礦床模型指導下的隱伏礦體正反演預測研究

常慧娟, 陳建平, 于萍萍

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京100083； 2.中國地質大學國土資源與高新技術研究中心，北京100083； 3.北京市國土資源信息開發研究重點實驗室，北京100083)

礦床模型指導下的隱伏礦體正反演預測研究

常慧娟1,2,3, 陳建平1,2,3, 于萍萍1,2,3

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京100083； 2.中國地質大學國土資源與高新技術研究中心，北京100083； 3.北京市國土資源信息開發研究重點實驗室，北京100083)

摘要：熱液型礦床中的含礦熱液是礦床形成的先決條件，構造是含礦熱液的通道，也為成礦提供有利空間。地層是決定熱液型礦床的重要條件，它不僅影響礦物的沉淀，也影響成礦作用方式、礦體規模和礦石物質成分。以云南個舊新山勘查區為例，總結了該勘查區的成礦模型，提出了一種基于正反演聯合預測的新方法。致礦地質異常的正演通過構建應力場-熱力場-流體滲流場的耦合模型來分析地質過程和成礦機制。礦致地質異常的反演則通過對與成礦有關的巖漿、構造、地層采用“立方體模型”定量化分析，利用證據權法確定了研究區的有利成礦遠景區。最后，通過統計正演和反演得到的遠景區的公共部分進行靶區選定。研究結果表明，正反演技術在成礦預測中應用能加深對成礦過程和成礦空間的認知，提高成礦預測的精度，對尋找深部礦體具有指導意義。

關鍵詞：三維建模；致礦地質異常；礦致地質異常；正反演技術；隱伏礦體預測；云南個舊

中圖分類號：P628

文獻標識碼：A

文章編號：1674-3636(2015)03-0481-10

收稿日期：2015-06-12；編輯：陸李萍

基金項目：國土資源部公益性行業科研專項經費項目“我國找礦科研基地規范與關鍵技術應用示范”(201011002)、“找礦科研基地三維數字礦山建模技術應用示范”(201011002-10)

作者簡介：常慧娟(1989—)，女，碩士研究生，地球探測與信息技術專業，E-mail：slindajj@126.com

0引言

傳統的地質找礦手段如鉆探方法需要耗費大量的人力、物力和財力，且目標性不明確，而基于遙感手段進行的蝕變信息提取，只是在二維空間上對礦體可能的位置進行預測，深度以及厚度上不能給予明確的指示。地質體三維建模及熱液成礦過程的模擬技術在傳統二維找礦的基礎上，實現了向三維建模找礦方向的突破，真三維的地質模擬平臺與礦產資源統計預測模型相結合可以實現地質過程的正、反演與礦產資源量的定量預測(楊瑞琰等，2006；王功文等，2007；蔣春明，2012；趙鵬飛，2014)。

云南個舊錫礦是中國最大的錫礦，屬大型錫多金屬礦床。迄今為止，很多地學工作者都對個舊礦床做過研究，形成了系統的地質成礦模型理論(路紅記，2008)。個舊超大型錫銅多金屬礦床以燕山期多次巖漿熱液疊加改造、斷裂提供導礦通道和儲存空間，斷裂構造和圍巖巖性的三維空間分布是找礦的關鍵(陳守余等，2009；劉嗚等，2011)。二維找礦在地理空間上總有局限，從三維手段開始研究個舊礦床，可以實現礦體的預測定位、定量，是目前找礦研究的一個新方向(陳建平等，2007)。

在總結前人研究內容以及掌握卡房礦田礦床模型的基礎上，筆者提出了一種基于致礦地質異常定性模擬的正演方法和礦致地質異常定量分析的反演手段聯合預測的新方法，通過對個舊卡房礦田的新山勘查區正反演聯合預測，驗證該方法體系的科學性以及準確性，是深部隱伏礦體找礦行之有效的技術手段。

1地質體三維建模

地質體三維建模是在了解研究區地質背景的基礎上，根據已收集的資料，運用可視化技術對巖體、巖性、構造等地質體建立真三維模型，以便于利用其地質體的結構、形態以及空間展布等特征真實探索分析成礦的空間特征，通過三維模型為下一步正反演成礦分析奠定基礎(侯恩科等，2002；呂鵬等，2011)。

地質體的實體建模主要根據收集到的礦區實測剖面圖和等深線圖，將MapGIS和CAD格式統一轉換為CAD格式，在CAD軟件中根據中段平面圖對實測剖面進行立剖面，完成二維到三維的空間校正，將立好的剖面導入到Surpac軟件中，在Surpac軟件平臺下提取出所有地層之間的地質界線，然后在Surpac中將同一地質界線連接成面，即為兩相鄰地層的界線面，根據布爾運算，利用界線面與范圍的實體模型相切裁剪，即得到某一地質體的實體模型。根據新山勘查區的地質情況，主要構建了灰巖、白云巖、花崗巖、玄武巖、斷裂的三維地質體模型(圖1)。

圖1　地質體三維模型(a) 灰巖模型；(b) 白云巖模型；(c) 斷裂模型；(d) 巖體模型Fig.1　Three-dimensional model of geological bodies(a) limestone model;(b) dolomite model; (c) fault model; (d) rock mass model

2礦床模型指導下的隱伏礦體預測方法

礦床模型用文字、圖解或表格形式表示，是描述某類礦床基本特征的綜合概念，被認為是礦床發現和資源評價的鑰匙和基石(肖克炎等，2012)。新山勘查區的礦床類型為熱液型礦床，巖漿中的含礦熱液是礦床形成的先決條件、構造控制含礦熱液的通道，也為成礦提供有利空間。地層是決定熱液型礦床的重要條件，不僅影響礦物的沉淀，同時也影響成礦作用方式、礦體規模和礦石物質成分。結合新山勘查區的地質背景，總結了該地區的成礦地質模型(表1)。礦床具有明顯受巖性、構造、巖漿巖控制的特征，形成巖漿期后高溫熱液銅錫多金屬礦床。

表1　研究區成礦地質模型

在掌握卡房礦田新山勘查區礦床模型的基礎上，根據其礦床模型，研究區內礦體的形成主要受到地層巖性、斷裂及巖漿因素的影響。研究區收集的資料較全，建立了接近真實地質情況的三維數字礦田模型，而研究區內各地質體的物理參數、性質也易于查詢，這些為隱伏礦體的正反演預測分析提供了充分條件。

通過三維建模手段進行隱伏礦體的正反演聯合預測技術方法流程如圖2所示。

圖2　隱伏礦體正反演預測技術流程圖Fig.2　Technical flow chart of buried orebodies prediction

3正演：致礦地質異常定性模擬

隱伏礦體的正演是探討致礦地質異常的過程，致礦地質異常是在物質組成、結構、構造或成因序次上與周圍環境具有顯著差異的地質體或者地質體組合(趙鵬大等，1999)。

致礦地質異常的過程可以通過數值分析模擬的方法構建應力場-熱力場-流體滲流場的耦合模型來說明成礦地質過程和成礦機制。基本原理是遵循物質守恒定律、能量守恒定律等，依據數學、物理學等學科中的基本規律為原理，基于地球科學資料所構建的地質模型為實驗研究對象，借助計算機處理系統的過程模擬的研究。因而，對于能夠充分反映巖石圈的基本物理化學過程(如流體流動過程、介質變形過程、熱傳遞過程等)及相關的地學基本科學問題的認識，是探討成礦地質過程等復雜地質學問題的基本前提條件。

3.1　數值分析模擬方法

成礦過程的數值分析模擬通過選擇經典的摩爾-庫倫本構模型來表達流體變形性質，數值分析模擬時，首先定義地質體的物理性質參數及初始條件和邊界條件，進行三維成礦過程的動態模擬，分析流體運移、成礦影響因素以及有利成礦部位的過程。技術方法流程如圖3所示。

圖3　FLAC3D模擬方法流程圖Fig.3　Flow chart of the FLAC3D model

對于動態過程的瞬態問題，在初始條件和邊界條件的共同作用下，模擬流體的運移路徑演化和作為流體運移直接動力的孔隙壓力以及對成礦位置提供容礦空間的體積應變結果進行分析。初始條件的溫度場設置基于地表溫度20 ℃，并且以每千米升高25 ℃的地熱梯度來定量設置(圖4)，初始壓力場的設置基于地表10 kPa施加在模型的頂部，根據壓力計算公式：P=ρ水gh來設定地壓梯度變化(圖5換算為孔隙水壓力)。對模型的邊界條件設置采用在X軸兩側施加變形的速度以及時間的作用來反映應力場和位移的變化(圖6)。

圖4　地溫梯度設置圖Fig.4　Setting of geothermal gradient

圖5　地壓梯度設置圖Fig.5　Setting of geopressure gradient

圖6　X軸兩側施加一定速度Fig.6　Exerting a certain speed on both sides of X axis

3.2　力-熱-流的耦合模型

熱液的成礦是力-熱-流耦合的過程，地質流體的運移是通過壓力差或者深部巖體的熱源共同作用，流體的運移又同時反過來影響地質體的壓力以及溫度的變化，三者相互作用，最終形成了礦體的富集以及存儲的有利條件(圖7)。

圖7　力-熱-流耦合關系圖Fig.7　Coupling relationship of pressure, heat and fluid

3.3　模擬結果分析

在應力場、熱力場和流體滲流場的共同作用下，流體運移，并且在有利成礦部位匯聚。成礦過程的模擬主要通過分析流體運移路徑和作為流體運移直接動力的孔隙水壓力以及對成礦位置提供容礦空間的體積應變結果進行分析。由于孔隙壓力是流體運移的直接動力，隨著時間的作用，巖體底部的孔隙水壓力逐漸減小，頂部一定范圍內的孔隙水壓力逐漸增大，驅動著流體不斷向上移動(圖8)。其中，斷裂附近的流體沿著斷裂通道向上移動，斷裂帶兩側一定范圍內孔隙水壓力減小，部分流體由斷裂通道向兩側區域滲流。

圖8　孔隙水壓力變化分布圖(藍色格網為斷裂)Fig.8　Pressure variation of pore water (blue grids are faults)

應力作用下，巖體發生膨脹破裂，增加孔隙容積，使成礦流體向擴容空間匯流，流體匯聚體積增加，造成液壓致裂，增加擴容量，促使流體進一步匯聚。巖體的大部分區域呈現負的體應變,接觸帶附近的巖石呈現正的體應變,從巖體到接觸帶的體應變由負應變到正應變轉換,形成應變轉換帶,即接觸帶附近的巖石表現為體積膨脹，為形成礦體提供容礦空間(圖9)。

圖9　體積應變產生容礦空間Fig.9　Ore-hosting space generated by volumetric strain

下面通過將正演的結果定量化輸出，反映成礦特征的孔隙水壓力和體積應變的界限值的選擇依據是：(1) 根據正演結果分析，趨于平衡狀態時成礦有利區對應的孔隙水壓力和體積應變的值；(2) 分別統計孔隙水壓力和體積應變的值在某一個區間時已知礦體的數量。根據上述2個條件，綜合考慮選取成礦最有利的閾值。圖10為統計孔隙水壓力與已知礦體的直方圖信息，圖11為統計的體積應變值與已知礦體的直方圖信息。根據直方圖中相應值與已知礦的含量，確定與成礦有關的孔隙水壓力和體積應變的區間閾值。通過與已知礦體迭加統計選取孔隙水壓力值(8.1×106～14.2×106)區間的立方塊作為有利成礦的預測因子，通過與已知礦體迭加統計選取體積應變值(3.50×10-15～9.05×10-15)區間的立方塊作為有利成礦的預測因子。根據相應閾值界定，圈定的孔隙水壓力和體積應變的對應遠景區如圖12和圖13所示。

圖10　孔隙水壓力含礦統計直方圖Fig.10　Statistical histogram of pore water pressure

圖11　體積應變含礦統計直方圖Fig.11　Statistical histogram of orebodies generated by volumetric strain

圖12　孔隙水壓力閾值內的遠景區Fig.12　Prospective areas within the threshold of pore water pressure

圖13　體積應變閾值內的遠景區Fig.13　Prospective areas within the threshold of volumetric strain

4反演：礦致地質異常定量預測

隱伏礦體的反演是礦致地質異常定量預測的過程，礦致地質異常是由于礦體的存在所產生的異常，是判斷與礦化點、礦點、礦床有直接關系的地球物理、地球化學異常，是進一步找礦的目標區。

礦致地質異常定量預測以三維礦山建立為基礎，地質統計方法為手段，成礦規律的分析及找礦模型的建立是研究的核心。它既是靶區圈定及資源潛力估算的重要證據，也對研究區成礦規律特征的完善及礦區長遠發展起到指導性作用。找礦模型的定量分析在三維空間上主要借助于“立方體模型”來實現傳統的二維找礦向三維找礦的新突破(圖14)。

圖14　定量化成礦有利信息(a) 斷裂緩沖；(b) 主干斷裂；(c) 局部構造；(d) 方位異常度；(e) 構造交點數；(f) 中心對稱度Fig.14　Quantitative metallogenic favorable information(a) fault buffer; (b) main fracture; (c) local structure; (d) azimuthal anomaly; (e) structural intersection; (f) central symmetry

4.1　成礦有利信息提取

立方體預測模型是在建立的研究區地層巖性、構造、巖體等三維實體模型的基礎上，根據實體模型進行研究區三維立方體提取，并將找礦定量化信息賦予每一個立方體塊體。由于大范圍的卡房研究區更能反映成礦有利信息的普遍規律，因此采用整個卡房礦田的塊體模型進行成礦有利信息的提取，新山勘查區的成礦預測則采用新山勘查區的范圍對卡房礦田的結果進行約束。構造因素對成礦影響較大，主要從斷裂緩沖、主干斷裂、局部構造、方位異常度、構造交點數、中心對稱度等幾個方面定量化分析對成礦的影響。

巖漿巖為熱液礦床成礦提供熱源及成礦物質，對于隱伏巖體來說，礦體一般發現于巖體周邊及表面一定區域內，因此對于三維預測來說，巖體緩沖區是不可或缺的關鍵變量之一。巖體頂向上擴張100 m作為緩沖區，巖體緩沖的塊體模型如圖15所示。

圖15　花崗巖體緩沖Fig.15　Granite body buffer

4.2　三維證據權計算

通過對成礦有利信息的提取，首先應用證據權法賦權得到新山勘查區每個找礦標志的權值，根據權值信息統計計算反映了每個單元塊體相對的找礦意義的后驗概率值，用以評價找礦遠景區并進行成礦預測。后驗概率計算基于貝葉斯方法，計算公式如下。

(j=1,2,3,…,n)

(1)

新山勘查區的礦床類型在空間上主要從頂部的氧化礦和深部的矽卡巖型礦體進行分析。頂部礦的氧化礦受斷裂因素的影響較大，主要根據構造定量化后的成礦有利信息進行證據權計算，計算頂部礦后驗概率，統計分析不同頂部礦后驗概率閾值的已知氧化礦含量(表2)。已知氧化礦塊數為193，在此基礎上確定頂部礦后驗概率的閾值，根據統計信息選取占總氧化礦礦塊數比率趨于穩定的狀態的后延概率值0.66為閾值的下限值，據此圈定頂部礦遠景區(圖16)。

表2　頂部礦后驗概率與已知礦體統計表

圖16　頂部礦遠景區Fig.16　Top prospective areas

深部礦充分利用與深部成礦有關的玄武巖、花崗巖體以及表現巖體的特征因子進行證據權重計算及后驗概率，在此基礎上進行深部礦后驗概率和已知礦體統計分析(表3)。已知深部礦體塊數為2 377。據此統計信息，占總深部礦礦塊數比例趨于穩定狀態，確定反映深部成礦特征的后驗概率的閾值≥0.85，在此基礎上圈定深部礦遠景區(圖17)。

表3　深部礦后驗概率與已知礦統計表

圖17　深部礦遠景區Fig.17　Deep ore prospective areas

5正反演結果對比靶區圈定

對于以上通過正演、反演2種方法探討的成礦分析，分別從不同方面考慮成礦有利性，并根據相應的成礦有利信息圈定頂部礦和深部礦的成礦遠景區。若要實現正反演聯合預測，還需要根據正演和反演得到的遠景區選取公共部分，在此基礎上圈定最終成礦靶區。

由于孔隙水壓力值的變化與斷裂因素關系較大，且根據該地區的礦床模型，頂部礦的形成也是主要斷裂因素的影像，因此選取正演過程得到的孔隙水壓力閾值內的遠景區和反演頂部礦預測的遠景區進行迭加運算，符合這2個條件的公共部分則更有利于成礦。在公共遠景區上圈定了2個頂部礦的靶區(圖18)。

圖18　頂部礦靶區Fig.18　Top ore prospecting targets

體積應變的閾值選取是由于巖體接觸帶上形成的擴容空間與花崗巖的膨脹破裂有關，且該地區深部礦的形成亦與花崗巖和巖體緩沖直接相關，因此對正演過程得到的體積應變和反演的深部礦的遠景區進行迭加運算，選取符合這2個條件的公共部分作為深部礦預測的最終遠景區。在迭加后的遠景區圈定了3個深部礦的靶區(圖19)。

圖19　深部礦靶區Fig.19　Deep prospecting targets

用已知礦體與頂部礦和深部礦的靶區分別疊加(圖20)，可見已知礦體基本都包含在預測靶區內，從圖12和圖13所示的正演遠景區與已知礦體疊加可見遠景區過大，這樣找礦比較盲目，正反演聯合預測則縮小了遠景區的范圍，成礦預測也更加準確，提高了找礦的精度，說明正反演聯合預測的科學性及準確性。

圖20　靶區與已知礦體疊加圖(a) 頂部礦靶區與已知礦疊加；(b) 深部礦靶區與已知礦疊加Fig.20　Superposition of prospecting targets with known orebodies　　　　(a) superposition of top prospecting targets with known orebodies;　　　　(b) superposition of deep prospecting targets with known orebodies

靶區圈定后，通過資源量的估算可以實現定量評價，采用的資源潛力計算公式為：

C=∑ρvgj

(2)

式(2)中，C為研究區內Sn、Pb、Cu或W的資源潛力；v為單個單元塊的體積；ρ為區內巖石的平均體重，頂部礦體平均體積質量取2.72 t/m3，深部礦體平均體積質量取3.41 t/m3；g為單元塊體內元素不同的品位值；j為礦塊夾石率。最終估算的資源量如表4。

表4　卡房礦田Cu、Pb、Sn、W資源潛力匯總表

6結論

通過致礦地質異常以及礦致地質異常的分析，實現了礦床模型指導下的聯合正反演預測。通過總結規律，更好地理解熱液礦床的形成過程，并對找礦勘探起到了提供有利成礦條件信息的間接作用和預測礦化地段的直接作用。

(1) 系統的正反演成礦預測的理論方法體系實現了礦床模型指導下的地質異常的定量預測，成礦形成過程及控礦機制相比僅通過數值分析模擬或者礦致地質異常的定量預測，正反演聯合成礦預測手段大大提高了成礦預測的精度。

(2) 正反演的成礦預測方法也可適用于其他類型的礦床，針對不同礦床模型的礦床有不同的解決方案，通過改變正演數值分析模擬過程中的變量(溫度、流量、孔隙水壓力、體積應變等)以及反演的后驗概率計算的成礦因子，再進行正反演聯合成礦預測，可以使該技術適用于礦產資源的勘查。

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Forward and inversion forecasting of concealed orebodies under the guidance of deposit model

CHANG Hui-juan1,2,3, CHEN Jian-ping1,2,3, YU Ping-ping1,2,3

(1. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China; 2. Land Resources and High-Tech Research Center, China University of Geosciences, Beijing 100083, China； 3. Key Laboratory of Land and Resources Information Development Research in Beijing, Beijing 100083, China)

Abstract：Ore-bearing hydrothermal solution is a prerequisite for the formation of hydrothermal type deposits, and structure acts as the conduit of ore-bearing hydrothermal solution which provides favorable space for the mineralization. Strata affect not only the precipitation of minerals but also mineralization modes, orebody scale and ore components, which are an important factor for hydrothermal type deposits. Taken the Xinshan exploration area as an example, this study summarized the metallogenic model, and proposed a new method based on forward and inverse forecasting. The forward of ore-generating geological anomalies is done by constructing stress-thermal-fluid percolation coupling process to analyze the geological evolution process and metallogenic mechanism. The inverse of ore-generating geological anomalies is realized by building magma, structure and stratum and then quantitative analysis by the theory of ″Cube prediction model″. We determined ore prospective areas by the weights of evidence method, and delineated prospecting target areas through the superposition of ore prospective areas obtained by forward and inverse. The results show that the application of the forward and inverse methods can enhance the cognition of mineralization processes and mineralization space, and improve the accuracy of metallogenic prediction, which have guiding significance for discovering deep orebodies.

Keywords：three-dimensional modeling; ore-generating geological anomaly; forward and inverse technology; prediction of concealed orebodies; Gejiu in Yunnan Province