楊　偉， 陳建平， 顧雪祥， 向　杰， 章永梅

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京100083； 2.北京市國(guó)土資源信息研究開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

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基于物探數(shù)據(jù)的內(nèi)蒙古哈達(dá)門溝金礦三維地質(zhì)體建模

楊偉1，2， 陳建平1,2， 顧雪祥1， 向杰1,2， 章永梅1

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京100083； 2.北京市國(guó)土資源信息研究開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

目前，可控源音頻大地電磁法(CSAMT)的數(shù)據(jù)處理多以測(cè)線(斷面)進(jìn)行，以二維反演斷面圖作為成果輸出，難以清晰、直觀地顯示三維地電結(jié)構(gòu)的分布特征。以內(nèi)蒙古哈達(dá)門溝CSAMT二維勘探數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合當(dāng)前三維地質(zhì)體建模技術(shù)，利用三維建模軟件，采用插值方法得到哈達(dá)門溝三維地質(zhì)體模型，實(shí)現(xiàn)了多角度、多層面展現(xiàn)地下地質(zhì)體的分布特征。應(yīng)用這種三維可視化手段能較好地反映異常區(qū)域的分布、空間位置與形態(tài)，通過對(duì)良導(dǎo)體和相關(guān)構(gòu)造的空間分布形態(tài)進(jìn)行基本勾畫，對(duì)礦產(chǎn)資源的進(jìn)一步勘探、開發(fā)具有較好的找礦指導(dǎo)作用。

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)；Voxler軟件；Surpac軟件；三維地質(zhì)體建模；哈達(dá)門溝金礦；內(nèi)蒙古包頭

0　引　言

三維地質(zhì)模型能夠直觀地表現(xiàn)地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等地質(zhì)體的空間分布形態(tài)以及它們之間的相互關(guān)系(李良平等，2007)，鉆孔資料能夠準(zhǔn)確地反映出研究區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，是三維地質(zhì)建模的最佳資料(向中林等，2009)。但在實(shí)際工作中，往往因鉆孔數(shù)量少、鉆探深度不夠或分布不均勻而使模型的建立受到限制。在當(dāng)前技術(shù)支持下，物探作為一項(xiàng)輕便、快捷、經(jīng)濟(jì)的工程地質(zhì)勘探手段己得到廣泛應(yīng)用，由于物探的種種優(yōu)勢(shì)及其技術(shù)的日漸成熟，在很多研究區(qū)域都已經(jīng)有比較詳細(xì)、準(zhǔn)確的物探資料。在一定意義上，物探技術(shù)作為地表觀察和鉆探揭露的拓廣，使研究人員可以直接獲取地質(zhì)信息，地質(zhì)、物探和鉆孔資料的綜合分析，可以更加準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)研究區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)(陳海云等，2004)。物探與地質(zhì)相結(jié)合，是當(dāng)前研究地質(zhì)構(gòu)造、找礦預(yù)測(cè)等的重要特點(diǎn)(曹代勇,1993)。

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)是在大地電磁法的理論基礎(chǔ)上并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用而發(fā)展起來的一種人工源頻率測(cè)深法，它具有勘探深度范圍大、橫向分辨能力強(qiáng)、勘探效率較高，同時(shí)具有測(cè)深和剖面測(cè)量的雙重特點(diǎn)，結(jié)合地質(zhì)資料，在成礦有利地段根據(jù)CSAMT法電阻率異常特征定位預(yù)測(cè)深部或外圍的隱伏礦化體是有效的。

1　研究區(qū)地質(zhì)概況

內(nèi)蒙古哈達(dá)門溝金礦田位于包頭市以西，華北地臺(tái)北緣烏拉山—大青山復(fù)背斜南翼，南北被2條大致呈近東西向的呼(市)—包(頭)、臨(河)—集(寧)斷裂所夾持(圖1)，出露地層主要為中太古代烏拉山群變質(zhì)巖，南部斷陷帶主要為新生界地層所覆蓋，在礦區(qū)的北部和西部有大片海西—印支期的中酸性侵入巖(章永梅，2012；陳代鑫，2015)。

圖1　內(nèi)蒙古哈達(dá)門溝區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖(據(jù)馬寶軍等，2012修改)1-第四系沉積物；2-烏拉山群片麻巖；3-鉀長(zhǎng)花崗巖；4-黑云母花崗巖；5-礦脈及編號(hào)；6-斷層Fig.1　Simplified geological map of the Hadamengou area in Inner Mongolia(modified from Ma et al., 2012)

哈達(dá)門溝礦區(qū)內(nèi)出露的地層是中太古界烏拉山群第一巖組及第二巖組的一部分，古老的烏拉山群片麻巖及地層條件是金礦脈形成的礦源層(張鳳學(xué)，2010)。100號(hào)、99號(hào)、98號(hào)脈礦體賦存于第一巖組第二巖性段，主要巖性為含榴石黑云斜長(zhǎng)片麻巖；哈達(dá)門溝金礦田由軸向近東西的以背、向斜間隔分布的復(fù)式背斜、山前大斷裂、山前鉀化帶、一系列傾向主體向南的韌性剪切帶以及東西向容礦構(gòu)造構(gòu)成的主體構(gòu)造格架，礦區(qū)內(nèi)以斷裂構(gòu)造為主，構(gòu)造條件是Au元素運(yùn)移、富集的導(dǎo)礦和容礦條件。山前的呼包大斷裂及山后的臨集大斷裂為區(qū)內(nèi)主干斷裂，控制著金礦床的分布。區(qū)內(nèi)脈巖比較發(fā)育，主要為花崗偉晶巖、輝綠玢巖。圍巖蝕變主要有鉀長(zhǎng)石化、硅化，其次是綠簾石化、綠泥石化、碳酸鹽化等，礦體主要產(chǎn)生于鉀化蝕變巖內(nèi)、鉀硅化蝕變巖或鉀化蝕變巖中心的石英脈中，鉀長(zhǎng)石化分布在含金礦化帶及其兩側(cè)。

2　三維地質(zhì)體建模

2.1三維地質(zhì)體建模方法流程

三維地質(zhì)體建模就是將所謂的地表、地層、礦體、巖體等地質(zhì)信息以三維真實(shí)坐標(biāo)展現(xiàn)出來，更直觀地觀察它們的形態(tài)、空間位置及相互間的關(guān)系。根據(jù)野外調(diào)研或?qū)嵉乜疾焓占降牡刭|(zhì)資料、鉆孔、探槽及物探、化探、遙感等數(shù)據(jù)，通過整理、校正、轉(zhuǎn)換，提取相關(guān)的有用信息及地質(zhì)體推斷信息，應(yīng)用三維建模軟件構(gòu)建地層、構(gòu)造、礦體、巖體等地質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)體建模。

三維地質(zhì)模型是研究地質(zhì)體三維模擬與可視化軟件的核心與基礎(chǔ)。近年來國(guó)內(nèi)外已有不少研究與探索，但總的來說，三維地質(zhì)模型的數(shù)據(jù)模型理論與技術(shù)仍未成熟，這在很大程度上制約了三維地學(xué)軟件的開發(fā)與發(fā)展。在三維地質(zhì)建模方法方面，相繼提出了基于三棱柱、類三棱柱等的建模、基于鉆孔信息的地層數(shù)據(jù)模型、多源地質(zhì)構(gòu)模、多體建模等建模方法(陳建平等，2014a,2014b)；三維建模軟件方面，常用的三維地質(zhì)建模軟件有Datamine、Surpac、Micromine、GOCAD、TITAN、Vulcan、Voxler、3DMine、Dimine、Minexplorer等(李青元等，2013)，這些三維可視化軟件已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)對(duì)各種地質(zhì)過程模擬或仿真，對(duì)各種簡(jiǎn)單地質(zhì)模型進(jìn)行解算、推演、再造和預(yù)測(cè)，卻難以支持復(fù)雜地礦信息的綜合分析、復(fù)雜地質(zhì)體和地質(zhì)結(jié)構(gòu)的綜合建模、復(fù)雜地質(zhì)過程的綜合模擬，這將是未來一段時(shí)間的研究方向(吳沖龍等，2014)。

2.2基于CSAMT方法的三維建模

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)是從大地電磁法發(fā)展而來的一種人工源電磁探測(cè)深法，由于使用大功率的人工場(chǎng)源，對(duì)人文電磁噪聲有較好的抑制作用，即使在一些強(qiáng)干擾區(qū)域仍可獲得較高的信噪比資料。CSAMT通過改變頻率的方法來達(dá)到測(cè)深的目的，其探測(cè)深度一般可達(dá)1～2 km，具有測(cè)量速度快、探測(cè)深度大、信噪比高的特點(diǎn)。自20世紀(jì)80年代引進(jìn)以來，CSAMT法已在我國(guó)的金屬、石油、地?zé)?、地下水、斷層方面的勘探中發(fā)揮了重要作用，成為地球物理勘探中的一種非常有效的方法。

2.2.1數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理本次研究收集了哈達(dá)門溝礦區(qū)6條相鄰的CSAMT數(shù)據(jù)、82個(gè)鉆孔柱狀圖、21幅勘探線剖面圖及若干區(qū)域地質(zhì)圖。首先對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，將收集的CSAMT數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維空間數(shù)據(jù)組(4列數(shù)據(jù)，分別是三維空間的X、Y、Z坐標(biāo)及對(duì)應(yīng)坐標(biāo)的視電阻率)的文本(表1)，用于構(gòu)建地電結(jié)構(gòu)的三維地質(zhì)模型；然后對(duì)收集到的鉆孔進(jìn)行整理，建立鉆孔數(shù)據(jù)庫，將勘探線剖面圖利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行處理，使其具有正確的三維坐標(biāo)。

表1　CSAMT三維顯示數(shù)據(jù)整理格式

2.2.2三維地質(zhì)體建模Voxler是由美國(guó)Golden Software公司開發(fā)的三維數(shù)據(jù)可視化軟件，主要用于三維切片圖、高程模型圖等。Surpac軟件是澳大利亞SMG公司的數(shù)字礦山管理軟件，廣泛應(yīng)用于資源估算、礦山計(jì)劃、生產(chǎn)等各個(gè)階段中。2種軟件均提供了多種圖形圖像文件格式的輸入、輸出及三維地質(zhì)體建模功能，對(duì)比Voxler、Surpac軟件分別構(gòu)建的哈達(dá)門溝金礦區(qū)的三維地質(zhì)-物探模型，發(fā)現(xiàn)2種不同三維建模軟件構(gòu)建的模型基本一致。結(jié)合鉆孔數(shù)據(jù)及研究區(qū)已知礦體分布對(duì)構(gòu)建的三維地質(zhì)-物探模型進(jìn)行分析，為進(jìn)一步勘探與找礦預(yù)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

(1) 地表模型。收集并下載30 m精度的DEM及相應(yīng)區(qū)域的遙感影像，利用三維建模軟件Voxler構(gòu)建了哈達(dá)門溝礦區(qū)地表實(shí)體模型(圖2、圖3)。地表實(shí)體模型可以真實(shí)地反映地表地形、地貌，對(duì)于野外勘查和工程施工非常必要。該模型能很好地反映礦區(qū)的總體地表情況，為礦區(qū)的勘探工程布置設(shè)計(jì)提供方便。

圖2　地形Fig.2　Landform

圖3　地表模型Fig.3　Digital surface model

(2) 三維地電結(jié)構(gòu)模型。巖石視電阻率的主要影響因素為巖石巖性、孔隙中地層水性質(zhì)(含鹽類、礦化度、溶液溫度)、孔隙度以及孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙中的含水飽和度和泥質(zhì)成分含量等。在哈達(dá)門溝礦區(qū)，圍巖(片麻巖)電阻率一般在1 000～2 000 Ω·m之間；脈巖(偉晶巖)和鉀化帶電阻率一般小于1 000 Ω·m，石英脈(礦脈)電阻率相對(duì)較高，主要是硅化作用造成的，而且變化大，是由于硅化不均勻造成的。圍巖與礦脈具有明顯的電性差異，適合在研究區(qū)開展CSAMT連續(xù)電導(dǎo)率測(cè)量工作。

① Voxler軟件繪制三維地電結(jié)構(gòu)模型方法。根據(jù)每條測(cè)線相應(yīng)標(biāo)高的視電阻率數(shù)據(jù)，應(yīng)用Voxler進(jìn)行三維成圖。

首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，將導(dǎo)入的數(shù)據(jù)與Grid模型進(jìn)行鏈接。在Gridder模型屬性窗口選擇合適的插值方法，調(diào)整相應(yīng)參數(shù)后開始網(wǎng)格化。為了直觀地判斷出電阻率的層位變化，對(duì)未知地質(zhì)體的層位變化的推斷，需要對(duì)網(wǎng)格化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行體積渲染(VolRender)，然后設(shè)置ColorMap屬性選擇合適的顏色等級(jí)，生成哈達(dá)門溝礦區(qū)三維地電結(jié)構(gòu)模型的體積渲染圖(圖4)。

圖4　VolRender圖(體積渲染圖)Fig.4　VolRender model(volume rendering model)

從圖2中可以看出，體積渲染圖能夠清晰地表現(xiàn)出一定區(qū)間內(nèi)不同視電阻率的地質(zhì)體分布特征，從而直觀地對(duì)地質(zhì)體的形態(tài)特征進(jìn)行推斷。

② Surpac軟件繪制三維地電結(jié)構(gòu)模型方法：將所有測(cè)線相應(yīng)標(biāo)高的視電阻率數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Surpac軟件中，將所有測(cè)線提取的視電阻率數(shù)據(jù)合并成1個(gè)文件；然后根據(jù)研究區(qū)范圍構(gòu)建塊體模型，將研究區(qū)空間范圍分為若干個(gè)立方體小塊，并添加相應(yīng)屬性；最后利用提取的視電阻率數(shù)據(jù)給立方體小塊屬性賦上相應(yīng)視電阻率的值。為了與使用Voxler軟件構(gòu)建的模型進(jìn)行對(duì)比，采用相同的插值方法及參數(shù)，生成反映地質(zhì)體不同視電阻率的三維模型(圖5)。

圖5　三維地電結(jié)構(gòu)模型圖Fig.5　Model of 3D geoelectric structure

2種不同軟件構(gòu)建的模型視電阻率低、高阻分布基本一致，同樣的數(shù)據(jù)Voxler軟件構(gòu)建模型相對(duì)效率較高，數(shù)據(jù)顯示以柵格形式進(jìn)行渲染顯示，顏色過渡自然。而Surpac軟件以塊體形式顯示，構(gòu)建的模型可以查看任意塊的視電阻率值，模型精確程度受人為設(shè)置參數(shù)影響，但構(gòu)建約束文件方便快捷，可以迅速篩選相應(yīng)的塊體，并與其他要素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析等操作。

3　三維地質(zhì)-物探模型分析

模型從藍(lán)色到紅色表示視電阻率從低到高，從電阻率的分布圖、透視圖可知低阻區(qū)分布在測(cè)區(qū)南部，中西部也有少量的分布，中間主要為高阻區(qū)，切片圖驗(yàn)證了上述觀點(diǎn)(圖6)，并且對(duì)低阻區(qū)和高阻區(qū)的分布范圍有了徹底的了解，如果相鄰地層的電阻率差異較大，還可以將電阻率的分界面近似為地層的分界面。

圖6　基于Voxler軟件三維切片圖Fig.6　3D slicing map based on Voxler software

結(jié)合地質(zhì)資料可知：研究區(qū)的南側(cè)R3低阻規(guī)模最大，可能是山前斷裂所致，異常顯示較明顯，東西向延伸較遠(yuǎn)，隨著深度的增加，邊部異常曲線不閉合，往南、往深處有延伸的趨勢(shì)；研究區(qū)中部的R2低阻區(qū)異常沿東西方向延伸，根據(jù)已知鉆孔及勘探線剖面數(shù)據(jù)，此低阻區(qū)與100號(hào)、99號(hào)、101號(hào)等金礦脈存在一定的關(guān)系；R1異常規(guī)模最小，往西還有延伸的趨勢(shì)，認(rèn)為與25號(hào)、28號(hào)脈關(guān)系密切(圖7)。

通過統(tǒng)計(jì)100號(hào)脈已知金礦體含礦單元塊體的視電阻率直方圖(圖8)，發(fā)現(xiàn)礦體主要集中在視電阻率為312.5～2 500 Ω·m的區(qū)間，表現(xiàn)為中低阻，因此在該區(qū)域視電阻率表現(xiàn)為中低阻區(qū)域有望發(fā)現(xiàn)金礦床。

通過鉆孔巖性與可控源斷面對(duì)比分析，高阻區(qū)主要為花崗偉晶巖、偉晶巖脈或蝕變片麻巖等，低阻區(qū)主要為殘坡積物、構(gòu)造破碎帶等，礦體主要分布在鉀硅化蝕變巖(表現(xiàn)為中、高阻的過渡帶)，已知礦體與物探模型的中、低視電阻率分布空間疊合良好，礦體在深部往南延伸，并且傾角逐漸變換的趨勢(shì)(圖9)。因此，在礦區(qū)南側(cè)深部(海拔660～840 m)區(qū)域可能具有進(jìn)一步找礦的空間。

綜上所述，三維可視化不僅可以多角度、多細(xì)節(jié)地展現(xiàn)側(cè)區(qū)內(nèi)視電阻率的三維分布情況，還可以提供視電阻率或地層的分界面，并且能夠把異常區(qū)的范圍清晰地描繪出來，這些強(qiáng)大功能是二維剖面所不具備的，同時(shí)為更好地分析地電結(jié)構(gòu)異常提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，也為進(jìn)一步勘探找礦奠定了基礎(chǔ)。

圖7　哈達(dá)門溝礦區(qū)1100線—900線CSAMT聯(lián)合斷面圖(據(jù)2015年度哈達(dá)門溝地質(zhì)勘查報(bào)告)Fig.7　Joint sectional map of prospecting line 1100 to line 900 in the Hadamengou ore district with CSAM(after geological exploration report of the Hadamengou area in the year of 2015)

圖8　含礦單元塊體視電阻率統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.8　Statistical histogram of apparent resistivity of ore-bearing blocks

圖9　礦體實(shí)體模型與可控源剖面疊加圖Fig.9　Superimposition of orebody entity model with controlled-source profile

4　結(jié)　論

(1) 基于可控源音頻大地電磁法數(shù)據(jù)，應(yīng)用Voxler、Surpac軟件分別構(gòu)建了哈達(dá)門溝金礦區(qū)的三維地質(zhì)體模型，對(duì)2種軟件構(gòu)建的模型對(duì)比分析，結(jié)果基本一致。Voxler軟件構(gòu)建模型相對(duì)較快，色彩渲染美觀；Surpac軟件構(gòu)建的模型可以快速查看每個(gè)立方體小塊的屬性值，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

(2) 結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料，通過對(duì)構(gòu)建的三維地質(zhì)-物探模型分析，分析了模型中存在的3個(gè)低阻異常區(qū)所表達(dá)的地質(zhì)信息。結(jié)果表明，R3低阻異常反映了山前大斷裂的分布形態(tài)，R2和R1低阻異常區(qū)分別與100號(hào)金礦脈群、25號(hào)金礦脈的分布有關(guān)。

(3) 在該地區(qū)視電阻率312.5～2 500Ω·m區(qū)間及礦區(qū)南側(cè)深部(海拔660～840 m)具有進(jìn)一步的找礦空間。

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Application of 3D geological modelling based on geophysical data in the Hadamengou gold deposit in Inner Mongolia

YANG Wei1，2， CHEN Jianping1,2， GU Xuexiang1， XIANG Jie1,2， ZHANG Yongmei1

(1. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China; 2. Key Laboratory of Land and Resources Information Research & Development in Beijing, Beijing 100083, China)

At present, the controlled source-audio magnetotelluric (CSAMT) data are mostly processed on the base of survey lines (cross-section), and the output results are presented in two-dimensional inversion cross-sections, which are hard to clearly display the 3D distribution of geoelectric structure. Based on the 2D CSAMT exploration data in the Hadamengou area, this work established a 3D geological model by the interpolation method using 3D modelling software, which well shows the distribution of the underground geological bodies from multiple views and levels. This 3D visualization method can better reflect the distribution, spatial position and morphology of the abnormal areas, and may provide significant guidance for the next exploration and development by outlining the spatial distribution of good conductors and related structures.

CSAMT; Voxler software; Surpac software; 3D geological modelling; Hadamengou gold deposit; Baotou in Inner Mongolia

10.3969/j.issn.1674-3636.2016.03.501

2016-05-30；

2016-06-21；編輯：陸李萍

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“973”計(jì)劃)項(xiàng)目“前寒武紀(jì)優(yōu)勢(shì)礦種成礦系列與找礦預(yù)測(cè)”(2012CB416605)

楊偉(1990—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榈厍蛱綔y(cè)與信息技術(shù)，E-mail： 610170479@qq.com

P631.3+4

A

1674-3636(2016)03-0501-06