基于物探數據的內蒙古哈達門溝金礦三維地質體建模

楊　偉， 陳建平， 顧雪祥， 向　杰， 章永梅

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京100083； 2.北京市國土資源信息研究開發重點實驗室，北京100083)

?

基于物探數據的內蒙古哈達門溝金礦三維地質體建模

楊偉1，2， 陳建平1,2， 顧雪祥1， 向杰1,2， 章永梅1

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京100083； 2.北京市國土資源信息研究開發重點實驗室，北京100083)

目前，可控源音頻大地電磁法(CSAMT)的數據處理多以測線(斷面)進行，以二維反演斷面圖作為成果輸出，難以清晰、直觀地顯示三維地電結構的分布特征。以內蒙古哈達門溝CSAMT二維勘探數據為基礎，結合當前三維地質體建模技術，利用三維建模軟件，采用插值方法得到哈達門溝三維地質體模型，實現了多角度、多層面展現地下地質體的分布特征。應用這種三維可視化手段能較好地反映異常區域的分布、空間位置與形態，通過對良導體和相關構造的空間分布形態進行基本勾畫，對礦產資源的進一步勘探、開發具有較好的找礦指導作用。

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)；Voxler軟件；Surpac軟件；三維地質體建模；哈達門溝金礦；內蒙古包頭

0　引　言

三維地質模型能夠直觀地表現地形地貌、地層巖性、地質構造等地質體的空間分布形態以及它們之間的相互關系(李良平等，2007)，鉆孔資料能夠準確地反映出研究區域的地質結構特征，是三維地質建模的最佳資料(向中林等，2009)。但在實際工作中，往往因鉆孔數量少、鉆探深度不夠或分布不均勻而使模型的建立受到限制。在當前技術支持下，物探作為一項輕便、快捷、經濟的工程地質勘探手段己得到廣泛應用，由于物探的種種優勢及其技術的日漸成熟，在很多研究區域都已經有比較詳細、準確的物探資料。在一定意義上，物探技術作為地表觀察和鉆探揭露的拓廣，使研究人員可以直接獲取地質信息，地質、物探和鉆孔資料的綜合分析，可以更加準確地認識研究區的地質結構(陳海云等，2004)。物探與地質相結合，是當前研究地質構造、找礦預測等的重要特點(曹代勇,1993)。

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)是在大地電磁法的理論基礎上并結合實際應用而發展起來的一種人工源頻率測深法，它具有勘探深度范圍大、橫向分辨能力強、勘探效率較高，同時具有測深和剖面測量的雙重特點，結合地質資料，在成礦有利地段根據CSAMT法電阻率異常特征定位預測深部或外圍的隱伏礦化體是有效的。

1　研究區地質概況

內蒙古哈達門溝金礦田位于包頭市以西，華北地臺北緣烏拉山—大青山復背斜南翼，南北被2條大致呈近東西向的呼(市)—包(頭)、臨(河)—集(寧)斷裂所夾持(圖1)，出露地層主要為中太古代烏拉山群變質巖，南部斷陷帶主要為新生界地層所覆蓋，在礦區的北部和西部有大片海西—印支期的中酸性侵入巖(章永梅，2012；陳代鑫，2015)。

圖1　內蒙古哈達門溝區域地質簡圖(據馬寶軍等，2012修改)1-第四系沉積物；2-烏拉山群片麻巖；3-鉀長花崗巖；4-黑云母花崗巖；5-礦脈及編號；6-斷層Fig.1　Simplified geological map of the Hadamengou area in Inner Mongolia(modified from Ma et al., 2012)

哈達門溝礦區內出露的地層是中太古界烏拉山群第一巖組及第二巖組的一部分，古老的烏拉山群片麻巖及地層條件是金礦脈形成的礦源層(張鳳學，2010)。100號、99號、98號脈礦體賦存于第一巖組第二巖性段，主要巖性為含榴石黑云斜長片麻巖；哈達門溝金礦田由軸向近東西的以背、向斜間隔分布的復式背斜、山前大斷裂、山前鉀化帶、一系列傾向主體向南的韌性剪切帶以及東西向容礦構造構成的主體構造格架，礦區內以斷裂構造為主，構造條件是Au元素運移、富集的導礦和容礦條件。山前的呼包大斷裂及山后的臨集大斷裂為區內主干斷裂，控制著金礦床的分布。區內脈巖比較發育，主要為花崗偉晶巖、輝綠玢巖。圍巖蝕變主要有鉀長石化、硅化，其次是綠簾石化、綠泥石化、碳酸鹽化等，礦體主要產生于鉀化蝕變巖內、鉀硅化蝕變巖或鉀化蝕變巖中心的石英脈中，鉀長石化分布在含金礦化帶及其兩側。

2　三維地質體建模

2.1三維地質體建模方法流程

三維地質體建模就是將所謂的地表、地層、礦體、巖體等地質信息以三維真實坐標展現出來，更直觀地觀察它們的形態、空間位置及相互間的關系。根據野外調研或實地考察收集到的地質資料、鉆孔、探槽及物探、化探、遙感等數據，通過整理、校正、轉換，提取相關的有用信息及地質體推斷信息，應用三維建模軟件構建地層、構造、礦體、巖體等地質模型，實現三維地質體建模。

三維地質模型是研究地質體三維模擬與可視化軟件的核心與基礎。近年來國內外已有不少研究與探索，但總的來說，三維地質模型的數據模型理論與技術仍未成熟，這在很大程度上制約了三維地學軟件的開發與發展。在三維地質建模方法方面，相繼提出了基于三棱柱、類三棱柱等的建模、基于鉆孔信息的地層數據模型、多源地質構模、多體建模等建模方法(陳建平等，2014a,2014b)；三維建模軟件方面，常用的三維地質建模軟件有Datamine、Surpac、Micromine、GOCAD、TITAN、Vulcan、Voxler、3DMine、Dimine、Minexplorer等(李青元等，2013)，這些三維可視化軟件已經基本實現對各種地質過程模擬或仿真，對各種簡單地質模型進行解算、推演、再造和預測，卻難以支持復雜地礦信息的綜合分析、復雜地質體和地質結構的綜合建模、復雜地質過程的綜合模擬，這將是未來一段時間的研究方向(吳沖龍等，2014)。

2.2基于CSAMT方法的三維建模

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)是從大地電磁法發展而來的一種人工源電磁探測深法，由于使用大功率的人工場源，對人文電磁噪聲有較好的抑制作用，即使在一些強干擾區域仍可獲得較高的信噪比資料。CSAMT通過改變頻率的方法來達到測深的目的，其探測深度一般可達1～2 km，具有測量速度快、探測深度大、信噪比高的特點。自20世紀80年代引進以來，CSAMT法已在我國的金屬、石油、地熱、地下水、斷層方面的勘探中發揮了重要作用，成為地球物理勘探中的一種非常有效的方法。

2.2.1數據采集及預處理本次研究收集了哈達門溝礦區6條相鄰的CSAMT數據、82個鉆孔柱狀圖、21幅勘探線剖面圖及若干區域地質圖。首先對采集的數據進行整理，將收集的CSAMT數據轉化為三維空間數據組(4列數據，分別是三維空間的X、Y、Z坐標及對應坐標的視電阻率)的文本(表1)，用于構建地電結構的三維地質模型；然后對收集到的鉆孔進行整理，建立鉆孔數據庫，將勘探線剖面圖利用坐標轉換方法進行處理，使其具有正確的三維坐標。

表1　CSAMT三維顯示數據整理格式

2.2.2三維地質體建模Voxler是由美國Golden Software公司開發的三維數據可視化軟件，主要用于三維切片圖、高程模型圖等。Surpac軟件是澳大利亞SMG公司的數字礦山管理軟件，廣泛應用于資源估算、礦山計劃、生產等各個階段中。2種軟件均提供了多種圖形圖像文件格式的輸入、輸出及三維地質體建模功能，對比Voxler、Surpac軟件分別構建的哈達門溝金礦區的三維地質-物探模型，發現2種不同三維建模軟件構建的模型基本一致。結合鉆孔數據及研究區已知礦體分布對構建的三維地質-物探模型進行分析，為進一步勘探與找礦預測奠定了基礎。

(1) 地表模型。收集并下載30 m精度的DEM及相應區域的遙感影像，利用三維建模軟件Voxler構建了哈達門溝礦區地表實體模型(圖2、圖3)。地表實體模型可以真實地反映地表地形、地貌，對于野外勘查和工程施工非常必要。該模型能很好地反映礦區的總體地表情況，為礦區的勘探工程布置設計提供方便。

圖2　地形Fig.2　Landform

圖3　地表模型Fig.3　Digital surface model

(2) 三維地電結構模型。巖石視電阻率的主要影響因素為巖石巖性、孔隙中地層水性質(含鹽類、礦化度、溶液溫度)、孔隙度以及孔隙結構、孔隙中的含水飽和度和泥質成分含量等。在哈達門溝礦區，圍巖(片麻巖)電阻率一般在1 000～2 000 Ω·m之間；脈巖(偉晶巖)和鉀化帶電阻率一般小于1 000 Ω·m，石英脈(礦脈)電阻率相對較高，主要是硅化作用造成的，而且變化大，是由于硅化不均勻造成的。圍巖與礦脈具有明顯的電性差異，適合在研究區開展CSAMT連續電導率測量工作。

① Voxler軟件繪制三維地電結構模型方法。根據每條測線相應標高的視電阻率數據，應用Voxler進行三維成圖。

首先對數據進行網格化處理，將導入的數據與Grid模型進行鏈接。在Gridder模型屬性窗口選擇合適的插值方法，調整相應參數后開始網格化。為了直觀地判斷出電阻率的層位變化，對未知地質體的層位變化的推斷，需要對網格化后的數據進行體積渲染(VolRender)，然后設置ColorMap屬性選擇合適的顏色等級，生成哈達門溝礦區三維地電結構模型的體積渲染圖(圖4)。

圖4　VolRender圖(體積渲染圖)Fig.4　VolRender model(volume rendering model)

從圖2中可以看出，體積渲染圖能夠清晰地表現出一定區間內不同視電阻率的地質體分布特征，從而直觀地對地質體的形態特征進行推斷。

② Surpac軟件繪制三維地電結構模型方法：將所有測線相應標高的視電阻率數據導入到Surpac軟件中，將所有測線提取的視電阻率數據合并成1個文件；然后根據研究區范圍構建塊體模型，將研究區空間范圍分為若干個立方體小塊，并添加相應屬性；最后利用提取的視電阻率數據給立方體小塊屬性賦上相應視電阻率的值。為了與使用Voxler軟件構建的模型進行對比，采用相同的插值方法及參數，生成反映地質體不同視電阻率的三維模型(圖5)。

圖5　三維地電結構模型圖Fig.5　Model of 3D geoelectric structure

2種不同軟件構建的模型視電阻率低、高阻分布基本一致，同樣的數據Voxler軟件構建模型相對效率較高，數據顯示以柵格形式進行渲染顯示，顏色過渡自然。而Surpac軟件以塊體形式顯示，構建的模型可以查看任意塊的視電阻率值，模型精確程度受人為設置參數影響，但構建約束文件方便快捷，可以迅速篩選相應的塊體，并與其他要素進行統計分析等操作。

3　三維地質-物探模型分析

模型從藍色到紅色表示視電阻率從低到高，從電阻率的分布圖、透視圖可知低阻區分布在測區南部，中西部也有少量的分布，中間主要為高阻區，切片圖驗證了上述觀點(圖6)，并且對低阻區和高阻區的分布范圍有了徹底的了解，如果相鄰地層的電阻率差異較大，還可以將電阻率的分界面近似為地層的分界面。

圖6　基于Voxler軟件三維切片圖Fig.6　3D slicing map based on Voxler software

結合地質資料可知：研究區的南側R3低阻規模最大，可能是山前斷裂所致，異常顯示較明顯，東西向延伸較遠，隨著深度的增加，邊部異常曲線不閉合，往南、往深處有延伸的趨勢；研究區中部的R2低阻區異常沿東西方向延伸，根據已知鉆孔及勘探線剖面數據，此低阻區與100號、99號、101號等金礦脈存在一定的關系；R1異常規模最小，往西還有延伸的趨勢，認為與25號、28號脈關系密切(圖7)。

通過統計100號脈已知金礦體含礦單元塊體的視電阻率直方圖(圖8)，發現礦體主要集中在視電阻率為312.5～2 500 Ω·m的區間，表現為中低阻，因此在該區域視電阻率表現為中低阻區域有望發現金礦床。

通過鉆孔巖性與可控源斷面對比分析，高阻區主要為花崗偉晶巖、偉晶巖脈或蝕變片麻巖等，低阻區主要為殘坡積物、構造破碎帶等，礦體主要分布在鉀硅化蝕變巖(表現為中、高阻的過渡帶)，已知礦體與物探模型的中、低視電阻率分布空間疊合良好，礦體在深部往南延伸，并且傾角逐漸變換的趨勢(圖9)。因此，在礦區南側深部(海拔660～840 m)區域可能具有進一步找礦的空間。

綜上所述，三維可視化不僅可以多角度、多細節地展現側區內視電阻率的三維分布情況，還可以提供視電阻率或地層的分界面，并且能夠把異常區的范圍清晰地描繪出來，這些強大功能是二維剖面所不具備的，同時為更好地分析地電結構異常提供了強有力的技術支持，也為進一步勘探找礦奠定了基礎。

圖7　哈達門溝礦區1100線—900線CSAMT聯合斷面圖(據2015年度哈達門溝地質勘查報告)Fig.7　Joint sectional map of prospecting line 1100 to line 900 in the Hadamengou ore district with CSAM(after geological exploration report of the Hadamengou area in the year of 2015)

圖8　含礦單元塊體視電阻率統計直方圖Fig.8　Statistical histogram of apparent resistivity of ore-bearing blocks

圖9　礦體實體模型與可控源剖面疊加圖Fig.9　Superimposition of orebody entity model with controlled-source profile

4　結　論

(1) 基于可控源音頻大地電磁法數據，應用Voxler、Surpac軟件分別構建了哈達門溝金礦區的三維地質體模型，對2種軟件構建的模型對比分析，結果基本一致。Voxler軟件構建模型相對較快，色彩渲染美觀；Surpac軟件構建的模型可以快速查看每個立方體小塊的屬性值，可以進行數據統計分析。

(2) 結合相關地質資料，通過對構建的三維地質-物探模型分析，分析了模型中存在的3個低阻異常區所表達的地質信息。結果表明，R3低阻異常反映了山前大斷裂的分布形態，R2和R1低阻異常區分別與100號金礦脈群、25號金礦脈的分布有關。

(3) 在該地區視電阻率312.5～2 500Ω·m區間及礦區南側深部(海拔660～840 m)具有進一步的找礦空間。

曹代勇，1993. 物探資料在構造地質研究中的應用[J]. 中國煤田地質，5(2): 82-87.

陳海云，舒良樹，張云銀，等，2004. 合肥盆地中新生代構造演化[J]. 高校地質學報，10(2)：250-256.

陳孝強,李偉,徐德利，等，2010. EH4連續電導率測量在哈達門溝礦區的應用效果[J]. 礦床地質(增刊2):105-110.

陳建平,于淼,于萍萍，等，2014a. 重點成礦帶大中比例尺三維地質建模方法與實踐[J]. 地質學報,88(6)：1187-1195.

陳建平,于萍萍,史蕊，等，2014b. 區域隱伏礦體三維定量預測評價方法研究[J]. 地學前緣,21(5):211-220.

陳代鑫，2015. 內蒙古哈達門溝金礦區控礦構造特征研究[D]. 北京：中國地質大學(北京).

李良平，胡伏牛,尹立河，2007. 鄂爾多斯盆地自噩系三維地質建模研究[J]. 西北地質，40(2)：109-113.

李青元，張麗云，魏占營，等，2013. 三維地質建模軟件發展現狀及問題探討[J]. 地質學刊，37(4)：554-561.

毛先成,唐艷華,賴健清，等，2011. 鳳凰山礦田成礦地質體三維結構與控礦地質因素分析[J]. 地質學報,19(9)：1507-1518.

王顯祥,王光杰,閆永利，等，2012. 三維可視化在CSAMT勘探中的應用[J]. 地球物理學進展,27(1)：296-303.

吳沖龍，劉剛，田宜平，等，2014. 地質信息科學與技術概論[M]. 北京：科學出版社.

向中林，王妍，土潤懷，等，2009. 基于鉆孔數據的礦山三維地質建模及可視化過程研究[J]. 地質與勘探，45(1)：75-81.

肖克炎,李楠,孫莉，等，2012. 基于三維信息技術大比例尺三維立體礦產預測方法及途徑[J]. 地質學刊,36(3)：229-236.

向中林,顧雪祥,章永梅，等，2014. 基于三維地質建模及可視化的大比例尺深部找礦預測研究及應用:以內蒙古柳壩溝礦區為例[J]. 地學前緣,21(5):227-235.

楊龍彬，2014. 內蒙古某金礦CSAMT三維電性及構造特征研究[D]. 北京：中國地質大學(北京).

袁東,雷玉山,張濤，等，2015. 基于Voxler的高密度電法數據三維可視化的實現[J]. 企業技術開發,34(3)：73-75.

張鳳學，2010. 內蒙古哈達門溝金礦區313號脈地球化學特征及成礦模式[J]. 內蒙古煤炭經濟(4)：34-37.

章永梅，2012. 內蒙古柳壩溝—哈達門溝金礦田成因、控礦因素與找礦方向[D]. 北京：中國地質大學(北京).

Application of 3D geological modelling based on geophysical data in the Hadamengou gold deposit in Inner Mongolia

YANG Wei1，2， CHEN Jianping1,2， GU Xuexiang1， XIANG Jie1,2， ZHANG Yongmei1

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

At present, the controlled source-audio magnetotelluric (CSAMT) data are mostly processed on the base of survey lines (cross-section), and the output results are presented in two-dimensional inversion cross-sections, which are hard to clearly display the 3D distribution of geoelectric structure. Based on the 2D CSAMT exploration data in the Hadamengou area, this work established a 3D geological model by the interpolation method using 3D modelling software, which well shows the distribution of the underground geological bodies from multiple views and levels. This 3D visualization method can better reflect the distribution, spatial position and morphology of the abnormal areas, and may provide significant guidance for the next exploration and development by outlining the spatial distribution of good conductors and related structures.

CSAMT; Voxler software; Surpac software; 3D geological modelling; Hadamengou gold deposit; Baotou in Inner Mongolia

10.3969/j.issn.1674-3636.2016.03.501

2016-05-30；

2016-06-21；編輯：陸李萍

國家重點基礎研究發展計劃(“973”計劃)項目“前寒武紀優勢礦種成礦系列與找礦預測”(2012CB416605)

楊偉(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為地球探測與信息技術，E-mail： 610170479@qq.com

P631.3+4

A

1674-3636(2016)03-0501-06