基于模糊证据权与信息量的隐伏矿体三维预测:以山西罗框研究区为例

2018-07-12张权平陈建平朱月琴

中国矿业 2018年7期

张权平，陈建平，胡　彬，朱月琴

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083；2.北京市国土资源信息开发研究重点实验室(中国地质大学(北京))，北京 100083；3.国土资源部地质信息技术重点实验室，北京 100037；4.中国地质调查局发展研究中心，北京 100037)

矿产资源预测一直是国内外数学地质科学研究的前沿问题，也是世界上其他国家实现找矿突破及矿产资源潜力评价的重要内容，更是实施科学找矿勘探的重要途径和方法[1]。随着高新技术的高速发展，矿产资源预测进入了新阶段，利用计算机建模技术和地质统计学方法进行隐伏矿体三维预测成为矿产勘查领域的主流趋势[2]，三维地质建模技术的发展，为海量化的地质勘探数据提供了可视化平台，得到了学术界的广泛研究与认可[3-4]。陈建平等[5]提出了基于三维可视化技术的“立方体预测模型”找矿方法，并在山东焦家、云南个旧等地取得了很好的应用效果[6-7]；杨帆等[8]、贾文娟等[9]利用自主研发的预测软件GeoCube在河南栾川等地进行三维预测；毛先成等[10-13]提出了基于三维地质建模和三维空间分析的深部隐伏矿体三维预测方法与技术框架并在福建丁家山铅锌矿、甘肃金川铜镍矿等地的深部找矿预测工作中取得良好效果。

本次研究以成熟的三维地质可视化软件Surpac为平台，在地质异常理论指导下，构建三维地质可视化模型，提取有利控矿要素，建立山西浑源罗框矿区找矿预测模型，采用模糊证据权方法对研究区进行成矿远景区圈定，在此基础上利用找矿信息量法划分预测区，评价找矿概率，为下一步的勘查工作指出方向。

1　研究区地质背景

山西浑源张旺矿区处于吕梁-太行断块的五台块隆之恒山-五台山穹状隆起北缘，阴山构造带以南，太行-燕山造山带中段北西侧[14]，受东西向燕山造山作用和太行山造山运动的双重影响[15]，区内断裂构造发育，岩浆活动强烈，岩浆岩分布广泛，为内生金属矿产的形成创造了有利条件，并形成了以金矿、银矿为主的尧峪、张旺多金属矿成矿区，成矿地质条件有利。

图1　罗框地区地质图

研究区内断裂以北西-北北西向断裂为主，倾向南西或北东，断裂带内可见高岭土化、绿泥石化及褐铁矿化，已探明矿体产于断裂带附近，断裂控矿因素明显。变辉绿岩呈岩墙状产出，南北向贯穿罗框研究区，受断裂控制明显。霏细岩接近贯穿于罗框研究区，走向南东呈脉状侵入到灰色片麻岩中，同时切穿走向北西的变辉绿岩墙，在空间上与矿体产出位置有很大的关联性。根据实际研究，认为成矿热液来源主要为岩浆期后热液，矿质来源主要为岩浆期后热液的广泛活动，使Au、Ag等成矿元素活化转移，在次级构造破碎带空间富集成矿。

2　三维成矿预测

2.1　数字矿床模型建立

数字矿床为矿床的信息模型，是一个以地理坐标为依据的、数字化的、三维显示的虚拟矿床，其核心思想是利用数字化的手段整体地解决矿床及其与空间位置相关的信息的表达与知识管理。地质实体模型是二维地质调查资料的三维可视化，本次研究中模型建立采用地表地质体界线控制走向、实测地质剖面图控制轮廓、图切剖面图控制整体、钻孔数据控制细节的方法，利用主流的三维地质建模软件Surpac构建张旺矿区内的地表、岩体、构造、矿体信息的三维可视化实体模型(图2)。

图2　罗框数字矿床模型构建

2.2　成矿有利信息提取

在建立各地质体的实体模型后，采用网格化方法将整个研究区建立成形状大小均相同的均质体组合(后续称块体)，并将各地质体定量化赋予每一个块体，而后将与矿体相关的信息提取出来，建立山西张旺矿区的找矿预测模型。

2.2.1有利岩体信息提取

金矿的形成与岩浆岩的强烈活动密不可分，岩浆岩的形成可为矿体沉积提供热源及成矿物质，岩体的缓冲区及有利岩性是提取有利岩体信息的关键变量[1]。这里对岩浆岩本身的含矿性与岩浆岩影响区域(即岩浆岩缓冲区)与矿体的关系进行分析提取，构建不同各尺度下的岩体缓冲区并与矿体进行叠加分析。选取含矿率与矿块比都相对稳定区间作为优益区，经分析，花岗闪长玢岩在本研究区不作为控矿要素(图3(a))，霏细岩140 m缓冲区(图3(b))及变辉绿岩40 m缓冲区(图3(c))可作为岩体的有利控矿要素。

图3　岩体成矿有利区提取

2.2.2断裂有利信息提取

断裂活动对成矿特别是内生矿产的生成具有重要的影响，构造活动控制着岩浆热液的侵入，同时也控制了热液的运移，为矿床的成矿流体提供了直接运移通道，构造的发育对矿化富集与矿床的分布也具有明显的控制作用，构造的多期活动可以产生多期矿化叠加，成矿后的构造发育对矿体表现为改造作用和矿床保存条件的破坏作用[1,6]。研究区内构造活动强烈，区内的断裂为矿源物质移动提供运移通道，并且在断裂周围一定空间内形成的大量脆性断裂，这将构成封闭性良好的成矿空间。这里选用构造中心对称度描述岩浆热液的侵入与分异，断裂缓冲区描述断裂周围优益成矿空间，主干断裂描述深大断裂的发育程程。通过统计分析，提取断裂40 m缓冲区、中心对称度(0.119993,0.319974)、主干断裂(0.001495,73.216319)与构造异常方位(0.994131,1.008126)作为有利控矿要素(图4)。

2.2.3找矿预测模型

提取各控矿要素的优益区间后，结合实际资料构建研究区找矿预测模型，见表1。

2.3　矿体定位预测

本次研究采用模糊证据权法确定成矿有利远景区，信息量法对远景区分级提取预测区。

图4　构造优益区间提取

表1　找矿预测模型

控矿要素成矿预测因子定量表征岩体有利岩体变辉绿岩、霏细岩条件岩体周边影响区变辉绿岩40 m缓冲区霏细岩140 m缓冲区构造带发育特征主干断裂(0.0015,73.2163)构造断裂周边破碎带断裂40 m缓冲区条件构造岩浆活动特征中心对称度(0.1200,0.3200)构造方位特征构造方位异常度(0.9941,1.0081)

2.3.1基于模糊证据权法圈定找矿远景区

作为矿产资源定量评价和成矿预测的最常用的模型之一，证据权模型(WofE)被国内外学者广泛应用于多元信息综合和空间信息决策支持系统，在我国也同样有着广泛的应用领域[16]。CHENG等[17]在1999年基于普通证据权法发展了模糊证据权，克服了普通证据权法在计算离散信息图层时会造成信息丢失的缺陷。

在已建立起的找矿预测模型中，将成矿有利要素区间作为证据图层加入模糊证据权图层，计算各证据图层的先验概率及各证据图层的正负相关性及权重值，见表2和表3。

由表3中得知霏细岩140 m缓冲区、断裂与主干断裂对矿块影响的权重值很大，说明强烈的岩浆活动与构造活动对罗框矿区金矿体的形成起着很大的作用。对研究区内块体计算后验概率，并统计各后验概率值分级的累积含矿率，如图5所示。

从图5(a)可以看出，随着提高后验概率值的要求，圈选出的有利块体含矿率也在不断升高，在0.99～0.995出现了比较大的升高台阶，在含矿率导数变化曲线中(图5(b))，看出0.995处的导数值相比之前达到最高，故此可认为在后验概率值到达0.995处时有利块体的含矿率变化达到了峰值，选取研究区中后验概率值大于0.995的块体作为有利块体圈定成矿远景区(图5(c))。但是圈定范围比较大，对此使用信息量法对远景区进行再次分级。

表2　先验概率表

表3　各控矿要素证据权重值

图5　后验概率统计图

2.3.2基于信息量法圈定与分级预测区

信息量法由维索科奥斯特罗夫斯卡娅、恰金先后提出的该方法也是在区域矿产预测中经常使用到的一种单变量统计分析方法[5,18-20]，其主要通过研究分析各控矿要素在空间上与矿体之间的关系来确定各控矿要素的所含信息量，进而反映研究区内各区块对成矿的贡献大小。在找矿预测模型指导下，采用找矿信息量法[5-6,21-22]进行系统分级与预测区圈定。信息量值的计算结果见表4。

预测区的分级就是对成矿有利单元与非成矿单元阈值的确定，阈值过大则圈定有利区块太少且过于离散，无法确定预测区，而阈值过小则会导致圈定区域过大而对勘查工作失去指导意义，合理划分预测区有着十分重要的意义。统计在后验概率值为0.995约束下各级信息量的含矿率与矿块比的关系如图6所示。

由图6(a)可以看出，随着提高控矿条件(即升高信息量值)，满足要求的块体越来越少，但是含矿率却在不断升高，说明成矿有利的块体正逐渐被搜索出来。根据实际情况，选取研究区内成矿有利与成矿无关的临界值(即矿体比与含矿率交点处)2.75处划分第一级成矿有利区(远景区)，根据含矿率突变增大的临界值2.9处划分第二级有利区(信息量高值区)，根据含矿率增高后不再变化处3.2处划分第三级有利区(找矿预测区)，可以看出已知矿体均存在于成矿远景区与信息量高值区内，说明结果具有很高的可信度，对其进行三维空间展示如图6(b)。信息量高值区主要集中到沿断裂F13南东走向向Au3矿体深部区域延伸，根据实际空间分布、信息量高值区的聚散程度与实际地质情况划分A级预测区1处，B级预测区2处，三个找矿预测区的三维空间分布情况如图7所示。

表4　各控矿要素信息量表

图6　信息量分级结果图

图7　预测区三维空间位置显示

根据图7，对各预测区的空间位置描述如下所述。A1-1：空间位置上处于断裂F13与F14交汇处，有沿断裂F13产状及Au2矿体南东走向与霏细岩岩体向深部延伸的趋势，贴合变辉绿岩深部产出位置。B2-1：沿Au2矿体与F13的倾向，在深部空间上处于A1-1预测区的西部。B2-2：贴近于Au2矿体的东南侧尾部，较接近于地表，但截止于变辉绿岩断裂出露位置。