魯西歸來莊金礦床三維地質建模及深部成礦預測

馮璽平 張英梅 安茂國 陳昆明 孟祥偉 陳麗靜 邱昆峰

(1.山東省魯南地質工程勘察院(山東省地質礦產勘查開發局第二地質大隊),山東 濟寧 272100;2.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院,北京 100083)

隨著電子計算機技術和數據信息可視化技術的迅速發展,三維地質信息內容可視化技術在三維地學仿真模擬方向取得了重大進展[1-3]。20 世紀80年代后期,三維地質建模開始在我國出現并使用,現已廣泛應用于油氣勘探、礦產勘查、礦山建設設計和礦山生產管理等領域[4-5],主要應用于礦體分布規律研究、儲量估算及資源量評價、找礦預測等方面,常用的建模方法有鉆孔數據庫建模、大比例尺剖面建模和三維數據場建模[6]。三維地質可視化技術的研究及應用發展為礦產資源預測提供了新思路。近年來,國內三維建模技術日趨成熟,成礦預測研究進入了新的階段,傳統的二維礦產資源定量預測評價開始轉變為基于三維空間立體的預測評價體系[7-8]。以王功文、陳建平、肖克炎等為代表的一批學者,通過創建三維地質實體模型、塊體模型,構建三維預測模型,圈定找礦靶區,實現了隱伏礦床的定量測量,提出了深部隱伏礦體立體定量預測研究方法和技術框架,形成了一套基于三維建模的“立方體預測模型”找礦理論,并在云南個舊超大型錫多金屬礦集區、河南欒川鉛鋅銀多金屬礦集區、膠東金礦集區等多個礦區取得了顯著的找礦效果[9-14]。

歸來莊金礦床是我國首例碲金型淺成低溫熱液金礦床[15],主礦體受斷裂帶控制,其形態、產狀變化大,深部具有舒緩波狀、分枝復合的特點,在二維空間難以準確把握礦體的空間產狀特征及向深部延伸的變化規律,限制了深部找礦工作的有效開展。本研究運用Micromine 三維地質建模軟件,將礦區地質信息數據從二維地學信息制圖轉至三維成礦地質體建模,彌補了傳統二維圖件表達地質特征不直觀、信息更新困難的不足,實現了地質體三維空間的可視化,直觀展示各地質要素空間分布形態及其內在聯系。利用三維地質模型,開展三維空間控礦斷裂帶延伸趨勢和原生暈地球化學數據的分析,圈定深部找礦靶區并進行了工程驗證,證實靶區預測的可靠性。

1 區域地質背景和金礦床概況

1.1 地質背景

歸來莊金礦位于沂沭斷裂帶西側、魯中隆起區,處于臨沂凸起與尼山凸起接壤部位東側[16](圖1)。該區寒武紀長清群及九龍群地層與金礦成礦關系密切。近SN 向燕甘斷裂帶在區內連續出露且規模宏大,斷裂東西兩盤出露地層時代、巖性等差異較大,東盤主要由寒武紀—石炭紀地層和白堊紀—古近紀地層組成,多被第四系覆蓋;西盤主要由新太古代和寒武紀地層組成。區內燕甘斷裂的主要次級構造按走向可分為EW 向、NNW 向和NE 向3 組,燕甘斷裂帶東盤近EW 向斷層——F1斷裂帶為歸來莊金礦床的控礦和賦礦構造。區內巖漿巖主要出露銅石雜巖體,在其周邊的碳酸鹽巖地層中有小型的隱伏巖床和巖株產出,巖漿活動具有多期次的特點,巖體為金礦的形成提供了成礦物質來源[17]。

圖1 平邑縣銅石地區區域地質特征Fig.1 Regional geological characteristics of Tongshi Area,Pingyi County

1.2 礦床地質特征

歸來莊金礦床由多個金礦體組成,金資源量約50 t。其中,① 號礦體規模最大,賦存于燕甘斷裂帶東側、近EW 向F1斷裂帶內,礦體礦化類型為脈狀構造—隱爆角礫巖型,屬中低溫熱液隱爆角礫巖型礦床[18]。其余礦體賦存于寒武紀朱砂洞組和張夏組地層中,屬“微裂隙浸染型”[19]。

① 號礦體賦存于F1構造蝕變帶及其次級構造內,整體形態呈大脈狀和“豆莢狀”(圖2),礦體整體走向近EW 向,傾向S,傾角在不同的深度范圍內具有差異,近地表礦體傾角為68°,-500 m 標高處礦體傾角變緩為40°左右,-700 m 標高左右礦體呈近水平分布,其特征與膠東金礦的階梯式成礦相似[20-21],深部礦體具有向南西側伏的趨勢[22]。礦體單工程厚度變化較大,為1.58～36.50 m,平均為7.19 m,厚度變化趨勢沿走向與沿傾向具有不同的特點:沿走向礦體近似呈透鏡體狀、中間厚兩側薄直至尖滅;沿傾向厚度變化不大、厚大部位多出現在傾角變化較大處,向深部逐漸呈尖滅趨勢。礦體金品位變化不均勻,為1.01～32.24 g/t,平均品位為7.45 g/t,淺部礦體品位較高,向深部金品位逐漸降低,甚至突變為未見礦。

圖2 歸來莊金礦區第32#勘探線剖面Fig.2 Profile of No.32 exploration line of Guilaizhuang gold mining area

1.3 控礦要素

研究區內廣泛發育有寒武紀和奧陶紀鈣鎂質碳酸鹽巖,巖性主要為灰巖和白云巖等。該類巖石地層脆性大、巖溶洞穴及裂隙發育且具有較強的化學活性,有利于含礦熱液的遷移、滲透和交代,易與礦液發生接觸交代反應形成金礦體[23-24]。

斷層破碎帶是重要的控礦因素,起到了導礦和容礦作用。歸來莊金礦體受控于近EW 向F1斷裂帶,該斷裂地表出露長度為2 200 m,傾向S,近地表傾角為45°～68°,向深部逐漸變緩至近水平,破碎帶寬0.60～29.30 m,其經歷了巖漿侵入、構造活動的多期次疊加,沿走向和傾向均呈舒緩波狀延展,具有膨脹狹縮、分枝復合等特征。F1斷裂帶蝕變主要有螢石化、硅化、黃鐵礦化、褐鐵礦化和泥化等,在蝕變疊加部位為金礦化富集地段[25]。

礦區內中生代巖漿活動強烈且頻繁,期次多、范圍廣,形成了出露面積近45 km2的銅石雜巖體,巖體的巖性主要有二長閃長玢巖、二長斑巖和隱爆角礫巖等。歸來莊金礦床內有多層呈巖床侵入的二長閃長玢巖等巖漿巖,巖漿巖與成礦關系密切,巖漿沿構造裂隙侵入形成的構造角礫巖、上侵隱爆形成的隱爆角礫巖或巖漿巖體本身就是成礦的有利部位。角礫巖中發育多種蝕變,主要有硅化、螢石化、黃鐵礦(褐鐵礦)化和碳酸鹽化等,并伴有金礦化[26]。

2 三維地質建模

本研究選取Micromine 軟件進行地質建模,該款軟件的優點在于三維可視化立體直觀,具有強大的編輯校驗功能、繪圖功能,還可與常用的地質繪圖軟件MapGIS、ArcGIS、Auto CAD 等進行圖件轉換,避免了手動輸入數據的繁瑣,大大提高了工作效率。此外,其數據分布統計功能異常強大,在儲量估算及管理、礦山設計及生產管理等方面得到了廣泛應用[27-28]。本研究建模區域為山東省平邑縣歸來莊金礦區,極值地理坐標為東經117°47′08″～117°48′24″,北緯35°21′32″～35°22′24″,東西寬約1.9 km,南北寬約1.6 km,面積約3 km2,建模最深標高至-1 200 m。

2.1 建立地質數據庫

以鉆孔數據作為三維地質建模的數據基礎,建立歸來莊金礦區鉆孔地質數據庫。本次共收集錄入了歸來莊金礦區147個相關鉆孔的原始數據,鉆孔分布于23條SN 向勘探線上,孔深30.08～1 174.8 m,所錄鉆孔中有107個鉆孔揭露了歸來莊金礦床①號礦體,控制礦體標高為+130～-640 m。鉆孔信息數據包括測斜數據1 265條,巖性數據4 166條,樣品分析數據14 547個,分成4個屬性表格分別錄入,數據結構構成詳見表1,鉆孔數據最終以*.DAT 的形式進行保存。

表1 鉆孔數據庫結構Table 1 Structure of drilling database

2.2 三維實體模型構建

采用剖面線法構建三維實體模型,共切割23條地質剖面,剖面呈SN 向,垂直于礦體走向。根據鉆孔控制程度的不同,剖面規格分為兩種:東部剖面長度1 300 m、間距50 m,共13條;西部剖面長度1 000 m、間距100 m,共10條。各剖面揭露地層劃分到組,由淺到深分別為馬家溝群北庵莊組、東黃山組,九龍群三山子組、炒米店組、崮山組、張夏組、饅頭組、朱砂洞組、泰山巖群山草峪組,地層間有厚大的中生代二長閃長玢巖呈巖床產出。在圖切剖面上圈定出礦體、地層和斷裂帶,形成多個封閉的多邊形,利用創建線框工具,將多個封閉多邊形分別連接成礦體、地層—巖體、斷裂構造實體模型(圖3)。

圖3 歸來莊金礦床三維地質模型Fig.3 Three-dimensional models of orebody,stratum,fault structure and their overlay model

由圖3 可知:歸來莊礦體呈舒緩波狀,角礫巖帶上寬下窄,控礦斷裂F1傾向延深大于走向延伸,具有向SW 側伏的趨勢,側伏方位為210°～230°;地層實體模型反映出區內地層產出穩定,整體傾向NE,厚大二長閃長玢巖順層侵位于寒武紀地層中,呈巖床形式產出;斷裂帶由淺部向深部逐漸變緩,有向SW 側伏的趨勢,礦體嚴格受斷裂帶控制。

2.3 三維地球化學原生暈模型構建

在歸來莊金礦床內采集了不同深度的727 件地球化學原生暈樣品,分別對Au、Mo、Ag、Pb 和Ba 等15種元素開展了原生暈地球化學分析,利用鉆孔數據庫及三維地質實體模型,構建了歸來莊主礦體地球化學三維模型。

在鉆孔數據庫中提取鉆孔三維離散樣品數據,以對應樣品中心的三維離散點形式輸出,建立空塊模型,采用距離冪次反比法對空塊模型進行插值。依據已知礦體的形態、走向、傾向和空間分布特征確定搜索方向,以地質剖面間距、樣品分布間距為準則確定的搜索半徑水平方向為200 m,垂直方向為50 m,主軸/半主軸比值為2,主軸/次軸比值為2,建立橢球體進行空間約束插值。根據賦值的小立方體中元素含量值的變化賦予顏色譜系,直觀、立體地展示原生暈三維數據分布特征。

3 成礦預測與驗證

3.1 原生暈地球化學三維空間分析

本研究對歸來莊主礦體地球化學原生暈開展三維空間分析,分別進行了各類元素的相關性分析、聚類分析和因子分析等,結果表明:① Au與Te、Pb、Zn、Ag、Tl、Se、Sb、F 和W 等元素呈正相關,特別是與Te、Pb、Zn 和Ag 的相關性較高,即這4個元素是金礦化的良好指示元素;② 各元素出現多個異常中心,表明成礦具有多期性和多階段性;③ 鉆孔原生暈垂向分帶為As、Sb、Tl—Au、Te、Ag、Pb、Zn、Se—Bi、F、V、Cr、Mo、W;④ 成礦元素Au 在中部和南部具有很強的內帶異常(圖4(a));⑤ 頭暈元素As、Sb、Tl 在礦區中部和南部表現出2個異常中心,呈現出較強的內、中帶異常,礦體深部則為較強的外帶異常(圖4(b)、圖4(c)和圖4(d)),顯示礦體深部尚未封閉,深部仍有較好的礦化前景。

圖4 礦區鉆孔原生暈三維地球化學異常圖Fig.4 Three-dimensional geochemical anomaly stereogram in borehole primary halo in mining area

3.2 深部成礦預測

三維地質建模技術在大比例尺成礦預測中發揮著重要作用,尤其是對深部盲礦體的預測,能夠直觀、立體地再現地質體的空間分布規律及其相互關系,有利于挖掘潛在的地質信息。同時將三維地質模型與物化遙等信息進行有效耦合,能夠進行全方位、高精度的成礦預測。對于歸來莊金礦床,利用構建的三維地質疊加模型和三維地球化學原生暈模型,并結合成礦地質條件分析,可以對深部成礦預測提供強有力的證據,指導開展礦體定位預測。

歸來莊金礦①號礦體形態嚴格受F1斷裂帶控制,礦體深部延伸趨勢與斷裂帶的延伸趨勢一致。根據已控制的部分斷層產狀和建立的斷裂帶三維模型,經數值模型擬合分析,斷裂帶按2°～5°傾角沿側伏向向深部延伸,每向西延伸100 m,沿垂深下降10～20 m,在標高-750～-800 m 范圍內F1斷裂帶將切割朱砂洞組丁家莊段灰巖和白云巖;在標高-800 m 左右,切割蓋基(蓋層—基底)結合面(圖5)。結合控礦要素分析,F1斷裂帶與朱砂洞組灰巖和白云巖交匯部位、切割蓋基結合面部位是金礦成礦有利地段,可作為重要的預測靶區。若F1斷裂帶切割蓋基結合面向深部延伸,有望實現歸來莊金礦床-800 m 以深找礦新突破。

圖5 歸來莊金礦床①號礦體延伸趨勢示意Fig.5 Schematic of progressive tendency of No.① orebody in Guilaizhuang Gold Deposit

3.3 靶區驗證

依據前述分析,認為歸來莊深部礦體仍有延伸,具有良好的找礦前景。于深部施工6個鉆孔對預測礦體進行驗證,其中4個鉆孔揭露了主礦體(表2、圖6),擴大了主礦體規模,控制主礦體最深為標高-735 m,證實礦體具有尖滅再現特征,另外2個鉆孔揭露了有礦化顯示的斷裂帶角礫巖,說明本研究深部找礦靶區預測結果較為可靠。鉆探驗證中,在朱砂洞組丁家莊段灰巖及白云巖地層中揭露有近水平產出的金礦(化)體,地質特征與磨坊溝式金礦體類似[29],進一步拓寬了該區深部找礦方向。

圖6 歸來莊金礦床45#勘探線剖面Fig.6 Profile of No.45 exploration line of Guilaizhuang Gold Deposit

表2 設計鉆孔見礦數據Table 2 Ore discovery data of the designed boreholes

4 結 論

(1)利用Micromine 三維建模軟件構建了歸來莊金礦床地層—巖體模型、斷裂構造模型、礦體模型和地球化學原生暈模型,直觀展現了三維成礦控制因素的空間展布及其相互關系,將二維地質制圖拓展到三維空間模型,為開展三維尺度的成礦預測提供了地質支撐,有助于解決傳統二維尺度成礦預測難度大、精確度低的難題。

(2)通過構建各元素原生暈三維異常模型,分析了成礦成暈元素在三維空間的分布規律,認為礦區Te、Pb、Zn 和Ag 是金礦化的良好指示元素,且該區成礦具有多期性和多階段性;頭暈元素As、Sb、Tl 等深部顯示為較強的外帶異常,結合控礦要素分析,認為深部具有較大的找礦前景。

(3)通過對歸來莊金礦深部開展鉆探驗證,擴大了主礦體規模,礦體標高最深至-735 m,顯示礦體具有尖滅再現的特點,證實本研究所預測的深部找礦靶區較為可靠;在深部發現并評價了“磨坊溝式”金礦體,進一步拓寬了該區深部找礦方向。