新疆紅海塊狀硫化物礦床三維地質(zhì)建模及勘探應用

孫 岳，王功文，方同輝，馮 源，王新宇

(1.中國地質(zhì)大學(北京)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室，北京 100083;2中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所，北京 100081;3.有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，北京 100012)

1 前言

傳統(tǒng)地質(zhì)圖和剖面圖由于維數(shù)的限制而不易理解地質(zhì)體間的褶皺、斷層、不整合等相互關(guān)系，信息比較零散，需要一定的地質(zhì)基礎(chǔ)并結(jié)合相關(guān)資料才能把握局部空間相關(guān)性;三維地質(zhì)模型(Houlding，1994)融合了多種信息，彌補了二維圖件的缺陷，可以很清晰的反應地下的地質(zhì)構(gòu)造和復雜地質(zhì)現(xiàn)象，并能夠旋轉(zhuǎn)、剖切(Kostic et al，2007;Smirnoff et al，2008)、透視(Caumon et al，2009)和查詢(Sprague et al，2006)各地質(zhì)對象，模型可因新的資料而隨時更新和完善，并能準確模擬各種地質(zhì)現(xiàn)象和過程、計算礦產(chǎn)資源量。三維建模技術(shù)在國外發(fā)展比較成熟，相應的軟件主要有 Gocad、3D GeoModeller、Micromine、MineSight，地質(zhì)模型的研究既有由單一的地震數(shù)據(jù)(Susini et al，2009;Ruzek et al，2011)，也有由多種數(shù)據(jù)相互約束來創(chuàng)建(Schmidt et al，1999;Galera et al，2003;Calcagno et al，2008;Bistacchi et al，2008;Zanchi et al，2009;Gallerini et al，2009;Benaize et al，2010)，應用的領(lǐng)域主要為礦山勘探、巖土工程等。國內(nèi)雖然起步晚，但也對三維建模技術(shù)進行了研究和探討(侯景儒，1997;曹代勇等，2001;吳立新等，2005;潘懋等，2007;向中林等，2008;楊曉坤等，2008;丁建華等，2009;管樹巍等，2010;Wang et al.，2011)，提出了一些數(shù)據(jù)模型，研制或二次開發(fā)了一些三維軟件系統(tǒng)。

本文所建三維地質(zhì)模型是在Gocad軟件平臺上完成的。該軟件是一個能夠模擬真實復雜地質(zhì)現(xiàn)象的三維建模軟件，集成了離散光滑插值(DSI)算法(Mallet，1992;1997)和地質(zhì)統(tǒng)計學(孫洪泉，1990)方法，如普通克里格、指示克里格、協(xié)同克里格等。DSI算法利用各種約束創(chuàng)建平滑的線面來模擬地質(zhì)體，是Gocad結(jié)構(gòu)建模的核心算法，點線面對象的生成都經(jīng)過DSI算法的處理;地質(zhì)統(tǒng)計學方法能夠快速對柵格模型賦予屬性并計算地質(zhì)體面積、體積及礦體資源量。Gocad軟件提供了Sgrid柵格模型，該模型將地質(zhì)對象分割成不同尺度的單元格，每一個單元格都包含巖性、蝕變、鉆孔、地球物理、地球化學等某一或多種屬性，因此，集成數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)模型對于礦產(chǎn)勘查具有重要的意義。本文以新疆紅海VMS礦床為例介紹了研究區(qū)DEM、鉆孔數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和加載，地表、地層界面、斷層面的建立方法，柵格模型的創(chuàng)建和Cu品位的插值，在此基礎(chǔ)上統(tǒng)計黃土坡塊段Cu資源量并預測一個新的成礦靶區(qū)。

2 三維地質(zhì)建模的方法

三維模型的創(chuàng)建依賴各種數(shù)據(jù)的分布和離散程度、工程密集程度以及研究區(qū)的尺度，數(shù)據(jù)主要包括遙感影像、地質(zhì)圖和剖面圖、地球物理、地球化學、地震數(shù)據(jù)和鉆孔數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)在建模過程中約束和影響最后模型的準確性，例如鉆孔密集的地區(qū)能夠精確控制地層、巖體等地質(zhì)要素，約束地震等其他間接觀測數(shù)據(jù)。本文所建三維地質(zhì)模型是在礦床尺度下，主要收集和利用的數(shù)據(jù)有以下四類(表1)，三維建模流程示意如圖1。

表1 三維地質(zhì)建模準備的幾類數(shù)據(jù)Table1 Several available data for 3D geological model construction

圖1 三維地質(zhì)建?；玖鞒蘁ig.1 Flowchart showing 3D geological modeling

三維地質(zhì)建模和預測評價的主要方法步驟:(1)數(shù)據(jù)處理。校正坐標參數(shù)系統(tǒng)，數(shù)字化地形地質(zhì)圖、實測剖面圖，利用GIS軟件，提取等高線、地質(zhì)界線、斷層等，賦值等高線;建立鉆孔數(shù)據(jù)庫，包括鉆孔位置、路徑、Cu品位信息;解譯地球物理剖面。(2)數(shù)據(jù)導入。將高程數(shù)據(jù)導入Gocad創(chuàng)建地形表面;融合地質(zhì)界線、斷層到三維地形面上;導入矢量化的地質(zhì)剖面(.dxf格式);加載鉆孔數(shù)據(jù)。(3)模型創(chuàng)建。利用地層斷層的產(chǎn)狀插值出地表以下的地質(zhì)界面;利用地質(zhì)剖面、地球物理剖面及鉆孔修改完善地質(zhì)界面;建立三維結(jié)構(gòu)模型和柵格模型。(4)屬性插值。利用地質(zhì)界面將柵格模型分割成不同的區(qū)域，代表不同的地質(zhì)體;利用鉆孔化驗數(shù)據(jù)(Cu)和空間數(shù)據(jù)分析功能建立變差函數(shù)，普通克里金法插值出無鉆孔控制區(qū)的Cu品位，使得每個地質(zhì)體柵格單元具有Cu品位屬性;各區(qū)域賦予不同巖性特征并根據(jù)地質(zhì)體間的接觸關(guān)系，進行區(qū)域間的邏輯運算(交、并、緩沖等)。(5)成礦預測。三維成礦預測增加了深度尺度，能夠?qū)θΧǖ陌袇^(qū)定位和定量，但目前尚無成熟的方法，本文主要利用多源信息的集成，根據(jù)VMS礦床成礦環(huán)境，結(jié)合成礦規(guī)律和成礦控制因素，初步預測礦體外圍及深部無工程控制區(qū)的成礦有利部位。

3 研究區(qū)地質(zhì)背景

紅海VMS礦床位于卡拉塔格銅金(鋅)成礦帶的東段，處于吐哈盆地南緣，東天山東段，低山丘陵地貌景觀，地表海拔490～620m(方同輝等，2002;毛啟貴等，2010)?？ɡ耨薨櫦皵嗔褬?gòu)造發(fā)育，構(gòu)造形式以褶皺為主，斷裂多為褶皺伴生產(chǎn)物，空間上北西向為主構(gòu)造線方向，控制卡拉塔格早古生代島弧裂隙式火山噴溢活動及礦化帶的展布(圖2①)。研究區(qū)為一套奧陶－志留系基性－中性－酸性火山巖，巖石組合為玄武巖、安山巖、英安巖、流紋巖，以噴溢相為主，裂隙式噴發(fā)為主要形式②。紅海礦區(qū)地表分布有含角礫凝灰質(zhì)熔巖、具有韻律層理的凝灰質(zhì)砂巖、英安質(zhì)角礫熔巖、凝灰?guī)r等，主礦體埋藏深度大于300m，為隱伏的平臥塊狀硫化物礦體(圖3)。礦區(qū)銅鋅礦化除了受火山巖層控性特征比較明顯外，還受北北西向斷裂－成礦熱液通道控制。紅海銅鋅主礦體為致密塊狀硫化物型銅鋅礦體和稠密浸染狀銅礦體，賦存于沉凝灰?guī)r與英安巖的接觸部位，與地層整合。礦體上盤近礦圍巖主要為含角礫凝灰質(zhì)熔巖、黃鐵礦化沉凝灰?guī)r、安山巖、英安巖、英安斑巖，礦體下盤近礦圍巖主要為沉凝灰?guī)r和黃鐵礦化沉凝灰?guī)r。

4 研究區(qū)模型創(chuàng)建

4.1 結(jié)構(gòu)模型

三維結(jié)構(gòu)模型是由各地質(zhì)體和若干地質(zhì)界面組成，如地層界面、不整合面、斷層面等，每個界面代表了地層接觸關(guān)系、巖體侵入和構(gòu)造事件，因此，結(jié)構(gòu)模型能夠?qū)⒀芯繀^(qū)地質(zhì)概況主體形態(tài)特征模擬出來。利用GIS軟件從DEM影像上裁剪出新疆紅海研究區(qū)的范圍(E91°55'40″～ E91°57'59″，N42°34'52″～N42°36'56″)，提取研究區(qū)影像的高程線，高程間距10m，將具有高程屬性和正確坐標系統(tǒng)的等高線導入Gocad平臺，轉(zhuǎn)化為高程點作為約束點生成地形表面(圖4(a)，白色為抽稀的等高線)。將矢量化的地質(zhì)界線、斷層加載到Gocad軟件中(圖4(b)，A、B垂向均放大3倍)，投影到地形表面并切割地形面，形成三維地形地質(zhì)圖。斷層面的生成借助傾向和傾角，運行curves and expansion vector命令;巖體及火山巖地層界面的生成主要參照地質(zhì)剖面和地球物理剖面，利用這些剖面作為約束條件，用合適的三角網(wǎng)擬合形成曲面模型，結(jié)合鉆孔巖心的驗證，對于不滿意的局部區(qū)域，再進行編輯分割、優(yōu)化三角形，插值形成平滑曲面。由于研究區(qū)火山巖較復雜，圖4結(jié)構(gòu)模型只顯示了研究區(qū)上部英安質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r夾凝灰角礫巖、熔巖和下部沉凝灰?guī)r、角礫凝灰?guī)r的界面，界面由剖面約束生成(圖4(c))。導入鉆孔數(shù)據(jù)，建立鉆孔模型，利用巖心數(shù)據(jù)標記出鉆孔孔徑上的礦段，參照固體礦產(chǎn)Cu勘查規(guī)范圈定出紅海－黃土坡地區(qū)的層狀礦體(圖4(d))。

圖2 卡拉塔格地區(qū)構(gòu)造綱要圖(據(jù)新疆維吾爾自治區(qū)地調(diào)院，1988修改)Fig.2 Geological map showing tectonics of the Kalatage region(modified from Geological Survey Institute of the Xinjiang Uygur Autonomous Region，1988)

圖3 新疆紅海銅鋅礦區(qū)綜合地質(zhì)圖(據(jù)新疆鑫匯地質(zhì)礦業(yè)有限責任公司修編，2009)Fig.3 Comprehensive geological map of the Honghai copper and zinc deposit in Xinjiang(modified from Xinjiang Xinhui Mining Company Ltd.，2009)

4.2 柵格模型

利用地形表面和高程為0m的水平面作為底面生成柵格模型，面積為3.2km×3.8km，柵格單元大小為16m×14m×1m，總計單元格為5200000個，包含13個巖性界面，5個斷層面和14個主要地質(zhì)體。三維柵格模型的生成是在結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)各地質(zhì)體的形態(tài)產(chǎn)狀厚度以及地下延伸情況，建立各地質(zhì)體間的地質(zhì)界面來劃分柵格。例如侵入巖與火山巖間的界面要考慮到后期侵入巖對火山巖侵蝕作用，界面形態(tài)依賴侵入巖外形并穿插其他相鄰火山巖界面。利用地質(zhì)體的界面將柵格模型分割成不同的面域(regions)，對不同的面域賦予不同的巖性等屬性，面域之間可以進行相交、相減、合并、緩沖等邏輯運算，并計算各面域面積、體積和柵格多少，圖5(a)為研究區(qū)礦體等各地質(zhì)體三維柵格模型，地表英安巖、英安斑巖未顯示。儲量的計算利用空間數(shù)據(jù)分析模塊，加載黃土坡地區(qū)鉆孔數(shù)據(jù)和Cu品位數(shù)據(jù)，多項擬合得出變差函數(shù)參數(shù):塊金常數(shù)為0，基臺值0.0272351，變程0.0293114。普通克里格法插值出黃土坡I礦段礦體 Cu的品位模型(圖5(b))，算得 Cu平均品位 0.71%，礦體體積為6740790m3，礦 石 體 重 為 3.72t/m3，金 屬 量178037.75t;與傳統(tǒng)幾何塊段法計算出的黃土坡礦區(qū)I礦段Cu金屬量相差2.706%。地質(zhì)統(tǒng)計學算出的平均品位是由已知塊段根據(jù)變差函數(shù)插值未知塊段后加權(quán)平均所求得，再算出礦體體積求得資源量?？赡艿恼`差主要是數(shù)據(jù)的稀少與不足，導致變差函數(shù)的選擇、礦體的圈定和柵格大小的選擇出現(xiàn)偏差，但三維模型計算的金屬量具有一定的參考價值，誤差也會因數(shù)據(jù)的豐富和方法的改善而不斷減小。

圖4 研究區(qū)三維結(jié)構(gòu)模型建立過程Fig.4 Process of 3D structural modeling in the study area

紅海研究區(qū)VMS型礦床與海相火山沉積巖有關(guān)(毛啟貴等，2010)，礦體與火山巖地層產(chǎn)狀大體一致，主要產(chǎn)于上部陸相火山－火山碎屑巖(英安質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r夾凝灰角礫巖、熔巖)與下盤海相火山碎屑巖(沉凝灰?guī)r、角礫凝灰?guī)r)之間，同時受火山機構(gòu)和斷裂的控制，在地形上產(chǎn)于火山洼地，與后期次火山巖和侵入體也有一定關(guān)聯(lián)。從模型中看，紅海外圍具有隱伏礦的有利條件，結(jié)合成礦規(guī)律和成礦控制因素，初步預測在紅海南部侵入體附近斷裂處300m以下(上部陸相火山－火山碎屑巖厚約300m)有一隱伏礦體。

圖5 (a)研究區(qū)大比例尺巖性三維柵格模型，(b)黃土坡礦區(qū)I礦段礦體品位模型Fig.5 Three-dimensional distribution of lithofacies associations with the large scale grid model of study area(a)and grade model of I orebody in the Huangtupo ore district(b)

5 結(jié)論與討論

三維可視化技術(shù)集成不同的數(shù)據(jù)源，建立真實可靠的地質(zhì)模型，不僅能夠隨意顯示、旋轉(zhuǎn)、剖切地質(zhì)對象，而且能夠?qū)Φ刭|(zhì)體進行邏輯運算和信息查詢。三維柵格模型中的面域?qū)傩园?jié)點、柵格單元信息，對柵格數(shù)據(jù)分析處理能夠計算資源量，指導圈定新的找礦靶區(qū)，并且所建的三維模型能夠加載新的數(shù)據(jù)而隨時修改和更新。模型可以通過不同的文件格式實現(xiàn)信息共享，減少建模時間，不同數(shù)據(jù)的融合和數(shù)據(jù)的密集程度可以降低建模過程的不確定性，使模型更完善更真實。本文以新疆紅海地區(qū)VMS型礦床為例，在Gocad平臺上構(gòu)建了三維結(jié)構(gòu)模型和柵格模型，討論了建模需要的數(shù)據(jù)、方法、流程及模型在資源評價方面的應用。

三維地質(zhì)模型在一定程度上反應了研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征，但在建模過程中認識到一些問題，包括以下三個方面:(1)數(shù)據(jù)的多少。如果數(shù)據(jù)稀疏而又不完整，對于模型的創(chuàng)建和插值意義不大，只能簡單示意而不能表達復雜地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)意義。(2)插值的方法。結(jié)構(gòu)模型和屬性模型都是通過插值的方法建立起來，尤其是屬性模型，變差函數(shù)的選擇和不同的插值會影響模型的屬性特征。(3)約束的選擇。模型的細節(jié)也會因不同的數(shù)據(jù)約束和個人的主觀理解而有所差異。這些問題導致三維建模的局限，歸根是控制或約束數(shù)據(jù)的缺少，預測的結(jié)果有待地震數(shù)據(jù)或鉆孔的進一步驗證。

［注釋］

① 有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心.2010.新疆哈密市紅海一帶銅鋅多金屬礦調(diào)查評價設(shè)計報告［R］.

② 新疆維吾爾自治區(qū)地礦局.1988.新疆康古爾塔格1∶20萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告［R］.

③ 新疆西拓礦業(yè)有限公司.2010.新疆哈密市黃土坡礦區(qū)Ⅰ礦段銅鋅礦采礦權(quán)評估報告［R］.

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