红透山铜矿外围隐伏矿体三维定量预测

张宝一，吴湘滨，王丽芳，刘文玉，杜 方

(1. 中南大学 有色金属成矿预测教育部重点实验室，长沙 410083；2. 中南大学 地球科学与信息物理学院，长沙 410083)

抚顺红透山铜矿是目前中国东北地区最大的铜矿基地，自1958年开采至今，期间有树基沟、向阳坑和红心坑3个坑口相继闭坑，目前仅有红坑口在正常生产。红坑口已开采21个中段，开拓深度达1 337 m，开采深度达1 257 m，为国内开采深度最大的金属矿山之一。长期大规模开采、找矿工作滞后等导致红透山铜矿资源保有程度严重不足、新增储量青黄不接、资源迅速减少乃至濒临枯竭，是典型的“危机矿山”。

国内外的矿产资源勘查与开发经验表明，“危机矿山”的外围仍然是发现新矿床、扩大资源储量的重要目标区，还有十分可观的资源潜力可挖[1]。2004年，国务院、国土资源部联合启动了“全国危机矿山可接替资源找矿计划”，按照“理论指导、技术优先、探边摸底、拓展外围”的原则，优选出了一批资源潜力较好的大中型矿山，开展矿区深部及外围找矿工作，红透山铜矿就是“全国危机矿山接续资源找矿计划”首批试点项目之一。2008年，国家“十一五”科技支撑计划项目“深采有色金属矿山资源增储与高效利用关键技术研究”在红透山铜矿批准实施，据推测外围的小西堡、黄泥坑地区成矿条件优越，具有巨大的铜源潜力，亟需通过多学科、多技术、多方法联合攻关以获得资源潜力。

现代成矿理论的发展为危机矿山外围隐伏矿体的定量预测奠定了基础，如陈国达[2]提出的“多因复成矿床”的成矿学理论；赵鹏大等[3]提出的“综合地质异常致矿”的理论和方法；程裕淇[4]、陈毓川等[5]、翟裕生[6]提出的“成矿系列”理论；翟裕生[7]提出的“成矿系统”理论；以“相似类比”原理为基础，对矿床找矿标志准则及矿床形成成因机制进行总结的“矿床成矿模式”[8]；通过建立与矿床模型相匹配的矿产勘查模型来开展矿体预测的“找矿模型”[9]等，均提高隐伏矿体定量预测的效果和效益。红透山矿在“全国危机矿山可接替资源找矿计划”实施以来，井下施工巷道累计9 728 m，水平钻深度累计6 100 m，大钻深度累计达6 350 m；物探方面，在红透山矿区黄泥坑、小西堡—西北天地区，开展了大功率电法 GDP−32Ⅱ可控源音频大地电磁法测量(CSAMT)，在找矿有意义的 CSAMT异常地段进行了 EM67型瞬变电磁法(TEM)测量、激电中梯(IP)和高精度磁法(ΔT)等综合方法剖面测量；化探方面开展了黄泥坑—小西堡—西北天1:10 000土壤测量等。加上红透山矿历年积累的地质、物化探、遥感、矿产、储量及开采等数据，总的数据量十分庞大。本文作者基于现代成矿理论和矿产勘查新技术，综合运用各种数量化方法、信息集成技术、3D GIS与可视化技术和空间统计分析工具，对红透山铜矿的大量勘探数据进行了有效集成，探讨综合信息化、定量化和可视化的危机矿山外围隐伏矿体三维定量预测方法。

1 成矿地质特征

抚顺—清原地区是我国典型的太古宙花岗−绿岩地体分布区，绿岩层含矿岩系主要产于钠质花岗岩隆起底辟侵位的向斜褶皱带中，具有铜、锌、金、银、铁等多种矿产[10]。绿岩地层自下而上分为石棚子组、红透山组和南天门组，王松山等[11]应用40Ar/39Ar定年技术测定清原绿岩地层的形成时代可能在 30亿年或稍早一些，属太古代。红透山式铜矿集中产在红透山组上部斜长角闪岩段的“薄层互层带”(黑云斜长片麻岩和角闪斜长片麻岩互层)内，宏观上具有明显的“层控性”特点。

红透山铜矿是受变质改造的海底火山喷气型火山沉积块状硫化物铜锌矿床，简称为“红透山式”铜矿床。万渝生等[12−13]研究表明，清原地区太古宙基底主要由新太古宙岛弧系统火山物质组成，太古宙基底表壳岩系变质原岩主体为拉斑玄武岩、安山岩、英安岩及相应火山碎屑沉积岩，形成于板块汇聚的岛弧环境。频繁的基性火山活动提供的成矿物质来源和适宜的火山间歇沉积环境是红透山式铜锌矿床形成的两个主要条件。块状硫化物矿床赋存在火山沉积建造中绿岩带上部火山岩和沉积岩界面上，区域变质后形成含多矿物集合体的矿化硅线黑云片岩和黑云(金云母)斜长片麻岩。

花岗绿岩地体经历了多期区域变质变形、岩浆侵入及混合岩化作用[14−15]。在区域变质变形过程中矿质产生了局部重熔和富集，使本为层状或透镜状的硫化物矿体产生了差异性的流变，即“变质物理重就位”，形成了厚薄不一形态复杂多变的硫化物矿体[16]。尤其是在叠加褶皱造成的地层转弯部位，易于使原生矿体变形就位和发生成矿组份的局部迁移[10]。顾连兴等[17−18]研究表明，矿石不仅在进变质过程和变质峰期中发生过强烈的机械再活化和重结晶，而且韧性剪切及流体叠加可能促进了退变质塑性变形、二次退火、化学再活化，形成的矿石糜棱岩比块状硫化物矿石明显富集铜、金、银等元素[19]。

2 三维地质建模及可视化

红透山铜矿在历年的勘探和开发过程中积累了海量的地质勘探、物化探、遥感调查、储量计算、开采掘进等基础数据。多年积累的珍贵数据宝藏客观地记录了三维地质空间中矿产资源的定位与分布规律，地质资料的再开发是进一步开展外围找矿工作和扩大资源储量的重要手段。危机矿山的研究、勘探和开发程度较高，地表和浅部易于发现的矿产资源已基本被开发完毕，预测评价对象应以深部和外围隐伏矿体为主，必须开展地学多专业的有效集成和三维空间信息的综合研究[20−21]。论文基于三维地质建模及可视化技术建立了红透山矿及外围的三维地质实体模型和多参数的三维地质空间场模型，对红透山矿历年所积累的大量多专业地学数据进行了有效的集成，为开展三维空间信息的综合研究提供了基础。

三维地质建模是指采用适当的数据结构在计算机中建立起能反映地质构造的形态和各要素之间关系以及地质体物理、化学属性空间分布等地质特征的数学模型[22]。三维地质模型可分为实体模型和场模型[23]：前者将三维地质空间表示为离散的点、线、面及体四类几何实体的组合，侧重于表达地质构造的形态和各要素之间关系，也称为矢量模型；后者则将三维地学空间剖分为规则或不规则的体元构成的连续场，侧重于表达三维地质空间内物理和化学属性参数的空间分布特征，也称为体元模型。三维地质空间既可以用实体模型表示，也可以用场模型表示，两者之间也可以互相转换，采用何种模型要由实际需求来决定[24]。由于实际问题的复杂性，本文作者将这两种模型组合使用，即实体模型用于三维可视化显示，场模型用于空间运算和空间分析。

2.1 三维地质实体建模

使用 SURPAC数字化矿业软件建立了红透山矿及外围的三维实体模型，该软件整合了三维实体和连续场的建模工具，可实现地表面、地质体(包括地层、断层、矿体等)及勘探工程等三维建模及可视化，如图1所示。

1) 地表面模型，由等高线数据使用 Delaunay三角化算法建立地表面TIN模型；

2) 勘探工程模型，收集了包括大钻、穿脉、水平钻等勘探工程的3 190个样品测试数据，并将勘探工程编录数据(包括开孔、测斜及采样)导入SURPAC数据库中；

3) 矿体模型，由平面地质图、中段平面地质图、储量计算地质剖面图上所揭露出的已知矿体轮廓，使用二维轮廓线重构三维表面算法建立矿体表面模型；

4) 断层模型，由平面地质图、中段平面地质图上所揭露出的断层线，使用二维轮廓线重构三维表面算法建立断层表面模型；

5) 地层模型，由平面地质图、中段平面地质图上所揭露出的地层轮廓，使用二维轮廓线重构三维表面算法建立各地层表面(包括红透山组的黑云片麻岩类、角闪片麻岩类以及侵入岩类)模型，如图2所示。

2.2 三维地质空间场建模

实体模型是以TIN面表示的空间闭合实体，仅用于三维可视化显示；在进行矿化分布、地质控矿指标表达时则需要使用体元模型，要建立充满这个三维地质空间的连续场。三维地质空间场是从红透山矿收集到的地质、物化探、勘探数据所覆盖的空间范围，垂向上限为地表面，下限为−1 500 m标高，在统一的三维可视化仿真环境中对多源地学数据进行有效的集成。综合考虑预测精度、勘探程度和矿体形态，将三维地质空间分割为连续场，体元采用10 m×10 m×10 m的立方体，每个体元可以用其中心点坐标P(x, y, z)来表达。建立的三维地质空间场主要包括矿化信息场、地层形态场、断裂影响场和地球物理场，它们是开展矿化分布与地质控矿指标之间的三维定量空间分析的基础。

1) 矿化信息场

图1 三维地质实体模型Fig. 1 3D geological entity model

利用勘探工程的采样数据对矿体内每个体元铜Cu、锌Zn、硫S、金Au、银Ag 5种元素的品位进行估值，采用的估值方法为地质统计学方法和距离反比平方法，距离采样点较远而无法估值体元的品位值用负数−999表示，图3所示为红透山矿铜Cu品位模型。

2) 地层形态场

矿化程度与红透山组的黑云片麻岩类和角闪片麻岩类的空间分布、厚度和形态呈现某种相关关系，其中黑云片麻岩类更是赋矿地层。侵入岩类为区域变质变形提供了热源，使矿质产生了局部重熔和富集，其空间分布也与矿化存在相关性。为了分析地层与矿化空间位置之间的关系，用一个三元组数值变量{Length,Azimuth, Dip}来表达地层形态场模型。对于三维地质空间内任一立方体体元P(x, y, z)，在地层界面上所有点中有一点P0(x0, y0, z0)距离点P最近。则Length定义为点P到P0的距离，约定当点P位于地层内部时取负值，点P位于地层外部时取正值，点P位于地层界面上距离为0；方位角Azimuth定义为向量PP0在水面上的投影与正北方向的夹角，0≤Azimuth＜2π；倾角Dip定义为向量PP0与水平面夹角，并规定向上为正，向下为负，−π/2≤Dip≤π/2。

由地层形态场后两个分量{Azimuth, Dip}确定的向量PP0的方位，可以按照纬向Y分南S和北N，经向X分东E和西W，垂向Z分上U和下D，向量为一个点时则表示为O，由三轴向方向组合将方位划分为27类，如：DES表示向量指向南东、向下倾，ES表示向量近水平指向南东。图4所示为黑云片麻岩类地层内部形态场的方位分类结果。

3) 断裂影响场

断裂与成矿物质活化、运移、沉淀、富集过程有着密切的关系，断裂所导致的成矿构造有利部位更是决定了矿化空间定位形态特征。断裂影响场也是用一个三元组变量{Length, Azimuth, Dip}来表达。对于三维地质空间内任一立方体体元P(x, y, z)，在断层面上的所有点中有一点 P0(x0, y0, z0)距离点 P最近。则Length定义为点P到P0的距离，当点P位于断层面上时距离为0；方位角Azimuth、倾角Dip的定义及方位分类方法与地层形态场类似，如图5所示。

4) 地球物理场

图2 地层实体模型Fig. 2 Strata entity model

图3 Cu品位模型Fig. 3 Cu grade field model

图4 黑云片麻岩类地层内部形态场Fig. 4 Inner shape field model of gneissic rocks involving biotite

图5 断裂影响场Fig. 5 Faults’ effecting field model

矿体与围岩存在明显的电性差异，矿体具有明显的“低阻高极化率”特征，围岩具有“高阻低极化率”特征。由可控源音频大地电磁法(CSAMT)剖面、瞬变电磁法(TEM)剖面，使用地质统计学方法或距离反比加权方法插值得到视电阻率三维连续场模型，图6所示为CSAMT视电阻率三维场模型。

3 三维定量预测

通过三维地质空间场相关分析，提取用于矿化分布预测的定量地质控矿要素指标集，并建立控矿要素与矿化分布间泛函关系的三维预测模型，开展红透山矿外围的矿化三维定量预测与评价。

3.1 地质相关场分析

矿体形成是不同地质过程相互作用和相互影响的结果，连续场不但反映各地质变量的空间异质性，同时也便于考虑它们在空间上与矿体形成的相互作用。判断在三维地质空间中两个或多个地质现象是否相关，如判断矿化与地层、断层、电阻率、地磁场等控矿地质因素是否相关，是成矿预测首要解决的问题。三维地质空间相关场就是分布在同一个三维地质空间区域内的不同地质要素之间的关联关系，它用于分析地质要素在区域分布上的相关程度。由于红坑口资料翔实，地层、断层、矿体空间位置等也都比较清晰，作为已知区，通过统计分析建立预测模型；而黄泥坑和小西堡等外围地区作为未知区，预测隐伏矿体、圈定靶区。

1) 地质变量筛选，通过一元线性回归分析，判断矿化与地质变量的相关关系。也可以根据经验及统计对地质变量进行必要的数值变换，再与矿化进行回归分析。只有回归分析检验通过的地质变量(或转换后的地质变量)才能作为地质控矿要素指标，做到“凡非必要，无需杂陈”。通过对Cu、Zn、S、Au、Ag品位与地质变量的回归分析，得到地质控矿指标包括：①黑云片麻岩类地层形态场BN_Shape，包括距离与方位；②角闪片麻岩类地层形态场 HN_Shape；③侵入岩类地层形态场XP_Shape；④断裂影响场F；⑤可控源音频大地电磁法视电阻率场 CSAMT；⑥瞬变电磁法视电阻率场TEM。

2) 预测模型建立，采用多元线性回归分析方法，确定矿化与地、物、化综合信息的相关关系，以建立隐伏矿体的三维定量预测模型，建立的模型用于预测矿山外围各体元的 Cu、Zn、S、Au、Ag品位。这个过程是转化“数据”为“信息”和“知识”，在理论、观测、统计周期性循环上升链条中是不可或缺的。

3.2 隐伏矿体预测

三维定量预测模型，即矿化指标与控矿指标的相关关系，在数学上可以表达为控矿指标空间到矿化指其中：M(x, y, z)为体元P(x, y, z)的成矿元素品位；Gi(x,y, z)为第 i个地质变量在体元 P(x, y, z)的取值，i=1,2, …, n；Wi为地质变量Gi对矿化贡献的权值，M0为常数项，通过多元线性回归分析来确定；ε为误差项。

三维定量预测模型是根据已知区数据建立的，假设矿山外围的未知区与已知区的控矿地质条件和控矿规律的相似，就可由该模型对未知区的体元的成矿元素平均品位进行预测。预测得到体元平均品位M，由体元体积V(1 000 m3)和矿体密度D(约为3.60 t/m3)就可计算铜、锌、硫、金、银5种元素的矿石量和金属量。矿石量Q计算公式为

金属量P计算公式为

在预测得到体元的 Cu、Zn、S、Au、Ag平均品位及金属量的基础上，圈定了黄泥坑、小西堡找矿靶区的三维空间位置，如图7所示。标空间的映射，而矿化变量空间中的每个矿化变量均属于某个有界的实数域，故可以将这种映射作为泛函，其函数化表达模型为

式中：MV 为矿化变量空间；GV 为控矿变量空间。该泛函关系可以通过多元回归统计方法来实现函数化表达如下：

图6 可控源音频大地电磁法CSAMT视电阻率场Fig. 6 CSAMT field model of apparent resistivity

图7 三维找矿靶区Fig. 7 Entity model of 3D mining target regions

主要分为：

1) 黄泥坑找矿靶区，位于黄泥坑北部、红坑口以南区域，垂向标高范围为−467～253 m。区内有地表竣工见矿钻孔1个，矿体伴有物探的CASMT、激电异常以及化探的Cu、Zn、Ag、Hg异常。预测Cu平均品位约0.9%、Zn平均品位约为0.1%、伴生Au平均品位 0.1×10−6，伴生 Ag 平均品位 9.0×10−6；预测 Cu的金属量25万t。

2) 小西堡找矿靶区，位于小西堡西北，垂向标高范围为−947～−47m。矿体伴有物探的 CSAMT、高极化率异常，以及化探的Ag、Hg异常。预测Cu平均品位约0.9%、Zn平均品位约为0.7%、伴生Au平均品位为 0.2×10−6、伴生 Ag 平均品位为 23.8×10−6；预测Cu金属量32万t，预测Zn金属量24万t。

4 结论

1) 构建了包含地表面、勘探工程、矿体、断层和地层的红透山铜矿三维地质实体模型。

2) 建立了矿化信息场、地层形态场、断裂影响场和地球物理场等三维地质空间场模型。

3) 通过地质相关场分析，获得了用于三维定量预测的地质控矿指标集和预测模型。

4) 应用三维定量预测模型对红透山矿外围隐伏矿体进行预测，圈定了找矿靶区。

致谢：

红透山矿业有限公司石长岩副总经理、辽宁有色地质局101队地勘院杨铁军副院长在资料收集、坑道调查工作中给予了细致周密的安排和热情协助，在此一并致谢！

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