新疆红海块状硫化物矿床三维地质建模及勘探应用

孙 岳，王功文，方同辉，冯 源，王新宇

(1.中国地质大学(北京)地质过程与矿产资源国家重点实验室，北京 100083;2中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081;3.有色金属矿产地质调查中心，北京 100012)

1 前言

传统地质图和剖面图由于维数的限制而不易理解地质体间的褶皱、断层、不整合等相互关系，信息比较零散，需要一定的地质基础并结合相关资料才能把握局部空间相关性;三维地质模型(Houlding，1994)融合了多种信息，弥补了二维图件的缺陷，可以很清晰的反应地下的地质构造和复杂地质现象，并能够旋转、剖切(Kostic et al，2007;Smirnoff et al，2008)、透视(Caumon et al，2009)和查询(Sprague et al，2006)各地质对象，模型可因新的资料而随时更新和完善，并能准确模拟各种地质现象和过程、计算矿产资源量。三维建模技术在国外发展比较成熟，相应的软件主要有 Gocad、3D GeoModeller、Micromine、MineSight，地质模型的研究既有由单一的地震数据(Susini et al，2009;Ruzek et al，2011)，也有由多种数据相互约束来创建(Schmidt et al，1999;Galera et al，2003;Calcagno et al，2008;Bistacchi et al，2008;Zanchi et al，2009;Gallerini et al，2009;Benaize et al，2010)，应用的领域主要为矿山勘探、岩土工程等。国内虽然起步晚，但也对三维建模技术进行了研究和探讨(侯景儒，1997;曹代勇等，2001;吴立新等，2005;潘懋等，2007;向中林等，2008;杨晓坤等，2008;丁建华等，2009;管树巍等，2010;Wang et al.，2011)，提出了一些数据模型，研制或二次开发了一些三维软件系统。

本文所建三维地质模型是在Gocad软件平台上完成的。该软件是一个能够模拟真实复杂地质现象的三维建模软件，集成了离散光滑插值(DSI)算法(Mallet，1992;1997)和地质统计学(孙洪泉，1990)方法，如普通克里格、指示克里格、协同克里格等。DSI算法利用各种约束创建平滑的线面来模拟地质体，是Gocad结构建模的核心算法，点线面对象的生成都经过DSI算法的处理;地质统计学方法能够快速对栅格模型赋予属性并计算地质体面积、体积及矿体资源量。Gocad软件提供了Sgrid栅格模型，该模型将地质对象分割成不同尺度的单元格，每一个单元格都包含岩性、蚀变、钻孔、地球物理、地球化学等某一或多种属性，因此，集成数据的三维地质模型对于矿产勘查具有重要的意义。本文以新疆红海VMS矿床为例介绍了研究区DEM、钻孔数据的转换和加载，地表、地层界面、断层面的建立方法，栅格模型的创建和Cu品位的插值，在此基础上统计黄土坡块段Cu资源量并预测一个新的成矿靶区。

2 三维地质建模的方法

三维模型的创建依赖各种数据的分布和离散程度、工程密集程度以及研究区的尺度，数据主要包括遥感影像、地质图和剖面图、地球物理、地球化学、地震数据和钻孔数据等，这些数据在建模过程中约束和影响最后模型的准确性，例如钻孔密集的地区能够精确控制地层、岩体等地质要素，约束地震等其他间接观测数据。本文所建三维地质模型是在矿床尺度下，主要收集和利用的数据有以下四类(表1)，三维建模流程示意如图1。

表1 三维地质建模准备的几类数据Table1 Several available data for 3D geological model construction

图1 三维地质建模基本流程Fig.1 Flowchart showing 3D geological modeling

三维地质建模和预测评价的主要方法步骤:(1)数据处理。校正坐标参数系统，数字化地形地质图、实测剖面图，利用GIS软件，提取等高线、地质界线、断层等，赋值等高线;建立钻孔数据库，包括钻孔位置、路径、Cu品位信息;解译地球物理剖面。(2)数据导入。将高程数据导入Gocad创建地形表面;融合地质界线、断层到三维地形面上;导入矢量化的地质剖面(.dxf格式);加载钻孔数据。(3)模型创建。利用地层断层的产状插值出地表以下的地质界面;利用地质剖面、地球物理剖面及钻孔修改完善地质界面;建立三维结构模型和栅格模型。(4)属性插值。利用地质界面将栅格模型分割成不同的区域，代表不同的地质体;利用钻孔化验数据(Cu)和空间数据分析功能建立变差函数，普通克里金法插值出无钻孔控制区的Cu品位，使得每个地质体栅格单元具有Cu品位属性;各区域赋予不同岩性特征并根据地质体间的接触关系，进行区域间的逻辑运算(交、并、缓冲等)。(5)成矿预测。三维成矿预测增加了深度尺度，能够对圈定的靶区定位和定量，但目前尚无成熟的方法，本文主要利用多源信息的集成，根据VMS矿床成矿环境，结合成矿规律和成矿控制因素，初步预测矿体外围及深部无工程控制区的成矿有利部位。

3 研究区地质背景

红海VMS矿床位于卡拉塔格铜金(锌)成矿带的东段，处于吐哈盆地南缘，东天山东段，低山丘陵地貌景观，地表海拔490～620m(方同辉等，2002;毛启贵等，2010)。卡拉塔格褶皱及断裂构造发育，构造形式以褶皱为主，断裂多为褶皱伴生产物，空间上北西向为主构造线方向，控制卡拉塔格早古生代岛弧裂隙式火山喷溢活动及矿化带的展布(图2①)。研究区为一套奥陶－志留系基性－中性－酸性火山岩，岩石组合为玄武岩、安山岩、英安岩、流纹岩，以喷溢相为主，裂隙式喷发为主要形式②。红海矿区地表分布有含角砾凝灰质熔岩、具有韵律层理的凝灰质砂岩、英安质角砾熔岩、凝灰岩等，主矿体埋藏深度大于300m，为隐伏的平卧块状硫化物矿体(图3)。矿区铜锌矿化除了受火山岩层控性特征比较明显外，还受北北西向断裂－成矿热液通道控制。红海铜锌主矿体为致密块状硫化物型铜锌矿体和稠密浸染状铜矿体，赋存于沉凝灰岩与英安岩的接触部位，与地层整合。矿体上盘近矿围岩主要为含角砾凝灰质熔岩、黄铁矿化沉凝灰岩、安山岩、英安岩、英安斑岩，矿体下盘近矿围岩主要为沉凝灰岩和黄铁矿化沉凝灰岩。

4 研究区模型创建

4.1 结构模型

三维结构模型是由各地质体和若干地质界面组成，如地层界面、不整合面、断层面等，每个界面代表了地层接触关系、岩体侵入和构造事件，因此，结构模型能够将研究区地质概况主体形态特征模拟出来。利用GIS软件从DEM影像上裁剪出新疆红海研究区的范围(E91°55'40″～ E91°57'59″，N42°34'52″～N42°36'56″)，提取研究区影像的高程线，高程间距10m，将具有高程属性和正确坐标系统的等高线导入Gocad平台，转化为高程点作为约束点生成地形表面(图4(a)，白色为抽稀的等高线)。将矢量化的地质界线、断层加载到Gocad软件中(图4(b)，A、B垂向均放大3倍)，投影到地形表面并切割地形面，形成三维地形地质图。断层面的生成借助倾向和倾角，运行curves and expansion vector命令;岩体及火山岩地层界面的生成主要参照地质剖面和地球物理剖面，利用这些剖面作为约束条件，用合适的三角网拟合形成曲面模型，结合钻孔岩心的验证，对于不满意的局部区域，再进行编辑分割、优化三角形，插值形成平滑曲面。由于研究区火山岩较复杂，图4结构模型只显示了研究区上部英安质熔结凝灰岩夹凝灰角砾岩、熔岩和下部沉凝灰岩、角砾凝灰岩的界面，界面由剖面约束生成(图4(c))。导入钻孔数据，建立钻孔模型，利用岩心数据标记出钻孔孔径上的矿段，参照固体矿产Cu勘查规范圈定出红海－黄土坡地区的层状矿体(图4(d))。

图2 卡拉塔格地区构造纲要图(据新疆维吾尔自治区地调院，1988修改)Fig.2 Geological map showing tectonics of the Kalatage region(modified from Geological Survey Institute of the Xinjiang Uygur Autonomous Region，1988)

图3 新疆红海铜锌矿区综合地质图(据新疆鑫汇地质矿业有限责任公司修编，2009)Fig.3 Comprehensive geological map of the Honghai copper and zinc deposit in Xinjiang(modified from Xinjiang Xinhui Mining Company Ltd.，2009)

4.2 栅格模型

利用地形表面和高程为0m的水平面作为底面生成栅格模型，面积为3.2km×3.8km，栅格单元大小为16m×14m×1m，总计单元格为5200000个，包含13个岩性界面，5个断层面和14个主要地质体。三维栅格模型的生成是在结构模型的基础上，根据各地质体的形态产状厚度以及地下延伸情况，建立各地质体间的地质界面来划分栅格。例如侵入岩与火山岩间的界面要考虑到后期侵入岩对火山岩侵蚀作用，界面形态依赖侵入岩外形并穿插其他相邻火山岩界面。利用地质体的界面将栅格模型分割成不同的面域(regions)，对不同的面域赋予不同的岩性等属性，面域之间可以进行相交、相减、合并、缓冲等逻辑运算，并计算各面域面积、体积和栅格多少，图5(a)为研究区矿体等各地质体三维栅格模型，地表英安岩、英安斑岩未显示。储量的计算利用空间数据分析模块，加载黄土坡地区钻孔数据和Cu品位数据，多项拟合得出变差函数参数:块金常数为0，基台值0.0272351，变程0.0293114。普通克里格法插值出黄土坡I矿段矿体 Cu的品位模型(图5(b))，算得 Cu平均品位 0.71%，矿体体积为6740790m3，矿 石 体 重 为 3.72t/m3，金 属 量178037.75t;与传统几何块段法计算出的黄土坡矿区I矿段Cu金属量相差2.706%。地质统计学算出的平均品位是由已知块段根据变差函数插值未知块段后加权平均所求得，再算出矿体体积求得资源量。可能的误差主要是数据的稀少与不足，导致变差函数的选择、矿体的圈定和栅格大小的选择出现偏差，但三维模型计算的金属量具有一定的参考价值，误差也会因数据的丰富和方法的改善而不断减小。

图4 研究区三维结构模型建立过程Fig.4 Process of 3D structural modeling in the study area

红海研究区VMS型矿床与海相火山沉积岩有关(毛启贵等，2010)，矿体与火山岩地层产状大体一致，主要产于上部陆相火山－火山碎屑岩(英安质熔结凝灰岩夹凝灰角砾岩、熔岩)与下盘海相火山碎屑岩(沉凝灰岩、角砾凝灰岩)之间，同时受火山机构和断裂的控制，在地形上产于火山洼地，与后期次火山岩和侵入体也有一定关联。从模型中看，红海外围具有隐伏矿的有利条件，结合成矿规律和成矿控制因素，初步预测在红海南部侵入体附近断裂处300m以下(上部陆相火山－火山碎屑岩厚约300m)有一隐伏矿体。

图5 (a)研究区大比例尺岩性三维栅格模型，(b)黄土坡矿区I矿段矿体品位模型Fig.5 Three-dimensional distribution of lithofacies associations with the large scale grid model of study area(a)and grade model of I orebody in the Huangtupo ore district(b)

5 结论与讨论

三维可视化技术集成不同的数据源，建立真实可靠的地质模型，不仅能够随意显示、旋转、剖切地质对象，而且能够对地质体进行逻辑运算和信息查询。三维栅格模型中的面域属性包含节点、栅格单元信息，对栅格数据分析处理能够计算资源量，指导圈定新的找矿靶区，并且所建的三维模型能够加载新的数据而随时修改和更新。模型可以通过不同的文件格式实现信息共享，减少建模时间，不同数据的融合和数据的密集程度可以降低建模过程的不确定性，使模型更完善更真实。本文以新疆红海地区VMS型矿床为例，在Gocad平台上构建了三维结构模型和栅格模型，讨论了建模需要的数据、方法、流程及模型在资源评价方面的应用。

三维地质模型在一定程度上反应了研究区地质构造特征，但在建模过程中认识到一些问题，包括以下三个方面:(1)数据的多少。如果数据稀疏而又不完整，对于模型的创建和插值意义不大，只能简单示意而不能表达复杂地质现象和地质意义。(2)插值的方法。结构模型和属性模型都是通过插值的方法建立起来，尤其是属性模型，变差函数的选择和不同的插值会影响模型的属性特征。(3)约束的选择。模型的细节也会因不同的数据约束和个人的主观理解而有所差异。这些问题导致三维建模的局限，归根是控制或约束数据的缺少，预测的结果有待地震数据或钻孔的进一步验证。

［注释］

① 有色金属矿产地质调查中心.2010.新疆哈密市红海一带铜锌多金属矿调查评价设计报告［R］.

② 新疆维吾尔自治区地矿局.1988.新疆康古尔塔格1∶20万区域地质调查报告［R］.

③ 新疆西拓矿业有限公司.2010.新疆哈密市黄土坡矿区Ⅰ矿段铜锌矿采矿权评估报告［R］.

Benaize C G，Lamarche J，Masse J P，Villeneuve M，Viseur S.2010.3D structural modelling of small-deformations in poly-phase faults pattern-Application to the Mid-Cretaceous Durance uplift，Provence(SE France)［J］.Journal of Geodynamics，50:81－93

Bistacchi A，Massironi M，DalPiaz G V，DalPiaz G，Monopoli B，Schiavo A，Toffolon G.2008.3D fold and fault reconstruction with an uncertainty model:An example from an Alpine tunnel case study［J］.Computers＆ Geosciences，34:351－372

Calcagno P，Chiles J P，Courrioux G，Guillen A.2008.Geological modelling from field data and geological knowledge part I.Modelling method coupling 3D potential-field interpolation and geological rules［J］.Physics of the Earth and Planetary Interiors，171:147 －157

Cao Dai-yong，Li qing-yuan，Zhu Xiao-di，Zhou Yun-xia.2001.Study on the 3D visual model of geological structure［J］.Geology and Exploration，37(4):60－62(in Chinese)

Caumon G，Drouaillet P，Veslud C，Viseur S，Sausse J，2009.Surfacebased 3D modeling of geological structures［J］.Math Geosciences，41:927－945

Ding Jian-hua，Xiao Ke-yan，Lou De-bo，Li Nan.2009.Large scale mineral assessment in three dimensions［J］.Geology and Exploration，45(6):729－734(in Chinese with English abstract)

Fallara F，Legault M，Rabeau O.2006.3－D integrated geological modeling in the Abitibi subprovince(Quebec，Canada):techniques and applications［J］.Exploration and Mining Geology，15:27 － 41

Fang Tong-hui，Qin Ke-zhang，Wang Shu-lai，Jiang Fu-zhi，Gan Xianping，Zhou Zhi-jian.2002.Analysis on the metallogenic geological environment of Kalatage copper(Gold)deposit［J］.Mineral Deposits，21(supplement):380－384(in Chinese)

Galera C，Bennis C，Moretti I，Mallet J L.2003.Construction of coherent 3D geological blocks［J］.Computers ＆ Geosciences，29:971 －984

Gallerini G，Donatis M.2009.3D modeling using geognostic data:The case of the low valley of Foglia river(Italy)［J］.Computers＆ Geosciences，35:146－164

Guan Shu-wei，Andreas Plesch，Li Ben-liang，Chen Zhu-xin，He Dengfa.2010.Volumetric structural restorations based on mechanical constraints and its geological significance［J］.Earth Science Frontiers，17(4):140－150(in Chinese with English abstract)

Hou Jing-ru.1997.Review and prospect of geostatistics(spatial-information statistics)development in China［J］.Geology and Exploration，33(1):53－58(in Chinese)

Houlding S.1994.3D Geosciences modeling:Computer techniques for geological characterization［J］.Berlin:Springer-Verlag:131 －147

Kostic B，Suss M.P，Aigner T.2007.Three-dimensional sedimentary architecture of Quaternary sand and gravel resources:A case study of economic sedimentology(SW Germany)［J］.Int J Earth Sci，96:743－767

Mallet J L.1992.Discrete smooth interpolation in geometric modeling［J］.Computer aided design，24(4):178 －191

Mallet J L.1997.Discrete modeling for natural objects［J］.Mathematical Geology，19(2):199－218

Mao Qi-gui，Fang Tong-hui，Wang Jing-bin，Wang Shu-lai，Wang Ning.2010.Geochronology studies of the Early Paleozoic Honghai massive sulfide deposits and its geological significance in Kalatage area，eastern Tianshan Mountain［J］.Acta Petrologica Sinica，26(10):3017－3026(in Chinese)

Pan Mao，Fang Yu，Qu Hong-gang.2007.Discussion on several foundational issues in three-dimensional geological modeling［J］.Geography and Geo-Information Science，23(3):1－5(in Chinese)

Ruzek B，Holub K，Rusajva J.2011.Three-dimensional crustal model of the moravo-silesian region obtained by seismic tomography［J］.Studia Geophysica et Geodaetica，55:87－107

Schmidt S，Gotze H J.1999.Integration of data constraints and potential field modelling－an example from southern lower saxony，germany［J］.Physics and Chemistry of the Earth(A)，24(3):191－196

Smirnoff A，Boisvert E，Paradis S J.2008.Support vector machine for 3D modelling from sparse geologicalinformation of various origins［J］.Computers＆ Geosciences，34:127－143

Sprague K，Kemp E，Wong W，McGaughey J，Perronb G，Barrie T.2006.Spatial targeting using queries in a 3－D GIS environment with application to mineral exploration［J］.Computers＆ Geosciences 32:396－418

Sun Hong-quan.1990.Geostatistics and application［M］.Beijing:China University of Mining and Technology:31－199(in Chinese)

Susini S，Donatis M D.2009.3D model of a sector of the South Scotia Ridge(Antarctica)［J］.Computers＆ Geosciences，35:83－91

Wang Gong-wen，Zhang Shou-ting，Yan Chang-hai，Song Yao-wu，Sun Yue，Li Dong，Xu Feng-ming.2011.Mineral potential targeting and resource assessment based on 3D geological modeling in Luanchuan region，China［J］.Computers ＆ Geosciences，37:1976 －1988

Wu Li-xin，Shi Wen-zhong.2005.On three dimensional geosciences spatial modeling［J］.Geography and Geo-Information Science，21(1):1－4(in Chinese)

Xiang Zhong-lin，Wang Yan，Wang Run-huai，Liu Yu-fang，Liu Shunxi.2009.3D Geological modeling and visualization process of mines based on borehole data［J］.Geology and Exploration，5(1):75 －81(in Chinese with English abstract)

Yang Xiao-kun，Qin De-xian，Feng Mei-li，Hu Zhi-jun，Wu Wei，Liu Xiao-wei.2008.The surpac-based 3D geologic model for mine and metallogenic prognosis by comprehensive information［J］.Geology and Resources.，17(1):61 －64(in Chinese with English abstract)

Zanchi A，Francescac S，Stefano Z，Simoneb S，Graziano G.2009.3D reconstruction of complex geological bodies:Examples from the Alps［J］.Computers＆ Geosciences，35:49－69

［附中文参考文献］

曹代勇，李青元，朱小弟，周云霞.2001.地质构造三维可视化模型探讨［J］.地质与勘探，37(4):60－62

丁建华，肖克炎，娄德波，李 楠.2009.大比例尺三维矿产预测［J］.地质与勘探，45(6):729－734

方同辉，秦克章，王书来，姜福芝，甘先平，周志坚.2002.浅析卡拉塔格铜金矿成矿地质背景［J］.矿床地质，21(增刊):380－384

管树巍，Andreas Plesch，李本亮，陈竹新，何登发.2010.基于地层力学结构的三维构造恢复及其地质意义［J］.地学前缘，17(4):140－150

侯景儒.1997.中国地质统计学(空间信息统计学)发展的回顾与前景［J］.地质与勘探，33(1):53－58

毛启贵，方同辉，王京彬，王书来，王宁.2010.东天山卡拉塔格早古生代红海块状硫化物矿床精确定年及其地质意义［J］.岩石学报，26(10):3017－3026

潘懋，方裕，屈红刚.2007.三维地质建模若干基本问题探讨［J］.地理与地理信息科学，23(3):1－5

孙洪泉.1990.地质统计学及其应用［M］.北京:中国矿业大学出版社:31－199

吴立新，史文中.2005.论三维地学空间构模［J］.地理与地理信息科学，21(1):1－4

向中林，王妍，王润怀，刘玉芳，刘顺喜.2009.基于钻孔数据的矿山三维地质建模及可视化过程研究［J］.地质与勘探，45(1):75－81

杨晓坤，秦德先，冯美丽.2008.基于Surpac的矿山三维地学模型及综合信息成矿预测研究［J］.地质与资源，17(1):61－64