基于3DMine的膠東上莊金礦體三維建模及其應用

劉彥奎，王欣然，李建，叢超，李寧

(1.山東省第一地質礦產勘查院,山東 濟南 250109;2.山東省物化探勘查院,山東省地質勘查工程技術研究中心,山東省土壤地球化學工程實驗室,山東 濟南 250013;3.招金礦業股份有限公司,山東 煙臺 266009)

0 引言

“數字礦山”已成為礦山研究的熱點和重點，是礦業發展的必然趨勢[1-2]。“三維地質建模”最早由Houlding于1994年提出，是“數字礦山”的基礎，具有地質成果表達數字化、立體化、可視化、智能化與通俗實用的特點[3-5]。隨著計算機圖形學技術、三維GIS技術和數據庫技術的快速發展，三維建模技術已廣泛應用于地學領域，在礦體空間實體模型、資源儲量估算、勘查預測、巷道開采現狀、開采方案優化等方面發揮了重要作用。常用三維建模軟件主要有3DMine、Surpac、Micromine等[6-18]。

膠東地區累計查明金資源量近5000t，是中國目前最大的金礦集區[19-22]。前人應用三維建模技術，開展了“玻璃膠東”建設、深部定位預測、構造模擬等方面的研究：剖面法建模為主流的便捷建模方法，模型精度與已有工作精度密切相關；三維地質模型多用于礦體定位預測[23-27]。本文選取膠東地區上莊金礦①-1號礦體，收集整理地質資料(1)山東省第一地質礦產勘查院.蠶莊金礦焦家斷裂帶與東莊帶深部成礦條件研究及礦體定位預測，2020年。，利用國產3DMine軟件，采用鉆孔建模為主、剖面建模為輔的方法構建實體模型，系統介紹了“數據處理—3D實體模型構建—信息提取—塊體模型賦值”的完整建模流程，以期提高三維建模精度，探討礦體三維建模技術在資源儲量管理中的應用，滿足礦政管理和礦山日常生產需求。

1 礦體概況

上莊金礦位于膠東地區招萊金成礦帶內，為典型的構造蝕變巖型金礦[28]。區內斷裂主要分布有NE向焦家斷裂及其下盤的分支斷裂東莊子斷裂、侯家斷裂和望兒山斷裂[29]。

東莊子斷裂為①-1號礦體的控礦構造，出露1.3km，寬20～230m，走向16°～87°，傾向NNW—NW，傾角25°～38°。主裂面連續、穩定，斷層泥厚0.10～0.40m，可見構造碎裂巖、絹英巖化花崗巖沿主裂面兩側呈帶狀分布。斷裂破碎帶蝕變強烈，主要為黃鐵絹英巖化碎裂巖、鉀化碎裂狀花崗巖。

①-1號礦體賦存于東莊子構造蝕變帶中，形態呈脈狀，局部呈透鏡狀，膨脹夾縮現象較明顯。產狀與主裂面基本一致，走向50°～65°，總體走向60°，傾向NW，傾角30°～32°(圖1)。工程控制長度最大510m；控制傾向255m，深部未封閉。單工程最小厚度1.21m，最大厚度8.98m，平均2.90m。單樣最低品位為1.00×10-6，最高品位為35.18×10-6，礦體平均品位為7.46×10-6。

1—第四系；2—二長花崗巖；3—絹英巖化花崗巖；4—礦體及編號；5—鉆孔及編號

2 3D建模數據處理

2.1 數據處理

本文采用國土資源部礦產資源儲量司備案、北京三地曼礦業軟件科技有限公司研發的3DMine軟件，建立礦體3D模型。

3DMine軟件數據庫具有相關的格式規定，根據其要求，建立Excel表格分別為：定位表、測斜表、巖性表、樣品表，將已有的鉆孔數據按照相應的項目錄入對應Excel工作表格中(表1)，并將數據導入Access，建立數據庫。

表1 鉆孔數據庫數據結構

①-1號礦體收集鉆孔編錄數據20個、鉆孔采樣分析結果共計1372個，建立地質數據庫。根據所整理的數據在3DMine軟件中建立三維鉆孔柱狀圖，可觀察到每個工程數據的詳細信息，并直觀地反映鉆孔的空間位置和變化狀態(圖2a)。為了更好地觀察成礦元素在Z方向(垂向)上的變化規律，可以根據樣品化學分析的數據范圍將其用不同顏色加以區分，圖2b示例自左至右數據類型依次為樣號、品位、終止孔深。

1—鉆孔孔口標記及軌跡線；2—2.5×10-6≤Au；3—1.0×10-6≤Au<2.5×10-6；4—0.1×10-6≤Au<1.0×10-6；5—Au<0.1×10-6

2.2 礦體3D實體模型構建

2.2.1 3D建模方法選取

礦體模型構建的方法及分類多樣，常用的主要有：鉆孔數據建模，勘探線剖面建模，混合集成建模和自動建模[27,30-31]。剖面建模方法是目前主流的建模方法，利用已有勘探線剖面圖的輪廓線連接建模，方法成熟、操作快捷，能夠直接應用傳統的地質塊段法、平行斷面法等資源儲量估算方法，但建模精度受限于已有工作精度，模型與鉆孔見礦的實際空間位置存在偏差。

在實際建模工作中，為了尋求更高的精度，基于原始地質資料和地質體基本特征，往往選取2種或2種以上的建模方法[8]。本文建模方法以鉆孔建模為主，剖面建模方法為輔。孔數據源為鉆孔編錄數據，按照3DMine數據庫格式錄入Excel表后，導入Access，建立數據庫，即可在軟件內生成三維鉆孔軌跡。依據取樣品位，各鉆孔依次組合樣品、圈定礦體。剖面數據源為地質勘探報告中MapGIS格式剖面圖，導入3DMine軟件中兼容顯示。建模主要依據①-1號礦體圈礦指標及鉆孔數據，參考已有勘探線剖面數據的約束，解譯礦體的一系列輪廓線、輔助線等線屬性(不一定是勘探線或邊界線)，在線之間構建三角網，來模擬出礦體的模型(圖3)。該方法能應用于各種復雜情況下各種復雜實體的模型構建[31]。

圖3 三維地質建模流程

2.2.2 單剖面礦體圈連

剖面建模法，方法成熟、操作快捷，然而在探礦工程偏離勘探線的復雜勘查系統或復雜礦體建模中卻存在較大偏差。3DMine軟件單獨配置的剖面管理層，能夠快速便捷地實現剖面與地質體的顯示切換，從而簡便地連接剖面礦體。通過設置剖面的面前、面后距離屬性，能夠在剖面視圖狀態下，實現立體效果，這對于解決復雜勘查系統和復雜礦體的三維建模問題有較大優勢。本次研究參考已有勘探線剖面，直接應用單工程數據圈連剖面礦體，實現了全流程的三維狀態操作。

(1)軟件提示礦。利用鉆孔數據庫的“顯示鉆孔”對話框，設置品位組合，可以實現資源量估算工業指標對礦體圈定的約束(圖4a)：邊界品位1.0×10-6；最低可采厚度1.20m；夾石剔除厚度2m；米克噸值3.00×10-6。軟件提示礦結果見圖4b，數據類型自左至右依次為樣號、品位、終止孔深、樣長、組合品位、組合長度。

1—2.5×10-6≤Au；2—1.0×10-6≤Au<2.5×10-6；3—0.1×10-6≤Au<1.0×10-6；4—Au<0.1×10-6

(2)礦體圈定。“鉆孔—礦段圈定—手工礦段圈定”，依次確認軟件提示礦各單工程礦體圈定結果。剖面視圖狀態下，順次連接單工程同一礦體的頂底板界線。繪制礦體頂底界線的中線，并根據工業指標和規范要求得出礦體外推點。連接礦體頂底界線和外推尖滅點，閉合線可得剖面礦體界線(圖5)。

1—鉆孔軌跡線；2—礦體邊界

2.2.3 礦體3D實體模型構建

利用閉合線之間連三角網即可實現剖面間簡單礦體的實體模型建立。根據工業指標和規范要求，使用三角網的擴展外推功能可實現剖面礦體沿走向的外推(當最外側剖面有2個以上見礦工程時，尖滅到線；當僅有1個見礦工程時，尖滅到點)。合并三角網，優化實體，建立的實體模型如圖6所示。

1—鉆孔軌跡線；2—實體模型

3 信息提取與塊體賦值

3.1 信息提取

組合樣品的過程是將品位信息通過長度加權的方法提取到若干點上，再以該點的品位信息進行樣品點估值(圖7a，十字點即組合樣品點)。采用等距離組合的方法，組合長度1m，最小有效長度0.5m，獲得組合樣品文件。

3.2 塊體模型建立

礦體實體模型只能反映礦體賦存狀況和空間形態，建立離散的組合塊體模型并賦值才是三維地質建模的核心所在[32]，才能進一步開展地質統計方法資源儲量管理、三維定量/半定量找礦預測等研究。

塊體尺寸越小，建模成果越好，但受限于計算機性能，塊體尺寸不宜過小，否則海量的塊體計算，將導致運行負荷過重，乃至運算系統崩潰，因此尋求運行性能與模型準確之間的平衡非常重要。

塊體尺寸取推斷工程間距的1/4較為理想(2)北京三地曼信息技術有限公司，3DMine礦業工程軟件基礎教程，2017年。。研究對象塊體尺寸設為：走向16m×傾向20m×厚度1m，次級塊取各值1/2。創建塊體Au含量(浮點型)、巖礦類型(字符)、比重(浮點型)、資源量類別屬性，形成塊體模型(圖7b)。

1—鉆孔礦體邊界；2—組合樣品點位置；3—鉆孔軌跡；4—離散塊體

3.3 塊體模型賦值

從日常工作和地質規律來看，距離冪次反比法是最常用的塊體估值方法之一[33]。其原理是：距離待估塊體越近的樣品，其品位對待估塊體品位的影響也就越大，其權值應比離單元體遠的樣品的權值大，估值思路見圖8。

圖8 距離冪次反比法估值思路示意圖[34]

選擇“距離冪次反比法估值”命令，導入組合樣品文件，設置距離冪次為2。如估算331資源量，搜索半徑應采用基本工程間距的1.2倍，即走向70m；332，走向140m；333，走向280m。詳查工作階段估算332,333資源量，根據礦體產狀、規模等基本地質特征，搜索橢球體參數設置(圖9a)為：主軸140m，主軸/次軸0.75，主軸/短軸50，方位角60，傾角30(圖9b)。設置完成，自動進行計算，將賦值后的塊體資源量類型賦值為332。重新設置橢球參數為主軸280m，最少樣品數2，其余參數不變，設置后運算，將資源量類型賦值為333(圖9c)。

1—鉆孔軌跡；2—實體模型；3—離散塊體；4—搜索橢球體；5—332類別塊體；6—333類別塊體；a—塊體模型賦值、搜索橢球體參數；b—搜索橢球體；c—賦值后塊體模型，藍色為332資源量，黃色為333資源量

4 應用評述

4.1 資源儲量估算

利用分塊出報告功能，最終得到①-1號礦體資源量見表2。與傳統的地質塊段法估算結果相比，誤差3.18%。

表2 資源量估算結果

4.2 資源儲量動態管理

除不同資源量類別區分外，對塊體模型添加不同的約束條件，結合不同屬性的篩選功能，能夠便捷地獲取不同范圍、不同類型的資源儲量，在資源儲量核實、開采過程中資源儲量實時估算等方面有廣闊的應用前景。圖10藍色塊體位于探礦權內，黃色塊體位于探礦權外，實現了資源儲量的快速分割，并分塊報告。

1—鉆孔軌跡；2—礦權內塊體；3—礦權外塊體

4.3 礦化富集規律

塊體模型的屬性著色能夠清楚直觀地瀏覽塊體基本屬性，不同的顏色配置和顯示風格，能夠直觀地反映礦石品位的分布特征，便捷地研究元素的空間分布規律。圖11藍色、黃色、紅色塊體分別代表塊體Au含量<1×10-6、1×10-6～2.5×10-6和>2.5×10-6，直觀立體地顯示了礦化強弱區域，為資源評價和開發利用奠定了基礎。

1—鉆孔軌跡；2—Au<1.0×10-6；3—1.0×10-6≤Au<2.5×10-6；4—2.5×10-6≤Au

5 結論

(1)本文利用3DMine軟件，以鉆孔建模為主、剖面建模為輔的方法構建了三維實體模型，采用距離冪次反比法對塊體模型進行賦值，并系統介紹了“數據處理—3D實體模型構建—信息提取—塊體模型賦值”的建模全流程，所用建模方法能夠較好地保證建模精度。

(2)礦體資源儲量估算結果與傳統的地質塊段法估算結果相比，誤差3.18%。不同的約束條件和塊體屬性篩選功能，能夠快速便捷地實現礦體資源儲量分割、實時更新和礦化空間分布規律研究，滿足資源儲量管理需求。

致謝：論文資料收集和編寫得到了山東省第一地質礦產勘查院、上莊金礦同仁的支持和幫助，北京三地曼礦業軟件科技有限公司提供了3DMine軟件學習和指導，審稿專家為論文提出了寶貴的建設性修改意見，在此一并表示誠摯的謝意。