基于物探数据的内蒙古哈达门沟金矿三维地质体建模

杨　伟， 陈建平， 顾雪祥， 向　杰， 章永梅

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京100083； 2.北京市国土资源信息研究开发重点实验室，北京100083)



基于物探数据的内蒙古哈达门沟金矿三维地质体建模

杨伟1，2， 陈建平1,2， 顾雪祥1， 向杰1,2， 章永梅1

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京100083； 2.北京市国土资源信息研究开发重点实验室，北京100083)

目前，可控源音频大地电磁法(CSAMT)的数据处理多以测线(断面)进行，以二维反演断面图作为成果输出，难以清晰、直观地显示三维地电结构的分布特征。以内蒙古哈达门沟CSAMT二维勘探数据为基础，结合当前三维地质体建模技术，利用三维建模软件，采用插值方法得到哈达门沟三维地质体模型，实现了多角度、多层面展现地下地质体的分布特征。应用这种三维可视化手段能较好地反映异常区域的分布、空间位置与形态，通过对良导体和相关构造的空间分布形态进行基本勾画，对矿产资源的进一步勘探、开发具有较好的找矿指导作用。

可控源音频大地电磁法(CSAMT)；Voxler软件；Surpac软件；三维地质体建模；哈达门沟金矿；内蒙古包头

0　引　言

三维地质模型能够直观地表现地形地貌、地层岩性、地质构造等地质体的空间分布形态以及它们之间的相互关系(李良平等，2007)，钻孔资料能够准确地反映出研究区域的地质结构特征，是三维地质建模的最佳资料(向中林等，2009)。但在实际工作中，往往因钻孔数量少、钻探深度不够或分布不均匀而使模型的建立受到限制。在当前技术支持下，物探作为一项轻便、快捷、经济的工程地质勘探手段己得到广泛应用，由于物探的种种优势及其技术的日渐成熟，在很多研究区域都已经有比较详细、准确的物探资料。在一定意义上，物探技术作为地表观察和钻探揭露的拓广，使研究人员可以直接获取地质信息，地质、物探和钻孔资料的综合分析，可以更加准确地认识研究区的地质结构(陈海云等，2004)。物探与地质相结合，是当前研究地质构造、找矿预测等的重要特点(曹代勇,1993)。

可控源音频大地电磁法(CSAMT)是在大地电磁法的理论基础上并结合实际应用而发展起来的一种人工源频率测深法，它具有勘探深度范围大、横向分辨能力强、勘探效率较高，同时具有测深和剖面测量的双重特点，结合地质资料，在成矿有利地段根据CSAMT法电阻率异常特征定位预测深部或外围的隐伏矿化体是有效的。

1　研究区地质概况

内蒙古哈达门沟金矿田位于包头市以西，华北地台北缘乌拉山—大青山复背斜南翼，南北被2条大致呈近东西向的呼(市)—包(头)、临(河)—集(宁)断裂所夹持(图1)，出露地层主要为中太古代乌拉山群变质岩，南部断陷带主要为新生界地层所覆盖，在矿区的北部和西部有大片海西—印支期的中酸性侵入岩(章永梅，2012；陈代鑫，2015)。

图1　内蒙古哈达门沟区域地质简图(据马宝军等，2012修改)1-第四系沉积物；2-乌拉山群片麻岩；3-钾长花岗岩；4-黑云母花岗岩；5-矿脉及编号；6-断层Fig.1　Simplified geological map of the Hadamengou area in Inner Mongolia(modified from Ma et al., 2012)

哈达门沟矿区内出露的地层是中太古界乌拉山群第一岩组及第二岩组的一部分，古老的乌拉山群片麻岩及地层条件是金矿脉形成的矿源层(张凤学，2010)。100号、99号、98号脉矿体赋存于第一岩组第二岩性段，主要岩性为含榴石黑云斜长片麻岩；哈达门沟金矿田由轴向近东西的以背、向斜间隔分布的复式背斜、山前大断裂、山前钾化带、一系列倾向主体向南的韧性剪切带以及东西向容矿构造构成的主体构造格架，矿区内以断裂构造为主，构造条件是Au元素运移、富集的导矿和容矿条件。山前的呼包大断裂及山后的临集大断裂为区内主干断裂，控制着金矿床的分布。区内脉岩比较发育，主要为花岗伟晶岩、辉绿玢岩。围岩蚀变主要有钾长石化、硅化，其次是绿帘石化、绿泥石化、碳酸盐化等，矿体主要产生于钾化蚀变岩内、钾硅化蚀变岩或钾化蚀变岩中心的石英脉中，钾长石化分布在含金矿化带及其两侧。

2　三维地质体建模

2.1三维地质体建模方法流程

三维地质体建模就是将所谓的地表、地层、矿体、岩体等地质信息以三维真实坐标展现出来，更直观地观察它们的形态、空间位置及相互间的关系。根据野外调研或实地考察收集到的地质资料、钻孔、探槽及物探、化探、遥感等数据，通过整理、校正、转换，提取相关的有用信息及地质体推断信息，应用三维建模软件构建地层、构造、矿体、岩体等地质模型，实现三维地质体建模。

三维地质模型是研究地质体三维模拟与可视化软件的核心与基础。近年来国内外已有不少研究与探索，但总的来说，三维地质模型的数据模型理论与技术仍未成熟，这在很大程度上制约了三维地学软件的开发与发展。在三维地质建模方法方面，相继提出了基于三棱柱、类三棱柱等的建模、基于钻孔信息的地层数据模型、多源地质构模、多体建模等建模方法(陈建平等，2014a,2014b)；三维建模软件方面，常用的三维地质建模软件有Datamine、Surpac、Micromine、GOCAD、TITAN、Vulcan、Voxler、3DMine、Dimine、Minexplorer等(李青元等，2013)，这些三维可视化软件已经基本实现对各种地质过程模拟或仿真，对各种简单地质模型进行解算、推演、再造和预测，却难以支持复杂地矿信息的综合分析、复杂地质体和地质结构的综合建模、复杂地质过程的综合模拟，这将是未来一段时间的研究方向(吴冲龙等，2014)。

2.2基于CSAMT方法的三维建模

可控源音频大地电磁法(CSAMT)是从大地电磁法发展而来的一种人工源电磁探测深法，由于使用大功率的人工场源，对人文电磁噪声有较好的抑制作用，即使在一些强干扰区域仍可获得较高的信噪比资料。CSAMT通过改变频率的方法来达到测深的目的，其探测深度一般可达1～2 km，具有测量速度快、探测深度大、信噪比高的特点。自20世纪80年代引进以来，CSAMT法已在我国的金属、石油、地热、地下水、断层方面的勘探中发挥了重要作用，成为地球物理勘探中的一种非常有效的方法。

2.2.1数据采集及预处理本次研究收集了哈达门沟矿区6条相邻的CSAMT数据、82个钻孔柱状图、21幅勘探线剖面图及若干区域地质图。首先对采集的数据进行整理，将收集的CSAMT数据转化为三维空间数据组(4列数据，分别是三维空间的X、Y、Z坐标及对应坐标的视电阻率)的文本(表1)，用于构建地电结构的三维地质模型；然后对收集到的钻孔进行整理，建立钻孔数据库，将勘探线剖面图利用坐标转换方法进行处理，使其具有正确的三维坐标。

表1　CSAMT三维显示数据整理格式

2.2.2三维地质体建模Voxler是由美国Golden Software公司开发的三维数据可视化软件，主要用于三维切片图、高程模型图等。Surpac软件是澳大利亚SMG公司的数字矿山管理软件，广泛应用于资源估算、矿山计划、生产等各个阶段中。2种软件均提供了多种图形图像文件格式的输入、输出及三维地质体建模功能，对比Voxler、Surpac软件分别构建的哈达门沟金矿区的三维地质-物探模型，发现2种不同三维建模软件构建的模型基本一致。结合钻孔数据及研究区已知矿体分布对构建的三维地质-物探模型进行分析，为进一步勘探与找矿预测奠定了基础。

(1) 地表模型。收集并下载30 m精度的DEM及相应区域的遥感影像，利用三维建模软件Voxler构建了哈达门沟矿区地表实体模型(图2、图3)。地表实体模型可以真实地反映地表地形、地貌，对于野外勘查和工程施工非常必要。该模型能很好地反映矿区的总体地表情况，为矿区的勘探工程布置设计提供方便。

图2　地形Fig.2　Landform

图3　地表模型Fig.3　Digital surface model

(2) 三维地电结构模型。岩石视电阻率的主要影响因素为岩石岩性、孔隙中地层水性质(含盐类、矿化度、溶液温度)、孔隙度以及孔隙结构、孔隙中的含水饱和度和泥质成分含量等。在哈达门沟矿区，围岩(片麻岩)电阻率一般在1 000～2 000 Ω·m之间；脉岩(伟晶岩)和钾化带电阻率一般小于1 000 Ω·m，石英脉(矿脉)电阻率相对较高，主要是硅化作用造成的，而且变化大，是由于硅化不均匀造成的。围岩与矿脉具有明显的电性差异，适合在研究区开展CSAMT连续电导率测量工作。

① Voxler软件绘制三维地电结构模型方法。根据每条测线相应标高的视电阻率数据，应用Voxler进行三维成图。

首先对数据进行网格化处理，将导入的数据与Grid模型进行链接。在Gridder模型属性窗口选择合适的插值方法，调整相应参数后开始网格化。为了直观地判断出电阻率的层位变化，对未知地质体的层位变化的推断，需要对网格化后的数据进行体积渲染(VolRender)，然后设置ColorMap属性选择合适的颜色等级，生成哈达门沟矿区三维地电结构模型的体积渲染图(图4)。

图4　VolRender图(体积渲染图)Fig.4　VolRender model(volume rendering model)

从图2中可以看出，体积渲染图能够清晰地表现出一定区间内不同视电阻率的地质体分布特征，从而直观地对地质体的形态特征进行推断。

② Surpac软件绘制三维地电结构模型方法：将所有测线相应标高的视电阻率数据导入到Surpac软件中，将所有测线提取的视电阻率数据合并成1个文件；然后根据研究区范围构建块体模型，将研究区空间范围分为若干个立方体小块，并添加相应属性；最后利用提取的视电阻率数据给立方体小块属性赋上相应视电阻率的值。为了与使用Voxler软件构建的模型进行对比，采用相同的插值方法及参数，生成反映地质体不同视电阻率的三维模型(图5)。

图5　三维地电结构模型图Fig.5　Model of 3D geoelectric structure

2种不同软件构建的模型视电阻率低、高阻分布基本一致，同样的数据Voxler软件构建模型相对效率较高，数据显示以栅格形式进行渲染显示，颜色过渡自然。而Surpac软件以块体形式显示，构建的模型可以查看任意块的视电阻率值，模型精确程度受人为设置参数影响，但构建约束文件方便快捷，可以迅速筛选相应的块体，并与其他要素进行统计分析等操作。

3　三维地质-物探模型分析

模型从蓝色到红色表示视电阻率从低到高，从电阻率的分布图、透视图可知低阻区分布在测区南部，中西部也有少量的分布，中间主要为高阻区，切片图验证了上述观点(图6)，并且对低阻区和高阻区的分布范围有了彻底的了解，如果相邻地层的电阻率差异较大，还可以将电阻率的分界面近似为地层的分界面。

图6　基于Voxler软件三维切片图Fig.6　3D slicing map based on Voxler software

结合地质资料可知：研究区的南侧R3低阻规模最大，可能是山前断裂所致，异常显示较明显，东西向延伸较远，随着深度的增加，边部异常曲线不闭合，往南、往深处有延伸的趋势；研究区中部的R2低阻区异常沿东西方向延伸，根据已知钻孔及勘探线剖面数据，此低阻区与100号、99号、101号等金矿脉存在一定的关系；R1异常规模最小，往西还有延伸的趋势，认为与25号、28号脉关系密切(图7)。

通过统计100号脉已知金矿体含矿单元块体的视电阻率直方图(图8)，发现矿体主要集中在视电阻率为312.5～2 500 Ω·m的区间，表现为中低阻，因此在该区域视电阻率表现为中低阻区域有望发现金矿床。

通过钻孔岩性与可控源断面对比分析，高阻区主要为花岗伟晶岩、伟晶岩脉或蚀变片麻岩等，低阻区主要为残坡积物、构造破碎带等，矿体主要分布在钾硅化蚀变岩(表现为中、高阻的过渡带)，已知矿体与物探模型的中、低视电阻率分布空间叠合良好，矿体在深部往南延伸，并且倾角逐渐变换的趋势(图9)。因此，在矿区南侧深部(海拔660～840 m)区域可能具有进一步找矿的空间。

综上所述，三维可视化不仅可以多角度、多细节地展现侧区内视电阻率的三维分布情况，还可以提供视电阻率或地层的分界面，并且能够把异常区的范围清晰地描绘出来，这些强大功能是二维剖面所不具备的，同时为更好地分析地电结构异常提供了强有力的技术支持，也为进一步勘探找矿奠定了基础。

图7　哈达门沟矿区1100线—900线CSAMT联合断面图(据2015年度哈达门沟地质勘查报告)Fig.7　Joint sectional map of prospecting line 1100 to line 900 in the Hadamengou ore district with CSAM(after geological exploration report of the Hadamengou area in the year of 2015)

图8　含矿单元块体视电阻率统计直方图Fig.8　Statistical histogram of apparent resistivity of ore-bearing blocks

图9　矿体实体模型与可控源剖面叠加图Fig.9　Superimposition of orebody entity model with controlled-source profile

4　结　论

(1) 基于可控源音频大地电磁法数据，应用Voxler、Surpac软件分别构建了哈达门沟金矿区的三维地质体模型，对2种软件构建的模型对比分析，结果基本一致。Voxler软件构建模型相对较快，色彩渲染美观；Surpac软件构建的模型可以快速查看每个立方体小块的属性值，可以进行数据统计分析。

(2) 结合相关地质资料，通过对构建的三维地质-物探模型分析，分析了模型中存在的3个低阻异常区所表达的地质信息。结果表明，R3低阻异常反映了山前大断裂的分布形态，R2和R1低阻异常区分别与100号金矿脉群、25号金矿脉的分布有关。

(3) 在该地区视电阻率312.5～2 500Ω·m区间及矿区南侧深部(海拔660～840 m)具有进一步的找矿空间。

曹代勇，1993. 物探资料在构造地质研究中的应用[J]. 中国煤田地质，5(2): 82-87.

陈海云，舒良树，张云银，等，2004. 合肥盆地中新生代构造演化[J]. 高校地质学报，10(2)：250-256.

陈孝强,李伟,徐德利，等，2010. EH4连续电导率测量在哈达门沟矿区的应用效果[J]. 矿床地质(增刊2):105-110.

陈建平,于淼,于萍萍，等，2014a. 重点成矿带大中比例尺三维地质建模方法与实践[J]. 地质学报,88(6)：1187-1195.

陈建平,于萍萍,史蕊，等，2014b. 区域隐伏矿体三维定量预测评价方法研究[J]. 地学前缘,21(5):211-220.

陈代鑫，2015. 内蒙古哈达门沟金矿区控矿构造特征研究[D]. 北京：中国地质大学(北京).

李良平，胡伏牛,尹立河，2007. 鄂尔多斯盆地自噩系三维地质建模研究[J]. 西北地质，40(2)：109-113.

李青元，张丽云，魏占营，等，2013. 三维地质建模软件发展现状及问题探讨[J]. 地质学刊，37(4)：554-561.

毛先成,唐艳华,赖健清，等，2011. 凤凰山矿田成矿地质体三维结构与控矿地质因素分析[J]. 地质学报,19(9)：1507-1518.

王显祥,王光杰,闫永利，等，2012. 三维可视化在CSAMT勘探中的应用[J]. 地球物理学进展,27(1)：296-303.

吴冲龙，刘刚，田宜平，等，2014. 地质信息科学与技术概论[M]. 北京：科学出版社.

向中林，王妍，土润怀，等，2009. 基于钻孔数据的矿山三维地质建模及可视化过程研究[J]. 地质与勘探，45(1)：75-81.

肖克炎,李楠,孙莉，等，2012. 基于三维信息技术大比例尺三维立体矿产预测方法及途径[J]. 地质学刊,36(3)：229-236.

向中林,顾雪祥,章永梅，等，2014. 基于三维地质建模及可视化的大比例尺深部找矿预测研究及应用:以内蒙古柳坝沟矿区为例[J]. 地学前缘,21(5):227-235.

杨龙彬，2014. 内蒙古某金矿CSAMT三维电性及构造特征研究[D]. 北京：中国地质大学(北京).

袁东,雷玉山,张涛，等，2015. 基于Voxler的高密度电法数据三维可视化的实现[J]. 企业技术开发,34(3)：73-75.

张凤学，2010. 内蒙古哈达门沟金矿区313号脉地球化学特征及成矿模式[J]. 内蒙古煤炭经济(4)：34-37.

章永梅，2012. 内蒙古柳坝沟—哈达门沟金矿田成因、控矿因素与找矿方向[D]. 北京：中国地质大学(北京).

Application of 3D geological modelling based on geophysical data in the Hadamengou gold deposit in Inner Mongolia

YANG Wei1，2， CHEN Jianping1,2， GU Xuexiang1， XIANG Jie1,2， ZHANG Yongmei1

(1. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China; 2. Key Laboratory of Land and Resources Information Research & Development in Beijing, Beijing 100083, China)

At present, the controlled source-audio magnetotelluric (CSAMT) data are mostly processed on the base of survey lines (cross-section), and the output results are presented in two-dimensional inversion cross-sections, which are hard to clearly display the 3D distribution of geoelectric structure. Based on the 2D CSAMT exploration data in the Hadamengou area, this work established a 3D geological model by the interpolation method using 3D modelling software, which well shows the distribution of the underground geological bodies from multiple views and levels. This 3D visualization method can better reflect the distribution, spatial position and morphology of the abnormal areas, and may provide significant guidance for the next exploration and development by outlining the spatial distribution of good conductors and related structures.

CSAMT; Voxler software; Surpac software; 3D geological modelling; Hadamengou gold deposit; Baotou in Inner Mongolia

10.3969/j.issn.1674-3636.2016.03.501

2016-05-30；

2016-06-21；编辑：陆李萍

国家重点基础研究发展计划(“973”计划)项目“前寒武纪优势矿种成矿系列与找矿预测”(2012CB416605)

杨伟(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为地球探测与信息技术，E-mail： 610170479@qq.com

P631.3+4

A

1674-3636(2016)03-0501-06