基于GIS的改进证据权重法在新疆托里地区铜金矿预测中的应用

黄彰，肖磉，蔺启忠，王钦军，丁海峰，陈玉

(1.中国科学院 遥感与数字地球研究所，北京 100094；2.中国科学院大学，北京 100049；3.核工业二三○研究所，长沙 410007)

1 引 言

新疆托里地区地层、构造、岩浆岩等均有利于铜金矿的形成，区域成矿地质条件有利，是我国重要的铜金矿产地之一[1]。该区过去是以金矿、铬铁矿为主的找矿区，2001年～2004年该区域内包古图斑岩型铜钼矿找矿取得重大突破[2]，再次显示了该区的找矿潜力，新的发现与突破掀起了该地区新的一轮找矿勘查高潮。“七五”及“八五”期间，国家“305”项目在该区开展了大量的地质及矿产研究，获得大量矿产资源勘查数据。现在亟需将已获取的矿产勘查数据转化为利于找矿分析的矿产资源评价信息，因此，如何有效地利用这些数据，进行合理的矿产资源评价，进而实现矿产资源预测，已成为重要研究课题。GIS在地球空间数据的输入、存储、检索、空间分析、建模、图面输出等方面有着显著的优势[3]。数据具有多源性和表现形式的多样性，GIS技术应用到矿产资源定量评价的应用中，可极大提高效率。证据权重法[4-6]是综合多源信息，有效实现矿产资源评价的地学统计方法。其中，每一种地学信息都被视为成矿远景区预测的一个证据因子，每一个证据因子对矿产资源评价的贡献是由这个因子的权重值来确定[7-9]。由于证据权重法属于数据驱动，可避免权重设置的主观性，易编程，已发展为主要的矿产资源评价方法。但它计算所得的成矿有利度(用后验概率表示)依赖于相应地质变量的数目和空间网格划分的大小，常常被低估；二元模式的分析缺乏对已知矿点规模的考虑和区分。

本文通过并按照已知矿点规模大小设置先验权重值对其进行改进，并将专家经验引入证据权重法中，以进行矿产资源定量评价与预测。由于该方法不仅关注矿点有无，而且还根据矿点规模进行权重设置，以突出大型矿点对评价单元成矿有利度的作用，结合专家经验给各类信息的作用程度评判打分，可兼顾数据驱动和知识驱动，有效综合各类信息，合理、准确地实现成矿远景区的预测。

2 方 法

2.1 证据权重法的基本原理

(1)

(2)

ϖ+和ϖ-分别表示证据因子存在区和不存在区的权重值，对于原始数据缺失区，权重值设为0。

证据因子与矿床出现状态之间的关联性强弱可以通过证据因子j的正负权重的差值大小来度量，如下式所示，差值C越大，关联性越强。

(3)

现有证据权重法局限：二元模式的分析只考虑矿点的存在与否，缺乏对已知矿点规模的考虑，从而削弱了大规模矿床的作用。因此，没有充分发挥矿点规模对证据因子权重设置的作用，未体现专家经验对权重设置的影响。

2.2 改进的证据权重法

2.2.1 按照已知矿点规模大小区别设置权重

根据研究区的地质矿产基础底图，按照已知矿点规模大小划分小型、中型和大型矿点，其权重值以1为基值，0.5为间隔逐级递增设置，分别为1、1.5和2。则式(1)变为

(4)

其中，s=1，2，3，对应矿点规模小、中、大；Ds表示小型(或者中型、大型)含矿单元的数目。

2.2.2 专家经验修正证据因子权重

根据专家经验为证据因子设置正权重值时做如下约定：根据找矿指示性优劣从大到小分成四级，在其根据已有数据计算的正权重值的基础上分别乘以其对应的修正系数。找矿指示性最好、较好、一般、较差的证据因子分别设定其正权重修正系数为2、1.5、0.75和0.375，这样在一定程度上可以提高成矿预测的效率。

2.3 不同矩形尺寸评价单元对比实验

实验过程中，在保证每个评价单元有且只有一个已知矿点的基础上，分别基于不同尺度的矩形评价单元实现了按照上述两点改进的证据权重法。

其中，预测远景区单位矿产当量是由落入最终远景区的已知矿点的个数除以远景区总面积所得，一定程度反映整体区域后验概率估值精确度。

由下表可知，针对大面积的研究区，随着矩形尺度的减小，其评价单元总体数目呈数量级倍数增大，影响了矩形网格创建的速度、证据权重值计算的速度，小尺寸的矩形格网会严重增加权重值计算的时间，但远景区预测精确度并未相应提高。因此，兼顾时间效率和远景区预测精确度，选择尺寸为1.25km×1.25km的矩形作为基本评价单元。

表1 不同尺度矩形评价单元的证据权重法时间效率和预测精确度对比表

3 应 用

3.1 研究区

托里地区位于新疆维吾尔自治区西北部，准噶尔盆地西侧，塔额盆地东南部。地处82°28′E～85°20′E、44°58′N～46°24′N之间，东西宽阔，南北狭窄，境内属准噶尔台地西缘折皱带。

研究区主要出露地层为：包古图组(C1b)、太勒古拉组(C2t)、希贝库拉斯组(C1xb)、中泥盆统库鲁木迪组和巴尔雷克组(D2k-be)、恰勒巴依组(C2q)。区内断裂和环形构造发育，断裂有南北向、东西向、北东向、北西向4大组。环形构造集中在包古图地区。区内南北向、北东向和东西向断裂的规模较大，对构造变形和成矿作用起到重要控制作用。区内出露的侵入岩较多，包括碱长花岗岩、二长花岗岩、花岗闪长岩、花岗岩、闪长岩、石英闪长岩，主要为碱长花岗岩类。

研究区矿产资源丰富，目前已探出矿产33种，矿化点约416处。其中，金矿主要赋存于中泥盆统的凝灰岩、凝灰质粉砂岩中，在砂岩、硅质岩也有少量矿体产出。铜矿主要赋存于包古图组的凝灰质粉砂岩中，在斜长花岗岩和花岗闪长岩中也有一定矿体产出。矿体主要赋存于北东向、北西向张性和张扭性断裂中。围岩蚀变强烈，蚀变类型包括钾长石化、黑云母化、硅化、泥化、绢云母化、绿泥石化、褐铁矿化等。该研究区的地层、岩性分布简图如图1所示。

图1 托里地区地层和岩性分布概略图

3.2 数据

收集并整理了研究区多元地质数据，包括区域地质图(1∶50万)，区域矿产图(1∶20万)、区域航磁资料(1∶100万)、区域地球化学数据(1∶20万)、遥感数据(ETM+，Aster)、基础矿产数据库等。地质数据主要来自新疆维吾尔自治区地质局和新疆维吾尔自治区人民政府国家三○五项目办公室，资料应用研究已经得到了许可。通过地质基础资料获取研究区已知铜金矿点的点文件矢量数据，作为证据权重法中确认有矿单元的依据。将参与成矿预测的多元信息转换为面文件矢量数据，作为参与计算权重的证据因子。根据研究区铜金矿的成矿规律，利用GIS平台实现改进的证据权重法，完成多元信息处理与有利成矿信息提取[11]。

3.3 建模

3.3.1 有利赋矿地层提取

研究区已知矿床赋矿层位包括包古图组(C1b)、太勒古拉组(C2t)、希贝库拉斯组(C1xb)、中泥盆统库鲁木迪组和巴尔雷克组(D2k-be)[12]。包古图组主要岩石为凝灰质粉砂岩-细砂岩、凝灰岩、深灰色安山岩[12]。由北向南火山碎屑物质稍有减少，陆源物质增多，整体岩性变化不大。凝灰岩中广泛分布着黄铁矿，靠岩体附近有磁黄铁矿及含毒砂、黄铜矿的石英细脉。太勒古拉组主要岩石为细粒凝灰岩、晶屑沉凝灰岩、火山灰层凝灰岩、凝灰质粉砂岩、凝灰质粉砂质泥岩等，该组地层的岩石不同程度发生了绿泥石化、绿帘石化[12]。希贝库拉斯组主要岩石为凝灰质砂岩、粗砂岩和粉砂岩。凝灰质砂岩中广泛分布黄铁矿等硫化物，地表多氧化成褐铁矿化，呈面状成片成带展布，Ⅱ号岩体西南外围铜金矿体位于其中[2]。中泥盆统库鲁木迪组和巴尔雷克组主要岩石为火山碎屑岩、火山灰凝灰岩、凝灰质粉砂岩等。其总的面貌是以火山灰物质偏高、粒度偏细为特点[13]。选取有利赋矿地层D2k-be、C2t、C1b和C1xb作为证据因子参与运算。

3.3.2 控矿构造提取

研究区断裂构造十分发育，可以分辨出三期。早期近南北向的断裂，规模较大，主要为压扭性的断裂，在次级的近南北向断裂带中有铜金矿化。中期北东向和近东西断裂系，一般规模较早期断裂大，本组断裂在矿区较发育，与南北向压扭性断裂交汇处往往控制了小岩体的产出。较晚期断裂走向为近东西向，多显示为裂隙构造，是含金石英脉型矿化体的主要储矿构造。晚期南北向断裂，一般规模较小[14]。该区北东东向断裂组规模一般较大，由西向东有黑苏断裂、别鲁阿嘎希断裂、哈图断裂、安齐断裂等，控矿作用明显。

利用地质基础资料和遥感解译的方式获取该区域的影响成矿的大构造线文件矢量数据。得到的数据在ArcGIS中作以1km为起始半径，逐级增加半径1km作缓冲区分析，得到缓冲区的面文件，再计算不同缓冲半径的构造缓冲区的单位有效矿产当量，如图2所示。由此可知，选择的构造线最优缓冲区半径为2km。

图2 构造缓冲区单位有效矿产当量统计直方图

3.3.3 控矿岩浆岩提取

区内岩浆岩广泛分布，铁厂沟周边地区岩浆活动频繁，从超基性岩—酸性岩均较发育，但以花岗岩和超基性岩分布最为广泛。华力西中晚期中酸性岩浆侵入活动与铜金成矿的关系较为密切，主要的岩性有石英闪长岩、花岗闪长岩、花岗岩、闪长岩、花岗斑岩等[12]。其中石英闪长斑岩、花岗闪长斑岩有明显的矿化。铜金矿化体主要赋存于花岗闪长斑岩中，局部产于凝灰质粉砂岩中[15]。经研究区已知矿点分布的统计分析，选取花岗闪长岩和其他面积小于20km2的中酸性岩体作为证据因子参与运算。

3.3.4 化探异常信息提取

Cu、Mo、Au，Ag为重要的铜金矿勘查地球化学找矿元素，但Cu和Mo，Au和Ag相关程度高，故最终从Cu和Au地球化学图获取这两种元素的化探异常信息。选取该研究区的Cu水系沉积物和土壤组合样含量值大于等于60ppm的高值区作为Cu元素的化探异常区，选取Au水系沉积物和土壤组合样含量值大于等于4ppb的高值区作为Au元素的化探异常区。

3.3.5 物探异常信息提取

航磁异常是重要的地球物理参量，断裂和低密度岩体均能引起该类异常，进而影响铜金矿的形成和赋存位置。重磁信息的深穿透性能较好地揭示深部地质构造的特征，被广泛地应用于基础地质研究和资源评价中[16]。从1∶100万新疆北部地区原平面化极航磁异常图中，选取该研究区的航磁等值线大于200的高值区作为航磁异常区。

图3 航磁等值线图

3.3.6 遥感蚀变异常信息提取

构造发育处常形成具一定规模的构造蚀变体，往往是金(铜)矿化体的赋存部位[16]。虽然遥感信息不能反映地壳深部的特征，但是其具有独特的物理化学基础，对于识别基岩出露区或半出露区的矿化蚀变信息能在一定程度上起到辅助作用。

对遥感影像预处理，包括几何校正、裁剪、拼接等。基于Landsat的TM影像，利用Crosta[17](克罗斯塔)法，通过(TM1、TM3、TM4、TM5)主成分分析，在PC4上提取铁染异常；通过(TM1、TM4、TM5、TM7)主成分分析，在PC4上提取羟基和含碳酸根的蚀变异常信息。其变换特征矩阵如表2所示。再利用门限化技术，以μ+2σ为阈值使得保留下来的遥感蚀变异常的范围、强度趋向矿体。由于研究区范围较大，主要使用羟基蚀变异常和铁染异常作为证据因子。

利用ArcGIS的Model Builder工具，将Create Fishnet、Iterators等功能函数相结合实现改进的证据权重法工作流，建立预测模型。在使用该法之前，需要验证证据因子的条件独立性(显著性水平设置为0.05)，若不满足条件独立性，将引起后验概率的偏差[11]。

表2 ETM影像1345波段PC变换特征矩阵

表3 ETM影像1457波段PC变换特征矩阵

3.4 结果与验证

3.4.1 结果

评价单元为1.25km×1.25km的矩形单元。经前面分析的基础上，得到通过条件独立性检验的12个证据因子：航磁异常、Cu地球化学异常、Au地球化学异常、大构造缓冲区、中泥盆统库鲁木迪组和巴尔雷克组(D2k-be)、太勒古拉组(C2t)、包古图组(C1b)、希贝库拉斯组(C1xb)、羟基蚀变异常、铁染蚀变异常、花岗闪长岩和其他面积小于20km2的中酸性岩体。分别计算各证据专题层的权重值和成矿相关程度C值，如表4所示。

各证据专题层按C值由大到小排序为：L5、L2、L9、L8、L3、L11、L1、L4、L7、L6、L12、L10。

运用该模型计算得到研究区的后验概率图，并通过后验概率求拐点的方法，将该区成矿预测证据权的临界值确定为0.2414。根据后验概率值分为3级有利预测成矿区，概率范围(0.7340～0.9437)为Ⅰ级远景区，有1处；概率范围(0.5139～0.7339)为Ⅱ级远景区，有4处；概率范围(0.2414～0.5138)为Ⅲ级远景区，有3处，如图4所示。

表4 证据专题层权重参数表

图4 成矿远景区与已知矿点及野外采样点的叠加

3.4.2 验证

已知铜金矿点共有154处，落入成矿远景区128处，百分比为83.12%。2012年、2013年赴新疆西准噶尔地区野外验证，共获取了131份岩石样品，分别测量每份样品的风化面和新鲜面。利用手持式矿物元素X射线荧光分析仪化验分析样品，与成矿密切相关的元素类型Mn、Fe、Cu含量较高，Mn元素最高值是10268ppm，Fe元素最高值是71281ppm，Cu元素部分高值的范围是3500ppm～4000ppm。利用ASD光谱仪在室内进行样品反射率光谱测量，利用所测得的光谱曲线结合X射线矿物分析岩石样品：主要金属矿物包括黄铁矿、黄铜矿及磁黄铁矿，蚀变矿物组合包括绿泥石、绿帘石、伊利石及堇青石等，检测出含有这些矿物的样品所占比重和各矿物类型的含量情况如表5所示。

表5 重要矿物检出样品所占比重和含量百分比表

由表6可知，经证据权重法改进，已知矿点落入远景区的百分比提高了5.85%，而预测远景区范围的总面积减小了232.81km2，其所占研究区面积百分比减小了1.39%，预测精度明显提高。结果对该区域的铜金矿找矿应用具有指示性作用。

表6 证据权重法改进前后远景区预测精度对比表

4 结束语

针对大面积的研究区，证据权重法的基本评价单元尺寸存在最优化问题，并非越小越好，本文兼顾时间效率和预测准确度选择评价单元尺寸1.25km×1.25km。同时，证据权基于贝叶斯方法的前提便是事件独立性，过多的证据因子很难保证其相互间的独立性，造成预测结果的不可知性。证据因子并非越多越好。

改进方法的远景区预测精度明显提高了5.85%，预测区范围面积减小了1.39%。

将该方法应用到新疆托里地区，计算研究区中远景区的后验概率分布范围为0.0052到0.9437，Ⅰ级预测区分布在托里县东北部白杨河金矿区，包括哈萨克斯坦-准噶尔成矿域，达拉布特-克拉麦里金、铜、铬成矿带，和达拉布特成矿亚带。由于其处在哈图断裂和达尔布特大断裂之间，深受两大断裂控制，岩浆活动剧烈，大规模花岗闪长岩热液活动的作用将各地质体中的成矿元素及伴生元素溶滤迁出，易于在有利的构造部位富集成矿。成矿远景区与证据因子中泥盆统库鲁木迪组和巴尔雷克组(D2k-be)、希贝库拉斯组(C1xb)、铜化学异常、金化学异常、羟基蚀变异常覆盖区相关程度高，显示了有利赋矿地层及地球物理、地球化学、遥感蚀变异常等辅助数据对确定成矿远景区的重要作用。这些都与上面C值计算结果相符。

本次研究选择了两个Ⅱ级预测区野外采样并验证了结果，其他成矿远景区将进一步验证。今后的研究重点是更加深入研究该区铜金成矿机理，以最优的方式综合地物化遥信息，充分挖掘已知矿点位置和其证据因子的相对分布的关系以提高后验概率计算准确度。

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