新疆北山地區(qū)羅東銅鎳礦三維地質(zhì)建模及控礦構(gòu)造的演化研究

楊 陽(yáng)，張 敏，魏玉凱

（新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第十一地質(zhì)大隊(duì)，新疆 昌吉 831100）

新疆北山地區(qū)羅東銅鎳礦，位于北山地區(qū)的西部方向，處于坡北鎂鐵質(zhì)——超鎂鐵質(zhì)雜巖帶西側(cè)，是一個(gè)典型的雜巖礦山體。通過(guò)翻閱大量的調(diào)查資料，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的羅東巖體形態(tài)、產(chǎn)狀、巖相分帶具有集中化、分散化等特征。因此傳統(tǒng)建模方法根據(jù)以往的銅鎳礦體物化探異常特征，建立銅鎳礦三維地質(zhì)模型。此次研究在傳統(tǒng)建模方法的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)建模過(guò)程，將模型的計(jì)算速度和精確度都進(jìn)行不同程度的提升，為銅鎳礦的探采工作提供更加先進(jìn)的技術(shù)。因此研究新疆北山地區(qū)羅東銅鎳礦的三維地質(zhì)建模方法，并分析控礦構(gòu)造的演化過(guò)程。

1 新疆北山地區(qū)羅東銅鎳礦三維地質(zhì)建模

1.1 構(gòu)建地表模型

數(shù)字地形模型是地形分布特征的表現(xiàn)形式，通過(guò)已知坐標(biāo)屬性和離散分布點(diǎn)，模擬顯示地面的連續(xù)性特征。在3DMine 礦山建模軟件中，利用散點(diǎn)、線條以及閉合線生成地表模型。首先將散點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳到3DMine 數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)散點(diǎn)圖的形式預(yù)先設(shè)定地表特征點(diǎn)，利用三角形網(wǎng)連接各點(diǎn)，形成一個(gè)表面模型。然后為線條上的點(diǎn)進(jìn)行高程賦值，結(jié)合帶有高程值的地形線條，生成散點(diǎn)數(shù)據(jù)信息，再利用線條生成地表模型的基本外觀。然后利用自身程序轉(zhuǎn)化模型的基本框架，通過(guò)顏色渲染功能模擬地表的起伏狀態(tài)[1]。此次研究構(gòu)建的礦區(qū)范圍地形模型，利用mapgis6.7 對(duì)1：1000 的地質(zhì)圖進(jìn)行掃描，然后矢量化處理生成的二維圖像，得到礦區(qū)范圍地形線，如下圖1 所示。

將處理后的文件導(dǎo)入到3DMine 的管理數(shù)據(jù)庫(kù)中，賦值完等高線高程后檢查并清理地形線，清理重復(fù)點(diǎn)或者線條，得到完整的新疆北山地區(qū)羅東銅鎳礦地表模型。

1.2 構(gòu)建3D 地形地質(zhì)模型

依據(jù)新疆北山地區(qū)羅東銅鎳礦段地形地質(zhì)圖，結(jié)合上述構(gòu)建的范圍地形模型，建立3D 地形地質(zhì)圖。在校正后的地形地質(zhì)圖上，提取因?yàn)樽匀画h(huán)境因素、人為開(kāi)采因素導(dǎo)致的斷層及地層信息，將該信息上傳到3DMine 中，檢查同時(shí)清理提取的數(shù)據(jù)，同時(shí)打開(kāi)范圍地形模型，利用點(diǎn)以及文字轉(zhuǎn)換線條落在數(shù)字地形模型上的功能，同時(shí)要求地質(zhì)區(qū)顏色與地形地質(zhì)圖之間，按照1：1000 的比例進(jìn)行格式統(tǒng)一，以3D 效果圖的形式，建立地形地質(zhì)圖模型。該過(guò)程首先要建立主要地層模型，根據(jù)地層的頂?shù)装妩c(diǎn)，在地形地質(zhì)圖及其剖面圖中獲取與地層有關(guān)的信息，確定模型的地層。自然類(lèi)型模型則從剖面圖和儲(chǔ)量估算圖中，提取與自然類(lèi)型有關(guān)的信息。建立礦體實(shí)體模型時(shí)，將原有的cad 勘探線剖面圖三維化；然后解譯及圈定剖面礦體；再協(xié)調(diào)和處理各個(gè)子模型之間的空間位置關(guān)系；將該模型與原地勘剖面進(jìn)行對(duì)比，注意校核線框?qū)嶓w的有效性；最后進(jìn)行數(shù)據(jù)糾錯(cuò)，對(duì)存在構(gòu)建問(wèn)題的銜接面、銜接點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)3D 地形地質(zhì)圖的構(gòu)建。

1.3 構(gòu)建塊體模型

地質(zhì)實(shí)體模型可以精準(zhǔn)描述銅鎳礦的空間形態(tài)與位置，但很難反映其內(nèi)在性質(zhì)，因此在構(gòu)建地表模型、3D 地形地質(zhì)模型的前提下，還要構(gòu)建塊體模型，不僅掌握新疆北山地區(qū)羅東銅鎳礦的位置及形態(tài)，還要迅速把握礦山的內(nèi)在性質(zhì)。塊體模型只考慮平面范圍，因此從新疆北山地區(qū)金屬礦的數(shù)據(jù)庫(kù)中，找出羅東銅鎳礦的模型構(gòu)建范圍，然后根據(jù)前兩節(jié)內(nèi)容，構(gòu)建地表模型和地形地質(zhì)模型。根據(jù)模型中的基本參數(shù)，自動(dòng)獲取塊體在水平方向、垂直方向上的最小和最大坐標(biāo)。然后確定塊體模型的尺寸，塊體尺寸越小時(shí)，構(gòu)建的模型精準(zhǔn)度就越高。但由于過(guò)小的塊體尺寸會(huì)增加計(jì)算量，降低整體計(jì)算效率，因此本次建模為了保證時(shí)效性，將塊體模型尺寸設(shè)置為5×5，按照該規(guī)格和基本模型架構(gòu)，自動(dòng)生成規(guī)則格網(wǎng)，此時(shí)格網(wǎng)中心點(diǎn)坐標(biāo)，就是塊體模型在建設(shè)平面中的中心點(diǎn)。然后對(duì)格網(wǎng)點(diǎn)賦值。由于傳統(tǒng)建模方法根據(jù)已知樣本點(diǎn)，采用估值法判斷格網(wǎng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的三角形，然后通過(guò)三角面方程插值的方法進(jìn)行賦值，導(dǎo)致計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，因此針對(duì)傳統(tǒng)建模方法存在的不足，對(duì)格網(wǎng)點(diǎn)賦值方法進(jìn)行改進(jìn)，提高三角網(wǎng)對(duì)格網(wǎng)點(diǎn)賦值的速度與精度。該方法首先根據(jù)三角形的角的最值坐標(biāo)，確定其外接矩形。然后分析網(wǎng)中心線與外接矩形四條邊線之間的關(guān)系，當(dāng)橫縱兩條中心線均與矩形存在交點(diǎn)時(shí)，則可知外接矩形影響格網(wǎng)；再分析三角形與中心點(diǎn)之間的關(guān)系，當(dāng)中心點(diǎn)位于三角形內(nèi)部時(shí)，則說(shuō)明三角形影響格網(wǎng)。根據(jù)三角形所影響的格網(wǎng)判斷結(jié)果，對(duì)格網(wǎng)中心點(diǎn)賦值。當(dāng)中心點(diǎn)在三角形內(nèi)部時(shí)，則通過(guò)三角面方程插值法，確定格網(wǎng)中心點(diǎn)的銅鎳含有率。完成上述賦值工作后，根據(jù)格網(wǎng)頂面、底面中心點(diǎn)，建立不同中心點(diǎn)的坐標(biāo)，其中格網(wǎng)頂面中心點(diǎn)的坐標(biāo)和底面中心點(diǎn)的坐標(biāo)，分別用A0(x0,y0,z0)和B0(a0,b0,c0)表示，四個(gè)頂面頂點(diǎn)分別為A1、A2、A3、A4；四個(gè)底面頂點(diǎn)分別為B1、B2、B3以及B4[2]。已知塊體模型的實(shí)際構(gòu)建尺寸，根據(jù)格網(wǎng)頂面中心點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算其他四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)，同理計(jì)算格網(wǎng)底面其他四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)，從而構(gòu)建格網(wǎng)底面模型。然后再利用上述提到的頂點(diǎn)坐標(biāo)，構(gòu)建模型的側(cè)面，將側(cè)面、頂面以及底面相連接，形成一個(gè)封閉體，也就是塊體模型。塊體模型構(gòu)建完畢后，將其與其他模型之間進(jìn)行銜接，然后進(jìn)行三維顯示。該顯示界面如下圖2 所示。

將地層頂面三角網(wǎng)和底面三角網(wǎng)，分別放入頂面所在圖層和底面所在圖層兩個(gè)輸入欄中，單擊“確定”按鈕即可顯示模型的三維立體效果圖；若選擇“是否計(jì)算體積/儲(chǔ)量”這一選項(xiàng)，還可以自動(dòng)計(jì)算不同地層中的銅鎳金屬含量。至此實(shí)現(xiàn)對(duì)新疆北山地區(qū)羅東銅鎳礦三維地質(zhì)模型的構(gòu)建。

2 控礦構(gòu)造演化過(guò)程分析

目前的礦床內(nèi)控礦構(gòu)造，多以褶皺和斷裂的形態(tài)為主，總體呈現(xiàn)NW 形態(tài)的走勢(shì)，還有一些呈現(xiàn)NWW 的走勢(shì)特征。其中新疆北山地區(qū)羅東銅鎳礦的背斜構(gòu)造，主要存在NWW 走向的軸向褶皺；控礦斷裂則主要體現(xiàn)在NW 斷裂帶與NWW 斷裂之間。分析控礦構(gòu)造演化的基本特征時(shí)，根據(jù)構(gòu)建的三維地質(zhì)模型，提取該地區(qū)地表和地層的形態(tài)學(xué)特征，提取每一褶皺和斷裂區(qū)域的控礦構(gòu)造演化數(shù)據(jù)，然后結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)基本定理，分析控礦構(gòu)造演化成因及規(guī)律。已知羅東銅鎳礦某一段露天采場(chǎng)內(nèi)的NWWNW 向斷裂中，靠近斷裂帶兩側(cè)的含銅鎳礦，呈脈狀或是微細(xì)浸染狀分布。根據(jù)三維模型的觀測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)斷裂帶較破碎部位的含銅鎳礦脈發(fā)育情況更好，因此可以判斷該開(kāi)采地段受地殼活動(dòng)的影響，在該處劇烈運(yùn)動(dòng)，使構(gòu)造透鏡體、斷層泥以及斷層角礫不斷發(fā)育，通過(guò)地殼活動(dòng)重新排列組合，由兩側(cè)斷裂帶的牽引使銅鎳礦脈沖出基本地層，因此可以通過(guò)含礦斷裂帶的剪切逆斷裂實(shí)際情況，判別控礦構(gòu)造演化過(guò)程。根據(jù)上述過(guò)程可知，在成礦前控礦構(gòu)造受NW 斷裂與NWW 斷裂的影響，產(chǎn)于礦山的背斜兩翼或切穿背斜，說(shuō)明控礦斷的形成時(shí)間，要晚于背斜和千枚理構(gòu)造的形成時(shí)間。因此根據(jù)應(yīng)力學(xué)分析可知，背斜形成于NNE 的擠壓，因此通過(guò)上述分析過(guò)程，判斷新疆北山地區(qū)羅東銅鎳礦的控礦構(gòu)造演化規(guī)律[3]。

3 結(jié)束語(yǔ)

此次研究在傳統(tǒng)三維地質(zhì)建模的基礎(chǔ)上，對(duì)三角面方程插值法賦值過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化，為新疆北山地區(qū)羅東銅鎳礦山的三維地質(zhì)建模，提供更有效率和精度的礦山三維立體模型。但此次研究受復(fù)雜地質(zhì)條件、動(dòng)態(tài)變化的找礦環(huán)境影響，其建模方法還存在不足之處，今后的研究工作中，可以對(duì)巷道模型的建立進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，為三維地質(zhì)建模提供更加可靠的技術(shù)手段。同時(shí)還要以實(shí)地考察的方式，檢驗(yàn)控礦構(gòu)造演化過(guò)程分析是否可靠，為國(guó)家的找礦技術(shù)貢獻(xiàn)一份力量。