膠西北地區三維地質模型構建及意義

姚錚，賀春艷，郭國強，劉輝

(山東省物化探勘查院，山東 濟南 250013)

0 引言

三維地質建模是運用計算機技術，在虛擬三維環境下，將空間信息管理、地質解譯、空間分析與預測、地學統計、實體內容分析以及圖形可視化等工具結合起來,并用于地質分析的技術[1]。

國外三維地質建模的概念最早是由加拿大 Simon W.Houlding 于1993年提出的,但對三維建模理論的研究由來已久。國內對三維地質建模研究始于20世紀80年代末，標志是對Earth Vision軟件的引入。隨后，國內的許多學者分別在不同的領域對三維地質建模技術的理論和方法、三維地質建模軟件開發等方面進行了大量的探索，為描述三維地下空間提出了許多針對性的建模方法[2]。近年來出現了一批不錯的三維地質建模軟件，廣泛應用于地學領域。如在礦體空間實體模型、資源儲量估算、勘查預測、巷道開采現狀、開采方案優化等方面，常用三維建模軟件主要有3DMine、Surpac、Micromine等[3]。

本次三維地質建模工作是基于北京超維創想信息技術有限公司開發的Creatar XModeling平臺開展的。該平臺是一套以地質工作過程為引導，結合計算機技術和教學方法，利用各種相關地質資料中提取出來的地質要素信息，對地質現象進行三維重建、展現和分析的軟件平臺。利用該平臺，可展現地層、巖體、構造等地質現象的空間幾何特征、內部屬性特征以及相互關系等地質信息，更直觀地進行礦體定位預測，具有自動、半自動地質建模、處理各種復雜地質現象、多種建模方法融合、多種數據輸出格式等特點。

1 膠西北地質概況

膠西北礦集區處于華北板塊(Ⅰ級)東南緣，屬膠遼地塊(Ⅱ級)膠北隆起(Ⅲ級)西部，東南側相鄰蘇魯造山帶，西為沂沭斷裂帶,南為膠萊盆地,東南以牟平-即墨斷裂帶與膠南-威海造山帶分界。研究區所處的成礦區(帶)與成礦遠景區處于華北地臺成礦區(Ⅱ-4)、魯東成礦區(Ⅲ-15)、膠西北成礦區(Ⅳ-1)。位于招遠-掖縣(萊州)成礦帶內，東部為蓬萊-棲霞成礦帶，地質構造復雜，成礦條件優越。區內巖石以結晶基底和中生代侵入巖為主，超90%金資源產自膠西北的伸展構造帶內[4]。

膠西北地區出露地層主要分布于建模區北部、東南部和西部沿海地帶，出露太古宙、元古宙基底變質巖系、中生代白堊系及新生代古近系、新近系和第四系，其中元古宙地層發育古元古代荊山群、粉子山群、蓬萊群，中生代地層自下而上可分為萊陽群、青山群、王氏群。區域內巖漿巖極其發育，由老到新主要有新太古代馬連莊序列、棲霞序列，古元古代萊州序列，中生代玲瓏序列、郭家嶺序列、偉德山序列、嶗山序列。構造系統復雜，以斷裂構造為主，主要有三山島斷裂、焦家斷裂、金華山斷裂、玲瓏斷裂、招平斷裂、豐儀斷裂等。

2 三維地質建模流程

2.1 區域定義

建模區域如圖1所示，收集了區域地質圖、地表高程數據、重磁數據、鉆孔數據、測井數據。確定建模區域、建模方法以及基礎數據和約束數據的來源。

1—第四系；2—白堊紀-古近紀王氏群；3—白堊紀青山群；4—白堊紀萊陽群；5—新元古代蓬萊群；6—古元古代粉子山群；7—古元古代荊山群；8—白堊紀嶗山序列；9—白堊紀偉德山序列；10—白堊紀郭家嶺序列；11—侏羅紀玲瓏序列；12—侏羅紀文登序列；13—古元古代雙頂序列；14—古元古代萊州序列；15—新太古代棲霞序列；16—新太古代馬連莊序列；17—潛火山巖；18—地質界線；19—平行不整合界線；20—實測斷層；21—推斷斷層；22—建模剖面位置及編號圖1 山東省膠西北三維地質建模范圍及建模剖面位置圖

2.2 數據處理

本次建模級別到群級，太古代地層在建模區內零星出露、分布局限不連續，第四系厚度非常小，對區內深部金礦評價方面并無實際作用，均不列為此次參與建模的基礎地質單元。為全面覆蓋建模區域，本次以線距2.5km，方位130°，設計如圖1所示47條剖面線，由專業地質人員以1∶25萬區域地質填圖和局部深部鉆探資料為依據依次繪制1500m以淺地質剖面圖，以此為約束，利用重磁聯合反演方法推斷這些剖面10km以淺深部地質結構，建立2D地質模型，形成最終10km深度的地質剖面圖作為建模基礎數據。

2.3 三維地質模型構建

本次采用復雜交互建模方式進行三維建模。第一步，數據輸入，即輸入重磁聯合反演構建的2D地質模型組。第二步，邊界信息提取及編輯。先要輸入建模邊界,既在插入的地質剖面外圍圈出建模邊界，然后將每一條斷裂帶及地層的約束線提取出來，本次共需建立三山島斷裂、焦家斷裂、金華山斷裂、玲瓏斷裂、招平斷裂、豐儀斷裂、平度斷裂7條斷裂帶，其主要特征見表1；需要提取的地層約束線包括新生代地層，中生代王氏群、青山群、萊陽群，元古代蓬萊群、粉子山群、荊山群，侵入巖序列包括白堊紀偉德山序列、白堊紀郭家嶺序列、侏羅紀玲瓏序列、古元古代萊州序列、新太古代棲霞序列、新太古代馬連莊序列，圖3展示了區內粉子山群、棲霞序列、玲瓏序列以及斷裂帶的約束線提取過程，在提取過程中對數據量少和不滿足建模條件的地方需要添加約束信息。第三步，自頂向下依次對各個地質體進行三維成體。在建模邊界內，首先將提取出的斷層約束信息按照傾向和走向分類依次添加到模型區各個斷層中，之后依次生成斷層系統，斷層系統生成后按照自頂而下的空間順序依次建立區內的各個地質體，地質體成體的順序首先是局部包裹體，如萊州序列，其次是地層系統的三維成體，最后生成群內的巖漿巖系統，最終成圖如圖2所示。

表1 參與三維地質建模的斷裂系統一覽表

1—第四系；2—白堊紀-古近紀王氏群；3—白堊紀青山群；4—白堊紀萊陽群；5—新元古代蓬萊群；6—古元古代粉子山群；7—古元古代荊山群；8—白堊紀偉德山、嶗山序列；9—白堊紀郭家嶺序列；10—侏羅紀玲瓏序列；11—新太古代棲霞序列、古元古代雙頂序列；12—新太古代馬連莊序列；13—古元古代萊州序列圖2 山東省膠西北三維地質模型

3 三維模型展示

3.1 地層三維形態

新生代五圖群主要位于建模區北部，三維形態顯示為厚度由NW向SEE方向逐漸變深，最大厚度約為標高-3000m。中生代白堊紀—古近紀王氏群、白堊紀青山群、白堊紀萊陽群大規模分布于建模區東南部，推斷萊陽群底板標高約為-2800m左右，西南部沉積盆地東側受斷裂構造控制明顯，盆地底板由南向北逐漸加深，最大深度約為標高-2650m左右(圖3)。古元古代蓬萊群主要發育在建模區北部，由西北向南向東逐漸變厚，底板最大深度約為標高-5700m。粉子山群主要分布在建模區西部，自東向西逐漸變厚，在西北部底板埋深達到最大，標高約為-4800m左右。荊山群在建模區南部廣泛分布，其頂面和底板為波狀起伏特征，在建模區東南部，荊山群地層底板埋深達到最大，標高約為-7500m左右，厚度可達6000m左右(圖4)。

圖3 中-新生代沉積地層三維形態

圖4 古元古代沉積地層三維形態

3.2 巖漿巖三維形態

膠西北巖漿活動頻繁，具有多期多旋回的特點[5]。由圖5所示棲霞序列在模型區西北部、東南部大面積展布，推斷為區內古老陸殼的主要組成物質，其頂面在萊州市南部，作為盆地底界呈波狀起伏特征，其底板則無限延伸至建模區底界。古元古代萊州序列和新太古代馬連莊序列零星展布于棲霞序列中或被玲瓏巖體俘獲呈俘虜體形式殘存。玲瓏序列自南向北貫穿整個模型區，與東側棲霞序列為斷層接觸關系，該斷層即為區內三大控礦構造帶招平斷裂帶，玲瓏巖體自西北方向侵入，與三山島斷裂下盤的巖體相連，超覆于下部棲霞序列之上。郭家嶺序列位于建模區北部，將玲瓏序列透明度調整到50%后，可以清晰地看到郭家嶺序列與玲瓏序列之間接觸面較為陡立，向深部延伸范圍有限。偉德山、嶗山序列主要分布在建模區南部，在地表出露非常局限，但該套巖體有一定的展布規模和深度，是玲瓏巖體后期侵入的中生代巖體，它們與玲瓏巖體的空間關系如圖6所示。

1—白堊紀偉德山、嶗山序列；2—白堊紀郭家嶺序列；3—侏羅紀玲瓏序列；4—新太古代棲霞序列、古元古代雙頂序列；5—新太古代馬連莊序列；6—古元古代萊州序列；a—侵入巖全景顯示；b—玲瓏序列三維形態；c—偉德山、嶗山、郭家嶺序列三維形態；d—棲霞、雙頂序列三維形態圖5 山東省膠西北巖漿巖三維形態

圖6 山東省膠西北中生代主要巖體空間關系

4 三維地質建模意義

4.1 使基礎地質研究形象生動直觀易懂

三維地質建模加強了基礎地質研究工作數字化、立體化、可視化，易于被非專業人士理解與應用。可以有效透視地下地質結構，從而有助于發現隱伏礦床，揭示地質災害孕育的深部背景、機理和隱患，實現對地質資源和地質環境的有效管理、利用和保護。

4.2 清晰反映巖漿巖體之間的關系

證實該區域礦產形成時間主要為中生代時期，與大規模巖漿活動密切相關[6-12]。三維模型清晰地揭示了偉德山、嶗山序列花崗巖侵入玲瓏序列花崗巖內部，是玲瓏巖體后期侵入的中生代巖體，玲瓏序列花崗巖與郭家嶺序列花崗巖在空間上緊密伴生，接觸面較為陡立，向深部延伸范圍有限，在東部，玲瓏序列花崗巖與棲霞片麻巖套成斷層接觸關系，在北部，棲霞片麻巖套為主要基底，玲瓏巖體出露地表，中生代沉積盆地和古元古代荊山群等沉積地層的展布在柵欄圖中也得以很好的體現。該區多期多成因的巖漿活動，構成了優越的區域成礦地質背景條件[13-14]，區域殼幔物質交換、巖漿活動等為成礦作用提供了充足的成礦物質、良好的導流網絡、豐富的成礦流體等必備條件[15-16]

4.3 全方位展示斷裂帶之間的關系

斷裂構造的變化形態，證實膠西北階梯式成礦模式[17]，礦床分布和礦體定位受斷裂帶三維結構控制[18]，指示深部找礦方向。在眾多成礦控礦因素中，區域性斷裂構造是重要的主導因素[19]。圖7中可以看出三山島斷裂和焦家斷裂都呈上陡下緩的鏟式構造[20]，焦家斷裂在深部與三山島斷裂呈交匯關系。招平斷裂帶是區內規模最大的一條NNE、NE向斷裂帶，也呈現上陡下緩特征，是多次活動的產物[20]，焦家斷裂與招平斷裂二者為向背而傾的關系。玲瓏斷裂在走向上切割招平斷裂北段以及焦家斷裂北段。豐儀斷裂北部在豐儀附近與招平斷裂破頭青段有聚合趨勢，斷裂帶南端與招平斷裂帶逐漸聚合。平度斷裂則位于建模區最南端，呈近似EW走向，傾向S，傾角較陡。金華山斷裂南北延伸長度大，且走向上呈現多次擺動的特點。

圖7 山東省膠西北地區主要斷裂構造三維俯視圖

三山島、焦家和招平斷裂是深部礦床賦存主要控礦斷裂[17-18，20]，均為上陡下緩的鏟式斷裂，在走向上呈現多次擺動的特點，在傾向上均有若干“凹”型及“凸”型面空間，在斷裂拐彎部位、傾角變換部位、交匯部位有利于礦產賦存[6]，三維模型的構建，有助于掌握成礦構造形態、分布，從而得到有利成礦部位的位置，進而指示深部找礦方向。

5 結論

(1)玲瓏巖體由地表向深部寬度(EW向)逐漸變寬，大致呈梯形、似層狀產出，巖體向南部發育厚度變大，侵入兩側棲霞片麻巖中，巖體東側邊界整體受招平斷裂帶控制。

(2)郭家嶺型花崗巖與玲瓏型花崗巖的接觸面較為陡立，向深部延伸范圍有限。

(3)偉德山和嶗山型花崗巖在郭家店一帶地表有2處零星出露點，巖體向深部規模逐漸變大，并且連為一體，具有較大的展布規模和深度。

(4)三山島、焦家和招平斷裂均為上陡下緩的鏟式斷裂，在走向上呈現多次擺動的特點，在傾向上均有若干“凹”型及“凸”型面空間，與金礦大規模富集成礦有密切關聯。

此次三維地質建模將膠西北地區10km以淺的主要地質結構和構造單元的三維空間特征在3D平臺形象進行全方位、立體展示，雖然此次建模鉆孔數據較少，三維地質建模技術還存在多種問題，但隨著軟件逐漸成熟、性能更加穩定，為科研人員和生產單位在今后相關工作或科研活動中，特別是在解決深部地質作用、深部成礦地質背景、重點礦集區深部找礦預測、圈定靶區等方面能夠提供一些可參考的、直觀的立體信息和線索。