基于航放航磁数据的两种成矿预测软件应用对比研究

2023-12-27卢亚运李兵海张光雅李江坤张翔孟祥宝张伟叶发旺张川

世界核地质科学 2023年4期

卢亚运，李兵海，张光雅，李江坤，张翔，孟祥宝，张伟，叶发旺，张川

（1.核工业航测遥感中心，河北石家庄 050002；2.中核集团铀资源地球物理勘查技术中心（重点实验室），河北石家庄 050002；3.河北省航空探测与遥感技术重点实验室，河北石家庄 050002；4.核工业北京地质研究院遥感信息与图像分析技术国家级重点实验室，北京 100029）

成矿预测的任务是预测目前尚未发现而将来可能发现的矿床、矿体，是在不确定条件下制定最优决策的工作［1-2］。其最终目标在于投入较少工作获得更好的找矿结果。目前用于成矿预测的方法总体上可分为两大类：主观预测和客观预测［3］。主观预测是指由地质专家根据个人掌握的成矿理论对研究区的地质认识以及个人找矿经验等选取成矿有利要素，人为的赋予不同权重开展成矿预测。主观预测方法常被人为因主观性强、人为影响大而缺乏依据。客观预测是指利用与已知矿床相关的有利要素建立数学找矿模型并应用于全区的预测方法。

航放航磁数据已被广泛应用在铀及多金属成矿预测工作中，并获得了良好的效果。核工业航测遥感中心在全国开展了面积约400 万平方公里的高精度航放航磁测量，拥有可靠翔实的海量数据。截至目前，已预测铀及多金属成矿远景区近600 片［4］。

本文基于阿拉善盟-包头地区已有高精度航放航磁数据，分别使用俄罗斯半定量成矿预测软件和自主研发的成矿预测专家系统开展铀矿、金矿找矿预测，对比预测结果，对自主研发的成矿预测专家系统进行效果评价，为后续开展航空高光谱与航放航磁技术集成、技术研究和高效应用提供重要基础。

1 两种预测软件介绍

本文采用的自主研发成矿预测专家系统（以下简称“专家预测系统”）和核工业航测遥感中心引进的俄罗斯半定量成矿预测软件（以下简称“半定量预测软件”）均属于客观预测法。二者的预测原理相似，都是将已有矿床模型直接应用到未知地区。将各转换场信息进行量化、叠置，求取最多信息复合地段的定量预测过程。建模的基本原理是：矿床的形成有其特殊的地化环境，反映在地球物理场（如磁场、重力场和伽马场等）上，存在特定的地球物理场及其相关转换场场值组合关系，两种软件通过不同方法确定各转换场最佳场值组合，据此建立矿床物理-数学模型。

1.1 半定量预测软件

半定量成矿预测软件是一套典型的“模式找矿”半定量化成矿预测软件。其适用于1∶5 000 000 至 1∶25 000 甚至更大比例尺的成矿预测，预测的最终目的是圈定具有成矿有利地质条件的不同级别的靶区［5］。

该预测软件为全英文界面，功能完整，但是操作复杂、重复步骤多，耗费时间长。数据准备中需准备预测范围及矿床范围两套基础数据网格，且需逐一进行转换处理，再逐一进行判定之后，须将符合条件的参量网格逐一叠置，步骤较为繁琐，并且预测范围较大时，运算时间长。

1.2 专家预测系统

专家预测系统基于Qt 开发平台，以C++语言为工具，由“基于航空高光谱与伽玛能谱的铀矿勘查技术研究”项目资助，核工业航测遥感中心自主研发。该系统包括4个主要模块：综合预测、位场转换、权重设置以及专家预测。其中，综合预测部分是根据输入的预测信息数据计算生成所有预测信息的转换场，并计算转换场数据与矿床位置的相关系数。根据相关系数的大小赋予一定的权值（有利），相关系数小于给定值的其他数据赋予0（不利），然后进行信息叠加分析，生成结果数据网格。将成矿有利高的地段（多种信息复合地段）作为该类型成矿有利远景区。同时考虑到不同需求，设置了位场转换、权重设置、及专家预测模块，可根据不同需求进行调整。

预测信息数据包括但不限于放射性（Tc、K、U、Th、及比值或转换处理后的增量信息、古铀、活性铀等）、磁、重、化探数据等，转换处理对预测信息数据求取小波变换db6 1～6 阶低频信息、小波变换db6 1～6 阶局部异常以及峰度、偏度、水平梯度模等15种信息。

该系统为自主研发，操作简单，仅需输入预测信息数据、矿床位置数据，设置相关系数阈值，即可自动求取各转换参量及相关系数、自动根据阈值选取参量并依据相关系数高低赋予不同权重，自动进行参量叠置生成结果数据网格，运算时间短。

2 在铀、金成矿预测中的应用

为开发利用阿拉善盟-包头地区已有航放航磁数据，提供铀及多金属矿产勘查找矿线索，同时为了更好地应用自主研发的专家预测系统软件，本文分别选取区内铀矿、金矿为试验对象，利用两种软件分别开展成矿预测并将结果进行对比分析。

2.1 在铀成矿预测中的应用

阿拉善盟中部地区位于巴丹吉林盆地东南部，行政区划主要属阿拉善左旗和阿拉善右旗管辖。区内盆山相间，形成“两山夹两盆”的格局［8］，自北向南依次为宗乃山-沙拉扎山，巴丹吉林盆地东南部（也称巴音戈壁盆地），雅布赖山-巴彦诺尔公山，雅布赖盆地。区内产出特大型砂岩型铀矿床-塔木素铀矿床，本文利用塔木素铀矿床建立模型，分别使用两种方法开展成矿预测。

2.1.1 半定量预测

以高精度航放钾、铀、钍及航磁数据为基础，进行位场转换求取了9种共36个参量，依次将各参量网格化文件与矿床位置网格化文件进行相关性判定，并依据半定量成矿预测的技术要求（面积比在0.2～0.3，费歇判据大于60），最终确定了19种物理转换场作为建模参量，建立了塔木素铀矿床数学-物理模型［8］。通过模型可知矿床均处于有利度大于5 的范围，间接验证了预测方法的有效性（图1）。以有利度大于5 的区域为成矿有利区的依据，开展阿拉善盟中部铀成矿预测（图2）。

图1 塔木素铀矿床数学-物理模型显示图［8］Fig. 1 Mathematical-physical model of Tamusu uranium deposit［8］

图2 阿拉善盟中部地区砂岩型铀矿成矿半定量预测图［8］Fig. 2 The uranium mineralization semi-quantitative prediction map of sandstone type in central area of Alxa League［8］

从半定量预测结果来看，有利区面积小、分布分散，仅在塔木素、本巴图、银根以及苏红图以西等局部地段分布较为集中，呈小面积团块状。其中本巴图地区有利区分布最为集中，该地区分布测老庙铀矿床和多个铀矿点，铀矿化均发育较浅，因此反应明显。塔木素铀矿床均处在有利区内，并且有利区较模型范围有所扩大，向东部、北部出现不同范围的延伸，预示了塔木素矿床周边仍有较好的找矿潜力。在雅布赖以东，有利区分布连续，呈北西向条带状，推测与已知断裂有关，反映了深部良好的成矿潜力。且区内其他砂岩型铀矿点、矿化点等均处在不同范围的有利区内，而雅布赖镇以北花岗岩型铀矿点则分布在有利区之外，也间接验证了预测结果的可靠性（图2）。

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2.1.2 专家预测

利用专家预测系统在同一区域开展铀成矿预测。数据准备时建模网格文件大小与预测区范围大小一致，不需要再单独裁剪矿床位置网格，简化了操作步骤。设置相关系数阈值为0.15，自动求取各预测信息转换场数据共计75种，计算其与矿床相关系数，选取相关系数大于0.15 的转换场数据共计13种，包括k 水平梯度模、航磁低频五阶信息、航磁低频六阶信息、航磁五阶局部异常、Th 峰度、U 低频四阶信息、U 低频六阶信息、U 峰度、Tc 低频一阶信息、Tc 低频二阶信息、Tc 低频三阶信息、Tc 低频四阶信息、Tc 五阶局部异常。系统按照相关系数高低分别赋予权重并将有利信息进行叠加，自动输出预测结果数据（图3）。

图3 阿拉善盟中部地区砂岩型铀矿成矿专家预测图Fig. 3 The expert uranium mineralization prediction map of sandstone type in central area of Alxa League

从专家预测结果来看，有利区面积较大、分布分散，在塔木素-乌力吉、银根-本巴图、雅布赖东南以及图克木以南地区分布集中，且面积较大。在塔木素-乌力吉一带有利区整体走向呈北东—近东西向，与断裂构造方向一致，塔木素矿床处有利区分别向北东、南西方向延伸，显示了塔木素矿床外围良好的找矿潜力。在雅布赖镇以南区域分布大范围有利区，显示了雅布赖盆地西部地区良好的找矿潜力。区内其余砂岩型铀矿点均处于有利区内或附近，间接验证了预测结果的可靠性（图3）。需要注意的是，巴彦诺尔公-红古玉林-土克木以南大面积有利区对应二叠、三叠纪花岗岩等，不具备砂岩型铀矿床找矿潜力。

2.2 在金成矿预测中的应用

利用航放航磁信息寻找多金属矿，是一种间接找矿方法。该方法利用放射性元素与其他金属矿物的共生关系，以及金属矿物成矿的地质构造环境及蚀变所反映的放射性信息，达到间接查找金属矿产的目的［9］。本文以浩尧尔忽洞金矿为模型，利用航放航磁数据分别使用两种方法开展成矿预测。

2.2.1 半定量预测

以高精度航放钾、铀、钍及航磁数据为基础，进行位场转换求取了各物理场的9种共36个参量，依次将各参量网格化文件与矿床位置网格化文件进行相关性判定，并依据半定量成矿预测的技术要求（面积比在0.2～0.3，费歇判据大于60），最终确定了24种物理转换场作为建模参量，建立了浩尧尔忽洞金矿床数学-物理模型（表1，图4）。矿体范围大部分处于有利度大于11 的范围，间接验证了结果的可靠性。以有利度大于11 的区域为成矿有利区的依据，开展乌拉特后旗-包头地区金成矿预测。

表1 浩尧尔忽洞金矿床数学-物理模型参数Table 1 Mathematical -physical model parameters of Haoyaoerhudong gold deposit

图4 浩尧尔忽洞金矿床数学-物理模型显示图Fig.4 Mathematical-physical model of Haoraoerhudong gold deposit

从半定量预测结果图上看，有利区分布集中，主要集中在金矿预测区的西南、西北、东北、东南4个区域。其中西南区域，浩尧尔忽洞金矿床矿体均位于有利区内，矿体外围仅分布零星有利区；小乌淀金矿也位于有利区内，且有利区向西南延伸；在新忽然以西，有利区集中分布，面积较大且成矿有利度高。西北区域在树日古拉-浩尧尔呼都格一带有利区呈北东向带状分布，分布面积大但不集中。在东北区域分布大面积有利区，但区内比鲁特、哈沙图等金矿床多处在有利区边缘或外围。西南区域分布大面积团块状有利区，但该区域还未发现规模金矿化（图5）。

图5 乌拉特后旗-包头地区金矿半定量预测图Fig. 5 The semi-quantitative gold mineralization prediction map in Wulatehouqi-Baotou area

2.2.2 专家预测

利用专家预测系统在同一区域开展金成矿预测，设置相关系数阈值为0.30，选取相关系数大于0.30 的转换场数据共计16种，分别是U低频一阶信息、U 低频二阶信息、U 低频三阶信息、U 低频四阶信息、U 低频五阶信息、U 低频六阶信息、U 五阶局部异常、U 六阶局部异常、Th低频一阶信息、Th 低频二阶信息、Th 低频三阶信息、Th 五阶局部异常、Th 六阶局部异常、Th水平梯度模、Tc 五阶局部异常、Tc 水平梯度模。系统地按照相关系数高低分别赋予权重并将有利信息进行叠加，输出预测结果数据。

从专家预测结果图上看，有利区分布集中，但面积小，在金矿预测区西南、西北、东北3个区域。在西南区域，浩尧尔忽洞金矿均处在有利区内，而小乌淀金矿则处于有利区之外，且有利区范围十分有限。在新忽然以西分布北西向条带状有利区，与侵入岩走向一致。在西北区域树日古拉-浩尧尔呼都格一带有利区呈北东向断续分布。在东北区域，白云鄂博-赛乌素一带，有利区呈近东西向分布，分布面积大，有利度高，比鲁特、赛乌素金矿床均处于有利区内，哈沙图金矿虽也在有利区范围内，但有利区范围很小，且周边并无其他有利区分布。并且在白云鄂博矿床上方也有大面积有利区分布（图6）。

图6 乌拉特后旗-包头地区金矿专家预测图Fig. 6 The expert gold mineralization prediction map of sandstone type in in Wulatehouqi-Baotou area

3 预测结果及对比分析

3.1 铀矿预测结果对比分析

两种预测结果有利区分布均较为分散，仅在局部集中。考虑铀矿模型区域基本为第四系覆盖区，有效信息相对较少。

两种结果对比来看，均与模型矿床的矿体范围吻合，且区内同类型已知铀矿化地段均有较好的反映。总体上，两种预测结果吻合度较好，在预测区内多数有利地段内，两种结果均有不同程度的有利度显示，仅在局部地区出现结果不同，如巴彦诺尔公-红古玉林-土克木以南一带，专家预测结果显示该区域成矿有利，有利区断续分布且面积较大。半定量预测则显示小面积有利区分散分布，成矿有利度较低。

两种预测结果最明显不同之处在于半定量预测有利区面积小（有利区占预测区面积8%），专家预测有利区面积大（有利区占预测区面积17%）。半定量预测有利区过于分散且面积小，仅能根据整体趋势及相对集中的区域大致圈定远景区，不能精准圈定远景区。而专家预测结果显示有利区面积较大的原因主要是由于相关系数阈值由人为设定，会导致部分无用信息参与预测，出现部分区域预测结果与实际情况不符，如巴彦诺尔公-红古玉林-土克木以南一带显示砂岩型铀矿成矿有利，但实际该区域主要分布二叠纪、三叠纪花岗岩等，明显不具备砂岩型铀成矿条件。

3.2 金矿预测结果对比分析

金矿预测区多为基岩出露区，基岩出露区航放数据不受屏蔽作用，包含更为丰富的信息，例如放射性元素分布、断裂展布、矿化蚀变等，因此两种预测方法均能选取足够丰富的成矿有利信息进行预测，结果均显示有利区分布集中。

两种方法预测结果较为一致，均在已知矿床处反映较好，较好反映了浩尧尔忽洞金矿床的矿体范围，在东北部已知金矿及周边也均有较好的有利度显示，在预测区西北部树日古拉-浩尧尔呼都格一带和西南部新忽然以西地区均显示不同程度的成矿有利度，有利区走向与侵入岩走向一致。

经对比可知，专家预测结果更为精准，有利区面积较小，比鲁特、赛乌素金矿床都落在有利区范围内，且有利区没有大面积向西北延伸。另外，专家预测结果在白云鄂博矿床上方也有良好的显示。然而，在金矿预测区内，半定量预测结果有利区面积占比过大，在预测区东南部白女羊盘以北存在大面积有利区。该区域主要对应白垩系火山岩，不具备沉积-变质型金矿［10］成矿条件。