湖南思通溪銻礦三維地質(zhì)建模及資源量估算

閆友誼， 向　濤， 范建福， 王　琨

(1.中化地質(zhì)礦山總局湖南地質(zhì)勘查院，湖南長(zhǎng)沙410004； 2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京100037)

湖南思通溪銻礦三維地質(zhì)建模及資源量估算

閆友誼1， 向濤1， 范建福2， 王琨2

(1.中化地質(zhì)礦山總局湖南地質(zhì)勘查院，湖南長(zhǎng)沙410004； 2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京100037)

摘要：在大量收集礦區(qū)鉆孔、探槽等地質(zhì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用探礦者(Minexplorer)軟件建立了湖南沅陵縣思通溪礦區(qū)的礦體三維模型，采用地質(zhì)塊段法、地質(zhì)截面法和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分別進(jìn)行儲(chǔ)量估算。結(jié)果顯示，利用探礦者軟件進(jìn)行儲(chǔ)量估算可視化效果好，便于操作，計(jì)算結(jié)果真實(shí)可靠。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)量估算；三維建模；探礦者(Minexplorer)軟件；思通溪銻礦；湖南沅陵

doi:10.3969/j.issn.1674-3636.2015.03.367

中圖分類(lèi)號(hào)：P628;P618.66

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-3636(2015)03-0367-06

收稿日期：2015-06-12；編輯：侯鵬飛

基金項(xiàng)目：中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)專(zhuān)項(xiàng)“全國(guó)重要礦種成礦區(qū)劃部署研究”(12120114051501)，商業(yè)地質(zhì)項(xiàng)目“湖南省沅陵縣思通溪銻礦詳查”

作者簡(jiǎn)介：閆友誼(1965—)，男，高級(jí)工程師，地質(zhì)調(diào)查與勘探專(zhuān)業(yè)，主要從事礦產(chǎn)普查與勘探工作，E-mail：yyy1095@163.com

0引言

三維地質(zhì)建模技術(shù)基于對(duì)大量原始數(shù)據(jù)的綜合分析，在三維空間中建立三維地質(zhì)體模型，利用地質(zhì)解譯、地學(xué)統(tǒng)計(jì)、空間分析、空間信息管理等技術(shù)，進(jìn)行三維可視化分析、儲(chǔ)量估算、成礦預(yù)測(cè)、勘探設(shè)計(jì)等工作(肖克炎等，2010；陳建平等，2011，2014)。

隨著三維GIS技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，三維建模技術(shù)在地質(zhì)勘查及礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)等方面得到更為廣泛的應(yīng)用(肖克炎等,2010,2012；張婷婷等，2012)。三維GIS的發(fā)展為礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)的三維可視化、空間分析及動(dòng)態(tài)模擬提供了實(shí)現(xiàn)手段(陳建平等,2008)。利用三維GIS平臺(tái)能在三維空間顯示各類(lèi)空間實(shí)體，顯示空間上的品位、厚度和密度及其相關(guān)變化，對(duì)空間實(shí)體的幾何形狀、位置及其分布情況進(jìn)行定量預(yù)測(cè)(陳建平等,2005；陳東越等,2013；劉智宇等,2013)。

隨著科技的發(fā)展，銻已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)各種阻燃劑、玻璃、搪瓷、橡膠、涂料、塑料、半導(dǎo)體元件、醫(yī)藥及化工等產(chǎn)品。我國(guó)銻礦資源豐富，產(chǎn)量及出口量居世界首位(丁建華等,2013；王永磊等,2013)。銻礦儲(chǔ)量分布較為集中，大中型礦多，礦石質(zhì)量好。湖南盛產(chǎn)銻礦，沅陵縣思通溪礦區(qū)位于湖南省沅陵縣西南方向的筲箕灣鎮(zhèn)九龍山村境內(nèi)，面積5.11 km2。本次研究以思通溪銻礦為研究區(qū)，進(jìn)行三維地質(zhì)建模及資源量估算。

1區(qū)域地質(zhì)背景

思通溪銻礦位于揚(yáng)子地臺(tái)與華南加里東褶皺帶的過(guò)渡地帶，地殼運(yùn)動(dòng)頻繁，經(jīng)歷了從武陵—喜山等6次大的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，地殼淺部構(gòu)造巖漿活動(dòng)十分強(qiáng)烈，形成一系列北東向褶皺和斷裂，造成經(jīng)向、緯向、北西向及多個(gè)構(gòu)造體系的多次聯(lián)合、復(fù)合，形成十分復(fù)雜而規(guī)模巨大的疊瓦剪切推覆構(gòu)造帶，其中層間剝離空間、層間斷裂破碎帶及層內(nèi)裂隙系統(tǒng)形成重要的容礦構(gòu)造。區(qū)域上礦區(qū)位于隆起帶，地層長(zhǎng)期遭受剝蝕，由老至新，地層以板溪群五強(qiáng)溪組(PtBnw)廣泛分布為主，其余為板溪群馬底驛組、震旦系下統(tǒng)南沱組、震旦系上統(tǒng)陡山沱組及留茶坡組、寒武系下統(tǒng)牛蹄塘組和第四系(圖1)。

圖1　研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1　Regional geological map of the study area

礦區(qū)同沉積大斷裂發(fā)育，海底火山噴發(fā)、噴氣，成礦物質(zhì)來(lái)源十分豐富，又有陸間裂陷槽聚礦沉積而形成板溪群、芙蓉溪群和震旦系江口群等活動(dòng)型類(lèi)復(fù)理石建造，形成銻礦重要的礦源層。研究區(qū)深部雪峰地幔塊體東緣巖石圈增厚，并有數(shù)條北東向深大斷裂切割，形成規(guī)模宏大的網(wǎng)絡(luò)狀韌性剪切系統(tǒng)，其韌性剪切變形、變質(zhì)作用，使巖石和礦物脫炭、脫水，產(chǎn)生大量的成礦流體，并接納區(qū)域變質(zhì)成礦熱液、巖漿活動(dòng)成礦熱液、地下水成礦熱液及深部上升成礦熱液，在韌性剪切帶系統(tǒng)中聚集、混合，并在強(qiáng)大的應(yīng)力作用下不斷從圍巖中提取銻，使銻不斷富集，形成規(guī)模巨大的成礦熱液庫(kù)。在地殼運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的地應(yīng)力、溫度梯度、壓力梯度及濃度梯度的作用下，成礦熱液沿深大剪切斷裂帶上升進(jìn)入地殼中，在淺部的片理化帶、劈理密集帶、次級(jí)和再次級(jí)北東向韌脆性斷裂、北西向張性及張扭性斷裂中成礦。

礦區(qū)地層產(chǎn)狀較緩，呈舒緩波狀展布，有1套完整的變質(zhì)長(zhǎng)石石英砂巖夾粉質(zhì)絹云母板巖，因?yàn)殇R礦成礦主要是氣液成礦，對(duì)產(chǎn)狀較陡的破碎帶銻礦成礦而言相當(dāng)于1個(gè)完整的蓋板。較緩的地層產(chǎn)狀和孔隙細(xì)小的巖石能使銻氣液不易揮發(fā)，在合適的空間構(gòu)造部位充填成礦，礦體賦存于斷層傾角由陡變緩的鞍部。

礦區(qū)主要礦體賦存于中元古界板溪群五強(qiáng)溪組第三巖性段灰綠色變質(zhì)長(zhǎng)石石英砂巖中，均產(chǎn)于斷層破碎帶中，產(chǎn)狀較陡。含銻礦(化)體多呈規(guī)則或不規(guī)則的層狀、似層狀、透鏡狀，沿走向或傾向均有尖滅再現(xiàn)與分支復(fù)合現(xiàn)象。

礦體產(chǎn)于斷層產(chǎn)狀舒緩部位，呈薄脈狀、透鏡狀產(chǎn)出，嚴(yán)格受斷層破碎帶控制。其總體形態(tài)、延伸、延展、產(chǎn)狀與控礦、容礦構(gòu)造帶一致，即破碎帶產(chǎn)狀變緩、寬度較大時(shí)，礦體厚度變大；破碎帶變薄或封閉時(shí)，礦體變薄或尖滅。

通過(guò)老硐編錄及鉆探工程驗(yàn)證，大致可知各工業(yè)礦體具薄而富的特點(diǎn)，一般厚度為0.4～2.4 m，礦體與圍巖以構(gòu)造面劃分，界線(xiàn)分明，一般圍巖均不含銻，有用礦物硫化銻呈致密塊狀集中分布且品位較高。

2三維礦床地質(zhì)模型的建立

建立三維礦床地質(zhì)模型首先要有詳實(shí)的鉆孔數(shù)據(jù)在空間上作為約束，因此需要全面收集研究區(qū)鉆孔、坑探、槽探等相關(guān)數(shù)據(jù)資料。本次研究收集鉆孔27個(gè)、探槽14個(gè)、勘探線(xiàn)剖面18個(gè)，相關(guān)勘探報(bào)告2份，主要用于建立思通溪銻礦的礦體模型。三維地質(zhì)模型構(gòu)建基于中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所自主研發(fā)的“探礦者”(Minexplorer)軟件平臺(tái)(范建福等,2012)。

2.1　鉆孔模型構(gòu)建

通過(guò)對(duì)收集資料的分析整理，建立三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)探礦者軟件要求的數(shù)據(jù)格式，將鉆孔數(shù)據(jù)總結(jié)為3個(gè)數(shù)據(jù)表，分別為鉆孔位置表、鉆孔形態(tài)表和采樣信息表。鉆孔位置表主要包括鉆孔的開(kāi)孔位置、孔深及所在的勘探線(xiàn)號(hào)等，鉆孔形態(tài)表主要包括鉆孔方位角和傾角，采樣信息表主要分段描述了鉆孔的不同巖性及元素含量的測(cè)試結(jié)果。

鉆孔數(shù)據(jù)界面如圖2。

圖2　鉆孔數(shù)據(jù)界面示意圖Fig.2　Sketch showing interface of drill hole data

利用探礦者軟件就可以在三維視圖中進(jìn)行鉆孔的三維顯示，并根據(jù)鉆孔所在勘探線(xiàn)的分布情況，設(shè)置勘探線(xiàn)剖面的位置(圖3)。

圖3　探槽、鉆孔三維示意圖Fig.3　Three-dimensional schematic diagram of trenches and drill holes

2.2　單工程礦體圈定

按照設(shè)定的勘探線(xiàn)位置形成一系列近似平行的剖面，在剖面上根據(jù)資源量圈定指標(biāo)，結(jié)合“穿鞋戴帽”原則，根據(jù)樣品分析結(jié)果，礦體邊界按工業(yè)指標(biāo)要求對(duì)各礦體進(jìn)行圈定，將大于或等于最低工業(yè)品位的樣品全部圈定為礦體；小于最低工業(yè)品位的樣品或礦體厚度小于最低可采厚度的則按邊界品位進(jìn)行圈定。選用單元素圈定方法，圈定標(biāo)準(zhǔn)：Zn元素最低工業(yè)品位為0.7%，邊界品位為0.3%，最低可采厚度為0.8 m，夾石剔除厚度為2 m(圖4)。

圖4　單工程礦體圈定示意圖Fig.4　Sketch showing delineation of single-engineering ore body

2.3　剖面礦體圈定

根據(jù)研究區(qū)礦體形態(tài)特征，在剖面上圈定礦體邊界范圍。研究區(qū)銻礦主要呈似層狀、透鏡狀，大致近水平展布；剖面形態(tài)較為簡(jiǎn)單，厚度、品位變化不大；平面形態(tài)不太規(guī)則。剖面上礦體的圈定根據(jù)研究區(qū)礦體似層狀、透鏡狀的基本特征進(jìn)行連接，采用滿(mǎn)足單工程礦體圈定的工程點(diǎn)連續(xù)封閉及達(dá)到最低工業(yè)指標(biāo)連續(xù)單工程連線(xiàn)有限外推圈定。

資源儲(chǔ)量估算采用達(dá)到最低工業(yè)指標(biāo)的工程點(diǎn)連線(xiàn)封閉圈定，礦體的連接和外推須遵循礦床地質(zhì)規(guī)律。工程之間礦體的厚度不大于相鄰工程實(shí)際控制的礦體最大厚度。在地質(zhì)平面圖和資源量估算垂直投影圖上，根據(jù)探礦工程圈定的礦體和相鄰工程的見(jiàn)礦情況，用直線(xiàn)連接礦體邊界線(xiàn)。兩相鄰工程均見(jiàn)礦，兩工程之間礦體直接相連；兩相鄰工程一個(gè)見(jiàn)礦，另一個(gè)見(jiàn)礦化，采用有限外推法確定礦體邊界，按兩相鄰工程間距的1/3推定；兩相鄰工程一個(gè)見(jiàn)礦，另一個(gè)不見(jiàn)礦化時(shí)，按兩相鄰工程間距的1/4推定。邊緣見(jiàn)礦工程以外無(wú)其他工程控制或未見(jiàn)礦工程至見(jiàn)礦工程之距離遠(yuǎn)大于基本勘查工程間距時(shí)，由見(jiàn)礦工程向外采用無(wú)限外推法確定礦體邊界，外推基本勘查工程間距的1/4。傾向上見(jiàn)礦工程以外無(wú)工程控制，由見(jiàn)礦工程向外采用無(wú)限外推法確定礦體邊界，外推基本勘查工程間距的1/4(圖5)。

圖5　剖面礦體圈定示意圖Fig.5　Sketch showing delineation of orebodies in profile

2.4　曲面連接

在三維視圖中打開(kāi)剖面線(xiàn)文件，依次選中的同一礦體在相鄰剖面中的邊界線(xiàn)進(jìn)行曲面連接。礦體沿走向外推邊界需要建立輔助剖面來(lái)完成，根據(jù)外推準(zhǔn)則在相應(yīng)距離設(shè)置輔助剖面，通過(guò)剖面編輯來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的尖滅方式。得到的封閉礦體曲面則需進(jìn)行拓?fù)溴e(cuò)誤檢查，如邊界邊、重復(fù)點(diǎn)、退化三角形等；如果未發(fā)現(xiàn)拓?fù)溴e(cuò)誤，就可以形成地質(zhì)體模型，保存為體文件(圖6)。

圖6　思通溪銻礦礦體三維模型Fig.6　Three-dimensional model for orebodies in the Sitongxi antimony deposit

3礦體儲(chǔ)量估算過(guò)程

3.1　工業(yè)指標(biāo)設(shè)定

在三維礦體模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行資源量估算，為了得到最合理的工業(yè)指標(biāo)，根據(jù)《鎢、錫、汞、銻礦產(chǎn)地質(zhì)勘查規(guī)范》(DZ/T 0201—2002)及《湖南省部分礦種礦床一般工業(yè)指標(biāo)(試行)》(湘國(guó)土資發(fā)[2012]42號(hào))，綜合沅陵縣思通溪礦區(qū)銻礦礦體特征確定指標(biāo)方案(表1)。

表1　礦體圈定和資源儲(chǔ)量估算指標(biāo)確定

3.2　儲(chǔ)量計(jì)算方法

利用探礦者軟件提供的下列3種不同儲(chǔ)量計(jì)算方法對(duì)沅陵縣思通溪礦區(qū)銻礦礦體進(jìn)行儲(chǔ)量估算。

3.2.1地質(zhì)塊段法地質(zhì)塊段法根據(jù)礦石品級(jí)、勘探程度、礦山技術(shù)條件、水文地質(zhì)條件、礦床開(kāi)采次序等，在礦體的投影面上，將礦體劃分為若干個(gè)不同的塊段，在每個(gè)塊段內(nèi)利用算術(shù)平均法計(jì)算儲(chǔ)量(侯德義,1984)。探礦者軟件提供了地質(zhì)塊段法計(jì)算模塊，由于沅陵縣思通溪礦區(qū)銻礦體在三維空間中產(chǎn)狀近垂直，需要將鉆孔和礦體做縱投影。根據(jù)礦石不同的工業(yè)類(lèi)型、品級(jí)和儲(chǔ)量級(jí)別等特征，將礦體劃分為若干塊段，接下來(lái)就可以自動(dòng)計(jì)算出每一個(gè)塊段的面積、真厚度、體積、儲(chǔ)量級(jí)別、平均品位、礦石量和資源量，并將結(jié)果顯示在儲(chǔ)量估算結(jié)果表中(圖7)。計(jì)算總礦石量為183 090.822 t，總資源量為2 513.275 t，平均品位為1.439%。

圖7　地質(zhì)塊段法儲(chǔ)量估算示意圖Fig.7　Sketch showing reserve estimation by the geological block method

3.2.2地質(zhì)截面法地質(zhì)截面法是基于勘探剖面的一種礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量估算方法，利用勘探剖面將礦體劃分為不同的塊段，通過(guò)塊段截面積和剖面間的垂直距離，計(jì)算塊段的體積和礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量。在探礦者軟件中，通過(guò)儲(chǔ)量計(jì)算目錄下的截面法菜單進(jìn)行操作(圖8)，16條剖面共劃分為17個(gè)塊段，總礦石量為162 230.060 t，總資源量為2 245.722 t，平均品位為1.384%。

圖8　地質(zhì)截面法儲(chǔ)量估算示意圖Fig.8　Sketch showing reserve estimation by the geological section method

3.2.3地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法在地質(zhì)建模過(guò)程中，樣品含量分布、地形起伏、礦體位置等都是區(qū)域化變量。采用克里格估值方法，根據(jù)目標(biāo)位置附近的已知信息，利用變差函數(shù)計(jì)算出周?chē)阎畔?duì)目標(biāo)位置的加權(quán)值(貢獻(xiàn)大小)，就可以對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)，即最佳線(xiàn)性無(wú)偏估計(jì)(陽(yáng)正熙,2006)。理想情況下，無(wú)偏即數(shù)學(xué)期望為0，最優(yōu)為方差最小。相對(duì)于距離平方反比等傳統(tǒng)估值方法，克里格估值法不僅能進(jìn)行準(zhǔn)確估算，而且能提供估值精度。在地質(zhì)應(yīng)用方面，可以反映變量的空間結(jié)構(gòu)、變量空間相關(guān)性與距離之間的關(guān)系。

主要選用普通克里格估算方法進(jìn)行研究區(qū)沅陵縣思通溪銻礦體的儲(chǔ)量估算。普通克里格方法將礦化現(xiàn)象視為與空間位置相關(guān)的隨機(jī)變量，用變異函數(shù)作為工具進(jìn)行無(wú)偏估算，并且提供估算誤差。根據(jù)軟件擬合的變差函數(shù)，依次選擇主軸、副軸和短軸方向，并進(jìn)行3軸的結(jié)構(gòu)套合(圖9)。計(jì)算總礦石量為182 840.239 t，總資源量為2 581.302 t，平均品位為1.442%(圖10)。

圖9　變異性分析示意圖Fig.9　Sketch showing variability analysis

圖10　地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法儲(chǔ)量估算結(jié)果示意圖Fig.10　Sketch showing reserve estimation by the geological statistical method

4結(jié)論

在探礦者軟件平臺(tái)上，利用剖面圖、鉆孔數(shù)據(jù)等地質(zhì)資料建立了沅陵縣思通溪銻礦的礦體三維地質(zhì)模型。在三維礦體模型的基礎(chǔ)上，分別利用地質(zhì)塊段法、地質(zhì)截面法和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行儲(chǔ)量估算。根據(jù)估算結(jié)果，3種方法估算的金屬量比較接近。利用探礦者軟件進(jìn)行儲(chǔ)量估算可視化效果好，便于操作，計(jì)算結(jié)果真實(shí)可靠。

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Three-dimensional geological modeling and resource estimation of the Sitongxi antimony deposit in Hunan Province

YAN You-yi1， XIANG Tao1， FAN Jian-fu2， WANG Kun2

(1. Hunan Geological Exploration Institute of China Chemical Geology and Mine Bureau, Changsha 410004, Hunan, China; 2. Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China)

Abstract：This study established a three-dimensional model for orebodies from the Sitongxi antimony deposit in Yuanling County of Hunan Province using the Minexplorer software based on large amounts of drill holes and trenches data. In addition, reserve estimation was done based on this orebody model by three methods of geological ore block method, geological section method, and geological statistics method. It is shown that the 3D modeling and reserve estimation using the Minexplorer software have several advantages of convenience, better visualization and accuracy.

Keywords：reserve estimation; 3D modeling; Minexplorer software; Sitongxi antimony deposit; Yuanling in Hunan