个旧高松矿区三维地质建模及储量估算

睢 瑜，陈建国，赵江南

（1.江苏省有色金属华东地质勘查局，南京 210007；2.中国地质大学（武汉）资源学院，武汉 430074）

0 引言

三维地质建模和可视化概念最早是由加拿大Simon.W.Houlding（1993）提出的。所谓三维地质建模（3D Geosciences Modeling）①是指采用适当的数据结构在计算机中建立能反映地质构造的形态和各要素之间关系以及地质体物理、化学属性空间分布等地质特征的数学模型。3DGM是由勘探地质学、数学地质、地球物理、矿山测量、矿井地质、GIS、图形图像学、科学可视化等学科交叉而形成的一门新型学科。随着计算机软硬件技术的飞速发展，三维地质建模技术备受关注，并得到了广泛的研究和应用［1］。本文以云南个旧高松矿区芦塘坝10号矿群为主要研究对象（图1），通过地质体三维数字化建模，提取地质控矿作用定量化指标，建立三维矿床模型，并对已知矿体进行储量计算，为矿山的进一步开采提供参考依据。

图1 高松矿区地质图Fig.1 Geological map of Gaosong mining district

1 研究区地质概况

个旧矿区被近SN向的断裂分割为西区和东区两部分。西区目前工作程度尚低，仅发现有小－中型的锡、铅矿床。但锡、铅、锌、钨、锡、铝、锑等多种有色金属矿点星罗棋布，是寻找大型或超大型锡多金属矿床的远景区［2］。东区是超大型锡多金属矿床分布的主要区域，其地表分布有三叠系厚达千米的碳酸盐岩建造，深部隐伏有燕山中晚期的花岗岩。NE向的一级褶皱构造五子山复式背斜控制了所有矿床的分布，横跨五子山复式背斜之上的近EW向断裂控制了五大矿田的分布，即马拉格、松树脚、高松、老厂和卡房矿田。矿田内次级褶皱和花岗岩株控制着矿段或矿床。以锡为主的各类矿床的产出主要受有利地层层位、构造、花岗岩三者有机组合联合控制。

图2 基于Micromine的三维地质体建模流程图Fig.2 Flow sheet for the Micromine software－based 3D modeling of geological body

2 Micromine及三维地质建模流程

Mircomine是澳大利亚Micromine矿业软件有限公司开发的深受国际好评的大型矿业专用软件。它主要用于地质勘探、资源评估、储量计算及露天矿和地下矿矿山设计和开采。Micromine提供了与其他数据库和相关软件接口的功能，使该系统的数据可被其他数据库管理系统和相关软件查询和编辑，能够实现各种工程和矿体的三维立体显示和成图，并根据地质统计学的方法和原理提供进行矿体品位和储量估值的各种方法，同时还可以进行矿山的开采设计以及数字地形模型的建立②。

Micromine软件提供的多种插值方法进行空待估块段模型的品位插值（如距离反比加权法、泛/普通克里格法及多重指示克里格法），由此建立的三维品位模型是自动生成矿体储量报告的基础工作，相比传统的手动估算储量有着巨大的优越性。

基于Micromine的三维地质建模流程见图2。

3 钻孔及地形模型的三维可视化

钻孔三维可视化能够直观地显示钻孔的空间位置及空间状态，有利于对钻孔的三维空间变化进行分析，进而研究样品的变化规律，为建立矿体三维模型做准备。建立钻孔地质数据库后，Micromine软件提供了强大的诸多数据库应用功能，除了可以实现基本的数据库管理更新功能外，还可以生成平面钻孔轨迹，根据需要提取采样区间、组合区间，生成井中、区间坐标，钻孔计算与编录等。此外还可实现钻孔的三维可视化，同时根据样品分析数据范围划分样品区间并赋以不同的颜色以表示不同的品位等级。本次研究共收集研究区钻孔198个，共包含分析化验样品43 975个，并根据高松矿田的地形文件构建DTM模型，建立研究区地形三维可视化图形（图3）。

图3 芦塘坝矿段DTM加载钻孔三维可视化图Fig.3 3D map of DTM loading drill hole in fractures

4 三维地质体模型建立

自然界中地质体（矿体、岩体、地质构造等）的形态复杂多变，用规则的几何体很难进行描述，因此需要用不规则的几何模型来近似模拟地质体空间分布形态。目前大多数三维矿业软件都提供了比较方便、灵活、快速的建立不规则几何模型的功能，从而能形象直观地描绘地质体的形态和边界特性［3］。

4.1 地层模型的建立

高松矿田内分布地层为中三叠统个旧组卡房段和马拉格段（T2g32，T2g51）碳酸盐岩，加上隐伏花岗岩层。高松矿区地表未见有花岗岩出露，但深部有隐伏的花岗岩（γ35）分布，根据钻探工程及勘探线地质剖面图上可以看出，该区花岗岩体产出标高为800～1 200 m，距地表约1 200～1 400 m，由地层实体模型（图4）可知，其表面形态为南、东、西三面较高，北部较低，即为NE向的凹槽，该岩体岩性与老卡岩体相似，为中细粒黑云母花岗岩，该花岗岩体是区内成矿母岩［2］。

图4 研究区地层实体模型Fig.4 Real stratigrphic 3D model of the study area

4.2 断裂模型的建立

本文研究范围是大马芦矿段北东之芦塘坝10号矿群，主要分布在麒麟山断裂、大菁东断裂周围。

（1）麒麟山断裂。产于高松矿田中部，走向长＞6 km，倾斜延伸＞800 m，破碎带宽6～30 m，倾向NE，倾角70°～83°。该断裂明显将NE向断裂错断。在其深部矿化渐强，局部有锡矿体赋存，起导矿及容矿作用。并与芦塘坝断裂和层间剥离滑动构造联合控制着芦塘坝10号矿群的分布。

（2）大菁东断裂。分布在矿田中部，走向长2～3 km，破碎带宽5～10 m，局部达30 m，走向310°～320°，倾向NE，倾角66°～88°。角砾岩带明显，同时可见碎斑岩及碎粒岩，地表具弱赤铁矿化。该断裂往南东走向渐变为EW向，向下含矿性逐渐加强，1 720中段以下更为明显，区内最大的脉状锡矿体即产于其中。

根据勘探线地质剖面图上的断裂分布，建立了断裂三维模型（图5）。

图5 芦塘坝矿段断裂三维立体模型Fig.5 3D model of fractures in Lutangba ore domain

4.3 矿体模型的建立

研究区内矿体的产出受断裂构造及地层层间构造控制特征明显，矿床形成与花岗岩密切相关，一类为花岗岩接触带硫化矿，而另一类则属锡石－硫化物矿床经氧化后而成的层间氧化矿床，按产状及形态可分为2种类型（图5）：

（1）陡倾斜脉状矿体：该类型矿体是成矿热液沿大菁东断裂及其派生的断裂破碎带充填交代而形成的，矿体产状较陡，倾角一般60°～85°，走向长数十米至数百米，倾斜延深数十米至600余m，厚0.5～20 m不等；矿体在断裂带中呈大小不等的脉状或透镜状产出；矿石以土状、土块状赤褐铁矿为主，一般含锡铅品位较高，同时伴生有锌、铟等有用元素。

（2）缓倾斜似层状矿体：该类型矿体主要分布在NE向芦塘坝断裂旁侧的T2g61层位中，少数产于T2g51层位，受主断裂旁侧的次级层间剥离或层间破碎带控制，矿体呈平行多层状叠瓦式产出，产状与地层基本一致，走向近EW向，倾角较缓（1°～30°），呈似层状、层状、透镜状、长条状等形态。矿层数较多，一般为3～5层，最多可达9层；矿体规模较大，长数十米至数百米，最长可达千米，宽为100～200 m；矿石以土状赤褐铁矿为主，少数胶状褐铁矿，局部还夹有未完全氧化的硫化矿残块。

从芦塘坝10号矿群的矿体三维模型（图6）可以比较直观地看出，芦塘坝主要层间氧化矿体分布在标高1 450～1 720 m标高之间，矿体多成层状分布；由上至下，矿体的范围呈逐渐减小的趋势。而在标高1 200 m处，可见夕卡岩硫化矿体，位于隐伏花岗岩与碳酸盐岩接触带成矿，常在花岗岩凹兜部位形成矿体。

图6 芦塘坝矿段矿体三维立体模型Fig.6 3D model of ore bodies in Lutangba ore domain

5 储量估算

5.1 空块模型的建立

建立芦塘坝10号矿群三维实体模型后，通过Micromine软件建立矿体的空待估块模型。待估块段模型亦是三维实体，因此就需要以三维物体的定义方式确定待估块段模型的各种参数［4］。按照1∶2000矿区勘探线，结合矿体的形态、走向、倾向和空间分布特征，建立的三维实体的东坐标、北坐标及高程信息结合芦塘坝10号矿群空间分布特点与工业生产要求，确定了建模的范围和基本参数。模型单元块的行、列、层为6 m×6 m×2 m，次分块的规格为3 m×3 m×l m。在建立三维网格模型后，可以将找矿数字模型所确定的预测参数作为属性赋给每一个单元块。运行后就可得到相应实体模型的空待估块段模型。由于钻孔的终孔深度没有到达赋存于花岗岩实体的硫化矿体，所以本文中仅对10号矿群的其他矿体做储量计算。创建的芦塘坝10号矿群的待估空块模型见图7。

5.2 储量计算

本次建模分别以0.1％，0.2％，0.5％，1.0％和10％为边界品位，分别计算矿体中锡的储量；对于＜0.1％和＞10％的品位值做为异常值剔除。对芦塘坝10号矿群进行储量计算时，矿石的体重取2.355 t/m3。本文研究工作进行储量计算采用距离反比加权方法、普通克里格法对前面建立的待估块模型进行品位插值。

图7 10号矿群待估块段模型Fig.7 Model of blocks that are not yet evaluarted in No.10 ore body cluster

图8 锡品位累积频率图Fig.8 Accumulative frequency plot of Sn grade

由于研究区收集到的数据未进行过特异值处理，因此在通过Micromine中的过滤功能对组合样品进行特异值处理，然后再进行组合样品统计分析，图8为锡品位数据的累积频率图，除了在高值区较为平缓，其余基本呈一直线，反映样品品位基本服从正态分布。研究中选择距离反比加权法和普通克里格法对待估块段模型插值［5］并进行储量估算［6］，旨在验证研究区采用品位插值方法计算锡铅储量的可行性。

（1）采用距离加权反比法。在数据搜索菜单中的半径文本框中填入搜索半径长度，通常该长度为2条勘探线间距的1.25倍，它是一个经验值。扇区选择8，扇区可以减少丛聚效应，选择椭球体，在每一扇面最多点数文本框中输入数值，该数值决定了每个扇区内参与估算的点的个数，如果每个扇区点数大于该数值，那么只取离估算点最近的几个点。最少点数（总和）的含义是每个扇区内不少于该数值才进行估算。本文中设搜索半径分别为40，80，120，其中搜索半径为120时所有的块模型全部块段都被插值完毕。

（2）采用普通克里格法：首先要拟合试验变异函数，变异函数的作用是用来对区域变量进行结构分析并对样品品位进行估值，因此必须将得到的试验变异函数与理论变异函数进行拟合［7］，其中球状模型为常用的理论变异函数模型，故选择球状模型对试验变异函数进行拟合，得出变异函数的参数值（块金值、基台值和变程）。

图9 锡水平方向的变异函数曲线Fig.9 Variation function curve of Snin horizontal direction

通过2种不同的插值方法计算出来的结果见图9和图10。

通过距离乘方反比和普通克里格2种方法的计算，得到芦塘坝10号矿群锡铅的储量，为了比较2种计算结果的差异，分别对2种方法计算所得到的储量结果进行比较（表1）。从表1可以看出，2种储量计算方法所得到的累计金属量的差值比值较小，说明所采用的储量计算方法可靠，所建立的数学模型比较准确，能满足储量计算的要求。

图10 铅垂直方向的变异函数曲线Fig.10 Variation function curve of Sn in vertical direction

表1 2种计算方法的结果对比Table 1 Result comparison for the two calculation methods

6 结论

通过对高松矿田芦塘坝矿段的三维数字化建模，建立了矿体、断裂、地层的三维地质体模型，将成矿地质信息进行了空间直观表达，把矿体以数字形式存放的抽象数据用图形、图像、动画等形式、形象表示出来，更直观地表达矿体分布几何形态、便于分析矿体分布规律。同时通过不同的插值方法，计算了芦塘坝10号矿群的锡铅金属量，对今后进一步的矿山生产具有一定的指导意义。

注释：

① 吴立新.3DGM理论与方法.博士生学位课程讲义，1999－ 2000版.

② Micromine 11.0培训教程，2008.

［1］ 肖克炎，赵鹏大.试论大比例尺成矿预测的基本问题及研究途径［J］.有色金属矿产与勘查，1994，3（1）：49-56.

［2］ 庄永秋，王任重，杨树培，等.云南个旧锡铜多金属矿床［M］.北京：地震出版社，1996.

［3］ 修群业，王军，高兰，等.云南金项矿床矿体三维模型的建立及其研究意义［J］.矿床地质，2005，24（5）：501-507.

［4］ 惠勒A J，斯托克斯P C.侯运炳（译）.块段模型和线框模型在地下采矿中的应用［J］.Mining Magazine.1988，3：209-213.

［5］ 任利明.用子块距离加权反比法计算矿石储量［J］.露天采煤技术，1998（3）：47-48.

［6］ 秦来勇.地质统计学在地质及矿业中的应用与发展［J］.有色冶炼，2002，12（6）：104-106.

［7］ 王仁铎.地质统计学与矿产资源统计预测［C］.武汉：矿产资源统计预测国际学术讨论会（IWSPMR＇90），1990.