內蒙古花腦特銀多金屬礦Ⅰ號蝕變帶構造疊加暈三維模型研究及應用

魏 江，王 信，任良良，要悅穩(wěn)，魏子鑫，廉 永，王 旭

（1.中國冶金地質總局地球物理勘查院，河北保定 071051；2.中國冶金地質總局礦產資源研究院，北京 101300；3.錫林郭勒盟山金白音呼布礦業(yè)有限公司，內蒙古錫林郭勒 026000）

0 引言

隨著勘查方法與計算機技術的快速發(fā)展，礦產資源的勘探方法也不斷發(fā)展，主要表現為由過去的經驗找礦逐漸發(fā)展為當今在先進方法理論與多元信息支持下的綜合找礦（王功文和陳建平，2004；俞嘉嘉等，2021）。當前，以計算機技術為支撐，結合先進找礦理論產生的多元信息找礦技術，已經逐步成為眾多地質工作者的主要工作方式，也提高了找礦效果（陳愛兵等，2011；李天虎等，2012；雷天賜等，2012；王江霞等，2015；刁理品等，2018；何珊等，2018；許強平等，2019；王耀升等，2020）。

地質體及其固有的物化屬性本質上都是具有三維特性的，隨著地下深部探測技術及三維可視化技術日新月異的發(fā)展，產生了基于三維地質建模的理論與實踐應用學科（曹代勇等，2001；程丹等，2007；劉少華等，2010）。與地理信息系統(tǒng)（GIS）技術和建模信息化模型（BIM）技術相比，三維地質建模技術發(fā)展相對較晚。1989 年，Mallet 教授首次提出了基于離散數學的光滑插值方法（DSI）在地質建模領域的應用。1999 年首款地質三維建模與分析軟件GoCAD 問世，其核心算法即采用DSI 技術，該軟件也是目前國際公認技術最先進、應用最廣的三維地質建模軟件（賈新會等，2016）。進入21 世紀，國內少數機構經過不懈的自主研發(fā)積累，也掌握了DSI 插值技術，并針對我國地質工作的現實需要，開發(fā)了一系列本土化的地質三維建模軟件。其中加華地學（武漢）數字技術有限公司自主研發(fā)的CnGIM-ma 軟件是國內首家使用DSI 技術的地質建模軟件，DSI 算法的應用使得該軟件在地質體三維可視化展示、地質體物化特性構建方面具有卓越的表現，進而對分析和研究地質體的特性有積極的意義（賈新會等，2016）。

當前，三維地質建模技術對于傳統(tǒng)二維地質圖件無法準確或正確描述的復雜地質現象研究相對較少，特別是利用地質體化學元素含量構建屬性模型，并利用這種屬性模型進行深部盲礦預測的研究更是稀少。傳統(tǒng)地質建模過程中，將地質體作為均勻體處理，屬性建模則要求在實現地質三維基礎上的計算和分析研究。GoCAD 軟件推出后，首先實現了地質模型對地質體屬性的兼容，與地質體形態(tài)相同，大量的地質體屬性信息也表現出空間分布不規(guī)則性等特點，需要專門的數據處理技術。DSI 理論不僅是幾何建模的核心，也是立方網的稀疏數據空間插值處理的關鍵，可以將少數部位的測試數據推廣到給定的三維空間（地質單元體）內，從而實現地質體的屬性建模。

本次研究首次將構造疊加暈三維建模方法應用于內蒙古東烏珠穆沁旗花腦特礦區(qū)Ⅰ號蝕變帶，該蝕變帶內賦存一處大型銀多金屬礦床。前人研究主要集中在帶內礦床地質特征、成礦流體特征、流體演化等方面，認為該礦床為大型中-低溫熱液脈狀礦床，成礦與區(qū)內正長花崗巖的侵入接觸帶關系密切，成礦物質主要來源于深部巖漿（韓宇達等，2007；陳國峰等，2016）。前人對于侵入接觸帶與Ⅰ號蝕變帶的空間關系及成礦預測研究不足。本次研究以詳實的勘查資料及前人研究成果為基礎，開展了構造疊加暈三維可視化研究建模。通過三維幾何建模，直觀反映巖體侵入接觸面復雜的空間形態(tài)；通過對Ⅰ號蝕變帶中前緣暈、近礦暈元素三維屬性建模，結合構造疊加暈深部盲礦預測理論（李惠等，2011，2013，2014，2020；任良良等，2019），對已知礦體深部進行了盲礦預測，以期為礦床下一步勘查提供參考借鑒。

1 礦區(qū)地質概況

花腦特銀多金屬礦地處內蒙古錫林郭勒盟東烏珠穆沁旗，大地構造位置靠近西伯利亞板塊與華北板塊的縫合帶。區(qū)內為大面積草原，基巖露頭較差。古生界出露有奧陶系、志留系、泥盆系、石炭-二疊系，其中泥盆系最為發(fā)育；中生界出露有侏羅系、白堊系，其中侏羅系較發(fā)育；新生界主要為第四系。該區(qū)先后經歷了從加里東期到燕山期的所有構造活動，形成了NE、NW 向的構造格局。其中花腦特銀多金屬礦床受NW 向構造控制，位于吉林寶力格大隊的南西向背斜北翼（陳國峰等，2016）。

礦區(qū)地形相對平緩，第四系大面積覆蓋，基巖零星出露地表，主要為古生界泥盆系上統(tǒng)安格爾音烏拉組。巖性主要為泥質板巖、粉砂質板巖等，局部有硅化。受北部和西南部巖體活動及區(qū)內主構造的影響，地層產狀多變。

礦區(qū)內構造形跡露頭較少，構造線大體可分為近EW、NE 和NWW 向3 組，主要為斷裂構造，帶內巖石破碎，多伴有硅化、綠泥石化等蝕變。斷裂構造以NWW 向為主，當斷裂有張扭性特征時，易成為控礦容礦構造。

礦區(qū)內共有4 條NWW 向受斷裂構造破碎帶控制的蝕變帶，從北東到南西依次編號為Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅲ（圖1）。本次研究的Ⅰ號蝕變帶是礦區(qū)主成礦帶，蝕變帶具典型的張扭特性，蝕變強烈，被后期成礦熱液、硅質熱液等充填，控制了礦體的展布。成礦以銀為主，共生或伴生有鉛鋅，總體走向300°，傾向NE，傾角57°～78°。

圖1 內蒙古花腦特銀多金屬礦礦床地質圖（據陳國峰等，2016 修改）Fig.1 Geological map of the Huanaote silver polymetallic deposit in Inner Mongolia（modified from Chen et al.，2016）1-安格爾音烏拉組：斑點狀絹云母綠泥石板巖夾變質鈉質晶屑巖屑凝灰?guī)r；2-中細粒斑狀黑云母二長花崗巖；3-中粒黑云母鉀長花崗巖；4-探礦權范圍及拐點編號；5-礦體位置及編號；6-蝕變帶及編號；7-斷裂；8-勘探線及編號1-Angleyinwula Formation：spotted sericite chlorite slate with metamorphic sodium crystal debris tuff；2-medium fine-grained porphyritic biotite adamite；3-medium-grained biotite moyite；4-mining right range and inflection point number；5-orebody location and number；6-alteration zone and number；7-fracture；8-exploration line and number

侵入巖主要出露在礦區(qū)西南部與北部，對應為白音呼布巖體與查干楚魯特巖體，形成時代分別為印支期與海西期。查干楚魯特巖體巖性主要為斑狀黑云二長花崗巖，巖體近橢圓狀，長軸方向近北東，呈巖基狀侵入安格爾音烏拉組（D3a）粉砂質板巖、泥板巖中，侵入接觸帶發(fā)育不同程度的角巖化。白音呼布巖體巖性為主要為正長花崗巖，形狀不規(guī)則，長軸方向近北西，呈巖株狀侵入上述板巖地層中，侵入接觸帶形態(tài)不規(guī)則，差異變化較大（聶風軍等，2004）。

礦體主要位于Ⅰ號蝕變帶中，走向約300°，傾向NE，傾角50°～85°。礦體所在蝕變帶與侵入接觸帶在西側深部大部分同位重疊。其中，賦存于Ⅰ號蝕變帶偏下部的1 號礦體規(guī)模最大；2 號礦體略小，賦存于Ⅰ號蝕變帶偏上部，兩礦體部分位置疊置平行分布。2 條礦體的資源量約占區(qū)內已發(fā)現資源總量的85%，其它礦體規(guī)模均較小。

2 三維地質模型的構建

2.1 建模數據及流程

礦區(qū)面積約4 km2，模型底板標高設計為-150 m，建模資料主要有：鉆孔柱狀圖104 幅、勘探線剖面圖23 幅、中段平面圖7 幅、地形地質圖等，此外還有坑道、鉆孔中采樣信息等。各地質圖導入CnGIM-ma 軟件前統(tǒng)一比例尺，并進行幾何校正來消除二維圖形錯誤和誤差，模型構建步驟見圖2。

圖2 地質建模流程圖Fig.2 Flow chart of geological modeling

2.2 地形面的構建

基于研究區(qū)1∶1000 地形圖，利用MAPGIS 或AutoCAD 軟件矢量化等高線并賦予高程屬性，轉為*.dxf 格式導入CnGIM-ma 中，通過地質面建模流程，選擇已知高程點作為“精確約束”條件，等高線為“模糊約束”條件，生成地表地形面；再根據需要導入地質圖紋理、標志物等信息，并投影到建好的地形面上，得到賦有地質屬性的地形面，圖3a所示。

圖3 花腦特礦區(qū)三維地質模型圖Fig.3 Three-dimensional geological models of the Huanaote mining areaa-花腦特礦區(qū)Ⅰ號蝕變帶地形面；b-花腦特礦區(qū)Ⅰ號蝕變帶各主要地質界面；c-蝕變帶與侵入巖體；d-蝕變帶與板巖地層；1-地形面；2-蝕變帶底板；3-蝕變帶頂板；4-巖體侵入接觸界面；5-斷層；6-蝕變帶；7-板巖；8-侵入巖體a-topographic surface of alteration zone No.I in Huanaote mining area；b-major geological interfaces of alteration zone No.I in Huanaote mining area；calteration zone and intrusive rock body；d-alteration zone and slate strata；1-terrain surface；2-bottom floor of alteration zone；3-alteration zone roof；4-contact interface of rock mass intrusion；5-fault；6-alteration zone；7-slate；8-intrusive rock mass

2.3 地質界面的構建

地質界面主要有地層界面、破碎蝕變帶界面、斷層面等。建模過程大致分為6步：（1）導入勘探數據；（2）導入或定義模型范圍；（3）創(chuàng)建模型；（4）檢驗與修正；（5）物探解譯資料校正；（6）優(yōu)化與輸出。

各地質面創(chuàng)建完成后，根據巖體侵入新老地層的交切關系，用后建層位對先建層位進行切割，刪除多余部分，便得到所需的目標地質界面，依此重復操作，最終得到各地質單元的面模型，圖3b所示。

2.4 三維地質面模型的封閉成體

根據實際條件確定建模范圍，制作建模邊界立方網，再與所建各地質體界面組合（呈交切關系），使用“單一封閉成體”功能，交切界面相互進行裁剪，形成各自封閉的地質體。本案例中，共形成了第四系覆蓋層、蝕變帶、蝕變帶上盤斷層東板巖、蝕變帶上盤斷層東花崗巖等11個封閉單元。

蝕變帶中的礦體，在導入各地質界線時，可隨勘探線剖面一并將礦體邊界線導入三維空間中，利用“多個線創(chuàng)建面”命令來構建三維礦體。

實體模型旨在顯示構建三維空間的地質體結構（如地層界線、斷層、侵入接觸面等），即幾何模型（Lemon and Jones，2003；劉修國等，2006；張寶一等，2007）。各地質體幾何建模全部完成后，可以對單個封閉地質單元進行三維展示，也可以同時顯示多個單元體（圖3c、3d）。

3 構造疊加暈三維模型的構建

構造疊加暈三維建模就是具有元素含量屬性的三維建模，也叫三維屬性建模。實際應用中最常見的是利用物探、化探成果數值進行空間數據插值，將計算得到的等值面獲得地質體的三維形態(tài)。特點是數據的合理性主要取決于內部的數據插值算法，對復雜的各向異性變化顯示效果較差，如建模數據規(guī)則完整，則可生成完美的屬性模型。

在完成幾何建模后，地質界面組合往往勾畫出了地質單元的幾何形態(tài)，地質單元體固有的特征和變化性則需要利用“充填”在該單元體內部的網格所攜帶的數據值表達，實現“形”（幾何形態(tài)）、“魂”（地質體屬性）兼具的目標，即為三維屬性模型（吳立新等，2007；陳建平等，2011；Caumon et al.，2013；Hayward et al.，2013；黃岸爍，2021）?！靶巍焙汀盎辍笔堑刭|體固有的兩種屬性，CnGIM-ma基于DSI理論的三維地質建模與分析系統(tǒng)能很好地實現對地質體“形”、“魂”的交互與融合。

3.1 屬性建模數據

本次在花腦特礦區(qū)巖礦石樣品采集來源包括：地表、鉆孔和坑道。將獲得的樣品號、三維坐標、樣品各元素分析結果一一對應，并導入三維空間中，得到帶有元素含量屬性功能的采樣點三維空間點位圖。

一般屬性建模與幾何建模的空間范圍相同。本次采樣主要集中在Ⅰ號蝕變帶內，屬性建模時利用Ⅰ號蝕變帶的頂底板，分別對建模范圍進行分區(qū)，得到三個子區(qū)，即蝕變帶區(qū)、蝕變帶頂板區(qū)、蝕變帶底板區(qū)。將帶屬性的采樣點元素含量按元素分別賦值給蝕變帶區(qū)。賦值過程采用DSI離散光滑差值算法，得到單元素的三維異常形態(tài)（圖4a、4b）。

圖4 花腦特礦區(qū)構造疊加暈三維異常圖Fig.4 Three-dimensional anomaly diagrams of structural superposition halos in the Huanaote mining areaa-Hg元素三維異常圖；b-Ag元素三維異常圖；c-前緣暈元素三維異常圖；d-近礦暈元素三維異常圖a-three-dimensional anomaly of Hg element；b-three-dimensional anomaly of Ag element；c-three-dimensional anomaly of leading edge halo elements；d-three-dimensional anomaly map of near-ore halo elements

3.2 綜合異常三維展示

通過上述步驟得到的三維異常體，為單元素異常。異常元素的分帶參數使用構造疊加暈特有的分帶方法（李惠等，2011，2014，2015，2020，2021）。

在實際應用中，構造疊加暈通常用綜合異常來顯示，本案例中的前緣暈元素為Hg、B、Sb、As，如何將四個元素形成一個綜合指標來判斷礦體的前緣暈強弱，是一個復雜的過程。首先不同元素的含量差別巨大，一般存在2～3個數量級的差別，比如同樣為前緣暈元素，As含量最高為142556×10-6，最低為18.9×10-6，平均為14274×10-6；B 含量最高為150×10-6，最低為0.84×10-6，平均為38.37×10-6；而Hg的含量比它們低三個數量級；其次不同礦山中，前緣暈元素對礦體的指示意義差別巨大，指示意義強弱不同，在綜合指標中所占權重也不同。比如本項目中，Hg元素對礦體的指示效果最好（礦體的中上部，Hg表現出較好的異常，應該賦予較大權值）。

針對上述問題，通過對多種化探數據“標準化”方法的對比，最后采用“分帶賦值法”，即：先將4 個前緣暈元素根據構造疊加暈分帶方法，分為內、中、外3 個分帶（表1），分別賦值3、2、1。再根據各元素指示意義強弱，將賦值乘以對應的權重系數，本案例中各前緣暈元素對應的權重系數為：Hg-0.6、B-0.2、Sb-0.1、As-0.1。再將各個元素最后的值相加，得到前緣暈的綜合屬性指標（表2）。最后，將該綜合指標導入三維空間中，對蝕變帶區(qū)域賦值，得到前緣暈綜合異常模型（圖4c）。類似的方法，也可得到近礦暈綜合異常模型（圖4d）。

表1 花腦特礦區(qū)Hg、B、Sb、As分帶標準Table 1 Banding standard of Hg，B，Sb and As elements in the Huanaote mining area

表2 花腦特礦區(qū)前緣暈元素分帶賦值計算表Table 2 Assignment calculation of halo elements in the Huanaote mining area

4 三維模型的應用

花腦特礦區(qū)主礦體位于Ⅰ號蝕變帶77～47勘探線間，靠近巖體一側，呈大脈狀產出，走向穩(wěn)定，長約1200 m，傾向延伸754 m，礦頭埋深317 m。礦體賦存標高為658～22 m。礦體在標高300～350 m處最為厚大，達十幾米，平均厚度為5.15 m。Ag 最高品位達2450×10-6，平均品位154×10-6。三維模型中礦體形態(tài)主要根據勘探線剖面圖中礦體圈連而成，故上述特征與三維模型中礦體的空間展布及形態(tài)吻合較好，且與屬性建模中主成礦元素Ag的異常中心對應也較好，從圖4b 中可以看出，Ag 元素高值區(qū)對應標高為：550～200 m。

4.1 三維地質模型的應用

4.1.1 侵入接觸界線的確定

Ⅰ號蝕變帶西部的礦體與巖體侵入接觸帶關系密切，礦體品位高、厚度大的部位主要集中在侵入接觸帶靠巖體一側，接觸帶上盤為二長花崗巖，下盤為板巖。從55 線到37 線，侵入接觸界面的上部逐漸與Ⅰ號蝕變帶分離，由北東傾變?yōu)橄蚰蠔|傾，且板巖與巖體的位置也出現了反轉。37 線往東（37 線無鉆孔控制），鉆孔揭露的巖體與地層接觸界面變得完全不同，接觸界面依然北東傾，但傾角變得平緩，巖體位于下盤，板巖位于上盤。

將各地質界面在三維圖中展示后可以直觀看出，侵入接觸界面在37 線附近發(fā)現了突變，突變使得兩側侵入接觸面不連續(xù)。推測在37 線附近存在隱伏斷層，二次解譯該位置激電中梯掃面成果，進一步證實了斷層的存在（圖3a，紅色位置為斷層）。

研究認為，厚大礦體主要圍繞巖體與地層的接觸帶尋找，三維建模后可更直觀表達侵入接觸界面與Ⅰ號蝕變帶的空間關系，為礦山尋找有利成礦空間提供了直接依據。

4.1.2 “波形擬合”的應用

Ⅰ號蝕變帶的300～350 m 標高，礦體品位高厚度大。在200 m 以下區(qū)域，有鉆孔稀疏控制，雖局部見有高品位樣品，但礦體變的極薄，甚至不滿足最小開采厚度要求。

在多條鉆孔剖面圖上顯示，巖體侵入地層，接觸界面較緩的位置，礦體厚大，界面變陡，礦體變薄。通過三維地質建模，發(fā)現在57 線～51 線之間的200～0m 標高，侵入接觸界面向巖體一側凸起，界面變陡，推測此處成礦較差，0 m 標高以下，侵入接觸界面有變緩趨勢，推測這些位置為有利的成礦部位。根據“控礦斷裂模擬找礦預測系統(tǒng)（波形擬合）”理論（白萬成等，2011），首先，確定控制礦體的標志性地質界面，其次，明確界面的陡緩變化與成礦之間的關系，再通過三維地質建模，將該標志性地質界面擬合成型，最后在三維空間上尋找有利成礦部位。

綜上所述，通過Ⅰ號蝕變帶和巖體侵入接觸帶來確定有利成礦空間；再通過“控礦斷裂模擬找礦預測系統(tǒng)”在有利成礦空間中找出相對更有利的成礦部位；最后根據“構造疊加暈盲礦預測準則（李惠等，2013，2016，2021）”來確定有利成礦部位是否有礦。

4.2 構造疊加暈三維模型的應用

花腦特礦區(qū)礦體的深部預測中Hg、B、Sb、As 是銀多金屬礦的前緣暈元素，Ag、Pb、Zn、Cu、In、Au 是銀多金屬礦體的近礦暈元素。

花腦特Ⅰ號蝕變帶中各前緣暈元素對下部礦體的指示意義明顯，尤其是Hg元素。根據前緣暈強準則（李惠等，2011，2013），當上部前緣暈出現中內帶異常，并伴有Ag、Pb、Zn 等近礦暈異常時，下部即有可能成礦。下部礦體的埋深和規(guī)模，可根據上部已知礦體的無礦間隔和規(guī)模確定，同時參考成礦區(qū)帶上臨近礦體的特征。

根據花腦特Ⅰ號蝕變帶的前緣暈、近礦暈三維綜合異常，在已知礦體的深部，確定了兩個有利成礦靶位（圖5c、5d）。

圖5 花腦特礦區(qū)三維模型的應用Fig.5 Application of three-dimensional models in the Huanaote mining areaa-花腦特礦區(qū)Ⅰ號蝕變帶斷層及兩側侵入接觸界線；b-侵入接觸界面的陡緩變化示意圖；c-前緣暈綜合異常靶位圖；d-近礦暈綜合異常靶位圖a-intrusive contact boundary along the fault and both sides in No.I alteration zone of Huanaote；b-sketch showing abrupt and gentle changes of intrusive contact interface；c-comprehensive anomaly target of leading edge halo；d-comprehensive anomaly target of near-ore halo

5 結論

（1）三維地質建模不僅能直觀展示地質體的三維形態(tài)，還能解決傳統(tǒng)二維圖件研究無法解決的問題。通過三維地質建模過程的分析和研究，推測在37 勘探線附近存在隱伏斷層，通過建模直觀展示了斷層兩側侵入接觸界面的展布特征；通過對比研究三維地質模型中侵入接觸界面陡緩變化與礦體規(guī)模變化的關系，發(fā)現礦體賦存規(guī)律，可有效指導深部找礦工作，確定有利成礦部位。

（2）將地質體化學元素屬性建模與構造疊加暈深部盲礦預測技術相結合，能很好地確定深部有利成礦部位是否有礦，從而預測深部盲礦靶區(qū)。

（3）根據Ⅰ號蝕變帶和巖體侵入界面的關系，尋找有利成礦空間；再通過“控礦斷裂模擬找礦預測系統(tǒng)”理論在有利成礦空間中確定有利成礦部位；最后根據構造疊加暈深部盲礦判定準則，將有利成礦部位升級為成礦靶位。經過上述過程，在Ⅰ號蝕變帶已知礦體的下部，共預測了2個有利成礦靶區(qū)。

（4）本研究中，對于利用離散光滑插值算法來構建地質體化學元素的屬性模型，缺乏與其他三維地質建模算法的對比研究，比如克里格法、三棱柱法等。另在屬性建模中，未充分考慮化探元素暈的側伏規(guī)律，對是否可以通過增加邊界約束條件，更真實地顯示元素暈的異常，需進一步研究；最后，對于前緣暈、近礦暈元素的綜合量化表達，如何通過更先進的化探數據標準化過程，使綜合異常表達更加準確，這些都有待進一步研究。