復雜鉬銅礦化空間的三維地質模擬與分析

達朝元， 周凱， 徐文靜， 孫濤，郭永強， 張旭康

（1.核工業二四三大隊,內蒙古 赤峰024006；2.江西理工大學資源與環境工程學院,江西 贛州341000）

0 引 言

礦產資源是人類生存和社會發展的重要物質基礎，有效地開展礦產勘查工作、增加資源儲量是護航我國經濟和社會持續、快速、協調發展的重大需求[1-2]。由于淺表易識別的礦產資源已接近枯竭，勘查重心轉向深部隱伏礦已成為我國礦產勘查工作的新態勢[3-4]。把握礦床的立體空間特征和深部成礦規律成為取得找礦突破的關鍵，傳統以二維圖件為主的媒介很難精準描述地下復雜的礦化分布特征。另一方面，勘查數據種類和體量的迅速增長凸顯了礦產資源定量分析的必要性，傳統研究以定性為主的方法體系也很難滿足新時代地質大數據分析的需求。

三維地質模擬是解析各類復雜地質系統空間形態、結構及屬性分布特征的有力工具[5-7]。在礦床勘查領域，三維地質模擬可以全面、精確、定量化地對成礦相關的關鍵地質對象進行觀測、描述和解譯，揭示成礦系統的復雜結構和內部非線性的屬性空間變化規律，加深對成礦空間特征和時間過程的認識，提高勘查成果的呈現能力和表達精度[8-9]。近年來，三維地質模擬已經廣泛應用于我國的地質調查和礦床研究工作中，國內學者針對不同的成礦體系和數據來源類型建立了系統、實用的三維地質建模方法體系[10-12]，探討了三維地質建模的過程控制及其對模型精度的影響[13-14]，并在各種類型礦床的建模研究中取得了卓越的成果[15-18]。但目前已有的三維礦床建模研究大多只關注礦床單一的幾何形態模型或屬性模型，缺少多種模型的綜合應用和分析。而要揭示地下隱伏的復雜礦化體的空間特征，多種模型的構建、融合與交叉解譯必不可少。

本文以內蒙古某鉬銅礦床為例，構建了復雜礦化空間的三維幾何模型、成礦元素濃度場和關鍵地質體的歐氏距離場模型，從三維空間的視角描述和解析成礦元素的分布特征和富集規律，探討三維地質模擬方法在隱伏礦體勘查中的意義。

1 研究區概況

研究對象位于內蒙古赤峰市松山區，大地構造位置如圖1所示，位于華北克拉通北緣，赤峰-開原深大斷裂南側，是西拉沐倫成礦帶上的一個鉬銅礦床。西拉沐倫成礦帶是近年發現的一個以鉬礦化為主的多金屬大型成礦帶，沿著內蒙古東部東西走向的西拉木倫河斷裂兩側發育。區域地殼經歷了多次構造-巖漿作用，造就了研究區內廣泛分布的巖漿巖[19]。成巖成礦年齡的相關研究揭示了印支期花崗巖及斑雜巖與鉬銅礦化有著密切成因聯系[19]，而花崗斑巖不同隱爆構造部位形成的隱爆侵入角礫巖則是控制銅鉬礦化空間分布的主要容礦構造。研究區的空間礦化模式異常復雜，礦體常呈不規則、透鏡狀廣泛賦存于以花崗斑巖體為中心、遍布隱爆角礫巖筒和混合花崗巖的復雜礦化空間中。傳統的剖面或者平面圖件很難精確描述這種復雜的礦化分布特征。

圖1 研究區大地構造位置示意（據文獻[20-21]修改）

本文的主要建模數據源來自礦區西南角的44個鉆孔數據，包含7 272個巖性編錄結果和14 544個取樣測試結果。從礦區整體的礦化水平來看，具有經濟或者邊際經濟意義的鉬銅礦化在區內各處花崗斑巖和隱爆角礫巖中分布較為均勻，因此研究區域的數據對于揭示礦床的礦化分布規律具有足夠的代表性。圖2展示了以上工程和數據的三維空間分布。由于平面勘探線間距和勘探線上鉆孔的布置間距較為均勻，而且鉆孔的取樣基本上達到了全孔取樣的標準，因此研究區的樣本在三維空間上分布均勻，是在三維尺度上進行礦化空間精細建模的理想實驗區域。

圖2 研究區勘探工程分布與成礦元素品位的三維可視化

2 復雜礦化空間三維地質建模方法與流程

與礦床/礦化相關的地質建模的本質是以有限個無重復的已知離散點（這些點是礦床勘探中獲知的目標地質體的有限揭露點，如地表礦化信息、鉆孔編錄和取樣數據、地球物理和地球化學勘探結果）為約束條件，構建兩類地質模型：①通過空間網格剖分構建不重疊的面元模型來描述成礦相關地質體表面形態，從而完成從有限揭露點到連續形態面的構建；②通過空間插值估算礦化空間范圍內任一區域的屬性值，從而完成從有限取樣揭露的局部屬性點到連續屬性場的構建。

本文對研究區復雜鉬銅礦化空間三維模擬的流程見圖3，對其中的關鍵環節和方法簡要說明如下：

圖3 研究區三維地質模擬的流程框架

1）建模的原始數據包括研究區已有的地質勘探資料。地形地質圖揭露了地表的巖性和礦化分布，鉆孔數據則是獲取地表以下成礦信息的主要渠道，是本次建模的主要數據來源。通過集成鉆孔數據構建鉆孔數據庫后，可以從中提取出兩類信息：一類是從巖性編錄中獲取的線狀邊界，可用于地質體的幾何建模；一類是包括三維坐標和測試分析結果的品位數據，可用于成礦元素濃度場的模擬。

2）成礦相關地質體的空間形態特征通常需要采用以表面表征為主的面元模型來刻畫，這是由于成礦相關地質體的空間形態和展布往往非常復雜，特別是涉及不規則侵入巖體的成礦系統。研究區的主要巖石類型包括花崗斑巖、隱爆角礫巖和混合花崗巖，都具有異常復雜的形態界面，因此，本文選擇不規則三角網（TIN）作為面元單元構建幾何模型。TIN模型的三角面片可以精準地表征復雜界面的空間形態，而且可以靈活地控制網格的疏密度，即在形態簡單的區域可以采用尺寸大而稀疏的三角面片，而在形態復雜的區域則用小而密集的三角網進行空間剖分。由于研究區的鉆孔較為嚴格地沿勘探線排布，偏離現象較少，本文的幾何建模以勘探線為基準面開展。在轉換和歸一化勘探剖面數據后，先在勘探剖面上圈連出目標地質體的界線，提取不同剖面上的隱爆角礫巖和花崗斑巖的界線，在三維空間中形成了一系列平行的線狀約束，再通過基于約束邊的Delaunay三角剖分構建TIN模型，最后對巖性界面進行離散光滑插值，此時應特別注意將原始的地質界線作為線狀約束參與曲面插值過程，生成既符合勘查數據，又具有自然光滑界面的幾何模型。圖4展示了研究區隱爆角礫巖和花崗斑巖的復雜形態特征，研究區其余的空白區域的巖性為混合花崗巖。

圖4 成礦相關地質體的三維幾何模型

3）礦化屬性場模擬的核心是描述成礦元素濃度的空間分布，關鍵技術是空間插值算法。本文選擇目前在礦床模擬領域應用最廣泛的Kriging插值算法來進行屬性建模。Kriging算法是建立在地質統計學基本理論基礎上的一種插值算法，在數學意義上它是一種求取“最優、無偏”估值的內插算法[18]。該算法在充分分析區域化變量的空間結構之后，對待估值點周圍一定相關范圍內的樣品值賦予一定權重，并通過線性加權組合來估值。在算法優越性之外，本文選擇Kriging算法的另一原因是估值參數的確定有賴于屬性數據空間變異性的分析，這種分析可以為揭示研究區復雜的礦化分布特征提供重要的參考。

4）三維空間分析可以量化成礦相關地質體與礦化分布之間的空間關聯度，從而為揭示控礦要素和成礦機制提供線索。本文在地質體幾何模型和礦化域塊體模型的基礎上計算了關鍵控礦要素的歐氏距離場，并與品位模型相結合，描述和解釋富礦化的空間分布規律。

3 礦化空間分布與富集特征分析

3.1 礦化空間變異性分析

本文采用Kriging插值生成礦化元素的屬性場模型。在進行變異函數分析之前對原始數據進行了特高品位剔除，將高于平均品位10倍的數據界定為特高品位，處理后的數據通過直方圖和Q-Q圖驗證，基本符合正態分布。變異函數分析不僅是確定插值參數的必要步驟，該項分析本身也能揭示屬性數據的空間結構性特征[22-23]。圖5（a）是典型的變異函數，橫坐標為滯后距，縱坐標為變異函數值，從圖5（a）中可以分析獲得3個重要參數：①變程α，理論變異函數曲線由遞增變為平穩的拐點對應的滯后距，表征了目標屬性值從自相關到隨機分布的范圍閾值；②塊金值C0，滯后距接近0時的變異函數值，反映了樣品距離很小時觀測值的差異，代表了樣品的隨機性變化屬性；③拱高C1，平穩變異函數值與塊金值的差值，代表了與隨機性相對的結構性變化的屬性。圖5（b）～圖5（i）顯示了礦區鉬和銅品位0°，45°，90°和135°四個方向的變異函數，從中可知鉬和銅都具有各向異性，其中鉬品位的塊金值（0.58）遠大于銅品位的塊金值（0.38），說明鉬品位的隨機性較銅品位強；鉬品位各方向的變程小于銅品位的變程，說明鉬品位值相關性的范圍比銅品位小。因此綜合來說礦區鉬品位的空間變異性比銅品位強。為了具體分析銅品位和鉬品位在各方向變異性的強弱，引入異質性指數Ih和相關性指數Ic兩個參數：

圖5 銅鉬品位變異函數

表1列出了不同元素和方向的品位空間變異性指數，從表1中可見，鉬品位在135°方向的Ih最大（0.008 1），其次是90°方向（0.006 7）和0°方向（0.006 1），在45°方向最?。?.005 9）。說明鉬品位在135°方向的非均質性最強，在插值時需要采用更密集的搜索策略，在45°方向品位分布最均勻。同樣地，銅品位在135°方向的Ih最大（0.005 5），反映了這個方向的銅品位分布最不均勻，其次為90°（0.004 6）和0°（0.004 4）方向，銅品位在45°方向的均質性最好（0.003 8）。鉬和銅的方向異質性模式高度吻合，但總體上銅礦化的均勻程度高于鉬礦化。

表1 元素品位的空間變異性指數

在相關性方面，Ic小于25%為強空間相關；Ic在25%和75%之間為中等程度的空間相關；Ic在75%以上為弱空間相關。本區鉬品位Ic的平均值為59.7%，銅品位Ic的平均值為37.0%，都屬于中等程度的空間相關，但銅品位的空間相關性較鉬品位強。

3.2 礦化空間分布與富集規律

Kriging插值生成的品位模型可以直觀地反映鉬銅礦化的空間分布特征，并可以切制任意方位的切面研究礦化體內部的品位變化。研究區的品位模型見圖6，從中可見高品位鉬銅礦化的分布位置有所差異，規模較大的高品位鉬礦化位于研究區東部淺表100 m內的部位，而大規模的高品位銅礦化分布在研究區南部較深的部位。從分布范圍上看，深部銅礦化的規模明顯大于淺部鉬礦化的規模，反映了高品位銅礦化域的屬性變化性較小，空間相關程度較高，這與原始數據反映的鉬銅礦化空間結構性差異特征相符合。

圖6 空間插值生成的屬性場模型

為了更好地研究富礦體的準確定位及其與成礦相關地質體的空間關聯，本文提取了高品位礦化的等值面作為富礦體的概略模型。圖7反映了研究區鉬和銅的富礦體的空間分布特征：從平面上看，淺部的富礦化（主要為鉬礦化）以X-1號勘探線東北端的4個鉆孔為中心，深部的礦化以X-3號勘探線，西南端為軸線，礦化延伸至相鄰的兩個勘探線見圖7（a）；從垂向上看，除了研究區東北段淺表的鉬礦化外，鉬銅富礦體集中分布于標高700～800 m之間見圖7（b）。盡管銅和鉬礦化在空間中緊密共生，但兩者的空間位置并不完全重合，表現出差異性的礦化分布。由于隱爆角礫巖筒是主要的賦礦空間，本文以隱爆角礫巖的邊界面為參考面，計算各塊段到隱爆角礫巖邊界面的歐氏距離，構建歐氏距離場和指定距離的等值面。圖8（a）展示了距離隱爆角礫巖邊界面50 m緩沖區域與銅鉬富礦體的空間關系，青色曲面封閉的區域代表距離邊界大于50 m的空間，從圖8中可見絕大部分的銅礦體位于封閉曲面內部，而大部分鉬礦體則分布在距離隱爆角礫巖邊界小于50 m的空間區域內。北-東-垂向三個方向的歐式距離場剖面清晰地展現了銅鉬礦化的不同空間分布特征：富銅礦化位于角礫巖中心，富鉬礦化圍繞銅礦體分布，接近角礫巖筒邊界，見圖8（b）～圖8（d）。

圖8 富銅鉬礦化與隱爆角礫巖的空間關系

銅鉬礦化的空間分布特征揭示了銅和鉬元素具有相似的成礦機制和控礦因素組合，因此它們在空間富集產出上表現出了叢聚性；而兩者差異性的礦化分布又揭示了銅和鉬礦化可能是成礦過程不同礦化階段的產物。富鉬礦化與富銅礦化不重合，但圍繞銅礦化分布，這種空間特征應與銅鉬成礦的時間演化順序密切相關。礦床地球化學研究成果揭示礦化存在3個階段：早期是鉬礦化的主要階段，斑巖體內部的流體不斷向上運移，匯集于巖體頂部，隨后超壓流體引發隱爆作用，形成隱爆角礫巖筒。該階段包裹體的特征表明了減壓沸騰作用是該階段鉬沉淀的主導機制[24]，這種減壓的物理條件對應了隱爆角礫巖筒形成后流體壓力的驟降。因此，鉬礦體的空間分布應與隱爆作用的范圍相關，都是圍繞斑巖體分布但離斑巖體中心有一定距離。銅礦化發生在中期，此階段未見沸騰包裹體，銅的沉淀主要與揮發性氣體的逸失相關[24]，銅礦體的分布應接近巖體的中心。晚期礦化未形成具有工業規模的礦體。因此，以上討論解釋了鉬礦化圍繞銅礦化分布的空間特征，也表明了空間分析揭示的礦化分布特征和富集規律不僅能為礦床勘探提供直接的礦體空間定位信息，也能與礦床地球化學的相關成果相互佐證，促進對成礦過程和成礦機制的理解。

4 結 論

1）三維地質模型指示了研究區鉬銅礦化的空間分布和富集特征：規模較大的高品位鉬礦化位于研究區東部100 m以淺的位置，而大規模的高品位銅礦化則分布在研究區南部較深的部位；深部的鉬銅礦化集中于標高700～800 m之間，以X-3號勘探線西南端為中心分布。

2）三維模擬和空間分析揭示了鉬銅礦化既具有叢聚性，又表現出差異性分布的特征：鉬和銅品位數據的方向異質性模式高度吻合，且兩者都具有中等程度的空間相關性，但總體上銅礦化的均勻程度和空間相關性都高于鉬礦化；富銅礦化位于隱爆角礫巖的中心，大部分深部鉬礦體則圍繞富銅礦化分布，集中在距離隱爆角礫巖邊界小于50 m的空間內。以上特征反映了銅鉬礦化具有相似的成礦機制和控礦因素組合，因此在空間產出上表現出叢聚性，但兩者差異性的礦化分布又揭示了銅和鉬礦化可能是成礦系統不同礦化階段的產物，鉬銅礦化的空間關系與兩者成礦時間演化的順序密切相關。

3）本文的研究驗證了三維地質模擬可以精確地刻畫地下復雜礦化空間的形態和屬性分布特征，解析富礦體的空間定位和富集規律，從而為隱伏礦床的勘探和成礦機制的研究提供重要的模型依據和數據參考。