数字矿山建设及三维地质建模——以金厂金矿为例

欧阳菲,罗先熔,王艳忠,王景瑞

(1.中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院, 北京　100083; 2. 桂林理工大学 地球科学学院,广西 桂林　541004; 3.武警黄金部队 第一支队, 黑龙江 牡丹江　157021)



数字矿山建设及三维地质建模
——以金厂金矿为例

欧阳菲1,2,罗先熔2,王艳忠3,王景瑞3

(1.中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院, 北京100083; 2. 桂林理工大学 地球科学学院,广西 桂林541004; 3.武警黄金部队 第一支队, 黑龙江 牡丹江157021)

摘要：地质体三维形态的多样化导致建模过程十分复杂, 不同矿区的建模过程是不一样的。 以金厂矿区地质建模为例, 探讨建模过程中的经验与问题, 从三维角度重新认识矿区地质体特征, 这对了解地质体相互穿插关系以及深部找矿都十分重要。 利用3DMine软件在矿区建立了矿山数据库, 根据矿区地质特征采用了不同的建模流程。 对主要地质体的三维特征进行了描述和总结, 发现:0号角砾岩筒呈典型筒状; J-1号矿体在浅部为漏斗状, 而在深部却是圆柱状; 14号矿体为近直立圆柱状。 同时, 以邢家沟14号矿体为例, 对各地质体的三维形态与接触关系进行了分析, 认为: 尽管该区成矿条件良好, 但14号矿体不会向深部延伸, 深部找矿意义不大。

关键词：数字矿山;三维地质建模;3DMine;金厂金矿;黑龙江

0引言

随着数字地球、数字中国[1-2]战略的实施,数字矿山建设与三维地质建模技术已成为地球科学在信息化发展过程中的研究热点[3-7]。三维地质建模是数字矿山建设的核心内容,在地学中其研究内容目前主要包括矿山数据库、储量计算、定量预测等三方面,近期还有关于成矿预测、区域成矿规律、三维地质填图等方面的研究成果[8-13]。陈建平等[11-13]做了大量工作,主要与定量预测有关,是基于数学地质理论的一种应用;近期针对大区域成矿预测也做过一些工作,也与之类似。这些成果的出现为三维地质建模及应用指明了方向,但其研究的内容有一定局限性,更偏向于数学地质,而非数字矿山的主要任务。数字矿山建设主要是解决矿山地质资料数字化、地质体三维化等问题,这些方面的研究目前还远远不够,有关矿区地质体的建模过程和指导矿区找矿的研究还很少。还有一些由GIS行业的软件设计、开发人员发表的论文[14-18],都是针对建模的一般流程进行描述,是与地质建模有关的理论研究成果。

目前存在的问题是:地质研究三维化的工具已有,出现了一批三维矿山软件,例如国外的DataMine、 Surpac、MicroMine和国内的3DMine、 Dimine等, 三维建模理论也进展明显, 但将两者相结合的工作却出现脱节,未见关于具体建模过程、 具体矿区建模流程的研究报道; 地质体的复杂性、 多样性导致单一的方法和理论难以在具体矿区应用, 还没有哪一款软件能适用于各种复杂形态地质体的建模; 矿山地质人员在使用相应软件时也出现了对建模理论不了解、 地质体过于复杂而不知如何建模等困难。 因此, 目前迫切需要将建模软件和建模理论结合并应用到实际矿区, 使得三维矿业软件真正能够解决具体地质问题。本文将结合具体矿区,针对矿区出现的具体地质问题进行分析,实现从建模理论、建模软件到实际操作的转化,讨论地质体三维形态的认识对矿区找矿的意义。

本次研究以金厂金矿为例,对矿区的4期岩体、2类矿体进行建模,并讨论其三维形态特征和建模过程,总结本矿区的建模经验与存在问题,并以邢家沟14号矿体为例就其深部的成矿前景进行了探讨。尽管这些研究工作不能包含所有可能性,但至少在具有类似地质特征的矿区是适用的,并为地质体建模的实现流程提供一些思路。

1矿区地质概况

金厂金矿位于黑龙江省东宁县,属于东北部东宁-延吉金矿成矿带。大地构造位置处于北方造山带东部的松嫩地块之内,太平岭隆起与老黑山断陷的结合部位。受太平洋板块向欧亚板块俯冲的影响,NE及SN向的深断裂系统发生活化,区域上构造、岩浆活动十分强烈,主要有印支期、燕山期两个侵入旋回。

图1　金厂矿区地质简图(据文献[19, 21]修改)Fig.1　Geology map of Jinchang deposit area Q4—第四系冲积物;N1-2—新近系砂砾岩;J2λd—侏罗系凝灰岩夹安山岩;C2-P1yn—石炭-二叠系阎罗殿组石英片岩—燕山早期斜长花岗岩—燕山早期、燕山中期花岗岩—燕山中期花岗闪长岩—燕山晚期花岗闪长岩—燕山晚期花岗斑岩—燕山晚期石英闪长岩、闪长玢岩脉

断裂构造、岩浆穹隆构造及派生的环状-放射状构造、隐爆角砾岩等控制了区内矿体的分布。矿区主要矿床类型是角砾岩型金矿,尤其是角砾岩筒型矿体,占总储量的60%以上;其次为裂隙充填型,以及接触蚀变带型矿床。

2数字矿山建设

数字矿山建设的目的是要将矿山资料进行数字化,建立以矿山数据库为核心的计算机系统,以便实现对已有矿山资料的自动化管理以及后期数据的挖掘与利用。本次研究以3DMine软件为基本软件平台开展数字矿山建设工作。

2.1矿山数据库建设

金厂矿区的勘查工作最早从1958年开始,1992年以来武警黄金部队取得了较大进展,现今为大型-超大型矿床。矿区勘查工作包括金矿普查、详查工作,水系沉积物测量、土壤化探测量、电法测量、遥感解释,以及大量的槽探、钻探、坑探工作。在了解矿区勘查历史的基础上,对矿区现存地质资料进行收集、整理与分类,最后根据地质数据特征与研究需要,建立了以下3类的地质数据库:1)钻孔数据库,共计152个钻孔,为表格数据库;2)钻孔剖面图或勘探线剖面图360张,包含三维坐标与方位,为图形数据库;3)以地形地质图为基础的多种专题图件,包括地形图、综合物化探图、遥感解析图、构造解析图等4种图,为图形数据库。第1类数据库来自钻孔编录数据表；第2类来自钻孔柱状图、剖面图和勘探线剖面图以及其他勘查工程图件；第3类来自其他物化探、遥感数据。

2.2矿山数据建设中发现的问题

在矿山数据库建设过程中发现一些值得矿山地质人员注意的问题,并且这些问题随着矿山数据库的建立能够得到很好的解决。主要有以下3个方面:

(1)原有资料经多年积累,种类繁多,使得矿区资料的管理极为困难,难以查找、保存。例如152个钻孔的工程数据表、钻孔柱状图、勘探线剖面图等，还有各种物探、化探、遥感及其他图件。随着矿山数据库的建立,所有资料均被数字化存储,可以在计算机数据库的帮助下方便地通过工程名称和存储路径来查找和保存。

(2)勘查工程过多导致前后工程编号不一致,容易出现混淆、丢失与变更等情况。例如J8矿体与8号矿体容易混淆;J18ZK17与ZK17其实是相同的钻孔;ZK15与ZK0015不是同一钻孔。这些在数据库中将会有唯一的标识号,能够对类似工程名称进行比对,剔除重复工程。

(3)不同时期的认识水平不同,导致名称、矿床类型的划分等出现变更。例如17号矿体原来曾经被编为14号,原以为是构造蚀变岩型矿体,后来经进一步勘查确认为隐爆角砾岩型。在数据库中需要对所有地质体的名称进行统一。

3三维地质模型的建立

金厂矿区的建模工作主要是岩体与矿体建模,包括以下几方面。

3.1一般建模方法与流程

建模工作分为以下几步:1)建立矿山数据库;2)提取地质体相关资料;3)分析地质体形态特征,对矿区各种地质体的三维形态进行分类、总结,确定建模方法与流程;4)对不同地质体逐一进行建模。

尽管目前所提出的建模方法均有很重要的理论指导意义,但由于每个人的出发点不相同,往往在同一矿区很难使用不同的建模方法，并且受建模软件的限制，很多方法无法实现,地质建模在实际应用中还存在很多困难。吴立新[22]提出5种方法,分别为块段构模法、实体构模法、线框构模法、断面法、表面法等,较为系统地对地质体建模方法进行了归类。马洪滨等[23]提出一种面体混合的模型:“剖面-TIN-块段”模型,为建模提供了新思路,但受软件功能所限,很难具体操作应用。3DMine软件建模方法对于地质工作人员来说简单易行、容易理解,其原理类似于利用勘探线的布置来勘查矿体,建模方法可以归类为吴立新所提出的5种方法之一——实体构模法。具体做法是以平行剖面为基础数据,圈连地质体的三角网表面模型,以其他方法作为辅助,最后将三角网合并，由软件自动生成实体模型。

金厂矿区以岩体为主,矿体与构造次之,地层极少。因此,建模工作以矿体为主,同时兼顾岩体,其他与成矿无关的地质体则可忽略。矿区无褶皱,构造的建模工作主要是断层模型,包括放射状断裂和环状断裂。这两种断裂都赋存了矿体,因此不单独叙述,而是被当作矿体进行建模,建模方法详见后文裂隙充填型矿体。

综上所述,本矿区三维地质建模主要包括矿体建模和岩体建模。岩体采取实体构模法和表面构模法相结合,矿体采取实体构模法。

3.2岩体模型

本区岩体分布很广,面积占全矿区的90%以上。但是,关于岩体边界的勘查资料不多,地质平面图中仅仅能够得到岩体界线,只有少数钻孔凿穿了岩体边界，因此岩体建模采取实体构模法和表面构模法相结合。

确定了两个建模原则:1)先确定已知的岩体边界,并根据已知推测未知;2)先确定岩体侧面边界,再结合顶、底面形态,通过限定岩体表面来建立完整模型。

建模流程如下(图2):

图2　岩体建模流程图Fig.2　Flow chart for rock mass modeling

(1)从矿山数据库中调出与岩体有关的所有资料并显示,包括勘探线剖面图与钻孔岩性。资料的显示是为地质体形态分析做准备,并根据现有资料确定其准确的位置。分析岩体的可能形态和位置,尤其是与围岩的接触面产状。运用剖面法对有工程控制的岩体侧边界进行建模。

(2)分析岩体侧边界位置与大致走向,根据已经建好的侧边界模型,推测并补充其余部分的岩体侧边界。

(3)利用地形地质图,对建好的地表模型进行分割,将地表出露的岩体部分分离出来,即为岩体的顶部表面。

(4)使用表面建模法建立岩体底部的表面模型。由于岩体底部埋藏较深,向下还有较大延伸空间,因此底部定为平面。

(5)将建好的岩体顶部、侧面、底部的3个表面模型合并,生成闭合的、密不透气的实体模型。

3.3矿体模型

本矿区矿体以角砾岩筒型矿体为主,环状、放射状裂隙充填型矿体次之,建模方法如下:

(1)角砾岩筒型矿体。角砾岩筒是矿区内最重要的控矿、容矿构造,呈链状或串珠状分布。在平面上呈椭圆形,在剖面上呈筒状,近直立产出,形态规则。角砾岩型矿体约占总资源量的60%,其中J-0、J-1号矿体最为重要。

J-0号矿体位于高丽沟沟口东侧山坡的0号角砾岩筒内。受矿化程度的影响,矿体呈大脉状、囊状,而0号角砾岩筒则呈典型的筒状。从工程控制情况来看:控制该矿体有8个钻孔、9个探槽,主要集中在浅部280 m以上标高,其下则未受工程控制。对0号角砾岩筒的建模流程相对简单:首先依据地表、中段及勘探线资料来确定不同标高的矿体范围,然后采用实体构模法将不同标高的矿体形态进行连接,最后完成筒状模型的构建。

图4为模型的侧视、 透视图, 可以看出0号角砾岩筒形态特征: 整体呈筒状, 向东倾伏, 倾角约80°, 地表直径约80 m, 向深部延长约350 m。

建模结果表明:在J-0号矿体附近闪长岩与花岗岩接触面向NE倾斜,倾角约80°,闪长岩在晚期侵入于花岗岩中。J-0号矿体的围岩为燕山晚期闪长岩和燕山中期花岗岩,闪长岩分布在矿体下方、东边及北东边,而花岗岩在矿体的上方、西边及西南边,这与文献[20,23-25]中所述的特征是吻合的。分矿体之间夹杂着闪长岩,结合两个岩体相互穿插关系,推测闪长岩侵入到花岗岩之中,证明闪长岩形成时间较晚;形成角砾岩筒时所发生的隐爆作用使得以上两种岩性都产生破碎,而成矿的时间则更晚。

图3　金厂矿区岩体三维模型Fig.3　3D model of rock mass in Jincang mining area

图4　0号角砾岩筒模型Fig.4　Model of No.0 breccia cylinder

J-1号矿体是金厂矿区最大的矿体,位于穷棒子沟西坡,已经进行过勘探并正在开采。据陈锦荣等[19]的研究,J-1号矿体在地表地貌形态上呈典型的漏斗状。从工程控制情况来看，控制该矿体的有11个钻孔、2个探槽,整体形态控制最好、分布均匀,最深钻孔控制深度-100 m。建模流程与0号矿体类似,形态较之更准确,由不同标高的平面形态所控制。

图5为J-1号矿体模型的侧视、透视图,可以看出其形态特征：从地表到85 m标高之间,矿体形态呈漏斗状，地表的漏斗口长46 m、宽30 m;85～-100 m标高之间为筒状。矿体倾角约80°左右,略向NE倾伏。有几个未见矿的钻孔分布在岩筒周围,因此岩筒没有分支矿体延伸、穿插到围岩中去。

建模结果表明:该矿体的围岩岩性较为单一,主要为花岗岩,中间穿插极少量闪长岩脉;而矿体则均由角砾岩组成。该矿体模型未涉及岩体接触面,无法从三维模型中看出地质体的接触关系,因此,只有关于矿体形态特征的描述。

(2)裂隙充填型矿体。裂隙充填型矿体为成矿热液在断裂中沉淀充填、交代而成,因此,本类型矿体用似层状模型来模拟(如Ⅻ号矿体)。以地表出露的形态为参照,根据钻孔控制的深度、位置向下延伸,使用简单的实体构模法连接三角网即可完成建模。

图5　1号角砾岩筒模型Fig.5　Model of No.1 breccia cylinder

3.4地质体综合建模的典型范例

邢家沟14号矿体为矿区新发现矿体,只有3个钻孔见矿,矿体形态未得到有效控制,其成矿前景未知。因此,收集了14号矿体周围的钻孔资料,建立了三维地质综合模型,通过分析矿体周围三维空间的岩性变化,研究了岩体接触面特征以及各地质体相互间的关系,对14号矿体的成矿前景和深部延伸情况进行了评价。

14号矿体位于邢家沟东南方沟顶、 穷棒子沟南侧山坡上, 为穷棒子山的北西方; 矿体为隐伏角砾岩型矿体, 地表无出露。 工程控制情况: 矿体周围分布有9个钻孔及2个探槽,其中J14ZK0001、 ZK1406、 ZK1407等3个钻孔见矿， ZK1406凿穿了矿体主体, 其他2个钻孔从矿体边部穿过。

共建立了14号矿体、花岗岩围岩、 闪长岩、花岗斑岩等4个模型(图6～图10)。 14号矿体(图6)被钻孔揭露的部位出现在154～380 m标高之间, 矿体呈直立筒状,直径35 m。根据模型推测矿体底部可能在154 m标高处结束, 由ZK1406控制。 14号矿体的总体岩性变化趋势: 上部为花岗岩, 中部为闪长岩, 下部为花岗斑岩。在浅部, 花岗岩与闪长岩的接触面向南倾斜(图7),与北边的闪长岩呈侵入接触关系(图9、 10), 局部呈断层接触; 花岗斑岩主要出现于深部约300 m标高处(图8)。花岗斑岩顺着14号矿体的位置上侵, 发生隐爆作用形成筒状角砾岩。 岩筒包含了14号矿体,在14号矿顶部以上的角砾岩中仅出现矿化,未形成工业矿体; 除此之外形成了一个NE向分支岩筒(或岩脉), 岩性为斑岩。

图6　14号矿体模型(深蓝色)Fig.6　No.14 ore body

图7　岩体接触面模型(黄色)Fig.7　Contact area of rock mass

图8　花岗斑岩模型(洋红色)Fig.8　Model of granite porphyry

图9　花岗岩模型Fig.9　Model of granite

图10　14号矿体周边完整模型Fig.10　Complete model around No.14 ore body

根据以上分析,认为14号矿体具有良好的成矿条件,包括:(1)14号矿体分布于隐爆(爆破)角砾岩中, 并出现多处明显矿化现象; (2)位于花岗岩与闪长岩接触带附近, 并且深部出现了花岗斑岩; (3)位于SN向、EW向及NW向断裂交汇部位。现有钻孔已经基本控制了14号矿体的分布:矿体底部已经到达斑岩体的内部,向下延伸的可能性不大;矿体顶部出现了斑岩但只见少量矿化。在矿体周围还有2处零散的角砾岩出现,推测为断层形成,可能会出现裂隙充填型的脉状矿体,其经济价值有限,因此,认为本处继续勘查的意义不大。

根据高合明[20]提出的成矿模式:斑岩型矿床顶部为火山口;向下为层状火山岩,伴生爆破角砾岩筒和网脉状硫化物矿床;再向下为蚀变斑岩、岩株;最底部为显晶质花岗闪长岩。同时,贾国志等[21]、陈永福等[26]认为14号矿体所在位置为火山通道相,地表出露火山岩(J2λd)。因此, 推测14号矿体所在区域为一个火山机构, 矿体位于火山通道中,花岗斑岩在此发生隐爆形成了角砾岩。赵义来等[27]通过热液成矿过程的计算模拟，发现本区矿体的形成是燕山晚期岩体成矿系统的变形-热扩散-流体运移多过程耦合作用的结果。从计算结果来看，14号矿体所在位置与上述特征较为吻合。

综上所述,推测14号矿体形成的演化历史如下:在燕山运动中期花岗岩首先侵入并冷凝, 燕山运动晚期闪长岩侵入, 并在14号矿体的位置火山喷发形成火山机构, 并在火山通道内留下了中侏罗统火山岩(图10中的黄色部分); 在燕山晚期最后一次岩浆活动中分异出了花岗斑岩, 其侵入位置在花岗岩和闪长岩两者之下;斑岩侵入时,对原有火山机构进行叠加改造,并伴随着热液活动,最终形成了14号隐爆角砾岩和矿体。斑岩的上侵通道可能是一条北西向断裂,该断裂通过ZK1402、J14ZK0004中的角砾岩及闪长玢岩脉所在位置。后来地壳抬升,火山口被剥蚀,只留下了如今地表出露的火山通道相火山岩(J2λd)。

4讨论

矿区的地质特征和勘查现状决定了三维地质模型所能反映的精细程度和地质认识的深度。本矿区以岩体、矿体为主,现有以钻孔为主的勘查工作对矿体形态控制程度较好,其次为岩体。对这两种地质体的建模形成了一些建模经验,但同时也发现了一些问题。

4.1经验总结

通过对金厂矿区的三维地质建模,认为矿区建模工作应以成矿地质体为核心,即重点关注与成矿密切相关的地质体建模。本矿区建模主要以岩体和矿体为主。

(1)岩体建模及岩体边界的确定。各期次的岩体边界形态较为复杂,并且有较多的小岩脉不断穿插。因此,十分准确地进行建模是不可能的,也是没有必要的,一味追求精度会导致工作量呈几何倍数增加,也是现有的计算机软、硬件无法做到的。同时,应该认识到,对地质体形态的解译会因地质人员的认识水平不同而出现差异,这与叶思源等[28]的观点是一致的。因此,在建模中简化了小岩脉及复杂岩体边界的圈定,只考虑岩体边界的总体趋势。有鉴于此,建模过程中确定了以下两个原则:1)根据总体岩性变化趋势圈定岩体边界;2)具体的边界附近如果出现多条脉体穿插,则忽略这种复杂边界穿插现象。

(2)矿体建模。矿体建模工作须根据实际情况具体分析,不可一味追求精度、细致。J-0号矿体与J-1号矿体的建模就是典型的代表。J-0号矿体不是全岩矿化,其准确形态呈多条脉状产出,因此应该根据角砾岩筒的形态来建模。而J-1号矿体几乎全岩矿化,形态简单,因而按照实际矿体形态进行建模。

4.2存在问题

矿区绝大部分工程都是以矿体为中心进行布置的,其他地质体的形态不一定能得到较好的控制。因此,针对矿体的建模一般较容易实现,但与矿体相关的成矿地质体建模则相对较困难。以本矿区的岩体建模为例,在有钻孔分布的区域能够找出准确的岩体边界,但大部分的边界位置是推测出来的。这个问题在建模过程中需要根据具体情况来分析解决。

5结束语

与二维平面相比较,三维地质建模对地质体特征的认识更加全面、合理,它将地质图、钻孔岩性、勘探线剖面图等勘探成果进行了整合,包含了不同方位、多个视角平面的特征。因此,本区地质建模所形成的地质新认识主要包括矿体三维形态、矿体的工程控制情况、地质体接触关系等3个方面。在金厂矿区开展的三维地质建模工作中得出以下几点认识:

(1)地质数据库的建立对矿区资料管理十分必要,能有效地避免工程编号的重复与混乱等问题,从而快速地查找所需资料。

(2)建立了黑龙江金厂矿区的三维地质建模流程,具体包括:地质资料的收集与数字化、建立地质数据库、建立地质体三维模型、模型的应用及地质问题的再认识等4个环节。本矿区三维地质建模工作的核心是岩体建模和矿体建模。岩体建模需要先确定侧表面，再将顶、底面模型合并,矿体模型主要根据不同标高的矿体形态来圈定。

(3)从三维地质模型来评价矿体的工程控制情况:J-0号矿体的底部、280 m标高以下工程控制不够,深部延伸情况还待确定;J-1号矿体控制较好,形态已基本清晰;14号矿体深部已基本控制,尽管其成矿条件良好,但在深部继续勘查的意义不大。

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文章编号:1674-9057(2016)02-0214-09

doi:10.3969/j.issn.1674-9057.2016.02.003

收稿日期：2015-09-18

基金项目：武警黄金指挥部项目(WJDZK2014-06)

作者简介：欧阳菲(1980—),男,博士研究生,讲师，研究方向:勘查地球化学,ouyf@glut.edu.cn。

通讯作者：罗先熔,博士,教授,lxr811@glut.edu.cn。

中图分类号：P628

文献标志码：A

Digital mine construction and 3D geological modeling in Jinchang gold deposit

OUYANG Fei1,2,LUO Xian-rong2,WANG Yan-zhong3,WANG Jing-rui3

(1.School of Earth Sciences and Resources，China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083,China;2.College of Geology Sicence，Guilin University of Technology, Guilin 541004,China; 3.No.1 Gold Geological Party of CAPF, Mudanjiang 157021,China)

Abstract:The diversification of 3D morphology about geologic body makes modeling process very complicated, different ore deposits have different processes. By a case study of geological modeling in Jinchang deposit area, the experience and problems were discussed.By the three-dimensional view we can recognize geology characteristics of mining area, which is very important to understand the geological relationship and predict ore deposit. Using 3DMine software, mining database was constructed, and several modeling methods were taken according to the geologic characteristics in this mining area. The 3D characteristics of major geologic bodies are described and summed, and found that No.0 breccia pipe is a typical tubular; No.J-1 ore body like a funnel in shallow; while cylindrical in deep; No.14 ore body is a vertical cylindrical. Meanwhile, from a case study in Xingjiagou No.14 ore body, three-dimensional morphology and relationship of major geological body are analyzed.The conclusion is that although the metallogenic condition of No.14 ore body is good, but it couldn’t extend deep, and little prospecting significance in deep.

Key words:digital mine; 3D geologic modeling; 3DMine; Jinchang gold deposit; Heilongjiang

引文格式：欧阳菲,罗先熔,王艳忠,等.数字矿山建设及三维地质建模——以金厂金矿为例[J].桂林理工大学学报，2016,36(2):214-222.