牛聰聰，張平發(fā)，高兆全，范春寶，蘇鳳波，李 敏，段志偉

(1.中國有色桂林礦產(chǎn)地質研究院有限公司，廣西 桂林 541004；2.赤峰中色白音諾爾礦業(yè)有限公司，內蒙古 赤峰 024005)

DIMINE三維軟件功能涵蓋地質、勘探、資源儲量估算、露天和地下采礦設計等，其操作簡便、直觀、快捷、精確，對礦山資源、環(huán)境有較高的適應性，尤其是在創(chuàng)建礦山地表、礦體、井巷等三維可視化、信息化模型方面有著突出的表現(xiàn)，以礦山數(shù)據(jù)庫為核心的計算機系統(tǒng)為基礎，實現(xiàn)對礦山自動化管理以及后期數(shù)據(jù)的挖掘[1-4]。三維軟件擁有真實、直觀地展現(xiàn)各個地質體之間關系的各種優(yōu)勢，已經(jīng)在國內外多個礦山中得以應用，中色集團在國外深耕多年，尤其是在非洲南部贊比亞、剛果(金)所收購的大型銅鈷礦山，其礦山的開發(fā)和運營均已實現(xiàn)數(shù)字化，為推進礦山數(shù)字化建設，本次研究以中色集團白音諾爾鉛鋅礦為例，結合礦山實際情況對數(shù)字化建模進行示范研究，選擇典型礦段進行地質建模，并討論其建模-數(shù)據(jù)分析-儲量估算全過程應用特點，總結地質建模應用經(jīng)驗與存在的不足，為實現(xiàn)下一步礦山的資源動態(tài)管理、采礦數(shù)字化打下基礎。

1 礦區(qū)地質概況

大興安嶺地區(qū)是中國東部重要的成礦集中區(qū)之一，最具代表性礦種有鉛-鋅-銅-鉬-錫-銀-金[5-6]。白音諾爾鉛鋅礦位于大興安嶺中南段黃崗—甘珠爾廟成礦帶上，地層是以晚古生代地層為基底，上覆侏羅系-白堊系的陸相火山巖，走向北東，受北東向斷裂與褶皺控制，區(qū)域構造上位于賀根山斷裂與西拉木倫河斷裂之間，后被北東向嫩江斷裂錯斷，屬于中亞造山帶的東段(圖1)，巖漿巖以大規(guī)模的中酸性巖漿侵入為特征，與同時代的陸相火山巖系構成了同源、同時、異相的火山侵入雜巖。

白音諾爾鉛鋅礦區(qū)地層主要為二疊系哲斯組一套淺變質海相砂泥質-碳酸鹽巖沉積建造，巖性為結晶灰?guī)r、大理巖、板巖，上覆一套以流紋巖、流紋質凝灰?guī)r、凝灰熔巖為主的侏羅系火山巖，礦區(qū)構造以斷裂為主，呈北北東向平行排列，控制了礦體的整體展布形態(tài)，侵入巖以花崗閃長巖、中性閃長玢巖為主，與成礦關系密切，發(fā)育有多條北西向的后期破礦脈巖，巖性為石英斑巖、正長斑巖等(圖1)。

1—第四系；2—板巖；3—大理巖；4—灰?guī)r；5—流紋巖；6—閃長玢巖；7—正長斑巖；8—流紋質凝灰?guī)r；9—凝灰熔巖；10—石英斑巖脈；11—礦體；12—礦體編號圖1 白音諾爾礦區(qū)地質簡圖Fig.1 Geological map of Baiyinnuoer mining area

礦區(qū)內礦體多，且形態(tài)較復雜，厚度、品位及產(chǎn)狀變化較大，礦體成群、成帶分布規(guī)律性較強[6]。依據(jù)礦體分布特點、構造控礦因素特征分為南、北兩個礦帶。北礦帶位于礦區(qū)中部山脊北側，白音諾爾背斜的北西翼，長度1 300 m，寬600 m，礦體多而形態(tài)復雜，共圈定工業(yè)礦體33條，礦體絕大多數(shù)賦存于閃長玢巖與大理巖接觸帶及其附近的矽卡巖中，頂?shù)装鍑鷰r主要為閃長玢巖、板巖、大理巖等；南礦帶位于中部山脊的南側，長1 100 m，寬200～400 m，礦體群較集中，共圈定工業(yè)礦體35條，依據(jù)礦體賦存規(guī)律分為3個礦脈群(編號為1號、2號、3號)，1號、2號礦脈群賦礦層位位于閃長玢巖與結晶灰?guī)r的接觸帶上，具有典型的矽卡巖成礦特點，3號礦脈群賦存于流紋質凝灰?guī)r中，礦體受構造控制，矽卡巖化蝕變較弱，本文所研究的三維地質建模礦體為南礦帶1號礦脈群(圖1)。

2 數(shù)據(jù)庫的建立及地質建模應用流程

數(shù)字礦山建設的目的是建立以礦山數(shù)據(jù)庫為核心的計算機系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對礦山資源量的動態(tài)管理[7]。地質建模工作流程如下：1)建立礦山地質數(shù)據(jù)庫；2)提取地質體相關信息，進行地質解譯；3)分析不同地質體的三維形態(tài)，確定建模方法；4)對不同地質體分別進行建模，建立空間實體模型；5)對樣品數(shù)據(jù)進行分析處理(包括特高品位處理和樣品組合)；6)建立空的礦塊模型，對空塊進行品位插值；7)資源儲量估算。本次研究選取建立數(shù)據(jù)庫區(qū)域為白音諾爾鉛鋅礦南礦帶1號礦脈群750～800 m中段，地質數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源主要為坑內鉆孔數(shù)據(jù)、地質平面圖、剖面圖，在Excel中分別錄入鉆孔孔口、鉆孔測斜、鉆孔樣品、鉆孔巖性數(shù)據(jù)，本次建模共搜集鉆孔458個，測斜數(shù)據(jù)826個，鉆孔樣品2 970個，巖性數(shù)據(jù)4 100個，導入DIMINE軟件中校驗和修正樣品數(shù)據(jù)，最后合并為地質數(shù)據(jù)庫。

3 三維建模的應用

3.1 實體模型建立

實體模型主要包括礦體和圍巖模型，主要是根據(jù)不同勘探線剖面勾勒出不同巖性輪廓線、礦體輪廓線為基礎，圈連三角網(wǎng)線框模型，最終將不同三角網(wǎng)合并自動生成閉合的實體模型。白音諾爾礦區(qū)鉛鋅礦體形態(tài)復雜，條數(shù)眾多，整體工程勘查類型為Ⅲ類偏復雜型，礦體工程網(wǎng)度為12.5 m(走向)×12.5 m(傾向)，依據(jù)施工鉆孔地質特征依次建立圍巖模型和礦體模型(見圖2)。

圍巖模型：圍巖建模的關鍵在于確定不同巖性之間的界線，礦區(qū)地層巖性有結晶灰?guī)r、大理巖、板巖，侵入巖有閃長玢巖、石英斑巖、安山玢巖，蝕變巖有矽卡巖，石英斑巖、安山玢巖為后期穿插小巖脈，形態(tài)變化大。在本次圍巖建模工作過程中，結晶灰?guī)r、板巖、閃長玢巖面積較大，依據(jù)剖面信息圈定了巖性的界線，同時忽視其中細小脈巖的穿插。依次連接構建圍巖實體模型圖：1)二疊系板巖(esl)，位于工作區(qū)北部和南部，用黃色顯示；2)二疊系灰?guī)r(lsm)，位于工作區(qū)中西部和東部，用灰白色顯示；3)閃長玢巖(δμ)，位于工作區(qū)中部和南東部，用粉色顯示；4)石英斑巖(qπ)，位于工作區(qū)西部，穿插于閃長玢巖中，用藍色顯示；5)矽卡巖(sk)，位于工作區(qū)西部，用綠色顯示(見圖2-a)。

圖2 礦體及圍巖模型三維視圖Fig.2 3D view of surrounding rock and orebody model

礦體模型：依據(jù)地質信息共圈定規(guī)模較大礦體5條，編號分別為1-1、1-2、1-3、1-4、1-5(圖2-b)。1-1礦體位于79～85勘探線之間，呈囊狀、脈狀，走向NE，傾向SE，傾角55°，走向長45 m，圍巖為結晶灰?guī)r；1-2礦體位于71～73勘探線之間，呈透鏡狀、脈狀，走向NE，傾向SE，傾角80°，走向長30 m，少量工程控制，位于閃長玢巖和結晶灰?guī)r接觸帶上；1-3礦體位于69～83勘探線之間，呈大脈狀，走向NE，傾向SE，傾角67°～85°，走向長140 m，礦體在71～73線之間被石英斑巖錯斷(圖3)，75～79線礦脈出現(xiàn)先分支后復合，圍巖為結晶灰?guī)r；1-4礦體位于69～79勘探線之間，呈大脈狀、紡錘體狀，整體走向NE，傾向SE，傾角67°～85°，走向長110 m，礦體在73～75勘探線之間被石英斑巖錯斷，圍巖上盤為結晶灰?guī)r，下盤為閃長玢巖；1-5礦體位于79～91勘探線之間，呈大脈狀、整體呈“Z”字狀，走向NE，傾向SE，走向長度120 m，傾角55°～70°，圍巖從西至東由結晶灰?guī)r變?yōu)殚W長玢巖。

圖3 750～800 m中段73線地質剖面圖 Fig.3 Geological profile of section 73 between 750-800 m level

3.2 樣品數(shù)據(jù)的分析與處理

樣品數(shù)據(jù)處理的目的是確保運用于估值的參數(shù)均為無偏估計值，包括樣長組合和特高品位處理，即對地質數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析處理后得到的正態(tài)分布數(shù)據(jù)。根據(jù)地質統(tǒng)計學原理，組合樣是將空間不等長的樣品長度和品位量化到一些離散點上，所有的樣品數(shù)據(jù)應落在相同的承載上，即同類參數(shù)的地質樣品段的長度應該一致。同時由于樣品特高品位值將直接影響變量的分布特征，會造成資源量估算錯誤，因此必須對其進行處理[8-11]。

統(tǒng)計分析樣品樣長特點后，選擇“樣長組合”方法按平均樣長(1.5 m)對所有樣品進行組合，設定最小組合樣長為原始樣品長度的75%，即1.15 m；針對白音諾爾鉛鋅礦床的產(chǎn)出特征及賦存狀態(tài)，沿用歷年勘查資料估算參數(shù)，設定品位值高于礦段平均品位6倍的樣品為特高品位樣品，采用“平均品位替換法”進行處理。處理后結果顯示Pb品位大部分位于1%以下，平均值為0.34%，最大值為3.48%，變化系數(shù)為1.71；Zn品位大部分位于5%以下，平均值為3.30%，最大值為19.74%，變化系數(shù)為1.10，Pb-Zn品位變化散點圖顯示兩種元素無明顯線性關系(圖4-a)，正態(tài)分布PP圖及品位直方圖顯示樣品品位總體變化不大，呈線性相關，屬均勻變化型礦體(圖4-b、圖4-c)；Ag作為伴生礦物，整體品位較低，平均品位為10×10-6，綜合利用價值不大。

圖4 樣品品位分析圖Fig.4 Analysis of sample grade

3.3 資源量估算方法應用對比

3.3.1 估算方法

三維軟件中用于資源儲量估算的方法有距離冪次反比法、克里格法，均已具備了較為完整的理論體系。其中克里格法又分為簡單克里格、普通克里格和對數(shù)正態(tài)克里格法等，普通克里格法可根據(jù)變化的品位均值推估不同距離樣品點的數(shù)據(jù)信息，即擬合出符合品位分布規(guī)律的變異函數(shù)，樣品數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征服從正態(tài)分布，符合大多數(shù)礦床品位信息的統(tǒng)計規(guī)律，因此，普通克里格法已成為目前礦山應用較廣泛的克里格插值方法[12-13]。本文主要通過普通克里格法進行資源量估算，并將其估算結果和距離冪次反比法、傳統(tǒng)塊段法估算結果進行對比。

1)變異函數(shù)的確定

在對地質樣品分析數(shù)據(jù)處理的基礎上，利用軟件中的統(tǒng)計與分析功能，對實驗變異函數(shù)進行測算，設置實驗變異函數(shù)的各項參數(shù)(包括方位、傾角、容差角、容差限、滯后距)，選擇球狀模型對變異函數(shù)進行擬合，最終確定礦體在三個方向上的變異函數(shù)參數(shù)。根據(jù)本區(qū)礦體模型特點，設置主軸實驗變異函數(shù)的方位角為45°，次軸的方位角應該與主軸方位角垂直，次軸的方位角應該設置為135°，第三軸方位角自動計算為50°，顯示出3個方向上的實驗變異函數(shù)曲線，多次調整滯后距，擬合后得到理論變異函數(shù)參數(shù)塊金值為0.033，基臺值為0.329 m，變程為47.745 m(圖5)，作為后續(xù)估值的依據(jù)。

圖5 實驗變異函數(shù)曲線及計算參數(shù)Fig.5 Experimental variogram curve and calculation parameters

2)交叉驗證

交差驗證的實質是比較克立格估值與真實值的偏差，并對其差值進行統(tǒng)計分析，以判斷所擬合的變異函數(shù)參數(shù)是否正確[12]。

從圖6、圖7可以看出，組合樣實際值與估值幾乎重合，Pb、Zn元素誤差均值分別為0.001 4、0.045 6，趨近于零，方差估計值接近，誤差直方圖顯示差異均趨近于零(表1)，表明變異函數(shù)的參數(shù)對組合樣品估計是無偏差的，可以用于礦區(qū)內金屬元素Pb、Zn的品位估值。

圖6 交叉驗證誤差圖(單位：m)Fig.6 Cross validation error diagram(Unit：m)

圖7 誤差頻率統(tǒng)計直方圖Fig.7 Error frequency histogram of estimation method

表1 各項異性變異函數(shù)參數(shù)交叉驗證結果Table 1 Cross validation results of heterosexual variogram parameters

3.3.2 儲量估算

1)塊體模型

建立空塊體模型是為了對圈定礦體進行資源儲量估算，在確定最小單元塊段尺寸時，需要考慮采礦方法、最小采礦單元、礦區(qū)的勘探網(wǎng)度以及變異函數(shù)的特征等因素，對品位變化較大的礦床，為了能夠比較精確地控制及圈定礦體邊界，選擇相對小的單元塊尺寸更有利于零星小礦體的圈定和資源評價[14-15]。本次建模確定的塊體模型單元塊尺寸為2.5 m×2.5 m×1.5 m，可分解的最小單元塊尺寸為1.25 m×1.25 m×0.75 m。

2)估算結果

在多次調整搜索距離和角度等搜索參數(shù)后，將所有28 857個塊體全部估算完畢，并對單個塊體體重、控制級別等參數(shù)進行賦值，塊體資源量控制級別及品位分布特征如圖8所示。依據(jù)劃分出其地質可靠程度，可以很直觀地描述礦體內部品位變化趨勢及不同品級的分布特征，為礦山基礎建設及實現(xiàn)后期的生產(chǎn)動態(tài)管理提供科學的理論指導。1-1、1-3、1-4號礦體為探明主礦體，Pb+Zn的平均品位在3.0%以上，合計資源量17.30萬t，占資源量的92.69%，也是下一步擬做采準工程的厚大礦體；1-2、1-5號礦體由少量工程控制，控制資源量合計1.36萬t(表2)。

圖8 儲量估算級別及Zn元素品位分布圖Fig.8 Reserves estimation level and Zn grade distribution

表2 白音諾爾南礦段1號礦脈群資源量估算表(普通克里格法)Table 2 Resource reserve estimation table of No.1 vein group in Baiyinnuoer(ordinary Kriging method)

3)對比分析

利用傳統(tǒng)儲量估算法(地質塊段法)、三維軟件距離冪次反比法和克里格估值法按照相同的圈連原則對該礦段的資源量分別計算，計算結果對比數(shù)據(jù)見表3。與傳統(tǒng)估算法的估算結果相比，普通克里格法估算礦石量誤差為0.5%，品位誤差為5.76%，二者較為接近，較好地反映礦山實際情況，適用性較好；距離冪次反比法估算礦石量誤差為1.63%，品位誤差15.56%，品位估算結果超差較大，說明在估算的過程中普通克里格法變異函數(shù)的應用更能精確的對塊體進行空間插值。

表3 資源量估算結果誤差對比表Table 3 Error comparison of estimation results

4 結論

1)本次三維軟件應用為根據(jù)地質建模流程分別建立了圍巖和礦體模型，模型顯示礦床類型為典型矽卡巖型(厚大礦體主要賦存于結晶灰?guī)r和閃長玢巖接觸帶上)，共圈定礦體5條，空間形態(tài)呈囊狀、大脈狀、透鏡狀，整體北東走向。

2)克里格估算方法中樣品統(tǒng)計分析顯示Pb品位平均值為0.34%，Zn品位平均值為3.3%，Ag品位平均值為10×10-6，直方統(tǒng)計圖顯示屬本區(qū)礦體均勻變化型，并通過交叉驗證方式確定了理論變異函數(shù)塊金值、基臺值和變程運用于資源量估算，塊體模型分割單元塊尺寸為2.5 m×2.5 m×1.5 m，可分解的最小單元塊尺寸為1.25 m×1.25 m×0.75 m，估算礦石量18.66萬t，Pb+Zn品位為4.04%。

3)估算結果顯示各種方法相互驗證，礦石量誤差均在5%以內，說明三種估算方法都是可靠的。普通克里格方法與傳統(tǒng)地質塊段法無論是礦石量還是金屬量都非常接近，距離冪次反比法與地質塊段法相比，品位估算誤差相對較大，說明在估算的過程中變異函數(shù)的應用更能精確地對礦體進行估值，同時，相比較于傳統(tǒng)方法，節(jié)省了大量的估算時間，降低了計算誤差率，這也在大部分數(shù)字化礦山的實踐中得到了證明。