黑龙江某铜矿地质特征及深部三维可视化成矿预测

林 琳

（辽源职业技术学院资源工程系，吉林辽源136200）

近年来，我国相当一部分矿山面临资源枯竭问题，日渐成为资源危机矿山［1］。对该类矿山深部、边部开展找矿勘探，扩大资源储量，对于延长矿山服务年限，实现矿山可持续发展具有重要意义。对于矿区深部找矿预测的研究主要采用统计预测和综合信息预测法、“阵列式”资料评价法、物探地质异常预测法以及地理信息系统建模预测法等［2-4］。上述方法尽管在实践中取得了显著成效，但在老矿山找矿实践中，该类方法未能有效顾及到老矿山特别是资源危机矿山的矿床分布特征，故而适用性存在一定的局限性。黑龙江某铜矿浅层矿产已开采殆尽，已开采量占矿区探明储量的30%～40%，相当一部分矿床位于深部300 m标高以下，找矿勘探难度大。本研究以该矿近10 a来的勘探及物探资料为基础，构建矿区深部三维可视化成矿预测模型，并进行靶区预测和成矿潜力评价。

1 矿床概况

某铜矿位于黑龙江鸡西市凤凰山盆地以北约30 km处，地貌类型为盆地和丘陵，岩性条件较单一，以元古代角闪岩和太古代片麻岩为主（图1）。角闪岩呈中粗粒结构，新鲜岩面为墨绿色，风化后呈灰色，半自形柱状结构，角闪石矿物粒径一般为2.0～5.0 mm，块状、片麻状构造。构造片麻岩普遍发育条带状构造、片麻状构造，由浅色矿物不均匀分布形成。矿区条带构造的宽度及密度常常发生变化，部分地区条带构造不甚发育，仅表现为片麻状构造。

矿区已揭露的矿床主要分布于区内中部砖瓦窑、鱼子山、黄松峪一段小型洼地，出露面积约2.4 km2，向西延伸进入黄崖关，并延续进入红透山、新宾一带。该区域内岩浆岩呈夹层状分布，下部与团山子组呈整合接触，局部喷发不整合接触，顶部与大红峪组二段整合接触，地层厚度396～550 m，占岩浆岩成因岩石厚度的80%。根据岩矿鉴定成果，岩体具有多斑状结构，斑晶中钾长石、斜长石及黑云母含量较高，总量达60%～80%，稀土元素总量一般，Au、Fe、Cu含量偏高。研究区内矿产资源较丰富，主要矿产资源类型包括铁、金、稀土、石灰岩和花岗岩等。

矿床均分布于新屋里岩体的接触带上或靠近接触带部位，矿床沿岩性接触带等间距分布，由矿田南西往北东方向，矿化深度有增加的趋势，NE向褶皱—冲断系统是控制岩体侵位和矿化定位的主体构造。矿体产状基本与所在部位接触带的产状一致，矿区药园山铜矿床规模最大。该矿床成因为来自岩浆岩的高压成矿流体，在构造变形场和温度场的双重控制下向岩体边界的扩容断裂带运移，与扩容性断裂中来自大气降水的流体混合。流体压力突然降低以及2种完全不同流体之间的反应，导致矿物发生沉淀和富集形成矿床［5］。

2 深部成矿预测

该矿浅层勘探开发程度高，依据老矿山隐伏矿体三维定量化预测思路，结合矿山实际资料和矿床发育特点，本研究总结出的该矿深部矿体成矿预测流程为地质数据集成和成矿规律分析—地质三维建模和成矿信息提取—深部矿体定位和预测（图2）。

2.1 地质数据库构建

本研究对该矿前期积累的勘探、物探、测量及试验等地质数据进行了搜集和整理，利用Surpac软件对数据进行录入、检查和修正［6-9］。数据来源于矿区105个钻孔，37个坑槽探工程，1∶500地形测量成果图，钻孔声波测试成果以及EH-4大地电磁法测量剖面。其中，钻孔数据包括钻孔坐标、孔口高程、孔深、风化深度、地下水位深度、编录日期、钻孔回水颜色、钻孔编录和施工日期等；构造及岩性数据包括岩石结构、构造、形态、矿物组成成分、蚀变以及岩石风化深度、成因年代、地层代号等；物探化探数据包括钻孔声波测井、覆盖层剪切波测试、EH-4、钻孔CT地震波等；岩体试验数据以现场原位试验和室内试验为主，现场原位试验包括动力触探、标准灌入、钻孔压水等，室内试验包括岩矿鉴定、薄片鉴定等成果数据。基于上述数据，构建的三道湾铜矿地质基础数据库的数据录入软件界面如图3所示。

在构建该矿地质数据库的基础上，可采用Arc-GIS软件查询钻孔位置、深度、岩性分布、岩层走向及产状、断层构造带等多种地质信息，均以三维可视化形式显示（图4、图5）。

2.2 控矿地质因素场建模

深部矿体预测是在基础勘查资料和成矿规律分析的基础上，采用各种数学模型和运算软件对现有的地质数据进行分析，从而获取深部矿体的成矿信息。本研究矿区成矿信息主要有控矿信息（包括地层岩性、构造、节理等）和找矿信息（包括物探化探指标、蚀变等）两类。通过定义矿区地质空间和立体单元，将成矿指标通过场模型进行量化分类，进行深部成矿预测。

2.2.1 地质空间与立体单元定义

地质空间是地质体产出和地质作用发生的三维空间。矿化空间是成矿作用发生的空间，为地质空间的子集。地质空间的确定一般需预先定义1个巨大的立方体空间作为地质空间的包集，而后采用各种边界条件对立方体空间进行限制，以获得真正的地质空间。本研究地质空间取自地表最高点（标高600 m）至地下深部-2 700 m标高，为其垂直空间范围，整体垂深为3 300 m，并限制在坐标点按编号顺序形成的多边形水平投影范围内。定义地质空间的-1 000 m标高水平以上、第四系浮土层底面以下的空间为矿化空间。分别采用2种精度的规格格网划分地质空间：①建模精度，立体单元尺寸为10 m×10 m×10 m；②预测精度，立体单元尺寸为50 m×50 m×50 m［10-14］。地质体块体模型、控矿地质因素场模型均采用建模精度，找矿信息提取、成矿预测均采用预测精度。

2.2.2 控矿地质因素场模型

研究矿山深部边缘矿体与控矿地质因素直接的量化关系，是进行危机矿山深部矿体成矿预测的有效方法。由于地质体的非均一性，地质构造和地层岩性分布规律复杂，成矿地质时期较长，地质年代久远，有效构建成矿地质因素与矿体发育规律的数学模型难度较大。为此，本研究采用地质场空间分析法，以矿床勘探资料为依据，结合计算机软件构建地质信息数据库，通过地质体与地质场之间的关系构建场模型，进而通过该模型对矿区深部进行成矿预测。

地质控矿作用场模型根据研究对象的不同可以分为沉积岩控矿作用场模型、地层控矿作用场模型、地质构造作用场模型等，本研究选取岩浆岩控矿作用场模型进行分析。矿区岩浆岩控矿作用表现为上部地质体提供叠加改造所需的热动力。为简化模型，采用欧式距离场描述空间任意一点与地质体的最近距离及关联度来表达岩浆岩的控矿作用强度。

采用非线性规划求解方法进行模型求解。首先，对岩浆岩控矿参数进行离散化得到三维栅格模型（图6）；其次根据矿化指标值生成反映岩浆岩控矿作用的散点图；然后根据该散点图构建岩浆岩成矿因素与矿化指标之间的非线性关联数学模型，并对该非线性模型进行验证和修改；最后，根据该非线性模型对岩浆岩控矿因素场变量进行分析，得到深部边缘部位的成矿指标值：

式中，M为成矿指标值，其值越大，说明成矿概率越大；ε为随机变量，其期望值为0；dN为岩体热力场因素取值；r1为岩体顶面最高级波动幅度，可利用地质变量分界公式获取；r2为岩体第2级波幅参数，为dN的最小解。

类似地，本研究构建了的包含岩体热力场、岩体形态等因素的6种地质控矿因素场模型，并对各模型分别进行了非线性回归分析和验证（表1）。

2.3 成矿预测

结合上述预测模型，对单元矿化指标进行了回归分析，并对矿区资源量进行估算，据此圈定有利的找矿靶区。该矿床主要为金、铜硫化物矿床，伴生有铁、银，在圈定找矿靶区时，应以矿化金为主体，依据含矿量最大原则和完整性原则，初步估算了铜、锌、金、铁等资源量。本研究共圈定了4处找矿靶区，如图1、图7所示。

（1）Ⅰ#靶区。位于药园山西南部、矿区西侧区域，标高为346～-142 m。预测该区Zn平均品位为1.4%，Cu平均品位0.5%；Zn资源量1.2万t，Cu资源量1.3万t。

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（2）Ⅱ#靶区。位于清水塘开采区域下部，标高为366～-150 m。预测该区Zn平均品位约1.4%，Cu平均品位0.3%；Zn资源量1.1万t，Cu资源量1.7万t。

（3）Ⅲ#靶区。位于宝山陶矿区北部区域，标高为546～-298 m，预测该区Zn平均品位约1.1%，Cu平均品位0.3%；Zn资源量1.5万t，Cu资源量1.9万t。

（4）Ⅳ#靶区。位于药园山西南部、矿区西侧区域，标高为-308～319 m，预测该区Zn平均品位约1.5%，Cu平均品位0.3%；Zn资源量1.4万t，Cu资源量1.8万t。

根据上述预测成果，在找矿靶区内布置了深部验证钻孔，钻孔深度为300～500 m，根据钻孔岩芯揭露发现了厚度较大、品位较高的矿体，表明本研究成矿预测结果具有一定的可靠性。

3 结语

以黑龙江某铜矿为例，建立了矿区地质数据库，通过场模型建模进行了深部三维成矿预测，圈定了4处有价值的找矿靶区，与深部钻探验证结果基本一致。研究表明，通过采用“地质数据集成和成矿规律分析—三维地质建模和成矿信息提取—深部矿体定位和预测”的研究思路，对于提高资源危机矿山深部找矿效率具有一定的作用。

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