川西四家寨金矿三维模型对找矿预测的启示

范钰婷, 陶思影, 李红宾, 谢卓麟, 王帅, 梁景利, 董国臣*

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院, 北京 100083; 2.华北地质勘查局514地质大队, 承德 067000)

20世纪以来,伴随着经济飞速发展,大规模矿产开发利用。急速消耗的矿产资源使得地表以及浅地表矿产开发殆尽,寻找隐伏矿和深部矿已经成为各个国家和地区找矿的主要目标[1]。以往的地质数据如:二维剖面图、平面图及等高线不能直观准确地反映隐伏矿体的具体地质情况[2]。随着计算机及数据可视化技术迅速发展[3],矿体三维建模技术日渐成熟,在隐伏矿及深部矿的寻找预测方面具有显著作用;在地形复杂的山区及断裂发育的矿区,矿体往往受断裂带控制,矿体形态规律性连续性受到构造破坏,产状变化大,二维空间难以准确表示矿体的深部空间展布情况,限制深部找矿、预测工作的开展,而通过三维地质建模可以实现隐伏矿体空间结构、分布透明化,从而提高矿体探测效率[4],因此深部隐伏矿体的三维建模显得尤为重要[5],这表明大比例尺矿区进行资源预测时需要从二维平面预测转变为三维空间立体预测[6]。三维地质可视化技术为深部矿产、隐伏矿体的预测提供了新思路,三维找矿信息的获取、基于三维空间的资源预测评价方法、三维空间可视化技术等已成为当前重要研究课题[7]。

3D地质建模是解释和可视化地下地质的基本方法[8-9]。常用的矿体三维建模的软件有:Surpac、FLAC3D、Micromine和AutoCAD等[10]。AutoCAD在中国应用较早,最初是辅助二维平面图绘制的软件,后期加入三维图形绘制模块,但目前主要用于绘制,矿山井巷图、开拓系统图等二维平面图以及矿山井下实测三维巷道图;FLAC3D主要用于解决矿山建设中产生的工程地质问题,常与PLAXIS、ANSYS等软件配合,进行工程数值模拟分析[11];Micromine主要用于资源评估、储量计算及露天矿和地下矿矿山设计和开采。

Geovia Surpac于1981年由GEMCOM国际矿业软件公司开发,能够提供必备的工具和数据输出格式与专用流程和数据流对接的工作流程自动化功能,且该方法十分灵活,可以随着地下施工的推进而进一步校准,实时更新,不断地提供可靠真实的地质体模型[12],实现高效率和高精准度的双赢。

现选取四家寨矿区进行三维矿体建模,使用Surpac软件利用矿区剖面数据建立矿体三维模型,期望三维模型能够直观地展示地下隐伏地质体及矿体的空间形态、分布特征以及相互关系,进而实现隐伏矿体的推断,为该地区的金矿勘查、深部找矿预测等提供依据。

1 区域地质背景

康定县四家寨岩金矿地处大渡河西岸,构造上位于扬子地台西缘南段[13],如图1所示。区内褶皱、断裂发育,岩浆活动和变质作用强烈,属近南北向大渡河金及多金属成矿带,其中揽上金矿床位于扬子陆块西缘康滇稳定断块北端康定岩块中。区域构造为南北向大渡河韧性剪切断裂带,产于前震旦系结晶基底康定杂岩中,是康定杂岩中典型的石英脉型金矿床。

图1 研究区地质简图Fig.1 Geological schematic map of the study area

四家寨揽上金矿受断裂控制明显,主控断层走向为北东-北北东,西倾,以正断层为主,断裂走向北北东-北东,倾向北西,倾角45°～51°,在2 510 m中段6～8勘探线间见右行走滑正断层。在2 510 m中段16勘探线处见北东向(南东倾)正断层截切主断裂。区域构造区内构造活动频繁,一级构造多为压性、压扭性,规模宏大,次级构造多为压性、张性、剪切断裂带,一般规模较小[14-15]。形成了主要由NE向、NNW向、SN向构造带构成“Y”形为主体的构造格局。区内岩金分布较集中,有金矿52处,其中小型矿床 8处、矿点35处、矿化点9处,素有“大渡河金谷”之称。

2 矿体分布特点

矿区控矿构造为揽上断层,揽上断层于矿区中部、北部通过,向北延伸出矿区外,该断层是区内主要的含矿构造之一,Ⅰ号矿体含矿石英脉产于该韧性剪切破碎带中,石英脉宽度0.5～35 m,形态、产状受该剪切带控制。断层整体走向近南北向,变化较大,南部呈北偏西,北部呈北偏东,其主控断层走向均为北东-北北东,倾向整体向西,倾角35°～65°。该断层为韧性断层,局部见后期脆性叠加。断层破碎带宽7～40 m,表现为强劈理化、糜棱岩化,显示逆冲断裂性质。局部拉伸部位有黄铁矿石英脉充填。

揽上矿体沿断裂北东向分布,走向为北北东、北西,向东倾,长度较均衡,约300 m,宽度相差较大,最宽处可达400 m,最窄处仅107 m,平均宽度约234 m,矿体厚度1～2 m,由中央向四周变薄直至尖灭,整体呈似囊透镜状,金品位变化较大,在0～4.31 g/t,平均品位1.5g/t,地表矿化程度低,向深部品位有增高趋势[15]。

3 三维地质建模

三维地质建模通常是指建立适当的地质数据结构体及数据库,用特定的算法在计算机内部生成地质模型,用来反映地质构造形态要素、地质空间内部垂向和横向分布规律[2],并且在三维建模过程中能从三维空间角度检验原始数据的正确性、合理性[16]。利用研究区已有地质和探采资料,基于Surpac三维建模软件进行地质体的三维建模,三维地质建模过程中结合野外实际地质情况,提高地质模型的可信度,使计算结果更具有可靠性,更贴合野外实际,同时三维地质模型可以根据最新野外数据进行实时调整更新[2]。建模数据主要包括1∶50 000地形地质图、17条勘探线剖面图以及22条中段平面图等[17]。其中,初始资料图取自矿区,缺乏制图标准,需要资料校对和处理,以及实地检验修改。再将修正后的数据导入Surpac中,经过如图2所示系列操作流程形成三维地质模型。

图2 三维建模流程图Fig.2 Flow diagram of the 3 D modeling

3.1 地表三维模型

地表三维模型(DTM)能够自然地展示地形地貌特征,直观的展示矿区地表与其他空间地质体的三维空间位置关系[18],而地表三维模型是由具有高程信息的等高线或高程点构成的,现利用矿区平面图中的等高线信息,经过空间校正后,这些数据是具有高程信息的等高线或高程点信息,然后转入Surpac软件,形成图3(a)所示的初始等高线数据。

以初始等高线数据为基础,进行断线相交检验,鉴于断线及相交线无法形成DTM,需要对断线及相交线进行修改和删除,确保无误后生成地表DTM建立地表模型,包括如图3(c)中所展示的地表模型俯视图和图3(b)、图3(d)所示正视图旋转图,从地表模型中可以看出,矿区比较靠近山体顶部,最高处海拔2 900 m,最低处1 700 m。高差起伏较大。

3.2 矿体三维模型

建立矿体三维模型有利于直观地展现矿体的深部隐伏矿体[19],还有利于其品位估值[17]结合金矿体成矿相关地质信息还能对隐伏矿,体进行准确预测[20]。使用勘探线剖面图生成矿体三维模型的方法,初始数据中包含地表线、断层线、矿体预测线、巷道、最高水位线以及矿脉编号、矿体倾向倾角等标注。在创建矿体三维模型过程中,首先需要对导入Surpac软件中的剖面图进行校正,使其处于正确的空间位置上;之后进行矿体线的提取,提取结果如图4(a)所示,将不同勘探线剖面同一矿体的矿体线全部提取保存在同一线文件内;再连接三角网创建封闭矿体连接效果如图4(b)所示。必要时在其间需要添加辅助线,进行合理的矿体外推,用“段到一个点”“两个段之间”“从一个段到多个段”功能,结合平面图以及矿体线之间的空间分布关系进行矿体线之间的连接;然后用“在一个段内”或“拓展段”功能对矿体进行封闭[21];最后进行验证,矿体连接完成后需要进行“有效性验证”,若不能通过验证,则点击“实体修补”选项,进行实体修补,之后再次进行验证,验证通过后得到图5所示的揽上矿体模型。可以看出,揽上矿体整体中间厚四周薄,呈类透镜状,沿北东向展布。

图4 三维矿体生成过程Fig.4 Three-dimensional ore body generation process

图5 三维矿体成果图Fig.5 3D ore body achievement diagram

3.3 断层数据三维模型

断层对矿体的走向、倾向、连续性等影响很大,其模型有助于看到断层与矿体之间的相对位置关系,直观分析断层对于矿体空间形态、分布及开采的影响[17],目前常见的断层三维模型的构建方法与矿体三维模型构建方法一致。基于数据可靠性考虑,使用剖面图构建断层三维模型,断层三维模型如图6所示构建步骤与矿体三维模型构建基本一致,若断层相交,需要对相交处进行处理。从图7可以看出,断层割裂了部分矿体,使矿体南端发生了错动。

图6 断层模型Fig.6 Fault model

图7 断层矿体叠加显示模型Fig.7 Fault ore body superposition shows the model

4 讨论

4.1 三维矿体模型分析

揽上矿体产于揽上韧性剪切破碎带内,矿体主要受韧性剪切构造破碎带控制。由三维矿体模型可以看到矿体南端尖灭,北端仍未出现尖灭倾向,仍有继续延伸趋势。

由三维矿体模型可以看到,揽上矿体总体呈透镜体状、脉状。由于受到东西向断层的影响,矿体产状在南段出现扭曲错动,破坏矿带和矿体的连续性,改变了矿体的原始产状,可能会对勘查和开采造成一定的影响。矿体沿走向和倾向方向具波状起伏现象。走向上,矿体中部厚度大,品位相对较高,四周厚度逐渐变薄,品位相对降低。向南品位逐渐降低至无矿。倾向上,矿体厚度具膨大～缩小的变化特征,品位变化规律不明显。膨大部位矿体分布于韧性剪切带石英脉中,形态呈透镜状。0～10号勘探线矿体空间展布较完整,10号勘探线后矿体变化较大。

4.2 地表、断层与矿体空间关系展示

由于原始剖面图绘图规范、制图误差、研究方法以及地质认识存在不确定性[22]、Surpac软件剖面图绘制地质体三维模型原理是连接部分特征点圈定地质体外围[23],因此可能会出现无法完全贴合实际地质体形状的情况,导致三维地质模型的不确定性。为了检验三维建模的可靠性,基于前人研究,提出基于地质规律和断层等三维地质体叠加矿体分析[24]。地质规律分析是利用三维模地质体型中的各地质体间界限、展布规律、形态特征以及构造组合样式、断层构造错切关系等与综合研究成果进行一致性分析,也就是说构建的三维模型应与实际工作推测形态、走向、倾向相接近或符合,其形态、走向应符合地质分布规律[25]。通过与已有地质资料对比分析,以及前人实际工作经验得知,揽上三维地质模型的形态特征、走向、倾向变化断层面与矿体之间的错切关系都符合已有的地质认知且符合地质规律。

将矿体、断层、地表三维模型建立起来后,为了更直观的展现三者之间的空间位置关系以及验证三维模型的可靠性将其同时放在同一空间坐标系。由矿体与断层的空间分布模型(图7)可以看出,矿体与断层贴合,并未出现错位情况,说明三维建模所取特征点能够基本代表矿体空间形态特征。由图8(a)可知,矿体与地表、断层的空间位置关系正视图所示,矿体分布于山顶部地表下,与地表近乎垂直;矿体未见出露,为隐伏矿体,由图8(b)所示,断层分布在矿体的南部,将矿体分割错动开来,矿体在10号勘探线附近出现形态、走向变化,可以看到矿体的走向、倾向或者是矿体与断层间相互关系,都能够实现很好的拟合。

黄色区域为地表三维模型;红色区域为矿体 三维模型;蓝色区域为断层三维模型

4.3 三维模型对深部矿体预测

隐伏矿体在研究程度较高的地区,传统的二维地质资料模拟已经无法满足要求,三维地质建模可以帮助实现对地质体的透明化勘探[26]、深部矿体预测,能够提高矿产的开发效率[27]。三维地质模型显示揽上金矿矿体赋存位置与区域地质成矿规律较为一致,均位于北西向的石英脉体破碎带中,走向北西,倾向北东,断裂带是主要的控矿要素。

揽上矿体三维模型(图5)可知,北东方向的矿体深部还未封闭,结合三维矿体厚度变化规律,可以推测矿体可能向北东方向延伸,可以在北东方向向深部及浅部寻找隐伏矿体;同时,三维矿体模型还可以看到,在西北方向即12号勘探线附近,矿体向深部延伸,且矿体在走向上、倾向上同样呈现稳定延伸的趋势[28],可以推测西北方向深部可能存在矿体[29]。

综上可知,揽上三维地质模型能够准确地反映已有地质认知,符合地质规律[30],也能够很好的显示矿体的延伸情况,是表征隐伏矿体展布和地质构造的有力工具,可以简单有效地帮助地质解译和空间分析工作[31],所建模型真实地反映了揽上矿区矿体的形态、产状和矿石品位,为生产方案对比决策提供了可靠依据[32],同时为揽上地区的矿体预测提供有力的数据支撑。

5 结论

以川西四家寨金矿为例,通过Surpac软件建立三维地质体模型。得到以下结论。

(1)三维地质模型能够随着勘探过程的进一步推进进行地质模型的实时更新,矿体三维模型清楚地展示矿体总体走向为北北东,延伸较长。在走向和倾向上,矿体中部厚度大,向四周矿体厚度变薄,整体呈透镜状。

(2)地表、断层三维展示可以丰富矿体模型,清楚地显示出隐伏矿体,南侧矿体被断层错断,显示出各地质体与矿体间的相互关系。

(3)三维矿体模型特征表明,矿体勘探深度较浅,向南部、及南侧深部还有较好的成矿潜力,为下一步找矿提供方向。