山东招远夏甸金矿深部三维成矿可视化定位预测

李洪奎，毛先成，汤磊，陈国栋，张玉波，梁太涛

(1.山东省地质科学研究院，国土资源部金矿成矿地质过程与资源利用重点实验室，山东省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室，山东 济南 250013；2.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410012；3.招金矿业股份有限公司，山东 招远 266009)

胶东地区是我国金矿开采最早、最著名产区，是中国最主要的金矿资源和生产基地。胶东采金历史悠久，从唐朝开始开采至今，已经延续了一千多年，采出的黄金总量巨大[1]。中华人民共和国成立后，尤其是近几十年胶东地区金矿经过大规模开采，已探明的“浅、富、优”金矿资源已近枯竭，向深部要资源是解决矿山企业严重资源短缺的不二选择。但深部金矿资源探采存在有“难探、难采、高成本”的多重因果叠加，对传统的地质勘探、采矿、选矿、加工、环境等科学技术提出了巨大的挑战。国内外已有矿山的勘探开发经验表明：矿山深部存在巨大的资源潜力，但是深部潜在资源的寻找仍然面临着巨大的困难和风险，这是由老矿山具有勘探开发程度高、预测评价及找矿向深部三维空间发展、矿山生产对物化探异常信息产生干扰等固有特点所决定的[2]。招远夏甸金矿自20世纪70年代开采至今已有近50年的历史，矿山金矿资源储量不足与开采年限形影相伴，边探边采一直是近十几年来矿山面对的首要问题。近十几年来作者在胶东地区开展了多个金矿深部找矿预测的探索性研究项目，同时针对夏甸金矿承担了国家自然科学基金“山东招远-平度断裂带夏甸金矿深部成矿特征研究(编号4157021048)”、与中南大学合作开展了“招平断裂带中段深部金矿成矿理论、找矿方法与成矿预测(编号2017CXGC1605)”，以夏甸金矿田为研究对象，引入三维地质建模(3DGM)及三维可视化技术[3-4]，研究探索隐伏矿体预测的三维化、定量化及可视化技术，重点突破了复杂地质体三维形态分析、控矿地质因素场模拟、成矿信息三维定量提取等关键技术，初步形成了隐伏矿体三维可视化预测的方法[2]。该文以招远夏甸金矿田-3000m以浅为工作目标，研究夏甸金矿各种地质体之间的相互关系和矿体产出形态，建立三维立体模型，依据成矿规律及地质、物化探信息推断深部金矿有利的成矿空间，提取成矿信息，进行成矿预测，圈定成矿靶区，为开展深部找矿提供依据。

1 成矿地质背景

招远夏甸金矿床地处华北板块与苏鲁造山带二个一级大地构造单元结合部位之胶北隆起区(图1)，区内以前寒武纪结晶基底为主，盖层不发育。基底有太古宇、元古宇，在断陷盆地内有中生界和新生界分布[5-6]。区内NNE、NE断裂十分发育，NW、EW向断裂次之。岩浆岩有新太古代TTG岩系、震旦期片麻状二长花岗岩系列，三叠纪岩浆杂岩、侏罗纪玲珑花岗岩、早白垩世郭家岭花岗闪长岩-花岗岩、伟德山长岩-花岗闪长岩-花岗岩、崂山碱性花岗岩等发育，呈岩基、岩株产出[7-12]。

1—太古宙TTG+表壳岩；2—元古宙变质表壳岩；3—高压—超高压变质带；4—三叠纪岩浆杂岩；5—侏罗纪玲珑侵入岩；6—早白垩世郭家岭侵入岩；7—早白垩世伟德山侵入岩；8—早白垩世崂山侵入岩；9—白垩纪沉积—火山沉积岩系；10—新生代沉积-火山沉积岩系；11—主要地质界线；12—主要断裂；13—大、中型金矿图1 夏甸金矿区大地构造位置图

夏甸金矿床位于沂沭断裂带东侧并与之呈10°～15°交角的低序次同生的招远-平度断裂带(简称招平断裂)内。招平断裂带是胶东地区规模最大的一条金矿控容矿断裂带，本质上它是玲珑花岗岩与胶东基底岩系的接触带，并在接触带基础上承生发展起来、其后经多期次构造叠加的一组断裂构造之组合。夏甸金矿床主要产于招平断裂带下盘的玲珑花岗岩体中，在其上盘的前寒武纪结晶基底岩系中亦有少量分布，为一典型的破碎带蚀变岩型金矿床。矿体的分布受断裂构造控制，总体走向45°，倾向SE，倾角45°左右，沿走向或倾向呈波状延展。目前认为以清晰明显辨认、连续而稳定的断层泥作为主断面，其厚在0.2～1.5m之间，而主断面上、下两盘均发育构造蚀变岩。主断面以下构造蚀变岩依次出现黄铁绢英岩带、黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩带和黄铁绢英岩化花岗岩带，各带之间呈渐变关系。带内蚀变有黄铁绢英岩化、红化、碳酸盐化等，在绢英岩中有大量细小石英网脉，造成强烈硅化[13-14]，金属硫化物(主要是黄铁矿)以脉状、团块状、浸染状赋存于含矿构造带及蚀变围岩中。

矿区范围内共圈定Ⅰ,Ⅱ,Ⅴ,Ⅶ等矿体群，大小28个矿体。矿体主要赋存于招平断裂带主裂面下盘80m范围内的黄铁绢英岩化碎裂岩及黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩中，呈脉状、似层状，沿走向及倾向呈舒缓波状展布，具分枝复合、尖灭再现特征(图2)。单矿体长40～720m，倾斜延深354～1200m，厚度0.56～10.50m，金矿品位(1.52～67.83)×10-6，平均4.57×10-6，矿石类型为含黄铁绢英岩化碎裂岩型。据成矿物质沉淀时序可分为Ⅰ黄铁矿化-绢英岩化、Ⅱ石英-磁黄铁矿-中粗粒黄铁矿、Ⅲ石英-黄铁矿-微细粒黄铁矿、Ⅳ石英-多金属硫化物和Ⅴ石英-碳酸岩等5个成矿阶段，其中Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ为金的主要富集成矿阶段[13-15]。

2 深部成矿构造的三维重建

开展深部地质构造研究要综合利用多种物探手段进行约束，来推断目标地质体的形态，最终形成三维地质的模型。采用地质、地球物理、地球化学、钻探等多种方法和手段，结合地震、重力、大地电磁、构造化学等多源信息，获取深部地质体的形态、结构及其相互关系等构造信息，在多层次、多精度和多耦合性的条件下，进行深部地质构造过程的重新构建，并以三维地质建模和可视化软件为平台，建立地下不同深度、不同尺度的三维地质模型，为重大地质理论问题的解决、深部矿产预测等提供较为可能的深部信息。

2.1 深部构造重建的数据源

1—第四系；2—英云闪长岩；3—二长花岗岩；4—闪长玢岩；5—糜棱岩、断层泥；6—黄铁绢英岩化花岗岩；7—黄铁绢英岩化碎裂岩；8—金矿体及编号图2 夏甸金矿床535勘探线地质剖面图(据山东省第六地质矿产勘查院编绘)

用于深部地质构造建模的数据主要是各种类型的物探数据，包括地震勘探数据(地震剖面图或构造图)、重力勘探数据(重力等值线图)、大地电磁测深法数据(视电阻率剖面图等)。

共获得二维地震勘探地震剖面图4条、重力等值线图1幅、大地电磁和磁法勘探数据图件共76件，包括视电阻率剖面图5条，夏甸地区CSAMT、SIP法综合剖面图14条，夏甸、姜家窑地区视电阻率图7幅等。

2.2 深部地质构造的三维构建方法

为了适应缺乏深部可靠性数据的现状，在初始模型的基础上，结合已有的地震、重力和大地电磁等多源信息，推断深部的地质构造，根据深部物化探反演剖面及深部地质推断数据构建深部地质构造模型，三维建模工作流程如图3所示。

图3 深部地质构造三维重建流程图

夏甸矿区招平主断裂面深部地质构造三维模型是指通过人机交互的方式将高可靠性模型延伸至深度-3000m，构建成夏甸至姜家窑矿区5km的层级断层面。由于缺少深部勘探工程及可靠地质剖面，深部主断裂面推断主要依靠深部物化探解释剖面等深部二/三维地质调查、相关研究成果及已有地质知识。根据不同数据来源，主断裂线串可分为3类：勘探工程剖面推断线串、物探解译剖面推断线串、虚拟勘探剖面推断线串。对于深部地质构造三维重建，最关键是确定各剖面上地质构造在深部的产状与形态，只要能够确定它们，三维建模工作与其他地质体是类似的。

3 三维成矿信息提取

3.1 三维建模

利用计算机对与矿床形成和分布相关的各种地质体的几何形态和空间分布进行三维定量描述，即构成地质体三维建模。以各类地质数据为基础，通过将地质数据库转换成三维矿业软件的逻辑模式导入到软件中，建立矿床地质体的三维可视化数字模型。对招平断裂带夏甸金矿三维建模的具体流程如图4所示。

图4 地质体三维建模流程图

3.2 三维成矿信息提取

三维定量成矿信息表达的是三维地质空间中的矿化指标与找矿信息指标之间的定量关系，可以对招平断裂带中段分布的隐伏矿体进行定位定量预测。

矿化分布实际上是矿化指标在三维地质空间上的分布，描述这些指标的变量称为矿化变量。矿化变量包括单元金平均品位(Au)、单元金属量(AuMet)。

找矿信息指标描述了成矿信息的成矿有利度，反映了地质控矿作用在三维地质空间上的分布结果，描述这些指标的变量称为找矿信息变量。

因此，对夏甸金矿床进行三维定量成矿预测首先需要对研究区进行矿化空间分析和三维成矿信息提取，然后在此基础上建立三维定量成矿预测模型。由于成矿信息提取是一个繁复冗长的过程，涉及大量的人机数据交换及变量导出方法，故详细过程此不赘述。

3.2.1 数据处理信息表达

矿化空间分析是通过地质统计学方法对矿体金属量进行估算的前提和基础，通过该过程能确定估算中所需的各种参数，有利于更准确地估算矿体中的金属量。该金属量即构成隐伏矿体立体定量预测模型的一个重要的矿化指标。

矿化指标是对矿体进行定量评价的一个重要指标，通过定义及计算矿化指标值，将为隐伏矿体的立体定量预测提供保障。

矿体各种标志(如矿石品位、矿体厚度等)在空间上的变化既具有结构性又具有随机性[16-17]。通过样品数据统计分析，利用地质统计学的结构分析方法，构造出矿体标志的变异函数模型，研究矿体标志的空间变化的结构性特征[18-19]。

根据地质统计学的要求，为了保证统计参数是无偏估计量，参与统计的样品数据均应具有相同的支架或承载，在金属量和品位计算前，一般需要对取样数据进行预处理，包括样品组合处理和特高品位样品的处理。组合样样长的选取应以最少拆分原始取样长度为原则，根据不同矿区取样长度的分布规律进行组合。通过Surpac软件可以对各矿区内各矿体群样品数据进行基本的统计包括：样品数量、长度、最大长度、最小长度、均值、标准差和方差等，统计结果如表1所示。

表1 夏甸金矿区样品长度统计

为了确定本研究中各矿区样品品位的统计分布规律，需要将取样品位值绘成直方图。横轴为品位，竖轴为落入每一品位段的样品数占样品总数的百分比。从直方图的轮廓线形状可以看出品位大体上属于何种分布；从直方图在横轴方向的分散程度可看出取样品位的变化程度，在Surpac软件对样品进行处理，然后再进行基本样品统计生成经过对数处理的直方图(图5)。

图5 经过对数处理后样品品位分布直方图

3.2.2 夏甸金矿矿化空间分析

利用Surpac进行变异函数拟合，选择球状模型分别在走向、倾向和厚度3个方向上的最佳拟合结果如图6到图10所示。图6到图9是选定为主轴方向的变异函数曲线和方差图，图10是变异椭圆体示意图，所确定的理论变异函数的主要参数见表2。

从图6到图10的实验变异函数图和表2、表3变异函数拟合参数结果中大致可以看出，矿体矿化主方向的连续性较其他两个方向强，而厚度方向的连续性最弱。换言之，在该矿体内部，在矿体走向方向上品位变化程度较小，倾向方向次之，厚度方向上品位变化程度最大。由于计算实验变异函数只是运用变异函数理论或地质统计学方法时的一个开始部分，所以通常情况下还需要对矿体内部的矿化规律更进一步深入地分析，即进行各平面矿化投影等值线图的绘制和分析。

图6 夏甸金矿区主轴方向实验变异函数曲线图

图7 夏甸金矿区主轴方向实验变异函数方差图

图8 夏甸金矿区次轴方向实验变异函数曲线图

图9 夏甸金矿区矿体次轴方向实验变异函数方差图

块金值基台值变程方位(°)倾伏角(°)倾角(°)0.340.64149.55227.00069.61

表3 夏甸金矿田金样品变异函数椭球体各轴参数

3.3 三维定量预测

在Datamine软件中，将夏甸金矿区Ⅶ，Ⅱ号矿体群和夏甸北部金矿体的线框模型转换为规格为5m×5m×5m的块体模型，分别利用距离加权平方反比法和克立格法，计算了Ⅶ,Ⅱ号矿体群和道北庄子矿体的单元金平均品位、单元金属量和总金属量，生成块体模型如图11所示。

根据储量核实报告，Ⅶ，Ⅱ号矿体群和夏甸北部金矿体的矿石体积质量为2.86t/m3，计算单元金属量时矿石体积质量取此数据，5m单元金属量=平均品位×53×矿石体重。Ⅶ号矿体群最终结果中可以获得167658个5m单元的估算块体，估算总金属量为104.72t。Ⅱ号矿体群最终结果中可以获得2790个5m单元的估算块体，估算总金属量为2.03t。夏甸北部金矿体最终结果中可以获得54370个5m单元的估算块体，估算总金属量为19.99t(表4)。夏甸金矿田矿化投影等值线图如图11和图12所示。

表4 夏甸金矿田储量估算结果统计

图11 夏甸金矿田累积金属量三维投影等值线图

图12 夏甸金矿田累积金属量和矿体三维投影等值线图

4 金矿三维可视化预测

4.1 三维定量成矿预测模型

三维定量成矿预测模型的实现方法是建立在夏甸金矿田金矿区矿化指标与找矿信息指标之间的关联关系模型，对立体单元中的矿化指标进行预测研究[2,19]。在品位和金属量预测研究中，利用了迁移学习算法进行估值。

要对矿化指标与找矿信息指标之间的关联关系进行量化表达，因此，首先就需要确定参与建模的找矿信息指标。对于不同的矿化变量就有不同的找矿信息变量与其相对应。

矿化指标与找矿信息指标的关联关系，在数学上可以表达为找矿信息变量(找矿信息指标)空间到矿化变量(矿化指标)空间的映射。而矿化变量空间中的每个矿化变量均属于某个有界的实数域，故可以将这种映射看作为泛函，其函数化表达模型为MV=f(GV)，式中MV为矿化变量空间，GV为找矿信息变量空间[20]。该泛函关系可以通过多元回归等统计方法来实现函数化表达。

由成矿信息分析知，提取出的找矿信息指标与矿化指标具有显著的线性相关性，所以泛函模型MV=f(GV)可以实例化为普通的多元线性函数模型：

式中：MVk为MV中的矿化变量(Au，AuMet)，GVj为GV中的找矿信息指标，Bk0,Bk1,…,Bkp为线性函数的待求参数，ε为期望值为零的随机变量。参数Bk0,Bk1,…,Bkp可通过对GV和MV在地质空间控制区域中离散化单元的量化数据进行迁移学习获得。

4.2 夏甸金矿品位及金属量预测模型

首先，对夏甸金矿田的相关钻孔数据、样品数据和矿体数据进行整合和三维成矿信息提取，形成夏甸金矿田的已知单元数据库。然后，根据已知单元的断裂面距离场计算结果选出有利成矿的距离区间，对夏甸金矿田的主断裂模型进行缓冲区分析，筛选出用来预测的未知单元并进行三维成矿信息提取[21-22]，形成夏甸金矿田的未知单元数据库。

夏甸金矿田共有已知立体单元(25m×25m×25m)16059个，未知单元(25m×25m×25m)共有7614109个。基于已知单元和未知单元的找矿信息指标，采用迁移学习算法[23]，对夏甸金矿田构建了三维立体定量预测模型。

4.2.1 品位预测模型

与夏甸金矿田品位(Au)所对应的找矿信息变量如表5所示。

表5 夏甸金矿田品位与找矿信息变量对应

应用迁移学习算法求得的已知单元的品位的重加权因子统计结果如图13所示，建立的找矿指标和品位的线性回归模型结果如表6所示。

表6 夏甸金矿田品位与对应找矿指标的线性回归模型

4.2.2 金属量预测模型

与夏甸金矿田金属量(AuMet)所对应的找矿信息变量如表7所示。

图13 夏甸金矿田已知单元金品位(Au)重加权因子直方图(n=16059)

矿化变量对应的找矿信息变量AuMetddFV_AuMet,dwaFV_AuMet,dwbFV_AuMet,dgFV_Au-Met,dfP_AuMet,dfV_AuMet

应用迁移学习算法求得的已知单元的金属量的重加权因子统计结果如图14所示，建立的找矿指标和金属量的线性回归模型结果如表8所示。

图14 夏甸金矿田已知单元金属量(AuMet)重加权因子统计图(n=16059)

找矿指标参数回归系数Β06488.321712ddFV_AuMetΒ124.40227167dwaFV_AuMetΒ267.67965306dwbFV_AuMetB3165.2223967dgFV_AuMetΒ4142.1765179dfP_AuMetΒ51590.007744dfV_AuMetΒ62146.061368

4.3 预测成果与可视化表达

夏甸金矿田(共有7614109个预测单元)预测成果数据库中存放了所有品位大于2.0×10-6的已知预测品位大于工业品位的未知预测单元的矿化指标的预测结果(表9)，共有立体单元86295个，其中已知含矿单元3212个，预测含矿单元83083个。

表9 夏甸金矿田预测成果统计

注：“含矿单元”表示Au≥2.0(×10-6)，且AuMet>0(g)的立体单元。

夏甸金矿田预测数据库中的单元矿化指标(Au,AuMet)的预测估值结果可视化显示效果(图15、图16)[21-25]。

图16 夏甸金矿田金属量(AuMet)已知单元与预测单元模型效果图

4.4 夏甸金矿田找矿靶区圈定

在利用预测成果进行找矿靶区实际圈定时，考虑了4个圈定原则：①按最小体积最大含矿率的原则，确定找矿靶区的边界；②靶区尽量体现独立性的原则，即以矿田为规划预测单元；③以预测成果数据为基础；④尽量保持靶区形态的完整。在夏甸金矿田共圈定了2个立体找矿靶区，分别为Ⅰ号和Ⅱ号靶区(图17)。

图17 夏甸金矿田预测累积金属量和矿体三维投影等值线图

5 结论

(1)夏甸金矿床为一典型的破碎带蚀变岩型金矿床，赋存于招远-平度断裂带的中段招远夏甸一带，金矿床主要产于断裂下盘的碎裂状玲珑花岗岩体中，在其上盘的前寒武纪结晶基底岩系亦有分布。矿体的主要分布于主断面下盘80m范围内，黄铁绢英岩、黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩和黄铁绢英岩化花岗岩及其石英网脉共同构成矿体。据成矿物质沉淀时序可分为Ⅰ黄铁矿化-绢英岩化、Ⅱ石英-磁黄铁矿-中粗粒黄铁矿、Ⅲ石英-黄铁矿-微细粒黄铁矿、Ⅳ石英-多金属硫化物和Ⅴ石英-碳酸岩等5个成矿阶段，其中Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ为金的主要富集成矿阶段。

(2)利用区内已获得的4条二维地震勘探地震剖面图、1幅重力等值线图、76份大地电磁和磁法勘探数据图件等资料，采用地质、地球物理、地球化学、钻探等多种方法和手段，获取深部地质体的形态、结构及其相互关系等构造信息，并以三维地质建模和可视化软件为平台，建立地下不同深度、不同尺度的三维地质模型，通过将地质数据库转换成三维矿业软件的逻辑模式导入到软件中，建立矿床地质体的三维可视化数字模型。对夏甸金矿床进行三维定量成矿预测首先需要对研究区进行矿化空间分析和三维成矿信息提取，然后在此基础上建立三维定量成矿预测模型。

(3)在Datamine软件中将夏甸金矿区各金矿体线框模型转换为规格为5m×5m×5m的块体模型，分别利用距离加权平方反比法和克立格法计算了夏甸金矿矿体的单元金平均品位、单元金属量和总金属量，基于已知单元和未知单元的找矿信息指标，采用迁移学习算法，对夏甸金矿田构建了三维立体定量预测模型。

(4)对夏甸金矿田的7614109个预测单元在按照不同的吨品位进行了预测，指出了预测单元的矿化指标，共有立体单元86295个，其中已知含矿单元3212个，预测含矿单元83083个。对预测单元进行了可视化表达，圈定了Ⅰ号、Ⅱ号两个立体找矿靶区，明确了今后工作的优选区位。