基于MORPAS的敖汉旗林家地金多金属成矿远景区预测

赵志伟，刘锐，蔺鹏飞，郭永强，丁园，孙国胜

(1.核工业二四三大队， 内蒙古 赤峰 024000； 2.吉林大学， 吉林 长春 130015)

0 引言

随着GIS技术的不断发展，成矿远景区的定量预测也成为众多学者研究的热点之一(聂焱和王明慧，1998；刘驰，1999；梁树鹏，2012)。实现不同级别数据信息的分析和有效融合，进而提取出找矿有利信息往往是成矿远景区的预测工作中的重点和难点之一(丁卫平和余先川，2012；沈钰超，2015)。

基于GIS的多源信息的综合评价是目前地质领域中的重要发展趋势，并且在众多地质灾害(蔡益文，2019；彭九慧等，2019)及矿产资源评价中(吴恩政，2014)不断发挥着重要作用。国内外学者基于GIS理论也在不同的领域有着成功的应用，并在此基础上研发出了针对解决不同地质信息融合的软件，如国外的ArcSDM及GeoDAS等系统，国内的MORPAS、MRAS以及综合信息矿产预测系统KCYC等。此外，基于GIS的信息综合方法也在地质领域得以成功应用。如在成矿预测中，李堃等(2009)基于MORPAS平台，使用特征分析法完成了对个旧西区锡多金属矿的远景区预测，并成功完成了成矿远景区的圈定。为更好融合各类地学信息，有学者基于多元统计分析，提出了使用证据权法(Bonham-Carter et al.,1989；Agterberg et al.,1990)对目标矿种进行评价和预测，该方法基于现代成矿理论，并且以地质、物探、化探以及遥感等数据为基础，应用了统计相关性分析方法分析各图层的权重，从而有效提取有利成矿的相关信息作为证据图层，定量地评价地质因素和找矿标志对成矿作用的影响大小，通过计算成矿后验概率，完成对成矿有利部位的圈定(Chen，2004；Chen et al.，2008)。随着该方法在MORPAS软件中实现了成功集成，国内一些学者基于MORPAS平台并利用证据权法快速有效的提取了目标矿种，并成功圈定成矿靶区(胡鹏等，2009；聂明和王功文，2014；杨吉波，2014)。

随着内蒙古敖汉旗林家地地区地质调查工作的不断深入，种种调查结果表明：该区域的金多金属矿主要位于太古界建平群地层中(单子凌等，2020)，并且区域内发生强烈的构造—岩浆活动，从而造成含矿热液大量侵入和富集，因此该金属矿同时受构造的控制(范景远，2019；高丽晔等，2019)。此外，该区域金多金属矿点的分布与化探异常有着较好的套合，并且遥感蚀变信息在研究区有着很好的指示。因此，地质构造等证据因子使得基于证据权法实现该区域的成矿远景区预测成为可能。本文在充分分析了地层、断裂、地球物理、地球化学以及遥感蚀变信息等找矿有利信息的基础上，筛选出成矿有利的证据图层，并基于MORPAS平台使用证据权方法完成对研究区成矿远景区的预测，成功圈定了找矿预测靶区，同时对各圈定靶区基于实际地质情况进行了评价，该结果可为研究区进一步找矿工作提供一定的技术支持。

1 研究区概况

研究区位于赤峰市东约120 km，大地构造位置位于华北地台北部和兴蒙造山带的交汇处。中太古界乌拉山岩群和新太古界变质深成岩组成了该区内地台结晶基底，盖层建造则由长城系、石炭系和侏罗系陆相碎屑岩以及广泛分布的中酸性火山岩等组成(吴继红，2017；邱学祥和张庆新，2020)。

研究区出露地层从老到新依次为：太古界建平群小塔子沟组、太古界建平群大营子组、长城系常州沟组、石炭系酒局子组、侏罗系北票组、侏罗系蓝旗组、白垩系义县组、第四系更新统以及全新统。此外，研究区内岩浆岩主要有花岗斑岩、石英斑岩、石英二长斑岩、正长斑岩、黑云母斑岩、闪长岩、花岗岩等(张宝印和冯勇达，2020)(图1)。由于复杂的地质作用，区内的部分岩石经历了多次的变形和变质等改造，局部变质程度可达到麻粒岩岩相，但其界线与围岩接触仍较为清晰。区域内构造较为复杂，主要包括褶皱、断裂、盆地以及火山构造等。断裂发育主要有NW、NE和EW向(李伟等，2016)，并且总体处于长期活动状态，相互之间切割和制约。中生代火山盆地和侵入岩的空间展布状态则受多组断裂交汇部位的控制，这也在一定程度上为多种金属的成矿提供了有利条件。

2 证据权法原理

(1)

(2)

(3)

图1 敖汉旗林家地地区地质简图(据核工业二四三大队，2013①修改)

式(3)中，P(D|X)表示单元中含矿的后验概率，F为证据权和。将分别赋以不同权值的地质变量在GIS环境下进行空间叠加和综合分析，生成具有不同含矿后验概率的成矿潜力预测图，该定量分析结果可以在一定程度上反映不同含矿潜力分区在空间上的分布，从而为进一步的详细勘查工作提供区域上的超前预测与评价(王全明和方一平，2000；申维等，2014)。

3 成矿远景区预测

3.1 网格单元化

为了更好地对各证据图层进行分析，将各图层进行网格化处理，从而实现数学统计模型和综合信息概念模型的融合和变换。结合研究区已有的地质资料，本次用于证据图层的空间尺度大小为1∶5万，综合研究区内断层等构造实际发育情况，将研究区内的网格划分为500 m×500 m大小，网格单元数为9918个，其中有矿单元为20个，因此划分单元中有矿的先验概率为20/9918=0.0020165。

3.2 预测变量的选取及赋值

在进行成矿预测时，需综合统计单元中的成矿特征而选取合理的预测变量。为建立研究区综合找矿模型，筛选出地质变量、地球物理变量、地球化学变量以及遥感变量等(陈永清和刘红光，2001)四个方面的成矿预测变量，从而使得综合预测模型的建立更加合理和可靠。基于MORPAS平台，使用地质异常与信息综合模块对各预测变量进行处理，主要处理步骤如图2所示。

由图2可知，对于断层等线文件图层分析时，主要对其条数、方位熵、等密度以及优益度等进行统计和计算；对于地层以及化探异常等面状图层，通过计算单位矿产当量(矫东风等，2005)来选取成矿有利度面图层。针对不同规模储量，其单位矿产当量计算公式如下：

(4)

式(4)中，KN表示单位矿产当量(km-2)，N为研究区内矿产当量总数(个)，S表示含矿地层地表出露面积(km2)，Ni表示研究区内不同矿产储量规模(大/中/小)，Cj=10,5,2,1分别表示大型、中型、小型以及矿点等不同矿产储量规模所对应的权系数。

针对内蒙古敖汉旗林家地地区已有地质资料，分析其与矿产之间的赋存关系，从而选取以下5个证据图层进行找矿有利度分析。

3.2.1 地层及岩体变量找矿有利度分析

研究地层或岩体与矿点的空间关系时，需进行点面空间分析，建立矿点与地层或岩层的空间叠加关系，从而获取到含有矿点的地层面文件，并对提取的地层面文件进行统计和检索，从而更好地判断成矿最有利地层。通过对含矿地层的矿产当量以及单位面积矿产当量进行计算和统计可知(表1)，内蒙古敖汉旗林家地地区主要成矿有利地层为建平群小塔子沟组以及二长花岗岩岩体，其他地层及岩体则无明显控矿作用。

3.2.2 断裂找矿有利度分析

该研究区内断裂构造发育程度较高，并且对成矿有着不同程度的影响。通过断层线文件与矿点之间做点线分析，判定矿点与断层之间的邻近关系，确定出断层的最佳影响范围，从而建立断层最佳控矿缓冲区。由图3可知，随着矿点与断层距离的增加，矿点数目也在相应的减少，当距离大于463.95 m左右时，矿点的数目与断层之间已经无明显关系，因此设置463.95 m为断层缓冲区最佳半径，并由此生成断层缓冲区面文件。

图2 综合模型中各预测变量处理流程图

表1 敖汉旗林家地地区含矿地层及岩体参数统计表

图3 矿点与断层邻近关系统计图

此外，为了保证证据因子的独立性以及证据因子的合理性，本文使用地质复杂度来综合表征地层组合熵以及断层条数。其公式如下：

GS=(1+LNi)×LEi

(5)

式(5)中，GS为地质复杂度，LNi为断层条数，LEi为地层组合熵。

通过统计地质复杂度与矿点之间的关系(图4)可知，地质复杂度低于213.76时其与矿点有着较强的关系,因此地质复杂度的阈值设置为213.76。

图4 矿点与地质复杂度统计图

由于研究区内断裂构造主要有EW、NE、SN以及NW向四组，它们对于区内的多金属矿种有着不同的控矿作用，为了更加全面表征断层构造，本文同时考虑了断层等密度、方位熵、中心对称度等证据因子。

3.2.3 地球物理找矿有利度分析

研究区的地球物理资料主要为航磁测量结果。通过分析航磁异常与矿点的空间分布关系，从而能够更加系统地建立起航磁异常与找矿的关系。由图5可知，研究区内磁场总体为跳动型，等值线主要表现为正负磁场相间分布，空间形态展示无明显规律。磁场的跳动较为频繁，一般在-250～250 nT之间跳动，且无明显的空间方位跳动趋势。局部存在一处最高值和两处最低值，最高点磁场可达1000 nT，主要分布于金厂沟梁镇附近；最低点磁场低至 -500 nT，主要分布于北牛夕河屯和冯家杖子之间地带。以西北沟—金厂沟梁镇为界，北部区域总体以负磁场为背景，其中夹杂正磁异常，形态较好及规模较大的正磁异常有三处，分别位于西北沟—官营子—窖沟、金厂沟梁和大东营子地区；南部区域以正磁场为背景，其中夹杂多处负磁异常。

3.2.4 地球化学找矿有利度分析

证据权法要求有益证据因子尽可能多的情况下，变量之间也要满足条件独立性原则。因此本文对内蒙古敖汉旗林家地地区已有15种1∶5万水系沉积物测量样品元素含量进行分析时，在保证研究Au元素异常的同时，同样也考虑到其他元素的相关性。为了更加直观看出Au元素与其他元素直接的关系，根据各元素之间相关系数做出各元素之间的聚类谱系图(图6)。该图中，Au元素与Sb、Ag、Hg、Cu、W分为一组，W与其他几组元素之间相关性较弱，因此不参与计算，但由于Sb、Ag、Hg之间的相关性较强，因此无法同时作为证据图层。为了更好地利用已有信息，将三者使用主成分分析方法进行信息综合。通过计算，三者第一组分贡献率为82.3%，超过80%，因此选用第一主成分作为三者的综合信息。综上，选用Au元素异常，Cu元素异常以及PC1(Sb-Ag-Hg)作为证据图层，既充分利用了已有资料，又保证了证据图层间尽可能独立。考虑到地球化学元素异常的非线性问题，本文使用元素含量—面积分形模型(C-A模型)(杨浩等，2015)完成三种异常下限的圈定，圈定的下限分别为5.75、25.41以及0.62，从而使得圈定的结果兼顾到地球化学元素含量的频率分布的同时，又考虑到地球化学元素之间的空间关系。

图5 敖汉旗林家地地区航磁(ΔΤ)异常平面图

图6 敖汉旗林家地地区水系沉积物Pearson系数聚类谱系图

3.2.5 遥感找矿有利度分析

由于研究区内金矿主要是热液型矿床，并且经过查证主要矿化蚀变有：硅化、绢云岩化、钾化、绿帘石化和绿泥石化等，这使得通过遥感影像提取蚀变信息成为可能。本文使用Landsat8拍摄的遥感影像完成对研究区内蚀变信息的提取，影像拍摄时间为2013年11月22日，云量0.01%，并已完成原始影像的几何校正、图像融合、正射校正、大气校正、裁剪、植被以及水体掩膜等预处理操作。为了使得提取结果更为准确和高效，本文采用主成分分析法(茹菲娜·阿力木江等，2022)完成对研究区内的羟基和铁染等蚀变信息的提取。

(1)羟基和铁染蚀变信息的提取：利用主成分分析法提取研究区的羟基蚀变异常信息，根据羟基波谱特征，选取B2、B5、B6、B7四个波段进行主成分分析提取羟基蚀变异常。再根据羟基蚀变矿物的主分量判断标准(Crósta et al.，2003)，即B5和B7贡献系数应与B6相反。由表2可知，PC4满足含蚀变异常信息主分量，因此选择PC4提取羟基蚀变异常信息。同理，根据铁染波谱特征，选取B2、B4、B5、B6四个波段进行主成分分析提取铁染蚀变异常。再根据铁染主分量判断标准(Crósta et al.，2003)，B2和B5贡献系数应与B4相反。由表2可知，PC3满足含蚀变异常信息主分量，因此选择PC3提取铁染蚀变异常信息。

(2)蚀变异常分级：为了充分考虑统计单元的频率以及空间分布关系，使用含量—面积分形模型(C-A分形模型)(郑玉燕，2019)实现其蚀变异常的分级。这充分考虑到了地质过程的非线性以及蚀变信息分布的自相似性，从而能够更好地分离背景，突出蚀变异常信息，蚀变信息提取结果见图7。

根据提取出的遥感蚀变信息，结合研究区实际地质情况进行研究区异常区域的圈定。圈定的原则为：(1)多方向断裂交汇部位或断裂构造集中区；

图7 敖汉旗林家地地区蚀变信息提取结果图1—一级羟基异常；2—二级羟基异常；3—一级铁染异常；4—二级铁染异常；5—异常圈定及编号；6—研究区边界

(2)环形构造集中分布区；(3)有与矿化蚀变有关的遥感羟基异常或铁染异常，即成矿有利地层分布区域。综合以上三点共圈定出8处研究区蚀变异常区(图7)。

3.3 证据权法找矿模型

在MORPAS系统中，采用证据权重法对模型单元的数据矩阵进行了计算，确定了对找矿有利证据图层的权系数(表3)，据此建立了内蒙古敖汉旗林家地地区的综合找矿模型。在表3中，变量权系数的大小是表征与其有关的矿化强弱的指标，权系数越大，该预测变量定义的地质因素在成矿过程中的作用也就越大。

表2 蚀变信息主成分特征向量矩阵

表3 蚀变信息主成分特征向量矩阵

3.4 成矿远景区的圈定及验证

根据研究区每个网格单元的金多金属矿后验概率所生成的等值线做出了内蒙古敖汉旗林家地地区成矿潜力预测图(图8)。根据研究区综合证据权等值线的后验概率大小，选取了后验概率为0.8和0.6分别作为一级成矿远景区和二级成矿远景区的阈值，并分别圈定出了一级和二级成矿远景15个和17个。各成矿远景区圈定的位置、地层或岩体、断裂发育情况以及找矿远景的潜力评价等统计见表4。

根据已有的地球化学资料，金多金属元素在区域的空间分布上具有一致性，水系沉积物中的Au高值区分布与新太古界变质岩老地层的分布基本一致，褶皱断裂构造发育地段表现最为明显。因此对表4中一级远景区潜力评价时，在太古界变质岩地层以及断裂发育的地方认为其具有较好的找矿前景。此外，I-G圈定在全新统砂质地层中，并且该区域并无断裂等构造的发育，虽然伴随着较好的化探异常，这可能与现代河流冲积形成的沉积物有关，因此认为该区域的找矿前景一般。

二级远景区的圈定标准与一级远景区相似，但其在后验概率上低于一级远景区。根据金多金属的发育与新太古界变质岩老地层的分布基本一致，并且褶皱断裂构造发育地段表现最为明显的标准，圈定了成矿远景区并对其进行评价。由表4可知，对于圈定在变质岩中的各成矿远景区，若无断裂等构造发育，即认为金多金属元素无明显运移通道，则认为该区域的找矿前景一般。

研究区内已知金矿点共20处，其中有13处落入所圈定的远景区内，共占总矿点的65%，超过一半以上的落在了一级远景区内，从而表明本次证据图层的选择是合理的，结果是可靠的，因此可以为进一步的找矿工作提供参考依据。

此外，仍然有7个矿点未落入远景区内，可能是因为这几个矿点规模较小，从而导致找矿标志不明显，但这些矿点仍落在圈定的成矿远景区附近。表明这些矿点的附近也是良好的找矿靶区，这些靶区仍具有较大的找矿前景。

4 结论

(1)在内蒙古敖汉旗林家地地区基于GIS建立了金多金属矿综合信息找矿模型，融合了地质、地球物理、地球化学以及遥感等方面的要素，实现了该地区从地质找矿定性模型到定量模型的转换，从而在一定程度上提高了该地区成矿预测的效率。

(2)对地质、地球物理、地球化学以及遥感等方面的找矿有利度分别进行了分析，并且建立地球化学以及遥感蚀变信息综合证据图层时，在充分考虑各证据独立的前提下，引入了含量—面积分形模型(C-A模型)用于地球化学元素异常以及遥感蚀变信息的划分，使得结果更加准确，从而在建立证据图层时更加合理和可靠。

(3)基于MORPAS软件，利用证据权法对内蒙古敖汉旗林家地地区进行了成矿远景区预测，圈定了大小不一的15个一级和17个二级远景区，并且超过一半矿点落入圈定的远景区内，证明了该方法的合理性和可靠性。同时在圈定的几个较大的远景区中，金厂梁沟镇(I-L)、马家沟—卢家地一带(I-M)以及贝子府公社—社力虎(I-B、I-C、I-F、I-I、I-J)等地附近具有较大的找矿前景。

图8 敖汉旗林家地地区成矿潜力预测图

表4 敖汉旗林家地地区I—II级远景区统计表

续表4

注 释

① 核工业二四三大队. 2013. 内蒙古敖汉旗林家地等五幅1∶5万区域矿产地质调查报告[R].