招平断裂带台上-水旺庄段三维地质模型构建及矿体空间分布规律

王永庆，钮涛，杨真亮，李瑞翔，刘天鹏，张腾

(山东省第六地质矿产勘查院，山东 招远 265400)

0 引言

三维地质建模是指在各种地质勘探、物化探等原始数据基础上, 结合地质专家的知识和经验实现对地质体对象的解译,并以适当的数据结构建立地质体的三维数学模型,通过该模型来构建地质体的几何形态和特征属性,它是分析地质体空间分布规律并实现控矿因素定量提取的前提和基础[1]。计算机硬件性能的提高及计算机图形学技术、三维GIS技术和数据库技术的迅猛发展和日渐成熟[2-3]，为开展本次工作提供了技术上的保证。本文三维建模工作利用CreatarXmodeling三维地质信息综合研究平台，基于招平断裂带台上-水旺庄段勘查工程数据，采用人机交互的方式开展高精度大比例尺三维地质建模[4]。

招平断裂带台上-水旺庄段地质资料丰富，基础性地质调查、地质科研、地质找矿等工作比较系统全面[5-8]，已探明多处大型、超大型金矿床[9]，但以往地质资料大多以二维形式呈现，缺少系统的三维空间综合分析研究。本次三维地质建模工作，可以更直观地认识和了解主要地质体的深部形态、空间展布和矿体分布特征，为后续的地质调查、深部找矿、进一步生产开发等提供理论依据和直观、科学的信息支撑和服务。

1 地质概况

研究区位于胶东半岛西北部，区内地层主要有荆山群、粉子山群、蓬莱群、新近系、第四系等。区域侵入岩发育，主要有太古宙TTG岩系、中生代花岗岩及其内发育的脉岩群。区域的三山岛断裂、焦家断裂、招平断裂是主要控矿断裂，在3条断裂带内及其上、下盘次级构造中已探获金金属量近5000t。

招平断裂带总体走向50°～70°，倾向SE，倾角约40°，带宽一般40～300m，最宽达800m。该断裂向北分为破头青断裂和九曲蒋家断裂2个分支。破头青断裂总体走向60°，倾向SE，倾角28°～45°，平均33°，长5500m，宽30～330m，工程控制最大倾斜长3231m(未尖灭)，最大垂深1631m[8]。九曲蒋家断裂走向为33°左右，倾向SE，倾角23°～60°；出露走向长约6000m，宽8～460m，平均80m，已控制倾斜长4728m(未尖灭)，最大垂深2282m[10-12]。本次工作重点对招平断裂带北段进行研究，区内已探获了玲南、台上、坡头顶、李家庄-东风(东风171)、栾家河、水旺庄、李家庄、阜山东风等多个超大、大中型金矿床(图1)。

1—第四系;2—新近系;3—白垩系;4—蓬莱群;5—粉子山群;6—荆山群;7—双顶片麻岩套;8—霏细岩;9—伟德山花岗岩;10—郭家岭花岗岩;11—文登花岗岩;12—玲珑花岗岩;13—栖霞片麻岩套;14—压扭性断裂;15—性质不明断裂;16—焦家式金矿;17—玲珑式金矿;18—研究区范围图1 胶西北地区金矿区域地质图

2 三维模型构建及空间结构

2.1 三维模型构建

本次建模工作对区内玲南、台上、坡头顶、李家庄-东风(东风171)、栾家河、水旺庄、李家庄7个蚀变岩型金矿床以往开展的勘查资料进行系统收集，各矿区勘查程度高，均达到详查、勘探程度。合计收集勘查线剖面图148张，钻孔柱状图375张，根据钻孔资料完善地表～-4km勘查线剖面图33张。收集的资料使建模区形成了网格化工程控制，搭建的三维地质模型精度高，可利用性强。

地质数据库是开展三维地质建模的基础与前提，对支撑三维地质建模的数据(包括钻孔数据、剖面数据、等值线图、等厚线图等)进行加工处理，将二维资料转化为三维资料[13-14]。首先对原始剖面资料和地面高程数据进行坐标转换，建立统一的坐标系统。其次，提取三维建模的位置信息和属性信息。把剖面图中区文件转换为线文件，删除与建模无关的要素。线文件经过拓扑错误检查以后，转换为新的区文件，作为模型构建的基础数据，导入建模软件。建模范围：平面范围为玲南-水旺庄段金矿床范围，垂向为地表～-4000m标高。平面地质图比例尺为1∶1万，勘查线剖面图比例尺为1∶2000，水平控制网度为60m×60m，最小地质体/矿体厚度为0.1m。

三维地质体建模采用基于多源数据和多方法集成的模型构建策略。由于地质情况的复杂性和多解性等特点，针对地质模型构造不同的复杂程度，采用基于复杂地质体的交互建模的综合解决方案[15-18]。三维可视化实体建模主要包括矿床范围内地层、构造、岩体、围岩蚀变和矿化体5种实体模型。本次建模主要思路是利用轮廓线重构面技术，在相邻剖面之间用三角网连接三维实体表面而成。

建模的程序包括数据预处理，生成断层面，处理断层之间的接触关系，生成被断层撕裂的地层面，处理上下地层的交切关系，生成封闭地质体，将地表、构造、地层、岩体、矿体等多种类型的地质单元最终融合成一套地质模型(图2)。

图2 三维地质建模流程图

2.2 构造模型

招平断裂带北延至招远市九曲村附近再向北有破头青和九曲蒋家2条断裂带。由于村庄建筑覆压严重，地表未找到断裂带清晰的露头，以至于二者哪一条是招平断裂带的主干断裂一直存在分歧。因破头青断裂带走向(60°)与村庄压覆前招远-平度断裂带主干(55°)更接近，多数人视破头青断裂带为招平断裂带的北段主干，根据构造活动时间、蚀变特征、控矿特征及成矿流体性质具有高度一致性，两者均为招平断裂带的分支，九曲蒋家断裂为招平断裂带分叉后的主要控矿断裂[10，19]。本次三维空间地质模型，证实破头青断裂带与九曲蒋家断裂带同为招平断裂带北段的分支。

控矿断裂-2km以浅的三维构造模型由系统的工程控制。经坡度分析后提取构造表面坡度值7718个，坡度值4.68°～67.13°，平均值35.69°。

对招平断裂带北段每20m标高范围提取表面坡度值，分别计算各标高区段坡度的平均值，绘制由浅到深构造表面坡度变化折线图(图3)。图中折线整体呈右倾，说明招平断裂带北段由浅部向深部表面坡度有降低趋势。由浅向深，构造呈陡—缓—陡—缓阶梯式变化，出现2处明显“台阶”，为构造面由陡变缓部位，第一处位于地表～-360m标高范围，地表～+160m标高为陡倾段，+160m～-360m标高为缓倾段，也是矿体富集地段；第二处位于-400m～-2080m标高范围，其中-400m～-700m标高为由陡急速变缓段，-700m以深为缓倾段，该地段矿体较为富集。

图3 控矿断裂由浅到深坡度变化折线图

2.3 三维地质结构

2.3.1 地层三维模型

位于模型的表面，主要为第四系，分为两部分，一部分位于模型东北部，一部分位于模型西南部，规模较小，呈不规则层状，厚度0.5～20m，一般1～5m。体积0.02km3，占模型体积的0.004%(图4)。

2.3.2 岩体三维模型

区内岩浆岩总体积471.36km3，占模型区的92.943%，为模型区的主要组成部分。

(1)新太古代谭格庄序列。位于模型区东北部，直接出露地表，NE向延伸至模型外。模型范围内东西方向长6.59km，南北方向宽3.84km，岩体厚度0～2322m,中间厚度大，向外围逐渐降低，底界最低点标高-2004m。整体呈岩珠状残留于侏罗纪花岗岩上部，岩体顶部剥蚀面起伏明显，底部接触面不规则。体积24.49km3，占模型区总体积的4.83%。

(2)中生代侵入岩。包括文登序列岩体和玲珑序列岩体。在招平断裂带上下盘均有分布，于深部及两侧均延伸至模型区外。岩体东北部上覆岩体为新太古代奥长花岗岩，其他部分出露于地表。顶部剥蚀面起伏明显，两者接触面不规则，底部与构造蚀变带接触。整体呈楔形，南西厚北东薄，最大厚度4000m,体积446.87km3，占模型区总体积的88.11%。

2.3.3 蚀变带三维结构

蚀变带沿招平断裂带两侧展布，总体积35.77km3。上盘蚀变带主要由绢英岩化花岗岩、绢英岩化花岗质碎裂岩组成，呈薄层状，表面呈波状舒缓。下盘由黄铁绢英岩化碎裂岩带、黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩带、黄铁绢英岩化花岗岩带组成，产状与招平断裂带基本一致，表面呈波状舒缓，起伏波动较小，蚀变带厚度均匀。

a—三维地质模型(正向)；b—三维地质模型(反向)；c—第四系三维模型；d—新太古代谭格庄序列三维模型；e—中生代侵入岩(控矿构造上盘)；f—侏罗纪侵入岩(控矿构造下盘)；g—构造三维模型；h—蚀变带三维模型图4 三维地质结构

2.4 三维矿体建模

本次建模工作对134个矿体建立了三维矿体模型，总体积73840519m3，其中Ⅰ-9、Ⅰ-37、②号矿体为主要矿体，体积55883456m3，占总体积的75.68%。矿体主要分布在-2290m标高以浅，主要位于主裂面下方、平行主裂面展布，呈似层状、透镜状。

(1)Ⅰ-9号矿体。位于矿床东南部，地表～-1499m标高范围内，紧贴主裂面下盘分布，最大走向长504m，最大倾斜长2500m。体积7764149m3，占矿体总体积的10.51%，矿体呈脉状、锯齿状，产状与招平断裂带基本一致。

(2)Ⅰ-37号矿体。位于模型东南部，+212m～-1444m标高范围内，主裂面下盘，最大走向长1257m，最大倾斜长2762m，呈似层状，产状与招平断裂带基本一致，分支复合、膨胀夹缩现象明显，体积14269853m3，占矿体总体积的19.33%。

(3)②号矿体。招平断裂带向北分成九曲蒋家断裂带和破头青断裂带，171-1号矿体位于东风171矿段内，受招平断裂带控制，②号矿体位于水旺庄矿段内，受九曲蒋家断裂带控制。通过本次三维模型构建发现，171-1号矿体和②号矿体空间位置相对应，以往认为受不同断裂控制、互不相干的2个矿体实为一个矿体(图5a、5b)，本文命名为②号矿体。该矿体位于矿床中北部，地表～-2086m标高范围内，位于主裂面下盘，最大走向长4816m，最大倾斜长2664m，矿体呈脉状，产状与招平断裂带基本一致，分支复合、膨胀夹缩现象明显，矿体内存在无矿天窗，体积33849455m3，占矿体总体积的45.84%，是区内发现的最大矿体。

(a)—建模范围内矿体与构造三维空间关系；(b)—②号主矿体三维模型；(c)—建模范围内主矿体三维模型图5 矿体三维模型

3 矿体分布规律

对建模区内主要矿体进行压缩，统计矿体厚度、品位、厚度×品位的分布和变化规律[20-22]。

3.1 矿体厚度分布特征

整合后矿体厚度一般1～25m，平均厚度8.04m。厚度变化系数为108.32%，属厚度变化较稳定型矿体。矿体厚度不足2m频率为20.81%，2～5m频率为19.76%，5～10m频率为19.16%，10～20m频率为20.66%，20～30m频率为10.56%，属厚度较大矿体。

矿体厚度等值线图(图6a)中可以看出：矿体厚度分布不均匀，沿走向上表现为线性分布，呈厚薄相间产出的。矿体厚大地段中间为矿体厚度薄弱地段，薄弱地段沿走向长约1.2km左右。

图6 矿体厚度(a)、品位(b)、品位×厚度的3倍(c)三维分布图

3.2 矿体品位分布特征

品位一般1.00～5.00g/t之间，平均2.20g/t。品位变化系数为115.11%，属有用组分分布较均匀型矿体。金品位小于1.00g/t，频率为9.14%，小于3.00g/t的频率为61.35%，小于5.00g/t的频率为84.03%，小于10.00g/t样品频率为96.02%，整体品位偏低。矿体品位等值线图(图6b)中可以看出，矿体品位分布不均匀，整体表现为中间品位相对较高，边部品位较低。矿体厚大地段往往伴随着品位较高。经计算，矿体厚度、品位相关系数为两者相关，系数为0.192，为正相关。

3.3 矿体品位×厚度分布特征

对矿体进行品位×厚度分析，均匀提取插值后数据点5160个，品位×厚度范围1.00～471.26m·g/t，平均27.41m·g/t，标准差47.56，数据分布均匀。在矿产勘查中，常将圈定矿体样品算数平均值的6～8倍作为特高品位处理，其中数据分布均匀时采用下线(6倍)。本次工作参照特高品位选定模式，将品位×厚度的3倍(特高值的一半)作为矿体富集区(82.23m·g/t)。

共提取矿化富集区4处，编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ(图6c)。

4 构造控矿讨论

4.1 矿化富集部位及外围沿倾向上坡度变化

为更好地研究坡度与矿化强度之间的关系，特选择矿体较为密集地段进行数据提取。如图6c所示，数据提取范围覆盖富集区Ⅱ和矿化富集区Ⅲ。对提取段按标高进行数据提取，提取间隔40m，统计对不同标高段构造表面坡度、矿体品位×厚度值，形成由浅到深坡度和矿体品位×厚度变化曲线，探讨沿倾斜方向坡度变化对成矿、富矿的制约。

提取段内坡度数据沿倾斜方向呈陡—缓—陡—缓—陡变化，可划分为5段(图7)。

图7 沿倾向提取范围坡度和矿体分布折线图

第一段：地表～0m标高，该段为由陡变缓段，坡度值由43.50°降低至38.37°，坡度差5.13°，考虑地表剥蚀作用，该坡度差不能代表该区最大坡度差。该段随着坡度的降低，矿体厚度×品位值逐渐增大。

第二段：0m～-840m标高，坡度值38.50°～41.64°，平均39.60°，为相对平缓地段，该段前560m范围为矿化富集区Ⅱ赋存范围，矿体品位×厚度值38.89～186.32m·g/t，平均129.23m·g/t。

第三段：-840m～-1080m标高，该段为构造由陡变缓段，坡度值由39.93°降低至32.06°，最大坡度差7.87°，该段见矿效果一般，为弱矿化段。

第四段：-1080m～-1760m标高，坡度值27.86°～32.79°，平均30.62°，坡度变化小，为相对平缓地段，为矿化富集区Ⅲ赋存范围，矿体品位×厚度值最高可达92.47m·g/t。

第五段：-1760m～-2000m标高，该段坡度值由浅向深有增大趋势，见矿效果较弱，为弱矿段。

4.2 矿化富集部位沿走向上坡度变化

对构造表面坡度、矿体品位×厚度沿走向方向开展图切剖面绘制(图8)。在A-B线剖面图中可看出3处明显的矿化集区，分别对应富集区Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ。3处矿化富集区两侧均呈波状异常，矿化富集区位于走向上舒缓部位。

图8 沿走向上A-B线图切剖面图

综合来看，矿体主要富集在构造沿倾斜方向上，由陡急速变缓中的转折段和缓倾段；在走向上构造波状变化中的舒缓地段易于矿体富集。

5 结论

本文以招平断裂带北段为研究对象, 通过收集整理玲南、台上、坡头顶、李家庄-东风(东风171)、栾家河、水旺庄、李家庄等金矿区勘查成果资料，依据钻孔资料建立了招平断裂带北段三维地质模型。

(1)从三维视角进一步分析破头青断裂带与九曲蒋家断裂带之间的关系，明确2条断裂同为招平断裂带的分支。

(2)对研究区内矿体进行重新圈定，本次研究发现以往受矿权分割的独立矿体，在深部多可连为一体，形成一个巨型矿体。首次提出受招平断裂带控制的171-1号矿体和受九曲蒋家断裂带控制的②号矿体实为一个矿体。

(3)矿体主要富集在构造沿倾斜方向由陡急速变缓中的转折段和缓倾段，在走向上构造波状变化中的舒缓地段易于矿体富集。