基于Vulcan软件的山东莱州留村金矿区三维建模及资源量估值

2022-02-16胡跃亮王永锋周荣志王俊洁

地质与勘探 2022年1期

贾飞，胡跃亮，王永锋，张姗，柏瑞，周荣志，王俊洁，刘艳

(1.山东黄金地质矿产勘查有限公司，山东莱州 261400；2.山东黄金矿业股份有限公司投资发展事业部，北京 100029；3.山东黄金集团有限公司资源管理中心，山东济南 250000)

0 引言

胶东金矿是我国最大的金矿产地，拥有三山岛、焦家、玲珑等世界级金矿山。为满足日益增长的矿山生产需要，也为可持续发展提供充足的后备战略资源，以实现“十四五”发展规划，山东黄金集团决定开展“胶东大会战”，建立胶东一套完整的三维模型体系，方便对所有黄金资源进行整合，实现统一规划管理，同时对地质矿产资源进行有效核算，为矿山开采作出合理设计与规划，实现资源量动态管理，建设数字化矿山。留村金矿区隶属于胶东金矿区，由于其规模较小，之前对该矿区资源信息化、可视化、动态化等尚无系统研究，本次三维建模，是整个胶东三维建模体系中的重要组成部分，为本区后续数字化、智能化矿山建设提供了重要依据。

留村金矿位于胶东半岛莱州市西南约12 km的虎头崖镇境内(图1)，先后经历了普查、详查等阶段工作，查明了矿区深浅部地质与矿产概况。最近的详查工作基本查明了矿区金矿体的分布、数量、形态、规模、产状等情况，提交金矿石量542706.00 t、金金属量为2009.34 kg、金平均品位3.70 g/t；基本查明了矿区地层、构造、岩浆岩的特征及成矿地质条件等；而对矿体及断裂构造在深部的延伸规律等研究尚不透彻，借助三维模型可以更直观高效地方式来研究矿区岩性、地层产状、地质构造、矿体规模及赋存情况等，以探求矿体与构造在地下的深部延伸规律。

图1 山东莱州留村金矿区地质简图(据注释①修改)Fig.1 Geological sketch map of the Liucun gold deposit in Laizhou,Shandong Province(modified from Note①)1-第四系;2-岗嵛组;3-局屯组;4-张格庄组;5-祝家夼组;6-小宋组;7-磁铁石英岩;8-长石石英岩;9-滑石片岩;10-奥长花岗岩;11-闪长片麻岩;12-角闪岩脉;13-石英脉;14-铁矿;15-菱镁矿;16-金矿;17-滑石矿;18-糜棱岩带;19-次级断裂;20-矿区范围1-Quaternary；2-Gangyu Formation；3-Jutun Formation；4-Zhanggezhuang Formation；5-Zhujiakuang Formation；6-Xiaosong Formation；7-magnetite quartzite；8-feldspar quartzite；9-talc schist；10-trondhjemite；11-diorite gneiss；12-amphibolite vein；13-quartz vein；14-iron ore；15-magnesite；16-gold ore；17-talc ore；18-mylonite zone；19-secondary fault；20-mining area

本次利用Vulcan软件建立矿区三维地质模型并对资源量进行估值，该软件是一套国际先进的矿业软件，可快速实现三维可视化研究，让地质建模变得更便捷、高效和精确。通过该软件将留村矿区地质平面图、剖面图等二维信息以三维可视化的效果直观形象地展现出来，并可以任意剖切地质体、对地质体进行三维交互信息查询。在此基础上，利用块体模型和距离幂次反比法快速、有效地进行资源量估算，为每个矿块段赋予精准资源量数据，为矿区地质研究及资源评价提供更全面的资料数据。

1 矿区地质

留村矿区位于胶东半岛西北部平原区，属鲁东地层分区，地表第四系残坡积物覆盖较普遍，下部地层为古元古界粉子山群小宋组、祝家夼组和张格庄组。矿区内最主要的构造是一条大致呈北东走向的含金矿破碎蚀变断裂带，即留村断裂带(简称F2)，是本矿区唯一的容矿、控矿构造。区内岩浆岩发育，主要为新太古代中酸性侵入岩和中生代花岗岩，二者构成了矿区的主体岩性。新太古代侵入岩为栖霞岩套回龙夼岩体，该岩体在区域范围内呈岩基、岩株状产出，岩性为条带状中细粒含角闪黑云英云闪长岩，主要位于断裂下盘。矿区中生代岩体为晚侏罗世玲珑超单元云山单元弱片麻状中细粒黑云二长花岗岩，该岩体主要呈北东向展布，主要位于断裂上盘，其北西侧为早元古界粉子山群，南东侧为新太古代栖霞岩套回龙夼岩体，局部穿插于下盘条带状英云闪长岩中。

区内金矿体多赋存在石英脉中，而含金石英主要产于F2断裂带内，呈顺层穿插之式。含金石英脉产状与其赋存部位的蚀变断裂带基本保持一致，曾遭受后期断层切割分离，出现多段石英脉，沿走向、倾向常具有分枝复合、平行支脉、尖灭再现或侧现等特点。由于金矿体多包含在含金石英脉中，导致区内矿体多而复杂，整体规模较小，多零星矿体。

2 原始地质资料收集与处理

通过搜集留村矿区所有存档资料(包括纸质版及电子版)，共收集相关钻孔110个、探槽工程15个、剖面图15幅、工程布置及地形地质图2幅。

按照Vulcan软件地质数据格式要求，完成钻孔坐标信息表、测斜结果表、样品分析表、岩性编录表4个原始资料表格的数据录入。数据表格均采用系统默认的xls工作表，孔口信息表中坐标均转换为2000国家大地坐标系统(张琪等，2020)。

其中地表等高线和工程勘探线等地表数据均采用矿区Mapgis格式的线文件数据，经2000坐标校正后，调整图幅比例尺为1∶1000，并转换为cad格式下的dxf或dwg文件，再导入到Vulcan软件中。

3 建立地质数据库

3.1 数据导入

对本矿区建立了以“lckq.dhd.isis”为名称的地质数据库，在建立数据库时采用的是模板化的技术，利用sdzk.dsf的模板。在创建数据库时，导入已建好的csv数据表，具体数据表结构见表1。

表1 地质数据库数据表结构Table 1 Structure of geological database

3.2 数据库校验

所有的探矿工程数据根据原始地质编录信息录入到Excel电子表格中，之后导入到Vulcan数据库中，并利用软件对生成的钻孔数据库进行了如下检验：

(1)工程号、样品ID唯一性检验。

(2)测斜深度、取样深度、岩性深度等数据递增检验。

(3)测斜深度、取样深度、岩性深度等超出终孔深度检验。

(4)输出报告，对校验后的各项参数输出到Excel表格进行查看，将校验的问题逐一检查修正，直至所有数据校验无误。

3.3 数据库处理

在Vulcan软件的用户菜单模块中，选择地质工作流程中的数据库建设功能，创建钻孔显示图例，并以AU命名新生成图例。同时按照矿区工业指标来对AU图例进行颜色区分，其工业指标如下：边界品位≥1.0×10-6，工业品位≥2.0×10-6。

对新生成的AU图例予以保存，利用已创建的钻孔图例显示钻孔并对钻孔予以信息标注，并通过导入Mapgis工程布置图来进行校验，其中显示的钻孔信息、位置与实际工程布置图对应钻孔吻合无误。其勘查工程的三维可视化效果见图2。

图2 钻孔工程三维显示图Fig.2 3D display of drilling project

4 地质解译与三维模型构建

地质解译是在剖面解译的基础上，依据矿区勘探线剖面图进行岩体、构造和矿体的划分，对不同的岩性、构造和矿体分别建立相对应的地质解译线，运用软件创建实体模型功能对相同解译线进行圈连，以此构建三维模型(张伟等，2013;吴志春等，2016)。本次共录入51条剖面信息，利用涉及主矿体的剖面19条，依次在矿区范围内分别建立了地表模型、岩体模型、构造模型及矿体模型。

4.1 地表模型

地表模型的建立主要基于Mapgis中实际地形地质图的高程线文件数据，其中线文件数据必须赋有高程值，对没有高程的线数据先予以实际高程赋值，并将地形地质图按1∶1000的比例置于原坐标。通过Section将图幅转换为dxf格式导入Vulcan软件，利用软件中建模功能建立地表实际模型(图3)。

图3 留村矿区地表模型示意图Fig.3 Schematic diagram of surface model for the Liucun mining area

4.2 岩体及构造模型

依据每个勘探线剖面岩层的分界线建立岩层解译线，将相同的岩层解译线间建立面模型，再根据面模型创建实体模型。从地表由浅至深分别建有二长花岗岩(图4)、石英脉(图5)和英云闪长岩(图6)3个岩体模型。

图4 二长花岗岩体模型Fig.4 Monzonite granite model

图5 石英脉模型Fig.5 Quartz vein model

图6 闪长岩体模型Fig.6 Diorite model

区内构造主要为一条大致呈北东走向的含金矿的破碎蚀变断裂带F2，是矿区唯一的控矿、容矿构造，矿区中的含金石英脉顺层产于F2断裂带内。F2断裂位置在矿区各剖面钻孔中均有揭露，依次绘制出各剖面的断裂构造解译线，再由构造解译线直接建立F2构造面模型(图7)。

图7 矿区F2断裂构造模型Fig.7 Structural model for fault F2 in mining area

留村矿区二长花岗岩体位于断裂构造面以上；区内脉岩石英脉则分布在F2断裂挤压破碎带及上盘二长花岗岩体中，多位于断裂带内，且分布数量较多、规模较大，为赋矿脉岩，金矿体便产于其中；闪长岩体则位于断裂构造下盘。

4.3 矿体模型

区内矿体均赋存在留村F2断裂带内，充填于石英脉中，矿体严格受断裂带产状的控制，走向20°～85°，倾向南东，倾角40°～65°，矿体形态呈脉状或薄脉状，空间上呈似层状，形态简单，沿走向及倾向呈舒缓波状。

由于区内矿体规模较小且单工程控制的零星矿体较多，本次留村矿区根据各勘探线剖面划定矿体解译线，选择其中8个主矿体建立矿体模型(图8)。对所建模型进行实体闭合并逐一检查，部分存在极小值偏差，对其进行实体修复。完善后的各个矿体模型，其体积验证数据与传统报告体积计算数据误差均在5%以内，总体偏差为3.13%(表2)，表明此次矿体模型建立正确，为下步资源量估值建立基础。

图8 矿体空间模型示意图Fig.8 Sketch showing orebody space model

表2 体积对比情况表Table 2 Volume comparison

4.4 整体效果及动态展示

加载上述所有地质体模型，完成本矿区综合三维地质建模。利用软件可对矿区整体三维模型进行任意切割与拆分，实现断面岩性、构造及矿体等地质要素的可视化研究(图9)。

图9 矿区整体三维模型效果及动态模拟展示Fig.9 Overall 3D model and dynamic simulation of the mining area

Vulcan软件还可对矿体模型中的任意块段进行划分和抠除，在矿山的中段与巷道采矿中犹为适用，可直观反映矿体的采掘进程以及后续排产规划，切实做到了对矿体资源的动态化掌控与管理。

5 资源量估值

5.1 样品组合与特高品位处理

利用Vulcan软件提供的钻孔与矿体实体相交的功能，得到探矿工程的见矿部位和所控制矿体的编号，用于样品组合。将数据库中的所有样品信息进行提取，用Vulcan软件的基本统计分析模块对样长和品位进行统计分析，获取全区样长的平均值，通过样长统计直方图(图10)，观察样品的分布情况。

图10 样长统计直方图Fig.10 Histogram of statistics for sample lengths

根据样长的基本统计分析结果，以样长的平均值(1 m)做为组合样样品的固定样长。对探矿工程见矿部位的样品品位用已确定的组合样长进行长度加权，得出样长固定组合后的样品数据。

针对特高品位处理，对组合后的样品品位做基本统计分析并使用样本过滤器进行过滤，生成矿体金品位累计频率分布图(图11)。按照国际惯例，将累计频率为0.98处对应的品位值(约为均值的6倍)作为对应矿体的特高品位值，并进行特高品位处理，对大于特高品位值样品均用矿区平均品位值替代。

图11 累积频率分布图Fig.11 Cumulative frequency distribution

5.2 建立块体模型

根据整个矿体模型在空间的分布范围，矿体模型在走向、倾向的变化及开采段高等因素确定矿块划分规格，将矿体模型划分为若干个长(立)方体小块，建立块体模型。

块体范围涵盖了所有矿体模型及相关钻孔，其相关参数信息如下：(1)空间坐标为X：482865.0，Y：4109675.0，Z：-415.0；(2)方位角：47.0°，倾伏角：0倾角：0 ；(3)父块尺寸为20 mm*20 mm*10 mm，次级块尺寸为2 mm*2 mm*1 mm；(4)变量包含AU、 Oredomain(主矿体号)、 Density(矿石比重)、矿石类型、Flag等。

块体模型建立后，首先对新创建的块体模型变量Density赋予数值，矿区内比重值均采用2.80 t/m3，其余变量由后续操作逐步带入。

5.3 品位估值

Vulcan软件拥有强大的数据处理系统，拥有多种资源量估值方法，尤以克里格法与距离幂次反比法最为常用。其中克里格法主要适用于大型-超大型矿床，本矿区属于中小型，最适合距离幂次反比法进行估值操作。它是用已知邻近值的距离与指数幂次成反比的关系来推估网格点的值(黄光球和桂中岳，1997)，其公式如下：

式中：Z-待估点品位值；Zi-已知控制点品位；Pi-控制点幂次；Di-控制点到待估点距离。

为确保估值结果的准确性，本次估值进行三次，估值次数写入变量Flag，其中第二、三次估值需额外增设条件“Flag lt 0.5 ”，其意义是品位小于0.5 g/t(本区金矿化品位值)的数值将不再参与估值，保证参与估值数据的合理与准确性。参与估值的最小样品数和最大样品数分别设为1和3，同时加载搜索椭球体，根据各矿体产状和规模确定搜索椭球体的方向参数及搜索距离。三次估值中样品数与椭球方向参数均保持不变，椭球体的搜索距离按照1∶2∶4比例逐渐增大，首次估值完成60%左右，二次估值80%左右，第三次确保椭球体涵盖所有块体以完成全部估值(估值过程如图12)，对三次估值结果达不到100%的，重新修正至合适估值参数，估值参数视各个矿体情况而定，具体估值参数见表3。

图12 椭球体估值过程动态展示Fig.12 Dynamic display of ellipsoid valuation process

表3 各矿体估值参数表Table 3 Parameters for each orebody valuation

完成估值后，加载块体动态模型，对块体按AU品位属性进行着色，可以直观反映矿体中金品位分布特征(图13)。

图13 留村矿区矿体Au品位分布示意图Fig.13 Schematic diagram showing Au grade distribution of orebody in Liucun mining area

6 资源量报告

对所有矿体估值完毕后，生成矿体资源量报告，导出各矿体所有属性，包括金平均品位、矿石量、金金属量等。经过验证，矿区内所有矿体与传统报告里计算方法相比，金平均品位误差为1.92%、金金属量误差1.25%、矿石量误差3.13%。依此证明此次估值方法正确无误且高效可行，也有效验证了留村相关报告的资源量数据，同时表明Vulcan软件不但可以准确的建立地质模型，更可以精确的计算矿体资源量，可作为以后提交报告的重要参考。

在矿山的实际应用中，经估值验证后的矿体模型可直接转交给矿山专业采矿工程师，迅速进行后续的采矿单体设计及排产计划，利用软件进行各类掘进验收、贫化损失计算、优化各类设计等矿山作业，真正实现了智能化矿山建设。

7 结论

(1)通过对莱州市留村金矿区所有的数据资料进行综合细致的整理以及有用信息的再处理等工作，利用Vulcan软件成功建立了留村金矿区三维地质模型，包括地表、岩体、构造、矿体等三维空间模型，并对其进行任意剖切，直观展现了各种地质体在地下空间的分布状态。通过软件将留村矿区二维抽象的地质信息转换为三维可视化的图形效果，深度模拟并还原了该矿区自地表以下最真实形象的地质概况，实现了从二维到三维的突破。

(2)利用Vulcan软件对留村矿区资源量进行了有效估值，本次估值结果矿石量为525692.81 t、金金属量1984.18 kg、金平均品位为3.77 g/t，与原报告数据相比矿石量误差3.13%、金金属量误差1.25%、金平均品位误差为1.92%。结果表明利用该软件估值的数据与传统地质报告中的资源量计算数据近乎一致，可作为以后提交报告的重要参考；同时Vulcan强大的数据处理功能可对每个矿块体予以资源量赋值，为后期采矿事业及矿山建设等提供精确的设计和生产计划，方便资源量动态管理，实现地质资料价值最大化。

致谢：感谢所有参与人员的付出，感谢评审老师给予的指导性修改意见，感激编辑老师的不辞辛苦！

[注释]

①冯涛，李先成，吴衍华等．山东黄金地质矿产勘查有限公司.2013.山东省莱州市留村矿区外围金矿详查报告[R].

[附中文参考文献]

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