孫 岳，王功文，方同輝，馮 源，王新宇

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083;2中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081;3.有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，北京 100012)

1 前言

傳統(tǒng)地質(zhì)圖和剖面圖由于維數(shù)的限制而不易理解地質(zhì)體間的褶皺、斷層、不整合等相互關(guān)系，信息比較零散，需要一定的地質(zhì)基礎(chǔ)并結(jié)合相關(guān)資料才能把握局部空間相關(guān)性;三維地質(zhì)模型(Houlding，1994)融合了多種信息，彌補(bǔ)了二維圖件的缺陷，可以很清晰的反應(yīng)地下的地質(zhì)構(gòu)造和復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象，并能夠旋轉(zhuǎn)、剖切(Kostic et al，2007;Smirnoff et al，2008)、透視(Caumon et al，2009)和查詢(Sprague et al，2006)各地質(zhì)對(duì)象，模型可因新的資料而隨時(shí)更新和完善，并能準(zhǔn)確模擬各種地質(zhì)現(xiàn)象和過(guò)程、計(jì)算礦產(chǎn)資源量。三維建模技術(shù)在國(guó)外發(fā)展比較成熟，相應(yīng)的軟件主要有 Gocad、3D GeoModeller、Micromine、MineSight，地質(zhì)模型的研究既有由單一的地震數(shù)據(jù)(Susini et al，2009;Ruzek et al，2011)，也有由多種數(shù)據(jù)相互約束來(lái)創(chuàng)建(Schmidt et al，1999;Galera et al，2003;Calcagno et al，2008;Bistacchi et al，2008;Zanchi et al，2009;Gallerini et al，2009;Benaize et al，2010)，應(yīng)用的領(lǐng)域主要為礦山勘探、巖土工程等。國(guó)內(nèi)雖然起步晚，但也對(duì)三維建模技術(shù)進(jìn)行了研究和探討(侯景儒，1997;曹代勇等，2001;吳立新等，2005;潘懋等，2007;向中林等，2008;楊曉坤等，2008;丁建華等，2009;管樹(shù)巍等，2010;Wang et al.，2011)，提出了一些數(shù)據(jù)模型，研制或二次開(kāi)發(fā)了一些三維軟件系統(tǒng)。

本文所建三維地質(zhì)模型是在Gocad軟件平臺(tái)上完成的。該軟件是一個(gè)能夠模擬真實(shí)復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象的三維建模軟件，集成了離散光滑插值(DSI)算法(Mallet，1992;1997)和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)(孫洪泉，1990)方法，如普通克里格、指示克里格、協(xié)同克里格等。DSI算法利用各種約束創(chuàng)建平滑的線面來(lái)模擬地質(zhì)體，是Gocad結(jié)構(gòu)建模的核心算法，點(diǎn)線面對(duì)象的生成都經(jīng)過(guò)DSI算法的處理;地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法能夠快速對(duì)柵格模型賦予屬性并計(jì)算地質(zhì)體面積、體積及礦體資源量。Gocad軟件提供了Sgrid柵格模型，該模型將地質(zhì)對(duì)象分割成不同尺度的單元格，每一個(gè)單元格都包含巖性、蝕變、鉆孔、地球物理、地球化學(xué)等某一或多種屬性，因此，集成數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)模型對(duì)于礦產(chǎn)勘查具有重要的意義。本文以新疆紅海VMS礦床為例介紹了研究區(qū)DEM、鉆孔數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和加載，地表、地層界面、斷層面的建立方法，柵格模型的創(chuàng)建和Cu品位的插值，在此基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)黃土坡塊段Cu資源量并預(yù)測(cè)一個(gè)新的成礦靶區(qū)。

2 三維地質(zhì)建模的方法

三維模型的創(chuàng)建依賴(lài)各種數(shù)據(jù)的分布和離散程度、工程密集程度以及研究區(qū)的尺度，數(shù)據(jù)主要包括遙感影像、地質(zhì)圖和剖面圖、地球物理、地球化學(xué)、地震數(shù)據(jù)和鉆孔數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)在建模過(guò)程中約束和影響最后模型的準(zhǔn)確性，例如鉆孔密集的地區(qū)能夠精確控制地層、巖體等地質(zhì)要素，約束地震等其他間接觀測(cè)數(shù)據(jù)。本文所建三維地質(zhì)模型是在礦床尺度下，主要收集和利用的數(shù)據(jù)有以下四類(lèi)(表1)，三維建模流程示意如圖1。

表1 三維地質(zhì)建模準(zhǔn)備的幾類(lèi)數(shù)據(jù)Table1 Several available data for 3D geological model construction

圖1 三維地質(zhì)建?；玖鞒蘁ig.1 Flowchart showing 3D geological modeling

三維地質(zhì)建模和預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)的主要方法步驟:(1)數(shù)據(jù)處理。校正坐標(biāo)參數(shù)系統(tǒng)，數(shù)字化地形地質(zhì)圖、實(shí)測(cè)剖面圖，利用GIS軟件，提取等高線、地質(zhì)界線、斷層等，賦值等高線;建立鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)，包括鉆孔位置、路徑、Cu品位信息;解譯地球物理剖面。(2)數(shù)據(jù)導(dǎo)入。將高程數(shù)據(jù)導(dǎo)入Gocad創(chuàng)建地形表面;融合地質(zhì)界線、斷層到三維地形面上;導(dǎo)入矢量化的地質(zhì)剖面(.dxf格式);加載鉆孔數(shù)據(jù)。(3)模型創(chuàng)建。利用地層斷層的產(chǎn)狀插值出地表以下的地質(zhì)界面;利用地質(zhì)剖面、地球物理剖面及鉆孔修改完善地質(zhì)界面;建立三維結(jié)構(gòu)模型和柵格模型。(4)屬性插值。利用地質(zhì)界面將柵格模型分割成不同的區(qū)域，代表不同的地質(zhì)體;利用鉆孔化驗(yàn)數(shù)據(jù)(Cu)和空間數(shù)據(jù)分析功能建立變差函數(shù)，普通克里金法插值出無(wú)鉆孔控制區(qū)的Cu品位，使得每個(gè)地質(zhì)體柵格單元具有Cu品位屬性;各區(qū)域賦予不同巖性特征并根據(jù)地質(zhì)體間的接觸關(guān)系，進(jìn)行區(qū)域間的邏輯運(yùn)算(交、并、緩沖等)。(5)成礦預(yù)測(cè)。三維成礦預(yù)測(cè)增加了深度尺度，能夠?qū)θΧǖ陌袇^(qū)定位和定量，但目前尚無(wú)成熟的方法，本文主要利用多源信息的集成，根據(jù)VMS礦床成礦環(huán)境，結(jié)合成礦規(guī)律和成礦控制因素，初步預(yù)測(cè)礦體外圍及深部無(wú)工程控制區(qū)的成礦有利部位。

3 研究區(qū)地質(zhì)背景

紅海VMS礦床位于卡拉塔格銅金(鋅)成礦帶的東段，處于吐哈盆地南緣，東天山東段，低山丘陵地貌景觀，地表海拔490～620m(方同輝等，2002;毛啟貴等，2010)。卡拉塔格褶皺及斷裂構(gòu)造發(fā)育，構(gòu)造形式以褶皺為主，斷裂多為褶皺伴生產(chǎn)物，空間上北西向?yàn)橹鳂?gòu)造線方向，控制卡拉塔格早古生代島弧裂隙式火山噴溢活動(dòng)及礦化帶的展布(圖2①)。研究區(qū)為一套奧陶－志留系基性－中性－酸性火山巖，巖石組合為玄武巖、安山巖、英安巖、流紋巖，以噴溢相為主，裂隙式噴發(fā)為主要形式②。紅海礦區(qū)地表分布有含角礫凝灰質(zhì)熔巖、具有韻律層理的凝灰質(zhì)砂巖、英安質(zhì)角礫熔巖、凝灰?guī)r等，主礦體埋藏深度大于300m，為隱伏的平臥塊狀硫化物礦體(圖3)。礦區(qū)銅鋅礦化除了受火山巖層控性特征比較明顯外，還受北北西向斷裂－成礦熱液通道控制。紅海銅鋅主礦體為致密塊狀硫化物型銅鋅礦體和稠密浸染狀銅礦體，賦存于沉凝灰?guī)r與英安巖的接觸部位，與地層整合。礦體上盤(pán)近礦圍巖主要為含角礫凝灰質(zhì)熔巖、黃鐵礦化沉凝灰?guī)r、安山巖、英安巖、英安斑巖，礦體下盤(pán)近礦圍巖主要為沉凝灰?guī)r和黃鐵礦化沉凝灰?guī)r。

4 研究區(qū)模型創(chuàng)建

4.1 結(jié)構(gòu)模型

三維結(jié)構(gòu)模型是由各地質(zhì)體和若干地質(zhì)界面組成，如地層界面、不整合面、斷層面等，每個(gè)界面代表了地層接觸關(guān)系、巖體侵入和構(gòu)造事件，因此，結(jié)構(gòu)模型能夠?qū)⒀芯繀^(qū)地質(zhì)概況主體形態(tài)特征模擬出來(lái)。利用GIS軟件從DEM影像上裁剪出新疆紅海研究區(qū)的范圍(E91°55'40″～ E91°57'59″，N42°34'52″～N42°36'56″)，提取研究區(qū)影像的高程線，高程間距10m，將具有高程屬性和正確坐標(biāo)系統(tǒng)的等高線導(dǎo)入Gocad平臺(tái)，轉(zhuǎn)化為高程點(diǎn)作為約束點(diǎn)生成地形表面(圖4(a)，白色為抽稀的等高線)。將矢量化的地質(zhì)界線、斷層加載到Gocad軟件中(圖4(b)，A、B垂向均放大3倍)，投影到地形表面并切割地形面，形成三維地形地質(zhì)圖。斷層面的生成借助傾向和傾角，運(yùn)行curves and expansion vector命令;巖體及火山巖地層界面的生成主要參照地質(zhì)剖面和地球物理剖面，利用這些剖面作為約束條件，用合適的三角網(wǎng)擬合形成曲面模型，結(jié)合鉆孔巖心的驗(yàn)證，對(duì)于不滿意的局部區(qū)域，再進(jìn)行編輯分割、優(yōu)化三角形，插值形成平滑曲面。由于研究區(qū)火山巖較復(fù)雜，圖4結(jié)構(gòu)模型只顯示了研究區(qū)上部英安質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r夾凝灰角礫巖、熔巖和下部沉凝灰?guī)r、角礫凝灰?guī)r的界面，界面由剖面約束生成(圖4(c))。導(dǎo)入鉆孔數(shù)據(jù)，建立鉆孔模型，利用巖心數(shù)據(jù)標(biāo)記出鉆孔孔徑上的礦段，參照固體礦產(chǎn)Cu勘查規(guī)范圈定出紅海－黃土坡地區(qū)的層狀礦體(圖4(d))。

圖2 卡拉塔格地區(qū)構(gòu)造綱要圖(據(jù)新疆維吾爾自治區(qū)地調(diào)院，1988修改)Fig.2 Geological map showing tectonics of the Kalatage region(modified from Geological Survey Institute of the Xinjiang Uygur Autonomous Region，1988)

圖3 新疆紅海銅鋅礦區(qū)綜合地質(zhì)圖(據(jù)新疆鑫匯地質(zhì)礦業(yè)有限責(zé)任公司修編，2009)Fig.3 Comprehensive geological map of the Honghai copper and zinc deposit in Xinjiang(modified from Xinjiang Xinhui Mining Company Ltd.，2009)

4.2 柵格模型

利用地形表面和高程為0m的水平面作為底面生成柵格模型，面積為3.2km×3.8km，柵格單元大小為16m×14m×1m，總計(jì)單元格為5200000個(gè)，包含13個(gè)巖性界面，5個(gè)斷層面和14個(gè)主要地質(zhì)體。三維柵格模型的生成是在結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)各地質(zhì)體的形態(tài)產(chǎn)狀厚度以及地下延伸情況，建立各地質(zhì)體間的地質(zhì)界面來(lái)劃分柵格。例如侵入巖與火山巖間的界面要考慮到后期侵入巖對(duì)火山巖侵蝕作用，界面形態(tài)依賴(lài)侵入巖外形并穿插其他相鄰火山巖界面。利用地質(zhì)體的界面將柵格模型分割成不同的面域(regions)，對(duì)不同的面域賦予不同的巖性等屬性，面域之間可以進(jìn)行相交、相減、合并、緩沖等邏輯運(yùn)算，并計(jì)算各面域面積、體積和柵格多少，圖5(a)為研究區(qū)礦體等各地質(zhì)體三維柵格模型，地表英安巖、英安斑巖未顯示。儲(chǔ)量的計(jì)算利用空間數(shù)據(jù)分析模塊，加載黃土坡地區(qū)鉆孔數(shù)據(jù)和Cu品位數(shù)據(jù)，多項(xiàng)擬合得出變差函數(shù)參數(shù):塊金常數(shù)為0，基臺(tái)值0.0272351，變程0.0293114。普通克里格法插值出黃土坡I礦段礦體 Cu的品位模型(圖5(b))，算得 Cu平均品位 0.71%，礦體體積為6740790m3，礦 石 體 重 為 3.72t/m3，金 屬 量178037.75t;與傳統(tǒng)幾何塊段法計(jì)算出的黃土坡礦區(qū)I礦段Cu金屬量相差2.706%。地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)算出的平均品位是由已知塊段根據(jù)變差函數(shù)插值未知塊段后加權(quán)平均所求得，再算出礦體體積求得資源量。可能的誤差主要是數(shù)據(jù)的稀少與不足，導(dǎo)致變差函數(shù)的選擇、礦體的圈定和柵格大小的選擇出現(xiàn)偏差，但三維模型計(jì)算的金屬量具有一定的參考價(jià)值，誤差也會(huì)因數(shù)據(jù)的豐富和方法的改善而不斷減小。

圖4 研究區(qū)三維結(jié)構(gòu)模型建立過(guò)程Fig.4 Process of 3D structural modeling in the study area

紅海研究區(qū)VMS型礦床與海相火山沉積巖有關(guān)(毛啟貴等，2010)，礦體與火山巖地層產(chǎn)狀大體一致，主要產(chǎn)于上部陸相火山－火山碎屑巖(英安質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r夾凝灰角礫巖、熔巖)與下盤(pán)海相火山碎屑巖(沉凝灰?guī)r、角礫凝灰?guī)r)之間，同時(shí)受火山機(jī)構(gòu)和斷裂的控制，在地形上產(chǎn)于火山洼地，與后期次火山巖和侵入體也有一定關(guān)聯(lián)。從模型中看，紅海外圍具有隱伏礦的有利條件，結(jié)合成礦規(guī)律和成礦控制因素，初步預(yù)測(cè)在紅海南部侵入體附近斷裂處300m以下(上部陸相火山－火山碎屑巖厚約300m)有一隱伏礦體。

圖5 (a)研究區(qū)大比例尺巖性三維柵格模型，(b)黃土坡礦區(qū)I礦段礦體品位模型Fig.5 Three-dimensional distribution of lithofacies associations with the large scale grid model of study area(a)and grade model of I orebody in the Huangtupo ore district(b)

5 結(jié)論與討論

三維可視化技術(shù)集成不同的數(shù)據(jù)源，建立真實(shí)可靠的地質(zhì)模型，不僅能夠隨意顯示、旋轉(zhuǎn)、剖切地質(zhì)對(duì)象，而且能夠?qū)Φ刭|(zhì)體進(jìn)行邏輯運(yùn)算和信息查詢。三維柵格模型中的面域?qū)傩园?jié)點(diǎn)、柵格單元信息，對(duì)柵格數(shù)據(jù)分析處理能夠計(jì)算資源量，指導(dǎo)圈定新的找礦靶區(qū)，并且所建的三維模型能夠加載新的數(shù)據(jù)而隨時(shí)修改和更新。模型可以通過(guò)不同的文件格式實(shí)現(xiàn)信息共享，減少建模時(shí)間，不同數(shù)據(jù)的融合和數(shù)據(jù)的密集程度可以降低建模過(guò)程的不確定性，使模型更完善更真實(shí)。本文以新疆紅海地區(qū)VMS型礦床為例，在Gocad平臺(tái)上構(gòu)建了三維結(jié)構(gòu)模型和柵格模型，討論了建模需要的數(shù)據(jù)、方法、流程及模型在資源評(píng)價(jià)方面的應(yīng)用。

三維地質(zhì)模型在一定程度上反應(yīng)了研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征，但在建模過(guò)程中認(rèn)識(shí)到一些問(wèn)題，包括以下三個(gè)方面:(1)數(shù)據(jù)的多少。如果數(shù)據(jù)稀疏而又不完整，對(duì)于模型的創(chuàng)建和插值意義不大，只能簡(jiǎn)單示意而不能表達(dá)復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)意義。(2)插值的方法。結(jié)構(gòu)模型和屬性模型都是通過(guò)插值的方法建立起來(lái)，尤其是屬性模型，變差函數(shù)的選擇和不同的插值會(huì)影響模型的屬性特征。(3)約束的選擇。模型的細(xì)節(jié)也會(huì)因不同的數(shù)據(jù)約束和個(gè)人的主觀理解而有所差異。這些問(wèn)題導(dǎo)致三維建模的局限，歸根是控制或約束數(shù)據(jù)的缺少，預(yù)測(cè)的結(jié)果有待地震數(shù)據(jù)或鉆孔的進(jìn)一步驗(yàn)證。

［注釋?zhuān)?/p>

① 有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心.2010.新疆哈密市紅海一帶銅鋅多金屬礦調(diào)查評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.

② 新疆維吾爾自治區(qū)地礦局.1988.新疆康古爾塔格1∶20萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告［R］.

③ 新疆西拓礦業(yè)有限公司.2010.新疆哈密市黃土坡礦區(qū)Ⅰ礦段銅鋅礦采礦權(quán)評(píng)估報(bào)告［R］.

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