MRAS系统在神农架—宜昌地区荆襄式磷矿区域矿产定位预测中的应用

周少东，吕向志，胡起生，彭少南，王志元

(湖北省地质调查院，湖北武汉 430034)

0 引言

湖北荆襄式磷矿为赋存于早震旦世陡山沱组中的海相沉积型磷矿床，累计查明磷矿资源储量约占全省的92%，是省内最主要的磷矿类型。鄂西神农架—宜昌地区则是其分布最为重要的区域，多年来的勘查、开采活动，近地表的浅部磷矿资源已经基本查明，且被开采利用，保有资源量急剧减少。寻找、勘查深部的磷矿资源成为全省地质工作的紧迫任务。前人在该地区虽然开展过两轮磷矿区划工作，进行了资源总量预测，都是采用传统的地质方法圈定找矿远景区。

在荆襄式磷矿分布集中的鄂西神农架—宜昌地区，多年来开展了大量的地质工作，积累了丰富的地质资料。通过对典型矿床、区域成矿地质背景、区域成矿规律、区域物探、化探、遥感、自然重砂等综合信息资料研究、分析，应用中国地质科学院矿产资源研究所基于MAPGIS平台开发的矿产资源评价系统MRAS［1］，圈定预测单元。继而进行预测变量的构置与选择，优选最小预测区，确定找矿远景区，将为该地区荆襄式磷矿资源的定位预测、勘查部署提供依据。

1 区域成矿地质条件

1．1 区域成矿构造环境

鄂西神农架—宜昌地区荆襄式磷矿矿集区主要所属大地构造单元为:扬子陆块(Ⅰ级)，上扬子古陆块(Ⅱ级)，上扬子陆块褶皱带、大巴山—大洪山前陆褶冲带(Ⅲ级)［2］。Ⅳ级构造单元有:神农架—荆门台坪褶皱带、黄陵台坪变形带和远安前陆盆地、四级构造单元为阳日湾—京山前陆褶冲带。矿田构造分别为:钟祥台褶束乐乡关断凸、黄陵断穹、青峰台褶束高桥复式背斜、神农架断穹。

1．2 区域含磷沉积建造

鄂西神农架—宜昌地区早震旦世陡山沱组自下而上分布有五个含磷岩性层。空间上分布有两个含磷沉积建造［3］。

含磷硅质碳酸盐岩建造:主要分布在宜昌、南漳、保康、钟祥、神农架南部一带，由微晶白云岩、磷块岩、含炭质锰质微晶白云岩夹炭质页岩和重晶石岩、微晶灰质白云岩与黑色页岩互层、含黄铁矿夹燧石条带(或层)或结核炭质微晶白云岩、炭质页岩夹炭质泥晶白云岩透镜体组成，呈平行不整合于南沱组之上，厚度60～310 m。磷矿(磷块岩)赋存于该建造的下部，呈层状、似层状、透镜状产出，矿层2～3层，厚度为9～15 m，P2O510% ～34%。

含磷含炭硅质页岩建造:主要分布于神农架北部、房县等地区，由黑色页岩、炭质页岩、含磷硅质岩及部分白云岩组成，与下伏南沱组呈平行不整合接触，建造厚20～160 m。磷矿赋存于该建造的中部或顶部。如房县东蒿坪磷矿，矿层呈层状产出，磷矿层1～3层，厚度0．7～5 m，P2O510% ～30%。

1．3 区域沉积环境及岩相古地理

鄂西神农架—宜昌地区早震旦世陡山沱期总体为古扬子陆表海环境，分别由滨岸潮坪—局限海台地相、台地相、浅海陆棚相、浅海盆地相、陆棚边缘盆地相等5个沉积相区组成，形成了含磷含炭泥岩相、白云岩相组合。在滨岸潮坪—局限台地相中地势平坦，海水浅、藻类繁盛，成磷条件有利，磷块岩主要集中分布于该环境中，形成了矿层厚、品位富、规模大的磷矿床，如宜昌、神农架、钟祥等磷矿床。少数分布于浅海陆棚相(图1)。

图1 湖北省晚震旦世陡山沱期沉积环境与磷矿分布图［3］Fig.1 The late Sinian Doushantuo period of depositional environment and phosphate distribution in Hubei(after Li Junquan et al．2005)1．滨岸潮坪—局限海台地相;2．台地相;3．浅海陆棚相;4．浅海盆地相;5．陆棚边缘盆地相;6．不明区;7．地层等厚线;8．沉积相界线;9．海侵方向;10．断层(印支—燕山期);11．磷矿床、矿点;12．铅锌矿床点。

1．4 区域成矿地质作用

在滨岸潮坪—局限台地和浅海陆棚环境中，富磷海水随上升洋流迁移至浅海台地及其边缘地带，经过脉动式波浪簸选、藻类生物活动及水介质条件的改变促使磷质胶体聚沉—盆内颗粒再沉积，并反复迭加、聚集而成。

2 区域矿床特征

鄂西神农架—宜昌地区荆襄式海相沉积型磷矿的含磷岩系主要由微晶白云岩、含炭质或锰质的微晶白云岩、灰质白云岩组成，夹黑色炭质页岩，含磷和黄铁矿。或由白云质灰岩与含磷、含炭质、灰质、泥质、硅质白云岩组成。

矿体多呈层状、似层状，长数十米至5000多米，厚0.44 ～30．80 m，矿床平均P2O517．06% ～32．8%。矿石矿物主要为碳氟磷灰石。矿石自然类型，白云质磷块岩、单磷酸盐磷块岩、硅质磷块岩、水云母粘土磷块岩等。

区域荆襄式磷矿床常形成中型、大型，乃至超大型矿床，主要典型矿床有钟祥胡集磷矿床、宜昌丁家河磷矿床、宜昌殷家坪磷矿床、兴山树空坪磷矿床、保康白竹磷矿床、远安盐池河磷矿床等。

3 区域矿产预测模型

以荆襄式磷矿典型矿床研究为基础，研究其区域地质背景、区域构造环境、成矿控制条件。经过研究，我们确定了成矿时代、赋矿地层、沉积相及建造组合是区域成矿的必要要素，并以此为先验前提，对区域地球物理、地球化学、重砂、遥感资料进行综合解译，提取各种成矿有利(或不利)信息。经过反复研究、对比，我们发现鄂西神农架—宜昌地区的区域重力、磁测、遥感资料对荆襄式沉积型磷矿及赋矿地层没有异常信息的反映，而区域地球化学资料中，成矿元素P异常强度高，浓集中心明显，P、F和K综合异常与赋矿地层及矿体吻合较好，均具良好的直接指示意义。磷矿物的自然重砂异常虽发育，但分散，范围大，与赋矿地层及矿体无对应。通过全面总结、提取区域成矿要素和综合信息特征，概括、归纳、转化为区域矿产预测要素，最终建立该地区荆襄式海相沉积型磷矿的区域矿产预测模型(表1)。

表1 神农架—宜昌地区荆襄式海相沉积型磷矿区域预测模型表Table 1 Regional forecast model table of Jingxiang-style of marine sedimentary phosphori te in Shennongjia-Yichang area

4 预测单元圈定

预测单元的圈定方法大致可分网格单元法和综合信息地质体单元法。鄂西神农架—宜昌地区荆襄式磷矿预测中采用综合信息地质体单元法圈定预测远景区，运用MRAS软件，将前述必要的预测要素进行空间叠加分析，采用建模器技术进行相关集合运算圈定预测单元。具体操作中把握以下原则:

①确保预测单元信息最大化;② 预测单元要包含已存在的矿床、矿点和矿化点信息;③以含矿岩系的出露范围、斜深500～1 000 m预测边界作为预测单元的边界。

在各个预测要素的交、并集等运算过程中，依据区域成矿特征、成矿规律的研究认识，首先对化探P、F、K元素异常进行并集计算，其运算结果与沉积等厚线、沉积相区、矿产地及含矿地层进行交集运算。

针对荆襄式磷矿成矿地质特征，我们在实际操作中采用综合信息不规则地质体单元法圈定预测单元，且分为二类:

基于含矿地层的不规则地质体单元法——适用于含矿地层体构造形态较为复杂，综合信息可利用，构成预测的必要要素和重要要素较全，与含矿地层体吻合程度高的范围内预测单元的圈定。

基于矿层的不规则地质体单元法——适用于赋矿地层构造形态简单，沉积建造稳定，综合信息较全，已知矿床的矿层(体)界线清楚的范围内预测单元的圈定。

使用MRAS系统中的地质单元法，自动形成预测区边界，再结合地质体实际分布情况、地形地貌特点，采用人机对话形式，分割大区，合并或除去小区或碎块，边界修正等方法圈定预测单元。鄂西神农架—宜昌地区荆襄式磷矿区域矿产预测单元的圈定见图2。

图2 神农架—宜昌地区荆襄式磷矿预测单元圈定分布图Fig.2 The distribution of prediction unit delineation of Hubei Jingxiang-style of phosphorite in Shennongjia-Yichang area

5 预测要素变量构置与选择

5．1 预测变量的构置

根据区域预测模型的预测要素，从空间关系、数量关系、结构等方面进行定性的研究对比和分析，以重要的预测要素结合成矿条件分析确定荆襄式磷矿基本空间范围，以关键、必要的预测要素判定预测矿床、矿体的具体空间位置。荆襄式磷矿确定了5个区域矿产预测的必要要素:含矿地层(陡山沱组)、沉积等厚线(沉积相)、矿化层、矿产地(矿床及矿点)和化探P元素异常。这些必要的和重要的预测要素将应用于预测单元圈定和最小预测区的优选。

在荆襄式磷矿典型矿床研究中，我们选择了大型磷矿床荆襄磷矿王集矿区、宜昌磷矿樟村坪矿区和中型磷矿床兴神磷矿郑家河矿区等3个矿床。依据典型矿床及所在的最小预测区分别建立了3个模型区。

在模型区中，研究、确定各图层与矿产的关系及其变量赋值意义，对各预测要素图层形成的数字化变量进行变量取值。然后进行预测要素检索、提取，缓冲区建立、分析，研究其与矿产的对应关系。最后进行沉积型磷矿预测变量提取与赋值(数理模型)。

5．2 预测变量选择

矿产资源定位和定量预测以模型单元集合建立的统计模型，对未知单元定量类比达到矿产资源体定位和定量的目的［4］。变量的选择通过预测变量属性值的提取、设置矿化等级、预测变量二值化和优选预测变量等步骤完成。

5．2．1 预测变量属性值提取

提取预测模型中的预测变量纳入MRAS系统，进行区、线和点的缓冲区及存在标志的属性提取(图3)。

图3 预测变量选择Fig.3 The choosing of predictor variables

5．2．2 设置矿化等级

设置矿化等级的主要目的是为了选择模型单元和进行变量筛选。通过已知矿床(点)的资源规模、空间位置等特征，建立模型单元与定量预测变量的关系。根据已有矿床点的规模，分别是特大型1、大型2、中型3、小型4，设置三个矿化等级时，对应设置矿化等级:一级(1，2)、二级(2，3)、三级(3，4)(图 4)，进行模型区和预测单元间的变量类比。

5．2．3 预测变量的二值化及优选

为统一量纲，保证所有参与筛选的变量具有相同的权系数，对于预测变量进行二值化处理。二值化变量能够最大限度地反映资源特征的变化，其原则是以均值或均值加一倍标准差作为下限，变量最大值为上限，分为0和1的二个取值区间，实现数值变量到逻辑变量的转换过程。为满足MRAS中对矿产定位预测的数学模型要求准备二态数据，采用匹配系数法优选预测变量，使评价模型变得更加稳定，使预测结果更为可靠。

图4 矿化等级设置Fig.4 The setting of mineralization grade

6 最小预测区优选

特征分析的基本思想是从已知某一类型的矿床中，通过一定的数学方法找到该类型矿床的“特征”［5］。这种“特征”是该类型矿床的共性表现，能够在一定程度上反映该类型矿床地质因素间的特定组合。采用特征分析方法，研究模型区的预测变量特征和变量之间的内在联系，确定各个预测变量的成矿和找矿意义，建立荆襄式沉积型磷矿矿产资源地质体的成矿有利度类比模型，然后将预测单元与模型区的各种特征进行类比，用它们的相似程度揭示预测单元的成矿有利性，据此优选出有利成矿的最小预测区，力求在未知区寻找具有荆襄式磷矿“特征”的同类型矿床。

图5 标志权系数计算结果Fig.5 The calculated results of indications coefficient

在MRAS空间评价子模块中选择特征分析法构造预测模型，选择平方和法计算预测变量的权重——标志权系数(图5)。将变量数据分成13组使用线性插值方法，最终计算出每个预测单元的成矿有利程度，再根据地质单元的成矿有利程度计算成矿概率(图6)，确定预测单元的级别，达到最小预测区优选的目的。

图6 成矿概率图Fig.6 The metallogenic probability map

据该地区荆襄式海相沉积型磷矿最小预测区成矿概率值的组成与线性分布特征，以成矿概率0．2为优选下限，且以 ＞0．8，0．8 ～0．5 和0．5 ～0．2 分别划分为成矿有利性的Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类最小预测区。Ⅰ类最小预测区成矿概率＞0．8，区内预测要素齐全，成矿地质条件良好，有磷矿床或磷矿点存在;Ⅱ最小类预测区成矿概率为0．8～0．5，区内预测要素齐全，成矿地质条件较好，有磷矿点存在;Ⅲ类最小预测区成矿概率介于0．5～0．2，即区内预测要素较全，成矿地质条件略差，有矿化点或无矿化点。

图7 神农架—宜昌地区荆襄式磷矿最小预测优选结果图Fig.7 The minimum predict preferred results of Jingxiang-style of phosphorite in Shennongjia-Yichang area

在MRAS平台上完成最小预测区优选之后，会同有经验的地质专家再次对最小预测区进行综合分析与研究，对成矿地质条件差、找矿潜力有限的最小预测区进行人工剔除。

鄂西神农架—宜昌地区荆襄式磷矿最小预测区最终的优选结果见图7。共优选出94个最小预测区(Ⅰ类28个、Ⅱ类36个、Ⅲ类30个)。其中，Ⅰ类最小预测区为成矿地质条件最好、找矿最有利的远景区。

7 结语

(1)根据鄂西神农架—宜昌地区荆襄式磷矿区域成矿地质背景、成矿规律和地球物理、地球化学、遥感及自然重砂信息的综合研究，确定了含矿地层、沉积相、矿层体、磷矿产地和化探P异常等5个必要的预测要素，建立区域预测模型。应用矿产资源评价系统MRAS，依据预测要素的空间叠加分析，采用基于综合信息含矿地层和矿层的不规则地质体单元法准确圈定最小预测单元。以成矿概率0．2为优选下限，按成矿概率 ＞0．8，0．8 ～0．5 与0．5 ～0．2 优选出Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类最小预测区共94个。

(2)在鄂西神农架—宜昌地区荆襄式磷矿资源潜力评价工作中，应用MRAS系统圈定、优选出来的最小预测区与近年来在宜昌、兴山等地相继勘查发现新的大型磷矿床相吻合，且均落在Ⅰ类最小预测区内。这在很大程度上支撑了笔者应用MRAS系统进行荆襄式磷矿定位预测成果的合理性和可信度。且对沉积型矿产的定位预测有许多可资借鉴之处。

(3)在MRAS系统的操作应用过程中，对技术人员的区域成矿规律，区域地球物理、地球化学、遥感及自然重砂信息的综合研究、解译和认知程度，以及总结和归纳水平有着很高的要求。也可以说在人机互动过程中，人员的综合技术素质是决定矿产预测成果优劣的关键。

致谢:本文在撰写过程中，得到了曾明中、陈家林两位教授级高级工程师的指导，在此深表谢意。

［1］ 娄德波，肖克炎，丁建华，等．MRAS的主要功能简介［J］．矿床地质，2010，29(S1):753 －754．

［2］ 毛新武，杨金香，等．湖北省大地构造研究报告［R］．武汉:湖北省地质调查院，2012．

［3］ 李均权，谭秋明，李江洲，等．湖北省矿床成矿系列［M］．武汉:湖北科学技术出版社，2005．

［4］ 娄德波，肖克炎，丁建华，等．矿产资源评价系统(MRAS)在全国矿产资源潜力评价中的应用［J］．地质通报，2010，29(11):1677 －1684．

［5］ 雷祖志，姜明辉．特征分析法简介及其初步应用［J］．地质与勘探，1983(11):32－37．