湯磊，王金利，陳進，毛先成，李洪奎

(1.招金礦業(yè)股份有限公司，山東 招遠 266009；2.中南大學地球科學與信息物理學院，長沙 410083；3.中南大學有色金屬成礦預測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室，長沙 410083；4.山東省地質(zhì)科學研究院，國土資源部金礦成礦地質(zhì)過程與資源利用重點實驗室，山東省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過程與資源利用重點實驗室，濟南 250013)

0 引言

膠西北地區(qū)是中國最大的金礦成礦區(qū)，也是我國最主要的金礦資源生產(chǎn)基地，具有典型的斷裂控礦構(gòu)造特征，其金礦床的賦存主要受招平、焦家、三山島三條斷裂帶控制[1-2]。其中夏甸金礦床是位于招平斷裂帶的大型礦床，開采歷史悠久。隨著淺部礦、易識別礦的日益減少，礦產(chǎn)資源儲量不足已成為近年來夏甸礦區(qū)面臨的主要問題[3]。礦產(chǎn)勘查工作向第二深部空間發(fā)展[4-5]，開展深部礦產(chǎn)資源預測，是解決礦山資源短缺和危機的重要方案[6-8]。

隨著三維地質(zhì)建模、空間分析與信息提取、三維可視化等技術(shù)的發(fā)展，隱伏礦體立體定量預測逐漸成為解決深部找礦的有效手段[9-10]。隱伏礦體立體定量預測以歷年勘查積累的地質(zhì)資料為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，充分挖掘和提取隱含于其中的控礦地質(zhì)信息，在三維可視化視角下對深部地質(zhì)空間進行定量的成礦預測[11-15]，為深部找礦工作提供有效可靠的參考，極大地降低深部礦產(chǎn)資源預測工作的風險和不確定性。

本文以夏甸金礦為研究對象，基于三維地質(zhì)建模技術(shù)建立控礦斷裂和礦體的三維模型，采用成礦信息分析方法提取夏甸金礦的相關(guān)找礦信息指標，最終利用多元回歸分析建立了夏甸金礦的定量預測模型。通過分析夏甸金礦可視化預測結(jié)果，圈定了Ⅰ號、Ⅱ號兩個立體找礦靶區(qū)，為夏甸礦區(qū)的深部礦產(chǎn)資源預測工作提供定量的參考信息。

1 礦床地質(zhì)特征與礦體定位預測概念模型

1.1 礦床地質(zhì)特征

膠東半島位于華北克拉通東部，蘇魯超高壓變質(zhì)帶北段西側(cè)和郯廬斷裂以東的盆-嶺半島區(qū)，金金屬儲量超過4500 t[16]，其中超過90%的金礦資源產(chǎn)于膠西北的伸展構(gòu)造內(nèi)。而膠西北金礦礦集區(qū)明顯具有東亞大陸與西太平洋活動帶相關(guān)聯(lián)的構(gòu)造剪切特征，主要包括招平斷裂帶、焦家斷裂帶和三山島斷裂帶等3條NNE-NE向斷裂帶，其金礦床主要分布于斷裂帶下盤(圖1)。

圖1 膠西北地質(zhì)簡圖(據(jù)文獻[17]，修改)

夏甸金礦是膠西北金礦礦集區(qū)的大型金礦床，位于招平斷裂帶中段，為典型的破碎帶蝕變巖型金礦床。礦區(qū)內(nèi)招平斷裂帶沿巖性接觸面發(fā)育，總體走向45°，傾向SE，傾角45°左右，上盤為膠東群變質(zhì)巖，下盤為玲瓏花崗巖，構(gòu)造蝕變帶主要包括黃鐵絹英巖帶、黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖帶和黃鐵絹英巖化花崗巖帶。夏甸金礦體主要分布于招平斷裂帶下盤的玲瓏花崗巖體中，嚴格受到剪切破碎蝕變帶控制，大多數(shù)礦體產(chǎn)狀與斷裂面大致平行，個別礦體與斷裂面斜交，礦體形態(tài)復雜，主要呈透鏡狀、脈狀、網(wǎng)脈狀和扁豆狀斷續(xù)分布，膨脹夾縮、分枝復合和尖滅再現(xiàn)特征明顯[18](圖2)。

圖2 夏甸金礦床535線勘探剖面圖(據(jù)文獻[18]，修改)

1.2 礦體定位預測概念模型

根據(jù)夏甸金礦床礦體空間分布特征和成礦地質(zhì)條件，總結(jié)其礦體定位規(guī)律為：

(1)礦化嚴格受到斷裂構(gòu)造控制，主要礦化富集位于斷裂面下盤空間，距離主斷裂面大約300 m范圍內(nèi)；

(2)斷裂面產(chǎn)狀與形態(tài)起伏變化對礦體具有控制作用，主斷裂面陡緩變化處礦體變厚變富，而斷裂面起伏不明顯時礦化變?nèi)?，礦體厚度變薄；

(3)斷裂構(gòu)造上下盤相對運動決定礦體側(cè)伏狀況，礦體沿傾斜方向其延伸大于延長，在側(cè)伏方向上具有較好的成礦潛力。

從上述礦體定位規(guī)律出發(fā)，得出夏甸金礦床的礦體定位預測概念模型(表1)。

表1 夏甸金礦床礦體定位預測概念模型

2 方法

深部找礦三維預測是以地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)為主要研究資料，綜合參考地震、重力、大地電磁等方法獲取的解譯數(shù)據(jù)，構(gòu)建三維空間下與成礦作用密切相關(guān)地質(zhì)體的三維模型，在此基礎(chǔ)上利用空間分析與信息提取技術(shù)獲取相關(guān)礦化指標和找礦信息指標，進而通過尋求2種指標之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系來建立三維地質(zhì)空間定量預測模型。具體實現(xiàn)方法如框架圖3所示。

圖3 深部找礦三維預測方法框架圖

2.1 三維地質(zhì)建模

三維地質(zhì)建模的目的是在三維地質(zhì)空間中建立起地質(zhì)體的定量三維模型，在直觀了解地質(zhì)體幾何形態(tài)和空間展布的同時又能基于此進行相關(guān)的定量分析。根據(jù)地質(zhì)體類型的不同，三維地質(zhì)建模所采用的數(shù)據(jù)和方法也略有不同[19]。以控礦斷裂和礦體為例，其三維地質(zhì)建模的數(shù)據(jù)和方法如圖4所示。

圖4 三維地質(zhì)建模流程

控礦斷裂三維建模需要在地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，參考地球物理等勘查數(shù)據(jù)，將控礦斷裂延伸至深部地質(zhì)空間，為深部找礦提供具有足夠深度和可靠性的控礦斷裂三維模型。而礦體三維建模主要是為成礦規(guī)律分析和成礦信息提取服務(wù)的，需要建立已探明礦體的準確的三維模型，所以其建模流程更加注重礦體的精細描繪與構(gòu)模問題，如圈定時的尖滅處理，構(gòu)模時需要處理礦體線串的對應(yīng)、拼接、分支等問題。

2.2 成礦信息提取

成礦信息提取是在地質(zhì)體三維模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)礦體定位預測概念模型，參考區(qū)域地質(zhì)知識和經(jīng)驗，利用各種空間分析與信息提取技術(shù)對相關(guān)控礦地質(zhì)因素進行分析與提取，獲得反映成礦特征與規(guī)律的找礦信息指標，進而用于定量化的找礦預測研究[20-22]。

(1)距離場因素

距離場因素表達的是控礦斷裂對礦體的空間定位與分布控制信息，這種控制信息與到斷裂的最近距離密切相關(guān)，通常用地質(zhì)空間中體元到主斷裂面的帶符號的最小歐式距離來表示：

(1)

式中，(xv,yv,zv)表示體元的中心點坐標，符號是為了體現(xiàn)體元位置的不同，即斷裂面的上盤、下盤分布的不同，一般約定上盤體元為正距離，下盤體元為負距離?？臻g中所有體元到控礦斷裂的最小距離的集合構(gòu)成了地質(zhì)空間距離場。

(2)形態(tài)起伏因素

形態(tài)起伏因素主要揭示斷裂面起伏對其周圍地質(zhì)空間的控礦作用影響，其計算步驟為：以一定搜索半徑對斷裂面進行形態(tài)濾波獲得趨勢形態(tài)，對外凸和內(nèi)凹部分單元到趨勢形態(tài)輪廓進行量算，得到定量表達斷裂面局部外凸或內(nèi)凹程度的距離值。通過設(shè)置不同的搜索半徑進行濾波，可以得到不同級別的形態(tài)起伏因素值。

(3)坡度因素

斷裂面的坡度屬于斷裂面的產(chǎn)狀屬性之一，能局部地體現(xiàn)斷裂面的產(chǎn)狀(陡緩程度)變化以及該變化提供的成礦微觀物理化學環(huán)境。坡度因素具體可以表達為斷裂面線框模型(TIN模型)中每個三角面片與水平面的夾角：

(2)

式中，α表示坡度，a,b,c為三角面片所在平面方程系數(shù)。

(4)陡緩變化因素

陡緩變化的部位通常是成礦熱液運移異常的地段，所以陡緩變化因素對成礦作用的反映是顯著的。陡緩變化因素通?？梢员磉_為表面上某點的坡度的變化強度。

2.3 預測模型構(gòu)建

在控礦斷裂三維模型和礦體三維模型的基礎(chǔ)上，利用礦化空間分析和克立格插值獲得體元的礦化指標(Au—體元平均品位；AuMet—體元金屬量)，通過成礦信息分析與提取獲得體元的找礦信息指標。找礦信息指標和礦化指標之間存在定量的關(guān)聯(lián)關(guān)系，在數(shù)學上可以表達為找礦信息指標到礦化指標的映射，這種映射的函數(shù)化表達模型為MV=f(GV)，其中MV為礦化變量空間，GV為找礦信息變量空間。這種映射關(guān)系可以用多元回歸分析等方法來實現(xiàn)函數(shù)化表達[23]。

由于找礦信息指標和礦化指標之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系是線性的，所以映射模型MV=f(GV)可以實例化為普通的多元線性函數(shù)模型：

(3)

式中，MVk為MV中的礦化變量(Au，AuMet)，GVj為GV中的找礦信息指標，Bk0,Bk1, …,Bkp為線性函數(shù)的待求參數(shù)，ε為期望值為零的隨機變量。參數(shù)Bk0,Bk1, …,Bkp可通過對GV和MV在地質(zhì)空間控制區(qū)域中離散化單元的量化數(shù)據(jù)進行多元線性回歸分析獲得。

預測模型MV=f(GV)定量揭示了找礦信息指標與礦化指標之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以用其對地質(zhì)空間內(nèi)體元的礦化指標Au(體元的平均品位)和AuMet(體元的金屬量)進行估值預測。

3 結(jié)果

3.1 招平斷裂與夏甸金礦三維地質(zhì)模型

在招平斷裂帶研究區(qū)共收集了地質(zhì)平面圖2幅(1∶20萬和1∶5萬)，地質(zhì)剖面圖85幅以及若干地球物理勘查圖件(地震勘查剖面圖4幅、大地電磁及重力等值線圖1幅、大地電磁和磁法勘查圖件1幅)及勘查報告附表，其中，夏甸礦區(qū)地質(zhì)剖面圖35幅，鉆孔柱狀圖213幅?；谝陨蠄D件和數(shù)據(jù)，利用三維地質(zhì)建模技術(shù)，構(gòu)建了控礦斷裂—招平斷裂帶的三維模型及夏甸礦區(qū)金礦體三維地質(zhì)模型，如圖5、圖6所示。

圖5 招平斷裂帶三維地質(zhì)模型

圖6 夏甸礦區(qū)金礦體三維地質(zhì)模型

3.2 夏甸金礦控礦地質(zhì)因素

以夏甸礦區(qū)金礦體三維模型和鉆孔采樣為參考數(shù)據(jù)，對三維模型和鉆孔軌跡進行25m ×25 m×25 m的塊體化，并利用礦化空間分析和克立格插值對立體單元進行含礦性分析(金品位≥2.0×10-6被認為是含礦單元)，得到立體單元共計16059個，其中含礦單元3212個，非含礦單元12847個，并計算體元的礦化指標Au和AuMet。依據(jù)立體單元和招平斷裂三維模型進行成礦信息分析與提取，獲得各類控礦地質(zhì)因素(距離場、坡度、起伏、陡緩變化)，如圖7所示。

圖7 控礦地質(zhì)因素分布值(-1000 m水平標高)

3.3 夏甸金礦預測模型與預測結(jié)果

對夏甸礦區(qū)金礦體立體單元的控礦因素值進行非線性變換得到相應(yīng)的找礦信息指標，與礦化指標Au和AuMet分別進行對應(yīng)(表2)，并采用多元回歸分析方法計算找礦信息指標變換到礦化指標的系數(shù)項(表3，表4)。

表2 夏甸礦區(qū)金礦體礦化指標與找礦信息指標對應(yīng)表

表3 夏甸礦區(qū)金礦體礦化指標Au與找礦信息指標對應(yīng)表

表4 夏甸礦區(qū)金礦體礦化指標AuMet與找礦信息指標對應(yīng)表

在夏甸礦區(qū)選取了7614109個預測單元，參考夏甸礦區(qū)金礦體的品位和金屬量預測模型，對預測單元進行品位和金屬量計算，得到預測結(jié)果的統(tǒng)計情況和三維可視化情況分別如表5和圖8、圖9所示。

表5 夏甸礦區(qū)金礦預測結(jié)果統(tǒng)計表

圖8 夏甸礦區(qū)已知礦體及體元平均品位Au預測結(jié)果

圖9 夏甸礦區(qū)已知礦體及體元金屬量AuMet預測結(jié)果

4 討論

夏甸礦區(qū)金礦體的形成與賦存嚴格受招平斷裂帶控制，通過三維地質(zhì)建模構(gòu)建的招平斷裂帶的三維模型，能夠在三維地質(zhì)空間視角下直觀了解其總體的走向、傾向、傾角等產(chǎn)狀，可以觀察到招平斷裂帶深部與淺部形態(tài)整體保持一致，局部形態(tài)發(fā)生不同程度變化，說明淺部與深部的成礦作用在一定程度是類似的，淺部控礦規(guī)律研究對于揭示深部控礦規(guī)律具有重要的借鑒意義。此外，觀察夏甸礦區(qū)金礦體三維模型可以發(fā)現(xiàn)其深部延伸基本與招平斷裂帶保持一致，雖然礦體的厚度沿走向方向變化不明顯，但是從深度來看，隨著深度的增加，礦體厚度是逐漸增加的，并且礦體向深部及兩側(cè)并未完全封閉(三維建模時進行了尖滅處理)，這也說明夏甸礦區(qū)深部仍具有較好的找礦前景。

通過成礦信息提取得到的夏甸礦區(qū)金礦體立體單元的控礦因素值可以直觀反映成礦規(guī)律信息，對于成礦作用研究和深部找礦預測都具有重要的指示作用。

從圖10中各個控礦地質(zhì)因素與金品位的散點圖可以看出，主要礦化富集單元大多位于斷裂帶下盤，最小距離集中在-250～0 m(圖10a)，坡度值集中在40°～50°(圖10b)，一級起伏值集中在-10～10 m(圖10c)，由陡變緩值集中在場強-7～-5(圖10d)。通過這些指標可以為成礦作用與控礦規(guī)律分析提供可靠的定量依據(jù)，指導深部找礦工作。

圖10 金品位Au與控礦地質(zhì)因素散點圖

夏甸礦區(qū)深部預測工作中得到的立體單元的金品位和金屬量預測結(jié)果，定量揭示了深部地質(zhì)空間立體單元的礦化分布情況。為了體現(xiàn)一定范圍的局部礦化分布狀況，對立體單元預測金屬量進行累加并投影到二維平面上，如圖11所示。

圖11 夏甸礦區(qū)已知礦體與預測結(jié)果平面投影圖

從圖11中可以觀察到累計金屬量出現(xiàn)兩個高值區(qū)，依據(jù)找礦靶區(qū)的“最小空間，最大含礦率”的圈定原則，在夏甸礦區(qū)圈定了兩個深部立體找礦靶區(qū)—Ⅰ號靶區(qū)和Ⅱ號靶區(qū)(圖12)。

圖12 夏甸礦區(qū)已知礦體與找礦靶區(qū)空間分布圖

5 結(jié)論

本文基于多源勘查數(shù)據(jù)，利用三維地質(zhì)建模方法構(gòu)建了招平斷裂帶和夏甸礦區(qū)金礦體的三維模型，以此進行成礦信息分析，提取相關(guān)控礦地質(zhì)因素，再通過多元回歸分析建立了夏甸礦區(qū)金礦體的品位與金屬量的預測模型，并進行深部成礦預測得出如下結(jié)論：

(1)招平斷裂帶深部形態(tài)與淺部相似，且夏甸金礦體其深部延伸基本與招平斷裂帶保持一致，深部仍具有較好的找礦前景；

(2)通過成礦信息提取得到的控礦地質(zhì)因素表明，夏甸金礦床礦化富集單元大多位于距離主斷裂面-250～0 m內(nèi)，坡度值為40°～50°，一級起伏程度為-10～10 m，由陡變緩場強為-7～-5；

(3)夏甸礦區(qū)金屬量三維預測結(jié)果在深部呈現(xiàn)出兩塊高值區(qū)，據(jù)此圈定了夏甸礦區(qū)Ⅰ號和Ⅱ號2個立體找礦靶區(qū)，為礦區(qū)深部找礦工程布置提供重要的靶區(qū)信息。