周 璞，侯華麗，吳尚昆

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)自然資源經(jīng)濟(jì)研究院，北京 101149)

礦產(chǎn)資源作為關(guān)系國(guó)家資源安全、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)、空間載體和構(gòu)成要素，其不可再生特性決定了必須高效開發(fā)、合理配置。區(qū)劃起源于地理學(xué)，指根據(jù)區(qū)域差異性進(jìn)行區(qū)域的劃分[1]。按照主導(dǎo)要素多寡，區(qū)劃可分為部門區(qū)劃和綜合區(qū)劃[2]，礦產(chǎn)資源區(qū)劃屬于部門專題區(qū)劃。開展礦產(chǎn)資源區(qū)劃最直接的目的是促進(jìn)礦產(chǎn)資源科學(xué)合理開發(fā)，為實(shí)現(xiàn)資源產(chǎn)業(yè)和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)支撐。

我國(guó)學(xué)者早在20世紀(jì)20～30年代就已經(jīng)開始了自然區(qū)劃的研究工作，20世紀(jì)末至今，區(qū)劃工作步入綜合區(qū)劃研究階段[3]。礦產(chǎn)資源區(qū)劃是從自然、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等綜合角度揭示礦產(chǎn)資源的時(shí)空分布規(guī)律和礦業(yè)生產(chǎn)的地域分工規(guī)律，研究區(qū)域資源的優(yōu)勢(shì)、劣勢(shì)、生產(chǎn)發(fā)展的潛力，按照市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)論證其生產(chǎn)方向和任務(wù)，合理配置礦產(chǎn)資源的一門應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)，也是因地制宜、分區(qū)分類指導(dǎo)礦業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和宏觀管理決策的應(yīng)用科學(xué)。已有礦產(chǎn)資源區(qū)劃研究主要集中在地質(zhì)成礦(自然)區(qū)劃、礦產(chǎn)資源經(jīng)濟(jì)區(qū)劃及功能區(qū)劃方面[4-6]，以往研究雖取得一定有益成果，但礦產(chǎn)資源勘查開發(fā)綜合區(qū)劃體系尚未形成。礦產(chǎn)資源自然區(qū)劃作為礦產(chǎn)資源區(qū)劃的基礎(chǔ)層級(jí)，是礦業(yè)生產(chǎn)力布局和礦產(chǎn)資源規(guī)劃管理調(diào)控的基礎(chǔ)依據(jù)，目前已有研究成果主要是地質(zhì)成礦區(qū)劃，缺乏從資源角度的綜合區(qū)劃。

本文結(jié)合國(guó)家生態(tài)文明發(fā)展戰(zhàn)略要求，借鑒相關(guān)礦產(chǎn)資源區(qū)劃研究成果，首先對(duì)礦產(chǎn)資源自然區(qū)劃的目的、內(nèi)涵與特征進(jìn)行界定，建立區(qū)劃理論框架與技術(shù)體系，開展我國(guó)礦產(chǎn)資源自然區(qū)劃實(shí)證研究，提出了礦產(chǎn)資源自然區(qū)劃方案并對(duì)分區(qū)資源特征進(jìn)行了概述，為我國(guó)礦產(chǎn)資源規(guī)劃分區(qū)編制奠定了重要基礎(chǔ)，對(duì)于實(shí)施礦產(chǎn)資源數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)綜合管理和分區(qū)差別化管治具有重要意義[3]。

1 礦產(chǎn)資源自然區(qū)劃的總體設(shè)想

1.1 自然區(qū)劃的目的、內(nèi)涵與特征

礦產(chǎn)資源自然區(qū)劃是以地質(zhì)成礦規(guī)律和礦產(chǎn)資源的自然賦存條件和分布規(guī)律為依據(jù)，根據(jù)不同礦產(chǎn)資源種類的特性、現(xiàn)狀分布規(guī)律及其地質(zhì)環(huán)境條件和其他影響因素進(jìn)行區(qū)域劃分的過程。礦業(yè)生產(chǎn)對(duì)礦產(chǎn)資源具有特殊依賴性，因此，礦產(chǎn)資源自然區(qū)劃是礦產(chǎn)資源區(qū)劃體系的基礎(chǔ)層級(jí)，是以自然資源為主，以資源為導(dǎo)向，將因地制宜發(fā)展礦業(yè)生產(chǎn)作為區(qū)劃工作應(yīng)遵循的基本準(zhǔn)則和目標(biāo)。它是引導(dǎo)一切礦產(chǎn)資源勘查開發(fā)活動(dòng)的基本前提、基礎(chǔ)依據(jù)，是調(diào)整礦業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)力布局的依據(jù)，是礦產(chǎn)資源規(guī)劃和科學(xué)管理調(diào)控的基礎(chǔ)。

礦產(chǎn)資源自然區(qū)劃具有以下特性：一是綜合性和系統(tǒng)性，需對(duì)煤炭、油氣、鐵、銅等不同礦種進(jìn)行組合評(píng)價(jià)，綜合反映區(qū)域礦產(chǎn)資源本底條件，在側(cè)重自然規(guī)律總結(jié)的同時(shí)，綜合考量現(xiàn)實(shí)與長(zhǎng)遠(yuǎn)，既有對(duì)現(xiàn)狀資源的分析，又有對(duì)未來勘查潛力的科學(xué)把握；二是主觀性和客觀性，以科學(xué)評(píng)價(jià)為基礎(chǔ)的自然區(qū)劃具有較強(qiáng)客觀性，但在評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和分區(qū)界限的確定上，也帶有人為主觀因素的影響；三是穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性，礦產(chǎn)資源分布及空間邊界具有一定穩(wěn)定性，但隨著地質(zhì)工作程度加深，一些資源貧乏的地區(qū)也可能隨著找礦突破成為重點(diǎn)保障區(qū)。

1.2 自然區(qū)劃的原則與技術(shù)思路

礦產(chǎn)資源自然區(qū)劃是區(qū)域成礦作用、礦床空間分布、成礦作用強(qiáng)度等諸多因素綜合作用的結(jié)果，礦產(chǎn)資源分布的集中性和區(qū)域成礦作用的統(tǒng)一性是圈定自然區(qū)劃邊界的地質(zhì)依據(jù)。除了遵循區(qū)劃的綜合相似性、區(qū)域差異性等區(qū)劃一般原則外，礦產(chǎn)資源自然區(qū)劃應(yīng)主要遵循自然成礦的客觀性，區(qū)劃時(shí)首先要考慮成礦條件的相似性、礦種組合的一致性與配套性、地域分布上的集中性等。

礦產(chǎn)資源自然區(qū)劃，采用“自上而下”的思路和空間疊置法，以GIS平臺(tái)為基礎(chǔ)，將地質(zhì)成礦區(qū)劃、礦產(chǎn)資源自然分布等圖件進(jìn)行空間疊加、規(guī)律找尋和深度挖掘，判別地質(zhì)成礦作用下的我國(guó)礦產(chǎn)資源空間分布規(guī)律。其中，為解決礦產(chǎn)資源點(diǎn)狀分布難以確定空間界限的問題，采用ArcGIS的核密度制圖功能對(duì)其進(jìn)行由點(diǎn)到面的技術(shù)轉(zhuǎn)換。在空間疊加的基礎(chǔ)上，采用主導(dǎo)因素法、判別評(píng)價(jià)法等方法對(duì)各個(gè)區(qū)劃要素進(jìn)行綜合，進(jìn)而確定分區(qū)邊界、形成區(qū)劃方案。為保證自然區(qū)劃的科學(xué)性與準(zhǔn)確性，區(qū)劃過程可采取分步式空間疊置，借助GIS平臺(tái)的空間分析工具，逐步深入和細(xì)化，技術(shù)流程見圖1。

圖1 礦產(chǎn)資源自然區(qū)劃技術(shù)流程Fig.1 Technical process of mineral resources natural zoning

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 區(qū)劃方法與模型

2.1.1 空間疊置法

空間疊置法是“自上而下”區(qū)劃思路的常用方法之一，適用于國(guó)家級(jí)等大尺度上的區(qū)劃。通常采用演繹法，首先進(jìn)行最高級(jí)別單位的劃分，然后依次將已劃分出的高級(jí)單位再劃分成次級(jí)單位，一直劃分到最低層級(jí)區(qū)劃單位為止，易于掌握宏觀格局[7]?？臻g疊置分析主要用于多重圖層的綜合分析，具有區(qū)域性和多層次性特點(diǎn)，是地理信息系統(tǒng)中的傳統(tǒng)空間分析手段。將同一區(qū)域、同一數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、不同信息表達(dá)的多組專題要素的圖形文件進(jìn)行疊加，通過提取具有相同特征的多邊形獲得同質(zhì)性區(qū)域，通過分析具有不同特征的多邊形及其碎塊獲得異質(zhì)性區(qū)域[8]。該方法能夠直觀反映不同要素之間的內(nèi)在聯(lián)系，其缺點(diǎn)是空間疊置后部分破碎多邊形難以劃分歸屬。因此，在空間疊加的基礎(chǔ)上，要采用主導(dǎo)因素法、判別評(píng)價(jià)法等方法進(jìn)行綜合判別，進(jìn)而確定分區(qū)邊界、形成區(qū)劃方案。

2.1.2 GIS核密度估計(jì)和制圖分析

由于礦區(qū)在全國(guó)尺度空間上為點(diǎn)狀分布，在GIS空間疊置分析過程中難以判定區(qū)劃邊界，因此，采用ArcGIS的核密度估計(jì)和制圖技術(shù)將礦區(qū)分布圖由點(diǎn)狀分布轉(zhuǎn)換為面狀分布，并提取高密度區(qū)作為該礦種的資源核心分布區(qū)，作為GIS空間疊置分析的基礎(chǔ)底圖。

核密度估計(jì)(Kernel density estimation)是在概率論中用來估計(jì)未知的密度函數(shù)，它基于已知數(shù)據(jù)，采用無參數(shù)估計(jì)法對(duì)未知概率密度函數(shù)進(jìn)行估計(jì)，使得估計(jì)得到的概率密度函數(shù)與實(shí)際的概率密度間的均方積分誤差最小[9]。核密度估計(jì)法的關(guān)鍵是核函數(shù)的選取以及窗口寬度，即帶寬的確定。

假設(shè)某類礦種礦區(qū)的查明資源儲(chǔ)量值為變量x，它具有n條數(shù)據(jù)xi(1≤i≤n)，則x的概率密度函數(shù)表達(dá)式見式(1)。

(1)

式中：h為帶寬；K(x)為核函數(shù)。

基于ArcGIS平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)算，其中默認(rèn)核函數(shù)為Silverman于1986年提出的二次核函數(shù)(Epanechnikov)[10]，其函數(shù)表達(dá)式見式(2)。默認(rèn)帶寬h的計(jì)算公式見式(3)。

(3)

式中：SD為標(biāo)準(zhǔn)距離；Dm為中值距離。

核密度制圖的基本原理：通過輸入的要素?cái)?shù)據(jù)集來計(jì)算整個(gè)區(qū)域數(shù)據(jù)的聚集狀況，從而產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的密度表面，因其是根據(jù)點(diǎn)數(shù)據(jù)而生成的，所以以每個(gè)待計(jì)算網(wǎng)格為中心，進(jìn)行網(wǎng)格區(qū)域的搜尋來計(jì)算每個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)的密度值[10]。本次研究采用密度制圖當(dāng)中的核密度制圖工具，落入搜索區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)具有不同的權(quán)重，靠近網(wǎng)格搜索區(qū)域中心的點(diǎn)會(huì)被賦以較大的權(quán)重，隨著其與網(wǎng)格中心距離的加大，權(quán)重降低。

2.2 數(shù)據(jù)來源

由于我國(guó)礦產(chǎn)資源種類繁多，礦產(chǎn)資源自然賦存基礎(chǔ)主要篩選對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展以及國(guó)家安全戰(zhàn)略等具有重要影響的16種礦產(chǎn)資源參與定量分析，分別是石油、天然氣、煤炭、鐵礦、錳礦、鉛礦、鋅礦、銅礦、鋁土礦、鉀鹽、磷礦、石墨、鎢礦、錫礦、銻礦、稀土(表1)。16種主要礦種礦區(qū)數(shù)據(jù)來源于國(guó)土資源部信息中心2016年度礦區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)，共涉及2萬(wàn)余個(gè)上圖礦區(qū)。

表1 16種重要礦種上圖礦區(qū)數(shù)量Table 1 Number of mining areas of the sixteen important minerals on the map

3 全國(guó)礦產(chǎn)資源自然區(qū)劃方案

3.1 礦產(chǎn)資源核密度估計(jì)和制圖分析

為進(jìn)一步將16種礦產(chǎn)資源進(jìn)行空間擬合，將礦產(chǎn)資源分為油氣資源、煤炭資源、黑色金屬資源、有色金屬資源、非金屬資源5大類。在進(jìn)行GIS空間疊置時(shí)，油氣資源保留大中型油氣盆地，煤炭、黑色金屬、有色金屬、非金屬礦產(chǎn)根據(jù)礦區(qū)儲(chǔ)量和分布進(jìn)行核密度制圖。其中，黑色金屬、有色金屬、非金屬礦產(chǎn)涉及多個(gè)礦種，在核密度制圖前需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。采用極值法以查明資源儲(chǔ)量為特征指標(biāo)對(duì)14種重要礦種的各個(gè)礦區(qū)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并按類型加和匯總，再采用ArcGIS的核密度制圖技術(shù)提取不同礦種類型的高密度區(qū)作為該類型資源核心分布區(qū)。

3.2 空間疊置區(qū)劃分析

按照?qǐng)D1所示的礦產(chǎn)資源自然區(qū)劃流程開展空間疊置分析與區(qū)劃邊界確定。

首先，進(jìn)行資源分布規(guī)律認(rèn)識(shí)。根據(jù)上述資源分布空間分析制圖結(jié)果，將16種重要礦產(chǎn)資源分布高值區(qū)、二級(jí)成礦省進(jìn)行空間疊置。從地質(zhì)構(gòu)造單元視角分析我國(guó)礦產(chǎn)資源分布的空間規(guī)律可發(fā)現(xiàn)，我國(guó)礦產(chǎn)資源主要分布在吉黑(造山系)成礦省、華北成礦省、秦嶺-大別成礦省、揚(yáng)子成礦省、昆侖(造山帶)成礦省、塔里木成礦省(塔里木地塊及北緣造山帶)，以及準(zhǔn)噶爾成礦省(準(zhǔn)噶爾地塊及周緣造山帶)6個(gè)成礦省。

其次，初步勾勒自然區(qū)劃方案。將非油氣固體礦種劃分為煤炭、黑色金屬、有色金屬、非金屬等類型，分類型提取礦種的高密度區(qū)。為進(jìn)一步減少空間分析方法的誤差、縮小礦產(chǎn)資源分布空白區(qū)，在資源富集區(qū)確定時(shí)適當(dāng)放寬閾值。將煤炭、黑色金屬、有色金屬、非金屬礦產(chǎn)資源分布高值區(qū)與大中型油氣盆地、二級(jí)成礦省進(jìn)行空間疊置。以資源分布特征線、地質(zhì)構(gòu)造單元界限等為主要依據(jù)，初步確定礦產(chǎn)資源自然區(qū)劃邊界。

最后，細(xì)化與修正自然區(qū)劃邊界。對(duì)富集礦種種類較多、分布規(guī)律不夠明顯的地區(qū)(如：揚(yáng)子成礦省、華南成礦省等)，進(jìn)一步細(xì)化區(qū)劃方案。將煤炭、黑色金屬、有色金屬、非金屬礦產(chǎn)資源分布高值區(qū)與三級(jí)成礦區(qū)帶進(jìn)行空間疊加，輔以14種重要固體礦種的大中型礦區(qū)分布校正。資源富集區(qū)特征線與地質(zhì)成礦區(qū)劃特征線疊加吻合的區(qū)段，原則上就確定為區(qū)劃界限的走向；主要地理特征線疊加不吻合的區(qū)段，增加專家系統(tǒng)定性判別，在充分論證資源分布、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造條件、成礦環(huán)境等要素的基礎(chǔ)上，按照礦產(chǎn)資源自然區(qū)劃的基本原則，確定區(qū)劃界限的走向。

3.3 自然區(qū)劃方案

基于各類礦種核密度分析圖，將各類型資源核心分布區(qū)與地質(zhì)成礦區(qū)劃中的一級(jí)成礦域、二級(jí)成礦省、三級(jí)成礦區(qū)帶進(jìn)行空間疊加、識(shí)別分析和歸納凝練，通過多輪專家協(xié)同研判，逐級(jí)細(xì)化礦產(chǎn)資源自然區(qū)劃的邊界，并根據(jù)16種礦產(chǎn)的大中型礦區(qū)分布圖進(jìn)行分區(qū)邊界校正，最終形成我國(guó)礦產(chǎn)資源自然區(qū)劃初步方案(表2)，共包括28個(gè)資源富集區(qū)。

表2 礦產(chǎn)資源自然區(qū)劃方案的28個(gè)資源富集區(qū)Table 2 The twenty eight resource-rich areas by natural zoning of mineral resources

續(xù)表2

T序號(hào)區(qū)劃名稱所在行政區(qū)所屬二級(jí)成礦省22上揚(yáng)子中東部磷-鐵-錳-鋁富集區(qū)貴州、重慶、湖北、湖南揚(yáng)子成礦省23江南隆起-武功山銅-鎢-鉛-鋅-錳富集區(qū)浙江、安徽、江西、湖北、湖南、貴州、廣西24蘇北油氣富集區(qū)江蘇25滇東南南部錫-錳-鉛-鋅富集區(qū)云南26桂西-黔西南-滇東南北部銻-鋁-錫-錳富集區(qū)廣西、貴州、云南華南成礦省27華南鉛-鋅-鎢-錫-銻-錳-稀土富集區(qū)浙江、福建、江西、湖南、廣西、廣東28浙閩粵沿海鉛-鋅-錫-稀土富集區(qū)浙江、福建、廣東

4 結(jié) 語(yǔ)

礦產(chǎn)資源區(qū)劃是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，以往開展的相關(guān)區(qū)劃研究雖取得一定有益成果，但礦產(chǎn)資源勘查開發(fā)綜合區(qū)劃體系尚未形成，不同的區(qū)劃方案之間的邏輯關(guān)系尚未理順。為了深入研究礦產(chǎn)資源勘查開發(fā)利用系統(tǒng)的空間分異，有必要進(jìn)一步調(diào)整完善區(qū)劃體系，從單因素到多因素，從部門到整體，從“因地制宜”“因市制宜”到“生態(tài)文明”，明確各級(jí)區(qū)劃目標(biāo)、原則、分區(qū)方法體系以及相應(yīng)的政策導(dǎo)向，以滿足從理論認(rèn)知到?jīng)Q策管理的多層次需求。本研究團(tuán)隊(duì)致力于按照“上層分區(qū)是下層分區(qū)的基礎(chǔ)前提，下層分區(qū)對(duì)上層分區(qū)逐級(jí)深化”的總體思路，以礦產(chǎn)資源自然地域分異規(guī)律為基礎(chǔ)，以應(yīng)用目標(biāo)為導(dǎo)向，科學(xué)構(gòu)建包含礦產(chǎn)資源自然區(qū)劃、礦產(chǎn)資源經(jīng)濟(jì)區(qū)劃、礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃、礦產(chǎn)資源勘查開發(fā)功能區(qū)劃4個(gè)層次的區(qū)劃體系。自然區(qū)劃是區(qū)劃體系的基礎(chǔ)層級(jí)，其最大的理論意義在于規(guī)律認(rèn)知，通過自然區(qū)劃了解自然礦產(chǎn)要素、認(rèn)識(shí)自然礦產(chǎn)要素；其現(xiàn)實(shí)意義表現(xiàn)在為推動(dòng)開展礦產(chǎn)資源經(jīng)濟(jì)區(qū)劃、綜合區(qū)劃提供了客觀實(shí)際的科學(xué)依據(jù)，進(jìn)而為礦產(chǎn)資源合理勘查開發(fā)利用、礦業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展、礦政管理治理能力全面提升奠定了決策基礎(chǔ)。

本文僅是這項(xiàng)系統(tǒng)研究的初步基礎(chǔ)探索階段，下一階段將繼續(xù)開展礦產(chǎn)資源經(jīng)濟(jì)區(qū)劃研究、綜合區(qū)劃研究，深化礦產(chǎn)資源勘查開發(fā)利用保護(hù)影響機(jī)理分析，進(jìn)一步深化礦產(chǎn)資源勘查開發(fā)綜合區(qū)劃的理論基礎(chǔ)、技術(shù)體系和實(shí)踐。目前提出的自然區(qū)劃方案還存在有待完善之處，如區(qū)劃邊界仍需多方論證、自然區(qū)劃方案在下層級(jí)區(qū)劃中如何應(yīng)用等問題，均有待結(jié)合下階段工作繼續(xù)深化完善。