定空間內(nèi)形成的大量脆性斷裂，這將構(gòu)成封閉性良好的成礦空間。這里選用構(gòu)造中心對稱度描述巖漿熱液的侵入與分異，斷裂緩沖區(qū)描述斷裂周圍優(yōu)益成礦空間，主干斷裂描述深大斷裂的發(fā)育程程。通過統(tǒng)計(jì)分析，提取斷裂40 m緩沖區(qū)、中心對稱度(0.119993,0.319974)、主干斷裂(0.001495,73.216319)與構(gòu)造異常方位(0.994131,1.008126)作為有利控礦要素(圖4)。

2.2.3找礦預(yù)測模型

提取各控礦要素的優(yōu)益區(qū)間后，結(jié)合實(shí)際資料構(gòu)建研究區(qū)找礦預(yù)測模型，見表1。

2.3　礦體定位預(yù)測

本次研究采用模糊證據(jù)權(quán)法確定成礦有利遠(yuǎn)景區(qū)，信息量法對遠(yuǎn)景區(qū)分級提取預(yù)測區(qū)。

圖4　構(gòu)造優(yōu)益區(qū)間提取

表1　找礦預(yù)測模型

控礦要素成礦預(yù)測因子定量表征巖體有利巖體變輝綠巖、霏細(xì)巖條件巖體周邊影響區(qū)變輝綠巖40 m緩沖區(qū)霏細(xì)巖140 m緩沖區(qū)構(gòu)造帶發(fā)育特征主干斷裂(0.0015,73.2163)構(gòu)造斷裂周邊破碎帶斷裂40 m緩沖區(qū)條件構(gòu)造巖漿活動特征中心對稱度(0.1200,0.3200)構(gòu)造方位特征構(gòu)造方位異常度(0.9941,1.0081)

2.3.1基于模糊證據(jù)權(quán)法圈定找礦遠(yuǎn)景區(qū)

作為礦產(chǎn)資源定量評價和成礦預(yù)測的最常用的模型之一，證據(jù)權(quán)模型(WofE)被國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于多元信息綜合和空間信息決策支持系統(tǒng)，在我國也同樣有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域[16]。CHENG等[17]在1999年基于普通證據(jù)權(quán)法發(fā)展了模糊證據(jù)權(quán)，克服了普通證據(jù)權(quán)法在計(jì)算離散信息圖層時會造成信息丟失的缺陷。

在已建立起的找礦預(yù)測模型中，將成礦有利要素區(qū)間作為證據(jù)圖層加入模糊證據(jù)權(quán)圖層，計(jì)算各證據(jù)圖層的先驗(yàn)概率及各證據(jù)圖層的正負(fù)相關(guān)性及權(quán)重值，見表2和表3。

由表3中得知霏細(xì)巖140 m緩沖區(qū)、斷裂與主干斷裂對礦塊影響的權(quán)重值很大，說明強(qiáng)烈的巖漿活動與構(gòu)造活動對羅框礦區(qū)金礦體的形成起著很大的作用。對研究區(qū)內(nèi)塊體計(jì)算后驗(yàn)概率，并統(tǒng)計(jì)各后驗(yàn)概率值分級的累積含礦率，如圖5所示。

從圖5(a)可以看出，隨著提高后驗(yàn)概率值的要求，圈選出的有利塊體含礦率也在不斷升高，在0.99～0.995出現(xiàn)了比較大的升高臺階，在含礦率導(dǎo)數(shù)變化曲線中(圖5(b))，看出0.995處的導(dǎo)數(shù)值相比之前達(dá)到最高，故此可認(rèn)為在后驗(yàn)概率值到達(dá)0.995處時有利塊體的含礦率變化達(dá)到了峰值，選取研究區(qū)中后驗(yàn)概率值大于0.995的塊體作為有利塊體圈定成礦遠(yuǎn)景區(qū)(圖5(c))。但是圈定范圍比較大，對此使用信息量法對遠(yuǎn)景區(qū)進(jìn)行再次分級。

表2　先驗(yàn)概率表

表3　各控礦要素證據(jù)權(quán)重值

圖5　后驗(yàn)概率統(tǒng)計(jì)圖

2.3.2基于信息量法圈定與分級預(yù)測區(qū)

信息量法由維索科奧斯特羅夫斯卡婭、恰金先后提出的該方法也是在區(qū)域礦產(chǎn)預(yù)測中經(jīng)常使用到的一種單變量統(tǒng)計(jì)分析方法[5,18-20]，其主要通過研究分析各控礦要素在空間上與礦體之間的關(guān)系來確定各控礦要素的所含信息量，進(jìn)而反映研究區(qū)內(nèi)各區(qū)塊對成礦的貢獻(xiàn)大小。在找礦預(yù)測模型指導(dǎo)下，采用找礦信息量法[5-6,21-22]進(jìn)行系統(tǒng)分級與預(yù)測區(qū)圈定。信息量值的計(jì)算結(jié)果見表4。

預(yù)測區(qū)的分級就是對成礦有利單元與非成礦單元閾值的確定，閾值過大則圈定有利區(qū)塊太少且過于離散，無法確定預(yù)測區(qū)，而閾值過小則會導(dǎo)致圈定區(qū)域過大而對勘查工作失去指導(dǎo)意義，合理劃分預(yù)測區(qū)有著十分重要的意義。統(tǒng)計(jì)在后驗(yàn)概率值為0.995約束下各級信息量的含礦率與礦塊比的關(guān)系如圖6所示。

由圖6(a)可以看出，隨著提高控礦條件(即升高信息量值)，滿足要求的塊體越來越少，但是含礦率卻在不斷升高，說明成礦有利的塊體正逐漸被搜索出來。根據(jù)實(shí)際情況，選取研究區(qū)內(nèi)成礦有利與成礦無關(guān)的臨界值(即礦體比與含礦率交點(diǎn)處)2.75處劃分第一級成礦有利區(qū)(遠(yuǎn)景區(qū))，根據(jù)含礦率突變增大的臨界值2.9處劃分第二級有利區(qū)(信息量高值區(qū))，根據(jù)含礦率增高后不再變化處3.2處劃分第三級有利區(qū)(找礦預(yù)測區(qū))，可以看出已知礦體均存在于成礦遠(yuǎn)景區(qū)與信息量高值區(qū)內(nèi)，說明結(jié)果具有很高的可信度，對其進(jìn)行三維空間展示如圖6(b)。信息量高值區(qū)主要集中到沿斷裂F13南東走向向Au3礦體深部區(qū)域延伸，根據(jù)實(shí)際空間分布、信息量高值區(qū)的聚散程度與實(shí)際地質(zhì)情況劃分A級預(yù)測區(qū)1處，B級預(yù)測區(qū)2處，三個找礦預(yù)測區(qū)的三維空間分布情況如圖7所示。

表4　各控礦要素信息量表

圖6　信息量分級結(jié)果圖

圖7　預(yù)測區(qū)三維空間位置顯示

根據(jù)圖7，對各預(yù)測區(qū)的空間位置描述如下所述。A1-1：空間位置上處于斷裂F13與F14交匯處，有沿斷裂F13產(chǎn)狀及Au2礦體南東走向與霏細(xì)巖巖體向深部延伸的趨勢，貼合變輝綠巖深部產(chǎn)出位置。B2-1：沿Au2礦體與F13的傾向，在深部空間上處于A1-1預(yù)測區(qū)的西部。B2-2：貼近于Au2礦體的東南側(cè)尾部，較接近于地表，但截止于變輝綠巖斷裂出露位置。

2.4　結(jié)果分析

找礦概率評價是對整個三維成礦預(yù)測研究可信度的定量表征，本文參照前人研究選取的評價因子與權(quán)重值[23]，根據(jù)式(1)從資料基礎(chǔ)、工作程度、塊體大小、找礦預(yù)測模型、定位精度五個方面采用專家打分加權(quán)法對定位預(yù)測成果進(jìn)行定量評價。

(1)

式中：Wi為專家打分權(quán)重值；Vi為評價因子。

由于研究區(qū)已知礦體僅出現(xiàn)在地表，故此以包含礦體且埋深較淺的B2-2預(yù)測區(qū)為代表對找礦預(yù)測模型精度進(jìn)行評價，見表5。

綜合預(yù)測區(qū)內(nèi)各控礦要素的礦塊比(即各控礦要素所含礦塊占總礦塊比值)，計(jì)算得出找礦預(yù)測模型精度為0.3866，帶回式(1)中計(jì)算找礦概率值，見表6。

經(jīng)專家打分加權(quán)法計(jì)算，得出本次預(yù)測工作的找礦概率為47.10%。

表5　B2-2找礦預(yù)測模型精度評價

表6　找礦概率評價

3　結(jié)　論

1) 利用地表地質(zhì)體界線控走向-實(shí)測剖面控輪廓-圖切剖面控形態(tài)-鉆孔數(shù)據(jù)控細(xì)節(jié)的建模方法，構(gòu)建山西張旺羅框礦區(qū)地質(zhì)體實(shí)體模型與塊體模型，成功利用模糊證據(jù)權(quán)法與找礦信息量法遞進(jìn)結(jié)合的綜合預(yù)測方法圈定找礦預(yù)測區(qū)3處，說明該地區(qū)仍有一定的找礦潛力。

2) 找礦預(yù)測證明羅框礦區(qū)的主要控礦要素為斷裂構(gòu)造及巖漿巖發(fā)育區(qū)域，這與實(shí)際勘查結(jié)果相一致。

3) 從找礦信息量高值區(qū)分布來看，Au2礦體東南部有沿斷裂向深部延伸的趨勢，后期應(yīng)著重勘查Au2礦體東南淺部與Au3礦體深部F13與F14斷裂交匯處及附近，成礦條件優(yōu)越，找礦信息量值高，對于區(qū)內(nèi)深部找礦工作有一定的借鑒價值。