2017, Vol. 47
2. 西北有色地质矿业集团有限公司，陕西 西安 710054
2. Northwest Nonferrous Geological Mining Group Co., Ltd., Xi′an 710054, China
矿产和能源是社会经济发展的必需条件，然而，随着多年来地质勘探工作大规模的开展, 地表及浅层矿产资源几乎被发掘殆尽，因此寻找隐伏矿体并获得可持续的资源量已然成为地质找矿工作的重心之一。由于隐伏矿体具有埋藏深、地表异常指示弱及勘探风险高等特点, 因此需要改进传统的勘探思路及方法[1-3]。伴随着计算机科学的不断进步, 越来越多的三维数字建模方法被广泛应用于隐伏矿体的勘探及预测中, 通过三维可视化手段形象地展示出隐伏矿体在空间上的形态特点、分布特征及变化规律等可以有效地对深部矿体进行分析、预测和评价, 从而使地质学问题得以数字化。该方法对隐伏矿体的勘探及预测同样具有独特的优势。迄今，国内外学者在该领域已开展过较多的研究, 但大多使用传统的成矿预测方法或综合叠加利用地质和地球物理方法[2, 4-11]。为实现对隐伏矿体更准确、更可靠的预测, 本文选取西澳大利亚某金矿床, 应用Surpac软件对已有的勘查工程数据进行建模, 建立起矿化域三维数字模型与块体模型, 并运用地质统计学方法研究了矿化域空间的分布特征, 探讨了矿区Au矿化品位的空间分布规律, 最后结合矿区构造特征进行找矿方向预测。矿化域三维数字模型找矿预测方法具有准确、高效和便捷等优势，本研究对隐伏矿体的勘查和预测工作具有重要的参考价值。
1 矿区地质背景 1.1 矿区地质概况该金矿位于西澳大利亚Pilbara地台中部的Mallina盆地内, 区域地层主要为太古宙狄格润群(De Grey Group)的Mallina组(Mallina Formation)变质粉砂—中粒杂砂岩、粉砂岩和康斯坦丁(Constantine Formation)岩组中粗粒的亚长石砂岩和杂砂岩, 岩屑及颗粒斜长和石英, 康斯坦丁组不整合覆于Mallina组之上; 区域构造线主要方向为北东和近东西向, 为大型褶皱和分划性剪切带, Mallina韧性剪切带为区内的主要构造带; 区内侵入岩以中酸性最为发育, 活动频繁, 花岗岩体规模较大, 南部有皮瓦(Peawah)花岗闪长岩, 北部为柏翠(Portree)花岗混合岩, 岩浆侵位时间早于2 900 Ma[12-17]。
矿区地层主要为Mallina组(Mallina Formation)变质粉砂—中粒杂砂岩、粉砂岩及页岩, 向北陡倾或直立, 局部发生倒转, 受构造作用, 常见有规模不等的褶皱, 为矿区的赋矿岩层位; 少量的康斯坦丁(Constantine Formation)岩组中粗粒的亚长石砂岩, 因变质变形作用, 面理较难区分, 产状总体向北倾, 倾角大于75°; 构造表现主要为规模不等的东西向韧性剪切断层、紧闭直立褶皱和晚期北东向脆韧性断层; 矿区局部见有少量基性—超基性岩脉和石英脉体, 规模不大, 脉宽2~30 mm。
1.2 矿体地质特征矿体产于Mallina韧性剪切带及其次级构造带中, 严格受剪切带控制而呈东西向, 含矿岩石为页岩、粉砂岩, 围岩与矿石并无明显界线。
目前已对矿床中部较好的地段进行了(12.5~25) m×12.5 m(走向×倾向)的钻探控制, 大部分地段钻探控制网度达到了(25~50) m×(12.5~25)m。钻探控制深度50~250 m。矿体东西走向, 产状约180°∠66°~90°。矿体赋存位置较为稳定, 产于玛丽娜剪切带内的玛丽娜组地层中, 含矿岩石为页岩、粉砂岩, 其与围岩接触界线不清晰, 需要以Au元素的化学测试进行圈定; 矿体平行分布且严格受岩性及构造破碎带控制, 呈似层状、透镜状。勘查工程显示，地表多条矿体在深部汇集为一条较厚大的矿体。钻孔岩心中并无有效的矿化信息, 较难进行矿与非矿的区分，因此所有钻孔均需要全孔取样分析。
1.3 矿石及围岩蚀变特征矿石结构主要有半自形—它形粒状结构、自形—半自形粒状结构、它形粒状结构、碎裂结构、残余结构等。矿石构造主要有浸染状构造、角砾状构造, 其次为脉状、网脉状构造、揉皱状构造等。主要金属矿物有黄铁矿、磁黄铁矿、褐铁矿和毒砂等, 次要金属矿物主要为针铁矿、菱铁矿和黄铜矿等。矿区内围岩蚀变主要类型有硅化、碳酸盐化、磁黄铁矿化、黄铁矿化、绿泥石化、绢云母化、褐铁矿化等。结合区域构造演化过程和矿区的地质特征进行分析可知，该金矿成因类型为脆-韧性剪切带控制的构造-热液(脉)型金矿床。
2 三维矿化域模型找矿预测方法矿体是在地壳演化过程中形成的，占有一定空间位置(具有一定集合形态), 并由矿石(可有部分夹石)组成的地质体[18]。矿体在本质上是一个客观与主观的结合体, 工业指标在此充当了主观的角色。一般矿体圈定过程中, 根据不同的经济意义, 采用最低工业品位和边界品位作为矿体圈定的双指标, 分别进行低品位矿体和工业矿体的圈定。使用双重指标圈定矿体，将矿物或元素在空间上的赋存位置人为地分开, 其圈定的矿体往往在空间上较为复杂, 难以形成一定的有用元素或矿物的空间分布规律, 在进行矿山下一步的勘查预测过程中具有一定的局限性。
通过上述分析可知，降低且优化工业指标以矿化品位进行统一矿化域的圈定可以最大限度地真实反映矿物在地质体中的分布特征和规律, 打破了原来矿体的延伸和走向特征, 从元素富集的浓度值特征进行矿体预测, 在找矿勘查过程中具有明显的优势。结合三维可视化技术, 在三维空间上圈定矿化域, 能够更为直观地展现矿化域在空间的分布特征; 建立块体模型, 对矿化域进行品位估值，确定矿化品位在空间上的分布位置, 对矿化品位的分布特征进行研究, 可以有效地展现矿化在空间上的延伸特征, 最终进行找矿预测。
3 三维地质建模本研究在进行三维地质建模前共搜集了位于西澳大利亚该金矿的全部勘探资料；地质体三维空间模型建立采用Surpac软件为工作平台, 该软件可以对地质体进行三维模型的建立, 并且能够实现在三维空间内显示相关的地质信息[19-21]。
3.1 数据校验及工程数据库创建统计整理矿区钻探编录数据, 对数据完整性进行检查, 创建适用于Surpac软件的地质数据库, 其内容主要包括4个表：钻孔孔位表、测斜数据表、岩性分段表以及样品分析表。将该4个表以文本文件(TXT)或表格文件(CSV)的格式分别导入Surpac软件之中, 通过软件内部的数据库功能, 在空间上生成钻孔三维空间模型(见图 1)。钻孔空间模型是三维地质建模评价的核心, 样品、岩性等数据与工程轨迹的套合, 以及后续矿化域的圈定等均依赖于钻孔工程数据库。
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图 1 钻孔模型图 Fig. 1 Map of drill model |
在进行三维地质模型建立的工作中, 地形模型的建立是具有重要意义的, 其可用于相关图件的编制, 且可辅助显示三维地质体模型在空间上的展示规律。本研究采用矿区原有的地形数据, 对地形数据进行逐条检查, 并使用Mapgis软件进行绘制, 去掉与地形无关或影响建模的内容, 而后将校验好的等高线数据导入Surpac软件中, 创建DTM模型, 从而生成地表模型。
3.3 实体模型Surpac软件是利用空间上不重叠的三角网进行拼接并最终形成闭合的空间实体[4, 20-24]。实体模型的建立过程是根据已经建立的钻孔空间模型生成的探矿工程平面视图, 垂直于构造或矿化方向建立一系列的剖面线, 并对每条剖面加载样品分析、岩性代码和各种蚀变矿物数据, 结合地形的起伏、地质特征以及地质体的分布规律, 确定地质体在各工程中的连接对应关系, 从而在剖面上交互式地进行地质体轮廓线的圈连, 并最终通过三角网进行连接, 形成三维实体模型(见图 2)。在矿化域实体模型的圈联过程中，引入了SD储量估算方法中应用的样条曲线思想[25-26]：在矿化域实体模型圈定的过程之中, 采用样条曲线对矿化域的解译线进行平滑处理, 并结合地质构造等特征对矿化域实体进行空间渐变处理, 其目的是为了使建立的三维矿化域实体模型更加自然和符合实际规律。
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图 2 矿化域实体模型 Fig. 2 Map of true model on mineralization domain |
本研究在建立矿化域模型之前, 首先计算了矿区所有钻孔中样品品位的分布规律(见表 1)。数据显示，0.21 g/t以上的样品占总样品数量的20%, 也就是说，所有岩心中有20%以上的岩心Au品位大于0.21 g/t。矿化品位过低则无法代表矿化特征，而品位过高则无法真正显示矿化的自然规律, 因此本研究选择0.21 g/t作为本次建立矿化域模型的最低品位。同时，在建立矿化模型后，对矿化域内所有的样品品位也进行了统计。统计显示，0.19 g/t以上的样品在矿化域内占有80%, 数据表明，选择0.21 g/t作为矿化域的基本指标是可行的。
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表 1 矿区钻孔矿化品位统计表 Tab. 1 Statistical table of mineralized grade in ore-area |
在建立矿化域实体模型的基础上构建矿化域的块体模型。本次矿化域的矿块模型块大小主要根据矿化域地质模型的三维空间形态及空间分布规律, 结合矿区探矿工程等实际情况来确定。同时，为了更精确地进行矿化域估值, 块体模型单元块的长、宽和高方向分别于矿化域的走向、倾向和厚度方向一致。经过仔细计算，本研究用于估值的块体模型定义单个块体的基本长宽尺度为勘探线距离的1/4，即3 m, 高程方向的块体高度为平均样长的2倍，即2 m, 块体大小为3 m×3 m×2 m, 共计611 610个单元块(见图 3)。
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图 3 矿化域块体模型 Fig. 3 Map of bulk model on mineralization domain |
Au品位空间上的变化具有各向异性, 不同的空间方向Au品位的相关性具有明显的差异性。块体品位的相关性在空间上与待估块体的距离呈反比, 因此需要合理地选择样品的各向异性特征。在地质统计学中，一般使用变异函数来确定矿化范围内区域化变量的空间结构和相关关系, 其数学表达式为
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式中：h为滞后距; N(h)为相距h的样品数据对；z(xi)和z(xi+h)为区域化变量在x和x+h处的值；γ(h)为理论变异函数值；γ*(h)为实验变异函数值。
通过实验变异函数的计算和理论变异函数参数的拟合，最终确定样品品位空间变化的各向异性参数, 从而确定三维变异椭球体的参数(见表 2)。主方向、次主方向和次方向的长度比值(即几何各项异性系数)为:主/次主为1.58, 主/次为3.46, 块金值为0.108 3, 基台值为0.279。
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表 2 Au品位空间变异函数模型参数 Tab. 2 Model parameter of variogram on Au grade in space |
通过对矿化域实验变异函数的计算及理论曲线的拟合可知, Au品位在空间上的变化具有结构性的特点, 该矿区Au品位在空间不同方向相关性具有明显的差异。主方向为空间上Au品位连续性、相关性最好的方向, Au品位在方位角98°、倾角-3°方向上，具有较大的空间自相关性，且Au品位的变化相对较慢, 连续性最好; 次主方向Au品位连续性、相关性次之, Au品位在方位角8°、倾角-80.6°方向上，空间自相关性和Au品位的连续性次之; 次方向Au品位连续性、相关性最差, 沿方位348°、倾角4°方向，Au品位变化速度最快, 连续性最差。
通过对比空间变异椭球体参数与该矿区矿化域实体模型的总体产状可知，椭球体的主、次主和次方向分别与矿化域的走向、倾向和厚度方向接近。椭球体的形态及空间方位与矿化域的空间展布形态和延伸方向相似, 变异函数模型表达的不同方位的空间相关性距离和连续性与矿化域Au品位空间分布及变化趋势相似。所以，Au品位和变异椭球体基本反映了矿化域的空间分布形态。
4.3 矿化空间分布规律为了更明确地显示矿化在空间的分布规律，本研究采用普通克里格法对所建立的块体模型进行了估值, 而后将每一个块体的属性导出到数据表中, 并提取出每个单元块的坐标和Au品位值, 对块体的Au品位进行投影计算。投影值为相同投影坐标上Au品位的平均值, 其可以在投影平面上反映Au矿化的平均强度。如图 4为x-y平面投影等值线图，图 5为x-z纵剖面投影等值线图，图 6为y-z横剖面投影等值线图。
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图 4 x-y投影等值线图 Fig. 4 Chart of projection isoline from x-y |
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图 5 x-z投影等值线图 Fig. 5 Chart of projection isoline from x-z |
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图 6 y-z投影等值线图 Fig. 6 Chart of projection isoline from y-z |
Au品位x-y(平面)、x-z(纵剖面)和y-z(横剖面)投影等值线图可以清晰地反映Au矿化的分布规律和平均强度。在Au品位x-y投影等值线图上可见，Au矿化总体向南东东向即走向方向延伸, 且向南北两侧具有扩大的趋势。Au矿化在走向上主要为低品位和小规模的矿化延伸, 但在近北东方向即靠近倾向方向上，高品位Au矿化连续性较好; x-z投影等值线图上, Au矿化主要集中在-100~25 m, 在-50~100 mAu品位明显增高, 且矿化范围也明显增大。Au矿化向下具有向东侧伏和分支复合的特点, 且向深部高品位Au矿化连续性较好, 深部Au矿化平均强度要高于浅部; y-z投影等值线图上部，Au矿化似乎具有垂直分布的特征, 这可能与矿区在南部钻孔较少有关。在-50 m左右, Au矿化品位明显增高, 矿化范围也具有增大的趋势。Au矿化向下部高品位连续性较好, 且具有向北侧伏的特点。
总体上, 矿区Au矿化在南东东向即走向方向呈串珠状间断分布, 向东方向金矿化向两侧具有扩大特征。Au矿化基本上向北东方向倾斜, 向下仍有延伸的趋势。平面上，Au矿化虽然沿北东东走向方向延伸, 但其主要表现为低品位是连续的, 高品位连续性极差, 高品位在倾向方向的连续性明显好于走向方向; 在纵剖面和横剖面上, 矿化向下，高品位值是连续的，这表明在倾向方向和深部进一步找富矿的前景远比在走向上好。
4.4 Au矿化与构造之间的关系将Au品位x-y投影等值线图和矿区主要构造叠加在一起可知(见图 7), Au矿化走向与玛丽娜剪切带(近东西向断裂)走向基本一致, Au矿化总体表现特征是沿玛丽娜韧性剪切带发育。在剪切带内具有南弱北强、东强西弱的特点；在剪切带内，Au矿化主要表现为低品位Au矿化是连续的，但高品位Au矿化连续性较差; Au矿化富集规律与矿区的北东向构造密切相关, 在北东向构造与玛丽娜剪切带的交汇部位往往具有较好的Au矿化, 且沿后期的北东向构造方向, Au矿化高品位值连续性好。这表明，早期韧性形变阶段, 成矿元素活化调整; 后期韧-脆性或脆性阶段, 成矿元素重新调整, 富集程度逐渐变大。
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图 7 构造叠加图 Fig. 7 Chart of structural superposition |
1) 本研究结合矿区的地质特征，利用现有的勘查数据, 建立起矿区矿化域三维数字模型和块体模型; 以数学地质的方法对矿化域延伸情况进行拟合, 较为精确地获得了矿化域的空间分布形态、产状以及Au品位空间变化规律。
2) 矿化域研究显示，沿玛丽娜韧性剪切带，金矿化表现为低品位Au矿化连续性好, 高品位Au矿化连续性较差; 沿后期的北东向构造方向, Au矿化高品位值连续性好; 而在二者的交汇部位，往往具有较好的Au矿化。
3) 通过建立矿化域三维数字模型和块体模型并分析Au品位在x-y、x-z和y-z三个面上的投影特征表明，Au矿化强度向倾向和深部方向的延伸好于走向方向, 指示出倾向和深部方向具有较好的找矿前景。
4) 基于矿化域三维数字模型的找矿预测方法具有效果好、成本低等优点, 该方法对矿产资源的勘查及预测工作具有重要的参考意义。
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