基于模糊證據權與信息量的隱伏礦體三維預測:以山西羅框研究區為例

張權平，陳建平，胡　彬，朱月琴

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083；2.北京市國土資源信息開發研究重點實驗室(中國地質大學(北京))，北京 100083；3.國土資源部地質信息技術重點實驗室，北京 100037；4.中國地質調查局發展研究中心，北京 100037)

礦產資源預測一直是國內外數學地質科學研究的前沿問題，也是世界上其他國家實現找礦突破及礦產資源潛力評價的重要內容，更是實施科學找礦勘探的重要途徑和方法[1]。隨著高新技術的高速發展，礦產資源預測進入了新階段，利用計算機建模技術和地質統計學方法進行隱伏礦體三維預測成為礦產勘查領域的主流趨勢[2]，三維地質建模技術的發展，為海量化的地質勘探數據提供了可視化平臺，得到了學術界的廣泛研究與認可[3-4]。陳建平等[5]提出了基于三維可視化技術的“立方體預測模型”找礦方法，并在山東焦家、云南個舊等地取得了很好的應用效果[6-7]；楊帆等[8]、賈文娟等[9]利用自主研發的預測軟件GeoCube在河南欒川等地進行三維預測；毛先成等[10-13]提出了基于三維地質建模和三維空間分析的深部隱伏礦體三維預測方法與技術框架并在福建丁家山鉛鋅礦、甘肅金川銅鎳礦等地的深部找礦預測工作中取得良好效果。

本次研究以成熟的三維地質可視化軟件Surpac為平臺，在地質異常理論指導下，構建三維地質可視化模型，提取有利控礦要素，建立山西渾源羅框礦區找礦預測模型，采用模糊證據權方法對研究區進行成礦遠景區圈定，在此基礎上利用找礦信息量法劃分預測區，評價找礦概率，為下一步的勘查工作指出方向。

1　研究區地質背景

山西渾源張旺礦區處于呂梁-太行斷塊的五臺塊隆之恒山-五臺山穹狀隆起北緣，陰山構造帶以南，太行-燕山造山帶中段北西側[14]，受東西向燕山造山作用和太行山造山運動的雙重影響[15]，區內斷裂構造發育，巖漿活動強烈，巖漿巖分布廣泛，為內生金屬礦產的形成創造了有利條件，并形成了以金礦、銀礦為主的堯峪、張旺多金屬礦成礦區，成礦地質條件有利。

圖1　羅框地區地質圖

研究區內斷裂以北西-北北西向斷裂為主，傾向南西或北東，斷裂帶內可見高嶺土化、綠泥石化及褐鐵礦化，已探明礦體產于斷裂帶附近，斷裂控礦因素明顯。變輝綠巖呈巖墻狀產出，南北向貫穿羅框研究區，受斷裂控制明顯。霏細巖接近貫穿于羅框研究區，走向南東呈脈狀侵入到灰色片麻巖中，同時切穿走向北西的變輝綠巖墻，在空間上與礦體產出位置有很大的關聯性。根據實際研究，認為成礦熱液來源主要為巖漿期后熱液，礦質來源主要為巖漿期后熱液的廣泛活動，使Au、Ag等成礦元素活化轉移，在次級構造破碎帶空間富集成礦。

2　三維成礦預測

2.1　數字礦床模型建立

數字礦床為礦床的信息模型，是一個以地理坐標為依據的、數字化的、三維顯示的虛擬礦床，其核心思想是利用數字化的手段整體地解決礦床及其與空間位置相關的信息的表達與知識管理。地質實體模型是二維地質調查資料的三維可視化，本次研究中模型建立采用地表地質體界線控制走向、實測地質剖面圖控制輪廓、圖切剖面圖控制整體、鉆孔數據控制細節的方法，利用主流的三維地質建模軟件Surpac構建張旺礦區內的地表、巖體、構造、礦體信息的三維可視化實體模型(圖2)。

圖2　羅框數字礦床模型構建

2.2　成礦有利信息提取

在建立各地質體的實體模型后，采用網格化方法將整個研究區建立成形狀大小均相同的均質體組合(后續稱塊體)，并將各地質體定量化賦予每一個塊體，而后將與礦體相關的信息提取出來，建立山西張旺礦區的找礦預測模型。

2.2.1有利巖體信息提取

金礦的形成與巖漿巖的強烈活動密不可分，巖漿巖的形成可為礦體沉積提供熱源及成礦物質，巖體的緩沖區及有利巖性是提取有利巖體信息的關鍵變量[1]。這里對巖漿巖本身的含礦性與巖漿巖影響區域(即巖漿巖緩沖區)與礦體的關系進行分析提取，構建不同各尺度下的巖體緩沖區并與礦體進行疊加分析。選取含礦率與礦塊比都相對穩定區間作為優益區，經分析，花崗閃長玢巖在本研究區不作為控礦要素(圖3(a))，霏細巖140 m緩沖區(圖3(b))及變輝綠巖40 m緩沖區(圖3(c))可作為巖體的有利控礦要素。

圖3　巖體成礦有利區提取

2.2.2斷裂有利信息提取

斷裂活動對成礦特別是內生礦產的生成具有重要的影響，構造活動控制著巖漿熱液的侵入，同時也控制了熱液的運移，為礦床的成礦流體提供了直接運移通道，構造的發育對礦化富集與礦床的分布也具有明顯的控制作用，構造的多期活動可以產生多期礦化疊加，成礦后的構造發育對礦體表現為改造作用和礦床保存條件的破壞作用[1,6]。研究區內構造活動強烈，區內的斷裂為礦源物質移動提供運移通道，并且在斷裂周圍一定空間內形成的大量脆性斷裂，這將構成封閉性良好的成礦空間。這里選用構造中心對稱度描述巖漿熱液的侵入與分異，斷裂緩沖區描述斷裂周圍優益成礦空間，主干斷裂描述深大斷裂的發育程程。通過統計分析，提取斷裂40 m緩沖區、中心對稱度(0.119993,0.319974)、主干斷裂(0.001495,73.216319)與構造異常方位(0.994131,1.008126)作為有利控礦要素(圖4)。

2.2.3找礦預測模型

提取各控礦要素的優益區間后，結合實際資料構建研究區找礦預測模型，見表1。

2.3　礦體定位預測

本次研究采用模糊證據權法確定成礦有利遠景區，信息量法對遠景區分級提取預測區。

圖4　構造優益區間提取

表1　找礦預測模型

控礦要素成礦預測因子定量表征巖體有利巖體變輝綠巖、霏細巖條件巖體周邊影響區變輝綠巖40 m緩沖區霏細巖140 m緩沖區構造帶發育特征主干斷裂(0.0015,73.2163)構造斷裂周邊破碎帶斷裂40 m緩沖區條件構造巖漿活動特征中心對稱度(0.1200,0.3200)構造方位特征構造方位異常度(0.9941,1.0081)

2.3.1基于模糊證據權法圈定找礦遠景區

作為礦產資源定量評價和成礦預測的最常用的模型之一，證據權模型(WofE)被國內外學者廣泛應用于多元信息綜合和空間信息決策支持系統，在我國也同樣有著廣泛的應用領域[16]。CHENG等[17]在1999年基于普通證據權法發展了模糊證據權，克服了普通證據權法在計算離散信息圖層時會造成信息丟失的缺陷。

在已建立起的找礦預測模型中，將成礦有利要素區間作為證據圖層加入模糊證據權圖層，計算各證據圖層的先驗概率及各證據圖層的正負相關性及權重值，見表2和表3。

由表3中得知霏細巖140 m緩沖區、斷裂與主干斷裂對礦塊影響的權重值很大，說明強烈的巖漿活動與構造活動對羅框礦區金礦體的形成起著很大的作用。對研究區內塊體計算后驗概率，并統計各后驗概率值分級的累積含礦率，如圖5所示。

從圖5(a)可以看出，隨著提高后驗概率值的要求，圈選出的有利塊體含礦率也在不斷升高，在0.99～0.995出現了比較大的升高臺階，在含礦率導數變化曲線中(圖5(b))，看出0.995處的導數值相比之前達到最高，故此可認為在后驗概率值到達0.995處時有利塊體的含礦率變化達到了峰值，選取研究區中后驗概率值大于0.995的塊體作為有利塊體圈定成礦遠景區(圖5(c))。但是圈定范圍比較大，對此使用信息量法對遠景區進行再次分級。

表2　先驗概率表

表3　各控礦要素證據權重值

圖5　后驗概率統計圖

2.3.2基于信息量法圈定與分級預測區

信息量法由維索科奧斯特羅夫斯卡婭、恰金先后提出的該方法也是在區域礦產預測中經常使用到的一種單變量統計分析方法[5,18-20]，其主要通過研究分析各控礦要素在空間上與礦體之間的關系來確定各控礦要素的所含信息量，進而反映研究區內各區塊對成礦的貢獻大小。在找礦預測模型指導下，采用找礦信息量法[5-6,21-22]進行系統分級與預測區圈定。信息量值的計算結果見表4。

預測區的分級就是對成礦有利單元與非成礦單元閾值的確定，閾值過大則圈定有利區塊太少且過于離散，無法確定預測區，而閾值過小則會導致圈定區域過大而對勘查工作失去指導意義，合理劃分預測區有著十分重要的意義。統計在后驗概率值為0.995約束下各級信息量的含礦率與礦塊比的關系如圖6所示。

由圖6(a)可以看出，隨著提高控礦條件(即升高信息量值)，滿足要求的塊體越來越少，但是含礦率卻在不斷升高，說明成礦有利的塊體正逐漸被搜索出來。根據實際情況，選取研究區內成礦有利與成礦無關的臨界值(即礦體比與含礦率交點處)2.75處劃分第一級成礦有利區(遠景區)，根據含礦率突變增大的臨界值2.9處劃分第二級有利區(信息量高值區)，根據含礦率增高后不再變化處3.2處劃分第三級有利區(找礦預測區)，可以看出已知礦體均存在于成礦遠景區與信息量高值區內，說明結果具有很高的可信度，對其進行三維空間展示如圖6(b)。信息量高值區主要集中到沿斷裂F13南東走向向Au3礦體深部區域延伸，根據實際空間分布、信息量高值區的聚散程度與實際地質情況劃分A級預測區1處，B級預測區2處，三個找礦預測區的三維空間分布情況如圖7所示。

表4　各控礦要素信息量表

圖6　信息量分級結果圖

圖7　預測區三維空間位置顯示

根據圖7，對各預測區的空間位置描述如下所述。A1-1：空間位置上處于斷裂F13與F14交匯處，有沿斷裂F13產狀及Au2礦體南東走向與霏細巖巖體向深部延伸的趨勢，貼合變輝綠巖深部產出位置。B2-1：沿Au2礦體與F13的傾向，在深部空間上處于A1-1預測區的西部。B2-2：貼近于Au2礦體的東南側尾部，較接近于地表，但截止于變輝綠巖斷裂出露位置。

2.4　結果分析

找礦概率評價是對整個三維成礦預測研究可信度的定量表征，本文參照前人研究選取的評價因子與權重值[23]，根據式(1)從資料基礎、工作程度、塊體大小、找礦預測模型、定位精度五個方面采用專家打分加權法對定位預測成果進行定量評價。

(1)

式中：Wi為專家打分權重值；Vi為評價因子。

由于研究區已知礦體僅出現在地表，故此以包含礦體且埋深較淺的B2-2預測區為代表對找礦預測模型精度進行評價，見表5。

綜合預測區內各控礦要素的礦塊比(即各控礦要素所含礦塊占總礦塊比值)，計算得出找礦預測模型精度為0.3866，帶回式(1)中計算找礦概率值，見表6。

經專家打分加權法計算，得出本次預測工作的找礦概率為47.10%。

表5　B2-2找礦預測模型精度評價

表6　找礦概率評價

3　結　論

1) 利用地表地質體界線控走向-實測剖面控輪廓-圖切剖面控形態-鉆孔數據控細節的建模方法，構建山西張旺羅框礦區地質體實體模型與塊體模型，成功利用模糊證據權法與找礦信息量法遞進結合的綜合預測方法圈定找礦預測區3處，說明該地區仍有一定的找礦潛力。

2) 找礦預測證明羅框礦區的主要控礦要素為斷裂構造及巖漿巖發育區域，這與實際勘查結果相一致。

3) 從找礦信息量高值區分布來看，Au2礦體東南部有沿斷裂向深部延伸的趨勢，后期應著重勘查Au2礦體東南淺部與Au3礦體深部F13與F14斷裂交匯處及附近，成礦條件優越，找礦信息量值高，對于區內深部找礦工作有一定的借鑒價值。