川西四家寨金礦三維模型對找礦預(yù)測的啟示

范鈺婷, 陶思影, 李紅賓, 謝卓麟, 王帥, 梁景利, 董國臣*

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院, 北京 100083; 2.華北地質(zhì)勘查局514地質(zhì)大隊(duì), 承德 067000)

20世紀(jì)以來,伴隨著經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展,大規(guī)模礦產(chǎn)開發(fā)利用。急速消耗的礦產(chǎn)資源使得地表以及淺地表礦產(chǎn)開發(fā)殆盡,尋找隱伏礦和深部礦已經(jīng)成為各個國家和地區(qū)找礦的主要目標(biāo)[1]。以往的地質(zhì)數(shù)據(jù)如:二維剖面圖、平面圖及等高線不能直觀準(zhǔn)確地反映隱伏礦體的具體地質(zhì)情況[2]。隨著計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)可視化技術(shù)迅速發(fā)展[3],礦體三維建模技術(shù)日漸成熟,在隱伏礦及深部礦的尋找預(yù)測方面具有顯著作用;在地形復(fù)雜的山區(qū)及斷裂發(fā)育的礦區(qū),礦體往往受斷裂帶控制,礦體形態(tài)規(guī)律性連續(xù)性受到構(gòu)造破壞,產(chǎn)狀變化大,二維空間難以準(zhǔn)確表示礦體的深部空間展布情況,限制深部找礦、預(yù)測工作的開展,而通過三維地質(zhì)建模可以實(shí)現(xiàn)隱伏礦體空間結(jié)構(gòu)、分布透明化,從而提高礦體探測效率[4],因此深部隱伏礦體的三維建模顯得尤為重要[5],這表明大比例尺礦區(qū)進(jìn)行資源預(yù)測時需要從二維平面預(yù)測轉(zhuǎn)變?yōu)槿S空間立體預(yù)測[6]。三維地質(zhì)可視化技術(shù)為深部礦產(chǎn)、隱伏礦體的預(yù)測提供了新思路,三維找礦信息的獲取、基于三維空間的資源預(yù)測評價(jià)方法、三維空間可視化技術(shù)等已成為當(dāng)前重要研究課題[7]。

3D地質(zhì)建模是解釋和可視化地下地質(zhì)的基本方法[8-9]。常用的礦體三維建模的軟件有:Surpac、FLAC3D、Micromine和AutoCAD等[10]。AutoCAD在中國應(yīng)用較早,最初是輔助二維平面圖繪制的軟件,后期加入三維圖形繪制模塊,但目前主要用于繪制,礦山井巷圖、開拓系統(tǒng)圖等二維平面圖以及礦山井下實(shí)測三維巷道圖;FLAC3D主要用于解決礦山建設(shè)中產(chǎn)生的工程地質(zhì)問題,常與PLAXIS、ANSYS等軟件配合,進(jìn)行工程數(shù)值模擬分析[11];Micromine主要用于資源評估、儲量計(jì)算及露天礦和地下礦礦山設(shè)計(jì)和開采。

Geovia Surpac于1981年由GEMCOM國際礦業(yè)軟件公司開發(fā),能夠提供必備的工具和數(shù)據(jù)輸出格式與專用流程和數(shù)據(jù)流對接的工作流程自動化功能,且該方法十分靈活,可以隨著地下施工的推進(jìn)而進(jìn)一步校準(zhǔn),實(shí)時更新,不斷地提供可靠真實(shí)的地質(zhì)體模型[12],實(shí)現(xiàn)高效率和高精準(zhǔn)度的雙贏。

現(xiàn)選取四家寨礦區(qū)進(jìn)行三維礦體建模,使用Surpac軟件利用礦區(qū)剖面數(shù)據(jù)建立礦體三維模型,期望三維模型能夠直觀地展示地下隱伏地質(zhì)體及礦體的空間形態(tài)、分布特征以及相互關(guān)系,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)隱伏礦體的推斷,為該地區(qū)的金礦勘查、深部找礦預(yù)測等提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

康定縣四家寨巖金礦地處大渡河西岸,構(gòu)造上位于揚(yáng)子地臺西緣南段[13],如圖1所示。區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂發(fā)育,巖漿活動和變質(zhì)作用強(qiáng)烈,屬近南北向大渡河金及多金屬成礦帶,其中攬上金礦床位于揚(yáng)子陸塊西緣康滇穩(wěn)定斷塊北端康定巖塊中。區(qū)域構(gòu)造為南北向大渡河韌性剪切斷裂帶,產(chǎn)于前震旦系結(jié)晶基底康定雜巖中,是康定雜巖中典型的石英脈型金礦床。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological schematic map of the study area

四家寨攬上金礦受斷裂控制明顯,主控?cái)鄬幼呦驗(yàn)楸睎|-北北東,西傾,以正斷層為主,斷裂走向北北東-北東,傾向北西,傾角45°～51°,在2 510 m中段6～8勘探線間見右行走滑正斷層。在2 510 m中段16勘探線處見北東向(南東傾)正斷層截切主斷裂。區(qū)域構(gòu)造區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動頻繁,一級構(gòu)造多為壓性、壓扭性,規(guī)模宏大,次級構(gòu)造多為壓性、張性、剪切斷裂帶,一般規(guī)模較小[14-15]。形成了主要由NE向、NNW向、SN向構(gòu)造帶構(gòu)成“Y”形為主體的構(gòu)造格局。區(qū)內(nèi)巖金分布較集中,有金礦52處,其中小型礦床 8處、礦點(diǎn)35處、礦化點(diǎn)9處,素有“大渡河金谷”之稱。

2 礦體分布特點(diǎn)

礦區(qū)控礦構(gòu)造為攬上斷層,攬上斷層于礦區(qū)中部、北部通過,向北延伸出礦區(qū)外,該斷層是區(qū)內(nèi)主要的含礦構(gòu)造之一,Ⅰ號礦體含礦石英脈產(chǎn)于該韌性剪切破碎帶中,石英脈寬度0.5～35 m,形態(tài)、產(chǎn)狀受該剪切帶控制。斷層整體走向近南北向,變化較大,南部呈北偏西,北部呈北偏東,其主控?cái)鄬幼呦蚓鶠楸睎|-北北東,傾向整體向西,傾角35°～65°。該斷層為韌性斷層,局部見后期脆性疊加。斷層破碎帶寬7～40 m,表現(xiàn)為強(qiáng)劈理化、糜棱巖化,顯示逆沖斷裂性質(zhì)。局部拉伸部位有黃鐵礦石英脈充填。

攬上礦體沿?cái)嗔驯睎|向分布,走向?yàn)楸北睎|、北西,向東傾,長度較均衡,約300 m,寬度相差較大,最寬處可達(dá)400 m,最窄處僅107 m,平均寬度約234 m,礦體厚度1～2 m,由中央向四周變薄直至尖滅,整體呈似囊透鏡狀,金品位變化較大,在0～4.31 g/t,平均品位1.5g/t,地表礦化程度低,向深部品位有增高趨勢[15]。

3 三維地質(zhì)建模

三維地質(zhì)建模通常是指建立適當(dāng)?shù)牡刭|(zhì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體及數(shù)據(jù)庫,用特定的算法在計(jì)算機(jī)內(nèi)部生成地質(zhì)模型,用來反映地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)要素、地質(zhì)空間內(nèi)部垂向和橫向分布規(guī)律[2],并且在三維建模過程中能從三維空間角度檢驗(yàn)原始數(shù)據(jù)的正確性、合理性[16]。利用研究區(qū)已有地質(zhì)和探采資料,基于Surpac三維建模軟件進(jìn)行地質(zhì)體的三維建模,三維地質(zhì)建模過程中結(jié)合野外實(shí)際地質(zhì)情況,提高地質(zhì)模型的可信度,使計(jì)算結(jié)果更具有可靠性,更貼合野外實(shí)際,同時三維地質(zhì)模型可以根據(jù)最新野外數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時調(diào)整更新[2]。建模數(shù)據(jù)主要包括1∶50 000地形地質(zhì)圖、17條勘探線剖面圖以及22條中段平面圖等[17]。其中,初始資料圖取自礦區(qū),缺乏制圖標(biāo)準(zhǔn),需要資料校對和處理,以及實(shí)地檢驗(yàn)修改。再將修正后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Surpac中,經(jīng)過如圖2所示系列操作流程形成三維地質(zhì)模型。

圖2 三維建模流程圖Fig.2 Flow diagram of the 3 D modeling

3.1 地表三維模型

地表三維模型(DTM)能夠自然地展示地形地貌特征,直觀的展示礦區(qū)地表與其他空間地質(zhì)體的三維空間位置關(guān)系[18],而地表三維模型是由具有高程信息的等高線或高程點(diǎn)構(gòu)成的,現(xiàn)利用礦區(qū)平面圖中的等高線信息,經(jīng)過空間校正后,這些數(shù)據(jù)是具有高程信息的等高線或高程點(diǎn)信息,然后轉(zhuǎn)入Surpac軟件,形成圖3(a)所示的初始等高線數(shù)據(jù)。

以初始等高線數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),進(jìn)行斷線相交檢驗(yàn),鑒于斷線及相交線無法形成DTM,需要對斷線及相交線進(jìn)行修改和刪除,確保無誤后生成地表DTM建立地表模型,包括如圖3(c)中所展示的地表模型俯視圖和圖3(b)、圖3(d)所示正視圖旋轉(zhuǎn)圖,從地表模型中可以看出,礦區(qū)比較靠近山體頂部,最高處海拔2 900 m,最低處1 700 m。高差起伏較大。

3.2 礦體三維模型

建立礦體三維模型有利于直觀地展現(xiàn)礦體的深部隱伏礦體[19],還有利于其品位估值[17]結(jié)合金礦體成礦相關(guān)地質(zhì)信息還能對隱伏礦,體進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測[20]。使用勘探線剖面圖生成礦體三維模型的方法,初始數(shù)據(jù)中包含地表線、斷層線、礦體預(yù)測線、巷道、最高水位線以及礦脈編號、礦體傾向傾角等標(biāo)注。在創(chuàng)建礦體三維模型過程中,首先需要對導(dǎo)入Surpac軟件中的剖面圖進(jìn)行校正,使其處于正確的空間位置上;之后進(jìn)行礦體線的提取,提取結(jié)果如圖4(a)所示,將不同勘探線剖面同一礦體的礦體線全部提取保存在同一線文件內(nèi);再連接三角網(wǎng)創(chuàng)建封閉礦體連接效果如圖4(b)所示。必要時在其間需要添加輔助線,進(jìn)行合理的礦體外推,用“段到一個點(diǎn)”“兩個段之間”“從一個段到多個段”功能,結(jié)合平面圖以及礦體線之間的空間分布關(guān)系進(jìn)行礦體線之間的連接;然后用“在一個段內(nèi)”或“拓展段”功能對礦體進(jìn)行封閉[21];最后進(jìn)行驗(yàn)證,礦體連接完成后需要進(jìn)行“有效性驗(yàn)證”,若不能通過驗(yàn)證,則點(diǎn)擊“實(shí)體修補(bǔ)”選項(xiàng),進(jìn)行實(shí)體修補(bǔ),之后再次進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證通過后得到圖5所示的攬上礦體模型。可以看出,攬上礦體整體中間厚四周薄,呈類透鏡狀,沿北東向展布。

圖4 三維礦體生成過程Fig.4 Three-dimensional ore body generation process

圖5 三維礦體成果圖Fig.5 3D ore body achievement diagram

3.3 斷層數(shù)據(jù)三維模型

斷層對礦體的走向、傾向、連續(xù)性等影響很大,其模型有助于看到斷層與礦體之間的相對位置關(guān)系,直觀分析斷層對于礦體空間形態(tài)、分布及開采的影響[17],目前常見的斷層三維模型的構(gòu)建方法與礦體三維模型構(gòu)建方法一致。基于數(shù)據(jù)可靠性考慮,使用剖面圖構(gòu)建斷層三維模型,斷層三維模型如圖6所示構(gòu)建步驟與礦體三維模型構(gòu)建基本一致,若斷層相交,需要對相交處進(jìn)行處理。從圖7可以看出,斷層割裂了部分礦體,使礦體南端發(fā)生了錯動。

圖6 斷層模型Fig.6 Fault model

圖7 斷層礦體疊加顯示模型Fig.7 Fault ore body superposition shows the model

4 討論

4.1 三維礦體模型分析

攬上礦體產(chǎn)于攬上韌性剪切破碎帶內(nèi),礦體主要受韌性剪切構(gòu)造破碎帶控制。由三維礦體模型可以看到礦體南端尖滅,北端仍未出現(xiàn)尖滅傾向,仍有繼續(xù)延伸趨勢。

由三維礦體模型可以看到,攬上礦體總體呈透鏡體狀、脈狀。由于受到東西向斷層的影響,礦體產(chǎn)狀在南段出現(xiàn)扭曲錯動,破壞礦帶和礦體的連續(xù)性,改變了礦體的原始產(chǎn)狀,可能會對勘查和開采造成一定的影響。礦體沿走向和傾向方向具波狀起伏現(xiàn)象。走向上,礦體中部厚度大,品位相對較高,四周厚度逐漸變薄,品位相對降低。向南品位逐漸降低至無礦。傾向上,礦體厚度具膨大～縮小的變化特征,品位變化規(guī)律不明顯。膨大部位礦體分布于韌性剪切帶石英脈中,形態(tài)呈透鏡狀。0～10號勘探線礦體空間展布較完整,10號勘探線后礦體變化較大。

4.2 地表、斷層與礦體空間關(guān)系展示

由于原始剖面圖繪圖規(guī)范、制圖誤差、研究方法以及地質(zhì)認(rèn)識存在不確定性[22]、Surpac軟件剖面圖繪制地質(zhì)體三維模型原理是連接部分特征點(diǎn)圈定地質(zhì)體外圍[23],因此可能會出現(xiàn)無法完全貼合實(shí)際地質(zhì)體形狀的情況,導(dǎo)致三維地質(zhì)模型的不確定性。為了檢驗(yàn)三維建模的可靠性,基于前人研究,提出基于地質(zhì)規(guī)律和斷層等三維地質(zhì)體疊加礦體分析[24]。地質(zhì)規(guī)律分析是利用三維模地質(zhì)體型中的各地質(zhì)體間界限、展布規(guī)律、形態(tài)特征以及構(gòu)造組合樣式、斷層構(gòu)造錯切關(guān)系等與綜合研究成果進(jìn)行一致性分析,也就是說構(gòu)建的三維模型應(yīng)與實(shí)際工作推測形態(tài)、走向、傾向相接近或符合,其形態(tài)、走向應(yīng)符合地質(zhì)分布規(guī)律[25]。通過與已有地質(zhì)資料對比分析,以及前人實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)得知,攬上三維地質(zhì)模型的形態(tài)特征、走向、傾向變化斷層面與礦體之間的錯切關(guān)系都符合已有的地質(zhì)認(rèn)知且符合地質(zhì)規(guī)律。

將礦體、斷層、地表三維模型建立起來后,為了更直觀的展現(xiàn)三者之間的空間位置關(guān)系以及驗(yàn)證三維模型的可靠性將其同時放在同一空間坐標(biāo)系。由礦體與斷層的空間分布模型(圖7)可以看出,礦體與斷層貼合,并未出現(xiàn)錯位情況,說明三維建模所取特征點(diǎn)能夠基本代表礦體空間形態(tài)特征。由圖8(a)可知,礦體與地表、斷層的空間位置關(guān)系正視圖所示,礦體分布于山頂部地表下,與地表近乎垂直;礦體未見出露,為隱伏礦體,由圖8(b)所示,斷層分布在礦體的南部,將礦體分割錯動開來,礦體在10號勘探線附近出現(xiàn)形態(tài)、走向變化,可以看到礦體的走向、傾向或者是礦體與斷層間相互關(guān)系,都能夠?qū)崿F(xiàn)很好的擬合。

黃色區(qū)域?yàn)榈乇砣S模型;紅色區(qū)域?yàn)榈V體 三維模型;藍(lán)色區(qū)域?yàn)閿鄬尤S模型

4.3 三維模型對深部礦體預(yù)測

隱伏礦體在研究程度較高的地區(qū),傳統(tǒng)的二維地質(zhì)資料模擬已經(jīng)無法滿足要求,三維地質(zhì)建模可以幫助實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)體的透明化勘探[26]、深部礦體預(yù)測,能夠提高礦產(chǎn)的開發(fā)效率[27]。三維地質(zhì)模型顯示攬上金礦礦體賦存位置與區(qū)域地質(zhì)成礦規(guī)律較為一致,均位于北西向的石英脈體破碎帶中,走向北西,傾向北東,斷裂帶是主要的控礦要素。

攬上礦體三維模型(圖5)可知,北東方向的礦體深部還未封閉,結(jié)合三維礦體厚度變化規(guī)律,可以推測礦體可能向北東方向延伸,可以在北東方向向深部及淺部尋找隱伏礦體;同時,三維礦體模型還可以看到,在西北方向即12號勘探線附近,礦體向深部延伸,且礦體在走向上、傾向上同樣呈現(xiàn)穩(wěn)定延伸的趨勢[28],可以推測西北方向深部可能存在礦體[29]。

綜上可知,攬上三維地質(zhì)模型能夠準(zhǔn)確地反映已有地質(zhì)認(rèn)知,符合地質(zhì)規(guī)律[30],也能夠很好的顯示礦體的延伸情況,是表征隱伏礦體展布和地質(zhì)構(gòu)造的有力工具,可以簡單有效地幫助地質(zhì)解譯和空間分析工作[31],所建模型真實(shí)地反映了攬上礦區(qū)礦體的形態(tài)、產(chǎn)狀和礦石品位,為生產(chǎn)方案對比決策提供了可靠依據(jù)[32],同時為攬上地區(qū)的礦體預(yù)測提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

5 結(jié)論

以川西四家寨金礦為例,通過Surpac軟件建立三維地質(zhì)體模型。得到以下結(jié)論。

(1)三維地質(zhì)模型能夠隨著勘探過程的進(jìn)一步推進(jìn)進(jìn)行地質(zhì)模型的實(shí)時更新,礦體三維模型清楚地展示礦體總體走向?yàn)楸北睎|,延伸較長。在走向和傾向上,礦體中部厚度大,向四周礦體厚度變薄,整體呈透鏡狀。

(2)地表、斷層三維展示可以豐富礦體模型,清楚地顯示出隱伏礦體,南側(cè)礦體被斷層錯斷,顯示出各地質(zhì)體與礦體間的相互關(guān)系。

(3)三維礦體模型特征表明,礦體勘探深度較淺,向南部、及南側(cè)深部還有較好的成礦潛力,為下一步找礦提供方向。