坦桑尼亞納欽圭阿石墨礦三維礦體建模及資源量估算對比*

杜菊民 景永波 陳 誠 陳春生，2 孫 晨 周 傲

（1.江蘇省地質(zhì)工程有限公司；2.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所）

近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，三維地質(zhì)建模在成礦預(yù)測、礦產(chǎn)勘查、資源量估算、數(shù)字礦山建設(shè)等方面得到了廣泛應(yīng)用［1-4］。近年來，坦桑尼亞境內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一系列大型、超大型晶質(zhì)石墨礦［5-6］，納欽圭阿石墨礦即為其中之一。依據(jù)現(xiàn)行一般工業(yè)指標(biāo)，采用傳統(tǒng)的垂直斷面法對該石墨礦進行資源量估算，地質(zhì)工作成果均為平面圖形展示。本次研究基于地形測量、地質(zhì)填圖、工程點測量、槽探及鉆探數(shù)據(jù)，建立了礦區(qū)的三維地質(zhì)模型和塊體模型，并對不同方法估算的資源量進行了對比分析，以期更好地研究礦體空間形態(tài)特征、估算資源量，為后期開發(fā)利用提供基礎(chǔ)。

1 礦床地質(zhì)概況

礦區(qū)內(nèi)地層主要有斜長角閃片麻巖巖組和黑云斜長片麻巖巖組。礦區(qū)分為南北2個礦段，共發(fā)育工業(yè)礦體17條。南礦段礦體露頭發(fā)育，主礦體賦存于含石墨黑云斜長片麻巖中。北礦段覆蓋3~15 m厚的第四系，主礦體賦存于石墨片巖中。礦體與圍巖呈漸變關(guān)系，呈層狀產(chǎn)出。全礦區(qū)估算推斷的石墨礦石量為4 080.33萬t，石墨礦物量為165.10萬t，平均品位為4.05%。南礦段石墨礦物量為112.28萬t，平均品位為4.15%；北礦段石墨礦物量為52.81萬t，平均品位為3.84%。

2 三維地質(zhì)建模

傳統(tǒng)地質(zhì)工作將三維的地質(zhì)信息進行二維投影，制作各類平面圖件，滿足一般地質(zhì)工作要求，但存在三維空間信息表達能力不足，難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)更新等缺點。礦區(qū)三維地質(zhì)模型的建立和模擬，可以對礦體的空間分布有更直觀的認(rèn)識，更準(zhǔn)確地估算資源量，為后期礦山勘查、開采設(shè)計、資源量動態(tài)管理、礦山數(shù)據(jù)化建設(shè)等方面工作提供基礎(chǔ)［7-8］。

本次建模過程基于國產(chǎn)三維地質(zhì)軟件3DMine平臺，基本流程是先建立礦區(qū)的地表DTM模型、地層地表模型，準(zhǔn)確掌握礦區(qū)地層走向特征；再建立鉆孔數(shù)據(jù)庫，手工或自動圈定礦體輪廓線；通過輪廓線連接或外推三角網(wǎng)，構(gòu)建礦體三維實體模型；通過鉆孔數(shù)據(jù)庫，生成組合樣品點；最后建立礦體塊體模型，創(chuàng)建搜索橢球體，通過距離冪次反比法對塊體進行賦值，進行資源量估算。

2.1 地表DTM模型

數(shù)字地面模型簡稱DTM模型，由一系列點或線聯(lián)接成不封閉的三角面，形象模擬了礦區(qū)的地形特征，也可以用來模擬斷層等構(gòu)造，是后期建模的基礎(chǔ)之一。利用礦區(qū)地形測量數(shù)據(jù)，如等高線數(shù)據(jù)，通過工具菜單中的屬性數(shù)學(xué)計算，將高程數(shù)據(jù)賦給等值線屬性Z值，利用表面菜單中的生成DTM表面功能，即可生成礦區(qū)的地表DTM模型（圖1）。

2.2 地層表面模型

地層表面模型可以直觀顯示各套地層在地表的展布。平面的地質(zhì)界線或者地質(zhì)區(qū)文件導(dǎo)入軟件，通過表面菜單中的閉合線裁剪DTM功能，或者DTM分離表面功能，即可生成地層表面模型（圖2）。

2.3 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建立

地質(zhì)數(shù)據(jù)庫用于存儲、管理各類探礦工程及相關(guān)分析測試數(shù)據(jù)，不同的三維地質(zhì)建模平臺有不同的格式要求［9-10］。本次工作基于3DMine軟件要求，整理了定位表、測斜表、巖性表和分析表，導(dǎo)入地質(zhì)屬性數(shù)據(jù)庫。探槽可以作為特殊形式的鉆孔錄入。定位表包括工程的孔口位置、深度、類型等信息；測斜表記錄工程的測斜信息；巖性表記錄沿工程的巖性變化，分析表記錄樣品分析測試結(jié)果。本次研究共整理13個鉆孔及探槽、1 025件化學(xué)分析樣品數(shù)據(jù)。通過個性化顯示，展示沿孔跡線的巖性、品位等信息，有助于礦體形態(tài)的理解，圈定礦體或礦化域輪廓（圖3）。

2.4 礦體輪廓線圈定

根據(jù)鉆孔品位數(shù)據(jù)，結(jié)合地層、巖性、構(gòu)造以及礦體產(chǎn)狀等地質(zhì)特征，首先在鉆孔菜單下，通過手工或品位約束圈定符合一般工業(yè)指標(biāo)要求的礦體截面，再在剖面模式下，依據(jù)實際的勘探線網(wǎng)度及外推準(zhǔn)則，圈定剖面上的礦體、夾石的輪廓線（圖4）。

2.5 實體模型創(chuàng)建

實體模型是一組封閉、中空的三角網(wǎng)，用來描述物體在三維空間中的輪廓，具有固定的體積。礦體的三維實體模型可以直觀的展示礦體的空間分布形態(tài)，檢驗礦體圈定的合理性。通過實體工具，連接或外推各剖面上的礦體輪廓線，可生成礦體實體模型。納欽圭阿石墨礦南礦段礦體三維實體模型見圖5。

3 距離冪次反比法估算

納欽圭阿石墨礦體呈層狀產(chǎn)出，工程間距大，樣品數(shù)量少，因此采用距離冪次反比法進行資源量估算，即按照距離越近權(quán)值越大的原則估計空間樣品品位，再通過塊體約束等方式進行資源量估算。

3.1 組合樣品

樣品組合是將空間上長度不等的樣品量化到等長的離散點，以保證參數(shù)統(tǒng)計的無偏估計。基于建立好的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，先按原樣長度提取樣品數(shù)據(jù)，并進行基本統(tǒng)計，確定代表性樣長、處理特高品位等。本研究按照2 m的樣長進行樣品組合，可以得到組合樣品空間分布的線文件，在資源量估算時調(diào)用。

3.2 創(chuàng)建塊體模型

塊體模型又稱為塊模型或品位模型，即根據(jù)礦體的空間形態(tài)，按一定的塊體尺寸將礦體實體模型的空間區(qū)域劃分為一系列小塊體，塊體模型屬性記錄在塊體質(zhì)心點上，可以添加礦巖類型、礦種、品位、體積質(zhì)量、資源類別等屬性。塊體尺寸的選定取決于礦體的類型、規(guī)模和采掘方式。本次研究設(shè)置塊體尺寸為10 m×10 m×2 m，次級模塊大小為5 m×5 m×1 m，塊體尺寸越小，估算越精細，計算量越大（圖6）。

3.3 估值參數(shù)設(shè)置

因為石墨礦品位變化系數(shù)小，因此距離冪次反比法進行估值時冪次選為2次。搜索橢球體參數(shù)設(shè)置中，主軸搜索半徑一般設(shè)為剖面上最小工程間距的2~3倍，主軸方位角即礦體走向，主軸傾伏角指礦體傾伏角度；主軸/次軸比為礦體走向長度與傾向?qū)挾戎龋鬏S/短軸比為礦體長度與厚度之比。本次研究采用的估值參數(shù)見表1。

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搜索橢球體形態(tài)需與礦體形態(tài)一致，才能正確進行品位估值（圖7）。第一次估值不一定能將全部塊體估值，需調(diào)整參數(shù)進行多次估值，如成倍放大搜索半徑、減少最少樣品數(shù)等，直到礦體內(nèi)部所有塊體估值完成。

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3.4 資源量報告

在塊體估值完成后，可以方便地進行資源量管理、礦體品位區(qū)間分布展示。通過塊體菜單的報告功能，采用不同的條件約束，可以生成多種需求的報告，如不同實體、閉合線臺階、噸位品位分布圖等。以礦區(qū)南礦段I1主礦體為例，其不同中段資源量及品位見表2，礦體塊體模型據(jù)品位著色效果見圖8。

4 估算結(jié)果對比

對比研究距離冪次反比法、傳統(tǒng)垂直斷面法及基于三維模型的垂直斷面法3種不同估算方法在礦體的體積、品位、資源量方面的差別。以I1主礦體為例，其結(jié)果見表3。礦石量方面，傳統(tǒng)剖面法使用公式計算的體積為近似值，而三維軟件計算的體積更為精確［11］，而距離冪次反比法與三維實體模型計算出的體積差異來源于邊部塊體的劃分。品位估值方面，距離冪次反比法估算的平均品位與傳統(tǒng)剖面法相對誤差為-7.81%，這是由于傳統(tǒng)剖面法用單工程、面積、體積加權(quán)平均而來的品位替代整個塊段的品位，而沒有考慮品位在空間距離上的變化。礦物量方面，距離冪次反比法與傳統(tǒng)剖面法估算結(jié)果相對誤差為-3.64%，顯示了較好的一致性。

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5 結(jié)論

根據(jù)納欽圭阿石墨礦的地形地質(zhì)圖、鉆孔測斜、分析測試等數(shù)據(jù)，基于3DMine軟件平臺，構(gòu)建了該礦的地表模型、地層表面模型、礦體實體模型及鉆孔數(shù)據(jù)庫，直觀、準(zhǔn)確地展示了礦體的空間形態(tài)特征。在礦體實體模型和鉆孔數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立了塊體模型，采用距離冪次反比法進行品位估值和資源量估算。

距離冪次反比法資源量估算結(jié)果與垂直斷面法相對誤差較小，表明模型估算結(jié)果較為可靠。通過模型約束功能，可以快速實現(xiàn)不同空間、品位區(qū)間資源量的自動化估算。三維地質(zhì)模型的建立，為礦山的進一步勘查、開采、資源量動態(tài)管理及數(shù)字化礦山建設(shè)提供了高效、科學(xué)的應(yīng)用基礎(chǔ)。