黑龍江某銅礦地質(zhì)特征及深部三維可視化成礦預(yù)測(cè)

林 琳

（遼源職業(yè)技術(shù)學(xué)院資源工程系，吉林遼源136200）

近年來，我國(guó)相當(dāng)一部分礦山面臨資源枯竭問題，日漸成為資源危機(jī)礦山［1］。對(duì)該類礦山深部、邊部開展找礦勘探，擴(kuò)大資源儲(chǔ)量，對(duì)于延長(zhǎng)礦山服務(wù)年限，實(shí)現(xiàn)礦山可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。對(duì)于礦區(qū)深部找礦預(yù)測(cè)的研究主要采用統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)和綜合信息預(yù)測(cè)法、“陣列式”資料評(píng)價(jià)法、物探地質(zhì)異常預(yù)測(cè)法以及地理信息系統(tǒng)建模預(yù)測(cè)法等［2-4］。上述方法盡管在實(shí)踐中取得了顯著成效，但在老礦山找礦實(shí)踐中，該類方法未能有效顧及到老礦山特別是資源危機(jī)礦山的礦床分布特征，故而適用性存在一定的局限性。黑龍江某銅礦淺層礦產(chǎn)已開采殆盡，已開采量占礦區(qū)探明儲(chǔ)量的30%～40%，相當(dāng)一部分礦床位于深部300 m標(biāo)高以下，找礦勘探難度大。本研究以該礦近10 a來的勘探及物探資料為基礎(chǔ)，構(gòu)建礦區(qū)深部三維可視化成礦預(yù)測(cè)模型，并進(jìn)行靶區(qū)預(yù)測(cè)和成礦潛力評(píng)價(jià)。

1 礦床概況

某銅礦位于黑龍江雞西市鳳凰山盆地以北約30 km處，地貌類型為盆地和丘陵，巖性條件較單一，以元古代角閃巖和太古代片麻巖為主（圖1）。角閃巖呈中粗粒結(jié)構(gòu)，新鮮巖面為墨綠色，風(fēng)化后呈灰色，半自形柱狀結(jié)構(gòu)，角閃石礦物粒徑一般為2.0～5.0 mm，塊狀、片麻狀構(gòu)造。構(gòu)造片麻巖普遍發(fā)育條帶狀構(gòu)造、片麻狀構(gòu)造，由淺色礦物不均勻分布形成。礦區(qū)條帶構(gòu)造的寬度及密度常常發(fā)生變化，部分地區(qū)條帶構(gòu)造不甚發(fā)育，僅表現(xiàn)為片麻狀構(gòu)造。

礦區(qū)已揭露的礦床主要分布于區(qū)內(nèi)中部磚瓦窯、魚子山、黃松峪一段小型洼地，出露面積約2.4 km2，向西延伸進(jìn)入黃崖關(guān)，并延續(xù)進(jìn)入紅透山、新賓一帶。該區(qū)域內(nèi)巖漿巖呈夾層狀分布，下部與團(tuán)山子組呈整合接觸，局部噴發(fā)不整合接觸，頂部與大紅峪組二段整合接觸，地層厚度396～550 m，占巖漿巖成因巖石厚度的80%。根據(jù)巖礦鑒定成果，巖體具有多斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶中鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石及黑云母含量較高，總量達(dá)60%～80%，稀土元素總量一般，Au、Fe、Cu含量偏高。研究區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資源較豐富，主要礦產(chǎn)資源類型包括鐵、金、稀土、石灰?guī)r和花崗巖等。

礦床均分布于新屋里巖體的接觸帶上或靠近接觸帶部位，礦床沿巖性接觸帶等間距分布，由礦田南西往北東方向，礦化深度有增加的趨勢(shì)，NE向褶皺—沖斷系統(tǒng)是控制巖體侵位和礦化定位的主體構(gòu)造。礦體產(chǎn)狀基本與所在部位接觸帶的產(chǎn)狀一致，礦區(qū)藥園山銅礦床規(guī)模最大。該礦床成因?yàn)閬碜詭r漿巖的高壓成礦流體，在構(gòu)造變形場(chǎng)和溫度場(chǎng)的雙重控制下向巖體邊界的擴(kuò)容斷裂帶運(yùn)移，與擴(kuò)容性斷裂中來自大氣降水的流體混合。流體壓力突然降低以及2種完全不同流體之間的反應(yīng)，導(dǎo)致礦物發(fā)生沉淀和富集形成礦床［5］。

2 深部成礦預(yù)測(cè)

該礦淺層勘探開發(fā)程度高，依據(jù)老礦山隱伏礦體三維定量化預(yù)測(cè)思路，結(jié)合礦山實(shí)際資料和礦床發(fā)育特點(diǎn)，本研究總結(jié)出的該礦深部礦體成礦預(yù)測(cè)流程為地質(zhì)數(shù)據(jù)集成和成礦規(guī)律分析—地質(zhì)三維建模和成礦信息提取—深部礦體定位和預(yù)測(cè)（圖2）。

2.1 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

本研究對(duì)該礦前期積累的勘探、物探、測(cè)量及試驗(yàn)等地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了搜集和整理，利用Surpac軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入、檢查和修正［6-9］。數(shù)據(jù)來源于礦區(qū)105個(gè)鉆孔，37個(gè)坑槽探工程，1∶500地形測(cè)量成果圖，鉆孔聲波測(cè)試成果以及EH-4大地電磁法測(cè)量剖面。其中，鉆孔數(shù)據(jù)包括鉆孔坐標(biāo)、孔口高程、孔深、風(fēng)化深度、地下水位深度、編錄日期、鉆孔回水顏色、鉆孔編錄和施工日期等；構(gòu)造及巖性數(shù)據(jù)包括巖石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、形態(tài)、礦物組成成分、蝕變以及巖石風(fēng)化深度、成因年代、地層代號(hào)等；物探化探數(shù)據(jù)包括鉆孔聲波測(cè)井、覆蓋層剪切波測(cè)試、EH-4、鉆孔CT地震波等；巖體試驗(yàn)數(shù)據(jù)以現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)為主，現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)包括動(dòng)力觸探、標(biāo)準(zhǔn)灌入、鉆孔壓水等，室內(nèi)試驗(yàn)包括巖礦鑒定、薄片鑒定等成果數(shù)據(jù)?；谏鲜鰯?shù)據(jù)，構(gòu)建的三道灣銅礦地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)錄入軟件界面如圖3所示。

在構(gòu)建該礦地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，可采用Arc-GIS軟件查詢鉆孔位置、深度、巖性分布、巖層走向及產(chǎn)狀、斷層構(gòu)造帶等多種地質(zhì)信息，均以三維可視化形式顯示（圖4、圖5）。

2.2 控礦地質(zhì)因素場(chǎng)建模

深部礦體預(yù)測(cè)是在基礎(chǔ)勘查資料和成礦規(guī)律分析的基礎(chǔ)上，采用各種數(shù)學(xué)模型和運(yùn)算軟件對(duì)現(xiàn)有的地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而獲取深部礦體的成礦信息。本研究礦區(qū)成礦信息主要有控礦信息（包括地層巖性、構(gòu)造、節(jié)理等）和找礦信息（包括物探化探指標(biāo)、蝕變等）兩類。通過定義礦區(qū)地質(zhì)空間和立體單元，將成礦指標(biāo)通過場(chǎng)模型進(jìn)行量化分類，進(jìn)行深部成礦預(yù)測(cè)。

2.2.1 地質(zhì)空間與立體單元定義

地質(zhì)空間是地質(zhì)體產(chǎn)出和地質(zhì)作用發(fā)生的三維空間。礦化空間是成礦作用發(fā)生的空間，為地質(zhì)空間的子集。地質(zhì)空間的確定一般需預(yù)先定義1個(gè)巨大的立方體空間作為地質(zhì)空間的包集，而后采用各種邊界條件對(duì)立方體空間進(jìn)行限制，以獲得真正的地質(zhì)空間。本研究地質(zhì)空間取自地表最高點(diǎn)（標(biāo)高600 m）至地下深部-2 700 m標(biāo)高，為其垂直空間范圍，整體垂深為3 300 m，并限制在坐標(biāo)點(diǎn)按編號(hào)順序形成的多邊形水平投影范圍內(nèi)。定義地質(zhì)空間的-1 000 m標(biāo)高水平以上、第四系浮土層底面以下的空間為礦化空間。分別采用2種精度的規(guī)格格網(wǎng)劃分地質(zhì)空間：①建模精度，立體單元尺寸為10 m×10 m×10 m；②預(yù)測(cè)精度，立體單元尺寸為50 m×50 m×50 m［10-14］。地質(zhì)體塊體模型、控礦地質(zhì)因素場(chǎng)模型均采用建模精度，找礦信息提取、成礦預(yù)測(cè)均采用預(yù)測(cè)精度。

2.2.2 控礦地質(zhì)因素場(chǎng)模型

研究礦山深部邊緣礦體與控礦地質(zhì)因素直接的量化關(guān)系，是進(jìn)行危機(jī)礦山深部礦體成礦預(yù)測(cè)的有效方法。由于地質(zhì)體的非均一性，地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性分布規(guī)律復(fù)雜，成礦地質(zhì)時(shí)期較長(zhǎng)，地質(zhì)年代久遠(yuǎn)，有效構(gòu)建成礦地質(zhì)因素與礦體發(fā)育規(guī)律的數(shù)學(xué)模型難度較大。為此，本研究采用地質(zhì)場(chǎng)空間分析法，以礦床勘探資料為依據(jù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)建地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，通過地質(zhì)體與地質(zhì)場(chǎng)之間的關(guān)系構(gòu)建場(chǎng)模型，進(jìn)而通過該模型對(duì)礦區(qū)深部進(jìn)行成礦預(yù)測(cè)。

地質(zhì)控礦作用場(chǎng)模型根據(jù)研究對(duì)象的不同可以分為沉積巖控礦作用場(chǎng)模型、地層控礦作用場(chǎng)模型、地質(zhì)構(gòu)造作用場(chǎng)模型等，本研究選取巖漿巖控礦作用場(chǎng)模型進(jìn)行分析。礦區(qū)巖漿巖控礦作用表現(xiàn)為上部地質(zhì)體提供疊加改造所需的熱動(dòng)力。為簡(jiǎn)化模型，采用歐式距離場(chǎng)描述空間任意一點(diǎn)與地質(zhì)體的最近距離及關(guān)聯(lián)度來表達(dá)巖漿巖的控礦作用強(qiáng)度。

采用非線性規(guī)劃求解方法進(jìn)行模型求解。首先，對(duì)巖漿巖控礦參數(shù)進(jìn)行離散化得到三維柵格模型（圖6）；其次根據(jù)礦化指標(biāo)值生成反映巖漿巖控礦作用的散點(diǎn)圖；然后根據(jù)該散點(diǎn)圖構(gòu)建巖漿巖成礦因素與礦化指標(biāo)之間的非線性關(guān)聯(lián)數(shù)學(xué)模型，并對(duì)該非線性模型進(jìn)行驗(yàn)證和修改；最后，根據(jù)該非線性模型對(duì)巖漿巖控礦因素場(chǎng)變量進(jìn)行分析，得到深部邊緣部位的成礦指標(biāo)值：

式中，M為成礦指標(biāo)值，其值越大，說明成礦概率越大；ε為隨機(jī)變量，其期望值為0；dN為巖體熱力場(chǎng)因素取值；r1為巖體頂面最高級(jí)波動(dòng)幅度，可利用地質(zhì)變量分界公式獲?。籸2為巖體第2級(jí)波幅參數(shù)，為dN的最小解。

類似地，本研究構(gòu)建了的包含巖體熱力場(chǎng)、巖體形態(tài)等因素的6種地質(zhì)控礦因素場(chǎng)模型，并對(duì)各模型分別進(jìn)行了非線性回歸分析和驗(yàn)證（表1）。

2.3 成礦預(yù)測(cè)

結(jié)合上述預(yù)測(cè)模型，對(duì)單元礦化指標(biāo)進(jìn)行了回歸分析，并對(duì)礦區(qū)資源量進(jìn)行估算，據(jù)此圈定有利的找礦靶區(qū)。該礦床主要為金、銅硫化物礦床，伴生有鐵、銀，在圈定找礦靶區(qū)時(shí)，應(yīng)以礦化金為主體，依據(jù)含礦量最大原則和完整性原則，初步估算了銅、鋅、金、鐵等資源量。本研究共圈定了4處找礦靶區(qū)，如圖1、圖7所示。

（1）Ⅰ#靶區(qū)。位于藥園山西南部、礦區(qū)西側(cè)區(qū)域，標(biāo)高為346～-142 m。預(yù)測(cè)該區(qū)Zn平均品位為1.4%，Cu平均品位0.5%；Zn資源量1.2萬(wàn)t，Cu資源量1.3萬(wàn)t。

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（2）Ⅱ#靶區(qū)。位于清水塘開采區(qū)域下部，標(biāo)高為366～-150 m。預(yù)測(cè)該區(qū)Zn平均品位約1.4%，Cu平均品位0.3%；Zn資源量1.1萬(wàn)t，Cu資源量1.7萬(wàn)t。

（3）Ⅲ#靶區(qū)。位于寶山陶礦區(qū)北部區(qū)域，標(biāo)高為546～-298 m，預(yù)測(cè)該區(qū)Zn平均品位約1.1%，Cu平均品位0.3%；Zn資源量1.5萬(wàn)t，Cu資源量1.9萬(wàn)t。

（4）Ⅳ#靶區(qū)。位于藥園山西南部、礦區(qū)西側(cè)區(qū)域，標(biāo)高為-308～319 m，預(yù)測(cè)該區(qū)Zn平均品位約1.5%，Cu平均品位0.3%；Zn資源量1.4萬(wàn)t，Cu資源量1.8萬(wàn)t。

根據(jù)上述預(yù)測(cè)成果，在找礦靶區(qū)內(nèi)布置了深部驗(yàn)證鉆孔，鉆孔深度為300～500 m，根據(jù)鉆孔巖芯揭露發(fā)現(xiàn)了厚度較大、品位較高的礦體，表明本研究成礦預(yù)測(cè)結(jié)果具有一定的可靠性。

3 結(jié)語(yǔ)

以黑龍江某銅礦為例，建立了礦區(qū)地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過場(chǎng)模型建模進(jìn)行了深部三維成礦預(yù)測(cè)，圈定了4處有價(jià)值的找礦靶區(qū)，與深部鉆探驗(yàn)證結(jié)果基本一致。研究表明，通過采用“地質(zhì)數(shù)據(jù)集成和成礦規(guī)律分析—三維地質(zhì)建模和成礦信息提取—深部礦體定位和預(yù)測(cè)”的研究思路，對(duì)于提高資源危機(jī)礦山深部找礦效率具有一定的作用。

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