基于三維建模的金礦帶成礦預(yù)測技術(shù)研究

王亞鋒

(河南省核工業(yè)地質(zhì)局，河南 鄭州 454000)

目前，對金礦帶形成有關(guān)的信息，如基礎(chǔ)地質(zhì)信息、地球物理信息、地球化學(xué)信息及遙感信息的深度提取和綜合分析，對于金礦產(chǎn)資源的三維預(yù)測非常重要。利用地質(zhì)多源數(shù)據(jù)庫，及時處理和分析數(shù)據(jù)，為金礦產(chǎn)資源預(yù)測工作服務(wù)，已成為一項緊迫的任務(wù)。建立基于金礦地質(zhì)3D系統(tǒng)的大地電磁檢測組件，使用遠(yuǎn)程大地電磁站點(diǎn)來獲取地質(zhì)數(shù)據(jù)是一項新技術(shù)。該技術(shù)的遠(yuǎn)程移動終端站和測量位置之間的同步，通過全球定位系統(tǒng)時鐘實現(xiàn)，其方式類似于DC/IP數(shù)據(jù)的解析。磁線圈組埋在勘測區(qū)域的幾個位置，測量幾個運(yùn)行周期，每個運(yùn)行以特定頻率范圍為中心，收集產(chǎn)生頻率范圍在0.01～320 Hz的數(shù)據(jù)集[1]。處理軟件根據(jù)記錄的時間序列計算大地電磁阻抗，隨后用于數(shù)據(jù)的進(jìn)一步建模。地球物理電阻率和充電率特征與已知礦化位置之間有非常密切的相關(guān)性。在全方位電流源中收集的超大數(shù)據(jù)量，對于地下的詳細(xì)和可靠成像是必不可少的，結(jié)合模糊綜合評價模型等方法證明了三維建模成礦預(yù)測的有效性。

1 成礦預(yù)測分析方法

1.1 方法技術(shù)流程

三維建模圖形的綜合模糊層次(GFH)分析的原始數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)地質(zhì)三維模型數(shù)據(jù)庫和基礎(chǔ)三維成礦因素數(shù)據(jù)庫[2]。在選擇三維控礦因素的過程中，要從源地質(zhì)數(shù)據(jù)庫中提取所有潛在的控礦因素，并通過與實際出露礦體的相關(guān)性分析來判斷和確認(rèn)成礦可能性。在三維成礦預(yù)測過程中，一個關(guān)鍵問題是權(quán)重集的確定，這在一定程度上決定了GFH分析結(jié)果的可靠性。由于沒有廣泛接受的權(quán)威方法來生成權(quán)重比例，選擇每個獨(dú)立的方法是主觀的。

針對上述問題，提出了一種基于主客觀權(quán)重相結(jié)合的組合賦權(quán)法，對三維定量成礦預(yù)測指標(biāo)賦值。用灰色關(guān)聯(lián)法分析了各因素的影響程度以及控礦因素對成礦的影響，然后發(fā)揮層次分析模型量化控礦因素在隱伏礦體預(yù)測中的作用，可以較好地解決預(yù)測指標(biāo)難以量化和準(zhǔn)確統(tǒng)計的問題，使預(yù)測結(jié)果更加準(zhǔn)確。研究以某金礦為例，采用的總體技術(shù)研究流程如圖1所示。

1.2 控礦因素分析

3D建模是基于地質(zhì)變量或隨時間和空間變化的信息標(biāo)注找礦標(biāo)志變量，它是地質(zhì)特征或地質(zhì)現(xiàn)象的數(shù)量標(biāo)志，將直接影響資源預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。主要有2種控礦因素[3]：①定量控礦因素。地質(zhì)現(xiàn)象的結(jié)果直接反映為連續(xù)變量，如礦石品位和資源量、距離、電阻率和極化率等。一些地質(zhì)特征反映為離散變量，例如一個區(qū)塊內(nèi)的斷層數(shù)量和在某一半徑范圍內(nèi)搜索的最大樣本數(shù)量。②定性控礦因素。這些主要定義參數(shù)沒有一定的數(shù)值，如地層、礦化帶、蝕變帶等。這些參數(shù)在地質(zhì)模型中標(biāo)注為“是”和“否”或“0”和“1”。一方面，可以用這些參數(shù)作為直接的約束條件，來標(biāo)定一個潛在區(qū)域的礦化度；另一方面，可以結(jié)合相關(guān)定量資料，定義新的復(fù)雜地質(zhì)控礦因素，指導(dǎo)成礦預(yù)測分析。

對于控礦因素的選擇和提取，一方面，一旦局部地質(zhì)條件發(fā)生變化，最終計算可能需要增加原有相對較低的影響因素；另一方面，除了地質(zhì)空間距離場和密度場被認(rèn)為是分析源外，可能需要考慮其他類型的原始數(shù)據(jù)，例如從模擬信號處理中變差函數(shù)橢圓分析提取的方向場，以及不同地質(zhì)實體的方位特征等[4]。對于GFH分析方法，分析程序仍有調(diào)整和優(yōu)化的潛力，其他新發(fā)展的分析方法如混沌理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論可以被吸收到當(dāng)前的分析系統(tǒng)中。

2 三維成礦預(yù)測分析應(yīng)用的實現(xiàn)

2.1 Quantec 3D系統(tǒng)的應(yīng)用

Quantec的3D系統(tǒng)是針對成礦預(yù)測分析的一套專業(yè)系統(tǒng)。Quantec 3D系統(tǒng)作為一個獨(dú)立的數(shù)據(jù)接收器模塊，以陣列方式運(yùn)行，連續(xù)記錄地質(zhì)電場和磁場的時間序列。每個模塊還配有一個全球定位系統(tǒng)時鐘，用于處理過程中區(qū)分不同的移動終端事件或電磁、電流信號的注入[5]。系統(tǒng)操作員沿預(yù)定測量網(wǎng)格在不同位置部署電流注入極。排列的電流時間序列也由記錄車中的電流監(jiān)視器記錄。采集1 d后，當(dāng)前監(jiān)視器上記錄的信號與全球定位系統(tǒng)一起解析每個采集模塊記錄的序列和電流信號。從處理過的信號中，計算單獨(dú)的注入和典型的電勢和相位數(shù)值，以獲得地質(zhì)關(guān)鍵信息。

2.2 地質(zhì)信息概述

某金礦被厚約35 m的沖積層覆蓋，平面上通常呈圓形，直徑約為2 300 m[6]。金礦沉積區(qū)受到后期高硫化蝕變樣式的強(qiáng)烈影響，這可能掩蓋了早期低硫化脈，可由該礦的礦石構(gòu)造得出結(jié)論，如圖2所示。由圖2可以看出，這是一個以西北走向的右旋錯流斷層為主的地質(zhì)地形。安山巖上覆有一系列厚的流紋巖質(zhì)黃輝綠巖片，這些巖石被流紋巖質(zhì)火山碎屑沉積巖覆蓋。金礦化在時間上與流紋巖火成巖事件有關(guān)，同時都被上新世玄武巖流和第四紀(jì)沖積礦床覆蓋。含金礦化是火山型低硫化淺成熱液礦物系統(tǒng)和溫泉型高硫化淺成熱液礦物系統(tǒng)的典型特征。貴金屬富集與高角度斷裂帶內(nèi)的多幕式石英硫化物脈、細(xì)脈和網(wǎng)狀帶有關(guān)。浸染狀和網(wǎng)狀礦化也發(fā)生在流紋質(zhì)火山碎屑瑪耳沉積巖的一部分中。金礦化描述為由低硫化淺成低溫?zé)嵋菏⒑唾F金屬礦脈組成，被溫泉式、高硫化淺成低溫?zé)嵋何g變和貴金屬礦化疊加[7]。

圖2 金礦礦石構(gòu)造Fig.2 Gold ore structure

2.3 三維地質(zhì)建模過程

選擇10×7的站點(diǎn)網(wǎng)格作為測量幾何圖形，南北和東西方向的間距為3 000 m，如圖3所示。

圖3 采集幾何控制布置點(diǎn)位示意Fig.3 Schematic diagram for layout points of acquisition geometry control

采集測量點(diǎn)網(wǎng)格圖的縮放比為1∶20 000，采用均勻布置測量點(diǎn)的方式，在面對陡峭地帶的位置也嚴(yán)格按照測量點(diǎn)的間距布置設(shè)點(diǎn)[8]，其中實心點(diǎn)表示電極位置，虛線圓表示潛在礦床的大致位置。

每個測試站點(diǎn)連接到6個電極偶極子，3個南北向、3個東西向，共同時部署了420個接收器。在東西和南北方向每隔約100 m完成1次DC分量的偶極測量幾何的電流注入，同時觀察網(wǎng)格之外進(jìn)行額外的電流注入。在為期10 d的測試活動中，總共完成了596個點(diǎn)的數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)集包含調(diào)查區(qū)域內(nèi)超過28萬個測量點(diǎn)[9]。這個大數(shù)據(jù)集代表了三維勘測設(shè)計對地下非常密集的采樣量。金礦地質(zhì)單個區(qū)域數(shù)據(jù)密度點(diǎn)位如圖4所示。

圖4 金礦地質(zhì)單個區(qū)域數(shù)據(jù)密度點(diǎn)位示意Fig.4 Schematic diagram of data density points in a single area of gold geology

此次勘測采用類似于地震勘測的滾動方法，允許用有限數(shù)量的接收器模塊覆蓋大面積。最初部署了一個49個子單位網(wǎng)格，然后根據(jù)滾動原則，從網(wǎng)格的西側(cè)部分移動到東側(cè)，確保初始區(qū)域和滾動區(qū)域之間提供足夠的重疊采集空間。在某金礦地質(zhì)電磁測量中，在每個接收站使用了70對東北和西南偶極子以及磁傳感器，提升測量的精細(xì)程度[10]。

2.4 三維反演建模

利用MicroMine軟件反演生成了相應(yīng)的地形模型，創(chuàng)建了在水平方向上具有50 m×50 m單元的反演網(wǎng)格和從厚15 m的單元開始并隨著深度增加厚度的垂直網(wǎng)格。在反演中使用了所有596個電流注入極，并且使用了約80%的采集接收器偶極子(超過20萬個)[11-13]。由于數(shù)據(jù)點(diǎn)較豐富，在反演建模過程中獲得了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，某金礦帶地層模型如圖5所示。

圖5 某金礦帶地層模型Fig.5 Stratigraphic model of a gold belt

三維建模電磁反演是用WSINV3DMT大地電磁代碼完成的。數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為ZXY和ZYZ阻抗，包括0.01～320.00 Hz16個頻率的數(shù)據(jù)集。反演網(wǎng)格選擇在水平方向106 m×106 m的單個單元，垂直方向為50 m厚度。

3 地質(zhì)特征提取與辨識

3.1 模糊綜合評價特征分析

采用選擇模糊綜合評價計算對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化選擇，參考了控礦因素與礦化分布的統(tǒng)計相關(guān)性，建立了礦化分布與控礦因素的回歸方程。如果回歸分析顯著，認(rèn)為地質(zhì)變量可以作為判斷因素。利用回歸方程系數(shù)(假定設(shè)為B1)的正負(fù)，可以判斷礦化分布與地質(zhì)變量之間的正、負(fù)相關(guān)關(guān)系。如果B1>0，表示礦化分布與地質(zhì)變量正相關(guān)，則應(yīng)采用選擇最大值計算方法計算地質(zhì)變量；如果B1<0，表示礦化分布和地質(zhì)變量之間的負(fù)相關(guān)性，應(yīng)使用選擇最小值計算方法進(jìn)行計算。將所有未知礦化塊轉(zhuǎn)化為預(yù)測指標(biāo)的模糊關(guān)系矩陣，即可精準(zhǔn)的判斷成礦的可能性。模糊綜合評價特征數(shù)據(jù)庫，可以利用表1中所提取的找礦標(biāo)志數(shù)據(jù)。其中，Nj為礦體單元塊數(shù)；N為研究區(qū)礦體單元塊數(shù)；Sj為標(biāo)志變量塊數(shù)；S為總塊數(shù)；I為找礦信息量 。

表1 找礦標(biāo)志的信息量統(tǒng)計Tab.1 Information statistics of prospecting indicators

在模糊綜合評價過程中，關(guān)鍵步驟是權(quán)重的確定。主觀方法主要基于研究者的經(jīng)驗，客觀方法主要基于固定數(shù)據(jù)。2種權(quán)重的確定方法都應(yīng)根據(jù)當(dāng)前的研究目的進(jìn)行調(diào)整。因此，在應(yīng)用正交理論計算選定控礦因素的隸屬度值后，在建立模糊矩陣和一致矩陣的基礎(chǔ)上，采用模糊層次分析法計算權(quán)重。權(quán)重計算方法的合理性綜合考慮了主客觀影響因素，一般認(rèn)為主客觀影響因素權(quán)重分別為60%、40%。

3.2 找礦信息量靶區(qū)圈定

利用模糊綜合評價方法，選取多個評價指標(biāo)，結(jié)合數(shù)據(jù)正交分析的手段，將數(shù)據(jù)的權(quán)重進(jìn)行排序，主要包括的數(shù)據(jù)類型為成礦因子的塊體、找礦信息量的總和、信息量影響范圍以及所有相關(guān)地質(zhì)信息(地層、斷層、礦化、礦物密度、地球物理、地球化學(xué)等)。采用距離冪次反比法的計算公式對金礦信息總量進(jìn)行估值運(yùn)算，對于多個重要信息量賦值的塊體進(jìn)行著色處理，并且通過軟件顯現(xiàn)出來。由于本次賦值信息量很豐富，為了提升成礦預(yù)測的精準(zhǔn)性，采用信息量大于7塊體作為重點(diǎn)的成礦區(qū)域，最終得到了4處深部靶區(qū)最為成礦的高概率位置，如圖6所示。

圖6 找礦信息量法靶區(qū)位置Fig.6 Target location of ore prospecting information method

同時金礦化帶已進(jìn)行了大量鉆探，以繪制和評價金礦化等級。金礦化帶地區(qū)現(xiàn)有的鉆孔及其金含量等級以及荷電率和電阻率剖面如圖7所示。高概率成礦金區(qū)與導(dǎo)電率升高帶有密切的相關(guān)性。這種相關(guān)性以及與侵入巖脈相關(guān)的電阻率異常提供了一個指南，以確定整個勘測區(qū)域內(nèi)具有類似地質(zhì)物理特征的位置作為潛在目標(biāo)，也是重要的靶點(diǎn)區(qū)域。

圖7 地質(zhì)荷電率和電阻率剖面Fig.7 Geological charge rate and resistivity profile

4 工程驗證

根據(jù)以上預(yù)測結(jié)果，選擇部分預(yù)測靶區(qū)進(jìn)行了工程驗證，在某金礦安壩礦段06號剖面施工鉆孔624對立方體預(yù)測模型的②號靶區(qū)進(jìn)行驗證，如圖8所示。該驗證鉆孔總計發(fā)現(xiàn)3層金礦體，第1層金礦體位于標(biāo)高+1 722.5 m 處，樣品長度0.65 m，金單樣品品位為3.55 g/t，第2層位于標(biāo)高+1 674 m 處，樣品長度0.68 m，金單樣品品位為36.8 g/t，第3層位于標(biāo)高+1 094 m 處，樣品長度為3.46 m，金平均品位為1.2 g/t。且在預(yù)測靶區(qū)發(fā)現(xiàn)有三條構(gòu)造破碎帶，巖性為蝕變千枚巖，因為認(rèn)為在②號靶區(qū)其深部還具備一定的找礦潛力。

圖8 地質(zhì)勘測線剖面Fig.8 Geological survey line profile

5 結(jié)語

本文建立了基于多源地理空間數(shù)據(jù)庫的三維預(yù)測模型。部署大型分布式采集單元陣列，通過收集的大量數(shù)據(jù)可用于生成地下的詳細(xì)3D圖像。與偽三維、偏移注入和常規(guī)2D勘測相比，在較大數(shù)據(jù)量和全向DC電流源中獲得的附加信息，能夠為成礦預(yù)測技術(shù)提供更詳細(xì)的成像。使用Quantec 3D采集系統(tǒng)進(jìn)行的DC/IP/MT勘測，成功地詳細(xì)繪制了金礦屬性已知的隱蔽礦化帶。此外，電阻率和充電率模型確定了礦化帶的地點(diǎn)，其地球物理特征與隱山礦床相似。這些位置被認(rèn)為是潛在目標(biāo)，是進(jìn)一步勘探的候選位置。從所有確定的勘測因素中選出主要控礦因素，這些最重要的控礦因素直接用于后期三維成礦預(yù)測研究中礦化優(yōu)勢度的加權(quán)計算。以往礦產(chǎn)資源預(yù)測評價指標(biāo)的權(quán)重基本上是通過專家打分法或人工確定的。由于其復(fù)雜性和不確定性，地質(zhì)控礦因素中，權(quán)重值往往難以準(zhǔn)確確定；權(quán)重分配的客觀方法可能與實際情況相反。本文采用GFH綜合分析法，確定各因素的權(quán)重，根據(jù)權(quán)重和隸屬值計算，得出金礦帶礦化優(yōu)勢度值，將其用于確定主要潛力礦化目標(biāo)區(qū)域，并通過工程驗證得出了預(yù)測技術(shù)的可靠性。