3DMine軟件在仁里礦區(qū)鈮鉭礦體三維地質(zhì)模型中的運(yùn)用

柳清琦，黃小強(qiáng)

（湖南省地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查監(jiān)測所，湖南 長沙 410100）

三維地質(zhì)建模（3D geosciences modeling），就是在三維環(huán)境下，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)將空間信息管理、地質(zhì)解譯、空間分析和預(yù)測、地學(xué)統(tǒng)計(jì)、實(shí)體內(nèi)容分析以及圖形可視化等工具結(jié)合起來，用于地質(zhì)研究的一門新技術(shù)。本質(zhì)上是充分綜合利用地質(zhì)勘探、地球物理、地球化探、遙感等地質(zhì)資料，以專家對區(qū)域地質(zhì)的認(rèn)知為指導(dǎo)，利用GIS、圖形圖像和科學(xué)計(jì)算可視化等現(xiàn)代信息技術(shù)，在三維地質(zhì)空間內(nèi)建立和表達(dá)地質(zhì)體的空間形態(tài)、內(nèi)部物理化學(xué)性質(zhì)等要素的一種地質(zhì)信息模型，是對傳統(tǒng)二維地質(zhì)圖的發(fā)展和替代。三維模型能夠完整準(zhǔn)確地表達(dá)各種地質(zhì)現(xiàn)象，是三維預(yù)測的基礎(chǔ)所在[1]。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，一批基于三維可視技術(shù)和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的大型礦業(yè)軟件已研發(fā)成功并得以推廣。本次研究利用3DMine三維可視化軟件建立了仁里礦區(qū)鉭鈮多金屬礦體和地層的三維實(shí)體模型和塊體模型，并進(jìn)行礦體空間變化結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合三維建模結(jié)果和鈮鉭礦體空間變化結(jié)構(gòu)，總結(jié)礦體空間分布規(guī)律[2]，為礦區(qū)找礦預(yù)測提供依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

仁里鈮鉭礦床位于幕阜山巖體西南緣內(nèi)外接觸帶附近（圖1）[3]，處于湖南省平江縣北東方向30 km處，礦區(qū)面積33.15 km2，區(qū)內(nèi)出露地層主要為新元古界冷家溪群云母片巖，出露巖漿巖主要為燕山期幕阜山復(fù)式巖體的西南緣部分，以黑云母二長花崗巖為主，礦區(qū)構(gòu)造主要以NE向（或NNE向）構(gòu)造為主，復(fù)合改造NW向及近EW向構(gòu)造，NE向（或NNE向）和NW向（或近EW向）構(gòu)造呈現(xiàn)立交橋式的構(gòu)造格局，控制了花崗巖和偉晶巖的分布[4]。

圖1 仁里礦區(qū)地質(zhì)簡圖[3]Fig.1 Geological map of Renli mining area[3]

礦區(qū)勘查工作自2012年7月啟動，完成槽探 11 963.5 m3、鉆孔 9 220.37 m。五氧化二鉭資源量達(dá)到了超大型礦床規(guī)模。目前礦區(qū)只控制了14條主要礦脈，勘查程度較低，找礦潛力仍然很大。仁里礦床受大型層狀構(gòu)造及燕山期巖漿巖聯(lián)合控制，探明的鉭資源量在全國花崗偉晶巖型鉭礦中居首，是我國已報(bào)道所有鉭鈮礦床中品位最高的鉭礦床[5]。礦床綜合利用價(jià)值高，具有品位富，厚度大，易選冶，富含長石、云母、石英等非金屬礦產(chǎn)，無尾礦，綠色環(huán)保等特點(diǎn)，綜合利用價(jià)值高，其潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值超過1 500億元[6]。湖南省平江縣仁里發(fā)現(xiàn)超大型鈮鉭多金屬礦項(xiàng)目成果被中國地質(zhì)學(xué)會評為2017年度全國十大地質(zhì)找礦成果。

2 三維地質(zhì)建模

3DMine礦業(yè)軟件是由北京三地曼礦業(yè)軟件科技有限公司開發(fā)，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的軟件系統(tǒng)。3DMine礦業(yè)軟件采用國際上先進(jìn)的三維引擎技術(shù)，是全中文操作的國產(chǎn)化礦業(yè)軟件系統(tǒng)。

3DMine集成了三維可視化、編輯工具、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、地質(zhì)建模、測量數(shù)據(jù)、儲量估算、采礦設(shè)計(jì)、境界優(yōu)化、炮孔設(shè)計(jì)、進(jìn)度計(jì)劃、打印制圖等應(yīng)用模塊，它廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、測量、采礦和生產(chǎn)管理等方面，為礦山資源管理、資源開采效率管理和生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理提供技術(shù)支持服務(wù)[7]。

2.1 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設(shè)與樣品統(tǒng)計(jì)

2.1.1 鉆孔數(shù)據(jù)收集與處理

本次平江縣仁里礦區(qū)數(shù)據(jù)庫建庫共收集到22個鉆孔、50個槽探數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)大都以原始數(shù)據(jù)的形式存在，包括孔口坐標(biāo)、測斜、巖性、樣品分析結(jié)果等信息，信息內(nèi)容可以滿足地質(zhì)數(shù)據(jù)建庫的要求。

數(shù)據(jù)錄入在Excel中的好處：（1）可對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，方便檢查；（2）3DMine地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)庫可以直接接收Excel的文件；（3）便于數(shù)據(jù)編號的自動生成。

2.1.2 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建

將數(shù)據(jù)整理完成后，在軟件3DMine中，接如下流程進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入：鉆孔→鉆孔數(shù)據(jù)庫→新建數(shù)據(jù)庫并保存→彈出數(shù)據(jù)庫管理→導(dǎo)入Excel把檢驗(yàn)出的錯誤一一改正，再將改正錯誤后的文件導(dǎo)入，就創(chuàng)建出了鉆孔數(shù)據(jù)庫。

通過對仁里礦區(qū)鉆孔、探槽數(shù)據(jù)的清理，并按照3DMine中鉆孔數(shù)據(jù)庫的建設(shè)要求，將原始探礦工程數(shù)據(jù)分成定位表、測斜表、巖性表和化驗(yàn)表，然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入3DMine鉆孔數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過反復(fù)檢查修正，最終建立仁里礦區(qū)三維鉆孔模型（圖2）。

圖2 仁里礦區(qū)三維鉆孔模型Fig.2 3D drilling model of Renli mining area

2.2 仁里礦區(qū)三維地質(zhì)建模

缺少地形模型的三維礦山模型是不完整的。三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型建設(shè)的前提是能夠準(zhǔn)確、齊全地反映地質(zhì)事實(shí)的地質(zhì)信息。本次研究三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型建設(shè)需要確定二維地質(zhì)平面要素、地形要素、鉆孔要素等作為三維地質(zhì)建?；鶞?zhǔn)要素（表1），對這些基準(zhǔn)要素進(jìn)行整理分析、格式轉(zhuǎn)換和三維定位，在空間實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)要素的集成定位和表達(dá)，這是繪制和檢驗(yàn)平行剖面的基礎(chǔ)[8]。

表1 仁里礦區(qū)三維地質(zhì)建?；鶞?zhǔn)要素表Table 1 Datum elements of 3D geological modeling in Renli mining area

2.2.1 仁里礦區(qū)三維地層建模

區(qū)內(nèi)出露地層簡單，主要為新元古界冷家溪群坪原組（Pt2p1）云母片巖，在礦區(qū)中、南部廣泛出露，呈薄層狀。在生成地表形態(tài)的DTM模型之前，常用的方法有等值線賦高程、直接單線賦高程和最近點(diǎn)賦高程[9]。為了減少工作強(qiáng)度，原始底圖采用仁里礦區(qū)已有1:1萬地形圖，經(jīng)過MapGIS 6.7軟件將地層及等高線等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并導(dǎo)入3DMine中，利用“線賦高程”進(jìn)行等高線賦值，生成地表形態(tài)的DTM模型（圖3）。

圖3 仁里礦區(qū)地表模型效果圖Fig.3 Effect drawing of surface model of Renli mining area

2.2.2 地質(zhì)剖面擬合

根據(jù)仁里礦區(qū)三維地質(zhì)模型建模精度要求，基于三維地質(zhì)建模基準(zhǔn)要素，利用CAD將原始地質(zhì)剖面MapGIS剖面圖轉(zhuǎn)換成DXF文件，導(dǎo)入3DMine中，一方面，可以用來查驗(yàn)剖面是否與地形吻合；另一方面，原始地質(zhì)剖面要素涵蓋地層、構(gòu)造和巖體信息，為建立三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型奠定基礎(chǔ)（圖4）。

圖4 仁里礦區(qū)剖面擬合效果圖Fig.4 Profile fitting effect of Renli mining area

2.3 仁里礦區(qū)礦體三維地質(zhì)建模

本次礦體三維地質(zhì)建模主要以2-1、2-2和5-2號 3個主礦體為例。

對3條主礦體的原始資料收集進(jìn)行及數(shù)據(jù)分析，梳理了仁里礦區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的地層單元，根據(jù)建模所采用的地質(zhì)圖比例尺為1∶1萬，確定了地質(zhì)模型的精度級別為系統(tǒng)級。參考綜合柱狀圖及17條實(shí)測地質(zhì)剖面圖，結(jié)合野外項(xiàng)目組成員的理解和修正，并按照3DMine軟件的要求，通過提取分類賦值、連接三角網(wǎng)、實(shí)體建模、優(yōu)化論證等過程，初步構(gòu)建了仁里礦區(qū)礦體三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型（圖5）。這些模型均可以進(jìn)行縮放、體積計(jì)算，為后續(xù)仁里礦區(qū)找礦預(yù)測工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖5 仁里礦區(qū)2-1、2-2和5-2號礦體模型Fig.5 Model of orebodies No.2-1, No.2-2 and No.5-2 in Renli mining area

2.4 仁里礦區(qū)三維塊體模型建設(shè)

本次研究塊體模型的建模范圍是2-1、2-2和5-2號3條主礦體，建模流程基本一致，這里以5-2號礦體為例。

2.4.1 塊體模型的確定

塊體模型是成礦預(yù)測及成礦信息統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)，塊體模型的基本思想是將礦體模型在三維空間內(nèi)按照一定的尺寸劃分為眾多的單元塊體，然后對填滿整個礦體范圍內(nèi)的單元塊根據(jù)已知的樣品點(diǎn)進(jìn)行賦值，開展品位預(yù)測，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行儲量估算。

在3DMine中，可以根據(jù)礦體模型，自動生成塊體模型（圖6）。

圖6 仁里礦區(qū)5-2號礦體塊體模型Fig.6 Block model of No.5-2 ore body in Renli mining area

這里生成的塊體只是覆蓋了礦體，不具備任何屬性，為開展下一步工作，還需對塊體模型進(jìn)行新建屬性并賦值。

2.4.2 塊體賦值

在3DMine中塊體賦值的方法有多種，如單一賦值、部分百分比賦值、多邊形賦值、距離冪次反比賦值和普通克里格賦值等，本次采用的是距離冪次反比賦值。

根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)資料對礦體的揭露，特別是勘探線的分布，結(jié)合礦體的形態(tài)、走向、傾角和空間分布特征確定了建模的范圍和基本參數(shù)。本次5-2號礦體共估算塊體數(shù)229 919個，顯示671 374 個面（圖7）。

圖7 仁里礦區(qū)5-2號礦體約束后賦值塊體模型Fig.7 Block model of constrained assignment of No.5-2 orebody in Renli mining area

2.4.3 全局驗(yàn)證

在3DMine中為檢查賦值是否合理，全局驗(yàn)證的方法有2種：

（1）通過單元素驗(yàn)證，必須具備勘探線、塊體模型、參與賦值組合樣品點(diǎn)；

（2）將礦體品位分別著色，運(yùn)用創(chuàng)建→剖面→切割剖面→選擇“切割塊體”→打印品位并設(shè)置。

本次驗(yàn)證5-2號礦體，采取的是第2種方法。通過與實(shí)測地質(zhì)剖面進(jìn)行對比，品位信息基本一致，故本次賦值方法和結(jié)構(gòu)合理且可信（圖8）。

圖8 仁里礦區(qū)16線5-2號礦體塊體切割剖面圖Fig.8 Block cutting section of No.5-2 orebody on line 16 in Renli mining area

在3DMine中，通過三維建模，估算2-1號礦體體積為 966 766 m3，2-2 號礦體體積為 3 147 940 m3，5-2 號礦體體積為 3 969 609 m3，與2017年提交的《湖南省平江縣仁里礦區(qū)鈮鉭多金屬礦普查階段性成果報(bào)告》[10]中體積接近（階段性成果報(bào)告2-1號礦體體積為894 705 m3，2-2 號礦體體積為 2 835 577 m3，5-2 號礦體體積為 3 799 831 m3）。

3 仁里礦區(qū)三維找礦預(yù)測

根據(jù)野外工作開展情況及三維證據(jù)權(quán)法，依據(jù)成礦要素模型，賦予仁里礦區(qū)塊體模型中的每個體元相應(yīng)的屬性，利用專家證據(jù)權(quán)法，進(jìn)行三維成礦預(yù)測，預(yù)計(jì)2-2號礦體在0 m標(biāo)高處可新增礦體體積3 364 508 m3，5-2號礦體在-300 m標(biāo)高處可新增礦體體積5 021 043 m3（圖9）。鈮鉭礦礦石密度為2.55 t/m3，2號脈礦體Ta2O5平均品位為0.026%，Nb2O5平均品位為0.037%，則2-2號礦體可新增2 231 t的Ta2O5，Nb2O53 174 t。5號脈礦體Ta2O5平均品位為0.040%，Nb2O5平均品位為0.054%，則5-2號礦體可新增5 121 t的Ta2O5，6 914 t的Nb2O5。

圖9 仁里礦區(qū)2-2和5-2號礦體三維預(yù)測Fig.9 3D prediction of No.2-2 and No.5-2 orebodies in Renli mining area

4 結(jié)論

（1）通過收集整理仁里礦區(qū)近年來勘查取得的地質(zhì)、鉆探等原始資料，在分析研究礦區(qū)鈮鉭礦體特點(diǎn)基礎(chǔ)上，借助3DMine軟件建立了礦區(qū)相應(yīng)的三維實(shí)體模型，并建立了塊體模型，進(jìn)一部完善了稀有金屬成礦模型，為區(qū)內(nèi)礦體連接及找礦預(yù)測工作提供依據(jù)。

（2）根據(jù)建立的塊體模型，結(jié)合有利地質(zhì)信息，開展找礦預(yù)測，得到仁里礦區(qū)深部鈮鉭礦體的預(yù)測結(jié)果，預(yù)測結(jié)果顯示仁里礦區(qū)深部仍有較大找礦潛力。