山東焦家金成礦帶三維地質(zhì)建模及成礦預測

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(1.山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟南 250013； 2.中國地質(zhì)大學(北京)，北京 100083)

0 引 言

21世紀以來，隨著計算機圖形學技術的迅速發(fā)展和三維空間數(shù)據(jù)處理能力的不斷增強，將三維GIS與三維地質(zhì)建模技術結合起來的三維立體成礦預測技術應運而生。三維地質(zhì)建模這一概念最早是由加拿大學者Houlding于1994年提出的，即用三維數(shù)據(jù)模型包括鉆孔數(shù)據(jù)(Hole data)、圖形數(shù)據(jù)(Map data)和體元數(shù)據(jù)(Volume data)以及三維網(wǎng)格數(shù)據(jù)(3D grid data)為數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)流來展示地質(zhì)描述。1999年，首屆“國際數(shù)字地球”大會提出“數(shù)字礦山”的概念。隨后，北歐和美國也建立了“地學信息系統(tǒng)三維建?！钡睦碚?。自20世紀80年代至今，我國的礦產(chǎn)資源定量預測評價理論和方法也相繼建立(程裕淇等，1983；翟裕生，1999；趙鵬大，2002；王世稱等，2003；鄧聚龍，2005；王世稱，2010)。

目前，三維地質(zhì)建模廣泛應用于地下水資源利用與管理、土地資源利用、城市地下空間利用與決策、礦產(chǎn)資源定量預測等領域。在市場需求下,一些礦業(yè)軟件，如加拿大的MicroLynx，澳大利亞的Micromine、Surpac Vision和Vulcan，法國的GOCAD以及美國Earth Vision等軟件相繼問世。Surpac作為全球同類軟件中應用最為廣泛的大型三維礦業(yè)軟件，具備強大的三維繪圖功能，廣泛應用于資源估算、礦山規(guī)劃、生產(chǎn)計劃管理的各個階段，服務于120多個國家的露天和地下開采礦山及勘探項目。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

山東焦家金成礦帶位于著名的膠西北金礦密集區(qū)。其中已探明的特大型金礦床3處，分別為新城、焦家、河西金礦床。大、中型金礦床有望兒山、河東、東季、上莊等30處，小型金礦床、金礦點近百處(孔慶友等，2006)。大地構造位置處于華北板塊(Ⅰ)膠北地塊(Ⅱ)膠北隆起及凹陷區(qū)(Ⅲ)膠北隆起(Ⅳ)之膠北凸起(Ⅴ)西緣。古老的基底變形變質(zhì)巖系，多期多成因的巖漿活動和以北東向斷裂為主的構造格架，構成了優(yōu)越的成礦地質(zhì)背景。研究區(qū)內(nèi)地層簡單，斷裂構造發(fā)育，巖漿巖廣布(圖1)(宋明春等，2012)。

研究區(qū)出露的地層有第四系和荊山群祿格莊組。第四系分布于萊州—龍口斷裂以西，荊山群(Pt1J)出露于研究區(qū)齊山鎮(zhèn)及招遠城西南，面積僅1.3 km2，呈近東西向殘留體分布于棲霞超單元中，巖性為石榴矽線黑云片巖。

圖1 膠西北地區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)略圖

構造以脆性斷裂構造為特征，主要發(fā)育北東、北東東向斷裂。區(qū)內(nèi)的斷裂有龍(口)—萊(州)斷裂、望兒山支斷裂和靈山—北截斷裂。龍(口)—萊(州)斷裂是膠東西北部三大控礦構造之一，在區(qū)域上呈“S”型展布，發(fā)育有連續(xù)穩(wěn)定的破碎蝕變巖帶，主裂面以厚2～40 cm斷層泥為標志，壓扭性特征明顯。望兒山支斷裂位于焦家主干斷裂下盤，屬分支構造，在朱宋地段與主干斷裂交匯。在研究區(qū)的北部，沿玲瓏超單元與郭家?guī)X超單元接觸帶展布。斷裂走向長10 km，寬80～120 m，總體走向35°，傾向北西，傾角30°～50°。靈山溝—北截斷裂，走向50°左右，傾向南東，傾角65°，發(fā)育有破碎蝕變巖帶，斷層泥薄而不連續(xù)。3條斷裂均屬壓扭性質(zhì)，均切割玲瓏超單元，斷裂金礦化比較發(fā)育。

區(qū)內(nèi)巖漿巖廣布，以新元古代震旦期玲瓏超單元為主體；新太古代五臺—阜平期馬連莊超單元、棲霞超單元分布于焦家斷裂帶以西；中生代燕山早期郭家?guī)X超單元侵入玲瓏超單元內(nèi)，分布于焦家斷裂帶以東。區(qū)內(nèi)派生脈巖較發(fā)育，常見閃長玢巖、煌斑巖、花崗斑巖、花崗閃長斑巖等。脈巖走向多為近南北向，少數(shù)為北北東向和北東東向，傾向北西或南東，傾角比較陡。

2 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的建立

三維資料數(shù)據(jù)庫是本次研究的數(shù)據(jù)基礎，涉及大量資料的收集、整理和預處理工作。資料的有效整合是本次研究得以順利進行的第一步和重要前提。收集和應用到的資料包括：勘探線剖面圖(69條)、圖切地質(zhì)剖面(32條)、可控源音頻大地電磁測量剖面(44條)、井中元素異常剖面圖(11條)、地質(zhì)勘查規(guī)劃平面部署圖、鉆孔編錄數(shù)據(jù)(680個)、區(qū)域地質(zhì)圖、研究區(qū)等高線地形圖和礦田內(nèi)主要勘查區(qū)勘查報告等。這些資料對建立焦家金礦帶三維地質(zhì)體模型和找礦模型起到了重要的作用(圖2)。

3 三維地質(zhì)模型的構建

3.1 Surpac軟件建模

Surpac軟件采用實體構模法建立三維地質(zhì)模型。實體構模法是采用多邊形網(wǎng)格來描述地質(zhì)和開采過程中形成的形體邊界，并用傳統(tǒng)的塊段模型描述形體內(nèi)部的品位或質(zhì)量的分布，實體構模法實質(zhì)是線框構模法與擴展的塊段構模法的耦合，因此彌補了塊段構模處理邊界的不足。

在系統(tǒng)研究焦家金成礦帶金礦床的基礎上，應用目前主流地質(zhì)三維建模軟件Surpac，本次研究對研究區(qū)巖體、已知礦體、化探、物探異常及鉆孔等進行三維實體建模，從而實現(xiàn)數(shù)字模型的建立，并且結合研究區(qū)三維單元立方體的劃分，最終建立三維立方體綜合預測模型，指導中比例尺三維成礦預測。研究內(nèi)容為地質(zhì)模型分析、三維數(shù)字礦山建立、控礦因素分析、地質(zhì)統(tǒng)計分析及預測結果分析。技術路線如圖3所示。

圖2 焦家金成礦帶實際材料圖

圖3 技術路線圖

圖4 焦家金礦帶巖體實體模型

3.2 三維數(shù)字礦山的建立

焦家?guī)S數(shù)字礦山的建立包括地質(zhì)體模型及工程模型，其中前者包括巖體、構造、蝕變帶、礦體等，后者包括鉆孔等。

3.2.1 巖體實體模型 區(qū)內(nèi)的巖漿巖以中生代燕山早期玲瓏序列為主體。新太古代五臺—阜平期馬連莊序列、棲霞序列分布于焦家斷裂帶西南側；中生代燕山晚期郭家?guī)X序列侵入玲瓏序列內(nèi)，主要分布在焦家斷裂帶以東(圖4)。

3.2.2 構造實體模型 為了清晰準確地反映研究區(qū)的構造，依據(jù)勘探線剖面圖、中段平面圖和報告中關于斷裂的形態(tài)描述，最終得到焦家金礦帶主要斷裂模型(圖5)。研究區(qū)內(nèi)斷裂包括焦家主干斷裂、侯家斷裂、望兒山斷裂、河西斷裂、靈北斷裂、苗家斷裂等。

圖5 焦家金礦帶斷裂實體模型

3.2.3 蝕變帶實體模型 該區(qū)金礦床均賦存于斷裂帶所控制的蝕變巖帶內(nèi)。蝕變巖帶的發(fā)育空間、形狀產(chǎn)狀與對應的斷裂帶基本一致。主要礦體多賦存于主裂面下盤的絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖帶和黃鐵絹英巖化碎裂巖帶內(nèi)。圖6為焦家金礦帶蝕變帶模型。

圖6 焦家金礦帶蝕變帶模型

3.2.4 已知礦體實體模型 預測研究區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)和評價的金礦床(點)基本沿北東向斷裂構造分布。規(guī)模較大的焦家主干斷裂帶及其下盤的分支斷裂基本控制了區(qū)內(nèi)主要特大、大型金礦床的分布，次級斷裂控制該區(qū)大部分的中、小型金礦床。圖7為焦家金礦帶已知礦體相對位置圖。

3.2.5 地球物理模型 根據(jù)收集到的可控源大地音頻電磁測量剖面上的視點祖率等值線，將其在Surpac軟件中連接生成曲面，建立研究區(qū)南部朱橋地區(qū)的視電阻率等值線曲面模型(圖8)。

圖8 焦家金礦帶視電阻率異常三維模型

3.2.6 鉆孔模型 將孔口坐標表、測斜數(shù)據(jù)表、樣品數(shù)據(jù)表按規(guī)范的格式要求進行整理后導入Surpac軟件中形成鉆孔數(shù)據(jù)庫，可以應用Surpac鉆孔三維顯示功能進行瀏覽。圖9顯示，鉆孔集中在礦帶中部地區(qū)。通過沿某一剖面(線)兩側一定距離截取切面的方式顯示鉆孔，可以仔細觀察到這一范圍內(nèi)鉆孔的軌跡和樣品屬性等，也可以通過這一方式進行三維環(huán)境下的地質(zhì)剖面勾繪和礦體的圈定工作。此外，Au元素三維異常分布情況也依鉆孔模型插值分析得到。

圖9 焦家金礦帶鉆孔三維模型

3.2.7 地球化學模型 根據(jù)收集的研究區(qū)中部地區(qū)11條井中元素異常剖面信息，恢復其真三維空間位置，依據(jù)剖面圖上圈定的Hg、Ag、Sb、Pb、As、Au、Zn、W、Sn、Mo、Bi、Cu 12種元素的異常界線，將相鄰剖面的異常界線相連接，建立元素異常組合的三維實體模型(圖10)。

圖10 焦家金礦帶元素組合異常三維模型

4 成礦預測及資源量估算

4.1 預測模型建立及預測變量統(tǒng)計

根據(jù)對研究區(qū)找礦模型的分析及有利成礦信息的提取，結合實際情況，建立了焦家金礦帶預測模型(表1)。

分析方法詳見Chen 等(2007)。

表1 焦家金礦帶定量預測模型

4.2 三維證據(jù)權計算

證據(jù)權重法是加拿大數(shù)學地質(zhì)學家Agterberg(1990)提出的一種地學統(tǒng)計方法。它采用一種統(tǒng)計分析模式，通過對一些與礦產(chǎn)形成相關的地學信息的疊加復合分析來進行礦產(chǎn)遠景區(qū)的預測。其中的每一種地學信息都被視為成礦遠景區(qū)預測的1個證據(jù)因子，而每一個證據(jù)因子對成礦預測的貢獻是由這個因子的權重值來確定的。證據(jù)權模型既考慮了地質(zhì)存在的找礦權重，又考慮了地質(zhì)因素缺失的找礦權重，實際上，后驗概率就是在先驗概率的基礎上對證據(jù)權的正負疊加。

證據(jù)權法在本研究中的實現(xiàn)過程如下。

首先，計算先驗概率，計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

其次，計算權重值：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

最后，后驗概率的計算如下：

(10)

(11)

(12)

以上公式中，Nj為研究區(qū)內(nèi)具有標志A的含礦單元數(shù)；N為研究區(qū)內(nèi)的含礦單元數(shù)；Sj為研究區(qū)內(nèi)具有標志A的單元數(shù)；S為研究區(qū)的單元總數(shù)。由以上公式計算出來的焦家金礦帶金礦找礦標志權值見表2。

表2 焦家金礦帶金礦找礦標志權值

4.3 三維信息量計算

信息量法應用于區(qū)域礦產(chǎn)預測，是由維索科奧斯特羅夫斯卡婭(1968)及恰金(1969)先后提出的(趙鵬大等，1983)。

首先，計算各地質(zhì)因素、找礦標志所提供的找礦信息量，定量評價各地質(zhì)因素和標志對指導找礦的作用；其次，計算每個單元中各標志信息量的總和，其大小反映了該單元相對的找礦意義，用以評價找礦遠景區(qū)進行預測。找礦標志的找礦信息量用條件概率計算，即:

(13)

式(13)中,IA(B)為A標志有B礦的信息量；P(A/B)為已知有B礦存在的條件下出現(xiàn)A的概率；P(A)為在研究區(qū)內(nèi)出現(xiàn)標志A的概率。

由于概率估計上的困難，以頻率值來估計概率值。此時：

(14)

式(14)中,Nj為研究區(qū)內(nèi)具有標志A的含礦單元數(shù)；N為研究區(qū)內(nèi)的含礦單元數(shù)；Sj為研究區(qū)內(nèi)具有標志A的單元數(shù)；S為研究區(qū)的單元總數(shù)。

一般二維找礦信息量法用式(15)確定找礦有利標志。

(15)

為了能夠對三維證據(jù)權的預測結果進行系統(tǒng)的評價，又利用三維信息量法對數(shù)據(jù)進行了相關的計算。表3為找礦信息量計算結果。

表3 找礦信息量計算結果

4.4 預測結果

由表2和表3的統(tǒng)計信息量和后驗概率所包含的已知礦塊比例可以直觀地看出本次預測的統(tǒng)計取值。經(jīng)統(tǒng)計,信息量值分3個級別，分別是A級2.75～3.15、B級3.15～3.95、C級≥3.95；后驗概率值取0.6作為本次預測的最低限制條件。經(jīng)統(tǒng)計，符合后驗概率和信息量范圍的有利成礦數(shù)有106 803個，占研究區(qū)總立方塊數(shù)(1 193 148)的8.95%，具有很好的預測前景。

將三維證據(jù)權法的預測結果與三維信息量法的預測結果進行相交分析(陳建平等，2009)，統(tǒng)計成礦有利地塊的含有信息量高值(包括A、B、C)的立方塊數(shù)(圖11)，然后根據(jù)找礦信息量的大小及空間位置，劃分出6個預測區(qū)，按級別依次為A1-1、B3-1、B3-2、B3-3、C2-1、C2-2(圖12)。

圖11 焦家金礦帶靶區(qū)各信息量區(qū)間立方塊數(shù)統(tǒng)計圖

圖12 焦家金礦帶遠景預測區(qū)立體圖

4.5 資源量估算

本次資源量估算采用了體積估計法和豐度估計法2種方法。

體積估計法就是把已知地區(qū)有代表性的單位體積礦產(chǎn)平均含量估計值外推到研究地區(qū)體積內(nèi)的資源， 這種估計方法稱體積估計法。具體做法是，用控制區(qū)地殼單位體積內(nèi)的礦產(chǎn)平均含量乘以所研究地區(qū)的總體積，得到礦產(chǎn)資源估計值。公式如下：

(16)

式(16)中，T1為已知地區(qū)礦床儲量，t；T2為預測區(qū)礦床儲量，t；V1為已知地區(qū)礦床體積，m3；V2為預測區(qū)礦床體積，m3。

豐度估計法就是通過求出已知地區(qū)成礦元素的富集系數(shù)公式(17)，并外推到預測區(qū)去的辦法來求預測資源，其計算公式見式(18)。公式中，A值取自研究區(qū)內(nèi)玲瓏序列Au的豐度值0.001 79 g/t (李士先等，2006)。

(17)

(18)

式(18)中，S為已知地區(qū)面積，km2；h為已知地區(qū)深度，km；G為含該元素的巖石密度，t/m3；A為已知地區(qū)該元素的豐度，g/t；T為已知地區(qū)礦床儲量，t。

運用體積估計法計算得出的找礦有利區(qū)總量706.107 2 t，6個靶區(qū)資源總量為382.482 8 t。運用豐度值估計法計算得出各成礦有利區(qū)資源總量為699.064 5 t，6個靶區(qū)資源總量為382.466 3 t。2種方法計算的結果很接近，具有一致性。

5 結 論

(1) 本次研究基于Surpac軟件成功地建立了山東焦家金礦帶的三維數(shù)字礦山模型，并分析了該成礦帶的成礦要素特征值，建立了預測模型。使用地質(zhì)學統(tǒng)計方法計算得出成礦有利區(qū)域的信息值，按照信息值的等級依次圈定了6個成礦靶區(qū)。本次研究首次把焦家金礦帶的二維地質(zhì)資料有效整合，建立了山東焦家金成礦帶的三維數(shù)字礦山模型，填補了這一重要金成礦帶三維數(shù)字化的空白，對該地區(qū)隱伏礦體的找礦突破具有指導意義。

(2) 通過體積估計法和豐度值估計法2種完全不同的資源量計算方法，并且通過查閱收集完全不同的數(shù)據(jù)來源計算出來的找礦有利區(qū)資源量都約為700 t，找礦靶區(qū)資源量約為380 t，證明本次資源量的估算結果較為準確。

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