坦桑尼亞納欽圭阿石墨礦三維礦體建模及資源量估算對(duì)比*

杜菊民 景永波 陳 誠(chéng) 陳春生，2 孫 晨 周 傲

（1.江蘇省地質(zhì)工程有限公司；2.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所）

近年來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展，三維地質(zhì)建模在成礦預(yù)測(cè)、礦產(chǎn)勘查、資源量估算、數(shù)字礦山建設(shè)等方面得到了廣泛應(yīng)用［1-4］。近年來(lái)，坦桑尼亞境內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一系列大型、超大型晶質(zhì)石墨礦［5-6］，納欽圭阿石墨礦即為其中之一。依據(jù)現(xiàn)行一般工業(yè)指標(biāo)，采用傳統(tǒng)的垂直斷面法對(duì)該石墨礦進(jìn)行資源量估算，地質(zhì)工作成果均為平面圖形展示。本次研究基于地形測(cè)量、地質(zhì)填圖、工程點(diǎn)測(cè)量、槽探及鉆探數(shù)據(jù)，建立了礦區(qū)的三維地質(zhì)模型和塊體模型，并對(duì)不同方法估算的資源量進(jìn)行了對(duì)比分析，以期更好地研究礦體空間形態(tài)特征、估算資源量，為后期開發(fā)利用提供基礎(chǔ)。

1 礦床地質(zhì)概況

礦區(qū)內(nèi)地層主要有斜長(zhǎng)角閃片麻巖巖組和黑云斜長(zhǎng)片麻巖巖組。礦區(qū)分為南北2個(gè)礦段，共發(fā)育工業(yè)礦體17條。南礦段礦體露頭發(fā)育，主礦體賦存于含石墨黑云斜長(zhǎng)片麻巖中。北礦段覆蓋3~15 m厚的第四系，主礦體賦存于石墨片巖中。礦體與圍巖呈漸變關(guān)系，呈層狀產(chǎn)出。全礦區(qū)估算推斷的石墨礦石量為4 080.33萬(wàn)t，石墨礦物量為165.10萬(wàn)t，平均品位為4.05%。南礦段石墨礦物量為112.28萬(wàn)t，平均品位為4.15%；北礦段石墨礦物量為52.81萬(wàn)t，平均品位為3.84%。

2 三維地質(zhì)建模

傳統(tǒng)地質(zhì)工作將三維的地質(zhì)信息進(jìn)行二維投影，制作各類平面圖件，滿足一般地質(zhì)工作要求，但存在三維空間信息表達(dá)能力不足，難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新等缺點(diǎn)。礦區(qū)三維地質(zhì)模型的建立和模擬，可以對(duì)礦體的空間分布有更直觀的認(rèn)識(shí)，更準(zhǔn)確地估算資源量，為后期礦山勘查、開采設(shè)計(jì)、資源量動(dòng)態(tài)管理、礦山數(shù)據(jù)化建設(shè)等方面工作提供基礎(chǔ)［7-8］。

本次建模過程基于國(guó)產(chǎn)三維地質(zhì)軟件3DMine平臺(tái)，基本流程是先建立礦區(qū)的地表DTM模型、地層地表模型，準(zhǔn)確掌握礦區(qū)地層走向特征；再建立鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)，手工或自動(dòng)圈定礦體輪廓線；通過輪廓線連接或外推三角網(wǎng)，構(gòu)建礦體三維實(shí)體模型；通過鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)，生成組合樣品點(diǎn)；最后建立礦體塊體模型，創(chuàng)建搜索橢球體，通過距離冪次反比法對(duì)塊體進(jìn)行賦值，進(jìn)行資源量估算。

2.1 地表DTM模型

數(shù)字地面模型簡(jiǎn)稱DTM模型，由一系列點(diǎn)或線聯(lián)接成不封閉的三角面，形象模擬了礦區(qū)的地形特征，也可以用來(lái)模擬斷層等構(gòu)造，是后期建模的基礎(chǔ)之一。利用礦區(qū)地形測(cè)量數(shù)據(jù)，如等高線數(shù)據(jù)，通過工具菜單中的屬性數(shù)學(xué)計(jì)算，將高程數(shù)據(jù)賦給等值線屬性Z值，利用表面菜單中的生成DTM表面功能，即可生成礦區(qū)的地表DTM模型（圖1）。

2.2 地層表面模型

地層表面模型可以直觀顯示各套地層在地表的展布。平面的地質(zhì)界線或者地質(zhì)區(qū)文件導(dǎo)入軟件，通過表面菜單中的閉合線裁剪DTM功能，或者DTM分離表面功能，即可生成地層表面模型（圖2）。

2.3 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)建立

地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)、管理各類探礦工程及相關(guān)分析測(cè)試數(shù)據(jù)，不同的三維地質(zhì)建模平臺(tái)有不同的格式要求［9-10］。本次工作基于3DMine軟件要求，整理了定位表、測(cè)斜表、巖性表和分析表，導(dǎo)入地質(zhì)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。探槽可以作為特殊形式的鉆孔錄入。定位表包括工程的孔口位置、深度、類型等信息；測(cè)斜表記錄工程的測(cè)斜信息；巖性表記錄沿工程的巖性變化，分析表記錄樣品分析測(cè)試結(jié)果。本次研究共整理13個(gè)鉆孔及探槽、1 025件化學(xué)分析樣品數(shù)據(jù)。通過個(gè)性化顯示，展示沿孔跡線的巖性、品位等信息，有助于礦體形態(tài)的理解，圈定礦體或礦化域輪廓（圖3）。

2.4 礦體輪廓線圈定

根據(jù)鉆孔品位數(shù)據(jù)，結(jié)合地層、巖性、構(gòu)造以及礦體產(chǎn)狀等地質(zhì)特征，首先在鉆孔菜單下，通過手工或品位約束圈定符合一般工業(yè)指標(biāo)要求的礦體截面，再在剖面模式下，依據(jù)實(shí)際的勘探線網(wǎng)度及外推準(zhǔn)則，圈定剖面上的礦體、夾石的輪廓線（圖4）。

2.5 實(shí)體模型創(chuàng)建

實(shí)體模型是一組封閉、中空的三角網(wǎng)，用來(lái)描述物體在三維空間中的輪廓，具有固定的體積。礦體的三維實(shí)體模型可以直觀的展示礦體的空間分布形態(tài)，檢驗(yàn)礦體圈定的合理性。通過實(shí)體工具，連接或外推各剖面上的礦體輪廓線，可生成礦體實(shí)體模型。納欽圭阿石墨礦南礦段礦體三維實(shí)體模型見圖5。

3 距離冪次反比法估算

納欽圭阿石墨礦體呈層狀產(chǎn)出，工程間距大，樣品數(shù)量少，因此采用距離冪次反比法進(jìn)行資源量估算，即按照距離越近權(quán)值越大的原則估計(jì)空間樣品品位，再通過塊體約束等方式進(jìn)行資源量估算。

3.1 組合樣品

樣品組合是將空間上長(zhǎng)度不等的樣品量化到等長(zhǎng)的離散點(diǎn)，以保證參數(shù)統(tǒng)計(jì)的無(wú)偏估計(jì)。基于建立好的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，先按原樣長(zhǎng)度提取樣品數(shù)據(jù)，并進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)，確定代表性樣長(zhǎng)、處理特高品位等。本研究按照2 m的樣長(zhǎng)進(jìn)行樣品組合，可以得到組合樣品空間分布的線文件，在資源量估算時(shí)調(diào)用。

3.2 創(chuàng)建塊體模型

塊體模型又稱為塊模型或品位模型，即根據(jù)礦體的空間形態(tài)，按一定的塊體尺寸將礦體實(shí)體模型的空間區(qū)域劃分為一系列小塊體，塊體模型屬性記錄在塊體質(zhì)心點(diǎn)上，可以添加礦巖類型、礦種、品位、體積質(zhì)量、資源類別等屬性。塊體尺寸的選定取決于礦體的類型、規(guī)模和采掘方式。本次研究設(shè)置塊體尺寸為10 m×10 m×2 m，次級(jí)模塊大小為5 m×5 m×1 m，塊體尺寸越小，估算越精細(xì)，計(jì)算量越大（圖6）。

3.3 估值參數(shù)設(shè)置

因?yàn)槭V品位變化系數(shù)小，因此距離冪次反比法進(jìn)行估值時(shí)冪次選為2次。搜索橢球體參數(shù)設(shè)置中，主軸搜索半徑一般設(shè)為剖面上最小工程間距的2~3倍，主軸方位角即礦體走向，主軸傾伏角指礦體傾伏角度；主軸/次軸比為礦體走向長(zhǎng)度與傾向?qū)挾戎龋鬏S/短軸比為礦體長(zhǎng)度與厚度之比。本次研究采用的估值參數(shù)見表1。

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搜索橢球體形態(tài)需與礦體形態(tài)一致，才能正確進(jìn)行品位估值（圖7）。第一次估值不一定能將全部塊體估值，需調(diào)整參數(shù)進(jìn)行多次估值，如成倍放大搜索半徑、減少最少樣品數(shù)等，直到礦體內(nèi)部所有塊體估值完成。

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3.4 資源量報(bào)告

在塊體估值完成后，可以方便地進(jìn)行資源量管理、礦體品位區(qū)間分布展示。通過塊體菜單的報(bào)告功能，采用不同的條件約束，可以生成多種需求的報(bào)告，如不同實(shí)體、閉合線臺(tái)階、噸位品位分布圖等。以礦區(qū)南礦段I1主礦體為例，其不同中段資源量及品位見表2，礦體塊體模型據(jù)品位著色效果見圖8。

4 估算結(jié)果對(duì)比

對(duì)比研究距離冪次反比法、傳統(tǒng)垂直斷面法及基于三維模型的垂直斷面法3種不同估算方法在礦體的體積、品位、資源量方面的差別。以I1主礦體為例，其結(jié)果見表3。礦石量方面，傳統(tǒng)剖面法使用公式計(jì)算的體積為近似值，而三維軟件計(jì)算的體積更為精確［11］，而距離冪次反比法與三維實(shí)體模型計(jì)算出的體積差異來(lái)源于邊部塊體的劃分。品位估值方面，距離冪次反比法估算的平均品位與傳統(tǒng)剖面法相對(duì)誤差為-7.81%，這是由于傳統(tǒng)剖面法用單工程、面積、體積加權(quán)平均而來(lái)的品位替代整個(gè)塊段的品位，而沒有考慮品位在空間距離上的變化。礦物量方面，距離冪次反比法與傳統(tǒng)剖面法估算結(jié)果相對(duì)誤差為-3.64%，顯示了較好的一致性。

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5 結(jié)論

根據(jù)納欽圭阿石墨礦的地形地質(zhì)圖、鉆孔測(cè)斜、分析測(cè)試等數(shù)據(jù)，基于3DMine軟件平臺(tái)，構(gòu)建了該礦的地表模型、地層表面模型、礦體實(shí)體模型及鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)，直觀、準(zhǔn)確地展示了礦體的空間形態(tài)特征。在礦體實(shí)體模型和鉆孔數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立了塊體模型，采用距離冪次反比法進(jìn)行品位估值和資源量估算。

距離冪次反比法資源量估算結(jié)果與垂直斷面法相對(duì)誤差較小，表明模型估算結(jié)果較為可靠。通過模型約束功能，可以快速實(shí)現(xiàn)不同空間、品位區(qū)間資源量的自動(dòng)化估算。三維地質(zhì)模型的建立，為礦山的進(jìn)一步勘查、開采、資源量動(dòng)態(tài)管理及數(shù)字化礦山建設(shè)提供了高效、科學(xué)的應(yīng)用基礎(chǔ)。