基于3Dmine大理岩矿体三维地质模型的建立及资源量估算应用

李忠水，张丽丽

(1.中国建筑材料工业地质勘查中心吉林总队，吉林 长春 130033；2.吉林省市场监督管理厅事业单位会计核算中心，吉林 长春 130022)

随着科技的飞速发展，计算机在各个行业都得到广泛应用，地质矿产领域亦不例外[1]。自从加拿大工程地质学家Simon Houlding[2]1993年提出三维地学建模(3D Geosciences Modeling，3DGM)以来，国外三维建模技术发展日趋成熟，借助计算机和可视化技术，在三维环境下将空间信息管理、地质解译、空间分析、地学统计与预测、三维图形可视化等技术工具结合起来，实现地质模型的三维显示和地质分析，进而为工程设计、施工与决策提供帮助，相应的三维地质建模软件主要有GOCAD、Petrel、Earth Vision、Micromine、Surpac等。国内三维地质建模技术起步较晚，目前开发有MapGIS、3DMine、Longruan GIS、DeepInsight、蓝光等软件，就行业而言，除油气和有色金属矿以外的绝大多数勘查项目仍然没有对勘查成果进行三维地质建模，在非金属矿产勘查领域也很少应用。

本文基于3DMine软件，通过矿区探矿工程数据库(含分析测试数据)、地形数据和矿业权数据等，建立三维地表模型、实体模型和块体模型[3]来实现地质体与地质环境的可视化。矿区三维地表模型用来描述地形的不封闭面模型，是地形表面形态属性信息的数字表达，由若干不规则三角面组成；实体模型是一个描述三维地质体几何形态的封闭面模型，多用来创建矿体模型、夹石模型和覆盖层模型等，可以直观表现地质体的三维空间展布，计算地质体体积；块体模型是以表面模型或实体模型约束建模对象外部形态，将内部抽象为一系列邻接但不交叉的三维块体的集合[4]，模型中每个块体都可以定义、编辑和量化自身属性，包括矿石品位和体积质量特性等，可对指定区域内的属性值快速定量计算，在矿山生产过程中及时反映矿体的形态、规模、品位和构造的变化，能够准确把握资源量的变化情况，进而可以进行矿床资源量的准确估算[5]。

1 矿区概况

该大理岩矿位于吉林省东南部，矿床位于绥芬河—珲春古生代陆缘叠覆造山区内庙岭复式背斜采石场倒转背斜的西翼[6]，地层呈单斜产出，倾向北西298～330°，倾角42～53°。含矿地层为古生界中二叠统庙岭组，岩石类型为凝灰质砂岩、大理岩。早侏罗世中粒、中细粒二长花岗岩分布于矿区北西部，对矿体完整性不产生影响，闪长玢岩呈脉状沿层面、节理面侵入庙岭组大理岩中，对矿体完整性影响不大。

该矿床成因类型为沉积变质型。矿床由一个矿体组成，矿体倾向298～330°，倾角42～53°。控制矿体长760m，宽215～587m，厚度115～430m，控制矿体标高+250.88～+442m。矿床平均品位CaO 54.33%、MgO 0.40%、fSiO21.59%、SiO22.39%。矿石自然类型为灰—灰白色、白色大理岩，工业类型为水泥用大理岩。矿床勘查类型为Ⅱ类型。本文以大理岩矿体为研究和建模对象。

2 建立矿床探矿工程数据库

3Dmine中矿床探矿工程数据库基于野外地质勘查工作成果，是三维实体建模前提，也是块体模型建立的核心数据。因3Dmine中无专门的“探槽地质数据库”，探槽数据按钻孔格式要求录入钻孔数据库中，与钻孔数据共同形成矿床探矿工程数据库。

2.1 探矿工程数据处理

本次建模共收集到探矿工程31个。根据建立矿床地质数据库的要求，对收集的所有钻孔、槽探及化验分析数据进行详细的检查，核实无误后按照格式录入excel表中。

2.2 构建探矿工程数据库

将31个探矿工程excel表数据导入3Dmine软件中，建立探矿工程数据库，包含以下四个数据表：①定位表：共31个工程数据，主要描述孔号(探槽号)、坐标、孔深、勘探线号、孔迹类型等重要信息；②测斜数据：共245个测斜数据，按照工程号、深度、倾角、方位角整理入库；③化验数据：共2 212个样品化验数据，主要有CaO、fSiO2、MgO、SiO2分析结果、矿岩类型及样长等信息；④岩性表：共31个工程岩性数据，描述工作揭露的地质体发育情况，包括工程编号、起始深度、终止深度、层号、层厚。

入库后，对数据进行了样品重叠检验，测斜深度、取样深度、岩性深度超出终孔深度检验，三维视图中对勘查工程的数据校验。钻孔数据库导入3DMine软件后可直观显示钻孔轨迹(图1)和样品位置，可以查询每个工程的定位、测斜和其中的样品、品位等属性信息，以便对数据的调用。

3 建立地表模型

三维地表模型(DTM)就是地形表面形态属性信息的数字表达[7]，可相对准确的描述出地形的结构和一些局部地区，同时又便于进行地形计算和分析，能够较好地反映实际地形信息[8]。将矿区矢量化的地形图导入到软件中进行高程赋值后，在3Dmine中利用生成DTM表面功能生成三维地表模型(DTM)(图 2)。

图2 地表模型(DTM)

4 矿体、夹层圈定及建立实体模型

4.1 矿体圈定原则

根据矿床工业指标要求[9]，以工程采样分析结果为依据圈定矿体；见矿点均采用直线连接，连接点必须连接至工程上；对单工程所取样品化学组分达到工业指标要求的均圈定为矿体，对工程中单个样品中的CaO、MgO、fSiO2三项指标中任一项达不到工业指标要求时，采取相邻样任意8m段加权，经加权后质量满足工业指标要求的样品圈为矿体；剖面间相邻工程根据矿体空间对应关系，按矿层产状、岩性特征、层位对应的原则进行连矿；在平面上含矿层位相同、产状一致、层位对应的矿体相连。无限外推：①只有地表探槽工程控制的矿层按产状板状推至最低开采标高线，走向上按50°、55°、60°开采边坡角推至地表，作为资源量估算边界；②边缘工程以勘探线最低开采标高为界按50°、55°、60°开采边坡角要求推至地表，作为资源量估算边界(图3)。

图3 矿体、夹石、边坡解译线示意图

4.2 夹层圈定原则

对不满足工业指标要求的样品或经任意8m段加权后矿石质量仍有一项不符合工业指标要求的样品，则按夹层予以剔除；在两工程之间，只有单工程控制的夹层，以工程间距1/2尖灭；剖面上只有探槽工程控制的夹层按产状板状下推至最低开采标高线，平面上推至图幅边；对厚度小于2m的夹层放大至2m后按夹石剔除。

4.3 实体模型建立

该大理岩矿详查报告提交的资源量是某公司大理岩探矿权范围内的矿体资源量，矿体实体模型是在某公司大理岩矿采矿权、深部及外围勘探探矿权范围内的基础上建立的。

在勘探线剖面的基础上，整理提出矿体边界线、矿体编号、坐标网、地表界线、采矿权界线和探矿权界线等信息，进行优化、纠错等处理，去除不利建模的无关信息，经过多次坐标变换将二维剖面数据转换到三维空间正确位置，使各剖面图的位置与勘探线相互对应，设置合适的三角网参数，在相邻的勘探线剖面图中选择同一矿体的闭合线，依次连接成三角网。针对在实际的建模过程中存在矿体的分支复合较多、对应较难的现象，在三维矿体的连接、外推及分支复合的处理过程中，可创建多个“辅助线”和“分区线”对实体形态进行控制，最终形成完整的实体模型(图4)。

本次建立了探矿权和采矿权新增两个矿体实体模型(图4a)，并分别建立15个夹石实体模型(图4b)，其中探矿权夹石模型10个，采矿权夹石模型5个；建立2个边坡实体模型(图4c)。建立两个覆盖层实体模型(图4d)；建立一个控制资源量实体模型(图4e)。

图4 完整实体模型

5 地质统计学资源量估算

地质统计学是以区域化变量理论为基础，以变异函数为主要工具，研究那些在空间分布上既有随机性又有结构性的自然现象的科学。基于地质统计学的储量估算方法，考虑了矿石的空间品位变化，可提高资源储量估算的准确性[10]。

5.1 建立块体属性模型

为研究大理岩矿石质量分布规律并进行矿石资源量估算，需建立矿体三维块体模型。根据矿权范围，结合已圈定的矿体模型确定块体模型的范围；根据已控制矿体的标高，并适当往深部扩展，确定块体的Z值边界。根据采矿台阶高度和勘探线间距，开采段高为块大小的整数倍，以及夹石剔除的大小，确定块体尺寸为5m×5m×5m，次级块尺寸为2.5m×2.5m×2.5m。

将有限个工程数据反映的矿石品位信息插值到模型的每个块体中，块体主要的属性名称见表1。

表1 块体模型属性信息

5.2 搜索椭球体参数的确定

根据矿体产状确定椭球体各轴向，矿体走向为210°，倾角一般在42～53°，椭球体搜索半径是根据工程间距确定，工程间距地表100.00m～125m～200m，故采用三次估值方式。各轴向比根据矿体形态确定，矿体长度546.00m， 宽 度189.00～533.00m， 厚 度155.00～346.00m，平均厚度为230.00m，由此确定椭球体参数(图5)。

图5 矿体搜索椭球示意图

5.3 估算幂次的确定

估值采用距离幂反比法，幂值M在品位变化小的矿床取值较小；在品位变化大的矿床，M取值较大。在水泥用石灰岩等品位变化较小的矿床中，M一般取2；在贵重金属(如黄金)矿床中，M的取值一般取3。

本矿床主要估值参数CaO变化系数4%、MgO变化系数100%、fSiO2变化系数95%，属于品位变化较小的矿床类型，故采用距离二次方反比法，即幂值M的取值为2。

5.4 资源量估算

采用距离幂次反比法对矿体内块体属性CaO、MgO、fSiO2进行品位估值，估值过程中需要设置相关参数，为了减少数据的平均化效应，分三次进行估值，依次放大搜索半径。第一次估值过程中，搜索椭球主轴半径与勘查网度(100m×100m)保持一致，要求最少3个工程中的样品参与块段估值，每个钻孔最多样品个数为4个，搜索椭球最少样品数设定为9个样品。第二次估值搜索半径为第一次估值的2倍的方法，即200m，对第一次未进行估值的块段进行估值。第三次估值主要是对外推部分进行估值，外推部分可放宽工程个数限制，故不对每个钻孔最小样品个数进行约束。本次估值过程所采用的距离幂次反比估值参数见表2。

表2 距离幂次反比法估值参数

经估算，勘查区内探获水泥用大理岩矿控制资源量15 137kt，推断资源量13 450kt。控制资源量占总资源量的52.95%，剥采比为0.30∶1。

对勘查区内总资源量采用垂直断面法进行了估算，并与本次资源量估算采用的距离幂次反比法资源量估算结果进行了对比(表3)，结果显示两种估算方法的相对误差较小，分别为1.21%和1.06%，说明选择的资源量估算方法正确，资源量估算结果可靠。

6 结论

(1)以吉林某大理岩矿体为研究对象，基于3DMine软件建立了矿体、夹石、边坡、覆盖层三维实体模型和三维块体模型，既能直观地反映大理岩矿体的空间分布形态，也为资源量估算分析奠定了基础。

表3 资源量估算对比结果

(2)与传统资源量估算方法相比，基于3DMine三维块体模型稳定和不易出现不可预测的误差等问题，方法简便快捷，提高了资源量估算的效率。

(3)创新了非金属矿产地质工作中资源量估算的传统模式，对非金属矿地质勘查的技术进步具有积极意义，也为数字矿山建设打下了良好基础。