基于礦產(chǎn)勘查新理論與新技術(shù)的“礦產(chǎn)勘查學(xué)”（固體礦產(chǎn)）教學(xué)改革探討

王功文

中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083

礦產(chǎn)普查與勘探是一級學(xué)科“地質(zhì)資源與地質(zhì)工程”的二級學(xué)科。該學(xué)科以各類固體礦產(chǎn)和流體礦產(chǎn)為研究對象，以礦產(chǎn)資源預(yù)測、勘查、評價及開發(fā)利用的理論、技術(shù)和方法為研究內(nèi)容，以地質(zhì)、資源、環(huán)境、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)綜合效益最優(yōu)化為研究目標(biāo)，為21世紀(jì)國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、科技進(jìn)步和可持續(xù)發(fā)展培養(yǎng)高層次的礦產(chǎn)地質(zhì)技術(shù)人才。礦產(chǎn)普查與勘探（固體礦產(chǎn)）以地質(zhì)、數(shù)理、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)為基礎(chǔ)，并與礦業(yè)工程、環(huán)境科學(xué)與工程、管理科學(xué)與工程以及計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)有密切聯(lián)系。由此可見，礦產(chǎn)勘查學(xué)是科研性與生產(chǎn)性兼顧的一門學(xué)科。

21世紀(jì)以來，隨著淺部礦產(chǎn)資源的日益減少，深部尚未發(fā)現(xiàn)的礦產(chǎn)資源將是21世紀(jì)滿足人類日益增長的礦產(chǎn)需求的主要來源之一，因而深部“第二勘探空間”找礦已成為全球礦產(chǎn)勘查的一個主要方向。近年來，美國、俄羅斯、中國、加拿大、澳大利亞、巴西、智利等礦業(yè)大國注重“資源-環(huán)境-經(jīng)濟(jì)”可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)了地球深部探測技術(shù)、測試分析技術(shù)發(fā)展，為地球科學(xué)的定量化研究提供了多元（地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)和遙感）、多維、多尺度數(shù)據(jù)。面對現(xiàn)代地球科學(xué)的“大數(shù)據(jù)”時代，國內(nèi)外地學(xué)工作者注重利用計算機(jī)技術(shù)開展數(shù)據(jù)驅(qū)動建模、知識驅(qū)動建模來進(jìn)行科學(xué)決策[1]，即數(shù)據(jù)（data）—信息（information）—知識(knowledge) —理解（understanding）—智慧（wisdom）。

近10年來，礦產(chǎn)勘查學(xué)（固體礦產(chǎn)）作為中國地質(zhì)大學(xué)（北京）的國家級一級重點學(xué)科，從本科、碩士研究生、博士研究生教學(xué)設(shè)計三個不同層次，在研究生教學(xué)中又有工程碩士之別。因此，在學(xué)科授課過程中，應(yīng)當(dāng)注重其差異，但同時需要注重其相互間的共性及其關(guān)聯(lián)，如礦產(chǎn)勘查學(xué)的深部找礦理論、探測新技術(shù)、測試新方法、三維可視化是教學(xué)的前沿，各層次的學(xué)生需要不同程度的理解和掌握。另外，注重科研性與生產(chǎn)性的關(guān)聯(lián)，本學(xué)科的教材、教學(xué)重點內(nèi)容由于科學(xué)技術(shù)發(fā)展而發(fā)生重大變化，如成礦預(yù)測技術(shù)方法體系與礦產(chǎn)資源計算的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)存在國內(nèi)外差異。在成礦預(yù)測方面，以往教科書突出二維的教學(xué)知識內(nèi)容，三維知識內(nèi)容欠缺甚至缺失，因此，該內(nèi)容需要及時補(bǔ)充與更新；固體礦產(chǎn)儲量計算存在國際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)差異，所以在研究生、博士生中更應(yīng)注重國際行業(yè)的商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)講授（如澳大利亞的JORC標(biāo)準(zhǔn)、加拿大的NI43-101），以便于開展國際交流與聯(lián)合培養(yǎng)。

一、礦產(chǎn)勘查學(xué)的理論與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的礦產(chǎn)勘查學(xué)的理論與技術(shù)主要以典型礦床的成因模式與找礦技術(shù)為核心，注重野外地質(zhì)、巖礦石的測試分析與鉆探工程實施以及儲量計算等內(nèi)容。近年來，國內(nèi)外的礦產(chǎn)勘查相關(guān)理論與技術(shù)方法發(fā)展迅速，尤其三維/四維可視化技術(shù)、深部探測技術(shù)、高精度測試分析技術(shù)、高分辨率與高光譜遙感技術(shù)和科學(xué)計算等極大地促進(jìn)了礦產(chǎn)勘查學(xué)的發(fā)展，拓展了成礦理論、找礦理論范疇。

21世紀(jì)以來，國內(nèi)外深部地球物理、深穿透地球化學(xué)與高光譜與高分辨率遙感技術(shù)的研發(fā)與信息提取技術(shù)的提高、三維可視化技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的集成發(fā)展、固體礦產(chǎn)勘查的理論與技術(shù)都得到了飛速發(fā)展、我國近年來實施危機(jī)礦山/老礦山深部找礦、典型礦集區(qū)、“十二五”科技支撐計劃項目等第二勘探空間找礦（地表以下500~2000m），為礦產(chǎn)勘查學(xué)科發(fā)展帶來契機(jī)；而2016—2026十年戰(zhàn)略有關(guān)的重點科技研發(fā)計劃項目，其固體礦產(chǎn)勘查深度為3000~5000m，需要在勘探理論、技術(shù)方法和三維集成，最終實現(xiàn)勘探基地的形成，使產(chǎn)學(xué)研用達(dá)到新高度。因此，了解和掌握國際礦產(chǎn)勘查的新理論、新技術(shù)、新方法及發(fā)展趨勢，并將其應(yīng)用于教學(xué)實踐中，有利于培養(yǎng)學(xué)生獨立思考能力和從事實際研究工作的基本技能和專業(yè)知識。

近年來，為了降低勘探風(fēng)險并提高找礦效率，地學(xué)工作者在礦產(chǎn)資源勘查理論與方法、深部探測技術(shù)、測試分析技術(shù)、可視化技術(shù)、非線性方法與數(shù)據(jù)集成等方面取得了重要進(jìn)展，相關(guān)內(nèi)容概述如下：（1）在勘查理論方面，尤其大型—超大型礦床成因模式研究，注重礦床模型與礦產(chǎn)勘查的綜合研究，礦床模型是勘查模型的基礎(chǔ)，利用礦床模型建立三維勘探模型也拓展了礦床模型研究范疇，并將其由2D 向3D 乃至4D 發(fā)展；我國更注重大型—超大型礦床的成礦動力學(xué)背景、成礦過程與定量評價的綜合研究。（2）在勘查技術(shù)方法方面，利用重、磁、電、震等多元地學(xué)三維建模探討殼幔結(jié)構(gòu)及其成礦動力學(xué)背景。

二、礦產(chǎn)勘查學(xué)在可視化技術(shù)方面的發(fā)展趨勢

三維地質(zhì)建模（3D Geological modeling）是國際上一門綜合運用現(xiàn)代空間信息理論來研究地質(zhì)體及其內(nèi)部物理、化學(xué)屬性的數(shù)據(jù)組織、信息處理、空間建模與數(shù)字表達(dá)，并運用科學(xué)計算可視化技術(shù)對其進(jìn)行真三維的再現(xiàn)與交互的科學(xué)與技術(shù)[1]。三維地質(zhì)建模一般是通過多元地學(xué)數(shù)據(jù)分析、解釋、推斷、內(nèi)插和外推等建立地質(zhì)體模型，但是不同的觀測數(shù)據(jù)以及不同的建模理論、模型、參數(shù)選取都可能不同程度地導(dǎo)致最終結(jié)果的不確定性。三維地質(zhì)建模的不確定問題是一個復(fù)雜的非線性問題，需要尋求概率論、空間統(tǒng)計學(xué)、信息論、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等非線性科學(xué)理論和高性能計算機(jī)模擬分析與可視化技術(shù)的支持。

在三維可視化方面，應(yīng)注重地學(xué)模型與多元數(shù)據(jù)的挖掘以及多元信息的集成與可視化，且由二維向三維乃至四維的發(fā)展趨勢[2]；尤其三維地學(xué)建模軟件目前已趨于商業(yè)化，如國外地學(xué)軟件以法國GOCAD、澳大利亞Mircomine、美國3DMine、加拿大Surpac為代表，國內(nèi)地學(xué)軟件以中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）GeoView、中國礦業(yè)大學(xué)GeoSIS、中國地質(zhì)科學(xué)院“探礦者”、北京大學(xué)3DGSIS 等為代表。

三、礦產(chǎn)勘查學(xué)在探測技術(shù)方面的發(fā)展趨勢

加拿大地質(zhì)調(diào)查局自1989年進(jìn)行的“勘查技術(shù)計劃（EXTECHI-IV）已開展了四期，旨在開發(fā)區(qū)域性和礦床尺度的綜合地質(zhì)模型并改進(jìn)勘探的理論和技術(shù)，探明3000m 以淺的金屬資源；澳大利亞最高研究機(jī)構(gòu)CSIRO 于2000年、2007年分別實施了“Glass Earth”與“Minerals Down Under”項目（圖1），旨在研制地質(zhì)-地球物理-地球化學(xué)-遙感技術(shù)的三維可視化和地質(zhì)模擬等技術(shù)，查明地表1000m 內(nèi)的金屬資源；美國地質(zhì)調(diào)查局2013—2023年的資源勘查戰(zhàn)略，旨在開發(fā)一個集成三維和四維地球科學(xué)數(shù)據(jù)的信息，拓展3500m 以淺的資源-環(huán)境的研究領(lǐng)域；俄羅斯自21 世紀(jì)初至今開展了西伯利亞和遠(yuǎn)東地區(qū)的三維地質(zhì)-地球物理建模研究，旨在探明該區(qū)殼幔成礦動力學(xué)背景及其3000m 以淺的金屬礦產(chǎn)資源分布；我國國土資源部2008年正式發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)深部找礦工作指導(dǎo)意見》，將深部找礦作為中國今后找礦勘查的主要方向之一，“十二五”期間開展了“中國東部深典型礦集區(qū)深部資源勘查技術(shù)集成與示范”國家科技支撐計劃項目，明確了我國深部第二勘探空間500~2000m。例如，Lv等[3]開展了基于重磁約束的長江中下游獅子山礦區(qū)三維地質(zhì)建模。（3）利用現(xiàn)代礦床地球化學(xué)測試技術(shù)，拓展找礦標(biāo)志信息/勘探變量的研究范圍（如溫度、壓力、氧逸度等）利用三維地球化學(xué)方法進(jìn)行立體找礦實驗研究；Taylor 等[4]利用氧同位素精確定位預(yù)測一致礦區(qū)的外圍與深部構(gòu)造角礫巖型金礦靶區(qū)。

圖1 澳大利亞玻璃地球計劃組成部分：遙感礦產(chǎn)勘查技術(shù)組合與多元信息集成模式

四、礦產(chǎn)勘查學(xué)在科學(xué)計算方面的發(fā)展趨勢

目前，非線性方法、物化探技術(shù)組合、多元信息集成、地學(xué)環(huán)境模擬分析是三維地質(zhì)建模及其不確定性研究的重要手段，也是數(shù)學(xué)地質(zhì)研究的尖端前沿。國內(nèi)外學(xué)者開展了如下研究內(nèi)容：（1）先進(jìn)的DSI 插值方法實現(xiàn)連續(xù)、定性的數(shù)據(jù)不確定性計算：利用近地表數(shù)據(jù)DSI 插值法開展復(fù)雜地質(zhì)建模研究；運用野外地質(zhì)觀測數(shù)據(jù)DSI 插值分析輔助地質(zhì)知識推理開展三維斷層構(gòu)造建模研究。（2）地質(zhì)-地球物理綜合解譯：Wang 等[5]利用重磁三維反演及其和2.5 維正演組合方法，實現(xiàn)了欒川南泥湖礦區(qū)含礦巖體的三維建模，Lindsay 等[6]提出了運用可視化方法量化方法，定位分析三維地層模型的不確定性研究[4]。（3）多元數(shù)據(jù)耦合與集成：Wu 和Xu[7]提出了多元地學(xué)數(shù)據(jù)耦合與多種建模集成的三維地質(zhì)建模理論與方法；“數(shù)據(jù)驅(qū)動+知識推理”、“建模-模擬-修正”（武強(qiáng)與徐華）[8]與“虛擬技術(shù)”更新和優(yōu)化三維地質(zhì)模型。（4）三維建模與構(gòu)造-流體模擬分析：利用構(gòu)造-流體模擬方法預(yù)測了澳大利亞造山帶金礦系統(tǒng)；（5）三維非線性方法研究：利用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)與分形組合方法進(jìn)行深部找礦及其礦化中心的不確定性計算[9]；利用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法開展儲量估算及其不確定性分析；利用元素-體積（C-V）分形方法，劃分了礦床尺度的三維品位模型等級；Wang 等[10]利用CoKriging和C-V 分形組合方法劃分了黑龍江銅山銅礦床的三維品位模型，并預(yù)測找礦有利靶區(qū)。

在科學(xué)計算方面，非線性、地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)、數(shù)據(jù)集成、模擬計算是數(shù)學(xué)地質(zhì)的前沿和難點[6]。如GeoDAS軟件（Cheng）[11]的分形/多重分形及證據(jù)權(quán)法、模糊證據(jù)權(quán)地學(xué)信息集成法；ArcGISSDM 軟件的邏輯回歸、證據(jù)權(quán)、概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成分析法[12]；GSLIB、SGeoMS軟件有關(guān)地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)克里格方法（Kriging）的估算與模擬（De Kemp 等）[13]；高精度地球化學(xué)測試分析與三維地質(zhì)建模：FLAC3D、ANSYS 軟件的構(gòu)造-流體與巖性多變量耦合模擬分析。

五、礦產(chǎn)勘查學(xué)的教學(xué)新途徑

與世界歐美發(fā)達(dá)國家的相關(guān)礦產(chǎn)勘查學(xué)科對比，我校的礦產(chǎn)普查與勘探（固體礦產(chǎn)）學(xué)科存在的差距主要體現(xiàn)在三個方面：（1）深部找礦理論創(chuàng)新欠缺。如斑巖成礦與找礦模型從國外引進(jìn)與推廣應(yīng)用，而我們自己原創(chuàng)性的理論較少，且深部勘查理論滯后于深部探測技術(shù)與測試分析技術(shù)。（2）在地學(xué)應(yīng)用的技術(shù)平臺上差距較大，主要體現(xiàn)在軟硬件條件匱乏：在軟件開發(fā)和系統(tǒng)集成方面（如地學(xué)三維軟件開發(fā)方面）,我國還沒有形成產(chǎn)業(yè)化，開發(fā)研究處于初始階段，缺少國際高質(zhì)量（學(xué)術(shù)與科研水平高）三維軟件（如GOCAD軟件），而美國、加拿大和澳大利亞等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)實現(xiàn)了軟件產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢（圖2），在三維模擬軟件方面我國還原因落后于發(fā)達(dá)國家，如歐美國家的Flac3D軟件、Ansys等；在硬件條件上，儀器設(shè)備不完善，如地面高光譜波譜儀測試設(shè)備、輕型勘探設(shè)備（如高精度的X熒光測試儀等）。（3）缺乏長期固定的礦山研究基地，“產(chǎn)學(xué)研用”高校與企業(yè)的合作仍處于初期階段，而國外大型跨國集團(tuán)公司與高校長期合作以為固定模式。我國固體礦產(chǎn)勘查領(lǐng)域缺乏長期固定的礦山實踐基地，不利于基于國內(nèi)礦帶、礦集區(qū)、大型-超大型礦床的產(chǎn)學(xué)研一體化研究和人才培養(yǎng)。

圖2 基于ArcGIS、GoCAD軟件制圖的可視化技術(shù)對比

針對上述礦產(chǎn)勘查學(xué)的教學(xué)現(xiàn)狀，主要采取如下幾個方面的措施以提高我校教學(xué)與科研，以實現(xiàn)我校在固體礦產(chǎn)資源定量評價國際一流的水平：

（1）在“礦產(chǎn)普查與勘探”教學(xué)實踐中，鑒于我校礦物巖石礦床學(xué)與礦產(chǎn)普查與勘探處于同一教研室，需要注重嚴(yán)格區(qū)分礦床學(xué)與礦產(chǎn)普查與勘探的教學(xué)內(nèi)容，尤其生產(chǎn)實習(xí)，符合理科與工科相關(guān)畢業(yè)論文、畢業(yè)設(shè)計的需求，充分立足我校有關(guān)莫宣學(xué)、翟裕生與趙鵬大三位院士的《大型-超大型礦床成礦動力學(xué) 背景、過程、定量評價》項目成果，包括三維建模與資源評價工作站及其《技術(shù)手冊》內(nèi)容。在本科教學(xué)環(huán)境中，增加三維可視化教學(xué)內(nèi)容，生產(chǎn)實習(xí)彌補(bǔ)學(xué)生在計算機(jī)軟件應(yīng)用的不足，如CAD、MapGIS、Micromine三維建模軟件；在工程碩士《礦產(chǎn)普查與勘探》教學(xué)過程中，增加三維可視化教學(xué)內(nèi)容，深化地質(zhì)-地球物理-地球化學(xué)找礦綜合研究，旨在滿足當(dāng)前我國大型-超大型礦床及其礦集區(qū)的“產(chǎn)學(xué)研用”；在博士生《礦產(chǎn)普查與勘探》教學(xué)過程中，增強(qiáng)三維動態(tài)顯示及其國際三維研究熱點與前沿，深化成因模式與找礦模型的集成建模研究。

（2）在教學(xué)-科研過程中，注重立足國內(nèi)礦產(chǎn)勘查階段的總體目標(biāo)和階段任務(wù)，結(jié)合國際、國內(nèi)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，利用國際發(fā)展平臺和優(yōu)勢資源，加強(qiáng)學(xué)術(shù)帶頭人與骨干教師的國際交流與教學(xué)、科研合作，旨在建立和完善礦產(chǎn)勘查學(xué)的教學(xué)內(nèi)容及其方法體系，實現(xiàn)“教學(xué)-科研”一體化、教師國內(nèi)外組合的長效機(jī)制。例如：當(dāng)前我國地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)研究嚴(yán)重滯后歐美國家，精確的科學(xué)計算在三維乃至四維迫在眉睫，是需要教學(xué)急需解決的問題[14]。借助我?！把芯可麕熤v堂”、“優(yōu)秀教師基本科研基金”、“固體礦產(chǎn)勘查優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)項目”，開展國際教學(xué)合作與交流。提高我校教學(xué)質(zhì)量。將科研成果轉(zhuǎn)為教學(xué)成果，通過國際合作交流，增強(qiáng)教學(xué)實踐能力，包括邀請國外專家講學(xué)、報告；國外高校短期訪問以及國際會議交流，提高我校的教學(xué)與科研水平。

（3）注重發(fā)揮我校研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地作用，實現(xiàn)企業(yè)運作與高校項目支撐相結(jié)合的互動模式。我校研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地遍布我國主要金屬礦產(chǎn)基地，如我國云南個舊礦集區(qū)、河南欒川Mo多金屬礦集區(qū)、山東膠東金礦集區(qū)、安徽銅陵礦集區(qū)等。依托上述基地，根據(jù)企業(yè)發(fā)展需求，結(jié)合我?？蒲许椖?，系統(tǒng)開展本科生的畢業(yè)設(shè)計、研究生學(xué)術(shù)研究，博士生科研攻關(guān)的遞進(jìn)模式，長期、高效、可持續(xù)發(fā)展基地與人才培養(yǎng)模式，這更符合我校特色+精品的培養(yǎng)理念，有利于創(chuàng)建世界一流地球科學(xué)院校。

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