三維建模技術(shù)在湖南花垣鉛鋅找礦中的應(yīng)用

,，

(1．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院， 北京 100083； 2．中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037； 3.中化地質(zhì)礦山總局湖南地質(zhì)勘查院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

0 引 言

湖南湘西北鉛鋅礦為大型層控?zé)嵋盒偷V床，產(chǎn)于寒武系下統(tǒng)清虛洞組中段的藻礁灰?guī)r地層中(劉文均等，2000；羅衛(wèi)等，2009；周云等，2011)?？氐V要素主要包括地層、巖相和構(gòu)造，需要對(duì)各類控礦要素進(jìn)行綜合分析(鐘九思等，2007)。使用中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所自主研發(fā)的“探礦者”(Minexplorer)軟件(肖克炎等，2010；范建福等，2012)，對(duì)區(qū)內(nèi)李梅礦區(qū)的地質(zhì)分析及三維建模研究，得到花垣地區(qū)鉛鋅找礦的思路，進(jìn)而建立區(qū)域三維模型來(lái)指導(dǎo)區(qū)域尺度上的三維找礦工作。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于湘西花垣地區(qū)，地跨上揚(yáng)子地塊和江南地塊2個(gè)二級(jí)大地構(gòu)造單元，在地層和沉積建造上是一個(gè)在揚(yáng)子旋回基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的長(zhǎng)期沉降單元。自震旦紀(jì)以來(lái)，地臺(tái)型蓋層發(fā)育較全，下古生界沉積厚度達(dá)到4 000余m，其中碳酸鹽巖厚達(dá)1 800余m(孫玉嫻等，1985；陳明輝等，2011)。區(qū)內(nèi)深大斷裂構(gòu)造帶呈NE—NNE向展布，發(fā)育有與之近似垂直的次級(jí)斷裂帶。它們具有長(zhǎng)期繼承、多期活動(dòng)的特征，是控制巖相、巖性、褶皺和導(dǎo)礦、容礦構(gòu)造的主導(dǎo)因素。沿?cái)嗔褞r石以硅化、方解石化蝕變?yōu)橹?，伴有白云石化、重晶石化、瀝青化。鉛鋅礦主要賦存在下寒武統(tǒng)清虛洞組碳酸鹽巖的中部藻灰?guī)r中，含礦層厚度約為100～300 m，為碳酸鹽巖臺(tái)地邊緣淺灘-生物礁相(付勝云，2011)。已知礦點(diǎn)主要分布于摩天嶺背斜西翼，包括李梅、漁塘等礦區(qū)。礦體多數(shù)在平緩背斜的近軸部，產(chǎn)狀平緩(圖1)。

圖1 花垣地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖

2 礦區(qū)三維地質(zhì)建模

2.1 三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)

將收集到的礦區(qū)地質(zhì)資料進(jìn)行整理，包括礦區(qū)地質(zhì)圖、地形圖、鉆孔原始編錄信息、鉆孔柱狀圖、勘探剖面圖、工程分布圖等。通過(guò)適當(dāng)?shù)氖噶炕?、格式轉(zhuǎn)換等工作，建立李梅礦區(qū)的空間三維數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理，如數(shù)據(jù)錄入、查詢、編輯、分析等。礦區(qū)三維建模主要依據(jù)鉆孔信息來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)礦區(qū)隱伏地質(zhì)情況的控制，對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)的編錄和表達(dá)顯得至關(guān)重要。在Minexplorer軟件中，鉆孔信息主要通過(guò)鉆孔位置表、鉆孔形態(tài)表、鉆孔采樣信息表來(lái)具體描述，再將表格信息轉(zhuǎn)換為特定格式的鉆孔文件。李梅礦區(qū)參與建模的鉆孔共419個(gè)，分布于70余條勘探線上(圖2)。在空間三維數(shù)據(jù)庫(kù)中可實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)鉆孔巖性信息的展示和查詢，錄入數(shù)據(jù)之后，需要在三維空間中對(duì)每個(gè)鉆孔進(jìn)行核對(duì)，保證其位置、形態(tài)、巖性信息準(zhǔn)確無(wú)誤。

圖2 李梅礦區(qū)鉆孔分布圖

2.2 礦體三維模型

利用生成的鉆孔文件，在樣品中鉛鋅品位值的基礎(chǔ)上，以礦體空間分布規(guī)律、控礦要素為主導(dǎo)因素，根據(jù)礦體的產(chǎn)出位置、三維空間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行礦體圈定。

首先進(jìn)行剖面定義，將鉆孔投影在XY平面上，按照一定的勘探線間距和勘探線方向來(lái)確定勘探線。在李梅礦區(qū)，勘探線間距為100 m。在建立礦體三維模型過(guò)程中，圈定礦體選定的鋅邊界品位是0.7%，最低可采厚度1.8 m，夾石剔除厚度為2.0 m，進(jìn)行單工程圈定。剖面上礦體主要分為相鄰工程礦體連接、礦體內(nèi)部夾石連接和不同品級(jí)礦石界線的連接等步驟，單品級(jí)礦石，平推至相鄰工程間距的1/2處。通過(guò)李梅礦區(qū)的三維地質(zhì)模型可以明顯看出，礦體具有多層性，主要呈層狀、似層狀產(chǎn)出，局部有分枝、復(fù)合、尖滅等現(xiàn)象(圖3)。

圖3 李梅礦區(qū)礦體三維地質(zhì)模型

2.3 礦區(qū)地層三維模擬

礦區(qū)地層三維模型的建立主要根據(jù)鉆孔上每個(gè)地層的巖性特征，對(duì)相鄰?fù)坏貙舆M(jìn)行空間連接。對(duì)于復(fù)雜地層應(yīng)根據(jù)勘探線剖面圖、地質(zhì)專家意見(jiàn)等，進(jìn)行交互操作，完成地層模型的創(chuàng)建(圖4)。

圖4 李梅礦區(qū)地層(清虛洞組)三維地質(zhì)模型

根據(jù)三維地層模型可以看出，李梅礦區(qū)含礦地層產(chǎn)狀近水平，層控特征明顯，礦體與含礦層位置耦合良好，與勘探的實(shí)際結(jié)果吻合。與三維礦體模型綜合分析，可直觀展示礦體在地下的形態(tài)特征?？梢酝ㄟ^(guò)礦體沿任意方向的切割，進(jìn)一步研究礦體及含礦層的相關(guān)地質(zhì)形態(tài)。

3 區(qū)域三維地質(zhì)建模

區(qū)域三維地質(zhì)建模的難點(diǎn)是可參與建模的鉆孔少，且分布不均。主要根據(jù)地質(zhì)圖、主干剖面圖、綜合柱狀圖等綜合分析，利用地表產(chǎn)狀進(jìn)行合理下推，得到隱伏地質(zhì)體界線，進(jìn)而建立三維模型。

3.1 區(qū)域三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)

通過(guò)建立區(qū)域三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)，將多元信息在統(tǒng)一的三維空間坐標(biāo)系下顯示出來(lái)，便于建模人員對(duì)區(qū)域地質(zhì)情況的總體把握。鉆孔信息對(duì)區(qū)域地質(zhì)情況的控制雖然重要，但收集到的鉆孔數(shù)據(jù)，相對(duì)于整個(gè)區(qū)域來(lái)說(shuō)，顯得過(guò)于集中，需篩選出兩部分鉆孔，一部分參與建模，另一部分作為驗(yàn)證孔，便于對(duì)模型進(jìn)行修正(圖5)。

圖5 花垣研究區(qū)可用鉆孔分布圖

3.2 區(qū)域地質(zhì)格架模型

地質(zhì)格架模型是地層格架模型的延伸表達(dá)，主要研究區(qū)域地層、構(gòu)造、巖漿巖的演化規(guī)律、空間展布特征及相互關(guān)系模型。

在進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)建模之前，需先建立區(qū)域地質(zhì)格架模型，對(duì)研究區(qū)內(nèi)地層的演化特征及分布規(guī)律有詳細(xì)的認(rèn)識(shí)，對(duì)區(qū)內(nèi)構(gòu)造的展布、期次及與成礦的關(guān)系等有初步的判斷，對(duì)區(qū)內(nèi)巖體的位置、產(chǎn)狀、與礦體的關(guān)系等有詳細(xì)的了解。針對(duì)花垣研究區(qū)鉛鋅礦的層控?zé)嵋盒吞攸c(diǎn)，主要對(duì)含礦層與主干斷裂進(jìn)行具體建模分析。

3.3 出露地質(zhì)體表面模擬

利用地表等高線生成數(shù)字高程模型(DEM)，并與二維平面地質(zhì)圖進(jìn)行融合處理，生成具有三維形態(tài)特征的地質(zhì)體表面(圖6)。提取不同地層的地質(zhì)體表面，可作為地質(zhì)體建模的頂界面。

圖6 三維地質(zhì)體表面

3.4 建立區(qū)域三維模型

通過(guò)構(gòu)造分區(qū)、剖面創(chuàng)建、剖面編輯等步驟，可得到三維地質(zhì)體界線，將同一地層的地質(zhì)體界線連接成曲面，并進(jìn)行曲面封閉，通過(guò)拓?fù)溴e(cuò)誤檢查之后，利用拓?fù)渲亟?，形成含礦層(清虛洞組中段)的三維地質(zhì)體模型(圖7)。根據(jù)區(qū)域產(chǎn)狀的不同，將整個(gè)建模區(qū)域分為若干子區(qū)，避免了多組產(chǎn)狀在建模過(guò)程中的相互影響。根據(jù)建模區(qū)域地質(zhì)情況的復(fù)雜程度及研究需要，設(shè)置剖面的方向、間距、剖切深度、關(guān)聯(lián)鉆孔等，可根據(jù)不同需要進(jìn)行局部鉆孔的加密和抽稀。得到的剖面需根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行人工檢查和編輯，確保剖面數(shù)據(jù)的正確性，才能得到準(zhǔn)確的地質(zhì)體界線。

圖7 花垣地區(qū)含礦層(清虛洞中段)三維地質(zhì)體模型

曲面連接后需理順各地層之間的關(guān)系，并利用前面生成的三維地質(zhì)體表面，作為三維地質(zhì)體模型的頂界面。通過(guò)反復(fù)的拓?fù)溴e(cuò)誤檢查、曲面編輯等步驟，最終可生成三維地質(zhì)體數(shù)據(jù)。

從花垣地區(qū)含礦層三維地質(zhì)體模型可以推斷，含礦層在大斷裂北側(cè)也有分布，埋深比南側(cè)含礦層深約400～600 m，產(chǎn)狀近水平，斷層兩側(cè)有較大差異，南側(cè)為南東向，北側(cè)為北西向。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)礦區(qū)三維模型與區(qū)域三維模型的綜合分析可以看出，建立的區(qū)域三維模型與多鉆孔數(shù)據(jù)控制的礦區(qū)三維模型位置及形態(tài)基本吻合。根據(jù)礦體在含礦層中的位置可以推斷，成礦與含礦層厚度有關(guān)。將區(qū)域化探異常與區(qū)域三維模型及礦體模型復(fù)合(圖8)，顯示化探異常橫跨大斷裂兩側(cè)，可以推斷大斷裂北側(cè)的清虛洞組中段也可能含礦。

圖8 區(qū)域化探異常與區(qū)域三維地質(zhì)體模型復(fù)合顯示

通過(guò)對(duì)湖南花垣地區(qū)典型礦床(李梅礦區(qū))三維模型和區(qū)域三維模型的建立，對(duì)研究區(qū)地質(zhì)情況有了直觀清楚的認(rèn)識(shí)，突出了不同尺度三維模型建立的研究重點(diǎn)。礦區(qū)三維地質(zhì)建?；诖罅裤@孔提供的詳細(xì)地質(zhì)信息，區(qū)域三維地質(zhì)建模主要依靠地表產(chǎn)狀及綜合信息建立的三維地質(zhì)格架模型。不同尺度的三維建模有助于分析地質(zhì)體的展布特征，利用典型礦床模型總結(jié)的規(guī)律，指導(dǎo)區(qū)域三維找礦的方向，通過(guò)模型比對(duì)，可對(duì)信息較少的隱伏地區(qū)提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支撐。

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