MRAS系統在神農架—宜昌地區荊襄式磷礦區域礦產定位預測中的應用

周少東，呂向志，胡起生，彭少南，王志元

(湖北省地質調查院，湖北武漢 430034)

0 引言

湖北荊襄式磷礦為賦存于早震旦世陡山沱組中的海相沉積型磷礦床，累計查明磷礦資源儲量約占全省的92%，是省內最主要的磷礦類型。鄂西神農架—宜昌地區則是其分布最為重要的區域，多年來的勘查、開采活動，近地表的淺部磷礦資源已經基本查明，且被開采利用，保有資源量急劇減少。尋找、勘查深部的磷礦資源成為全省地質工作的緊迫任務。前人在該地區雖然開展過兩輪磷礦區劃工作，進行了資源總量預測，都是采用傳統的地質方法圈定找礦遠景區。

在荊襄式磷礦分布集中的鄂西神農架—宜昌地區，多年來開展了大量的地質工作，積累了豐富的地質資料。通過對典型礦床、區域成礦地質背景、區域成礦規律、區域物探、化探、遙感、自然重砂等綜合信息資料研究、分析，應用中國地質科學院礦產資源研究所基于MAPGIS平臺開發的礦產資源評價系統MRAS［1］，圈定預測單元。繼而進行預測變量的構置與選擇，優選最小預測區，確定找礦遠景區，將為該地區荊襄式磷礦資源的定位預測、勘查部署提供依據。

1 區域成礦地質條件

1．1 區域成礦構造環境

鄂西神農架—宜昌地區荊襄式磷礦礦集區主要所屬大地構造單元為:揚子陸塊(Ⅰ級)，上揚子古陸塊(Ⅱ級)，上揚子陸塊褶皺帶、大巴山—大洪山前陸褶沖帶(Ⅲ級)［2］。Ⅳ級構造單元有:神農架—荊門臺坪褶皺帶、黃陵臺坪變形帶和遠安前陸盆地、四級構造單元為陽日灣—京山前陸褶沖帶。礦田構造分別為:鐘祥臺褶束樂鄉關斷凸、黃陵斷穹、青峰臺褶束高橋復式背斜、神農架斷穹。

1．2 區域含磷沉積建造

鄂西神農架—宜昌地區早震旦世陡山沱組自下而上分布有五個含磷巖性層。空間上分布有兩個含磷沉積建造［3］。

含磷硅質碳酸鹽巖建造:主要分布在宜昌、南漳、保康、鐘祥、神農架南部一帶，由微晶白云巖、磷塊巖、含炭質錳質微晶白云巖夾炭質頁巖和重晶石巖、微晶灰質白云巖與黑色頁巖互層、含黃鐵礦夾燧石條帶(或層)或結核炭質微晶白云巖、炭質頁巖夾炭質泥晶白云巖透鏡體組成，呈平行不整合于南沱組之上，厚度60～310 m。磷礦(磷塊巖)賦存于該建造的下部，呈層狀、似層狀、透鏡狀產出，礦層2～3層，厚度為9～15 m，P2O510% ～34%。

含磷含炭硅質頁巖建造:主要分布于神農架北部、房縣等地區，由黑色頁巖、炭質頁巖、含磷硅質巖及部分白云巖組成，與下伏南沱組呈平行不整合接觸，建造厚20～160 m。磷礦賦存于該建造的中部或頂部。如房縣東蒿坪磷礦，礦層呈層狀產出，磷礦層1～3層，厚度0．7～5 m，P2O510% ～30%。

1．3 區域沉積環境及巖相古地理

鄂西神農架—宜昌地區早震旦世陡山沱期總體為古揚子陸表海環境，分別由濱岸潮坪—局限海臺地相、臺地相、淺海陸棚相、淺海盆地相、陸棚邊緣盆地相等5個沉積相區組成，形成了含磷含炭泥巖相、白云巖相組合。在濱岸潮坪—局限臺地相中地勢平坦，海水淺、藻類繁盛，成磷條件有利，磷塊巖主要集中分布于該環境中，形成了礦層厚、品位富、規模大的磷礦床，如宜昌、神農架、鐘祥等磷礦床。少數分布于淺海陸棚相(圖1)。

圖1 湖北省晚震旦世陡山沱期沉積環境與磷礦分布圖［3］Fig.1 The late Sinian Doushantuo period of depositional environment and phosphate distribution in Hubei(after Li Junquan et al．2005)1．濱岸潮坪—局限海臺地相;2．臺地相;3．淺海陸棚相;4．淺海盆地相;5．陸棚邊緣盆地相;6．不明區;7．地層等厚線;8．沉積相界線;9．海侵方向;10．斷層(印支—燕山期);11．磷礦床、礦點;12．鉛鋅礦床點。

1．4 區域成礦地質作用

在濱岸潮坪—局限臺地和淺海陸棚環境中，富磷海水隨上升洋流遷移至淺海臺地及其邊緣地帶，經過脈動式波浪簸選、藻類生物活動及水介質條件的改變促使磷質膠體聚沉—盆內顆粒再沉積，并反復迭加、聚集而成。

2 區域礦床特征

鄂西神農架—宜昌地區荊襄式海相沉積型磷礦的含磷巖系主要由微晶白云巖、含炭質或錳質的微晶白云巖、灰質白云巖組成，夾黑色炭質頁巖，含磷和黃鐵礦。或由白云質灰巖與含磷、含炭質、灰質、泥質、硅質白云巖組成。

礦體多呈層狀、似層狀，長數十米至5000多米，厚0.44 ～30．80 m，礦床平均P2O517．06% ～32．8%。礦石礦物主要為碳氟磷灰石。礦石自然類型，白云質磷塊巖、單磷酸鹽磷塊巖、硅質磷塊巖、水云母粘土磷塊巖等。

區域荊襄式磷礦床常形成中型、大型，乃至超大型礦床，主要典型礦床有鐘祥胡集磷礦床、宜昌丁家河磷礦床、宜昌殷家坪磷礦床、興山樹空坪磷礦床、保康白竹磷礦床、遠安鹽池河磷礦床等。

3 區域礦產預測模型

以荊襄式磷礦典型礦床研究為基礎，研究其區域地質背景、區域構造環境、成礦控制條件。經過研究，我們確定了成礦時代、賦礦地層、沉積相及建造組合是區域成礦的必要要素，并以此為先驗前提，對區域地球物理、地球化學、重砂、遙感資料進行綜合解譯，提取各種成礦有利(或不利)信息。經過反復研究、對比，我們發現鄂西神農架—宜昌地區的區域重力、磁測、遙感資料對荊襄式沉積型磷礦及賦礦地層沒有異常信息的反映，而區域地球化學資料中，成礦元素P異常強度高，濃集中心明顯，P、F和K綜合異常與賦礦地層及礦體吻合較好，均具良好的直接指示意義。磷礦物的自然重砂異常雖發育，但分散，范圍大，與賦礦地層及礦體無對應。通過全面總結、提取區域成礦要素和綜合信息特征，概括、歸納、轉化為區域礦產預測要素，最終建立該地區荊襄式海相沉積型磷礦的區域礦產預測模型(表1)。

表1 神農架—宜昌地區荊襄式海相沉積型磷礦區域預測模型表Table 1 Regional forecast model table of Jingxiang-style of marine sedimentary phosphori te in Shennongjia-Yichang area

4 預測單元圈定

預測單元的圈定方法大致可分網格單元法和綜合信息地質體單元法。鄂西神農架—宜昌地區荊襄式磷礦預測中采用綜合信息地質體單元法圈定預測遠景區，運用MRAS軟件，將前述必要的預測要素進行空間疊加分析，采用建模器技術進行相關集合運算圈定預測單元。具體操作中把握以下原則:

①確保預測單元信息最大化;② 預測單元要包含已存在的礦床、礦點和礦化點信息;③以含礦巖系的出露范圍、斜深500～1 000 m預測邊界作為預測單元的邊界。

在各個預測要素的交、并集等運算過程中，依據區域成礦特征、成礦規律的研究認識，首先對化探P、F、K元素異常進行并集計算，其運算結果與沉積等厚線、沉積相區、礦產地及含礦地層進行交集運算。

針對荊襄式磷礦成礦地質特征，我們在實際操作中采用綜合信息不規則地質體單元法圈定預測單元，且分為二類:

基于含礦地層的不規則地質體單元法——適用于含礦地層體構造形態較為復雜，綜合信息可利用，構成預測的必要要素和重要要素較全，與含礦地層體吻合程度高的范圍內預測單元的圈定。

基于礦層的不規則地質體單元法——適用于賦礦地層構造形態簡單，沉積建造穩定，綜合信息較全，已知礦床的礦層(體)界線清楚的范圍內預測單元的圈定。

使用MRAS系統中的地質單元法，自動形成預測區邊界，再結合地質體實際分布情況、地形地貌特點，采用人機對話形式，分割大區，合并或除去小區或碎塊，邊界修正等方法圈定預測單元。鄂西神農架—宜昌地區荊襄式磷礦區域礦產預測單元的圈定見圖2。

圖2 神農架—宜昌地區荊襄式磷礦預測單元圈定分布圖Fig.2 The distribution of prediction unit delineation of Hubei Jingxiang-style of phosphorite in Shennongjia-Yichang area

5 預測要素變量構置與選擇

5．1 預測變量的構置

根據區域預測模型的預測要素，從空間關系、數量關系、結構等方面進行定性的研究對比和分析，以重要的預測要素結合成礦條件分析確定荊襄式磷礦基本空間范圍，以關鍵、必要的預測要素判定預測礦床、礦體的具體空間位置。荊襄式磷礦確定了5個區域礦產預測的必要要素:含礦地層(陡山沱組)、沉積等厚線(沉積相)、礦化層、礦產地(礦床及礦點)和化探P元素異常。這些必要的和重要的預測要素將應用于預測單元圈定和最小預測區的優選。

在荊襄式磷礦典型礦床研究中，我們選擇了大型磷礦床荊襄磷礦王集礦區、宜昌磷礦樟村坪礦區和中型磷礦床興神磷礦鄭家河礦區等3個礦床。依據典型礦床及所在的最小預測區分別建立了3個模型區。

在模型區中，研究、確定各圖層與礦產的關系及其變量賦值意義，對各預測要素圖層形成的數字化變量進行變量取值。然后進行預測要素檢索、提取，緩沖區建立、分析，研究其與礦產的對應關系。最后進行沉積型磷礦預測變量提取與賦值(數理模型)。

5．2 預測變量選擇

礦產資源定位和定量預測以模型單元集合建立的統計模型，對未知單元定量類比達到礦產資源體定位和定量的目的［4］。變量的選擇通過預測變量屬性值的提取、設置礦化等級、預測變量二值化和優選預測變量等步驟完成。

5．2．1 預測變量屬性值提取

提取預測模型中的預測變量納入MRAS系統，進行區、線和點的緩沖區及存在標志的屬性提取(圖3)。

圖3 預測變量選擇Fig.3 The choosing of predictor variables

5．2．2 設置礦化等級

設置礦化等級的主要目的是為了選擇模型單元和進行變量篩選。通過已知礦床(點)的資源規模、空間位置等特征，建立模型單元與定量預測變量的關系。根據已有礦床點的規模，分別是特大型1、大型2、中型3、小型4，設置三個礦化等級時，對應設置礦化等級:一級(1，2)、二級(2，3)、三級(3，4)(圖 4)，進行模型區和預測單元間的變量類比。

5．2．3 預測變量的二值化及優選

為統一量綱，保證所有參與篩選的變量具有相同的權系數，對于預測變量進行二值化處理。二值化變量能夠最大限度地反映資源特征的變化，其原則是以均值或均值加一倍標準差作為下限，變量最大值為上限，分為0和1的二個取值區間，實現數值變量到邏輯變量的轉換過程。為滿足MRAS中對礦產定位預測的數學模型要求準備二態數據，采用匹配系數法優選預測變量，使評價模型變得更加穩定，使預測結果更為可靠。

圖4 礦化等級設置Fig.4 The setting of mineralization grade

6 最小預測區優選

特征分析的基本思想是從已知某一類型的礦床中，通過一定的數學方法找到該類型礦床的“特征”［5］。這種“特征”是該類型礦床的共性表現，能夠在一定程度上反映該類型礦床地質因素間的特定組合。采用特征分析方法，研究模型區的預測變量特征和變量之間的內在聯系，確定各個預測變量的成礦和找礦意義，建立荊襄式沉積型磷礦礦產資源地質體的成礦有利度類比模型，然后將預測單元與模型區的各種特征進行類比，用它們的相似程度揭示預測單元的成礦有利性，據此優選出有利成礦的最小預測區，力求在未知區尋找具有荊襄式磷礦“特征”的同類型礦床。

圖5 標志權系數計算結果Fig.5 The calculated results of indications coefficient

在MRAS空間評價子模塊中選擇特征分析法構造預測模型，選擇平方和法計算預測變量的權重——標志權系數(圖5)。將變量數據分成13組使用線性插值方法，最終計算出每個預測單元的成礦有利程度，再根據地質單元的成礦有利程度計算成礦概率(圖6)，確定預測單元的級別，達到最小預測區優選的目的。

圖6 成礦概率圖Fig.6 The metallogenic probability map

據該地區荊襄式海相沉積型磷礦最小預測區成礦概率值的組成與線性分布特征，以成礦概率0．2為優選下限，且以 ＞0．8，0．8 ～0．5 和0．5 ～0．2 分別劃分為成礦有利性的Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類最小預測區。Ⅰ類最小預測區成礦概率＞0．8，區內預測要素齊全，成礦地質條件良好，有磷礦床或磷礦點存在;Ⅱ最小類預測區成礦概率為0．8～0．5，區內預測要素齊全，成礦地質條件較好，有磷礦點存在;Ⅲ類最小預測區成礦概率介于0．5～0．2，即區內預測要素較全，成礦地質條件略差，有礦化點或無礦化點。

圖7 神農架—宜昌地區荊襄式磷礦最小預測優選結果圖Fig.7 The minimum predict preferred results of Jingxiang-style of phosphorite in Shennongjia-Yichang area

在MRAS平臺上完成最小預測區優選之后，會同有經驗的地質專家再次對最小預測區進行綜合分析與研究，對成礦地質條件差、找礦潛力有限的最小預測區進行人工剔除。

鄂西神農架—宜昌地區荊襄式磷礦最小預測區最終的優選結果見圖7。共優選出94個最小預測區(Ⅰ類28個、Ⅱ類36個、Ⅲ類30個)。其中，Ⅰ類最小預測區為成礦地質條件最好、找礦最有利的遠景區。

7 結語

(1)根據鄂西神農架—宜昌地區荊襄式磷礦區域成礦地質背景、成礦規律和地球物理、地球化學、遙感及自然重砂信息的綜合研究，確定了含礦地層、沉積相、礦層體、磷礦產地和化探P異常等5個必要的預測要素，建立區域預測模型。應用礦產資源評價系統MRAS，依據預測要素的空間疊加分析，采用基于綜合信息含礦地層和礦層的不規則地質體單元法準確圈定最小預測單元。以成礦概率0．2為優選下限，按成礦概率 ＞0．8，0．8 ～0．5 與0．5 ～0．2 優選出Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類最小預測區共94個。

(2)在鄂西神農架—宜昌地區荊襄式磷礦資源潛力評價工作中，應用MRAS系統圈定、優選出來的最小預測區與近年來在宜昌、興山等地相繼勘查發現新的大型磷礦床相吻合，且均落在Ⅰ類最小預測區內。這在很大程度上支撐了筆者應用MRAS系統進行荊襄式磷礦定位預測成果的合理性和可信度。且對沉積型礦產的定位預測有許多可資借鑒之處。

(3)在MRAS系統的操作應用過程中，對技術人員的區域成礦規律，區域地球物理、地球化學、遙感及自然重砂信息的綜合研究、解譯和認知程度，以及總結和歸納水平有著很高的要求。也可以說在人機互動過程中，人員的綜合技術素質是決定礦產預測成果優劣的關鍵。

致謝:本文在撰寫過程中，得到了曾明中、陳家林兩位教授級高級工程師的指導，在此深表謝意。

［1］ 婁德波，肖克炎，丁建華，等．MRAS的主要功能簡介［J］．礦床地質，2010，29(S1):753 －754．

［2］ 毛新武，楊金香，等．湖北省大地構造研究報告［R］．武漢:湖北省地質調查院，2012．

［3］ 李均權，譚秋明，李江洲，等．湖北省礦床成礦系列［M］．武漢:湖北科學技術出版社，2005．

［4］ 婁德波，肖克炎，丁建華，等．礦產資源評價系統(MRAS)在全國礦產資源潛力評價中的應用［J］．地質通報，2010，29(11):1677 －1684．

［5］ 雷祖志，姜明輝．特征分析法簡介及其初步應用［J］．地質與勘探，1983(11):32－37．