馮璽平 張英梅 安茂國 陳昆明 孟祥偉 陳麗靜 邱昆峰

(1.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)大隊),山東 濟(jì)寧 272100;2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083)

隨著電子計算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)信息可視化技術(shù)的迅速發(fā)展,三維地質(zhì)信息內(nèi)容可視化技術(shù)在三維地學(xué)仿真模擬方向取得了重大進(jìn)展[1-3]。20 世紀(jì)80年代后期,三維地質(zhì)建模開始在我國出現(xiàn)并使用,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于油氣勘探、礦產(chǎn)勘查、礦山建設(shè)設(shè)計和礦山生產(chǎn)管理等領(lǐng)域[4-5],主要應(yīng)用于礦體分布規(guī)律研究、儲量估算及資源量評價、找礦預(yù)測等方面,常用的建模方法有鉆孔數(shù)據(jù)庫建模、大比例尺剖面建模和三維數(shù)據(jù)場建模[6]。三維地質(zhì)可視化技術(shù)的研究及應(yīng)用發(fā)展為礦產(chǎn)資源預(yù)測提供了新思路。近年來,國內(nèi)三維建模技術(shù)日趨成熟,成礦預(yù)測研究進(jìn)入了新的階段,傳統(tǒng)的二維礦產(chǎn)資源定量預(yù)測評價開始轉(zhuǎn)變?yōu)榛谌S空間立體的預(yù)測評價體系[7-8]。以王功文、陳建平、肖克炎等為代表的一批學(xué)者,通過創(chuàng)建三維地質(zhì)實體模型、塊體模型,構(gòu)建三維預(yù)測模型,圈定找礦靶區(qū),實現(xiàn)了隱伏礦床的定量測量,提出了深部隱伏礦體立體定量預(yù)測研究方法和技術(shù)框架,形成了一套基于三維建模的“立方體預(yù)測模型”找礦理論,并在云南個舊超大型錫多金屬礦集區(qū)、河南欒川鉛鋅銀多金屬礦集區(qū)、膠東金礦集區(qū)等多個礦區(qū)取得了顯著的找礦效果[9-14]。

歸來莊金礦床是我國首例碲金型淺成低溫?zé)嵋航鸬V床[15],主礦體受斷裂帶控制,其形態(tài)、產(chǎn)狀變化大,深部具有舒緩波狀、分枝復(fù)合的特點(diǎn),在二維空間難以準(zhǔn)確把握礦體的空間產(chǎn)狀特征及向深部延伸的變化規(guī)律,限制了深部找礦工作的有效開展。本研究運(yùn)用Micromine 三維地質(zhì)建模軟件,將礦區(qū)地質(zhì)信息數(shù)據(jù)從二維地學(xué)信息制圖轉(zhuǎn)至三維成礦地質(zhì)體建模,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)二維圖件表達(dá)地質(zhì)特征不直觀、信息更新困難的不足,實現(xiàn)了地質(zhì)體三維空間的可視化,直觀展示各地質(zhì)要素空間分布形態(tài)及其內(nèi)在聯(lián)系。利用三維地質(zhì)模型,開展三維空間控礦斷裂帶延伸趨勢和原生暈地球化學(xué)數(shù)據(jù)的分析,圈定深部找礦靶區(qū)并進(jìn)行了工程驗證,證實靶區(qū)預(yù)測的可靠性。

1 區(qū)域地質(zhì)背景和金礦床概況

1.1 地質(zhì)背景

歸來莊金礦位于沂沭斷裂帶西側(cè)、魯中隆起區(qū),處于臨沂凸起與尼山凸起接壤部位東側(cè)[16](圖1)。該區(qū)寒武紀(jì)長清群及九龍群地層與金礦成礦關(guān)系密切。近SN 向燕甘斷裂帶在區(qū)內(nèi)連續(xù)出露且規(guī)模宏大,斷裂東西兩盤出露地層時代、巖性等差異較大,東盤主要由寒武紀(jì)—石炭紀(jì)地層和白堊紀(jì)—古近紀(jì)地層組成,多被第四系覆蓋;西盤主要由新太古代和寒武紀(jì)地層組成。區(qū)內(nèi)燕甘斷裂的主要次級構(gòu)造按走向可分為EW 向、NNW 向和NE 向3 組,燕甘斷裂帶東盤近EW 向斷層——F1斷裂帶為歸來莊金礦床的控礦和賦礦構(gòu)造。區(qū)內(nèi)巖漿巖主要出露銅石雜巖體,在其周邊的碳酸鹽巖地層中有小型的隱伏巖床和巖株產(chǎn)出,巖漿活動具有多期次的特點(diǎn),巖體為金礦的形成提供了成礦物質(zhì)來源[17]。

圖1 平邑縣銅石地區(qū)區(qū)域地質(zhì)特征Fig.1 Regional geological characteristics of Tongshi Area,Pingyi County

1.2 礦床地質(zhì)特征

歸來莊金礦床由多個金礦體組成,金資源量約50 t。其中,① 號礦體規(guī)模最大,賦存于燕甘斷裂帶東側(cè)、近EW 向F1斷裂帶內(nèi),礦體礦化類型為脈狀構(gòu)造—隱爆角礫巖型,屬中低溫?zé)嵋弘[爆角礫巖型礦床[18]。其余礦體賦存于寒武紀(jì)朱砂洞組和張夏組地層中,屬“微裂隙浸染型”[19]。

① 號礦體賦存于F1構(gòu)造蝕變帶及其次級構(gòu)造內(nèi),整體形態(tài)呈大脈狀和“豆莢狀”(圖2),礦體整體走向近EW 向,傾向S,傾角在不同的深度范圍內(nèi)具有差異,近地表礦體傾角為68°,-500 m 標(biāo)高處礦體傾角變緩為40°左右,-700 m 標(biāo)高左右礦體呈近水平分布,其特征與膠東金礦的階梯式成礦相似[20-21],深部礦體具有向南西側(cè)伏的趨勢[22]。礦體單工程厚度變化較大,為1.58～36.50 m,平均為7.19 m,厚度變化趨勢沿走向與沿傾向具有不同的特點(diǎn):沿走向礦體近似呈透鏡體狀、中間厚兩側(cè)薄直至尖滅;沿傾向厚度變化不大、厚大部位多出現(xiàn)在傾角變化較大處,向深部逐漸呈尖滅趨勢。礦體金品位變化不均勻,為1.01～32.24 g/t,平均品位為7.45 g/t,淺部礦體品位較高,向深部金品位逐漸降低,甚至突變?yōu)槲匆姷V。

圖2 歸來莊金礦區(qū)第32#勘探線剖面Fig.2 Profile of No.32 exploration line of Guilaizhuang gold mining area

1.3 控礦要素

研究區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育有寒武紀(jì)和奧陶紀(jì)鈣鎂質(zhì)碳酸鹽巖,巖性主要為灰?guī)r和白云巖等。該類巖石地層脆性大、巖溶洞穴及裂隙發(fā)育且具有較強(qiáng)的化學(xué)活性,有利于含礦熱液的遷移、滲透和交代,易與礦液發(fā)生接觸交代反應(yīng)形成金礦體[23-24]。

斷層破碎帶是重要的控礦因素,起到了導(dǎo)礦和容礦作用。歸來莊金礦體受控于近EW 向F1斷裂帶,該斷裂地表出露長度為2 200 m,傾向S,近地表傾角為45°～68°,向深部逐漸變緩至近水平,破碎帶寬0.60～29.30 m,其經(jīng)歷了巖漿侵入、構(gòu)造活動的多期次疊加,沿走向和傾向均呈舒緩波狀延展,具有膨脹狹縮、分枝復(fù)合等特征。F1斷裂帶蝕變主要有螢石化、硅化、黃鐵礦化、褐鐵礦化和泥化等,在蝕變疊加部位為金礦化富集地段[25]。

礦區(qū)內(nèi)中生代巖漿活動強(qiáng)烈且頻繁,期次多、范圍廣,形成了出露面積近45 km2的銅石雜巖體,巖體的巖性主要有二長閃長玢巖、二長斑巖和隱爆角礫巖等。歸來莊金礦床內(nèi)有多層呈巖床侵入的二長閃長玢巖等巖漿巖,巖漿巖與成礦關(guān)系密切,巖漿沿構(gòu)造裂隙侵入形成的構(gòu)造角礫巖、上侵隱爆形成的隱爆角礫巖或巖漿巖體本身就是成礦的有利部位。角礫巖中發(fā)育多種蝕變,主要有硅化、螢石化、黃鐵礦(褐鐵礦)化和碳酸鹽化等,并伴有金礦化[26]。

2 三維地質(zhì)建模

本研究選取Micromine 軟件進(jìn)行地質(zhì)建模,該款軟件的優(yōu)點(diǎn)在于三維可視化立體直觀,具有強(qiáng)大的編輯校驗功能、繪圖功能,還可與常用的地質(zhì)繪圖軟件MapGIS、ArcGIS、Auto CAD 等進(jìn)行圖件轉(zhuǎn)換,避免了手動輸入數(shù)據(jù)的繁瑣,大大提高了工作效率。此外,其數(shù)據(jù)分布統(tǒng)計功能異常強(qiáng)大,在儲量估算及管理、礦山設(shè)計及生產(chǎn)管理等方面得到了廣泛應(yīng)用[27-28]。本研究建模區(qū)域為山東省平邑縣歸來莊金礦區(qū),極值地理坐標(biāo)為東經(jīng)117°47′08″～117°48′24″,北緯35°21′32″～35°22′24″,東西寬約1.9 km,南北寬約1.6 km,面積約3 km2,建模最深標(biāo)高至-1 200 m。

2.1 建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫

以鉆孔數(shù)據(jù)作為三維地質(zhì)建模的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),建立歸來莊金礦區(qū)鉆孔地質(zhì)數(shù)據(jù)庫。本次共收集錄入了歸來莊金礦區(qū)147個相關(guān)鉆孔的原始數(shù)據(jù),鉆孔分布于23條SN 向勘探線上,孔深30.08～1 174.8 m,所錄鉆孔中有107個鉆孔揭露了歸來莊金礦床①號礦體,控制礦體標(biāo)高為+130～-640 m。鉆孔信息數(shù)據(jù)包括測斜數(shù)據(jù)1 265條,巖性數(shù)據(jù)4 166條,樣品分析數(shù)據(jù)14 547個,分成4個屬性表格分別錄入,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成詳見表1,鉆孔數(shù)據(jù)最終以*.DAT 的形式進(jìn)行保存。

表1 鉆孔數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)Table 1 Structure of drilling database

2.2 三維實體模型構(gòu)建

采用剖面線法構(gòu)建三維實體模型,共切割23條地質(zhì)剖面,剖面呈SN 向,垂直于礦體走向。根據(jù)鉆孔控制程度的不同,剖面規(guī)格分為兩種:東部剖面長度1 300 m、間距50 m,共13條;西部剖面長度1 000 m、間距100 m,共10條。各剖面揭露地層劃分到組,由淺到深分別為馬家溝群北庵莊組、東黃山組,九龍群三山子組、炒米店組、崮山組、張夏組、饅頭組、朱砂洞組、泰山巖群山草峪組,地層間有厚大的中生代二長閃長玢巖呈巖床產(chǎn)出。在圖切剖面上圈定出礦體、地層和斷裂帶,形成多個封閉的多邊形,利用創(chuàng)建線框工具,將多個封閉多邊形分別連接成礦體、地層—巖體、斷裂構(gòu)造實體模型(圖3)。

圖3 歸來莊金礦床三維地質(zhì)模型Fig.3 Three-dimensional models of orebody,stratum,fault structure and their overlay model

由圖3 可知:歸來莊礦體呈舒緩波狀,角礫巖帶上寬下窄,控礦斷裂F1傾向延深大于走向延伸,具有向SW 側(cè)伏的趨勢,側(cè)伏方位為210°～230°;地層實體模型反映出區(qū)內(nèi)地層產(chǎn)出穩(wěn)定,整體傾向NE,厚大二長閃長玢巖順層侵位于寒武紀(jì)地層中,呈巖床形式產(chǎn)出;斷裂帶由淺部向深部逐漸變緩,有向SW 側(cè)伏的趨勢,礦體嚴(yán)格受斷裂帶控制。

2.3 三維地球化學(xué)原生暈?zāi)Ｐ蜆?gòu)建

在歸來莊金礦床內(nèi)采集了不同深度的727 件地球化學(xué)原生暈樣品,分別對Au、Mo、Ag、Pb 和Ba 等15種元素開展了原生暈地球化學(xué)分析,利用鉆孔數(shù)據(jù)庫及三維地質(zhì)實體模型,構(gòu)建了歸來莊主礦體地球化學(xué)三維模型。

在鉆孔數(shù)據(jù)庫中提取鉆孔三維離散樣品數(shù)據(jù),以對應(yīng)樣品中心的三維離散點(diǎn)形式輸出,建立空塊模型,采用距離冪次反比法對空塊模型進(jìn)行插值。依據(jù)已知礦體的形態(tài)、走向、傾向和空間分布特征確定搜索方向,以地質(zhì)剖面間距、樣品分布間距為準(zhǔn)則確定的搜索半徑水平方向為200 m,垂直方向為50 m,主軸/半主軸比值為2,主軸/次軸比值為2,建立橢球體進(jìn)行空間約束插值。根據(jù)賦值的小立方體中元素含量值的變化賦予顏色譜系,直觀、立體地展示原生暈三維數(shù)據(jù)分布特征。

3 成礦預(yù)測與驗證

3.1 原生暈地球化學(xué)三維空間分析

本研究對歸來莊主礦體地球化學(xué)原生暈開展三維空間分析,分別進(jìn)行了各類元素的相關(guān)性分析、聚類分析和因子分析等,結(jié)果表明:① Au與Te、Pb、Zn、Ag、Tl、Se、Sb、F 和W 等元素呈正相關(guān),特別是與Te、Pb、Zn 和Ag 的相關(guān)性較高,即這4個元素是金礦化的良好指示元素;② 各元素出現(xiàn)多個異常中心,表明成礦具有多期性和多階段性;③ 鉆孔原生暈垂向分帶為As、Sb、Tl—Au、Te、Ag、Pb、Zn、Se—Bi、F、V、Cr、Mo、W;④ 成礦元素Au 在中部和南部具有很強(qiáng)的內(nèi)帶異常(圖4(a));⑤ 頭暈元素As、Sb、Tl 在礦區(qū)中部和南部表現(xiàn)出2個異常中心,呈現(xiàn)出較強(qiáng)的內(nèi)、中帶異常,礦體深部則為較強(qiáng)的外帶異常(圖4(b)、圖4(c)和圖4(d)),顯示礦體深部尚未封閉,深部仍有較好的礦化前景。

圖4 礦區(qū)鉆孔原生暈三維地球化學(xué)異常圖Fig.4 Three-dimensional geochemical anomaly stereogram in borehole primary halo in mining area

3.2 深部成礦預(yù)測

三維地質(zhì)建模技術(shù)在大比例尺成礦預(yù)測中發(fā)揮著重要作用,尤其是對深部盲礦體的預(yù)測,能夠直觀、立體地再現(xiàn)地質(zhì)體的空間分布規(guī)律及其相互關(guān)系,有利于挖掘潛在的地質(zhì)信息。同時將三維地質(zhì)模型與物化遙等信息進(jìn)行有效耦合,能夠進(jìn)行全方位、高精度的成礦預(yù)測。對于歸來莊金礦床,利用構(gòu)建的三維地質(zhì)疊加模型和三維地球化學(xué)原生暈?zāi)Ｐ?并結(jié)合成礦地質(zhì)條件分析,可以對深部成礦預(yù)測提供強(qiáng)有力的證據(jù),指導(dǎo)開展礦體定位預(yù)測。

歸來莊金礦①號礦體形態(tài)嚴(yán)格受F1斷裂帶控制,礦體深部延伸趨勢與斷裂帶的延伸趨勢一致。根據(jù)已控制的部分?jǐn)鄬赢a(chǎn)狀和建立的斷裂帶三維模型,經(jīng)數(shù)值模型擬合分析,斷裂帶按2°～5°傾角沿側(cè)伏向向深部延伸,每向西延伸100 m,沿垂深下降10～20 m,在標(biāo)高-750～-800 m 范圍內(nèi)F1斷裂帶將切割朱砂洞組丁家莊段灰?guī)r和白云巖;在標(biāo)高-800 m 左右,切割蓋基(蓋層—基底)結(jié)合面(圖5)。結(jié)合控礦要素分析,F1斷裂帶與朱砂洞組灰?guī)r和白云巖交匯部位、切割蓋基結(jié)合面部位是金礦成礦有利地段,可作為重要的預(yù)測靶區(qū)。若F1斷裂帶切割蓋基結(jié)合面向深部延伸,有望實現(xiàn)歸來莊金礦床-800 m 以深找礦新突破。

圖5 歸來莊金礦床①號礦體延伸趨勢示意Fig.5 Schematic of progressive tendency of No.① orebody in Guilaizhuang Gold Deposit

3.3 靶區(qū)驗證

依據(jù)前述分析,認(rèn)為歸來莊深部礦體仍有延伸,具有良好的找礦前景。于深部施工6個鉆孔對預(yù)測礦體進(jìn)行驗證,其中4個鉆孔揭露了主礦體(表2、圖6),擴(kuò)大了主礦體規(guī)模,控制主礦體最深為標(biāo)高-735 m,證實礦體具有尖滅再現(xiàn)特征,另外2個鉆孔揭露了有礦化顯示的斷裂帶角礫巖,說明本研究深部找礦靶區(qū)預(yù)測結(jié)果較為可靠。鉆探驗證中,在朱砂洞組丁家莊段灰?guī)r及白云巖地層中揭露有近水平產(chǎn)出的金礦(化)體,地質(zhì)特征與磨坊溝式金礦體類似[29],進(jìn)一步拓寬了該區(qū)深部找礦方向。

圖6 歸來莊金礦床45#勘探線剖面Fig.6 Profile of No.45 exploration line of Guilaizhuang Gold Deposit

表2 設(shè)計鉆孔見礦數(shù)據(jù)Table 2 Ore discovery data of the designed boreholes

4 結(jié) 論

(1)利用Micromine 三維建模軟件構(gòu)建了歸來莊金礦床地層—巖體模型、斷裂構(gòu)造模型、礦體模型和地球化學(xué)原生暈?zāi)Ｐ?直觀展現(xiàn)了三維成礦控制因素的空間展布及其相互關(guān)系,將二維地質(zhì)制圖拓展到三維空間模型,為開展三維尺度的成礦預(yù)測提供了地質(zhì)支撐,有助于解決傳統(tǒng)二維尺度成礦預(yù)測難度大、精確度低的難題。

(2)通過構(gòu)建各元素原生暈三維異常模型,分析了成礦成暈元素在三維空間的分布規(guī)律,認(rèn)為礦區(qū)Te、Pb、Zn 和Ag 是金礦化的良好指示元素,且該區(qū)成礦具有多期性和多階段性;頭暈元素As、Sb、Tl 等深部顯示為較強(qiáng)的外帶異常,結(jié)合控礦要素分析,認(rèn)為深部具有較大的找礦前景。

(3)通過對歸來莊金礦深部開展鉆探驗證,擴(kuò)大了主礦體規(guī)模,礦體標(biāo)高最深至-735 m,顯示礦體具有尖滅再現(xiàn)的特點(diǎn),證實本研究所預(yù)測的深部找礦靶區(qū)較為可靠;在深部發(fā)現(xiàn)并評價了“磨坊溝式”金礦體,進(jìn)一步拓寬了該區(qū)深部找礦方向。