基于GIS的多元信息成矿预测研究在湖南锰矿预测中的应用

胡　桥， 陈建平, 向　杰

(1.中国地质大学(北京)，北京100083； 2.北京市国土资源信息研究开发重点实验室，北京100083)

基于GIS的多元信息成矿预测研究在湖南锰矿预测中的应用

胡桥1，2， 陈建平1，2, 向杰1，2

(1.中国地质大学(北京)，北京100083； 2.北京市国土资源信息研究开发重点实验室，北京100083)

摘要：应用GIS技术并结合地质、地球物理、地球化学、遥感等资料进行综合信息成矿预测是目前找矿的一个重要趋势。以湖南省锰矿资源成矿预测研究为例,在总结区域成矿规律的基础上,以地质异常致矿理论为指导,利用GIS平台提取地质、地球物理、地球化学等多元地质找矿信息,采用证据权模型进行多元找矿信息的综合,对湖南省的有利成矿区进行锰矿预测。

关键词：锰矿；GIS；多元信息；成矿预测；湖南

doi:10.3969/j.issn.1674-3636.2015.03.462

中图分类号：TP75;P618.32

文献标识码：A

文章编号：1674-3636(2015)03-0462-06

收稿日期：2015-06-12；修回日期：2015-07-21；编辑：蒋艳

基金项目：中国地质调查局地质矿产调查评价项目“地质勘查遥感系统集成与综合应用示范”(1212011120226)资助

作者简介：胡桥(1991—)，男，硕士研究生，地质工程专业，研究方向为矿产资源预测，E-mail：1208678953@qq.com

0引言

GIS技术的发展与成熟,为多元信息综合成矿预测奠定了良好的基础。在矿产资源预测过程中,通过地质、物探、化探、遥感等局部异常的分析研究，为找矿信息成矿预测提供依据。以湖南省为例，根据收集的地、物、化、矿产资料,在研究区域成矿规律的基础上,以地质异常致矿(赵鹏大等,1995)、综合信息矿产评价理论(王世称等，2000)为指导,利用GIS平台开展多元信息综合成矿预测研究(陈建平等，2008a),为湖南区域矿产资源的进一步勘探和开发提供科学依据。

1锰矿成矿条件分析

湖南是全国锰矿的重要产地之一，锰矿资源储量大且分布广泛。湖南锰矿产于多种地质成矿年代，其中以震旦纪、奥陶纪、二叠纪和第四纪为主(祝寿泉，1999)。湖南地跨扬子和华夏古陆块，大致在文家市—永兴—郴州一线形成1条俯冲碰撞型拼贴带，其北西侧属于扬子被动陆缘，南东侧为华夏陆块活动陆缘。省内侵入岩发育，与铁锰矿有关的岩体主要是燕山期花岗岩(祝寿泉，1999)，即侏罗纪—白垩纪花岗岩。玛瑙山式铁锰矿是在沉积成岩时形成的矿源层，经热液叠加改造而富集成矿。

2异常信息提取

2.1　地层异常信息的提取

2.1.1含锰地层通常将含有锰矿或含锰岩石的地层称之为“含锰岩系”，湖南与锰矿有关的地层主要是南华系大塘坡组(湘潭式锰矿)、奥陶系烟溪组(响桃园式锰矿)、二叠系孤峰组(东湘桥式锰矿)及泥盆系棋子桥组(玛瑙山式铁锰铅锌银矿)(图1)。

图1　地层与锰矿点叠加图Fig.1　Superposition of strata with manganese ore occurrences

2.1.2地层组合熵熵在统计学中作为各种随机试验不肯定程度的度量，反映事物发生的不确定度。在地质应用中，地质构造特征越复杂，其不确定度越大，即熵值越高。地层组合熵的计算公式如下：

(1)

式(1)中，p为变量数，n为单元总数，xij为第i个单元第j个变量的取值(原始数据)，对数log可以取自然对数或者以10为底的普通对数等。

统计不同地层组合熵值区间内的矿点个数，落入地层组合熵值为[68,71]区间内发热矿点约占总体矿点数目的63.8%。因此选取地层组合熵区间[68,71]为锰矿成矿有利区间(图2)。

图2　地层组合熵与锰矿点叠加图Fig.2　Superposition of stratigraphic combination entropy with manganese ore occurrences

2.1.3地层复杂度地层复杂度即地层种类数，是对研究区单元网格内地层种类的统计。地层复杂度不但可以反映出区域大地构造背景特征，而且还可以显示出局部地层异常区段。

统计发现，约占72.5%的矿点落在复杂度为30～40和50～60的区间。因此，选取矿床(点)集中的区间[30,40]和[50,60]作为地层复杂度的异常区间(图3)。

图3　地层复杂度与锰矿床(点)叠加图Fig.3　Superposition of formation complexity with 　　manganese ore deposits (occurrences)

2.2　构造信息的提取

2.2.1断裂缓冲区湘西北地区建造已发生强烈的区域变质，构造活动强烈，形成紧闭型褶皱和断裂。对湖南地区的深大断裂做5 km的缓冲区分析，再叠加矿床(点)图层(图4)，统计发现约占65.7%的矿点散落在湖南深大断裂的5 km缓冲区内，说明在断裂一定距离之内的范围是锰矿形成的一个非常重要的控矿构造因子。

图4　锰矿床(点)与深大断裂构造缓冲区叠加图Fig.4　Superposition of manganese ore deposits (occurrences) with deep fault buffer

2.2.2构造复杂度构造复杂度是指单元网格中断裂构造的条数(不论方向)，反映区域线形构造的复杂程度。经统计，起始值为0.625、1.875的区间赋存的锰矿床(点)较多。因此选择[0.563，0.750]和[1.688,1.875]区间的构造复杂度作为锰矿形成的有利成矿因子(图5)。

图5　锰矿床(点)与构造复杂度叠加图Fig.5　Superposition of manganese ore deposits (occurrences) with structural complexity

2.3　地球化学信息异常的提取

将湖南省内的Mn元素化探异常图与矿床(点)图作相交分析，发现约75%的矿点处在Mn元素化探异常的位置(图6)，根据Mn元素确定的异常下限，进行元素化学异常信息提取，选取其异常信息图层作为成矿预测因子之一。

图6　锰矿床(点)与Mn元素异常叠加图Fig.6　Superposition of manganese ore deposits (occurrences) with Mn elemental anomaly

2.4　地球物理信息的提取

2.4.1布格重力异常全省重力场以麻阳—南县—湘潭—衡阳弧形重力值高尤为明显，利用矿点与异常面文件进行相交分析，将面文件异常值赋给矿点，然后按属性统计矿点的个数累计，重力值在602×10-5～709×10-5m/s2的最有利于成矿(图7)。

图7　布格重力异常与矿床(点)叠加图Fig.7　Superposition of bouguer gravity anomaly with ore deposits (occurrences)

2.4.2剩余重力异常通过对已有锰矿点与上述布格重力场分布的耦合分析，重力值在29×10-5～342×10-5m/s2与2 853×10-5～3 167×10-5m/s2的区间最有利于成矿。利用矿点与异常面文件进行相交分析，将面文件异常值赋给矿点，然后按属性统计矿点的个数累计，圈定异常区间范围，并对数据进行统计，作出研究区的重力成矿有利异常区间(图8)。

图8　锰矿床(点)与剩余重力异常叠加图Fig.8　Superposition of manganese ore deposits (occurrences) with residual gravity anomaly

2.5　航磁异常信息提取

通过对已有锰矿点与航磁等值线的耦合分析，利用矿点与异常面文件进行相交分析，将面文件异常值赋给矿点，然后按属性统计矿点的个数累计，航磁异常值值在-35～80 nT与195～541 nT区间的矿点约占总数的82%，因此设定该航磁异常区间为圈定异常区间(图9)。

图9　航磁等值异常与矿点叠加图Fig.9　Superposition of aeromagnetic anomaly with ore occurrences

3基于GIS的矿产资源预测与评价

运用3S技术以及相应的软件作为平台，在提取地质、物探、化探基础信息的基础上，运用数理统计分析方法，分别建立、提取和筛选地层、构造、重力、地球化学和遥感数据等多源数据成矿信息标志(陈建平等,2005；叶天竺等,2007)，使用证据权重法(Agterberg et al,1993；Cheng et al,1999)进行研究区成矿远景区定量预测与评价。

3.1　证据层的选择

将矿床(点)与各证据图层叠加分析认为，研究区内锰矿形成的主要控矿因素取决于以下几个方面。(1) 赋矿地层：大塘坡组(湘潭式锰矿)、奥陶系烟溪组(响桃园式锰矿)、二叠系孤峰组(东湘桥式锰矿)及泥盆系棋子桥组(玛瑙山式铁锰铅锌银矿)；(2) 有利地层组合熵、有利地层复杂度等证据因子；(3) 线性构造带发育：断裂缓冲区、构造复杂度异常等证据因子；(4) 有利地球化学异常：Mn元素异常因子；(5) 有利地球物理异常：有利重力异常圈、有利航磁异常圈。

3.2　证据权法计算

3.2.1先验概率先验概率计算， 即根据已知矿点分布，计算各证据因子单位区域内的成矿概率。总之，证据因子的先验概率估算是计算证据因子存在区域中的矿点像元、非矿点像元所占的百分比。

3.2.2权重对任一个证据因子二值图像权重定义为:

(2)

(3)

式(2)、(3)中，W+、W-分别为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域权重值为0，计算结果见表1。

用C表示证据层与矿床(点)证据层的相关程度，C定义为：

C=W+-W-

(4)

表1　湖南省矿产资源预测证据因子权重值

3.2.3后验几率证据权重法要求各证据因子之间相对于矿点分布满足条件独立。对于n个证据因子，若它们都关于矿点条件独立，后验几率对数为:

(j=1,2,3,…,n)

(5)

后验几率表示为：

(6)

根据式(5)，后验概率为:

(7)

对于证据权，最终结果是以后验概率图的形式表达的组合图。证据权法的优点在于权的解释相对直观，并能够独立确定，易于产生重现性。

3.2.4后验概率证据权法的预测评价结果是成矿后验概率图(图10)，其值在0～1之间，后验概率值的大小对应着成矿概率的大小。

图10　湖南省锰矿预测后验概率与锰矿床(点)叠加图Fig.10　Superposition of posterior probability with manganese ore deposits (occurrences)

4结论

以湖南省锰矿资源多元信息综合预测为实例,论述多元综合信息成矿预测的技术流程,取得了良好的预测效果。

(1) 在矿产预测中,利用计算机技术从地质、物探、化探等多元信息中提取成矿信息,特别是利用物探资料对隐伏信息进行反演与提取,在GIS平台下进行成矿信息关联与综合,能取得较好的预测效果,是未来矿产资源预测与评价工作发展的方向。

(2) 从锰矿预测后验概率与锰矿床(点)叠加的最终结果来看，湖南具有良好的成矿潜力。有利区多位于大量已知矿床发育的地段或周围区域,证明在已知矿区的外围具有良好的找矿前景。

(3) 根据研究区内锰矿成矿地质条件、矿床地质特征等，湖南省锰矿勘查的主攻类型应以湘潭式(大塘坡组)、东湘桥式(孤峰组)、响涛源式(烟溪组)沉积型锰矿为主，玛瑙山式沉积改造型锰矿为辅。

(4) 湘中—湘西南分布有前震旦系板溪群、震旦系、奥陶系和二叠系的含锰层位，并且已发现多处富锰矿床(点)。因此，在湘潭、湘乡、宁乡、涟源、桃江一带是寻找下震旦统莲沱组(湘潭式)含锰岩系表生风化锰帽型和淋滤型矿床的找矿区域。

(5) 湘南位于湘桂粤北海西印支坳陷的浅海陆棚局限盆地中,普遍沉积有二叠系含锰层位，同时有泥盆系和石炭系含锰层位。区内燕山期火成岩及断裂构造十分发育,有利于热液对含锰地层中锰及其他金属的改造或富集。且对应锰矿预测后验概率与锰矿床(点)叠加图可发现，湘南虽然存在大量已知矿床(点)，但仍具有很大的找矿潜力。

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CHENG QIUMING, AGTERBERG F P.1999.Fuzzy weights of evidence method and its application in mineral potential mapping[J].Natural Resources Research,8(1):27-35.

Application of multi-information metallogenic prediction based on GIS to manganese ore prediction in Hunan Province

HU Qiao1，2， CHEN Jian-ping1，2, XIANG Jie1，2

(1.School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083; 2.Key Laboratory of Land Resources Information Research & Development in Beijing， Beijing 100083， China)

Abstract：Application of the GIS technology combined with comprehensive geological, geophysical, geochemical and remote sensing information to do metallogenic prediction data is an important trend of the present prospecting. Taken the manganese ore prediction in Hunan as an example, the study used GIS platform to extract geological, geophysical and geochemical multivariate information, and utilized the weights of evidence modeling to integrate this comprehensive information to predict the favorable prospecting areas, based on the summary of regional metallogenic regularity and ore geological anomaly theory.

Keywords：manganese； GIS; multivariate information； metallogenic prediction； Hunan