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)
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。
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)
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
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
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。
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。
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。
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
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)
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
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
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。