基于三维信息技术大比例尺三维立体矿产预测方法及途径

肖克炎，李 楠，孙 莉，邹 伟，李 莹

(1.中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037;2.长江大学地球科学学院，湖北 荆州，434023)

基于三维信息技术大比例尺三维立体矿产预测方法及途径

肖克炎1，2，李 楠1，孙 莉1，邹 伟1，李 莹1

(1.中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037;2.长江大学地球科学学院，湖北 荆州，434023)

大比例尺成矿预测是矿田发现深部隐伏矿床的重要途径。随着三维地质信息技术的日臻完善，研究和开发三维可视化环境下地质勘查数据处理与信息综合方法十分必要。以我国甲玛等十几个矿山三维建模预测工作为支撑，初步研究了矿田控矿构造三维模拟、矿床模型三维可视化、三维信息综合定量预测等关键技术问题，探讨了三维预测软件开发技术难点，总结了大比例尺三维预测工作流程，并用实例说明应用成效。

三维可视化;大比例尺;深部预测;矿田构造;甲玛矿区;西藏

0 引言

矿区深部及外围矿产预测工作国内外学者和地质勘探专家做了大量工作(胡惠民等，1995;杨洪之，1980;杜祖宪，1992)，大比例尺(通常大于1∶50 000)的成矿预测的作用更加突出，它已经成为矿床勘查工作的一个重要组成部分(赵鹏大等，1992)。许多研究者(陈毓川，1989;赵鹏大等，1992;胡惠民等，1995;肖克炎等，1994;毛先成，2006;陈建平等，2007)针对大比例尺成矿预测理论方法进行了深入的研究。肖克炎等(1994)提出了大比例尺成矿预测的任务，总结了大比例尺典型矿床找矿模型一般工作步骤，认为大比例尺成矿预测是在系统开展大比例尺综合地质测量的基础上，以现代成矿理论为指导，对各种已有的地质、物化探、遥感等资料进行综合分析，提取找矿标志、矿化信息及控矿因素等，建立预测找矿模型，研究矿田(矿床)构造对矿床的控制规律，查明矿床(体)的空间分布规律，运用定量预测手段进行远景资源量的估算。总之，目前地质矿田构造分析、矿化成矿系列分带研究、新的深部勘探技术方法应用及定量统计预测是大比例尺成矿预测基本理论方法。在前期预测评价工作中，由于技术手段的局限，三维预测转化为二维空间进行，如在矿区1∶1万地质图或在勘探剖面图上进行。如何真实表达和分析三维空间地质勘探信息一直是困扰大比例尺成矿预测的技术问题。近年来，随着计算机三维可视化技术的不断完善，国内外一些地质专家在不断探索如何使用三维计算机空间分析技术开展矿产预测工作，陈建平等(2007)率先使用国外三维软件进行信息综合证据权模型研究。

1 基于三维信息技术预测关键问题

笔者(1993)根据关门山铅锌矿预测工作经验，提出了大比例尺三维预测工作流程，主要思路是矿田构造地质综合信息矿产预测方法，主要是矿化系列分带模型、矿田构造控矿、辅助性大比例尺地、物、化、遥测量为研究内容。

1.1 矿田构造三维模拟

矿田构造是控矿的基本因素。翟裕生等(1993)重点论述了褶皱构造、断裂构造、侵入体构造、火山构造等四大构造控矿作用，并通过地表观测、坑道编录、钻孔岩芯观测等大比例尺矿田构造填图，深部综合方法立体填图，控矿构造岩组分析，构造地球化学测量等研究矿床控矿构造类型、分布样式、分带及物质组成等。主要成矿期断裂、褶皱曲面、成矿岩体顶界面、火山机构等的空间展布、形态变化等对矿体分布有重要控制作用，如大冶侵入岩体构造控矿、西藏甲玛、广西泗顶多金属岩性界面控矿等。通过地表地质填图、钻探工程、坑道工程及深部物探资料研究各种构造界面三维空间展布趋势对预测深部隐伏矿床起重要作用。传统上地质专家在研究控矿构造时都使用勘探剖面进行表达与研究，也有地质专家使用平行剖面来表达构造面三维变化特征。根据有限观测数据对构造面模拟的方法，传统的有趋势分析、克里格方法等。由于地质曲面的复杂性，在同一空间平面坐标存在多值现象，一些学者又对曲面模拟提出新的算法(毛先成，2006)。这些方法中，一方面要表达曲面空间变化趋势，又要精细刻画局部变化，如几何形态法、神经网络法、地质统计学条件模拟等。在三维信息化技术支撑下构造模拟将更加运用自如，在三维空间内就像在地质剖面上分析问题一样简单实用。主要体现在以下两个方面。

(1)构造面三维可视化真实再现。在三维计算机环境下可以从任何方向、任何角度观察构造形态、空间变化特征。也可以生成多剖面构造切片图件进行变化趋势对比。图1为甲玛矿区碳酸盐岩与砂岩接触界限，总体走向北西西，向北东倾斜，近地表产状陡，往深倾角变缓。

(2)构造面控矿要素分析。利用三维可视化综合平台将矿体、矿化异常与构造面进行综合分析，定性、定量分析构造面控矿作用。甲玛矿区硅钙面是很好的成矿热液通道，图1说明矿体与该界面的空间关系，矿体既受该界面控制，沿该岩性变化界面有大量富矿产出，但矿体又受深部斑岩体控制。图2说明钼化探异常与该界面的关系，化探异常在深部围绕斑岩体成钟型分布。

图1 甲玛矿区硅钙面三维模拟图

1.2 三维立体找矿模型的建立

矿床找矿模型是通过分析对比总结一类矿床(矿体)地质勘查信息，形成一套能够找寻与预测该类矿床的标志准则，关于找矿模型的建立方法有专门论述(肖克炎，1993;肖克炎等，1994)，通常用一定结构相互联系的文字或图解来表达。三维立体找矿模型相对于区域找矿模型二维预测特点，主要针对矿区中、大比例尺三维预测。它是在矿区三维立体建模的基础上，对三维地质体要素进行成矿分析，总结出三维立体预测标志组合。与二维建模相比有如下特点。

1.2.1 地表、地下真三维综合分析建模 三维联合分析平台能够有效地将地表地质测量各项成果资料与深部勘探成果综合分析，研究各种异常与深部矿体对应关系，建立地表找矿信息标志，开展深部预测。图3为土壤地球化学钼异常与深部矿体联合分析图，说明该矿区铜钼矿的巨大找矿潜力。

图2 甲玛矿区硅钙面与钼异常关系图

图3 土壤钼地球化学异常与深部矿体关系图

1.2.2 能够真实有效表达矿化分带的三维模型 较传统预测模型对矿化分带文字性描述或图解模式化表达，三维建模能够在真实三维几何空间表达各种矿化分带规律，使得矿化分带有明确的三维位置、几何形态及空间变化。常见与矿化分带有关的三维模型有不同类型矿体分带、矿化蚀变矿物分带、金属矿物分带、地球化学元素分带等。图4为不同矿化类型矿体空间展布及分带，图5为该矿床元素分带规律图，可以看出矿化元素有明显空间分带。

图4 不同矿化类型矿体空间展布及分带

图5 矿床元素分带规律图

1.2.3 地质控矿要素定量分析方式三维化 在二维GIS空间分析中，往往和空间点、线、面地质几何要素打交道，断裂及交会点分别以线、点要素出现，地质体以面要素表达。在三维空间中断裂以曲面、断裂体出现，断裂交会点以交会线、体出现。三维定量化要素分析将重点研究各空间三维要素与矿体空间的关系以及与矿体储量的空间关系。大冶铁矿严格受岩体与围岩接触面控制，矿体全部位于岩体界面500 m内(图6)。

图6 大冶铁矿岩浆岩不同距离缓冲区分析图

2 三维立体综合信息定量预测及软件开发

与区域定量预测评价比较，三维立体定量预测方法将有重大改变，一些区域定量预测方法如三部式预测方法、区域价值法等可能不再适用，而基于靶区优选的证据权方法等则是主要应用信息综合方法。其中最重要的预测目标图层是三维可视化立方格模型(图7)，预测成果将有三维空间坐标。由于在三维空间里有大量矿体勘探数据，资源量定量回归模型建立将比较现实，也是可实用模型。

与三维立体定量预测对应的是要开发三维立体预测软件。开发服务于大比例尺三维成矿预测软件主要包括数据管理、三维地质建模、三维可视化分析与科学计算等功能模块。其中，三维地质建模是三维预测软件的核心功能。由于三维可视化及信息数据分析管理技术在国内刚刚起步，开展信息化三维立体预测还有许多问题需要探讨。如将三维信息分析技术与传统的预测工作结合问题，传统定量预测与三维信息技术结合问题。另外，国内外还没有开发出一套成熟的专门用于大比例尺三维成矿预测工作的应用软件。大量的三维成矿预测研究首先通过矿山勘查软件完成成矿信息提取与三维可视化分析等工作。其次，在其他软件中完成信息综合分析，我国更加需要拥有自主知识产权且符合我国大比例尺成矿预测研究与应用等实际要求的软件工具。

三维地质建模研究成果大都基于大量的工程控制与高精度测量数据(如钻孔、十字剖面、地震等)来完成三维地质建模。而针对较少工程控制数据的三维地质建模方法研究较少。特别是在国内，虽然已经有了大量的针对地学曲面拟合方法的研究，但是多数方法集中于解决地球物理或地球化学数据曲面拟合问题，而对于地质体接触界面拟合研究较少。目前，国内学者一般使用趋势分析或者样条函数(如Hermit曲面等)进行地质体接触界面的模拟，这种方法最大的问题有2个：(1)获得的拟合曲面总是单值面，显然不符合地质规律;(2)无法表达复杂地质构造，例如：断层等。

图7 三维立体预测目标图层立方格模型

在针对复杂地质约束条件的高精度立方格预测模型构模方面，国内外研究的主要思路是通过建立辅助空间索引结构来加速针对约束对象的体素化。该类方法的核心思想是以空间换取时间。由于立方格模型(也称块段模型)本身在边界表达上的缺陷，导致当需要构建高精度预测模型时，将产生大量立方格(达到107数量级及以上)，辅助空间索引的开销已经变得不能忽略，甚至无法接受。而上述情况在大比例尺成矿预测中并不少见。例如：以预测区范围为2 000 m×2 000 m，同时向下预测1 000 m为例，假设需要建立下述3种预测模型。

以10x×10y×10z为预测立方格的大小，则空白预测单元格数量达到400万。

以10x×10y×5z为预测立方格的大小，则空白预测单元格数量达到800万。

以10x×10y×2z为预测立方格的大小，则空白预测单元格数量达到2 000万。

因此，需要提出一种改进的立方格构模方法，该方法必须能够快速、正确以及高精度地完成带有复杂地质体与空间任意非自相交曲面约束的立方格预测模型的构模。

3 基于三维信息分析的大比例尺预测方法流程

以大比例尺三维立体预测方法理论为基础的三维信息定量预测方法流程见图8。

图8 三维信息矿产定量预测流程

3.1 收集矿区地质调查、勘查及矿山开发各种地质资料

收集矿区历年地表地质测量、矿区勘探、矿区开发过程地质找矿及各种科研成果，对这些勘查成果进行初步分析研究，制定大比例尺矿产预测工作方案，包括三维数据库建库工作内容、必要的大比例尺补充野外地质工作、三维成矿信息提取与建模内容、三维定量预测等。

3.2 详细矿田构造、矿床学大比例尺填图工作

根据最新矿田构造、矿床模型研究新理论方法，开展矿区矿田构造野外地质工作。如开展矿田构造流体填图、矿化蚀变填图、构造地球化学及深部地质工作，旨在指导三维立体建模及补充预测资料。

3.3 三维数据库及三维地质体建模

将矿区收集资料按照一定标准数字化，所有的数据都要进行坐标统一空间框架。将二维成果图件尽量进行三维坐标转换，形成具有三维坐标属性的空间数据。按照地质编图基本原理，根据地质填图测量信息、钻探工程信息，建立矿区三维地质体模型。对矿体圈定建模要遵循国家有关矿体圈定规范，如单工程矿体圈定原则、矿体剖面连接等。

3.4 三维矿田构造模拟

根据矿田构造解析成果，结合地质填图、钻探工程、物化探深部地质成果，研究重要控矿构造空间展布特征、样式及控矿规律。这些模拟包括重要含矿岩系厚度及分布、岩体顶界面、导矿断裂构造、重要岩性界面、褶皱曲面、火山机构、变质变形构造模拟等。研究矿田构造模拟成果与矿体关系，总结相应的控矿规律，建立构造控矿模型。

3.5 找矿信息提取及三维立体找矿模型

研究各种矿体空间分布及分带特征，研究各种三维地质体与矿体关系。开展矿化蚀变三维模型建立及地球化学元素分布规律总结。研究地球物理信息找矿标志，开展控矿地质体三维反演。使用定量分析手段建立各地质体控矿有利变量，建立三维立体找矿模型。

3.6 三维立体定量预测及靶区圈定

应用立方格变量提取模型，合理进行预测变量提取，运用证据权等信息综合方法，开展综合信息定量预测，圈定成矿有利空间。应用数量化理论、逻辑信息法、地质体积法开展预测资源量估算。

3.7 靶区地质工程验证

对三维空间预测靶区进行地质分析，开展勘查部署建议，并使用合理勘探组合方法进行靶区验证。

4 结论

三维可视化信息分析技术为大比例尺矿产预测提供了非常有效的信息管理分析工具，它使得三维空间地质找矿问题的信息表达、分析实现了三维可视化。当前，三维信息技术下三维预测要加强预测软件方法研究，加强方法有效性示范研究，以期在地质矿产调查及矿山三维立体预测上取得成效。

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Large scale 3D mineral prediction methods and channels based on 3D information technology

XIAO Ke-yan1，2，LI Nan1，SUN Li1，ZOU Wei1，LI Ying1

(1.Institute of Mineral Resources，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China;2.School of Geosciences，Yangtze University，Jingzhou 434023，Hubei)

Large scale metallogenic prediction methods were important for the exploration of deep hidden deposits in ore field.It was a very necessary measurement for research and development of the treatment and information synthesized of the geological explorative data，under the condition of 3D visualization，as improving 3D geological information technology.According to 3D modeling predictions of Jiama Mine and other ore deposits，the authors briefly studied some key technologies i.e.3D simulation of ore-control structure in ore field，3D visualization of deposit model and 3D information synthesized quantitative evaluation，and discussed that the technical difficulties of 3D prediction software exploitation，working course of large scale 3D prediction and application effect by using examples.

3D visualization;Large scale;Deep mineral prediction;Ore field structure;Jiama Mine;Tibet

TP319

A

1674-3636(2012)03-0229-08

10.3969/j.issn.1674-3636.2012.03.229

2012-05-20;编辑：詹庚申

肖克炎(1963— )，男，研究员，博士，博士生导师，楚天学者，地质专业，主要从事数学地质领域矿产资源潜力评价研究，E-mail：kyanxiao@sohu.com