三維地質(zhì)建模在礦床成礦規(guī)律研究和找礦靶區(qū)預(yù)測中的應(yīng)用

李成文,孟貴祥,薛融暉,祁光,孫江華,王義郡,何建喜

摘? 要：通過三維地質(zhì)建模開展了薩爾朔克礦區(qū)成礦規(guī)律研究，實現(xiàn)深部找礦靶區(qū)定位預(yù)測，并依托礦山勘查進(jìn)行驗證。研究采用Geomodeller三維建模軟件創(chuàng)建礦區(qū)三維地質(zhì)模型，在建模過程中逐步發(fā)現(xiàn)了前期對礦區(qū)地質(zhì)認(rèn)識中存在的諸多問題和錯誤，有利地促進(jìn)了礦區(qū)成礦規(guī)律的研究。通過建模發(fā)現(xiàn)礦區(qū)存在上、下兩個儲礦空間（礦囊），宏觀上呈串珠狀分布，證實“成礦-儲礦通道”的存在，驗證了火山通道相成礦、賦礦的推論，從而預(yù)測了+800 m水平標(biāo)高以下可能存在的隱伏礦化蝕變帶的空間形態(tài)及大致位置，并通過生產(chǎn)勘探得到驗證。因此，認(rèn)為采用Geomodeller三維建模軟件創(chuàng)建礦區(qū)三維地質(zhì)模型可為礦區(qū)成礦規(guī)律研究和深、邊部找礦靶區(qū)定位預(yù)測提供有利的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：薩爾朔克;Geomodeller;三維地質(zhì)建模;找礦靶區(qū)定位預(yù)測

三維地質(zhì)建模是一項集地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)、空間分析、空間約束、三維可視化技術(shù)為一體，基于數(shù)據(jù)信息分析、整合多種學(xué)科的一門合成學(xué)科，其實質(zhì)是運用計算機(jī)技術(shù)將地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)、工程地質(zhì)等成果資料及各種解釋結(jié)果與概念模型綜合生成三維可視化模型，服務(wù)于地質(zhì)研究。當(dāng)前，三維地質(zhì)建模有兩個主要作用：一是為數(shù)值模擬提供基礎(chǔ)模型;二是用于礦產(chǎn)資源在開發(fā)利用階段的整體評價、綜合研究和成礦預(yù)測。

西方發(fā)達(dá)國家地質(zhì)調(diào)查機(jī)構(gòu)已積累一大批不同尺度的三維地質(zhì)框架模型。三維地質(zhì)建模已在水資源勘探與保護(hù)、礦產(chǎn)資源評價、地質(zhì)災(zāi)害防治、能源的獲取與存儲、土地規(guī)劃與利用、市政工程與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、核廢料處置與二氧化碳存儲、基礎(chǔ)地質(zhì)研究等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。近年來，中國地質(zhì)調(diào)查局加強(qiáng)了三維地質(zhì)建模技術(shù)、可視化技術(shù)方面的研發(fā)力度，并在城市地質(zhì)、深部探測等領(lǐng)域廣泛推廣。同時，三維地質(zhì)建模在礦產(chǎn)及國土資源開發(fā)利用階段的地質(zhì)研究中起到了突出作用。

阿舍勒礦集區(qū)三維地質(zhì)建模及相應(yīng)研究起步較晚。其中，阿舍勒礦區(qū)三維地質(zhì)建模及研究起步于2000年，2018年達(dá)到高峰期。早期研究方向主要是礦床三維模型、礦體模擬及資源評估[2-3]，近期主要基于surpac和GeoModeller建模的研究，在地質(zhì)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、成礦預(yù)測方面取得了一定成果[4-7]。

較早前，薩爾朔克礦區(qū)利用Digital Mine軟件創(chuàng)建了礦區(qū)三維模型，對礦區(qū)地物、已探明礦體分布特征等有了較為詳盡的刻畫，在順應(yīng)綠色礦山建設(shè)方面起到了一定作用。該類模型是基于礦區(qū)現(xiàn)有地質(zhì)剖面圖、斷面圖、已圈定礦體直接圈連、勾畫的三維模型，既無空間約束和概念模型制約，亦無地質(zhì)體延伸拓展、預(yù)測功能，僅在礦體的三維可視化方面有所展現(xiàn)，在找礦勘查和成礦預(yù)測方面未起到實質(zhì)性作用。當(dāng)前，礦山企業(yè)的主要需求是擴(kuò)容、增儲，需在成礦規(guī)律研究和深、邊部找礦靶區(qū)定位預(yù)測方面獲得突破，因此全新的礦區(qū)三維地質(zhì)預(yù)測模型具有現(xiàn)實意義。本次研究采用Geomodeller三維建模軟件創(chuàng)建礦區(qū)三維地質(zhì)模型，以期達(dá)到成礦規(guī)律研究、實現(xiàn)深部找礦靶區(qū)定位預(yù)測的目的。目前已通過構(gòu)建三維地質(zhì)模型，并依托礦山勘查獲得驗證，發(fā)現(xiàn)了深部礦體。

1? 地質(zhì)概況

1.1? 區(qū)域地質(zhì)背景

薩爾朔克銅金多金屬礦床位于新疆哈巴河縣正北約40 km處，南距阿舍勒銅鋅礦床正北約6 km（圖1）。礦床位于阿爾泰增生造山帶南緣西段阿舍勒泥盆—石炭紀(jì)火山沉積盆地北東部。阿舍勒銅鋅礦床和薩爾朔克銅金多金屬礦床均位于南阿爾泰Cu-Pb-Zn-Fe-Au-RM-U-白云母-寶石成礦帶阿舍勒Cu-Au-Pb-Zn礦帶內(nèi)[12]。阿舍勒Cu-Au-Pb-Zn礦帶內(nèi)主要產(chǎn)出與泥盆紀(jì)海相火山巖有關(guān)的銅鋅、銅金多金屬礦床及矽卡巖型銅礦（化）點[8-10]。

阿舍勒泥盆—石炭紀(jì)火山沉積盆地出露下泥盆統(tǒng)康布鐵堡組、下—中泥盆統(tǒng)托克薩雷組、中泥盆統(tǒng)阿勒泰組、中—下泥盆統(tǒng)阿舍勒組、上泥盆統(tǒng)齊也組、下石炭統(tǒng)紅山嘴組[7]，二疊紀(jì)經(jīng)歷了區(qū)域變質(zhì)作用[13]。其中，中泥盆世阿舍勒旋回晚期酸性火山巖和潛火山巖具較強(qiáng)烈的黃鐵絹英巖化蝕變，與阿舍勒銅鋅礦床和薩爾朔克銅金多金屬礦床密切相關(guān)，為本區(qū)主要含礦層位，構(gòu)成礦體的直接圍巖。阿舍勒礦集區(qū)內(nèi)幾乎所有的重晶石及黃鐵礦型、VMS型銅多金屬礦床、礦點均賦存于該層位中[8，10，12-15]。

1.2? 礦區(qū)地質(zhì)

薩爾朔克礦區(qū)分布有中泥盆統(tǒng)阿舍勒組、上泥盆統(tǒng)齊也組和下石炭統(tǒng)紅山嘴組（圖2）。其中，中泥盆統(tǒng)阿舍勒組上段酸性火山巖建造是本區(qū)最重要的賦礦層位[10，15]。阿舍勒組上段酸性火山巖具明顯面型蝕變分帶特征，外圍為絹云母化、絹英巖化，中部為次生石英巖化，內(nèi)部為黃鐵絹英巖化（富含金屬硫化物，賦礦層），局部重晶石化。礦化蝕變專屬性較強(qiáng)，僅分布于酸性火山巖中，常伴隨流紋-英安質(zhì)同成分角礫巖化。（隱爆角礫巖？），火山通道相特征明顯。酸性火山巖明顯吞食、熔蝕、交代改造阿舍勒組中段中-基性火山巖和碳酸鹽巖圍巖，造成圍巖局部大理巖化、矽卡巖化、磁鐵礦化、黃銅礦化。

2? 三維地質(zhì)模型創(chuàng)建

2.1? 建模方法、原理

薩爾朔克礦區(qū)采用GeoModeller三維建模軟件及使用作業(yè)指導(dǎo)書創(chuàng)建三維地質(zhì)模型。該軟件是一款基于地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)、地質(zhì)概念模型、空間約束、空間定位分析、三維可視化技術(shù)的地質(zhì)-地球物理應(yīng)用軟件[16-21]。GeoModeller地質(zhì)概念模型就是地質(zhì)原理、地質(zhì)定理（公理），其內(nèi)涵主要包括地質(zhì)體的空間分布、空間占位先后關(guān)系、疊覆關(guān)系和占位體量?？臻g約束是基于地質(zhì)概念模型對地質(zhì)體空間分布和占位的約束;空間定位分析是對地質(zhì)體空間分布和占位的模擬?？臻g約束和空間定位分析的基礎(chǔ)是建立正確的已知地質(zhì)信息和地質(zhì)概念模型。

GeoModeller工作原理是基于地質(zhì)原理（定理、公理）、正確的已知地質(zhì)信息等空間約束條件，通過空間分析技術(shù)（以克里金插值法為主）推演（反演）地質(zhì)體、礦體的三維延伸趨勢和空間形態(tài)，并通過三維可視化技術(shù)提供三維可視化地質(zhì)模型，有效服務(wù)于找礦靶區(qū)預(yù)測、目標(biāo)地質(zhì)體整體評價[16-21]。

2.2? 創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫

三維地質(zhì)模型創(chuàng)建之前首先要創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，即要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)（圖片和表格）的錄入，數(shù)據(jù)包括地表地質(zhì)圖、水平斷面圖、剖面圖及鉆孔、探槽、坑道等，錄入的主要信息是地質(zhì)界線、產(chǎn)狀、接觸關(guān)系、時序?qū)游魂P(guān)系和已知地質(zhì)體、地質(zhì)界線、產(chǎn)狀的空間位置等，重點是鉆孔及揭露地質(zhì)體的表格化數(shù)據(jù)[16-21]。要求錄入的已知地質(zhì)信息要盡可能豐富、準(zhǔn)確，錯誤的地質(zhì)信息可導(dǎo)致建模失敗。

為完成薩爾朔克礦區(qū)三維地質(zhì)建模，研究中收集、整理并錄入了大量已有地質(zhì)資料;同時還開展了礦區(qū)巖相-巖性填圖及地質(zhì)圖修測、重新對鉆孔調(diào)查進(jìn)行編錄等工作。本次錄入鉆探資料涉及91個鉆孔，總進(jìn)尺約42 000 m。

2.3? 創(chuàng)建地質(zhì)概念模型

模型創(chuàng)建之前還需創(chuàng)建地質(zhì)概念模型，即建立合理可行的地質(zhì)柱（Stratigraphic Pile）。地質(zhì)柱包含建模區(qū)地質(zhì)單元及空間占位形式（空間占位先后關(guān)系、疊覆或接觸關(guān)系）。違反地質(zhì)規(guī)律的地質(zhì)柱和錯誤的地質(zhì)信息將導(dǎo)致建模失敗，GeoModeller在運算過程中拒絕錯誤的地質(zhì)分組、地質(zhì)層序、疊覆或接觸關(guān)系，也拒絕嚴(yán)重錯誤或顯著對立的地質(zhì)信息[16-21]。因此，建模的關(guān)鍵點、難點和重點是地質(zhì)概念模型的創(chuàng)建（即對建模區(qū)地質(zhì)認(rèn)識的歸納和地質(zhì)單元的合理劃分）;如何合理有效地劃分、歸并大量而龐雜的已有地質(zhì)信息、對已知地質(zhì)體（地質(zhì)單元）進(jìn)行正確的歸類分組是建模的關(guān)鍵點。

地質(zhì)分組過于簡單，將無法獲得有效的、接近實際的地質(zhì)模型和找礦預(yù)測模型;分組過于復(fù)雜，則模型數(shù)據(jù)計算量巨大，相應(yīng)的錯誤數(shù)據(jù)量也會增多，造成建模難以成功;信息越少，分組越少，越容易創(chuàng)建模型，但生成的模型也越偏離實際，導(dǎo)致模型只有象征意義，無綜合研究和找礦預(yù)測意義。因此，地質(zhì)單元歸類、分組需要反復(fù)試驗。

本次針對阿舍勒礦集區(qū)各類巖礦石進(jìn)行了多達(dá)9次歸類分組試驗。歸類分組方案均基于巖石組合、已知接觸關(guān)系、前人地層單位劃分等，最終只有第9套歸類方案獲得成功。該方案是據(jù)同位素測年成果和本次調(diào)查獲得的最新接觸關(guān)系證據(jù)，重新劃分了齊也組和阿舍勒組，并確認(rèn)了阿舍勒組上段酸性火山巖以侵入體形式空間占位后才獲得成功的，在工作中需擺脫傳統(tǒng)地質(zhì)認(rèn)識中對火山巖歸類認(rèn)識的思想束縛（圖3）。

需要說明的是在本次地質(zhì)概念模型創(chuàng)建過程中，礦體和各類與巖漿成礦有關(guān)的蝕變巖、侵入體及與火山機(jī)構(gòu)有關(guān)的酸性火山巖均按侵入、侵蝕空間占位形式處理。

2.4? 創(chuàng)建地質(zhì)模型

創(chuàng)建完成的薩爾朔克礦區(qū)三維地質(zhì)模型見圖4。經(jīng)與已知剖面、水平斷面、鉆孔、探槽及坑道資料進(jìn)行對比、擬合，確認(rèn)本次創(chuàng)建的薩爾朔克礦區(qū)三維地質(zhì)模型總符合率達(dá)90%～95%，達(dá)到了預(yù)期目的和效果。歸納總結(jié)GeoModeller三維地質(zhì)建模的具體流程見圖5。

2.5? GeoModeller建模特點

通過薩爾朔克礦區(qū)三維地質(zhì)模型的創(chuàng)建，總結(jié)GeoModeller三維建模軟件的特點和優(yōu)勢為：①該軟件具強(qiáng)大的邏輯性和推理性;②具明確的靶區(qū)預(yù)測能力，對特定區(qū)域（礦區(qū)）的綜合研究和找礦靶區(qū)預(yù)測有幫助;③要求建模工作者須遵守基本地質(zhì)規(guī)律，熟知工作區(qū)地質(zhì)規(guī)律、地質(zhì)特征。通過工作區(qū)地質(zhì)概念模型的探索，重新認(rèn)識已有地質(zhì)信息的局限性、可靠性、合理性，并重新認(rèn)識工作區(qū)的地質(zhì)特征、地質(zhì)規(guī)律、成礦規(guī)律。通過地質(zhì)概念模型的創(chuàng)建和模擬，發(fā)現(xiàn)前期認(rèn)識中存在的錯誤和不足，并加以改正。這就是該軟件與其它三維建模軟件相比最大的不同點和優(yōu)勢。創(chuàng)建三維地質(zhì)模型并修改、完善的過程就是綜合研究的過程;④具有強(qiáng)大的三維可視化功能。可從任意角度進(jìn)行觀察，并可從任意水平面和任意方向的垂面截取斷面圖。

3? 建模成果

通過礦區(qū)三維地質(zhì)模型的創(chuàng)建，糾正、更新了對薩爾朔克礦區(qū)地質(zhì)規(guī)律的傳統(tǒng)認(rèn)識，發(fā)現(xiàn)了新的地質(zhì)規(guī)律。

（1） 通過礦區(qū)三維地質(zhì)模型創(chuàng)建，查明了礦區(qū)淺部和深部礦體的礦化蝕變及分帶規(guī)律，發(fā)現(xiàn)銅、鉛鋅多金屬礦化與酸性火山巖、次火山巖及其黃鐵絹英巖化、絹英巖化、次生石英巖化自蝕變相關(guān)，面型蝕變分帶特征非常明顯（圖6）。礦化蝕變分帶由內(nèi)向外依次為：礦體→黃鐵絹英巖→（弱黃鐵絹英巖化）英安斑巖→次生石英巖→絹英巖、絹云母巖→英安巖、流紋巖→安山玄武巖及其碎屑巖（圖6）。

（2） 通過薩爾朔克礦區(qū)三維地質(zhì)模型的創(chuàng)建和阿舍勒礦集區(qū)地面調(diào)查取證，查明了薩爾朔克礦區(qū)各類地質(zhì)體的空間分布形態(tài)及規(guī)律。由三維地質(zhì)模型發(fā)現(xiàn)：①流紋巖、英安巖及流紋英安質(zhì)火山碎屑巖、碎屑熔巖等酸性火山巖（阿舍勒組上段）呈侵入體形式侵位于中基性火山巖及碎屑巖（阿舍勒組中段）中，并對圍巖造成一定程度的改造（吞食、熔蝕、交代、機(jī)械混合）;②由礦體、礦化體及酸性火山巖及自蝕變（黃鐵絹英巖化、絹英巖化、次生石英巖化）賦礦圍巖共同構(gòu)成了囊狀、串珠狀儲礦空間（礦囊），其空間分布特征明顯與火山頸、火山通道相成礦機(jī)制相吻合;③無論深部還是淺部，礦體均呈不規(guī)則分枝復(fù)合狀、似層狀，但存在明顯的主干，具多層樓分布特征;④礦體與黃鐵絹英巖化蝕變和黃鐵絹英巖密切相關(guān)，絕大部分礦體分布于黃鐵絹英巖中（也有很少量礦體分布超出黃鐵絹英巖的范圍，表明部分礦體的形成晚于黃鐵絹英巖），礦體和黃鐵絹英巖構(gòu)成了礦囊核心，而英安巖-流紋巖、絹英巖-絹云母巖、次生石英巖則構(gòu)成了礦囊外殼。

4? 找礦靶區(qū)定位預(yù)測

通過薩爾朔克礦區(qū)三維地質(zhì)建模，實現(xiàn)了礦區(qū)深、邊部找礦靶區(qū)定位預(yù)測。

（1） 通過礦區(qū)三維地質(zhì)模型預(yù)測，+400～+800 m水平標(biāo)高段存在第二儲礦空間（即第二礦囊）（圖7），通過坑道鉆探施工得以驗證，發(fā)現(xiàn)了銅、鉛鋅工業(yè)礦體。

（2） 通過礦區(qū)三維地質(zhì)模型NW向圖切剖面發(fā)現(xiàn)，礦體、礦化帶由NW向呈“S”型分布。礦化帶上部向北西側(cè)伏，中部向南東側(cè)伏，下部再向北西側(cè)伏。因此，主采區(qū)北西側(cè)深部（+250 m水平標(biāo)高以下）可能是進(jìn)一步找礦的有利靶區(qū)。

（3）通過礦區(qū)三維地質(zhì)模型SW向圖切勘探線剖面和NW向圖切剖面可見，礦區(qū)明顯存在上、下兩個儲礦空間（礦囊），宏觀上呈串珠狀分布，間接證實礦區(qū)內(nèi)成礦儲礦通道（火山通道）的存在（圖7）。因此，推斷+250 m水平標(biāo)高以下仍然存在第三個、甚至第四個礦囊的可能性。通過礦區(qū)三維地質(zhì)模型，定位礦區(qū)北東側(cè)、北西側(cè)深部+250～-600 m水平標(biāo)高段為當(dāng)前找礦有利靶區(qū)。

5? 結(jié)論

（1） 三維地質(zhì)建模在礦區(qū)深、邊部找礦靶區(qū)定位預(yù)測和綜合研究方面是一種全新的探索。通過本次薩爾朔克礦區(qū)三維地質(zhì)建模，實現(xiàn)了礦區(qū)深、邊部找礦靶區(qū)定位預(yù)測，并大幅提高了對礦區(qū)乃至阿舍勒礦集區(qū)地質(zhì)規(guī)律、成礦規(guī)律的認(rèn)識。

（2） 本次建模工作成功定位預(yù)測了+400～+800 m水平標(biāo)高段第二礦囊的存在，并通過生產(chǎn)勘探得以驗證，在該礦囊內(nèi)發(fā)現(xiàn)了銅、鉛鋅工業(yè)礦體。得益于本次建模和綜合研究成果，2021年度礦山企業(yè)針對+450～-600 m水平標(biāo)高段部署了深部勘查工作。

（3） 通過本次研究發(fā)現(xiàn)，GeoModeller可幫助重塑礦區(qū)（礦床）各類地質(zhì)體空間分布特征和規(guī)律，及時糾正既有地質(zhì)認(rèn)識中的錯誤、缺陷和不足，從而成為地質(zhì)科研工作者的好幫手。因此，建議在礦床（礦區(qū)）綜合研究過程中推廣應(yīng)用GeoModeller進(jìn)行三維地質(zhì)建模。

（4） GeoModeller可作為礦山地質(zhì)動態(tài)檢測的工具，其實際意義在于可隨時更新、隨時預(yù)測靶區(qū)位置，指導(dǎo)找礦勘查工作。

致謝：匿名審稿專家和孟貴祥研究員對本文提出了很多非常寶貴的意見，楊成棟博士幫助完成了本文稿的譯文并提出了修改意見，在此表示衷心的感謝。野外調(diào)查工作得到了新疆鑫旺礦業(yè)有限公司、新疆地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)大隊等單位領(lǐng)導(dǎo)和同仁的大力支持和幫助，在此表示誠摯謝意。

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Application of 3D Geological Modeling in Study of Metallogenic Regularity and Orognosis Ore-Prospecting Targets--Taking Sarsuk Deposit as an Example

Li Chengwen1，Meng Guixiang2，Xue Ronghui2，Qi Guang2，Sun Jianghua1，Wang Yijun3，He Jianxi1

（1. No.2 Regional Geological Survey Team，Bureau of Geology and Mineral Resources Development of Xinjiang，

Chang ji，Xinjiang， 831100，China;2. Xinjiang Xinwang Mining Co.， Ltd，Habahe，Xinjiang， 836700，China）

Abstract：This paper aims to carry out the study of the metallogenic regularity of the Sarsuk deposit through 3D geological modeling， realize the locating prognosis of deep ore-prospecting targets， and verify it rely on the mine production and exploration. The 3D geological model of the mining area was created by the Geomodeller 3D modeling software. In the process of modeling， many problems and errors in the early understanding of the deposit geology were gradually discovered， which greatly facilitated the comprehensive study of the metallogenic regularity of the deposit. Through modeling， it is found that the metallogenic regularity is obvious： there are upper and lower ore storage spaces （ore pockets）， which like a string of beads in the macroscopic distribution. The existing of “ore-forming and ore-preserving conduits” was confirmed， and the inference that mineralization was formed and hosted in the volcanic conduit facies was warranted. Thereby the spatial shape and approximate location of the concealed mineralization-alteration zone that may exist below the +800-meter level was predicted， and it has been verified by production and exploration. Therefore， it is believed that the use of Geomodeller 3D modeling software to create a 3D geological model of a deposit can provide favorable technical support for the study of metallogenic regularity and the locating prognosis of deep and marginal ore-prospecting targets. The results of this 3D geological modeling were fruitful and achieved the expected goals.

Key words： Sarsuk;Geomodeller;3D geological modeling; locating prognosis of ore-prospecting targets