張海芳

(山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺(tái) 264000)

0 引言

礦床三維模型是“數(shù)字礦山”的基礎(chǔ)，是礦床的數(shù)字表征。20世紀(jì)70年代中期開始，西方主要國家成立軟件公司研制采礦軟件。到了80年代初期，相繼推出了各種采礦軟件，這些軟件涉及領(lǐng)域包括：礦床模擬、開采評(píng)估、設(shè)計(jì)規(guī)劃、生產(chǎn)管理等[1-2]。90年代時(shí),礦業(yè)軟件技術(shù)的研究和應(yīng)用到了空前的繁榮時(shí)期，礦業(yè)軟件不斷的更新?lián)Q代，幾乎所有的大中型礦業(yè)公司都擁有用于開采計(jì)劃編制和資源及儲(chǔ)量評(píng)估的礦業(yè)軟件系統(tǒng)[3-4]。比較有影響的礦業(yè)軟件有Datamine，Surpac、Ctech，Micromine等。國產(chǎn)三維可視化軟件剛剛涌現(xiàn)，

Creatar-Xmodeling是一套以地質(zhì)理論為指導(dǎo)，提取地質(zhì)資料中的地質(zhì)信息，將計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)學(xué)方法相結(jié)合，建立三維地質(zhì)模型的建模軟件。該軟件引進(jìn)了先進(jìn)的三維引擎庫，實(shí)現(xiàn)了三維可視化、立體建模、品位估值、資源儲(chǔ)量計(jì)算、境界優(yōu)化及繪圖等功能，在一定程度上能夠與國外同類產(chǎn)品相媲美[7]。該研究借助于北京超維創(chuàng)想信息技術(shù)有限公司自主研發(fā)的Creatar-Xmodeling三維地質(zhì)建模軟件[5-6],搭建全息、精細(xì)的蛇紋巖礦體鉆孔數(shù)據(jù)庫及三維地質(zhì)模型，

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

礦區(qū)大地構(gòu)造位置處于秦嶺-大別-蘇魯造山帶(Ⅰ級(jí))膠南-威海隆起(Ⅱ級(jí))威海隆起區(qū)(Ⅲ級(jí))乳山-榮城斷隆(Ⅳ級(jí))昆崳山-乳山凸起部位(Ⅴ級(jí))的西部[8]。

1.1 地層

礦區(qū)地層簡單(圖1)，主要有中生代白堊紀(jì)萊陽群林寺山組及新生代第四系(1)乳山市金成礦業(yè)有限公司，山東省乳山市金港礦區(qū)化肥用蛇紋巖詳查報(bào)告，2012年。。

1—第四紀(jì)灰黃色含礫混粒砂、砂礫層、中細(xì)砂；2—林寺山組細(xì)粒巖、砂礫巖、含礫粗砂巖；3—崔召單元中粒含黑云二長花崗巖；4—滕家單元條帶狀細(xì)粒含黑云花崗閃長質(zhì)片麻巖；5—煙墩山單元中細(xì)粒變輝石角閃石巖；6—通海單元變輝石橄欖巖(滑石化蛇紋巖)；7—偉晶巖脈；8—礦體及編號(hào);9—不整合接觸界線;10—地層產(chǎn)狀(度);11—片麻理產(chǎn)狀(度);12—地質(zhì)界線；13—見礦鉆孔；14—勘探線圖1 山東省乳山市金港礦區(qū)地質(zhì)略圖

1.2 構(gòu)造

礦區(qū)構(gòu)造不發(fā)育，主要表現(xiàn)為節(jié)理、裂隙，對(duì)地層、巖漿巖等的連續(xù)性、完整性無影響。

1.3 巖漿巖

礦區(qū)與蛇紋巖礦有關(guān)的侵入巖主要為中元古代海陽所序列。

(1)通海單元。 分布于礦區(qū)中部芽咀臺(tái)往南到西泓村西一帶，呈透鏡狀、殘留包體狀產(chǎn)出，以包體形式分布在中生代玲瓏序列崔召單元內(nèi)，長軸多呈NW，NE向，長一般350～500m，最長1500m，寬一般45～140m，最寬處550m，巖性為變輝石橄欖巖(滑石化蛇紋巖)、含磁鐵綠泥蛇紋巖。變輝石橄欖巖呈淺綠色、淺褐綠色，粒狀變晶交代網(wǎng)環(huán)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，礦物成分主要為：橄欖石75%，輝石25%；含磁鐵綠泥蛇紋巖呈暗綠色、黑綠色，鱗片變晶結(jié)構(gòu)、交代殘余結(jié)構(gòu)，塊狀、網(wǎng)脈狀構(gòu)造，礦物成分主要為：蛇紋石80%，綠泥石>10%，磁鐵礦3%±，方解石少量。該單元為蛇紋巖礦主要賦礦巖體，其中Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ,Ⅶ號(hào)礦體賦存于該單元中。

(2)煙墩山單元。 主要分布于礦區(qū)中東部，分布較廣泛，呈小巖株?duì)?、長橢球狀產(chǎn)出，巖性為中細(xì)粒變輝石角閃石巖，墨綠色，粒狀變晶結(jié)構(gòu)、纖狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，礦物成分主要為：角閃石、蛇紋石，少量輝石、黑云母、綠泥石、滑石等，巖石蝕變強(qiáng)烈，主要為蛇紋石化、綠泥石化。

2 礦床地質(zhì)特征

2.1 礦體特征

金港礦區(qū)圈定礦體11個(gè)，編號(hào)為Ⅰ—Ⅺ，其中Ⅰ，Ⅱ號(hào)為主要礦體,礦石量分別占查明礦石總量的57.61%，19.00%，Ⅲ號(hào)為次要礦體,礦石量占查明礦石總量的12.32%；礦石主要為滑石化蛇紋石、蛇紋石化變輝石角閃巖。

Ⅰ號(hào)礦體：分布于36～52線之間，賦存標(biāo)高+20m～-187m(圖2)，呈脈狀。控制長約360m，最大斜深210m，厚度15.19～47.28m，平均33.91m，厚度變化系數(shù)47.65%，厚度較穩(wěn)定，礦體沿走向和傾向均未封閉；礦體走向NEE，傾向SE，傾角21°～62°；MgO含量20.23%～35.66%，平均28.34%，品位變化系數(shù)33.55%，有用組分分布均勻。有害組分CaO含量0.17%～4.50%，平均2.74%。

1—黑云二長花崗巖；2—二長花崗巖；3—輝石角閃巖；4—滑石化蛇紋巖；5—斜長角閃巖；6—礦體及編號(hào)；7—探槽及編號(hào)；8—鉆孔及編號(hào)；9—取樣位置圖2 金港礦區(qū)蛇紋巖礦48線剖面示意圖

Ⅱ號(hào)礦體：分布于36～52線之間，賦存標(biāo)高+25m～-82m(圖2)，位于Ⅰ號(hào)礦體南側(cè)，與Ⅰ號(hào)礦體近平行。礦體呈脈狀，控制長約360m，最大斜深90m，厚度5.23～30.27m，平均24.06m，厚度變化系數(shù)62.14%，厚度較穩(wěn)定，礦體沿走向和傾向均未封閉；礦體走向NEE，傾向SE，傾角30°～48°；MgO含量19.29%～32.71%，平均25.87%，品位變化系數(shù)47.15%，有用組分分布均勻。有害組分CaO含量0.79%～4.76%，平均2.52%。

Ⅲ號(hào)礦體：分布在52～66線之間，賦存標(biāo)高+70m～-40m。礦體呈脈狀，控制長約300m，最大斜深70m，厚度22.32～65.70m，平均40.13m，厚度變化系數(shù)47.65%，厚度較穩(wěn)定，礦體沿走向和傾向未封閉；礦體長軸近EW向，傾向S，傾角45°～54°；MgO含量20.07%～37.24%，平均27.11%，品位變化系數(shù)43.27%，有用組分分布均勻。有害組分CaO含量0.10%～4.74%，平均2.32%。

2.2 礦石特征

2.2.1 礦石礦物成分

該礦床礦石類型為滑石化蛇紋巖型、蛇紋石化變輝石橄欖巖型、蛇紋石化變輝石角閃巖型。

(1)滑石化蛇紋巖型礦石主要由蛇紋石、滑石等組成。

(2)蛇紋石化變輝石橄欖巖型礦石主要由蛇紋石、橄欖石、單斜輝石、陽起石、磁鐵礦等組成。

(3)蛇紋石化變輝石角閃巖型礦石主要由蛇紋石、單斜輝石、透閃石等組成。

2.2.2 礦石化學(xué)成分

據(jù)化學(xué)全分析結(jié)果(表1)，礦石MgO含量10.35%～27.88%。近地表礦石因風(fēng)化淋濾作用，MgO含量降低，CaO，SiO2含量增高。

表1 礦石化學(xué)成分

3 鉆孔數(shù)據(jù)庫的建立

鉆孔數(shù)據(jù)庫是建立三維空間模型的基礎(chǔ)。通過對(duì)礦區(qū)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、規(guī)范，將其整合為3個(gè)數(shù)據(jù)表：鉆孔基本信息表(表2)、鉆孔分層信息表(表3)和鉆孔傾斜信息表(表4)，以Excel工作表形式分別記錄礦區(qū)鉆孔的孔口位置、深度；巖性；方位角、天頂角等信息，利用Xmodeling軟件在三維空間顯示鉆孔軌跡、分布(圖3)，為實(shí)體模型的建立奠定基礎(chǔ)[9-10]。

表2 鉆孔基本信息

表3 鉆孔分層信息

表4 鉆孔傾斜信息

1—鉆孔軌跡線；2—鉆孔編號(hào)圖3 金港蛇紋巖礦區(qū)鉆孔空間立體顯示效果圖

4 三維模型建設(shè)

三維建模是在三維地質(zhì)建模系統(tǒng)(XModelling)中進(jìn)行二維轉(zhuǎn)三維，就是把二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維數(shù)據(jù)之后，對(duì)礦體或地層、巖體等建模對(duì)象進(jìn)行分類[11]。金港礦區(qū)建模對(duì)象——礦體為滑石化蛇紋巖、蛇紋石化變輝石橄欖巖、蛇紋石化變輝石角閃巖；巖層主要分為海陽所超變輝石橄欖巖、變輝石角閃石巖以及崔召單元中粒含黑云二長花崗巖[12-13]。

4.1 地層、巖體建模

建模方法為基于多源數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)體建模。系統(tǒng)從多源數(shù)據(jù)中，提取和解譯出關(guān)于單個(gè)地質(zhì)界面的相關(guān)原始數(shù)據(jù)，建立單地質(zhì)界面的三維空間形態(tài)，并進(jìn)行交互式編輯；然后將各個(gè)建立好的地質(zhì)界面求交，去掉地質(zhì)界面的多余部分；最后將各個(gè)地質(zhì)界面拼合形成三維地質(zhì)體[14](圖4)。

1—二長花崗巖；2—變輝石角閃巖圖4 地層、巖體三維模型

4.2 單體建模(礦體建模)

同樣是根據(jù)整理的原始剖面數(shù)據(jù)，使用控制點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)，將二維剖面圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至三維空間下的剖面圖數(shù)據(jù)。礦體建模使用以下方法步驟[15]：①處理及轉(zhuǎn)換剖面數(shù)據(jù)；②提取及整理礦體輪廓線數(shù)據(jù)；③根據(jù)剖面情況連相同屬性礦體；④單工程礦體通過輪廓線外推殲滅。

金港礦區(qū)蛇紋巖礦體三維空間整體效果圖(圖5)。

1—礦體及編號(hào)圖5 礦體模型立體顯示效果圖

5 三維模型的顯示

三維地質(zhì)模型在虛擬三維環(huán)境下，將空間信息管理、地質(zhì)解譯、空間分析、地學(xué)統(tǒng)計(jì)、實(shí)體內(nèi)容及圖形可視化等工具結(jié)合起來，并用于地質(zhì)分析的技術(shù)。其中，可視化是三維模型最顯著的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

在三維模型空間(圖6)中可以看出礦體呈似層狀產(chǎn)出，表面多呈NEE向脈狀，礦體多呈緩傾斜，傾角多在30°～48°，個(gè)別礦體傾角在62°左右。

1—礦體及編號(hào)；2—鉆孔軌跡線圖6 礦體及鉆孔三維模型復(fù)合顯示

三維模型中(圖6)，直觀展示鉆孔軸線在空間的位置，勘查中有1類鉆孔——直線型鉆孔。每個(gè)鉆孔由表示孔口的點(diǎn)、表示分層巖性的多個(gè)直線段等組成。

對(duì)礦體、地層、巖體、鉆孔等進(jìn)行復(fù)合顯示(圖7不同方位的立體顯示)，立體再現(xiàn)礦體賦存的空間分布特征，工程控制情況，指導(dǎo)進(jìn)一步的深部及外圍勘查工作。

目前，由于三維地質(zhì)模型建設(shè)尚在起步階段，雖然已經(jīng)有了一些成功的應(yīng)用嘗試，但總體而言對(duì)于各礦區(qū)復(fù)雜程度的不同，在實(shí)際使用中會(huì)出現(xiàn)無法預(yù)期的問題。在地質(zhì)勘探與礦井設(shè)計(jì)與生產(chǎn)管理中的應(yīng)用還并不普及、并不理想，距它應(yīng)該達(dá)到的程度還有很大差距。隨著原始地質(zhì)資料的數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)化以及軟硬件技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，三維地質(zhì)模型建設(shè)在礦床勘查中將會(huì)逐漸發(fā)揮便利、高效而強(qiáng)大的作用[16]。

圖7 全區(qū)三維模型復(fù)合顯示

6 結(jié)論

(1)該項(xiàng)目通過對(duì)金港礦區(qū)蛇紋巖礦勘查資料進(jìn)行綜合研究，將二維平面引入到三維空間，建立三維地質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)了地下礦體的三維可視化，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化礦山打下了基礎(chǔ)，也為深部找礦提供了礦體形態(tài)研究的先進(jìn)手段。

(2)目前國內(nèi)金屬礦業(yè)企業(yè)打造數(shù)字化礦山還處于剛剛起步的階段，三維地質(zhì)模型在礦山企業(yè)中有很大的應(yīng)用前景。有助于實(shí)現(xiàn)礦山行業(yè)的信息化管理，服務(wù)于礦山生命周期的各個(gè)階段，值得在我國其他金屬礦山企業(yè)中推廣使用。

(3)盡管三維地質(zhì)建模發(fā)展應(yīng)用中還存在多種問題，這項(xiàng)技術(shù)終究還是會(huì)不斷發(fā)展的，三維地質(zhì)建模軟件將更加成熟，在性能上更加穩(wěn)定，操作上更加簡單、靈活。人們將更深入地探討三維地質(zhì)建模流程中的共性，抽象出三維地質(zhì)建模中更一般、更通用的工作流程，使得三維地質(zhì)建模軟件像人們用WORD/WPS那樣只需要很少的學(xué)習(xí)與培訓(xùn)就能上手。隨著業(yè)主對(duì)地質(zhì)勘探三維可視化成果的要求，地質(zhì)勘探隊(duì)將逐漸地對(duì)勘探成果進(jìn)行三維建模。