基于原生晕三维数据体模型的深部矿产预测

柳炳利， 郭　科， 李　程， 王　璐

(1.成都理工大学，四川成都610059； 2.数学地质四川省重点实验室，四川成都610059)



基于原生晕三维数据体模型的深部矿产预测

柳炳利1，2， 郭科1，2， 李程1，2， 王璐1，2

(1.成都理工大学，四川成都610059； 2.数学地质四川省重点实验室，四川成都610059)

三维原生晕矿产预测方法可以作为原生晕地球化学的有效补充。探讨了基于原生晕的地球化学深部矿产预测方法，通过三维建模技术构建了一种三维原生晕矿产预测方法，应用该方法在湖北铜绿山铜铁矿圈定了22个预测靶位，部分靶位已在矿区的实际勘探中得到验证。三维原生晕数据体模型可以在深部矿产预测中取得较好的效果。

原生晕；三维数据体模型；深部矿产预测；铜绿山铜铁矿；湖北

0　引　言

20世纪50年代末，谢学锦、邵跃等与前苏联科学家几乎同时发现了热液矿床的原生晕分带现象，开创了原生晕地球化学寻找盲矿的新方法。80年代以来，原生晕的“反常、反分带或杂乱无章异常”现象困惑了化探人员多年，严重影响了应用原生晕方法预测盲矿的进一步发展。90年代以来，众多学者通过对原生晕地球化学的各自研究，取得了大量成果(刘崇民等，1994；邵跃，1997；谈树成等，2001；朴寿成等，2003；陈云华等，2005；田锋，2005；马立成等，2006；王超等，2006)。具有代表性的是李惠等的原生叠加晕找盲矿的新方法，在20多个矿山的科研实践中取得了良好效果(李惠等，1997，1998,1999；李惠，1998，2000)；近年来，李惠等(2003，2004，2005，2006，2008，2010a,2010b,2010c)针对热液脉状金矿床的特征总结提出了构造叠加晕法，建立典型金矿床的构造叠加晕模式，显著提高了盲矿预测的准确性和找矿效果。另外，众多学者在深部矿产预测方面也取得了大量成果(刘一等，2008；苏安金等，2008；智超等，2014；李秋金等，2016)。

以往的原生晕找寻盲矿方法多在剖面上基于原生晕的分散模式进行预测，这种方式难免陷入“一面之见”。本次研究采用三维建模方法，通过钻孔化学分析数据进行三维空间插值，形成地球化学三维空间数据体，进而再剖面切割寻求重点部位的元素空间分布规律，由此，可以实现从总体到局部的数据分析，使深部矿产预测更可靠。

1　研究区概况

铜绿山铜铁矿床位于扬子准地台下扬子台褶带西端、大冶复向斜南翼、阳新岩体西北端的铜绿山小岩体中，是长江中下游成矿带鄂东南矿集区的重要矿床。区域内地层齐全，构造复杂，中酸性侵入岩发育，铜、铁、金等金属矿产丰富，是我国重要的有色金属和冶金原料基地(图1)。

图1　鄂东南区域地质略图1-第四系；2-上白垩统—第三系；3-下白垩统；4-中三叠统—中侏罗统；5-上泥盆统—下三叠统；6-震旦系—志留系；7-下二叠统；8-花岗岩；9-花岗斑岩；10-花岗闪长岩；11-花岗闪长岩；12-石英二长岩；13-石英二长闪长岩；14-石英二长闪长玢岩；15-石英闪长岩；16-石英闪长玢岩；17-闪长岩；18-玄武岩；19-背斜；20-倒转背斜；21-向斜；22-倒转向斜；23-压性断裂；24-压扭性断裂；25-断裂；26-复合断裂；27-铁矿床；28-铜矿床；29-铁铜矿床；30-铜铁矿床；31-金铜矿床；32-铜钼矿床；33-钨钼矿床；34-铅锌银矿床；35-铜钨钼矿床；36-地质界线；37-不整合界线；38-岩相界线Fig.1　Simplified regional geological map of southeastern Hubei Province

铜绿山铜铁矿床处于铜绿山小岩体内“捕虏体”中，岩体接触带西有鸡冠咀和桃花咀、北有鲤泥湖、东北有石头咀等矿床。

矿区内地层在岩体内呈残留状态，主要有三叠系下统大冶组、三叠系中下统嘉陵江组、白垩系下统大寺组和第四系。与成矿关系密切的为大冶组、嘉陵江组碳酸盐岩地层。矿区构造由北西西向(近东西向构造的偏向)与北北东向的褶皱断裂叠加交切而成，北北东向构造强烈，成为矿床的主体构造型式(图2)。矿区岩浆岩主要为阳新杂岩体西北端之铜绿山岩株体，其主体岩性为石英二长闪长玢岩。围岩蚀变主要有硅化、透辉石化、金云母化、钠化、绿帘石化、碳酸岩化，钾长石化等，其中钠化与铁矿化，钾化、硅化与钼矿化，钾化、碳酸岩化与铜矿化关系密切。区内现已发现13个铜铁规模矿体，Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅷ为主矿体，Ⅱ、Ⅴ、Ⅺ、Ⅻ等为次矿体。除Ⅸ号矿体外，分布范围南北长2 100 m，东西宽600 m，面积约1.2 km2。矿体的分布主要受北北东、北东东向2组构造控制，排列成2个带。其中北北东向矿体沿北22°东延伸，为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅺ、Ⅻ、Ⅷ号矿体；北东东向矿体沿北68°东方向延伸，有Ⅹ、Ⅷ、Ⅶ、Ⅸ号矿体，这些矿体规模小，分布零星，互不连续(图2)。上述矿体在剖面上呈透镜状或似层状，主要赋存于石英二长闪长玢岩与大理岩的接触带上，其次赋存在接触带附近的大理岩层间，极少赋存于接触带附近的岩体内。因此，接触构造是该矿床矿体连接与对比的主要依据。各矿体长一般为200～520 m，延深较大，一般为105～650 m，局部可达-1 000 m以下。Ⅲ号矿体在-820 m以下，Ⅷ号矿体在-1 200 m以下仍未尖灭。

图2　铜绿山铜铁矿床地形地质简图(图例同图1)Fig.2　Geological sketch map of the Tonglvshan copper-iron deposit(see figure 1 for legends)

根据铜绿山铜铁矿物共生关系和矿物包裹体资料，矿床是在很长时间和很大温度变化范围内以及在多次热液活动下形成的。成矿作用比较复杂，具有多期、多阶段的特点。成矿作用的过程可划分3个成矿期，5个成矿阶段：矽卡岩期，硅酸盐阶段；高中温成矿期，高温氧化物磁铁矿阶段、高中温石英-硫化物成矿阶段和中低温碳酸盐硫酸盐阶段；表生作用期，氧化淋滤、次生富集阶段。

2　原生晕数据体构建与剖面切割

2.1地质体三维建模

为在三维空间中发现元素空间分布规律及其与地质体之间的关系，建立地质体三维模型作为地球化学原生晕数据体的支撑。

依据铜绿山铜铁矿矿区勘探线剖面图进行地质体三维模拟，为深部盲矿的预测提供三维可视化平台(图3)。

图3　三维地质体模型构建过程与地质体模型示意图Fig.3　Construction process of 3D geological body model and sketch of the model

2.2原生晕数据体构建

步骤如下。

(1) 根据现有地质资料，结合矿体的形态、走向、倾向和空间分布特征，确定了南北长2 280.25 m、东西宽1 882.69 m、垂高为1 767.37 m的矿区预测空间范围，并将该范围进行三维立方体化。

(2) 以立方体单元块填充预测空间范围(行×列×层为10 m×10 m×10 m)，模型共有1 746 383个单元块，并将钻孔原生晕地球化学元素数据赋予相应空间位置的小立方体。

(3) 以赋值小立方体为基础，应用空间插值算法(本次研究采用距离反比加权)对空值小立方体进行插值，根据矿体的形态、走向、倾向和空间分布特征确定搜索方向，根据勘探线剖面之间的距离、剖面采样数据的分布确定搜索半径为200 m，建立椭球体进行空间约束插值。

(4) 根据小立方体中元素含量值的数值变化赋予颜色谱系，使原生晕数据体得以直观显示(图4)。

图4　Cu元素数据体三维模型Fig.4　3D data model of copper element

图5　Cu元素立体数据体模型Fig.5　Stereo data model of copper element

2.3原生晕剖面切割

为更清楚地反映元素在垂向和横向上的变化规律，取典型位置进行剖面切割。为更好地分析元素的空间分布规律，垂向剖面切割以勘探线地质剖面为基准进行剖切，横向剖面参考勘探线间距取100 m，垂向切割剖面效果如图5，切割剖面效果如图6。通过对剖面上的数据进行分析，可以得到元素的剖面分布规律(图7)。

3　原生晕分散模式及原生晕找矿标志

3.1原生晕组合

矿床原生晕是在矿石结晶沉淀作用过程中与矿体同时在围岩中形成的一种原生分散模式，原生晕方法是通过发现和研究这种原生分散模式进行找矿的一种手段。了解矿区元素垂向原生晕分带特征，对热液矿床的空间元素富集状态具有重要的指示作用，可以有效地把握深部含矿性，指导深部找矿预测。选择Cu、Au、Pb、Zn、Ag、W、Mo、Bi、Mo、As、I、Hg 12个元素作为指示元素。

根据各微量元素的异常强度随深度的变化，总结出如下规律。

As、Pb、Ag、Hg：浓集中心分布于矿体投影范围的上部，其中Ag在-800 m处的浓集中心可能是-800 m以下矿体的反映；Hg在-1 000 m深度的异常可能是隐伏矿体的反映。

Cu、Au、Zn：异常范围反映了矿体空间赋存位置，其中Cu是最直接、最重要的直接指示元素；Zn强异常出现指示有高温氧化物成铁阶段，其与Cu元素晕律叠加出现时，指示可能形成铜铁矿体。

Bi、Mo、W：其中W、Bi的异常主要分布于矿体下方，为尾晕特征指示元素；在矿体深部Mo的高异常可反映中—高温硫化物阶段Cu、Mo成晕的叠加部位。

Sr的高异常可指示大理岩接触带的形态。

通过异常强度与围岩、矿体、蚀变带、成矿温度以及元素迁移速度等的对比，可总结出矿床前缘晕、近矿晕、尾晕的指示元素组合：

前缘晕素组合：As、Pb、Ag、Hg、I；

近矿晕元素组合：Cu、Au、Zn；

尾晕元素组合：Bi、Mo、W；

围岩指示元素：Sr。

3.2矿体原生晕的分带序列分析

通过计算剖面线金属量及分带指数得到剖面原生晕的分布规律(图8)，并总结矿体的轴向分带序列，仍以4线为例进行说明。

由此可总结出4线的矿体原生晕分带序列：(Mo、Cu)-Au-(Pb、Hg)-I-As-Sr-Bi-Ag-Zn-W。

可以明显看出：矿体上部既有近矿晕、前缘晕元素，也有尾晕元素；矿体下部也出现有前缘晕元素和尾晕元素并存的现象。说明矿体在不同成矿阶段的矿化叠加复杂，也表明深部具有较大的成矿潜力。

3.3原生晕找矿标志

(1) 主成矿元素Cu的异常分布是最直接的找矿标志。

(2) 在主成矿元素强富集的同时，前缘晕指示元素显示强异常，尾晕元素弱异常，则有可能指示深部有盲矿存在。

(3) 前缘晕与尾晕共存，指示深部还有盲矿存在，若在矿体中、下部出现，则指示矿体向下延伸很大。

4　深部盲矿预测

根据原生晕找矿标志，结合地质找矿标志在4线确定了2个找矿靶位(图9)，分别为4-Ⅰ和4-Ⅱ，以下对确定的2处靶位加以说明。

图8　4线各元素空间分布规律示意图Fig.8　Spatial distribution rules of each element along the prospecting line No.4

图9　4线靶位预测图Fig.9　Profile showing targets prediction along the prospecting line No.4

靶位4-Ⅰ：位于背斜核部附近偏西钻孔CK254下方深度200～400 m处。Cu数据体显示异常强度较弱，范围较宽；Fe数据体显示异常强度强，前缘晕元素(Ag、As、I、Hg、Pb)、近矿晕元素(Au、Zn)、尾晕元素(Bi、Mo、W)共存。该处位于地层嘉二，下方出现岩体接触带与成矿断裂复合、交叉部位，处于岩体附近，易形成矿体，处于61号断层下盘、背斜核部西翼，钻孔CK166已见铜矿，CK167已见钼矿，目前无工程控制，但深部应有铜盲矿体存在。

靶位4-Ⅱ：位于隐伏大理岩接触部位，空间位置为-1 200 m处，邻侧ZK406孔见矿体较富，Cu、Fe数据体显示异常强度较强，前缘晕元素(Ag、As、Hg、Pb)、近矿晕元素(Au、Zn)、尾晕元素(Bi、W)共存。该处位于大理岩接触带及断裂构造、11号断层下盘、背斜东翼，属于Ⅷ号主矿体的延伸端。

5　结　论

(1) 三维原生晕矿产预测方法可以作为原生晕地球化学的有效补充，在深部矿产预测中，将三维可视化建模技术与原生晕方法相结合是一种增强深部矿产预测的有效方法。

(2) 根据湖北铜绿山铜铁矿三维原生晕地球化学分散模式和地质找矿标志的总结，对矿区深部进行了盲矿预测。按勘探线分别预测，共圈定成矿有利靶位22个。部分靶位在矿区的勘探中得到验证，证明原生晕三维数据体模型对矿山找矿勘探具有指导作用。

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Deep mineral resources prediction based on primary halo geochemistry using 3D data modelling technique

LIU Bingli1,2, Guo Ke1,2, Li Cheng1,2, WANG Lu1,2

(1. Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, Sichuan, China; 2. Geomathematics Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610059, Sichuan, China)

This work discussed the use of primary halo gechemistry in deep mineral exploration. A 3D primary halo exploration method was built by three dimensional modeling technique. With this method, 22 prospecting targets were delineated in Tonglvshan copper-iron deposit of Hubei Province, and some targets have been verified in practical exploration. It is suggested that 3D data volume model based on primary halo geochemistry is effective in deep mineral exploration.

primary halo; 3D data volume model; deep mineral exploration; Tonglvshan copper-iron deposit; Hubei Province

10.3969/j.issn.1674-3636.2016.03.403

2016-08-04；

2016-08-19；编辑：侯鹏飞

国家自然科学基金资助项目(41272363)，中国地质调查局项目(12120114002001)，四川省教育厅资助项目(KJ-2015-14)，四川省科技计划项目(2015SZ0199)

柳炳利(1981—)，男，讲师，博士，主要从事数学地质研究工作，E-mail： liubingli-82@163.com

P612； P628

A

1674-3636(2016)03-0403-07