西南印度洋中脊多金属硫化物矿产资源评价方法与指标体系
引用本文
邵珂, 陈建平, 任梦依. 西南印度洋中脊多金属硫化物矿产资源评价方法与指标体系. 2015, 30(7): 812-822
Shao Ke, Chen Jianping, Ren Mengyi. Evaluation Methodology and Indicator System of Polymetallic Sulfide Mineral Resources in the Southwest Indian Ocean. Advances in Earth Science, 2015, 30(7): 812-822
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Shao Ke, Chen Jianping, Ren Mengyi. Evaluation Methodology and Indicator System of Polymetallic Sulfide Mineral Resources in the Southwest Indian Ocean. Advances in Earth Science, 2015, 30(7): 812-822
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西南印度洋中脊多金属硫化物矿产资源评价方法与指标体系
摘要
根据对海底多金属硫化物矿床成矿机理、成矿地质环境和地质异常信息的研究,确定了水深、构造、地震、重力异常、磁力异常等9项评价因子,通过指标标准化处理,建立了指标体系。采用层次分析法设计了4个层次的递阶结构模型。通过建立比较矩阵,确定了各层次因子的权重,形成了一套完善的评价方法和指标体系。根据评价结果,最有利区域（Ⅰ类区）占工区面积的58.33%,比较有利的前景区域（Ⅱ类区）占32.41%,二者也是近期突破的重点目标区。为下一步缩小勘探目标区提供了依据。
关键词:
印度洋; 多金属硫化物矿床; 层次分析; 地质异常; 指标体系
中图分类号:P724
文献标志码:A
文章编号:1001-8166(2015)07-0812-11
Evaluation Methodology and Indicator System of Polymetallic Sulfide Mineral Resources in the Southwest Indian Ocean
Abstract
Based on the research of minerogenetic condition, ore-control factors, metallogenic geological environment and geological anomaly of polymetallic sulfide in Indian Ocean, the nine evaluation factors include water depth, structure, earthquake, gravity anomalies, magnetic anomalies, etc. were extracted and standardized. According to hierarchy analysis method, a structural model of four levels was designed. The comparison matrix was established to determinate thefactor weight. A set of perfectEvaluation methodology and indicator system was established. The results showed that the most favorable prospecting areas cover 58.33% of the research area and the more favorable prospecting areas cover 32.41% of the research area. This two areas are mainprospecting targets. This research findings provided a basis for lessening the target area in the future.
Keyword:
Indian Ocean; Polymetallic sulfide deposits; Hierarchy analysis; Geological anomaly; Indicator system.
0 引言
2011年7月, 中国大洋协会获得了西南印度洋1× 104km2多金属硫化物的专属勘探权和优先商业开采权。根据国际海底管理局的章程, 到2019年需放弃50%的面积, 到2021年只能保有25%的面积的勘探开采权。为此开展了资源评价、筛选等研究工作。
本次研究是在前人工作的基础上, 通过海底硫化物矿床成矿机理、成矿地质环境条件和地球物理异常信息的研究, 筛选出评价指标, 建立评价指标体系, 然后采用层次分析法, 合理设计递阶结构模型, 建立比较矩阵, 确定各评价因子的权重。根据计算结果, 把评价区划分出5个级别, 缩小了可能的找矿目标区, 实现了大区域海底多金属硫化物资源的快速预测, 为西南印度洋海底多金属硫化物资源未来的的勘查、开发提供了科学依据。
1 印度洋洋中脊海底区域概况
研究区范围包括整个印度洋区域（图1）, 地理坐标：10° E~150° E, 10° N~60° S。
印度洋是地球上的第三大洋, 也是地球上最年轻的大洋, 面积约为7411.8× 104km2, 约占世界海洋总面积的20％, 平均水深3872.4 m。印度洋洋中脊大体上位于印度洋中部, 整体上分三支, 呈“ 入” 字型展布（图1）, 由中印度洋洋脊、西南印度洋洋脊和东南印度洋洋脊组成[1], 并在罗德里格斯岛（Rodriquez）附近连接构成三联点（25º 32′ S, 70º 02′ E）。西南分支向西绕过非洲大陆与大西洋中脊相接构成三联点（54º 50′ S, 00º 40′ W）; 东南分支向东南进入太平洋, 在新西兰和南极洲之间与东太平洋中隆相连; 向北延伸的印度洋中脊一直进入亚丁湾, 与红海断裂和东非大裂谷相连。
西南印度洋洋脊整体位于南半球, 以近SW-NE走向分割非洲板块和南极洲板块, 其西侧与大西洋洋中脊和美洲— 南极洲洋中脊相交于布韦三联点（BTJ）, 全长8 000 km左右[1]。水深一般2 500~5 000 m, 半扩张速率为0.7~0.9 cm/a, 广泛分布大型拆离断层, 具有向斜扩张特征, 属于超慢速扩张洋脊[1]。西南洋脊自西向东被若干条大型的长期活动的南北向的转换断层错断, 不同段的转换断层规模和活动时期不完全一样[2]。前人将SWIR粗略地划分成几个段落：最西部是被紧密间隔性转换断层分割段, 介于BTJ点到10° E之间, 扩张方向和洋中脊正向扩张方向的交角为9° ~25° , 也为斜向扩张脊; 在10° ~16° E, 斜向扩张方向最大, 达到了51° , 也被称为斜向超级扩张段, 平均水深约4 000 m; 在16° ~长约600 km 的洋中脊段则被称为正向超级扩张段, 平均水深约3 500 m; 再向东, 洋中脊被4条大型的转换断层切割（Du Toit, Andrew Bain, Marion和Prince Edward）, 分别错移了160 km, 720 km, 125 km 和155 km; 继续向东, 洋中脊被Eric Simpson, DiscoveryII, Indomed和Gallieni 4条大的转换断层分割为3个次级段, 扩张以25° 斜交洋中脊的总体方向, 长度约2 200 km, 轴部平均水深3 200 m 左右, 两侧为较为宽阔的水下隆起; 在转换断层Gallieni和64° E之间扩张方向和洋中脊正向扩张方向的斜交达30° , 被Atantls Ⅱ 和Melville转换断层分割, 且洋中脊发生巨大的错移; 而该隆起东部从转换断层Melville到69° E之间的轴部水深最深达4 730 m[2]。
目前在海底发现的多金属硫化物矿床一般分布在大洋中脊、弧后扩张中心、火山岛弧等构造环境, 其中洋中脊是全球发现热液矿点最多的构造环境[3]。印度洋洋中脊热液活动区主要处于洋中脊的轴部地形高地、转换断层以及洋脊与断层交汇部位等环境中。基底岩石主要由玄武岩、橄榄岩和辉长岩等组成, 产出频度、规模、位置和产状与海底扩张速率、岩浆供给、构造、裂隙和围岩性质等密切相关。超慢速扩张脊一般来说岩浆供应量较少, 理论上一般不发育热液喷口, 但西南印度洋洋中脊中段热液喷口异常发育, 主要原因是：热点— 洋中脊的相互作用提供了外来热源和地幔岩蛇纹石化释放了大量热能, 伴随这2种过程发生了2种成矿作用, 即热点— 洋中脊相互作用相关的热点模式和海洋核杂岩相关的湿点模式[2]。根据对已公布的资料统计, 研究区内已知的热液点大约有43个（图1中黑色五星处）。2009年2月10日我国大洋科考队在西南印度洋作业区用“ 电视抓斗” 抓取到巨大的海底“ 黑烟囱” — — 多金属硫化物样品, 多金属硫化物样品结构较致密, 有部分较完整的烟囱壁, 成分以黄铁矿、闪锌矿和黄铜矿为主[4]。前期的海洋调查表明, 虽然西南印度洋洋脊属超慢扩展型洋脊, 但仍具有丰富的金属矿产资源, 是洋中脊热液成矿作用研究程度较低的区域, 也是当前的研究热点。
 | 图1 印度洋洋中脊及热液喷口分布示意图Fig. 1 The distribution of Indian Ocean ridge and hydrothermal vents |
2 找矿地质环境条件分析
洋中脊是全球发现海底热液矿点最多的构造环境[1], 洋中脊是地幔对流上升形成的, 也是洋壳的发源地。洋中脊的地壳热量相当大, 是地热的排泄口, 并有火山活动, 地震活动也很活跃。洋中脊多金属硫化物矿床的形态、类型和规模等特征主要受洋中脊的地形、构造背景以及岩浆特征等因素所控制[5, 6]。深部岩浆活动形成的岩浆房为多金属硫化物成矿提供了热源和矿物质元素[7], 是热液系统的主要驱动; 断裂构造和围岩结构可为上升的热液流体和下渗的冷海水提供足够的交换空间和通道。海底沉积物为海底稳定热液对流系统的形成提供了良好的圈闭盖层以及成矿物质来源。火山活动与构造活动, 是产生热源和对流路径、允许热液循环的先决条件, 是热液活动和硫化物沉积形成的完美温床[8]。而火山喷发的频率可以对洋脊地形的连续性、轴部高温热液的聚集程度和相关的热液矿化作用产生重要影响[6]。热液活动所处海水水深的不同会改变热液成矿物质沉淀的物理化学条件[9]。
2.1 水深
海水主要有钠、镁、钙、钾、锶等阳离子, 氯根、硫酸根、碳酸根、碳酸氢根、溴根、氟根等阴离子。海底热液富含铜、铁、硫、锌, 还有少量的铅、银、金、钴等金属元素和其他一些微量元素以及甲烷、氢气、硫化氢等气体[10]。热液流体在通道以及喷出海底后都会与海水接触并进行能量和物质上的交换, 热液中的成矿元素因为温度、压力、Ph值等环境条件的变化在喷口及附近或者流体与海水接触面附近发生沉淀。另外, 在海水通过海底裂隙下渗时, 因为深部岩浆房的热量以及高压环境形成热液, 海水中的大量阴离子、阳离子会与岩石中的金属元素发生交代、置换等反应, 导致岩石元素发生迁移和富集, 最终形成含矿热液。
根据公开的海洋调查数据, 在印度洋中脊Melville断裂带以东洋脊轴部的Mount Jourdanne热液区（27° 51′ S、63° 56′ E）位于新火山脊顶, 水深大约2 940 m。大西洋TAG（Trans-Atlantic Geotraverse, 横跨大西洋综合地质调查）热液区所处的大西洋中脊位于北大西洋中脊26° N附近, 水深约为3670m。
海水深度的不同, 热液喷口的压力也不同, 水的深度越大, 压力也越大, 水的沸点也越高[11], 不同的水深环境具有不同的物理化学条件, 从理论上以及实际统计分析数据可以看出海底多金属硫化物热液区的分布与海水深度存在着很大的关系[12, 13]。根据美国地质调查局（United States Geological Survey, USGS）的SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）的水深资料, 分辨率为30″× 30″, 数据范围包括全球各大洋, 通过对数据筛选并插值。海底热液活动的水深分布范围跨度很大, 但通过对洋中脊构造环境已知热液喷口的水深数据统计分析可以发现, 洋中脊构造环境中热液活动的水深主要集中在 2 500~4 000 m, 水深在 3 000 m 左右的洋中脊构造环境发现热液喷口数最多（图2）。因为, 位于水深 3 000 m 的典型热液喷口流体的温度为 350 ℃, 流体刚好处于该水深环境具有的压力所对应的沸点之下[7]。
 | 图2 洋中脊构造环境中热液区水深分布Fig.2Statistical graph of water depth and mineral occurrence |
2.2 构造
区域性的断裂构造控制着岩浆的侵入, 岩浆热液的运移等, 对成矿起着至关重要的作用, 探讨区域性构造断裂的展布特征能够更好的指明区域找矿方向。研究区的构造主要通过数字化前人的研究成果[14][15][16]以及重磁异常综合推断解译。
（1）构造缓冲带
海底火山块状硫化物矿床与海底火山、火山通道、断裂构造等密切相关, 这些断裂系统是海水下渗对流、热液与基底玄武岩发生物质交换、交代、萃取等作用以及热液运移、喷出的良好通道, 其中基底深大断裂是成矿流体运移的通道, 而次级断裂是导矿及喷出沉淀的良好通道。根据实际情况, 对断裂构造进行缓冲处理, 将热液喷口与缓冲区进行叠加分析, 发现研究区已知的热液喷口有50%落在缓冲距离为10 km以内, 有67%落在缓冲距离为16 km以内, 距缓冲带越远, 矿点密度逐渐降低。
（2）构造等密度
从理论上讲海底多金属硫化物成矿的一个必要条件就是断裂系统的发育, 这是海水、热液循环的必要条件之一。因此在洋底的线性构造越发育, 则对该区的热液硫化物矿床的成矿作用越有利。断裂等密度是单位面积中断裂长度的加和, 反映了线性构造的复杂程度和发育程度。因此构造等密度的分析可以从一个方面来反映热液成矿作用的可能性。从已知热液区与构造等密度的统计结果, 火山喷口大部分部位于[0.625, 1.563]的区域（图3）。
 | 图3 构造等密度有利区与矿点构造叠合图Fig.3 Congruent map of favorable tectonic isodensity area, mineral occurrence and structure |
（3）构造交点数
区域上多组线性构造交汇的部位往往是成矿最有利的空间部位, 沿多组线性构造交汇部位常常是岩体侵位、岩浆上涌、火山喷发以及岩浆后期热液或者火山— 次火山热液活动的良好通道。因此与岩浆活动和火山作用相关的岩浆矿床、火山矿床以及与岩浆及热液作用相关的热液矿床常常赋存在多组线性构造的交汇部位及附近地区。但由于绝大多数矿点所处单元格都是没有交点数的, 造成交点数统计区间为低值, 这是由于样本太少, 或者现阶段预测单元格太小的缘故, 故构造交点数暂时不作为评价因子。
（4）构造优益度
断裂构造优异度是指线性构造方位以及两两之间的夹角的控矿程度加权的构造密度的度量。代表了主干构造方向成矿的优越性。经矿点与优益度叠加统计分析（图4）。研究区大部分热液喷口位于[0.50, 1.00]区间, 超过了40%。将此构造优益度有利区间与洋中脊进行对比, 走向与方位基本一致, 且都位于洋中脊附近, 这说明优益度分析的可行性, 最终可生成构造优益度有利区间分布图, 指导找矿。
 | 图4 构造优益度与矿点统计图Fig.4 Statistical graph of tectonic advantage and mineraloccurrence |
（5）构造中心对称度
构造中心对称度代表了构造对称性特征, 在实际地质情况中, 造成构造对称性分布的地质现象主要有地壳运动、基底岩浆上涌侵位等, 因此构造中心对称度对上述地质作用有较好的描述作用。通过中心对称度与热液区的叠合分析, 发现研究区统计矿点大部分落在[0.156, 0.39]区间, 但是构造中心对称度描述的尺度较小, 对于海底大区域找矿预测中控制点比较少的情况下, 大部分区域会出现空白, 故构造中心对称度本次不作为预测成矿的因子。
2.3 地震、火山
海底的地震、火山活动都与区域的地壳活动息息相关, 地震与火山活动意味着区域地壳活动的活跃程度, 指示区域上有断裂构造, 有岩浆活动。断裂构造和岩浆活动是控制海底热液活动关键的因素, 是产生热源和对流路径、允许热液循环的先决条件[17]。
每一次的地震、火山活动都伴随着旧烟囱的倒塌、新烟囱的形成。地震、火山活动比较直接地指示了海底热液系统, 不少海底热液系统就位于海底火山群上[18]。因此, 地震与火山数据是找矿预测的一个重要指示因子。
海底火山地震中心点监测资料来自美国国家海洋与大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA）, 数据时间为1950— 2013年, 震级大于5级的监测数据。对火山地震点数据进行点密度处理, 然后叠加热液活动区进行分析, 发现单位面积内火山地震活动频次越高, 矿点越集中。因此可以将地震与火山活动的频次作为成矿有利预测因子。
2.4 洋底基岩年龄
海底热液活动及其成矿作用与大洋板块的构造演化密切相关[19]。三大洋从中侏罗世(171 Ma)同时开始演化, 其演化阶段可划分为4个主要时期：①171~120 Ma, 无定向扩张洋脊, 古大洋板块和磁静带形成; ②120~80 Ma, 过渡阶段, 无定向扩张, 广泛发育火山作用, 形成巨大的大洋火山带; ③80~27 Ma, 出现洋脊的线性扩张, 形成年轻的大洋板块; ④27~0 Ma, 形成全球相联的大洋扩张中脊。
洋底基岩的年龄, 离洋中脊越近越年轻, 越远就越老, 证明洋壳在不断扩张和更新, 洋壳以下的熔融岩浆沿着裂谷上升, 凝结成新洋壳, 这些洋壳不断产生, 把老的条带向两旁推移[5][6]。
洋壳演化过程中, 热液活动明显呈幕式活动增强的特点（图5）, 分别在晚白垩世(97.5~65.0 Ma)、始新世(54.9~38.0 Ma)、中新世(24.6~5.1 Ma)、更新世(< 2 Ma)表现较强的热液活动[17], 而这些时期与三大洋玄武岩的产生量的减少相对应, 其主要原因还有待进一步研究。其中, 印度洋在区间[1, 15]Ma热液活动频率最高, [46, 60]Ma的范围内热液活动频率较高。
2.5洋底扩张速率
海底扩张速率与热液活动和多金属硫化物矿床分布之间的相关性研究调查比较早, 不同扩张速率洋中脊构造环境具有明显不同的深部岩浆活动、断裂构造等特征, 热液活动也存在明显的差异。
海底扩张速率与洋中脊岩浆供应量具有较强的线性关系, 海底扩张速率增加, 洋中脊岩浆供应量也大, 岩浆活动强, 而在扩张速率相对较低的洋中脊构造环境中, 岩浆的供应量则相对较小, 岩浆活动相对较弱。快速扩张洋中脊发生岩浆活动的频率高于慢速洋中脊地区, 慢速扩张速率洋中脊地区的热液系统较快速环境下更稳定[20]。
洋中脊的扩张作用会引起裂隙和正断层的产生。在厚的硬的慢速洋中脊地区有利于轴部剪切破坏, 产生大量正断层, 沿轴部附近易发育形成1~3 km深的地堑, 深部存在大型的拆离断层。而在快速扩张洋中脊地区, 由于岩石圈相对较薄, 难以形成大量正断层, 沿倾斜断层面的正断层在扩张中心2 km范围内很少出现, 主要形成一些小的断层和裂隙构造。另外洋中脊构造环境中断层作用深度随着扩张速率的增加而减少, 慢速扩张洋中脊构造环境发育的大型拆离断层作用深度可达岩浆房顶部, 而快速洋中脊构造环境断裂作用主要集中在洋壳浅部。
研究区洋底扩张速率从4~18 mm/a, 属于超慢速扩张洋脊。
3地球物理场异常信息
地质异常是指在成分、结构、构造或成因序次上与周围环境有明显差异的地质体或地质体的组合。也常常表现为地球物理场、地球化学场及遥感影像异常等都有所差异, 是找矿的重要地质信息[21]。海底多金属硫化物矿床重要的异常地质信息主要是重力和磁力。
3.1重力
海底热液多金属硫化物中主要包含黄铁矿、黄铜矿、闪锌矿、方铅矿以及磁黄铁矿等, 这些矿物的密度均比周围的玄武岩和沉积覆盖层密度大。因此, 重力异常是热液硫化物矿床勘探中的一个重要找矿标志。
根据大西洋TAG 热液活动区的资料, 空间重力异常特征与海底地形变化趋势基本一致, 负的重力异常值沿着洋脊轴部裂谷分布, 向两侧的洋脊逐渐升高至正异常。在地幔布格重力异常上, 沿着 TAG 洋脊轴部也表现为低异常值, 推测可能是由于地壳厚度的增加也可能是地壳或地幔密度的减少所引起。Logatchev 热液区的空间重力异常正负伴生分布, 异常幅值在-40~+55 mGal变化, 洋脊轴部的裂谷特征明显, 裂谷主体为负异常, 南北走向延伸, 两侧的脊顶表现为正异常值, 重力异常呈 NS 向延伸, 与海底地形形态基本一致。已发现的热液矿点主要位于重力异常值在 0~50 mGal 之间的区域。
根据来自美国国家地球物理数据中心（National Geophydsical Data Center, NGDC）的重力资料, 为大地水准面处的自由空气重力, 分辨率为32′ × 6′ , 数据范围包括全球各大洋。对数据进行筛选并插值, 获得研究区自由重力值。研究区自由重力值范围为-262~+270 mGal。与已知热液喷口叠加后发现, 研究区内多金属硫化物矿床多分布在重力大于40 mGal的区域内。
对研究区剩余重力异常进行成矿有利区间提取分析, 发现大部分矿点主要落在大于10 mGal的区间内, 具有比较好的叠合关系。因此重力异常和剩余重力异常可以作为评价的重要因子。
3.2 磁力
形成海底热液喷发系统的流体呈酸性, 极易与富钛磁铁矿发生蚀变, 从而降低地壳岩石的磁铁矿含矿量, 甚至降低为0。因此海底热液喷发系统可能位于孤立的蚀变地壳的下方, 该蚀变地壳的磁化强度较未发生蚀变的地壳要低。低磁化强度是磁法勘探在热液硫化物勘探中的一个重要找矿标志[22]。
McGregor 等[23]通过拖曳式磁力仪研究了大西洋 TAG 及邻区的磁场特征, 研究表明 TAG 区发生热液活动的区域具有最低的剩余磁性强度值。低的磁异常值可以归因于洋脊轴部之下新生洋壳的温度较高所致。Logatchev 热液区的地磁场从南向北逐渐增加, 磁力异常值为-280~+240 nT, 异常沿 NNE-SSW 走向延伸。目前已经发现的 logatchev-1, logatchev-2, logatchev-3, logatchev-4 等热液点位于正负高值异常之间的缓冲带上, 其磁力异常值为-40~+80 nT。
研究区磁力资料来自美国国家地球物理数据中心（NGDC）, 分辨率为2′ , 综合利用卫星、海洋、航空和地面磁测而成。对数据进行筛选、网格化得到研究区磁异常图。研究区磁异常值范围为-252~+441 nT。通过将热液喷口与磁力异常信息进行叠加统计, 表明研究区内与多金属硫化物矿产有关的磁力异常区间主要分布在[-30, 30]nT。因此, 磁异常可作为找矿的重要因子。
4 硫化物矿床资源评价指标体系建立
通过上述分析可知, 影响海底硫化物成矿的地质因素很多, 建立指标体系时, 列出尽可能多、尽可能全的指标, 然后逐一分析, 相互比较, 排除那些有交叉、有重复、意义不明确、参数录取困难的指标, 从中确定出最优化指标。本次共确定9项指标（表1）：海水深度、构造缓冲区、构造优益度、构造等密度、火山地震频次、基底年龄、重力异常、剩余重力、磁力异常值。
洋底扩展速率虽然对热液矿床的形成具有重要的影响[20], 但它是一个区域上的指标, 对于印度洋洋中脊来讲, 整体上是属于慢速扩展洋中脊, 因此, 在对印度洋洋中脊区域内不同地段成矿条件评价时该参数并不是敏感指标, 所以舍弃该参数。
前面已经分析, 洋底构造的交点数和位置的落实不完整、欠准确, 在局部数据统计上存在较大误差, 因此, 构造交点数暂时不作为评价因子。
在最终确定的9项指标中, 有些是越大越好, 有些是越小越好, 有些是中位数, 即越接近某一中间数值越好。为了实现定量评价, 给每一项指标定量赋值, 统一标准。依据对印度洋区域地质资料的调查结果, 按照各参数的大小和特征, 将上述9项参数分别划分为5个级别（表1）：Ⅰ 类、Ⅱ 类、Ⅲ 类、Ⅳ 类、Ⅴ 类。为了能够定量计算, 把Ⅰ 类赋值1, Ⅱ 类赋值0.75, Ⅲ 类赋值0.5, Ⅳ 类赋值0.3, Ⅴ 类赋值为0。
 | 表1 印度洋海底热液多金属硫化物矿床评价指标体系 Table 1 The evaluation indicator systems of the polymetallic sulfide mineral resources in the Indian Ocean |
5 层次分析法评价结构模型设计
海底热液多金属硫化物矿床评价系统实际上是定性与定量相互交织的体系。完全定量化处理, 实现起来比较困难[24]。比如每项指标参数的重要程度, 即权重系数的确定就需要定性评价后确定。评价是一个多目标、多层次的评价系统, 考虑因素多, 目标多, 各因素之间的重要程度差别大, 它是一个复杂的层次评价体系。因此, 本次研究选择层次分析法作为基本评价方法。
5.1 递阶层次结构设计
层次分析法是一种能将定性分析与定量分析相结合的系统分析方法[24], 紧密联系决策者的主观判断和推理分析, 对决策者的推理过程进行量化的描述[25, 26]。它的基本思想是, 把影响决策目标的复杂问题分解为若干组成因素, 将这些因素按支配关系分组, 以形成有序的递阶层次结构; 然后, 在递阶层次结构内部进行诸因素对比, 确定各自的权重; 再逐级逐层评价, 最后得出对目标层的评价结果。
根据海底热液多金属硫化物矿床评价目的, 设计了4个层次（图6）：目标层是经过划分后某一网格区; 中间层由两个准则层构成, 第一准则层由找矿地质环境因素和找矿地球物理场异常信息2项组成, 对于找矿地质环境因子又划分出子准则层, 由海底水深、构造条件、基底年龄和火山地震频次, 构造条件进一步划分出方案层, 由构造缓冲区、构造等密度和构造优益度3因子组成。对于找矿地球物理场异常信息没有子准则层, 直接划分为方案层, 由重力异常、剩余重力和磁力异常3因子组成。
 | 图6 印度洋海底热液多金属硫化物矿床层次评价递阶结构图Fig. 6 The hierarchic evaluationdiagram of polymetallic sulfide mineral resources in the Indian Ocean |
5.2 各因子权重确定
筛选后确定了准则层和方案层, 包含了很多因子, 但每一因子在评价中的重要程度是不相同的, 需要给出各自的权重系数。权重确定的办法通常是邀请大量的专家, 由专家根据自己的知识、经验和认识, 给出各层次的权重, 这种方法简单易行, 但人为因素大, 结果受专家的知识能力、经验影响。层次分析法确定权重是介于定量与定性方法之间, 既能体现专家的经验, 又能降低认为因素的影响。把所有因子放在一起确定重要性是一件困难的事情, 但是在众多因子中把其中两个因子放在一起比较会变得比较容易。
层次分析法就是采用两两比较判断的方法给出每一层次各因子之间的判断尺度值, 得到判断矩阵。判断矩阵是一个正互反矩阵A(i, j), 首先设定任何一个元素与其自身的重要性的标度值aii为基准值1, aij为每层次元素i与元素j之间的相对重要比例尺度值。比如, 比较元素1与元素2的重要性, 如果元素1比元素2稍微重要, 那么a12=2, a21=1/2, aij与aji互为倒数, 依次类推就可以分别得到各元素之间的重要比例尺度值, 得到矩阵A(i, j), 对于一个有n个元素构成的方案层, 我们需要对n(n-1)/2个矩阵元素给出数值[25]。
其中i=1, 2, …n; j=1, 2, …n。
通过求解, 比较判断矩阵的最大特征值所对应的特征向量, 就是该层次各因子对于上层某要素的相对重要性向量, 即该层次每一要素基于上一层某评价标准的优先权重系数。
可利用线性代数方法求取比较判断矩阵的特征根和特征向量。首先计算出判断矩阵A(i, j)的各行各个元素乘积： 
每一个层次是一个独立的评价单元, 该层次上的所有因子的权重之和等于1。
对于准则层, 有2个因子组成, 可直接比较得出。虽然找矿地质环境因素是成矿的基础, 但大洋底部有些地质参数不一定能够完全取到, 同时, 经过长期地质演化, 中间过程的地质参数也无法取到, 比如目前的水深是某一数据, 但是在火山喷发之前的水深可能比现在深; 现在存在的断层, 在成矿期可能不存在。虽然地质异常是现象, 但是地球物理场异常信息是矿床当前表现出的特征, 更直接地反映出目前矿床的特征[27], 因此地球物理场异常信息在找矿评价中是比较重要的, 特别是在控矿机理不完全清楚, 地质环境因素资料不完整的情况下, 地球物理场异常信息就显得更加重要。地球物理场异常因素的权重确定为0.70, 找矿地质环境因素的权重确定为0.30。
找矿地质环境信息下面一级子准则层有4个因子构成：海底水深、构造条件、基底年龄、火山与地震, 构造条件对成矿具有重要作用, 但是这些参数经过地质历史时期的演化, 很多参数的中间结果是无法得到的, 目前得到的参数是现今的, 不全面, 不能完全真实反映整个成矿期的地质条件, 因此权重不宜确定太高。火山地震是热液活动的重要证据, 但取到的数据只是近40到50年的数据, 再早的数据缺乏, 也就是说这些参数不齐全, 权重不能太高, 否在会出现以偏概全的结果。相互比较后得到比较判断矩阵：
采用上述计算方法, 得到 
同样方法, 得到构造条件方案层中构造缓冲带的权重为0.40, 构造等密度的权重为0.35, 构造优益度的权重为0.25。地球物理场异常信息方案层中重力异常的权重为0.35, 剩余重力的权重为0.45, 磁力异常的权重为0.20。
5.3 评价方法
采用从方案层到目标层, 逐级评价, 每一层次都是一个完整的结果。如果有些因子取不到参数或取不全, 不会影响评价的进程, 遇到这样的情况时, 把该因子的权重按权重比例分配到其他因子上。
子准则层评价模型：
式中 Pk为准则层某一因子的评价结果; yki为第i个因子赋值; qki为第i个因子权重。
目标层评价模型： 
式中 P为工区某一网格的评价结果; P1为控矿因素的计算值; P2为地质异常计算值; q1为控矿因素的权重值, 0.30; q2为地质异常的权重值, 0.70。
每一层次的评价结果都是0~1之间的数值。根据指标体系, P≥ 0.70属Ⅰ 类, 为最有利区域; P≥ 0.60~0.70属Ⅱ 类, 为比较有利的前景区域; P≥ 0.40~0.60属Ⅲ 类, 为较差区域; P≥ 0.20~0.40属Ⅳ 类, 为无前景区域; P< 0.20属Ⅴ 类, 为无效区域。
6评价结果与讨论
根据建立的评价指标体系和评价模型, 对印度洋海域西南洋中脊分支区多金属硫化物资源进行了定量预测与评价（图7）, 在40° E~70° E, 25° N~45° S内, 共划分为5个级别：Ⅰ 类最有利区域占图幅中总面积面积的6.25%, Ⅱ 类比较有利区域占20.04%, Ⅲ 类较差区域44.97%, Ⅳ 类无前景区域占28.60%, Ⅴ 类无效区域占0.13%。根据工区面积计算（图中方框区）, Ⅰ 类区域占工区面积的58.33%, Ⅱ 类区域占32.41%, Ⅲ 类区域占9.26%。
从图中可以看出, 5个已知的热液矿点有4个处在预测的Ⅰ 类区, 1个已知的矿点处在Ⅱ 类区, 说明预测结果具有较高可信度。同时也表明, Ⅰ 类区和Ⅱ 类区是成矿的有利区域, 也是近期突破的重点目标区。
 | 图7 西南印度洋合同区预测图Fig. 7 The prediction map of polymetallic sulfide mineral resources in southwest Indian Ocean contract area |
7结论
印度洋洋中脊海底多金属硫化物矿床成矿规律复杂, 影响因素多, 勘探程度低, 受基础资料的限制, 常规的评价方法很难得到全面、可靠的结果。通过成矿机理、找矿地质环境因素和地球物理场异常信息的研究, 认为海底多金属硫化物矿产资源的评价具有多因素、多层次的特点, 因此就确定了采用层次分析法开展研究。
通过对找矿地质环境因素和地球物理场异常信息的详细分析, 筛选出了9项评价因子, 设计了四个层次的递阶结构模型。采用层次分析法, 建立权重比较矩阵, 逐层、逐项确定出了各因子的权重。建立了完善的评价指标体系和评价方法, 把定性评价转化为了定量评价。
印度洋洋中脊虽然是慢速扩张的洋中脊, 但多金属硫化物矿床资源也十分丰富。根据评价结果, Ⅰ 类区域（最有利区）占工区面积的58.33%, Ⅱ 类区域（比较有利的前景区）占32.41%, 二者也是近期突破的重点目标区。为下一步缩小勘探目标区提供了依据。
The authors have declared that no competing interests exist.
参考文献
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