基于GIS和证据权法的秘鲁中南部成矿预测研究

席振，高光明，林腾

(中南大学地球科学与信息物理学院;中南大学庄胜矿业研究院，湖南长沙410083)

成矿预测是基于地质理论及科学方法，充分利用已有的地质、遥感、化探、物探等相关数据和资料，总结成矿条件和规律，指出未来有可能找到有经济价值矿产产出的远景区(卢作祥等，1989;吕鹏等，2011;陈建平等，2008)。成矿预测发展到今天，地理信息系统(GIS)的强大数据处理分析功能正在发挥着越来越重要的作用(王功文和陈建平，2008)。

秘鲁位于南美安第斯造山带中部，矿产资源丰富。我国许多企业大力进军国际矿产市场，秘鲁作为矿业大国，吸引了很多公司的关注(陈远望，2009)。在一个陌生区域，如何快速确定资源靶区，有效开展工作，站稳脚跟是一个难题。本次在庄胜矿业研究院帮助下，从秘鲁中南部成矿地质背景入手，利用GIS技术对地质、物化探、遥感等数据进行分析提取，结合证据权法对该区有色金属进行预测评价，为企业的快速选区勘探提供依据。

1 成矿地质背景

研究区位于秘鲁南部 Ayacucho、Ica、Apurimac、Arequipa等省区，属于海岸基岩带和西科迪勒拉火山活动带。出露地层从元古宇到新生界全新统，较为完整。元古宇和中生界主要分布于海岸基岩带，新生界碎屑岩地层大部分分布在西科迪勒拉褶皱带上，接触界线多为北西向。元古宇片麻岩、片岩地层位于海岸边，残片状分布，面积狭小。侏罗系、白垩系的碎屑岩、碳酸盐岩等分布在海岸平原带和研究区最东边。岩浆岩分布面积广，西部主要是侏罗纪、白垩纪的英云闪长岩、闪长岩、花岗闪长岩等中酸性侵入岩，中东部为新生代火山熔岩、角砾岩及部分花岗闪长岩小岩体。构造带主要为北西向，控制大部分地质体展布，如Incapuquio-El Castillo、Falla El toro、Falla Shila 等大型断层(Thierry et al.，2004)。北东向、东西向构造为次级构造，与成矿关系密切，如图1。

本区金属矿产资源丰富，据统计，已发现和开采的矿床(点)有四百多个，包括金、银、铜、铅、锌、钼、铁等。根据矿化分布与地质特征，研究区分为六大成矿带:(1)中晚侏罗世金－铜－铁矿化带。主要受北西向Ica-Islay-Ilo断层系控制。已知的矿床数量种类很多。主要矿化发生于165～160 Ma。(2)早白垩世的金－铜－铁矿化带。矿化发生主要受控于Chocolate组火山岩(115～112 Ma)和Casma盆地岩浆活动。Ica-Islay-Ilo断层系及北东向次级断层影响矿床分布。(3)早白垩世岩浆侵入有关的金－铜－铅－锌矿化带。赋存于沿海岩基白垩纪花岗岩中。主要控矿断裂为南北向、东西向和北西向。(4)晚侏罗世斑岩铜－钼矿化带。从秘鲁南部向北延伸至Lancones盆地。成矿活动受晚白垩世海岸花岗岩控制。成矿构造主要是北西向及南北向次级构造。如 Incapuquio、Conchao-Cocachacra和Cinta-Lluta等断层系控制大批矿化的发生。(5)始新世－中新世铅－锌矿化带。赋矿围岩为上三叠统－下侏罗统白云质碳酸盐岩层。矿化分布受西科迪勒拉褶皱带和东科迪勒拉山过渡处的逆冲断层，和北西向的Satipo-Pangoa-San Francisco断层系控制。(6)始新世岩浆侵入相关的金－铅－锌－铜矿化带。矿化包含南北向、东西向和北西－南东走向的石英－金－硫化物矿脉。矿脉成因和始新世的英云闪长岩、花岗闪长岩岩株的侵入有关，且位于西科迪勒拉山脉和沿海岩基的新生代火山岩区域的西部边界上。主要控制构造为 CintaLluta断层(Megard，1987;Carlotto et al.，2005)。

图1 秘鲁中南部地质略图(据Instituto Geológico Minero Y Metalúrgico，2000资料修编)Fig.1 Geological map of the Central Southern Peru

2 证据权模型

证据权法是利用多源信息复合技术来进行成矿远景区预测的一种地学统计方法。20世纪80年代，加拿大地质数学家Bonham-Carter和Agterberg将其进行修改和发展，并开始应用于多源成矿预测(Scott and Dimitrakopoulos，2001;刘晓玲和陈建平，2010;周宁等，2008)。

证据权法主要分三个步骤实施:(1)确定先验概率:将研究区划分为T个大小相等的网格单元，其中含已知矿点的单元个数D。P(D)=D/T称为先验概率。P属于非条件概率，为常数，把P换算成先验有利度(2)权重计算:成矿有利因素二元图像中，某证据因子存在的网格单元数定为B，不存在的证据因子网格单元数为=T－B。图中重叠的网格单元有B∩D、，则条件概率分别得到该证据因子的正负权重值为:W+=式中，W+和W－分别表示证据因子存在区域和不存在区域的权重系数值，对于原始数据缺失的区域，其权重值设为0。(3)得到后验概率:通过之前对每个成矿有利因素进行检验确定，确定证据因子的条件独立性。如果它们均能满足该要求，则对于m个成矿有利因素即证据因子，其后验有利度的对数值为:则后验几率为为证据因子存在与(+)否(－)的状态表示，最后，得到后验概率为

证据权法的预测成果是后验概率图，后验概率P后验反映了各个网格单元内的找矿有利度，其变化与存在矿床的概率呈正相关关系，其大小可以作为圈定找矿远景区的依据。

3 多源成矿信息提取

系统收集处理本区多源地学信息，包括区域地质图(1∶100万，1∶10万)、区域航磁数据(1∶10万)、区域地球化学数据(1∶10万)、遥感数据(ETM+)、矿床矿点数据等。

3.1 基础地质信息与成矿分析

运用GIS空间分析，寻找已知矿床(点)与各地质因素的关系规律。

(1)已知矿床(点)赋存的地层包括:中元古界Costa组(PeB-gn)、寒武系Marcona组(∈-ms)、下侏罗统Chocolate组(Ji-vs)、中侏罗统Socosani组(Jmvs)、上侏罗统Guaneros组(Js-vs);上侏罗统到下白垩统 Lagunillas组和Yura群(Jski-mc);下白垩统Murco群(Ki-mc)、下白垩统到上白垩统Casma群和Moho群(Kis-m、Kis-vs);古新统 Puno群(Pp-c)、渐新统到中新统Tacaza群(PN-vs)、中新统Huaylillas组(Nm-v、Nm-vs)、中新统到上新统 Moquegua组(Nmp-v)、上新统Maure群(Np-v)、上新统到更新统Barroso群(NQ-c、NQ-v)、更新统 Yauri组(Qpl-m、Qplh-v)、全新统 Andahua群(Qh-c)。

(2)侵入岩体与成矿:研究区36.8%的矿点直接分布于侵入岩体范围内，对侵入岩做缓冲区分析，当缓冲半径为1 km时，缓冲影响带和已知矿床(点)的相关度C最大(表1)。

表1 矿床(点)与侵入岩不同半径缓冲带的相关程度表Table1 Correlation between deposits and intrusive rocks'radius buffers

(3)构造因素与成矿:研究区断裂的走向主要在111°～152°间，表现为一条北西向的线性体密集带。对断裂进行缓冲分析，以1 km的缓冲半径间隔，当半径为11 km时，断裂缓冲带和已知矿床(点)的相关度最大。选择半径为11 km的断裂缓冲带为一证据因子。

此试验使用“滴灌二铵”18-46-0水溶肥，“大量元素水溶肥”系列10-8-42+TE、水溶肥。在当地相同土壤、环境和气候条件下，通过与使用其它品牌水溶肥，在作物生长、产量提高及品质改善方面进行了对比。为云天化“滴灌二铵”、“大量元素水溶肥”系列水溶肥在冬枣种植和在运城市场的推广上提供相关依据。

(4)综合地质因素与成矿:地层组合熵断裂构造、岩体接触带、地层边界等因素作用的度量;线性密度是空间上线性体密度分布的结构特征和数据特征;中心对称度可识别出等轴状侵入体和火山机构所特有的环状、放射状等局部构造(陈建平等，2008)。选择地层组合熵、线性密度、中心对称度等3个综合因素作为证据因子。

3.2 地球物理处理与成矿分析

研究区总磁测物理点有395359个，数据覆盖率70%左右，比例尺为1∶10万。采用低纬度化极处理方法，对航磁数据化磁极，与已知矿床(点)叠加(图2)。

对比航磁化极异常与地质特征，可将磁异常分成五类:(1)与古－新近纪陆相火山喷溢型矿化相关:正负异常值突变差异大，正异常面积小。主要分布在Pausa、Puquio及Chuquibamba等区。(2)与古－新近纪火山岩类相关:异常长轴北西向，异常值对称性好，有较高异常值。主要分布于Cordova、Nazca、Puquio等区。(3)古－新近纪火山岩覆盖区异常:走向北西，带状分布，正异常区带宽，但形态不规则，多分枝、交错，且正负异常对应不明显，异常值多不高。主要分布于Cordova、Nazca、Jaqui等区。(4)海岸基岩带磁异常:走向北西、北东向的分枝或近北西向，受构造控制。正负异常值对应性不明显，但异常值高，并有高值集中出现区。主要分布在Nazca、Chala、Chaparra等区。(5)岩体中热液矿化相关异常:范围大，异常值高但正负异常对应不好，分布较普遍。

图2 秘鲁中南部航磁化极异常图Fig.2 Aeromagnetic anomalies of the Central Southern Peru(reduction to the pole)

以间隔100 nT的不同等值线为阀值对航磁化极数据进行异常提取，以400 nT等值线以上为航磁异常时，异常区与已知矿床(点)分布相关度最大，选取其为一证据因子。

3.3 地球化学处理与成矿分析

选择研究区内地表化探 Au、Ag、Cu、Mo、Pb、Zn等六种元素进行单元素异常提取。异常下限的确定采用正态和对数正态的逐步截尾法(刘晓玲和陈建平，2010)。

区内组合元素的确定，采用主成分因子法。对As、Cu、Co、Cr、Mo、Ni、Pb、Zn 元素进行了主成分因子分析，取特征值大于1的前3个主成分因子(三者累积方差贡献值达到75%以上)作为最终的综合因子，并对初始因子载荷矩阵用方差最大正交旋转法进行正交旋转，如表2和表3。8种元素可分为3个综合因子，即3种地球化学元素给合:F1因子为As、Pb、Zn 组合;F2因子为 Cr、Mo、Ni组合;F3因子为 Co、Cu组合。

表2 主因子方差贡献表Table2 Variance distribution of the principal factors

表3 主因子分析矩阵Table3 Principal factor analysis matrix

研究区组合元素异常分布见图3。选择Au、Ag、Mo、Cu、Pb、Zn 和元素组合 As-Pb-Zn、Cr-Mo-Ni、Co-Cu等9个化探异常变量作为有利证据层。

图3 秘鲁中南部组合元素异常Fig.3 Main element association anomalies in the Central Southern Peru

3.4 遥感图像处理与成矿分析

采用ETM+影像作为遥感数据源，对研究区常与金属矿产伴生的泥化、铁染异常进行提取。波段比值 ETM3/ETM1可突出铁染信息;波段比值ETM5/ETM4对含Fe和高SiO2岩类有较好的增强作用;波段比值ETM5/ETM7主要突出与黏土化有关蚀变信息;比值ETM7/ETM1有利于氧化铁帽信息的提取(张玉君等，2003;张国荣等，2010;王彪等，2011;赵小星等，2012)。经过相关性分析，ETM3/ETM1(V1)、ETM5/ETM4(V2)、ETM5/ETM7(V3)和ETM7/ETM1(V4)四个波段的相关性较大，选择这四个波段比值进行主成分分析，得到主成分分析向量矩阵表(表4)。

从表中可以看出，PC3中，|V1|＞|V2|＞|V4|＞ |V3|，V1的特征值高达 －0.88386，主要反映V1的铁染信息;PC4中，V2和V3的特征值都比较大，主要反映硅化和黏土化的混合蚀变信息。选择PC3提取铁染信息，PC4提取硅化、黏土化混合蚀变信息，如图4。

表4 主成分分析向量矩阵表Table4 The vector matrix of principal component analysis

金属矿床的形成常伴随强烈的热液活动，发育面积不等的热液蚀变，泥化、氧化铁帽是比较常见的有用矿化指示蚀变。从遥感泥化、铁染异常分布看，异常总体北西向、北北东向展布，位于异常内的已知矿床(点)占78%以上。以异常1 km为缓冲带分析，泥化异常缓冲带中已知矿床(点)较铁染多16.6%。遥感泥化、铁染异常范围内成矿概率高，其中泥化异常区找矿前景优于铁染异常区。遥感铁染信息和泥化信息作为两个证据因子。

图4 秘鲁中南部遥感蚀变信息提取图Fig.4 Alteration extracted from ETM data in the Central Southern Peru

表5 秘鲁中南部各证据因子权重值Table5 Weights of evidence factors of the Central Southern Peru

4 基于证据权法的成矿条件权重分析

研究区找矿预测比例尺1∶1000000，以5 km×5 km的网格大小将研究区划分网格单元2925个。根据证据权模型公式计算证据因子正负权重值和相关程度，结果见表5。

本次研究选择相关程度C值大于0.4的证据层。经过筛选，研究区证据权模型最终确定的证据因子共有22个。对这22个证据因子进行条件独立性检验，在设定显著性水平为0.05的条件下，它们基本上满足条件独立性。通过计算，研究区有单元数据2925个，其中有矿单元 260个，先验概率0.088889，后验概率最大值为 0.97，最小值为0.095。

由表5可见，侵入岩和白垩系、侏罗系、古近系与成矿关系密切;Au、Pb、Cu、Ag元素和元素组合As-Pb-Zn、Co-Cu与成矿较为相关;遥感铁染异常和航磁异常与成矿关系一般。

依据后验概率图(图5)，整体成矿有利度呈北西向展布，已知矿床(点)有近78%位于后验概率高值区，北西角远景区集中约33%，北东角远景区集中约18%，可见证据权后验概率可预测找矿远景的可靠性较高。依据高值分布，主要分四个找矿前景区域，北西角远景区以与白垩纪岩浆侵入有关的金、铜、铅、锌、铁找矿为主，南西远景区以白垩纪岩浆岩区和侏罗纪火山－次火山岩区的铜、钼、铁找矿为主，南东远景区主要寻找新生界覆盖下的侏罗系斑岩型铜、钼、金矿床，北东远景区主要寻找与新生代岩浆活动和中生代碳酸盐岩相关的金、铅、锌、铜等矿床。其中南部两处远景区形态弯曲，后验概率高值多分布在矿点外围，是已知矿区外延的有利找矿区。

5 结论

在对研究区原始资料搜集、处理、提取有用成矿信息后，利用基于GIS技术的证据权重法，对秘鲁中南部金属矿进行了成矿远景区预测，结果可靠性高，达到快速确定找矿远景区，为我国矿业单位境外快速占据资源靶区提供依据的目的。

(1)经过矿点与多源地学数据之间的空间分析或成因分析，并经过成矿相关度筛选，选择22个有利成矿证据因子，计算后验概率，其范围为0.095～0.97，预测的四个成矿远景区后验概率均大于0.4，在远景区中基本都有许多大中型矿床分布，预测结果较为可信。

(2)研究区侵入岩体和大型断裂是主要的控矿因素。北西向构造是主要的导矿构造，北东、南北向次级构造是主要的储矿构造。四个找矿远景区内均分布有中生代中酸性岩岩体，岩体与古近系、新近系火山沉积岩、白垩系碳酸盐岩接触部位是找矿重点区。

图5 秘鲁中南部成矿预测后验概率图Fig.5 Metallogenic prognosis posterior probability of the Central Southern Peru

(3)由于西科迪勒拉褶皱带新生代火山活动强烈，覆盖严重，化探、遥感、物探等方法技术应用受到限制，造成该区后验概率偏低。后续工作中，可以加大该地区浅覆盖条件下的找矿技术研究。

致谢:衷心感谢中国地质大学(北京)陈建平教授在百忙之中审阅本文并提出建设性修改意见和建议，使论文质量和本人动手能力都有很大的提高。

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