肖克炎，李 楠，孫 莉，鄒 偉，李 瑩

(1.中國地質科學院礦產資源研究所，北京 100037;2.長江大學地球科學學院，湖北 荊州，434023)

基于三維信息技術大比例尺三維立體礦產預測方法及途徑

肖克炎1，2，李 楠1，孫 莉1，鄒 偉1，李 瑩1

(1.中國地質科學院礦產資源研究所，北京 100037;2.長江大學地球科學學院，湖北 荊州，434023)

大比例尺成礦預測是礦田發(fā)現(xiàn)深部隱伏礦床的重要途徑。隨著三維地質信息技術的日臻完善，研究和開發(fā)三維可視化環(huán)境下地質勘查數(shù)據處理與信息綜合方法十分必要。以我國甲瑪?shù)仁畮讉€礦山三維建模預測工作為支撐，初步研究了礦田控礦構造三維模擬、礦床模型三維可視化、三維信息綜合定量預測等關鍵技術問題，探討了三維預測軟件開發(fā)技術難點，總結了大比例尺三維預測工作流程，并用實例說明應用成效。

三維可視化;大比例尺;深部預測;礦田構造;甲瑪?shù)V區(qū);西藏

0 引言

礦區(qū)深部及外圍礦產預測工作國內外學者和地質勘探專家做了大量工作(胡惠民等，1995;楊洪之，1980;杜祖憲，1992)，大比例尺(通常大于1∶50 000)的成礦預測的作用更加突出，它已經成為礦床勘查工作的一個重要組成部分(趙鵬大等，1992)。許多研究者(陳毓川，1989;趙鵬大等，1992;胡惠民等，1995;肖克炎等，1994;毛先成，2006;陳建平等，2007)針對大比例尺成礦預測理論方法進行了深入的研究。肖克炎等(1994)提出了大比例尺成礦預測的任務，總結了大比例尺典型礦床找礦模型一般工作步驟，認為大比例尺成礦預測是在系統(tǒng)開展大比例尺綜合地質測量的基礎上，以現(xiàn)代成礦理論為指導，對各種已有的地質、物化探、遙感等資料進行綜合分析，提取找礦標志、礦化信息及控礦因素等，建立預測找礦模型，研究礦田(礦床)構造對礦床的控制規(guī)律，查明礦床(體)的空間分布規(guī)律，運用定量預測手段進行遠景資源量的估算?？傊?，目前地質礦田構造分析、礦化成礦系列分帶研究、新的深部勘探技術方法應用及定量統(tǒng)計預測是大比例尺成礦預測基本理論方法。在前期預測評價工作中，由于技術手段的局限，三維預測轉化為二維空間進行，如在礦區(qū)1∶1萬地質圖或在勘探剖面圖上進行。如何真實表達和分析三維空間地質勘探信息一直是困擾大比例尺成礦預測的技術問題。近年來，隨著計算機三維可視化技術的不斷完善，國內外一些地質專家在不斷探索如何使用三維計算機空間分析技術開展礦產預測工作，陳建平等(2007)率先使用國外三維軟件進行信息綜合證據權模型研究。

1 基于三維信息技術預測關鍵問題

筆者(1993)根據關門山鉛鋅礦預測工作經驗，提出了大比例尺三維預測工作流程，主要思路是礦田構造地質綜合信息礦產預測方法，主要是礦化系列分帶模型、礦田構造控礦、輔助性大比例尺地、物、化、遙測量為研究內容。

1.1 礦田構造三維模擬

礦田構造是控礦的基本因素。翟裕生等(1993)重點論述了褶皺構造、斷裂構造、侵入體構造、火山構造等四大構造控礦作用，并通過地表觀測、坑道編錄、鉆孔巖芯觀測等大比例尺礦田構造填圖，深部綜合方法立體填圖，控礦構造巖組分析，構造地球化學測量等研究礦床控礦構造類型、分布樣式、分帶及物質組成等。主要成礦期斷裂、褶皺曲面、成礦巖體頂界面、火山機構等的空間展布、形態(tài)變化等對礦體分布有重要控制作用，如大冶侵入巖體構造控礦、西藏甲瑪、廣西泗頂多金屬巖性界面控礦等。通過地表地質填圖、鉆探工程、坑道工程及深部物探資料研究各種構造界面三維空間展布趨勢對預測深部隱伏礦床起重要作用。傳統(tǒng)上地質專家在研究控礦構造時都使用勘探剖面進行表達與研究，也有地質專家使用平行剖面來表達構造面三維變化特征。根據有限觀測數(shù)據對構造面模擬的方法，傳統(tǒng)的有趨勢分析、克里格方法等。由于地質曲面的復雜性，在同一空間平面坐標存在多值現(xiàn)象，一些學者又對曲面模擬提出新的算法(毛先成，2006)。這些方法中，一方面要表達曲面空間變化趨勢，又要精細刻畫局部變化，如幾何形態(tài)法、神經網絡法、地質統(tǒng)計學條件模擬等。在三維信息化技術支撐下構造模擬將更加運用自如，在三維空間內就像在地質剖面上分析問題一樣簡單實用。主要體現(xiàn)在以下兩個方面。

(1)構造面三維可視化真實再現(xiàn)。在三維計算機環(huán)境下可以從任何方向、任何角度觀察構造形態(tài)、空間變化特征。也可以生成多剖面構造切片圖件進行變化趨勢對比。圖1為甲瑪?shù)V區(qū)碳酸鹽巖與砂巖接觸界限，總體走向北西西，向北東傾斜，近地表產狀陡，往深傾角變緩。

(2)構造面控礦要素分析。利用三維可視化綜合平臺將礦體、礦化異常與構造面進行綜合分析，定性、定量分析構造面控礦作用。甲瑪?shù)V區(qū)硅鈣面是很好的成礦熱液通道，圖1說明礦體與該界面的空間關系，礦體既受該界面控制，沿該巖性變化界面有大量富礦產出，但礦體又受深部斑巖體控制。圖2說明鉬化探異常與該界面的關系，化探異常在深部圍繞斑巖體成鐘型分布。

圖1 甲瑪?shù)V區(qū)硅鈣面三維模擬圖

1.2 三維立體找礦模型的建立

礦床找礦模型是通過分析對比總結一類礦床(礦體)地質勘查信息，形成一套能夠找尋與預測該類礦床的標志準則，關于找礦模型的建立方法有專門論述(肖克炎，1993;肖克炎等，1994)，通常用一定結構相互聯(lián)系的文字或圖解來表達。三維立體找礦模型相對于區(qū)域找礦模型二維預測特點，主要針對礦區(qū)中、大比例尺三維預測。它是在礦區(qū)三維立體建模的基礎上，對三維地質體要素進行成礦分析，總結出三維立體預測標志組合。與二維建模相比有如下特點。

1.2.1 地表、地下真三維綜合分析建模 三維聯(lián)合分析平臺能夠有效地將地表地質測量各項成果資料與深部勘探成果綜合分析，研究各種異常與深部礦體對應關系，建立地表找礦信息標志，開展深部預測。圖3為土壤地球化學鉬異常與深部礦體聯(lián)合分析圖，說明該礦區(qū)銅鉬礦的巨大找礦潛力。

圖2 甲瑪?shù)V區(qū)硅鈣面與鉬異常關系圖

圖3 土壤鉬地球化學異常與深部礦體關系圖

1.2.2 能夠真實有效表達礦化分帶的三維模型 較傳統(tǒng)預測模型對礦化分帶文字性描述或圖解模式化表達，三維建模能夠在真實三維幾何空間表達各種礦化分帶規(guī)律，使得礦化分帶有明確的三維位置、幾何形態(tài)及空間變化。常見與礦化分帶有關的三維模型有不同類型礦體分帶、礦化蝕變礦物分帶、金屬礦物分帶、地球化學元素分帶等。圖4為不同礦化類型礦體空間展布及分帶，圖5為該礦床元素分帶規(guī)律圖，可以看出礦化元素有明顯空間分帶。

圖4 不同礦化類型礦體空間展布及分帶

圖5 礦床元素分帶規(guī)律圖

1.2.3 地質控礦要素定量分析方式三維化 在二維GIS空間分析中，往往和空間點、線、面地質幾何要素打交道，斷裂及交會點分別以線、點要素出現(xiàn)，地質體以面要素表達。在三維空間中斷裂以曲面、斷裂體出現(xiàn)，斷裂交會點以交會線、體出現(xiàn)。三維定量化要素分析將重點研究各空間三維要素與礦體空間的關系以及與礦體儲量的空間關系。大冶鐵礦嚴格受巖體與圍巖接觸面控制，礦體全部位于巖體界面500 m內(圖6)。

圖6 大冶鐵礦巖漿巖不同距離緩沖區(qū)分析圖

2 三維立體綜合信息定量預測及軟件開發(fā)

與區(qū)域定量預測評價比較，三維立體定量預測方法將有重大改變，一些區(qū)域定量預測方法如三部式預測方法、區(qū)域價值法等可能不再適用，而基于靶區(qū)優(yōu)選的證據權方法等則是主要應用信息綜合方法。其中最重要的預測目標圖層是三維可視化立方格模型(圖7)，預測成果將有三維空間坐標。由于在三維空間里有大量礦體勘探數(shù)據，資源量定量回歸模型建立將比較現(xiàn)實，也是可實用模型。

與三維立體定量預測對應的是要開發(fā)三維立體預測軟件。開發(fā)服務于大比例尺三維成礦預測軟件主要包括數(shù)據管理、三維地質建模、三維可視化分析與科學計算等功能模塊。其中，三維地質建模是三維預測軟件的核心功能。由于三維可視化及信息數(shù)據分析管理技術在國內剛剛起步，開展信息化三維立體預測還有許多問題需要探討。如將三維信息分析技術與傳統(tǒng)的預測工作結合問題，傳統(tǒng)定量預測與三維信息技術結合問題。另外，國內外還沒有開發(fā)出一套成熟的專門用于大比例尺三維成礦預測工作的應用軟件。大量的三維成礦預測研究首先通過礦山勘查軟件完成成礦信息提取與三維可視化分析等工作。其次，在其他軟件中完成信息綜合分析，我國更加需要擁有自主知識產權且符合我國大比例尺成礦預測研究與應用等實際要求的軟件工具。

三維地質建模研究成果大都基于大量的工程控制與高精度測量數(shù)據(如鉆孔、十字剖面、地震等)來完成三維地質建模。而針對較少工程控制數(shù)據的三維地質建模方法研究較少。特別是在國內，雖然已經有了大量的針對地學曲面擬合方法的研究，但是多數(shù)方法集中于解決地球物理或地球化學數(shù)據曲面擬合問題，而對于地質體接觸界面擬合研究較少。目前，國內學者一般使用趨勢分析或者樣條函數(shù)(如Hermit曲面等)進行地質體接觸界面的模擬，這種方法最大的問題有2個：(1)獲得的擬合曲面總是單值面，顯然不符合地質規(guī)律;(2)無法表達復雜地質構造，例如：斷層等。

圖7 三維立體預測目標圖層立方格模型

在針對復雜地質約束條件的高精度立方格預測模型構模方面，國內外研究的主要思路是通過建立輔助空間索引結構來加速針對約束對象的體素化。該類方法的核心思想是以空間換取時間。由于立方格模型(也稱塊段模型)本身在邊界表達上的缺陷，導致當需要構建高精度預測模型時，將產生大量立方格(達到107數(shù)量級及以上)，輔助空間索引的開銷已經變得不能忽略，甚至無法接受。而上述情況在大比例尺成礦預測中并不少見。例如：以預測區(qū)范圍為2 000 m×2 000 m，同時向下預測1 000 m為例，假設需要建立下述3種預測模型。

以10x×10y×10z為預測立方格的大小，則空白預測單元格數(shù)量達到400萬。

以10x×10y×5z為預測立方格的大小，則空白預測單元格數(shù)量達到800萬。

以10x×10y×2z為預測立方格的大小，則空白預測單元格數(shù)量達到2 000萬。

因此，需要提出一種改進的立方格構模方法，該方法必須能夠快速、正確以及高精度地完成帶有復雜地質體與空間任意非自相交曲面約束的立方格預測模型的構模。

3 基于三維信息分析的大比例尺預測方法流程

以大比例尺三維立體預測方法理論為基礎的三維信息定量預測方法流程見圖8。

圖8 三維信息礦產定量預測流程

3.1 收集礦區(qū)地質調查、勘查及礦山開發(fā)各種地質資料

收集礦區(qū)歷年地表地質測量、礦區(qū)勘探、礦區(qū)開發(fā)過程地質找礦及各種科研成果，對這些勘查成果進行初步分析研究，制定大比例尺礦產預測工作方案，包括三維數(shù)據庫建庫工作內容、必要的大比例尺補充野外地質工作、三維成礦信息提取與建模內容、三維定量預測等。

3.2 詳細礦田構造、礦床學大比例尺填圖工作

根據最新礦田構造、礦床模型研究新理論方法，開展礦區(qū)礦田構造野外地質工作。如開展礦田構造流體填圖、礦化蝕變填圖、構造地球化學及深部地質工作，旨在指導三維立體建模及補充預測資料。

3.3 三維數(shù)據庫及三維地質體建模

將礦區(qū)收集資料按照一定標準數(shù)字化，所有的數(shù)據都要進行坐標統(tǒng)一空間框架。將二維成果圖件盡量進行三維坐標轉換，形成具有三維坐標屬性的空間數(shù)據。按照地質編圖基本原理，根據地質填圖測量信息、鉆探工程信息，建立礦區(qū)三維地質體模型。對礦體圈定建模要遵循國家有關礦體圈定規(guī)范，如單工程礦體圈定原則、礦體剖面連接等。

3.4 三維礦田構造模擬

根據礦田構造解析成果，結合地質填圖、鉆探工程、物化探深部地質成果，研究重要控礦構造空間展布特征、樣式及控礦規(guī)律。這些模擬包括重要含礦巖系厚度及分布、巖體頂界面、導礦斷裂構造、重要巖性界面、褶皺曲面、火山機構、變質變形構造模擬等。研究礦田構造模擬成果與礦體關系，總結相應的控礦規(guī)律，建立構造控礦模型。

3.5 找礦信息提取及三維立體找礦模型

研究各種礦體空間分布及分帶特征，研究各種三維地質體與礦體關系。開展礦化蝕變三維模型建立及地球化學元素分布規(guī)律總結。研究地球物理信息找礦標志，開展控礦地質體三維反演。使用定量分析手段建立各地質體控礦有利變量，建立三維立體找礦模型。

3.6 三維立體定量預測及靶區(qū)圈定

應用立方格變量提取模型，合理進行預測變量提取，運用證據權等信息綜合方法，開展綜合信息定量預測，圈定成礦有利空間。應用數(shù)量化理論、邏輯信息法、地質體積法開展預測資源量估算。

3.7 靶區(qū)地質工程驗證

對三維空間預測靶區(qū)進行地質分析，開展勘查部署建議，并使用合理勘探組合方法進行靶區(qū)驗證。

4 結論

三維可視化信息分析技術為大比例尺礦產預測提供了非常有效的信息管理分析工具，它使得三維空間地質找礦問題的信息表達、分析實現(xiàn)了三維可視化。當前，三維信息技術下三維預測要加強預測軟件方法研究，加強方法有效性示范研究，以期在地質礦產調查及礦山三維立體預測上取得成效。

陳毓川.1989.有計劃有步驟地開展中、大比例尺成礦預測［J］.中國地質，(4)：7-10.

陳建平，呂鵬，吳文，等.2007.基于三維可視化技術的隱伏礦體預測［J］.地學前緣，14(5)：54-62.

杜祖憲.1992.安基山礦田大比例尺成礦預測方法及其成果［J］.地質學刊(原《江蘇地質》)，16(3/4)：222-234.

胡惠民，趙鵬大，李紫金.1995.大比例尺成礦預測方法［M］.北京：地質出版社.

李惠，張國義，禹斌.2006.金礦區(qū)深部盲礦預測的構造疊加暈模型及找礦效果［M］.北京：地質出版社.

李裕偉，趙精滿，李晨陽.2007.基于GMS、DSS和GIS的潛在礦產資源評價方法：上冊［M］.北京：地震出版社.

毛先成.2006.三維數(shù)字礦床與隱伏礦體立體定量預測研究［D］.長沙：中南大學.

肖克炎.1993.大比例尺綜合信息成礦預測的研究問題及途徑［J］.黃金地質科技，(4)：34-39.

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

楊洪之.1980.贛東北某地區(qū)大比例尺成礦預測初探［J］.大地構造與成礦學，(1)：9-18.

楊武年，徐強.2003.數(shù)字區(qū)調新技術新方法——遙感圖像地質解譯三維可視化及影像動態(tài)分析［J］.地質通報，22(1)：60-64.

趙鵬大，李紫金，胡光道.1992.重點成礦區(qū)三維立體礦床統(tǒng)計預測——以安徽月山地區(qū)為例［M］.武漢：中國地質大學出版社.

趙鵬大，胡旺亮，李紫金.1994.礦床統(tǒng)計預測［M］.2版.北京：地質出版社.

趙鵬大，陳建平，張壽庭.2003.“三聯(lián)式”成礦預測新進展［J］.地學前緣，10(2)：455-463.

趙鵬大.2007.成礦定量預測與深部找礦［J］.地學前緣，14(5)：1-10.

AGTERBERG F P，CHENG QIUMING.2002.Conditional independence test for weights-of-evidence modeling ［J］.Natural Resources Research，11(4)：249-255.

CHRISTIAN L.1997.Foliation Fields and 3D Cartography in Geology：Principles of a Method Based on Potential Interpolation［J］.Mathematical Geology，29(4)：571-584.

CHENG QIUMING，AGTERBERG F P.1999.Fuzzy Weights of Evidence Method and Its Application in Mineral Potential Mapping［J］.Natural Resources Research，8(1)：27-5.CHEN XIAOYONG，IKEDA KOZO，YAMAKITA KAZUYOSHI，et al.1994.Three Dimensional Modeling of GIS Based on Delaunay Tetradral Tessellations ［J］.Proc SPIE，2357：132-139.

CHILES J P.AUG C，GUILLEN A，et al.2004.Modeling the Geometry of Geological Units and its Uncertainty in 3D From Structural Data：The Potential-Field Method［J］.Orebody Modeling and Strategic Mine Planning，(11)：22-24.

CALCAGNO P，CHICèS J P，COURRIOUX G，et al.2008.Geological modeling from field data and geological knowledge：Pourt I.Modeling method coupling 3D potential-field interpolation and geological rules［J］.Physics of the Earth and Planetary Interiors，171(1/4)：147-157.

HOULDING S W，HOULDING S.1995.3D geosciences modeling computer techniques for geological characterization［M］.Berlin：Springer-Verlag.

LEGRAND S，LEGAT V，DELEERSNIJDER E.2000.Delaunay mesh generation for an unstructured-grid ocean general circulation model［J］.Ocean Modeling，2(1/2)：17-28.

MALLET J L.2004.Space-time mathematical framework for sedimentary geology［J］.Mathematical Geology，36(1)：1-32.

TOMMINEN M，KARONEN O，MANTYLA M.1984.Ray-casting and block model conversion using a spatial index［J］.Computer Aided Design，16(4)：203-208.

WANG DESHENG，HASSAN OUBAY，MORGAN KENNETH，et al.2006.EQSM：An efficient high quality surface grid generation method based on remeshing［J］.Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，195：5621-5633.

WIJNS C，BOSCHETTI F，MORESI L.2003.Inverse modeling in geology by interactive evolutionary computation ［J］.Journal of Structural Geology，25(10)：1625-1621.

WU QIANG，XU HUA，ZOU XUKAI.2005.An effective method for 3D geological modeling with multi-source data integration［J］.Computers ＆ Geosciences，31(1)：35-43.

Large scale 3D mineral prediction methods and channels based on 3D information technology

XIAO Ke-yan1，2，LI Nan1，SUN Li1，ZOU Wei1，LI Ying1

(1.Institute of Mineral Resources，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China;2.School of Geosciences，Yangtze University，Jingzhou 434023，Hubei)

Large scale metallogenic prediction methods were important for the exploration of deep hidden deposits in ore field.It was a very necessary measurement for research and development of the treatment and information synthesized of the geological explorative data，under the condition of 3D visualization，as improving 3D geological information technology.According to 3D modeling predictions of Jiama Mine and other ore deposits，the authors briefly studied some key technologies i.e.3D simulation of ore-control structure in ore field，3D visualization of deposit model and 3D information synthesized quantitative evaluation，and discussed that the technical difficulties of 3D prediction software exploitation，working course of large scale 3D prediction and application effect by using examples.

3D visualization;Large scale;Deep mineral prediction;Ore field structure;Jiama Mine;Tibet

TP319

A

1674-3636(2012)03-0229-08

10.3969/j.issn.1674-3636.2012.03.229

2012-05-20;編輯：詹庚申

肖克炎(1963— )，男，研究員，博士，博士生導師，楚天學者，地質專業(yè)，主要從事數(shù)學地質領域礦產資源潛力評價研究，E-mail：kyanxiao@sohu.com