基于证据权重法的海南岛金多金属矿成矿预测研究

吴传军，许德如，郭 涛，周迎春，侯茂洲，周岳强

(1.中国科学院广州地球化学研究所矿物学与成矿学重点实验室，广州510640;2.中国科学院大学地球科学学院，北京100049;3.中国地质科学院地质力学研究所，北京100081;4.海南省地质调查院，海口570206)

0 引言

随着地表矿、浅部矿及易识别矿的日益减少，找矿难度日益增大，矿产预测评价方法逐步向综合利用地-物-化-遥等多源找矿信息的方向发展。GIS技术以其强大的空间数据管理、查询、综合分析及可视化功能，成为了多源找矿信息提取与综合的有利工具［1～2］。证据权重法作为GIS技术支持下常用的矿产资源评价方法之一，具有简单、适用、模型精细等优点，广受地质学家的重视和推崇。该方法最早由加拿大数学地质学家Agtxrbxrg和Bonham-Carter［3～4］提出，后经国内外众多学者的长期探索，目前已趋于成熟［5～7］。其原理主要是以计算各种地质因素及找矿标志的权重大小 (即找矿指示作用大小)为基础，利用Bayes先验概率与后验概率转换的相互关系，定量计算预测单元成矿后验概率的大小，从而达到快速圈定资源预测靶区的目的［8～11］。

海南岛经过多年的找矿勘查工作，积累了大量的基础地质资料。为科学有效地组织和利用这些资料，提高找矿效果，利用基于GIS技术的现代多源信息综合成矿预测研究势在必行。本文在广泛收集地、物、化、遥、矿产资料，系统总结研究区区域成矿规律的基础上，利用GIS平台分析并提取了地质、物探、化探、遥感等多源有利找矿信息，建立了海南岛金多金属矿证据权重预测模型，开拓性地对研究区金多金属矿进行了定量和定位分析。

1 区域地质概况

海南岛是中国第二大岛屿，以琼州海峡与大陆相隔，面积约3.4×104km2。大地构造位置上处于太平洋板块、印度—澳大利亚板块和欧亚板块三者结合部位［12］，是我国环太平洋构造-岩浆-成矿带的重要区段，成矿条件优越，以金矿资源最为丰富。截止2010年底，累计探明主要矿种金属储量为:金144 t，银矿94 t，钨矿0.25×104t，钼矿2.9×104t，铜矿12 ×104t，铅锌矿42 ×104t。

海南岛地层出露较全，除缺失蓟县系、泥盆系及侏罗系外，其余地层皆有出露［13］。中元古界为一套年龄约为1400～1600 Ma的片岩、片麻岩系，主要由花岗质古侵入体、碎屑岩等经中深变质形成的斜长角闪片麻岩、石英云母片岩组成［14］;新元古界为一套浅海-澙湖相火山碎屑和碳酸岩建造，仅分布于岛西部石碌地区［15］;古生界为一套具类复理石韵律沉积的砂泥质岩石建造，岩石类型主要为板岩、千枚岩等浅变质岩石;中新生界未遭受明显变质作用，主要由中生界火山碎屑岩、砂岩及新生界基性火山岩、松散沉积物等组成。自二叠纪以来，海南岛先后经受海西—印支、燕山构造-岩浆活动影响，发生了强烈的花岗岩浆侵入。同时，燕山晚期还伴随大规模的火山活动，形成了一系列由火山断陷盆地组成的火山岩带。新生代岛北喷发了大面积的第三系玄武岩 (见图1)。区内构造发育，其构造特征表现为:在东西向构造格局之上叠加了北东及北西向构造，组成了海南岛的基本构造格架，格架之内往往有中生代沉积盆地。这样的构造格局及相关的沉积作用、岩浆活动和变质作用对海南岛金等多金属矿产的形成起着决定性控制作用。

2 金多金属矿成矿规律及成矿特征

海南岛金、银、铜、铅锌、钨、钼多金属矿主要属于岩浆热液型、斑岩型和火山岩型，成矿时代以中生代印支期为主，燕山期次之，不同成矿时期相应矿化强度及矿化类型不尽相同，印支期以金矿化为主，燕山期以钼矿化为主。矿床具有明显的空间分带性，其一是分布在王五—文教断裂及九所—陵水断裂之间的金、钼、银、铅锌矿化，以岩浆热液型、斑岩型为主;其二是分布在九所—陵水以南的铜、金、铅锌矿化，以火山岩型为主。中生代印支期及燕山晚期壳源重熔型花岗岩、次火山岩、火山机构及韧性、脆韧性剪切带与成矿关系密切。

印支期矿化主要为金、银、铅锌组合，与印支期花岗岩浆热液活动密切相关，主要发生在琼西及白沙坳陷带。琼西以金矿化为主，伴有弱的铅锌、银矿化，主要受印支期钾长花岗岩、二长花岗岩及北东向韧性剪切带共同控制。北东向戈枕大型韧性剪切带发育于中元古代抱板群之上，在印支期岩浆活动作用下，上述中元古界成矿组分进入成矿流体，并最终在韧性剪切带中沉淀［16～21］，如二甲金矿、红甫门岭金矿、抱板金矿等。少数矿床受发育于古生界浅变质岩中北西向及近东西向断裂控制，如抱伦金矿、王下金矿，成矿物质可能来源于古生界或来自于花岗岩浆［22～23］。白沙坳陷带矿化类型包括钨、锡、金、银等，主要受印支期二长花岗岩控制，但矿化总体十分微弱。

图1 海南岛地质简图［12］Fig.1 Generalized geological map of the Hainan Island

燕山期矿化类型主要包括钼、金、银、铜、铅锌矿化，在琼南同安岭—牛腊岭盆地、雷鸣盆地、白沙盆地及昌江、琼海、乐东等地均有分布，但矿化类型及成矿作用不尽相同。九所—陵水断裂以南，发育与中酸性火山—次火山岩浆活动有关的铜、金、银、铅锌矿化组合，主要分布于琼南同安岭—牛腊岭白垩纪火山岩盆地之中，矿床赋存于盆地低级序断裂之中，如岭壳铜铅锌矿，成矿作用发生于燕山晚期。在尖峰—吊罗与九所—陵水深大断裂之间，主要发育钼、铜、金、铅锌、银矿化组合，构成石门山—看树岭钼多金属成矿区，矿床受低级序北西向、近南北向断裂和燕山晚期花岗斑岩共同控制。琼北白垩纪陆相盆地中发育金、银矿化组合，矿化受同沉积顺层断裂及燕山晚期侵入岩共同控制［24］。此外，琼西还发育与燕山晚期黑云母钾长花岗岩有关的钨、锡、铅锌、银、金矿床成矿系列，白沙凹陷带中也发育与燕山晚期岩浆热液作用有关的铅锌矿化，但两个矿化系列组合均相对较弱。

3 证据权重法原理及应用步骤

3.1 证据权重法原理

证据权重法基于概率不确定性及Bayes律，通过对一些与成矿相关的地学信息的复合叠加分析来进行资源预测靶区的圈定。该方法针对空间决策分析特点作了重大的改进，如目标图层的定义、图层权系数的确定、图层独立性的检验等，因而在矿产资源评价中有着广泛的应用［25～26］，其原理主要涉及先验概率和条件概率计算、先验似然比及后验似然比计算、地质证据因子权重及相关系数计算等方面。

3.1.1 先验概率和条件概率计算

首先对研究区进行统计单元划分，以便建立起评价区资源特征与地质变量之间的统计关系。假定T为研究

评价区矿床出现的先验概率为:

当地质证据因子j存在时，矿床出现的条件概率为:

当地质证据因子j存在时，矿床不出现的条件概率为:

当地质证据因子j不存在时，矿床出现的条件概率为:

当地质证据因子j不存在时，矿床不出现的条件概率为:

3.1.2 先验似然比及后验似然比计算

研究区矿床出现的先验似然比为:

研究区地质证据因子j存在时，矿床出现的条件似然比为:

研究区地质证据因子j不存在时，矿床出现的条件似然比为:

3.1.3 地质证据因子权重及相关系数计算

对任意一个地质证据因子j的权重值定义为:

3.1.4 研究区任意统计单元后验概率计算

证据权重法要求各个地质证据因子之间相对于矿床 (点)的分布满足条件独立，对于n个地质证据因子，若它们都关于矿床 (点)条件独立，则:矿床出现的后验似然比可表示为:

矿床出现的后验概率为:

后验概率表明了统计单元矿床产出的可能性，其值越大，表示寻找该类矿床的潜力越大，将后验概率依值大小制作成图，即为研究区的成矿潜力图［26］。

3.2 证据权重模型应用步骤

证据权重模型的建立及应用可分为4个基本步骤:

①通过区域成矿地质背景及成矿规律分析，建立地质因素与矿化的关系，用于指导有利证据因子的选择。

②将各个证据因子与矿床 (点)一起做空间分析处理，计算证据因子的权重值W+、W-，并对有利证据因子进行优化修正。

③对优选后的证据因子进行条件独立性检验，去除相关性过高的证据因子，进一步对证据因子进行优化及修正。

④应用Bayes法则及证据权重模型计算各网格单元的后验概率值，生成矿产资源潜力图。

4 预测变量分析与提取

本文系统收集了研究区多源地学数据，包括区域地质 (1∶250000)、地球物理 (1∶200000)、地球化学 (1∶200000)、遥感、区域矿产等数据资料。这些多源地学数据由MAPGIS 6.7统一集中管理，并利用MRAS软件进行成矿信息的分析、提取及有机综合，最后采用证据权重模块进行后验概率的计算。

4.1 基础地质信息与成矿分析

研究区金多金属矿化与印支期及燕山晚期中酸性—酸性侵入及火山活动密切相关，当这些侵入岩及火山—次火山热液侵入上覆地层中时，可以促使其中的成矿物质活化、迁移。区域成矿规律及相关研究表明，与矿化相关的地层主要有中元古抱板群深变质岩、古生界浅变质岩以及白垩纪陆相火山沉积岩。因此从1∶250000地质图中提取出印支期、燕山晚期花岗岩体以及中元古抱板群、古生界浅变质岩及白垩系火山沉积岩等作为成矿有利地层因子。

研究区金多金属矿化还受构造带控制，包括断裂、褶皱和剪切带。本文为研究断裂及褶皱构造的影响范围，分别对其做缓冲区分析，结果表明当缓冲半径为6 km时，深大断裂缓冲带和已知矿床 (点)相关度最大;当缓冲半径为2 km时，次级断裂缓冲带和已知矿床(点)相关度最大;当褶皱轴部为1 km时，褶皱轴缓冲区与已知矿床 (点)相关度最大，将缓冲后的证据层作为成矿有利预测因子。

此外，前苏联学者A H布加耶茨等提出:“最重要的矿床赋存于地壳中具有异常低值结构性质组合的地段，因此，对象的异常组合应该是最有远景的”［27］。本文利用MRAS软件对海南岛地层组合熵进行了计算，从已知矿床 (点)分布来看，约有79.68%的矿床 (点)落在地层组合熵值为40～80的梯度带上 (见图2)。从热液型矿床成矿模式分析，这可以理解为组合熵值最大的区域通常是地质构造复杂度最高的区域，是构造活动最强的区域，往往不利于矿床的保存，而组合熵最小的区域通常是地质构造最弱的区域，也不利于矿床的产出［11］。

图2 海南岛地层组合熵异常图Fig.2 Entropy anomalies of the strata in Hainan Island

4.2 地球物理信息与成矿分析

重磁场信息具有较深的穿透性，能够用于揭示地壳深部地质构造特征，被广泛地应用于基础地质研究和资源评价中［28］。本次收集了1∶200000区域航空磁测资料，并采用中国地质调查局发展中心研制的RGIS重磁软件进行了航磁ΔT化极及垂向一阶导数处理。

在航磁ΔT等值线图 (见图3)中磁场表现为如下特征:①研究区南部万宁—陵水—三亚—崖城—感城出现强度和梯度变化都很复杂的正负伴生异常区，该异常区以崖城为界，西部呈北西走向，东部呈北东走向，总体上与同安岭、牛腊岭中生代火山岩盆地以及该区岩体基性成分增高有关;②在王五—文教断裂以南、九所—陵水断裂以北的琼中地区，出现无固定走向的航磁正负异常伴生区，在儋州、白沙、乐东一带，北东东轴向条带状或短轴状小规模航磁异常，为海西—印支期酸性岩体引起，昌江、屯昌、尖峰、保亭、黎母岭等地呈北东东或北西向分布短轴状磁力低，为燕山晚期酸性、中酸性岩体引起，而位于其间的低缓磁异常区，通常是古生代—元古代变质岩的反映;③位于王五—文教断裂以北的临高、海口、文昌等地出现低值负背景场中叠加有不同方向次一级正异常，背景场为雷琼断陷盆地弱磁性基底岩石引起，次级负异常反映玄武岩的分布。在航磁ΔT化极等值线平面图基础上进行了垂向一阶导数处理，经与矿点叠加 (见图4)发现，矿床 (点)产于-50～100 nT区间，可将该区间值作为找矿证据层。

4.3 地球化学信息与成矿分析

图3 航磁ΔT化极等值线平面图Fig.3 A contour map of aeromagneticΔT

图4 航磁ΔT化极垂向一阶导数平面图Fig.4 A contour map of vertical first derivative of aeromagneticΔT

地球化学异常是一种比较直接的找矿信息，它在很大程度上直接反映了致矿地质异常及矿体的特征，本文利用1∶200000地球化学扫面数据资料，选取主成矿元素Au、Mo、Pb、Zn、Cu及Ag进行地球化学异常提取，提取过程中采用正态和对数正态逐步截尾法进行异常下限值的确定［29］。基本过程分为3步［27］:①求原始数据n个样本的均值x，均方差s，并对其做正态或对数正态分布检验。如不服从标准分布，则将观测值大于均值加3倍均方差的数据删除;②再次计算均值与方差，检验保留数据的标准分布，如仍不服从标准分布，再将预测值中大于均值加3倍均方差的数据删除;③重复上述步骤，直至保留数据服从标准分布，采用平均值加2倍方差标准来确定异常下限值，将主成矿元素Au、Mo、Pb、Zn、Cu、Ag各单元素异常作为有利找矿因子。

4.4 遥感图像处理与成矿分析

岩石是由数种 (或一种)主要矿物组成，这些矿物均有各自独特的光谱特征，矿化蚀变作为热液型金属矿床找矿的重要标志，其本身也具有独特的光谱特征，这就是利用遥感信息提取各种矿化蚀变的主要依据［30～31］。遥感蚀变异常信息主要有2种，分别为羟基蚀变异常和铁染蚀变异常。前者是由OH-和CO2-3等基团振动产生的异常，后者是由Fe3+等阳离子电子过程产生的异常［30］。海南岛金多金属矿床受印支期、燕山期岩浆热液活动影响，绿泥石化、绿帘石化、绢云母化、碳酸岩化、褐铁矿化蚀变现象比较普遍，可大致分为含Fe3+离子矿物及含OH-和CO32-等基团矿物，是研究区提取矿化蚀变异常信息的基础。

本次研究收集了1999年11月2日Landsat-7的EM/ETM影像，其云层覆盖少于5%，没有重要地物覆盖，相邻影像之间有不少于图像宽度4%的重叠，通过对影像分景进行植被、水体、盐碱地、云、阴影等一些掩膜处理后，在ENVI和ERDS平台上对其进行了蚀变信息提取 (见图5、图6)，并将提取的蚀变信息作为有利的找矿证据因子。

图5 遥感羟基异常蚀变信息图Fig.5 A hydroxyl alteration anomaly map extracted from ETM data

图6 遥感铁染异常蚀变信息图Fig.6 An iron alteration map extracted from ETM data

此外，遥感推测环状构造信息也是重要的找矿证据权因子。它的形成与各种岩浆侵入、火山喷发密切相关，这一特性决定了环状构造与成矿作用有着必然的联系。本次研究利用遥感影像对隐伏的环形构造进行了解译，识别出地表无法识别或遗漏的构造信息，有效的弥补了地面工作的不足。

5 成矿预测

5.1 网格单元的划分

在矿产资源评价过程中，统计单元是建立评价区资源特征与多元地质信息的桥梁，也是统计分析的基础。统计单元划分方法主要有网格单元法、地质体单元法、物化遥异常单元法等。其中，网格单元法主要应用于中小比例尺预测，划分的关键问题是单元大小的选择，单元面积越大，不含矿点或含一个矿点的单元数就越少，矿点趋向于均有分布，反之，趋向于随机分布。影响网格单元大小的因素可概况为:①统计预测研究所要求精度或比例尺大小;②研究区地质条件复杂程度、矿点数及其空间分布;③研究范围大小及保证统计分析所必须的单元数［9，32］。

本次成矿预测采用1∶200000比例尺，统计单元划分采用网格单元法。利用金、钼、铅锌等多金属矿床 (点)的空间分布作为网格单元划分的基础，为使每个单元至多只有一个矿床 (点)，采用2 km×2 km的网格单元划分方案，网格划分的方向与海南岛主要构造线方向平行，即网格单元平行于东西方向。共将研究区划分为15410个基本单元，实际有效单元为8412个。

5.2 证据权重模型的建立

综合信息找矿预测的证据权重预测模型即是根据已知矿床点与综合信息预测变量之间的条件概率来确定每种变量的权重值，然后推广到全区，实现多源信息对评价矿种、类型的预测［33］。根据上述有利找矿证据因子分析，最后将20个证据因子作为预测变量，并计算各预测变量与成矿的相关程度 (即预测变量的权重值)，以此来对研究区内各单元进行成矿概率计算 (见表1)。

表1 地质证据因子先验概率及权重值Table 1 Prior probability and weighing values of geological evidence factors

表中正权重值反映了各个预测变量存在时的权重值，负权重值反映了各个预测变量缺失时的权重值，C值反应了各个预测变量与矿床点产出状态之间的关联性强弱，通过正负权的差值大小来进行衡量，C值大表明该预测变量的找矿指示性好，C值小表示指示性差。

5.3 成矿远景区圈定

利用MRAS软件对表1中的20个证据因子进行显著性水平为0.05的条件独立性检验［34］，显示了较好的条件独立性，因此将其全部参与后验概率的计算，将后验概率计算值分3级 (即后验概率≥0.5，0.3≤后验概率＜0.5，0.1≤后验概率＜0.3)，并与矿床 (点)套合显示输出 (见图7)。由图7可知，大于90%的矿床一致落在后验概率≥0.1的网格单元内，且大部分矿床落在后验概率较大的网格单元，说明预测结果具有较高的准确性。

图7 海南岛金多金属矿预测后验概率色块图Fig.7 A color block map of posterior probability for gold polymetallic prognosis in Hainan Island

根据上述预测结果，笔者结合地质矿产等有关情况，共圈定了31个预测远景区，按成矿有利程度划分成了A、B、C三级，其中A级3个，B级4个，C级24个。A级预测区为成矿条件十分有利、可优先安排矿产预查的地区;B级预测区为矿床条件有利、可考虑安排地质工作的地区;C级预测区具有成矿条件、推断具有一定资源潜力的地区 (见图8)。

图8 海南金多金属矿预测远景区Fig.8 Prospective areas of gold polymetallic deposits in Hainan Island

6 结论

经过多年的找矿勘查工作，海南岛积累了大量的地质资料。本文应用MRAS平台证据权重模块首次将这些资料进行了详细分析与综合处理，圈定出岛内金等多金属矿床找矿预测靶区，取得了良好的预测效果。

基于GIS技术的成矿预测彻底改变了传统成矿预测的方法体系，能够快速地将大量的找矿信息进行关联与综合，并可以实现从地质找矿模型到数学模型的转换，提高了成矿预测的效率和数据综合利用的程度。

本次预测共圈定A级预测区3个，B级预测区4个，C级预测区24个，预测结果与已知矿床 (点)套合比较理想，说明了该方法具有较高的准确性。根据圈定结果，除了与戈枕剪切带成矿有关的戈枕、不磨预测区之外，王下、江边、雷鸣盆地、中建农场以及琼南看树岭—英州等地也显示了良好的找矿前景，应在以后的找矿勘查工作中引起重视。

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