睢 瑜，陳建國，趙江南

（1.江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，南京 210007；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院，武漢 430074）

0 引言

三維地質(zhì)建模和可視化概念最早是由加拿大Simon.W.Houlding（1993）提出的。所謂三維地質(zhì)建模（3D Geosciences Modeling）①是指采用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)中建立能反映地質(zhì)構(gòu)造的形態(tài)和各要素之間關(guān)系以及地質(zhì)體物理、化學(xué)屬性空間分布等地質(zhì)特征的數(shù)學(xué)模型。3DGM是由勘探地質(zhì)學(xué)、數(shù)學(xué)地質(zhì)、地球物理、礦山測量、礦井地質(zhì)、GIS、圖形圖像學(xué)、科學(xué)可視化等學(xué)科交叉而形成的一門新型學(xué)科。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，三維地質(zhì)建模技術(shù)備受關(guān)注，并得到了廣泛的研究和應(yīng)用［1］。本文以云南個舊高松礦區(qū)蘆塘壩10號礦群為主要研究對象（圖1），通過地質(zhì)體三維數(shù)字化建模，提取地質(zhì)控礦作用定量化指標(biāo)，建立三維礦床模型，并對已知礦體進(jìn)行儲量計(jì)算，為礦山的進(jìn)一步開采提供參考依據(jù)。

圖1 高松礦區(qū)地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of Gaosong mining district

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

個舊礦區(qū)被近SN向的斷裂分割為西區(qū)和東區(qū)兩部分。西區(qū)目前工作程度尚低，僅發(fā)現(xiàn)有?。行偷腻a、鉛礦床。但錫、鉛、鋅、鎢、錫、鋁、銻等多種有色金屬礦點(diǎn)星羅棋布，是尋找大型或超大型錫多金屬礦床的遠(yuǎn)景區(qū)［2］。東區(qū)是超大型錫多金屬礦床分布的主要區(qū)域，其地表分布有三疊系厚達(dá)千米的碳酸鹽巖建造，深部隱伏有燕山中晚期的花崗巖。NE向的一級褶皺構(gòu)造五子山復(fù)式背斜控制了所有礦床的分布，橫跨五子山復(fù)式背斜之上的近EW向斷裂控制了五大礦田的分布，即馬拉格、松樹腳、高松、老廠和卡房礦田。礦田內(nèi)次級褶皺和花崗巖株控制著礦段或礦床。以錫為主的各類礦床的產(chǎn)出主要受有利地層層位、構(gòu)造、花崗巖三者有機(jī)組合聯(lián)合控制。

圖2 基于Micromine的三維地質(zhì)體建模流程圖Fig.2 Flow sheet for the Micromine software－based 3D modeling of geological body

2 Micromine及三維地質(zhì)建模流程

Mircomine是澳大利亞Micromine礦業(yè)軟件有限公司開發(fā)的深受國際好評的大型礦業(yè)專用軟件。它主要用于地質(zhì)勘探、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。Micromine提供了與其他數(shù)據(jù)庫和相關(guān)軟件接口的功能，使該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可被其他數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和相關(guān)軟件查詢和編輯，能夠?qū)崿F(xiàn)各種工程和礦體的三維立體顯示和成圖，并根據(jù)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法和原理提供進(jìn)行礦體品位和儲量估值的各種方法，同時(shí)還可以進(jìn)行礦山的開采設(shè)計(jì)以及數(shù)字地形模型的建立②。

Micromine軟件提供的多種插值方法進(jìn)行空待估塊段模型的品位插值（如距離反比加權(quán)法、泛/普通克里格法及多重指示克里格法），由此建立的三維品位模型是自動生成礦體儲量報(bào)告的基礎(chǔ)工作，相比傳統(tǒng)的手動估算儲量有著巨大的優(yōu)越性。

基于Micromine的三維地質(zhì)建模流程見圖2。

3 鉆孔及地形模型的三維可視化

鉆孔三維可視化能夠直觀地顯示鉆孔的空間位置及空間狀態(tài)，有利于對鉆孔的三維空間變化進(jìn)行分析，進(jìn)而研究樣品的變化規(guī)律，為建立礦體三維模型做準(zhǔn)備。建立鉆孔地質(zhì)數(shù)據(jù)庫后，Micromine軟件提供了強(qiáng)大的諸多數(shù)據(jù)庫應(yīng)用功能，除了可以實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)庫管理更新功能外，還可以生成平面鉆孔軌跡，根據(jù)需要提取采樣區(qū)間、組合區(qū)間，生成井中、區(qū)間坐標(biāo)，鉆孔計(jì)算與編錄等。此外還可實(shí)現(xiàn)鉆孔的三維可視化，同時(shí)根據(jù)樣品分析數(shù)據(jù)范圍劃分樣品區(qū)間并賦以不同的顏色以表示不同的品位等級。本次研究共收集研究區(qū)鉆孔198個，共包含分析化驗(yàn)樣品43 975個，并根據(jù)高松礦田的地形文件構(gòu)建DTM模型，建立研究區(qū)地形三維可視化圖形（圖3）。

圖3 蘆塘壩礦段DTM加載鉆孔三維可視化圖Fig.3 3D map of DTM loading drill hole in fractures

4 三維地質(zhì)體模型建立

自然界中地質(zhì)體（礦體、巖體、地質(zhì)構(gòu)造等）的形態(tài)復(fù)雜多變，用規(guī)則的幾何體很難進(jìn)行描述，因此需要用不規(guī)則的幾何模型來近似模擬地質(zhì)體空間分布形態(tài)。目前大多數(shù)三維礦業(yè)軟件都提供了比較方便、靈活、快速的建立不規(guī)則幾何模型的功能，從而能形象直觀地描繪地質(zhì)體的形態(tài)和邊界特性［3］。

4.1 地層模型的建立

高松礦田內(nèi)分布地層為中三疊統(tǒng)個舊組卡房段和馬拉格段（T2g32，T2g51）碳酸鹽巖，加上隱伏花崗巖層。高松礦區(qū)地表未見有花崗巖出露，但深部有隱伏的花崗巖（γ35）分布，根據(jù)鉆探工程及勘探線地質(zhì)剖面圖上可以看出，該區(qū)花崗巖體產(chǎn)出標(biāo)高為800～1 200 m，距地表約1 200～1 400 m，由地層實(shí)體模型（圖4）可知，其表面形態(tài)為南、東、西三面較高，北部較低，即為NE向的凹槽，該巖體巖性與老卡巖體相似，為中細(xì)粒黑云母花崗巖，該花崗巖體是區(qū)內(nèi)成礦母巖［2］。

圖4 研究區(qū)地層實(shí)體模型Fig.4 Real stratigrphic 3D model of the study area

4.2 斷裂模型的建立

本文研究范圍是大馬蘆礦段北東之蘆塘壩10號礦群，主要分布在麒麟山斷裂、大菁東斷裂周圍。

（1）麒麟山斷裂。產(chǎn)于高松礦田中部，走向長＞6 km，傾斜延伸＞800 m，破碎帶寬6～30 m，傾向NE，傾角70°～83°。該斷裂明顯將NE向斷裂錯斷。在其深部礦化漸強(qiáng)，局部有錫礦體賦存，起導(dǎo)礦及容礦作用。并與蘆塘壩斷裂和層間剝離滑動構(gòu)造聯(lián)合控制著蘆塘壩10號礦群的分布。

（2）大菁東斷裂。分布在礦田中部，走向長2～3 km，破碎帶寬5～10 m，局部達(dá)30 m，走向310°～320°，傾向NE，傾角66°～88°。角礫巖帶明顯，同時(shí)可見碎斑巖及碎粒巖，地表具弱赤鐵礦化。該斷裂往南東走向漸變?yōu)镋W向，向下含礦性逐漸加強(qiáng)，1 720中段以下更為明顯，區(qū)內(nèi)最大的脈狀錫礦體即產(chǎn)于其中。

根據(jù)勘探線地質(zhì)剖面圖上的斷裂分布，建立了斷裂三維模型（圖5）。

圖5 蘆塘壩礦段斷裂三維立體模型Fig.5 3D model of fractures in Lutangba ore domain

4.3 礦體模型的建立

研究區(qū)內(nèi)礦體的產(chǎn)出受斷裂構(gòu)造及地層層間構(gòu)造控制特征明顯，礦床形成與花崗巖密切相關(guān)，一類為花崗巖接觸帶硫化礦，而另一類則屬錫石－硫化物礦床經(jīng)氧化后而成的層間氧化礦床，按產(chǎn)狀及形態(tài)可分為2種類型（圖5）：

（1）陡傾斜脈狀礦體：該類型礦體是成礦熱液沿大菁東斷裂及其派生的斷裂破碎帶充填交代而形成的，礦體產(chǎn)狀較陡，傾角一般60°～85°，走向長數(shù)十米至數(shù)百米，傾斜延深數(shù)十米至600余m，厚0.5～20 m不等；礦體在斷裂帶中呈大小不等的脈狀或透鏡狀產(chǎn)出；礦石以土狀、土塊狀赤褐鐵礦為主，一般含錫鉛品位較高，同時(shí)伴生有鋅、銦等有用元素。

（2）緩傾斜似層狀礦體：該類型礦體主要分布在NE向蘆塘壩斷裂旁側(cè)的T2g61層位中，少數(shù)產(chǎn)于T2g51層位，受主斷裂旁側(cè)的次級層間剝離或?qū)娱g破碎帶控制，礦體呈平行多層狀疊瓦式產(chǎn)出，產(chǎn)狀與地層基本一致，走向近EW向，傾角較緩（1°～30°），呈似層狀、層狀、透鏡狀、長條狀等形態(tài)。礦層數(shù)較多，一般為3～5層，最多可達(dá)9層；礦體規(guī)模較大，長數(shù)十米至數(shù)百米，最長可達(dá)千米，寬為100～200 m；礦石以土狀赤褐鐵礦為主，少數(shù)膠狀褐鐵礦，局部還夾有未完全氧化的硫化礦殘塊。

從蘆塘壩10號礦群的礦體三維模型（圖6）可以比較直觀地看出，蘆塘壩主要層間氧化礦體分布在標(biāo)高1 450～1 720 m標(biāo)高之間，礦體多成層狀分布；由上至下，礦體的范圍呈逐漸減小的趨勢。而在標(biāo)高1 200 m處，可見夕卡巖硫化礦體，位于隱伏花崗巖與碳酸鹽巖接觸帶成礦，常在花崗巖凹兜部位形成礦體。

圖6 蘆塘壩礦段礦體三維立體模型Fig.6 3D model of ore bodies in Lutangba ore domain

5 儲量估算

5.1 空塊模型的建立

建立蘆塘壩10號礦群三維實(shí)體模型后，通過Micromine軟件建立礦體的空待估塊模型。待估塊段模型亦是三維實(shí)體，因此就需要以三維物體的定義方式確定待估塊段模型的各種參數(shù)［4］。按照1∶2000礦區(qū)勘探線，結(jié)合礦體的形態(tài)、走向、傾向和空間分布特征，建立的三維實(shí)體的東坐標(biāo)、北坐標(biāo)及高程信息結(jié)合蘆塘壩10號礦群空間分布特點(diǎn)與工業(yè)生產(chǎn)要求，確定了建模的范圍和基本參數(shù)。模型單元塊的行、列、層為6 m×6 m×2 m，次分塊的規(guī)格為3 m×3 m×l m。在建立三維網(wǎng)格模型后，可以將找礦數(shù)字模型所確定的預(yù)測參數(shù)作為屬性賦給每一個單元塊。運(yùn)行后就可得到相應(yīng)實(shí)體模型的空待估塊段模型。由于鉆孔的終孔深度沒有到達(dá)賦存于花崗巖實(shí)體的硫化礦體，所以本文中僅對10號礦群的其他礦體做儲量計(jì)算。創(chuàng)建的蘆塘壩10號礦群的待估空塊模型見圖7。

5.2 儲量計(jì)算

本次建模分別以0.1％，0.2％，0.5％，1.0％和10％為邊界品位，分別計(jì)算礦體中錫的儲量；對于＜0.1％和＞10％的品位值做為異常值剔除。對蘆塘壩10號礦群進(jìn)行儲量計(jì)算時(shí)，礦石的體重取2.355 t/m3。本文研究工作進(jìn)行儲量計(jì)算采用距離反比加權(quán)方法、普通克里格法對前面建立的待估塊模型進(jìn)行品位插值。

圖7 10號礦群待估塊段模型Fig.7 Model of blocks that are not yet evaluarted in No.10 ore body cluster

圖8 錫品位累積頻率圖Fig.8 Accumulative frequency plot of Sn grade

由于研究區(qū)收集到的數(shù)據(jù)未進(jìn)行過特異值處理，因此在通過Micromine中的過濾功能對組合樣品進(jìn)行特異值處理，然后再進(jìn)行組合樣品統(tǒng)計(jì)分析，圖8為錫品位數(shù)據(jù)的累積頻率圖，除了在高值區(qū)較為平緩，其余基本呈一直線，反映樣品品位基本服從正態(tài)分布。研究中選擇距離反比加權(quán)法和普通克里格法對待估塊段模型插值［5］并進(jìn)行儲量估算［6］，旨在驗(yàn)證研究區(qū)采用品位插值方法計(jì)算錫鉛儲量的可行性。

（1）采用距離加權(quán)反比法。在數(shù)據(jù)搜索菜單中的半徑文本框中填入搜索半徑長度，通常該長度為2條勘探線間距的1.25倍，它是一個經(jīng)驗(yàn)值。扇區(qū)選擇8，扇區(qū)可以減少叢聚效應(yīng)，選擇橢球體，在每一扇面最多點(diǎn)數(shù)文本框中輸入數(shù)值，該數(shù)值決定了每個扇區(qū)內(nèi)參與估算的點(diǎn)的個數(shù)，如果每個扇區(qū)點(diǎn)數(shù)大于該數(shù)值，那么只取離估算點(diǎn)最近的幾個點(diǎn)。最少點(diǎn)數(shù)（總和）的含義是每個扇區(qū)內(nèi)不少于該數(shù)值才進(jìn)行估算。本文中設(shè)搜索半徑分別為40，80，120，其中搜索半徑為120時(shí)所有的塊模型全部塊段都被插值完畢。

（2）采用普通克里格法：首先要擬合試驗(yàn)變異函數(shù)，變異函數(shù)的作用是用來對區(qū)域變量進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析并對樣品品位進(jìn)行估值，因此必須將得到的試驗(yàn)變異函數(shù)與理論變異函數(shù)進(jìn)行擬合［7］，其中球狀模型為常用的理論變異函數(shù)模型，故選擇球狀模型對試驗(yàn)變異函數(shù)進(jìn)行擬合，得出變異函數(shù)的參數(shù)值（塊金值、基臺值和變程）。

圖9 錫水平方向的變異函數(shù)曲線Fig.9 Variation function curve of Snin horizontal direction

通過2種不同的插值方法計(jì)算出來的結(jié)果見圖9和圖10。

通過距離乘方反比和普通克里格2種方法的計(jì)算，得到蘆塘壩10號礦群錫鉛的儲量，為了比較2種計(jì)算結(jié)果的差異，分別對2種方法計(jì)算所得到的儲量結(jié)果進(jìn)行比較（表1）。從表1可以看出，2種儲量計(jì)算方法所得到的累計(jì)金屬量的差值比值較小，說明所采用的儲量計(jì)算方法可靠，所建立的數(shù)學(xué)模型比較準(zhǔn)確，能滿足儲量計(jì)算的要求。

圖10 鉛垂直方向的變異函數(shù)曲線Fig.10 Variation function curve of Sn in vertical direction

表1 2種計(jì)算方法的結(jié)果對比Table 1 Result comparison for the two calculation methods

6 結(jié)論

通過對高松礦田蘆塘壩礦段的三維數(shù)字化建模，建立了礦體、斷裂、地層的三維地質(zhì)體模型，將成礦地質(zhì)信息進(jìn)行了空間直觀表達(dá)，把礦體以數(shù)字形式存放的抽象數(shù)據(jù)用圖形、圖像、動畫等形式、形象表示出來，更直觀地表達(dá)礦體分布幾何形態(tài)、便于分析礦體分布規(guī)律。同時(shí)通過不同的插值方法，計(jì)算了蘆塘壩10號礦群的錫鉛金屬量，對今后進(jìn)一步的礦山生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

注釋：

① 吳立新.3DGM理論與方法.博士生學(xué)位課程講義，1999－ 2000版.

② Micromine 11.0培訓(xùn)教程，2008.

［1］ 肖克炎，趙鵬大.試論大比例尺成礦預(yù)測的基本問題及研究途徑［J］.有色金屬礦產(chǎn)與勘查，1994，3（1）：49-56.

［2］ 莊永秋，王任重，楊樹培，等.云南個舊錫銅多金屬礦床［M］.北京：地震出版社，1996.

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［4］ 惠勒A J，斯托克斯P C.侯運(yùn)炳（譯）.塊段模型和線框模型在地下采礦中的應(yīng)用［J］.Mining Magazine.1988，3：209-213.

［5］ 任利明.用子塊距離加權(quán)反比法計(jì)算礦石儲量［J］.露天采煤技術(shù)，1998（3）：47-48.

［6］ 秦來勇.地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)在地質(zhì)及礦業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展［J］.有色冶煉，2002，12（6）：104-106.

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