膠西北金礦集區紅布金礦床三維地質模型與成礦過程數值模擬研究

關鍵詞：三維地質模型；紅布金礦床；隱式建模；成礦過程；數值模擬；找礦勘探；找礦靶區中圖分類號：TD11P618.51 文章編號：1001-1277（2025）08-0086-06文獻標志碼：A doi：10.11792/hj20250816

引言

礦床三維模型是“數字礦山\"的基石，同時也是礦床的數字化呈現，其為可視化研究、三維成礦預測及成礦過程數值模擬等提供了有力保障[1-3]。目前，已有多家礦山企業建立了礦床三維模型，實現了礦山數字化管理，顯著降低了生產成本，提高了經濟效益。眾多找礦實踐表明，基于三維地質模型進行三維成礦預測研究能夠有效輔助已開發礦床深邊部及外圍的找礦勘探工作。

目前，三維地質建模方法可分為2類：顯式建模方法和隱式建模方法。其中，顯式建模方法在礦業工程、巷道設計等領域應用廣泛，該方法具有較強的可控性，主要依賴人工手動操作，在工業設計中表現出明顯優勢；而隱式建模方法則主要用于地質體建模和地下三維空間可視化，迭代速度快，能夠有效融合多源地質數據，在地質勘探和地質學理論研究方面具有顯著優勢。

隨著計算科學的快速發展，數學地質學理論與方法也取得了顯著進展，被廣泛應用于礦床學研究，如成礦預測[4-5]、大數據與機器學習[6]、成礦過程數值模擬[等。與其他方法不同，數值模擬方法主要用于對地質過程進行定量化和可視化研究。礦床的形成過程通常可以分解為多個物理或化學過程，通過模擬這些過程，以定量的形式刻畫成礦流體遷移、礦化形成、巖石性質變化等關鍵環節，從而為解決礦床學中的熱點問題提供答案。

紅布金礦床為膠西北金礦集區內的典型金礦床。近年來，隨著生產開采，淺部礦體逐漸枯竭，加之地質構造復雜，隱伏礦體找礦難度日益增大，礦山保有儲量嚴重不足，亟需通過成礦理論創新和勘查技術進步來延長礦山服務年限。本文結合隱式建模方法，采用Geomodeller軟件，融合多源地質數據，建立紅布金礦床精細三維地質模型。基于該模型，對成礦過程進行了數值模擬研究，初步確定了潛在找礦靶區，這對后期實現資源接替、提高開采效率具有重要意義。

1 地質背景

膠東半島地處華北克拉通東緣，郯廬斷裂帶東側，大別—蘇魯超高壓變質帶西側[8-9]。該區域可劃分為膠北地體和蘇魯地體，二者以北東向展布的五蓮一煙臺斷裂為構造邊界[10]。其中，膠北地體以前寒武紀基底巖石為主體，主要包括膠北隆起和膠萊盆地2個部分；蘇魯地體則以超高壓變質巖塊為典型特征，主要為威海隆起（見圖1）。該區作為燕山運動期突發性成礦作用的代表性區域，構成了中國金礦資源空間分布的核心密集區。膠西北金礦集區位于膠北隆起，是中國最重要的金礦集區之一，其黃金資源不僅集中且成礦過程復雜。

Fig.1Regional geologyand distribution of gold deposits in the Jiaodong Peninsula

紅布金礦床地處新城金礦床的紅布礦段，是焦家金礦田內獨具特色的一類金礦床（見圖2）。與典型的構造蝕變巖型金礦床不同，其礦體主要賦存于斷裂兩側的花崗質巖系中，受高密集節理裂隙系統控制，形成以細脈狀、網脈狀結構為主的礦化[11-15]。含礦圍巖組合以玲瓏花崗巖和郭家嶺花崗閃長巖為主體。成礦構造系統受控于三大構造：河西斷裂、焦家斷裂及侯家斷裂。斷裂內發育多類構造巖，自主裂面向兩側呈現近似對稱的帶狀分布，典型代表有糜棱巖、碎裂巖和碎裂狀構造巖，主導了焦家、新城等大型金礦床的成礦格局。礦區內工業礦體主要為河西帶Ⅱ號礦體，其儲量占比達礦區總儲量的 90% 以上，空間定位受河西斷裂主裂面下盤控制，形態呈現脈狀-透鏡狀復合樣式。

2 三維地質建模

當前，三維地質建模軟件種類繁多，但建模方法主要可分為2類，即顯式建模方法與隱式建模方法。由于紅布金礦床原始數據類型豐富，為較好融合多元地質信息，提高建模效率，利用Geomodeller軟件，采用隱式建模方法，在融合地質圖件、鉆孔數據、遙感數據等多源地質數據的基礎上建立了紅布金礦床三維地質模型（見圖3）。該地質模型主要包含第四系、黃鐵絹英巖化花崗質碎裂巖、二長花崗巖、輝長巖、黃鐵絹英巖質碎裂巖及總三維模型。該三維地質模型能夠很好展示三維地質構造、各巖體空間位置及互相的接觸關系，進而為成礦過程數值模擬、找礦勘探等研究提供有利信息。

圖2紅布金礦區地質簡圖[16]

Fig.2Geological sketch map of theHongbu Gold Deposit

3成礦過程數值模擬

常規數值模擬研究可以分為3個步驟，即概念建模、數值建模、模擬設計。前人研究表明，數值模擬可以在礦產勘查中有效發揮作用[9-10]。第一步是概念建模，分解礦床的形成過程，確定參與形成礦床的物理、化學過程，為數值模擬建立目標礦床的二維或三維簡化模型。第二步是數值建模，基于一系列控制方程來表達這些物理、化學過程（本文主要涉及熱傳導、化學反應、流體遷移）。第三步是模擬設計，確定相關參數，綜合分析模擬結果，得出結論。

圖3紅布金礦床三維地質模型Fig.33D geological model of theHongbuGoldDeposit

3.1 概念建模

前人研究表明，玲瓏花崗巖于 155.0～155.8M a形成，導致大規模的鉀長石蝕變[13]。郭家嶺花崗閃長巖在 125～130Ma 侵位后，分化的巖漿熱液沿區域斷裂運移，引起強烈的水巖反應，形成黃鐵礦-絹云母蝕變帶。此后，成礦流體繼續沿斷裂運移，在黃鐵礦-絹云母蝕變帶沉淀成礦，形成大規模金礦化（形成年齡為 120Ma±5Ma 。膠西北金礦集區現有地表上覆剝蝕單元厚度約為 5000m^[14-15] 。紅布金礦床中的金主要以不可見金的形式存在于黃鐵礦晶隙或包裹在黃鐵礦中，黃鐵礦與金具有空間相關性。因此，對紅布金礦床三維地質模型進行剖切，生成1條貫穿主要地質體的剖面（見圖2、圖4）用于數值模擬，并建立黃鐵礦捕獲金的數值模型，基于此定量描述金的富集沉淀過程。

圖4用于模擬的簡化剖面（僅保留圍巖、黃鐵絹英巖質碎裂巖、河西斷裂）

Fig.4Simplifiedprofileused formodeling（onlyincludingsurroundingrock，pyrite-sericiticcataclasite，and theHexi fault）

3.2 數值建模

紅布金礦床的形成受到一系列物理、化學過程控制，本文主要討論熱傳導、流體遷移、化學反應等過程[16-18]

3.2.1 熱傳導

熱過程是與巖漿-熱液相關成因礦床的關鍵控制因素之一，主要以熱傳導的形式發揮作用。地表溫度固定為標準大氣壓下的室溫 （20% ，模型初始溫度計算方法見式（1）。

T=T₀-zG_T

式中： T 為模型初始溫度 （%）：T₀ 為地表溫度 為三維模型的深度 （m） G_T 為地溫梯度（ ^°C/m 。

模型上邊界增加了 5000m 厚的上覆剝蝕單元，用以恢復成礦時期的地質環境。此外，下列方程用來描述模型內部的能量交換與溫度變化：

（ρC_p）_eff=θ_sρ_sC_p，s+ε_pρ_fC_p，f

k_eff=θ_sk_s+ε_pk_f+k_disp

式中 ：ρ 為材料密度 （kg/m³） C_p 為材料比熱容 （J/（kg?K）） ；（ρC_p）_eff 為有效體積熱（J）； Φ_t 為時間（a）； ρ_f 為流體密度 kg/m³ ）； 為流體比熱容 J/（kg?K） ）； u 為流體速度 （m/s ）； ?T 為溫度變化量 （C）：q 為熱傳導通量 ΔW/m² ）； Q 為熱源（J）; θ_s，ε_p 為不同材料孔隙度；ρ_s 為地層密度 （kg/m³ ; C_p， ，為地層比熱容 （J/（kg?K） ）；k_eff 為有效熱通量（ W/m² ） k_s 為地質體導熱率 （W/（m?K） ）；k_t 為流體導熱率 W/（m?K） ） k_disp 為熱耗散率（ W/（m?K） ）

3.2.2 流體遷移

基于描述模型空間內初始壓力及流體行為，滲透率和孔隙度的動態變化可以用改進的Kozeny-Carman方程[9]進行描述。相關計算方法見式 （5）～（8） U

P=P₀-zG_p

式中： P 為壓力 （Pa）;P₀ 為地表壓力 為地壓梯度（ Pa/m ）； ε 為孔隙度； q_f 為多孔介質中流體通量 （m³/s）：Q_m 為質量 （kg）;k 為巖石滲透率 （m²）：μ 為熱液黏度 （Pa?s）;g 為重力常數，取 9.8m/s²;k₀ 為巖石初始滲透率 （m²）;ε₀ 為巖石初始孔隙度。

3.2.3 化學反應（金礦化的形成）

紅布金礦床中金的形成過程與黃鐵礦密切相關。因此，金礦化的形成過程可以用式（9）～（11）進行描述。

FeS₂+Au_nano?FeS₂（Au_nano）

式中： Au_nano 為存在于黃鐵礦晶體間隙或被其包裹的金； R_i 為全局反應速率（ mol/s ） v_ij 為化學計量系數；r_j 為化學反應速率（ molΩs \" k_j^f 為正反應速率常數； i 為化學計量個數； c_i 為反應物濃度 （mol/m³ ）。

3.3 模擬設計

前人研究表明，膠西北金礦集區金成礦的化學反應溫度為 225^°C～400^°C. 集中于 240^°C～315^°C^[20-21] 因此，模型的初始溫度設置為 410^°C 。模型中 FeS₂ 和Au的初始濃度均設置為 0.2mol/m³ 。模型的計算時長設置為 10000a ，時間步長設置為 5a ，整個模型設置為瞬態。本文數值模擬應用的紅布金礦床相關巖石物性參數見表1。

表1紅布金礦床相關巖石物性參數

Table1Physical parameters of rocks related to theHongbu Gold Deposit

3.4 模擬結果

3.4.1 金礦化空間分布

隨著模型溫度降低，剖面中逐漸開始形成金礦化，金礦化主要沿黃鐵絹英巖質碎裂巖形成（見圖5），但并未擴散到圍巖中，表明金礦化與黃鐵絹英巖質碎裂巖在空間上強相關。這與紅布金礦床實際的金礦化空間分布機制吻合。本文中的反應物濃度為估計值，因此，生成物（金礦化）濃度用“富集程度”來形容更為貼切，其數值本身并無實際意義，但其相對大小與高值區空間分布可用來表達模型中金礦化的富集程度。金礦化的高值區從模型頂部延伸至 -1100m ，揭示了在紅布金礦床西北部外圍深邊部存在一定成礦潛力，為后期找礦勘探提供了有利信息。

圖5金礦化形成過程數值模擬結果

Fig.5Numerical simulationresultsof goldmineralization

3.4.2 成礦時間尺度

通過對比不同時間的金礦化空間分布結果，可以發現金礦化空間分布在 2000～2500 a的變化十分微弱，區域內的生成物富集程度并未進一步增加。由此可以推斷，單次降溫過程中能夠支撐成礦化學反應順利進行的溫度 240^°C～315^°C 僅能維持 2500a 。雖然這一結果僅僅是單一成礦期次的持續時間，但即便是發生了多期成礦活動，總的成礦活動仍非常迅速，成礦時間尺度在萬年至十萬年。該結果與近年來的高精度地質年代學研究結果一致，遠遠小于常規定年研究的百萬年尺度。

綜上所述，通過建立紅布金礦床三維地質模型及對成礦過程進行數值模擬，初步確定了深邊部找礦靶區，這不僅有利于降勘探成本，明確下一步找礦勘探方向，還對實現資源接替、提高開采效率具有重要意義。

4結論

1）建立了紅布金礦床三維地質模型，該模型能夠直觀、有效展現地質體三維結構，形成地質體的直接認識，從而為后期成礦預測、數值模擬研究提供模型基礎，進而推動深部與外圍找礦勘探工作。2）通過成礦過程進行數值模擬，認為紅布金礦床西北部外圍深邊部存在一定成礦潛力，為后期找礦勘探提供了有利信息。3）紅布金礦床單期成礦作用持續時間不超過2500a，該結果能夠為成礦時間尺度提供約束。

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3D geological modeling and numerical simulation of the ore-forming process in the Hongbu Gold Deposit， Northwest Jiaodong gold province

Zhang Qing1，2， Peng Yongming2， Zhao Xianyong2， Yu Wenhao2 （1.Collegeof Earth Science and Engineering，Shandong University of Science and Technology;

2.Xincheng Gold Mine， Shandong Gold MiningCo.，Ltd.）

Abstract： As one of the most important gold provinces in China，the Northwest Jiaodong gold province is characterizedbyhighlyconcentrated gold resources and complex metallogenic processes.The Hongbu Gold Depositisa typical representative within thisarea.In recent years，with continuous mining activities，shallow orebodies have gradually become depleted，creating anurgent need to extend the mine’sservicelife through inovations in metallgenic theory andadvancements in exploration technology.By integrating multi-source geologicaldataandapplying implicit modeling techniques，a 3D geological modelof the Hongbu Gold Deposit was established.Based on this model，the ore-forming processwas numerically simulated through conceptual modeling，numerical modeling，and simulation design.The results suggestthatthe deeppartand peripherals in the northwestof the Hongbu Gold Deposit show certain metallogenic potential.The duration of a single mineralization event does not exceed 2 5OO a，which provides constraints on the metallgenic timescale.This research can effctivelyreduce exploration costs，clarifyfutureexploration directions，and offer guidance for identifying substitute resources in similar deposits.

Keywords： 3D geological model; Hongbu Gold Deposit;implicit modeling; ore-forming proces; numerical simulation; mineral exploration; exploration target area