矿床模型指导下的隐伏矿体正反演预测研究

常慧娟, 陈建平, 于萍萍

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京100083； 2.中国地质大学国土资源与高新技术研究中心，北京100083； 3.北京市国土资源信息开发研究重点实验室，北京100083)

矿床模型指导下的隐伏矿体正反演预测研究

常慧娟1,2,3, 陈建平1,2,3, 于萍萍1,2,3

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京100083； 2.中国地质大学国土资源与高新技术研究中心，北京100083； 3.北京市国土资源信息开发研究重点实验室，北京100083)

摘要：热液型矿床中的含矿热液是矿床形成的先决条件，构造是含矿热液的通道，也为成矿提供有利空间。地层是决定热液型矿床的重要条件，它不仅影响矿物的沉淀，也影响成矿作用方式、矿体规模和矿石物质成分。以云南个旧新山勘查区为例，总结了该勘查区的成矿模型，提出了一种基于正反演联合预测的新方法。致矿地质异常的正演通过构建应力场-热力场-流体渗流场的耦合模型来分析地质过程和成矿机制。矿致地质异常的反演则通过对与成矿有关的岩浆、构造、地层采用“立方体模型”定量化分析，利用证据权法确定了研究区的有利成矿远景区。最后，通过统计正演和反演得到的远景区的公共部分进行靶区选定。研究结果表明，正反演技术在成矿预测中应用能加深对成矿过程和成矿空间的认知，提高成矿预测的精度，对寻找深部矿体具有指导意义。

关键词：三维建模；致矿地质异常；矿致地质异常；正反演技术；隐伏矿体预测；云南个旧

中图分类号：P628

文献标识码：A

文章编号：1674-3636(2015)03-0481-10

收稿日期：2015-06-12；编辑：陆李萍

基金项目：国土资源部公益性行业科研专项经费项目“我国找矿科研基地规范与关键技术应用示范”(201011002)、“找矿科研基地三维数字矿山建模技术应用示范”(201011002-10)

作者简介：常慧娟(1989—)，女，硕士研究生，地球探测与信息技术专业，E-mail：slindajj@126.com

0引言

传统的地质找矿手段如钻探方法需要耗费大量的人力、物力和财力，且目标性不明确，而基于遥感手段进行的蚀变信息提取，只是在二维空间上对矿体可能的位置进行预测，深度以及厚度上不能给予明确的指示。地质体三维建模及热液成矿过程的模拟技术在传统二维找矿的基础上，实现了向三维建模找矿方向的突破，真三维的地质模拟平台与矿产资源统计预测模型相结合可以实现地质过程的正、反演与矿产资源量的定量预测(杨瑞琰等，2006；王功文等，2007；蒋春明，2012；赵鹏飞，2014)。

云南个旧锡矿是中国最大的锡矿，属大型锡多金属矿床。迄今为止，很多地学工作者都对个旧矿床做过研究，形成了系统的地质成矿模型理论(路红记，2008)。个旧超大型锡铜多金属矿床以燕山期多次岩浆热液叠加改造、断裂提供导矿通道和储存空间，断裂构造和围岩岩性的三维空间分布是找矿的关键(陈守余等，2009；刘呜等，2011)。二维找矿在地理空间上总有局限，从三维手段开始研究个旧矿床，可以实现矿体的预测定位、定量，是目前找矿研究的一个新方向(陈建平等，2007)。

在总结前人研究内容以及掌握卡房矿田矿床模型的基础上，笔者提出了一种基于致矿地质异常定性模拟的正演方法和矿致地质异常定量分析的反演手段联合预测的新方法，通过对个旧卡房矿田的新山勘查区正反演联合预测，验证该方法体系的科学性以及准确性，是深部隐伏矿体找矿行之有效的技术手段。

1地质体三维建模

地质体三维建模是在了解研究区地质背景的基础上，根据已收集的资料，运用可视化技术对岩体、岩性、构造等地质体建立真三维模型，以便于利用其地质体的结构、形态以及空间展布等特征真实探索分析成矿的空间特征，通过三维模型为下一步正反演成矿分析奠定基础(侯恩科等，2002；吕鹏等，2011)。

地质体的实体建模主要根据收集到的矿区实测剖面图和等深线图，将MapGIS和CAD格式统一转换为CAD格式，在CAD软件中根据中段平面图对实测剖面进行立剖面，完成二维到三维的空间校正，将立好的剖面导入到Surpac软件中，在Surpac软件平台下提取出所有地层之间的地质界线，然后在Surpac中将同一地质界线连接成面，即为两相邻地层的界线面，根据布尔运算，利用界线面与范围的实体模型相切裁剪，即得到某一地质体的实体模型。根据新山勘查区的地质情况，主要构建了灰岩、白云岩、花岗岩、玄武岩、断裂的三维地质体模型(图1)。

图1　地质体三维模型(a) 灰岩模型；(b) 白云岩模型；(c) 断裂模型；(d) 岩体模型Fig.1　Three-dimensional model of geological bodies(a) limestone model;(b) dolomite model; (c) fault model; (d) rock mass model

2矿床模型指导下的隐伏矿体预测方法

矿床模型用文字、图解或表格形式表示，是描述某类矿床基本特征的综合概念，被认为是矿床发现和资源评价的钥匙和基石(肖克炎等，2012)。新山勘查区的矿床类型为热液型矿床，岩浆中的含矿热液是矿床形成的先决条件、构造控制含矿热液的通道，也为成矿提供有利空间。地层是决定热液型矿床的重要条件，不仅影响矿物的沉淀，同时也影响成矿作用方式、矿体规模和矿石物质成分。结合新山勘查区的地质背景，总结了该地区的成矿地质模型(表1)。矿床具有明显受岩性、构造、岩浆岩控制的特征，形成岩浆期后高温热液铜锡多金属矿床。

表1　研究区成矿地质模型

在掌握卡房矿田新山勘查区矿床模型的基础上，根据其矿床模型，研究区内矿体的形成主要受到地层岩性、断裂及岩浆因素的影响。研究区收集的资料较全，建立了接近真实地质情况的三维数字矿田模型，而研究区内各地质体的物理参数、性质也易于查询，这些为隐伏矿体的正反演预测分析提供了充分条件。

通过三维建模手段进行隐伏矿体的正反演联合预测技术方法流程如图2所示。

图2　隐伏矿体正反演预测技术流程图Fig.2　Technical flow chart of buried orebodies prediction

3正演：致矿地质异常定性模拟

隐伏矿体的正演是探讨致矿地质异常的过程，致矿地质异常是在物质组成、结构、构造或成因序次上与周围环境具有显著差异的地质体或者地质体组合(赵鹏大等，1999)。

致矿地质异常的过程可以通过数值分析模拟的方法构建应力场-热力场-流体渗流场的耦合模型来说明成矿地质过程和成矿机制。基本原理是遵循物质守恒定律、能量守恒定律等，依据数学、物理学等学科中的基本规律为原理，基于地球科学资料所构建的地质模型为实验研究对象，借助计算机处理系统的过程模拟的研究。因而，对于能够充分反映岩石圈的基本物理化学过程(如流体流动过程、介质变形过程、热传递过程等)及相关的地学基本科学问题的认识，是探讨成矿地质过程等复杂地质学问题的基本前提条件。

3.1　数值分析模拟方法

成矿过程的数值分析模拟通过选择经典的摩尔-库伦本构模型来表达流体变形性质，数值分析模拟时，首先定义地质体的物理性质参数及初始条件和边界条件，进行三维成矿过程的动态模拟，分析流体运移、成矿影响因素以及有利成矿部位的过程。技术方法流程如图3所示。

图3　FLAC3D模拟方法流程图Fig.3　Flow chart of the FLAC3D model

对于动态过程的瞬态问题，在初始条件和边界条件的共同作用下，模拟流体的运移路径演化和作为流体运移直接动力的孔隙压力以及对成矿位置提供容矿空间的体积应变结果进行分析。初始条件的温度场设置基于地表温度20 ℃，并且以每千米升高25 ℃的地热梯度来定量设置(图4)，初始压力场的设置基于地表10 kPa施加在模型的顶部，根据压力计算公式：P=ρ水gh来设定地压梯度变化(图5换算为孔隙水压力)。对模型的边界条件设置采用在X轴两侧施加变形的速度以及时间的作用来反映应力场和位移的变化(图6)。

图4　地温梯度设置图Fig.4　Setting of geothermal gradient

图5　地压梯度设置图Fig.5　Setting of geopressure gradient

图6　X轴两侧施加一定速度Fig.6　Exerting a certain speed on both sides of X axis

3.2　力-热-流的耦合模型

热液的成矿是力-热-流耦合的过程，地质流体的运移是通过压力差或者深部岩体的热源共同作用，流体的运移又同时反过来影响地质体的压力以及温度的变化，三者相互作用，最终形成了矿体的富集以及存储的有利条件(图7)。

图7　力-热-流耦合关系图Fig.7　Coupling relationship of pressure, heat and fluid

3.3　模拟结果分析

在应力场、热力场和流体渗流场的共同作用下，流体运移，并且在有利成矿部位汇聚。成矿过程的模拟主要通过分析流体运移路径和作为流体运移直接动力的孔隙水压力以及对成矿位置提供容矿空间的体积应变结果进行分析。由于孔隙压力是流体运移的直接动力，随着时间的作用，岩体底部的孔隙水压力逐渐减小，顶部一定范围内的孔隙水压力逐渐增大，驱动着流体不断向上移动(图8)。其中，断裂附近的流体沿着断裂通道向上移动，断裂带两侧一定范围内孔隙水压力减小，部分流体由断裂通道向两侧区域渗流。

图8　孔隙水压力变化分布图(蓝色格网为断裂)Fig.8　Pressure variation of pore water (blue grids are faults)

应力作用下，岩体发生膨胀破裂，增加孔隙容积，使成矿流体向扩容空间汇流，流体汇聚体积增加，造成液压致裂，增加扩容量，促使流体进一步汇聚。岩体的大部分区域呈现负的体应变,接触带附近的岩石呈现正的体应变,从岩体到接触带的体应变由负应变到正应变转换,形成应变转换带,即接触带附近的岩石表现为体积膨胀，为形成矿体提供容矿空间(图9)。

图9　体积应变产生容矿空间Fig.9　Ore-hosting space generated by volumetric strain

下面通过将正演的结果定量化输出，反映成矿特征的孔隙水压力和体积应变的界限值的选择依据是：(1) 根据正演结果分析，趋于平衡状态时成矿有利区对应的孔隙水压力和体积应变的值；(2) 分别统计孔隙水压力和体积应变的值在某一个区间时已知矿体的数量。根据上述2个条件，综合考虑选取成矿最有利的阈值。图10为统计孔隙水压力与已知矿体的直方图信息，图11为统计的体积应变值与已知矿体的直方图信息。根据直方图中相应值与已知矿的含量，确定与成矿有关的孔隙水压力和体积应变的区间阈值。通过与已知矿体迭加统计选取孔隙水压力值(8.1×106～14.2×106)区间的立方块作为有利成矿的预测因子，通过与已知矿体迭加统计选取体积应变值(3.50×10-15～9.05×10-15)区间的立方块作为有利成矿的预测因子。根据相应阈值界定，圈定的孔隙水压力和体积应变的对应远景区如图12和图13所示。

图10　孔隙水压力含矿统计直方图Fig.10　Statistical histogram of pore water pressure

图11　体积应变含矿统计直方图Fig.11　Statistical histogram of orebodies generated by volumetric strain

图12　孔隙水压力阈值内的远景区Fig.12　Prospective areas within the threshold of pore water pressure

图13　体积应变阈值内的远景区Fig.13　Prospective areas within the threshold of volumetric strain

4反演：矿致地质异常定量预测

隐伏矿体的反演是矿致地质异常定量预测的过程，矿致地质异常是由于矿体的存在所产生的异常，是判断与矿化点、矿点、矿床有直接关系的地球物理、地球化学异常，是进一步找矿的目标区。

矿致地质异常定量预测以三维矿山建立为基础，地质统计方法为手段，成矿规律的分析及找矿模型的建立是研究的核心。它既是靶区圈定及资源潜力估算的重要证据，也对研究区成矿规律特征的完善及矿区长远发展起到指导性作用。找矿模型的定量分析在三维空间上主要借助于“立方体模型”来实现传统的二维找矿向三维找矿的新突破(图14)。

图14　定量化成矿有利信息(a) 断裂缓冲；(b) 主干断裂；(c) 局部构造；(d) 方位异常度；(e) 构造交点数；(f) 中心对称度Fig.14　Quantitative metallogenic favorable information(a) fault buffer; (b) main fracture; (c) local structure; (d) azimuthal anomaly; (e) structural intersection; (f) central symmetry

4.1　成矿有利信息提取

立方体预测模型是在建立的研究区地层岩性、构造、岩体等三维实体模型的基础上，根据实体模型进行研究区三维立方体提取，并将找矿定量化信息赋予每一个立方体块体。由于大范围的卡房研究区更能反映成矿有利信息的普遍规律，因此采用整个卡房矿田的块体模型进行成矿有利信息的提取，新山勘查区的成矿预测则采用新山勘查区的范围对卡房矿田的结果进行约束。构造因素对成矿影响较大，主要从断裂缓冲、主干断裂、局部构造、方位异常度、构造交点数、中心对称度等几个方面定量化分析对成矿的影响。

岩浆岩为热液矿床成矿提供热源及成矿物质，对于隐伏岩体来说，矿体一般发现于岩体周边及表面一定区域内，因此对于三维预测来说，岩体缓冲区是不可或缺的关键变量之一。岩体顶向上扩张100 m作为缓冲区，岩体缓冲的块体模型如图15所示。

图15　花岗岩体缓冲Fig.15　Granite body buffer

4.2　三维证据权计算

通过对成矿有利信息的提取，首先应用证据权法赋权得到新山勘查区每个找矿标志的权值，根据权值信息统计计算反映了每个单元块体相对的找矿意义的后验概率值，用以评价找矿远景区并进行成矿预测。后验概率计算基于贝叶斯方法，计算公式如下。

(j=1,2,3,…,n)

(1)

新山勘查区的矿床类型在空间上主要从顶部的氧化矿和深部的矽卡岩型矿体进行分析。顶部矿的氧化矿受断裂因素的影响较大，主要根据构造定量化后的成矿有利信息进行证据权计算，计算顶部矿后验概率，统计分析不同顶部矿后验概率阈值的已知氧化矿含量(表2)。已知氧化矿块数为193，在此基础上确定顶部矿后验概率的阈值，根据统计信息选取占总氧化矿矿块数比率趋于稳定的状态的后延概率值0.66为阈值的下限值，据此圈定顶部矿远景区(图16)。

表2　顶部矿后验概率与已知矿体统计表

图16　顶部矿远景区Fig.16　Top prospective areas

深部矿充分利用与深部成矿有关的玄武岩、花岗岩体以及表现岩体的特征因子进行证据权重计算及后验概率，在此基础上进行深部矿后验概率和已知矿体统计分析(表3)。已知深部矿体块数为2 377。据此统计信息，占总深部矿矿块数比例趋于稳定状态，确定反映深部成矿特征的后验概率的阈值≥0.85，在此基础上圈定深部矿远景区(图17)。

表3　深部矿后验概率与已知矿统计表

图17　深部矿远景区Fig.17　Deep ore prospective areas

5正反演结果对比靶区圈定

对于以上通过正演、反演2种方法探讨的成矿分析，分别从不同方面考虑成矿有利性，并根据相应的成矿有利信息圈定顶部矿和深部矿的成矿远景区。若要实现正反演联合预测，还需要根据正演和反演得到的远景区选取公共部分，在此基础上圈定最终成矿靶区。

由于孔隙水压力值的变化与断裂因素关系较大，且根据该地区的矿床模型，顶部矿的形成也是主要断裂因素的影像，因此选取正演过程得到的孔隙水压力阈值内的远景区和反演顶部矿预测的远景区进行迭加运算，符合这2个条件的公共部分则更有利于成矿。在公共远景区上圈定了2个顶部矿的靶区(图18)。

图18　顶部矿靶区Fig.18　Top ore prospecting targets

体积应变的阈值选取是由于岩体接触带上形成的扩容空间与花岗岩的膨胀破裂有关，且该地区深部矿的形成亦与花岗岩和岩体缓冲直接相关，因此对正演过程得到的体积应变和反演的深部矿的远景区进行迭加运算，选取符合这2个条件的公共部分作为深部矿预测的最终远景区。在迭加后的远景区圈定了3个深部矿的靶区(图19)。

图19　深部矿靶区Fig.19　Deep prospecting targets

用已知矿体与顶部矿和深部矿的靶区分别叠加(图20)，可见已知矿体基本都包含在预测靶区内，从图12和图13所示的正演远景区与已知矿体叠加可见远景区过大，这样找矿比较盲目，正反演联合预测则缩小了远景区的范围，成矿预测也更加准确，提高了找矿的精度，说明正反演联合预测的科学性及准确性。

图20　靶区与已知矿体叠加图(a) 顶部矿靶区与已知矿叠加；(b) 深部矿靶区与已知矿叠加Fig.20　Superposition of prospecting targets with known orebodies　　　　(a) superposition of top prospecting targets with known orebodies;　　　　(b) superposition of deep prospecting targets with known orebodies

靶区圈定后，通过资源量的估算可以实现定量评价，采用的资源潜力计算公式为：

C=∑ρvgj

(2)

式(2)中，C为研究区内Sn、Pb、Cu或W的资源潜力；v为单个单元块的体积；ρ为区内岩石的平均体重，顶部矿体平均体积质量取2.72 t/m3，深部矿体平均体积质量取3.41 t/m3；g为单元块体内元素不同的品位值；j为矿块夹石率。最终估算的资源量如表4。

表4　卡房矿田Cu、Pb、Sn、W资源潜力汇总表

6结论

通过致矿地质异常以及矿致地质异常的分析，实现了矿床模型指导下的联合正反演预测。通过总结规律，更好地理解热液矿床的形成过程，并对找矿勘探起到了提供有利成矿条件信息的间接作用和预测矿化地段的直接作用。

(1) 系统的正反演成矿预测的理论方法体系实现了矿床模型指导下的地质异常的定量预测，成矿形成过程及控矿机制相比仅通过数值分析模拟或者矿致地质异常的定量预测，正反演联合成矿预测手段大大提高了成矿预测的精度。

(2) 正反演的成矿预测方法也可适用于其他类型的矿床，针对不同矿床模型的矿床有不同的解决方案，通过改变正演数值分析模拟过程中的变量(温度、流量、孔隙水压力、体积应变等)以及反演的后验概率计算的成矿因子，再进行正反演联合成矿预测，可以使该技术适用于矿产资源的勘查。

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Forward and inversion forecasting of concealed orebodies under the guidance of deposit model

CHANG Hui-juan1,2,3, CHEN Jian-ping1,2,3, YU Ping-ping1,2,3

(1. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China; 2. Land Resources and High-Tech Research Center, China University of Geosciences, Beijing 100083, China； 3. Key Laboratory of Land and Resources Information Development Research in Beijing, Beijing 100083, China)

Abstract：Ore-bearing hydrothermal solution is a prerequisite for the formation of hydrothermal type deposits, and structure acts as the conduit of ore-bearing hydrothermal solution which provides favorable space for the mineralization. Strata affect not only the precipitation of minerals but also mineralization modes, orebody scale and ore components, which are an important factor for hydrothermal type deposits. Taken the Xinshan exploration area as an example, this study summarized the metallogenic model, and proposed a new method based on forward and inverse forecasting. The forward of ore-generating geological anomalies is done by constructing stress-thermal-fluid percolation coupling process to analyze the geological evolution process and metallogenic mechanism. The inverse of ore-generating geological anomalies is realized by building magma, structure and stratum and then quantitative analysis by the theory of ″Cube prediction model″. We determined ore prospective areas by the weights of evidence method, and delineated prospecting target areas through the superposition of ore prospective areas obtained by forward and inverse. The results show that the application of the forward and inverse methods can enhance the cognition of mineralization processes and mineralization space, and improve the accuracy of metallogenic prediction, which have guiding significance for discovering deep orebodies.

Keywords：three-dimensional modeling; ore-generating geological anomaly; forward and inverse technology; prediction of concealed orebodies; Gejiu in Yunnan Province