三维地质建模在矿床成矿规律研究和找矿靶区预测中的应用

李成文,孟贵祥,薛融晖,祁光,孙江华,王义郡,何建喜

摘  要：通过三维地质建模开展了萨尔朔克矿区成矿规律研究，实现深部找矿靶区定位预测，并依托矿山勘查进行验证。研究采用Geomodeller三维建模软件创建矿区三维地质模型，在建模过程中逐步发现了前期对矿区地质认识中存在的诸多问题和错误，有利地促进了矿区成矿规律的研究。通过建模发现矿区存在上、下两个储矿空间（矿囊），宏观上呈串珠状分布，证实“成矿-储矿通道”的存在，验证了火山通道相成矿、赋矿的推论，从而预测了+800 m水平标高以下可能存在的隐伏矿化蚀变带的空间形态及大致位置，并通过生产勘探得到验证。因此，认为采用Geomodeller三维建模软件创建矿区三维地质模型可为矿区成矿规律研究和深、边部找矿靶区定位预测提供有利的技术支撑。

关键词：萨尔朔克;Geomodeller;三维地质建模;找矿靶区定位预测

三维地质建模是一项集地质统计学、空间分析、空间约束、三维可视化技术为一体，基于数据信息分析、整合多种学科的一门合成学科，其实质是运用计算机技术将地质、地球物理、地球化学、工程地质等成果资料及各种解释结果与概念模型综合生成三维可视化模型，服务于地质研究。当前，三维地质建模有兩个主要作用：一是为数值模拟提供基础模型;二是用于矿产资源在开发利用阶段的整体评价、综合研究和成矿预测。

西方发达国家地质调查机构已积累一大批不同尺度的三维地质框架模型。三维地质建模已在水资源勘探与保护、矿产资源评价、地质灾害防治、能源的获取与存储、土地规划与利用、市政工程与基础设施建设、核废料处置与二氧化碳存储、基础地质研究等众多领域得到了广泛应用[1]。近年来，中国地质调查局加强了三维地质建模技术、可视化技术方面的研发力度，并在城市地质、深部探测等领域广泛推广。同时，三维地质建模在矿产及国土资源开发利用阶段的地质研究中起到了突出作用。

阿舍勒矿集区三维地质建模及相应研究起步较晚。其中，阿舍勒矿区三维地质建模及研究起步于2000年，2018年达到高峰期。早期研究方向主要是矿床三维模型、矿体模拟及资源评估[2-3]，近期主要基于surpac和GeoModeller建模的研究，在地质数据库构建、成矿预测方面取得了一定成果[4-7]。

较早前，萨尔朔克矿区利用Digital Mine软件创建了矿区三维模型，对矿区地物、已探明矿体分布特征等有了较为详尽的刻画，在顺应绿色矿山建设方面起到了一定作用。该类模型是基于矿区现有地质剖面图、断面图、已圈定矿体直接圈连、勾画的三维模型，既无空间约束和概念模型制约，亦无地质体延伸拓展、预测功能，仅在矿体的三维可视化方面有所展现，在找矿勘查和成矿预测方面未起到实质性作用。当前，矿山企业的主要需求是扩容、增储，需在成矿规律研究和深、边部找矿靶区定位预测方面获得突破，因此全新的矿区三维地质预测模型具有现实意义。本次研究采用Geomodeller三维建模软件创建矿区三维地质模型，以期达到成矿规律研究、实现深部找矿靶区定位预测的目的。目前已通过构建三维地质模型，并依托矿山勘查获得验证，发现了深部矿体。

1  地质概况

1.1  区域地质背景

萨尔朔克铜金多金属矿床位于新疆哈巴河县正北约40 km处，南距阿舍勒铜锌矿床正北约6 km（图1）。矿床位于阿尔泰增生造山带南缘西段阿舍勒泥盆—石炭纪火山沉积盆地北东部。阿舍勒铜锌矿床和萨尔朔克铜金多金属矿床均位于南阿尔泰Cu-Pb-Zn-Fe-Au-RM-U-白云母-宝石成矿带阿舍勒Cu-Au-Pb-Zn矿带内[12]。阿舍勒Cu-Au-Pb-Zn矿带内主要产出与泥盆纪海相火山岩有关的铜锌、铜金多金属矿床及矽卡岩型铜矿（化）点[8-10]。

阿舍勒泥盆—石炭纪火山沉积盆地出露下泥盆统康布铁堡组、下—中泥盆统托克萨雷组、中泥盆统阿勒泰组、中—下泥盆统阿舍勒组、上泥盆统齐也组、下石炭统红山嘴组[7]，二叠纪经历了区域变质作用[13]。其中，中泥盆世阿舍勒旋回晚期酸性火山岩和潜火山岩具较强烈的黄铁绢英岩化蚀变，与阿舍勒铜锌矿床和萨尔朔克铜金多金属矿床密切相关，为本区主要含矿层位，构成矿体的直接围岩。阿舍勒矿集区内几乎所有的重晶石及黄铁矿型、VMS型铜多金属矿床、矿点均赋存于该层位中[8，10，12-15]。

1.2  矿区地质

萨尔朔克矿区分布有中泥盆统阿舍勒组、上泥盆统齐也组和下石炭统红山嘴组（图2）。其中，中泥盆统阿舍勒组上段酸性火山岩建造是本区最重要的赋矿层位[10，15]。阿舍勒组上段酸性火山岩具明显面型蚀变分带特征，外围为绢云母化、绢英岩化，中部为次生石英岩化，内部为黄铁绢英岩化（富含金属硫化物，赋矿层），局部重晶石化。矿化蚀变专属性较强，仅分布于酸性火山岩中，常伴随流纹-英安质同成分角砾岩化。（隐爆角砾岩？），火山通道相特征明显。酸性火山岩明显吞食、熔蚀、交代改造阿舍勒组中段中-基性火山岩和碳酸盐岩围岩，造成围岩局部大理岩化、矽卡岩化、磁铁矿化、黄铜矿化。

2  三维地质模型创建

2.1  建模方法、原理

萨尔朔克矿区采用GeoModeller三维建模软件及使用作业指导书创建三维地质模型。该软件是一款基于地质统计学、地质概念模型、空间约束、空间定位分析、三维可视化技术的地质-地球物理应用软件[16-21]。GeoModeller地质概念模型就是地质原理、地质定理（公理），其内涵主要包括地质体的空间分布、空间占位先后关系、叠覆关系和占位体量。空间约束是基于地质概念模型对地质体空间分布和占位的约束;空间定位分析是对地质体空间分布和占位的模拟。空间约束和空间定位分析的基础是建立正确的已知地质信息和地质概念模型。

GeoModeller工作原理是基于地质原理（定理、公理）、正确的已知地质信息等空间约束条件，通过空间分析技术（以克里金插值法为主）推演（反演）地质体、矿体的三维延伸趋势和空间形态，并通过三维可视化技术提供三维可视化地质模型，有效服务于找矿靶区预测、目标地质体整体评价[16-21]。

2.2  创建数据库

三维地质模型创建之前首先要创建数据库，即要进行大量数据（图片和表格）的录入，数据包括地表地质图、水平断面图、剖面图及钻孔、探槽、坑道等，录入的主要信息是地质界线、产状、接触关系、时序层位关系和已知地质体、地质界线、产状的空间位置等，重点是钻孔及揭露地质体的表格化数据[16-21]。要求录入的已知地质信息要尽可能丰富、准确，错误的地质信息可导致建模失败。

为完成萨尔朔克矿区三维地质建模，研究中收集、整理并录入了大量已有地质资料;同时还开展了矿区岩相-岩性填图及地质图修测、重新对钻孔调查进行编录等工作。本次录入钻探资料涉及91个钻孔，总进尺约42 000 m。

2.3  创建地质概念模型

模型创建之前还需创建地质概念模型，即建立合理可行的地质柱（Stratigraphic Pile）。地质柱包含建模区地质单元及空间占位形式（空间占位先后关系、叠覆或接触关系）。违反地质规律的地质柱和错误的地质信息将导致建模失败，GeoModeller在运算过程中拒绝错误的地质分组、地质层序、叠覆或接触关系，也拒绝严重错误或显著对立的地质信息[16-21]。因此，建模的关键点、难点和重点是地质概念模型的创建（即对建模区地质认识的归纳和地质单元的合理划分）;如何合理有效地划分、归并大量而庞杂的已有地质信息、对已知地质体（地质单元）进行正确的归类分组是建模的关键点。

地质分组过于简单，将无法获得有效的、接近实际的地质模型和找矿预测模型;分组过于复杂，则模型数据计算量巨大，相应的错误数据量也会增多，造成建模难以成功;信息越少，分组越少，越容易创建模型，但生成的模型也越偏离实际，导致模型只有象征意义，无综合研究和找矿预测意义。因此，地质单元归类、分组需要反复试验。

本次针对阿舍勒矿集区各类岩矿石进行了多达9次归类分组试验。归类分组方案均基于岩石组合、已知接触关系、前人地层单位划分等，最终只有第9套归类方案获得成功。该方案是据同位素测年成果和本次调查获得的最新接触关系证据，重新划分了齐也组和阿舍勒组，并确认了阿舍勒组上段酸性火山岩以侵入体形式空间占位后才获得成功的，在工作中需摆脱传统地质认识中对火山岩归类认识的思想束缚（图3）。

需要说明的是在本次地质概念模型创建过程中，矿体和各类与岩浆成矿有关的蚀变岩、侵入体及与火山机构有关的酸性火山岩均按侵入、侵蚀空间占位形式处理。

2.4  创建地质模型

创建完成的萨尔朔克矿区三维地质模型见图4。经与已知剖面、水平断面、钻孔、探槽及坑道资料进行对比、拟合，确认本次创建的萨尔朔克矿区三维地质模型总符合率达90%～95%，达到了预期目的和效果。归纳总结GeoModeller三维地质建模的具体流程见图5。

2.5  GeoModeller建模特点

通过萨尔朔克矿区三维地质模型的创建，总结GeoModeller三维建模软件的特点和优势为：①该软件具强大的逻辑性和推理性;②具明确的靶区预测能力，对特定区域（矿区）的综合研究和找矿靶区预测有帮助;③要求建模工作者须遵守基本地质规律，熟知工作区地质规律、地质特征。通过工作区地质概念模型的探索，重新认识已有地质信息的局限性、可靠性、合理性，并重新认识工作区的地质特征、地质规律、成矿规律。通过地质概念模型的创建和模拟，发现前期认识中存在的错误和不足，并加以改正。这就是该软件与其它三维建模软件相比最大的不同点和优势。创建三维地质模型并修改、完善的过程就是综合研究的过程;④具有强大的三维可视化功能。可从任意角度进行观察，并可从任意水平面和任意方向的垂面截取断面图。

3  建模成果

通过矿区三维地质模型的创建，纠正、更新了对萨尔朔克矿区地质规律的传统认识，发现了新的地质规律。

（1） 通过矿区三维地质模型创建，查明了矿区浅部和深部矿体的矿化蚀变及分带规律，发现铜、铅锌多金属矿化与酸性火山岩、次火山岩及其黄铁绢英岩化、绢英岩化、次生石英岩化自蚀变相关，面型蚀变分带特征非常明显（图6）。矿化蚀变分带由内向外依次为：矿体→黄铁绢英岩→（弱黄铁绢英岩化）英安斑岩→次生石英岩→绢英岩、绢云母岩→英安岩、流纹岩→安山玄武岩及其碎屑岩（图6）。

（2） 通过萨尔朔克矿区三维地质模型的创建和阿舍勒矿集区地面调查取证，查明了萨尔朔克矿区各类地质体的空间分布形态及规律。由三维地质模型发现：①流纹岩、英安岩及流纹英安质火山碎屑岩、碎屑熔岩等酸性火山岩（阿舍勒组上段）呈侵入体形式侵位于中基性火山岩及碎屑岩（阿舍勒组中段）中，并对围岩造成一定程度的改造（吞食、熔蚀、交代、机械混合）;②由矿体、矿化体及酸性火山岩及自蚀变（黄铁绢英岩化、绢英岩化、次生石英岩化）赋矿围岩共同构成了囊状、串珠状储矿空间（矿囊），其空间分布特征明显与火山颈、火山通道相成矿机制相吻合;③无论深部还是浅部，矿体均呈不规则分枝复合状、似层状，但存在明顯的主干，具多层楼分布特征;④矿体与黄铁绢英岩化蚀变和黄铁绢英岩密切相关，绝大部分矿体分布于黄铁绢英岩中（也有很少量矿体分布超出黄铁绢英岩的范围，表明部分矿体的形成晚于黄铁绢英岩），矿体和黄铁绢英岩构成了矿囊核心，而英安岩-流纹岩、绢英岩-绢云母岩、次生石英岩则构成了矿囊外壳。

4  找矿靶区定位预测

通过萨尔朔克矿区三维地质建模，实现了矿区深、边部找矿靶区定位预测。

（1） 通过矿区三维地质模型预测，+400～+800 m水平标高段存在第二储矿空间（即第二矿囊）（图7），通过坑道钻探施工得以验证，发现了铜、铅锌工业矿体。

（2） 通过矿区三维地质模型NW向图切剖面发现，矿体、矿化带由NW向呈“S”型分布。矿化带上部向北西侧伏，中部向南东侧伏，下部再向北西侧伏。因此，主采区北西侧深部（+250 m水平标高以下）可能是进一步找矿的有利靶区。

（3）通過矿区三维地质模型SW向图切勘探线剖面和NW向图切剖面可见，矿区明显存在上、下两个储矿空间（矿囊），宏观上呈串珠状分布，间接证实矿区内成矿储矿通道（火山通道）的存在（图7）。因此，推断+250 m水平标高以下仍然存在第三个、甚至第四个矿囊的可能性。通过矿区三维地质模型，定位矿区北东侧、北西侧深部+250～-600 m水平标高段为当前找矿有利靶区。

5  结论

（1） 三维地质建模在矿区深、边部找矿靶区定位预测和综合研究方面是一种全新的探索。通过本次萨尔朔克矿区三维地质建模，实现了矿区深、边部找矿靶区定位预测，并大幅提高了对矿区乃至阿舍勒矿集区地质规律、成矿规律的认识。

（2） 本次建模工作成功定位预测了+400～+800 m水平标高段第二矿囊的存在，并通过生产勘探得以验证，在该矿囊内发现了铜、铅锌工业矿体。得益于本次建模和综合研究成果，2021年度矿山企业针对+450～-600 m水平标高段部署了深部勘查工作。

（3） 通过本次研究发现，GeoModeller可帮助重塑矿区（矿床）各类地质体空间分布特征和规律，及时纠正既有地质认识中的错误、缺陷和不足，从而成为地质科研工作者的好帮手。因此，建议在矿床（矿区）综合研究过程中推广应用GeoModeller进行三维地质建模。

（4） GeoModeller可作为矿山地质动态检测的工具，其实际意义在于可随时更新、随时预测靶区位置，指导找矿勘查工作。

致谢：匿名审稿专家和孟贵祥研究员对本文提出了很多非常宝贵的意见，杨成栋博士帮助完成了本文稿的译文并提出了修改意见，在此表示衷心的感谢。野外调查工作得到了新疆鑫旺矿业有限公司、新疆地质矿产勘查开发局第二地质大队等单位领导和同仁的大力支持和帮助，在此表示诚挚谢意。

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Application of 3D Geological Modeling in Study of Metallogenic Regularity and Orognosis Ore-Prospecting Targets--Taking Sarsuk Deposit as an Example

Li Chengwen1，Meng Guixiang2，Xue Ronghui2，Qi Guang2，Sun Jianghua1，Wang Yijun3，He Jianxi1

（1. No.2 Regional Geological Survey Team，Bureau of Geology and Mineral Resources Development of Xinjiang，

Chang ji，Xinjiang， 831100，China;2. Xinjiang Xinwang Mining Co.， Ltd，Habahe，Xinjiang， 836700，China）

Abstract：This paper aims to carry out the study of the metallogenic regularity of the Sarsuk deposit through 3D geological modeling， realize the locating prognosis of deep ore-prospecting targets， and verify it rely on the mine production and exploration. The 3D geological model of the mining area was created by the Geomodeller 3D modeling software. In the process of modeling， many problems and errors in the early understanding of the deposit geology were gradually discovered， which greatly facilitated the comprehensive study of the metallogenic regularity of the deposit. Through modeling， it is found that the metallogenic regularity is obvious： there are upper and lower ore storage spaces （ore pockets）， which like a string of beads in the macroscopic distribution. The existing of “ore-forming and ore-preserving conduits” was confirmed， and the inference that mineralization was formed and hosted in the volcanic conduit facies was warranted. Thereby the spatial shape and approximate location of the concealed mineralization-alteration zone that may exist below the +800-meter level was predicted， and it has been verified by production and exploration. Therefore， it is believed that the use of Geomodeller 3D modeling software to create a 3D geological model of a deposit can provide favorable technical support for the study of metallogenic regularity and the locating prognosis of deep and marginal ore-prospecting targets. The results of this 3D geological modeling were fruitful and achieved the expected goals.

Key words： Sarsuk;Geomodeller;3D geological modeling; locating prognosis of ore-prospecting targets