胶西北地区三维地质模型构建及意义

姚铮，贺春艳，郭国强，刘辉

(山东省物化探勘查院，山东 济南 250013)

0 引言

三维地质建模是运用计算机技术，在虚拟三维环境下，将空间信息管理、地质解译、空间分析与预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来,并用于地质分析的技术[1]。

国外三维地质建模的概念最早是由加拿大 Simon W.Houlding 于1993年提出的,但对三维建模理论的研究由来已久。国内对三维地质建模研究始于20世纪80年代末，标志是对Earth Vision软件的引入。随后，国内的许多学者分别在不同的领域对三维地质建模技术的理论和方法、三维地质建模软件开发等方面进行了大量的探索，为描述三维地下空间提出了许多针对性的建模方法[2]。近年来出现了一批不错的三维地质建模软件，广泛应用于地学领域。如在矿体空间实体模型、资源储量估算、勘查预测、巷道开采现状、开采方案优化等方面，常用三维建模软件主要有3DMine、Surpac、Micromine等[3]。

本次三维地质建模工作是基于北京超维创想信息技术有限公司开发的Creatar XModeling平台开展的。该平台是一套以地质工作过程为引导，结合计算机技术和教学方法，利用各种相关地质资料中提取出来的地质要素信息，对地质现象进行三维重建、展现和分析的软件平台。利用该平台，可展现地层、岩体、构造等地质现象的空间几何特征、内部属性特征以及相互关系等地质信息，更直观地进行矿体定位预测，具有自动、半自动地质建模、处理各种复杂地质现象、多种建模方法融合、多种数据输出格式等特点。

1 胶西北地质概况

胶西北矿集区处于华北板块(Ⅰ级)东南缘，属胶辽地块(Ⅱ级)胶北隆起(Ⅲ级)西部，东南侧相邻苏鲁造山带，西为沂沭断裂带,南为胶莱盆地,东南以牟平-即墨断裂带与胶南-威海造山带分界。研究区所处的成矿区(带)与成矿远景区处于华北地台成矿区(Ⅱ-4)、鲁东成矿区(Ⅲ-15)、胶西北成矿区(Ⅳ-1)。位于招远-掖县(莱州)成矿带内，东部为蓬莱-栖霞成矿带，地质构造复杂，成矿条件优越。区内岩石以结晶基底和中生代侵入岩为主，超90%金资源产自胶西北的伸展构造带内[4]。

胶西北地区出露地层主要分布于建模区北部、东南部和西部沿海地带，出露太古宙、元古宙基底变质岩系、中生代白垩系及新生代古近系、新近系和第四系，其中元古宙地层发育古元古代荆山群、粉子山群、蓬莱群，中生代地层自下而上可分为莱阳群、青山群、王氏群。区域内岩浆岩极其发育，由老到新主要有新太古代马连庄序列、栖霞序列，古元古代莱州序列，中生代玲珑序列、郭家岭序列、伟德山序列、崂山序列。构造系统复杂，以断裂构造为主，主要有三山岛断裂、焦家断裂、金华山断裂、玲珑断裂、招平断裂、丰仪断裂等。

2 三维地质建模流程

2.1 区域定义

建模区域如图1所示，收集了区域地质图、地表高程数据、重磁数据、钻孔数据、测井数据。确定建模区域、建模方法以及基础数据和约束数据的来源。

1—第四系；2—白垩纪-古近纪王氏群；3—白垩纪青山群；4—白垩纪莱阳群；5—新元古代蓬莱群；6—古元古代粉子山群；7—古元古代荆山群；8—白垩纪崂山序列；9—白垩纪伟德山序列；10—白垩纪郭家岭序列；11—侏罗纪玲珑序列；12—侏罗纪文登序列；13—古元古代双顶序列；14—古元古代莱州序列；15—新太古代栖霞序列；16—新太古代马连庄序列；17—潜火山岩；18—地质界线；19—平行不整合界线；20—实测断层；21—推断断层；22—建模剖面位置及编号图1 山东省胶西北三维地质建模范围及建模剖面位置图

2.2 数据处理

本次建模级别到群级，太古代地层在建模区内零星出露、分布局限不连续，第四系厚度非常小，对区内深部金矿评价方面并无实际作用，均不列为此次参与建模的基础地质单元。为全面覆盖建模区域，本次以线距2.5km，方位130°，设计如图1所示47条剖面线，由专业地质人员以1∶25万区域地质填图和局部深部钻探资料为依据依次绘制1500m以浅地质剖面图，以此为约束，利用重磁联合反演方法推断这些剖面10km以浅深部地质结构，建立2D地质模型，形成最终10km深度的地质剖面图作为建模基础数据。

2.3 三维地质模型构建

本次采用复杂交互建模方式进行三维建模。第一步，数据输入，即输入重磁联合反演构建的2D地质模型组。第二步，边界信息提取及编辑。先要输入建模边界,既在插入的地质剖面外围圈出建模边界，然后将每一条断裂带及地层的约束线提取出来，本次共需建立三山岛断裂、焦家断裂、金华山断裂、玲珑断裂、招平断裂、丰仪断裂、平度断裂7条断裂带，其主要特征见表1；需要提取的地层约束线包括新生代地层，中生代王氏群、青山群、莱阳群，元古代蓬莱群、粉子山群、荆山群，侵入岩序列包括白垩纪伟德山序列、白垩纪郭家岭序列、侏罗纪玲珑序列、古元古代莱州序列、新太古代栖霞序列、新太古代马连庄序列，图3展示了区内粉子山群、栖霞序列、玲珑序列以及断裂带的约束线提取过程，在提取过程中对数据量少和不满足建模条件的地方需要添加约束信息。第三步，自顶向下依次对各个地质体进行三维成体。在建模边界内，首先将提取出的断层约束信息按照倾向和走向分类依次添加到模型区各个断层中，之后依次生成断层系统，断层系统生成后按照自顶而下的空间顺序依次建立区内的各个地质体，地质体成体的顺序首先是局部包裹体，如莱州序列，其次是地层系统的三维成体，最后生成群内的岩浆岩系统，最终成图如图2所示。

表1 参与三维地质建模的断裂系统一览表

1—第四系；2—白垩纪-古近纪王氏群；3—白垩纪青山群；4—白垩纪莱阳群；5—新元古代蓬莱群；6—古元古代粉子山群；7—古元古代荆山群；8—白垩纪伟德山、崂山序列；9—白垩纪郭家岭序列；10—侏罗纪玲珑序列；11—新太古代栖霞序列、古元古代双顶序列；12—新太古代马连庄序列；13—古元古代莱州序列图2 山东省胶西北三维地质模型

3 三维模型展示

3.1 地层三维形态

新生代五图群主要位于建模区北部，三维形态显示为厚度由NW向SEE方向逐渐变深，最大厚度约为标高-3000m。中生代白垩纪—古近纪王氏群、白垩纪青山群、白垩纪莱阳群大规模分布于建模区东南部，推断莱阳群底板标高约为-2800m左右，西南部沉积盆地东侧受断裂构造控制明显，盆地底板由南向北逐渐加深，最大深度约为标高-2650m左右(图3)。古元古代蓬莱群主要发育在建模区北部，由西北向南向东逐渐变厚，底板最大深度约为标高-5700m。粉子山群主要分布在建模区西部，自东向西逐渐变厚，在西北部底板埋深达到最大，标高约为-4800m左右。荆山群在建模区南部广泛分布，其顶面和底板为波状起伏特征，在建模区东南部，荆山群地层底板埋深达到最大，标高约为-7500m左右，厚度可达6000m左右(图4)。

图3 中-新生代沉积地层三维形态

图4 古元古代沉积地层三维形态

3.2 岩浆岩三维形态

胶西北岩浆活动频繁，具有多期多旋回的特点[5]。由图5所示栖霞序列在模型区西北部、东南部大面积展布，推断为区内古老陆壳的主要组成物质，其顶面在莱州市南部，作为盆地底界呈波状起伏特征，其底板则无限延伸至建模区底界。古元古代莱州序列和新太古代马连庄序列零星展布于栖霞序列中或被玲珑岩体俘获呈俘虏体形式残存。玲珑序列自南向北贯穿整个模型区，与东侧栖霞序列为断层接触关系，该断层即为区内三大控矿构造带招平断裂带，玲珑岩体自西北方向侵入，与三山岛断裂下盘的岩体相连，超覆于下部栖霞序列之上。郭家岭序列位于建模区北部，将玲珑序列透明度调整到50%后，可以清晰地看到郭家岭序列与玲珑序列之间接触面较为陡立，向深部延伸范围有限。伟德山、崂山序列主要分布在建模区南部，在地表出露非常局限，但该套岩体有一定的展布规模和深度，是玲珑岩体后期侵入的中生代岩体，它们与玲珑岩体的空间关系如图6所示。

1—白垩纪伟德山、崂山序列；2—白垩纪郭家岭序列；3—侏罗纪玲珑序列；4—新太古代栖霞序列、古元古代双顶序列；5—新太古代马连庄序列；6—古元古代莱州序列；a—侵入岩全景显示；b—玲珑序列三维形态；c—伟德山、崂山、郭家岭序列三维形态；d—栖霞、双顶序列三维形态图5 山东省胶西北岩浆岩三维形态

图6 山东省胶西北中生代主要岩体空间关系

4 三维地质建模意义

4.1 使基础地质研究形象生动直观易懂

三维地质建模加强了基础地质研究工作数字化、立体化、可视化，易于被非专业人士理解与应用。可以有效透视地下地质结构，从而有助于发现隐伏矿床，揭示地质灾害孕育的深部背景、机理和隐患，实现对地质资源和地质环境的有效管理、利用和保护。

4.2 清晰反映岩浆岩体之间的关系

证实该区域矿产形成时间主要为中生代时期，与大规模岩浆活动密切相关[6-12]。三维模型清晰地揭示了伟德山、崂山序列花岗岩侵入玲珑序列花岗岩内部，是玲珑岩体后期侵入的中生代岩体，玲珑序列花岗岩与郭家岭序列花岗岩在空间上紧密伴生，接触面较为陡立，向深部延伸范围有限，在东部，玲珑序列花岗岩与栖霞片麻岩套成断层接触关系，在北部，栖霞片麻岩套为主要基底，玲珑岩体出露地表，中生代沉积盆地和古元古代荆山群等沉积地层的展布在栅栏图中也得以很好的体现。该区多期多成因的岩浆活动，构成了优越的区域成矿地质背景条件[13-14]，区域壳幔物质交换、岩浆活动等为成矿作用提供了充足的成矿物质、良好的导流网络、丰富的成矿流体等必备条件[15-16]

4.3 全方位展示断裂带之间的关系

断裂构造的变化形态，证实胶西北阶梯式成矿模式[17]，矿床分布和矿体定位受断裂带三维结构控制[18]，指示深部找矿方向。在众多成矿控矿因素中，区域性断裂构造是重要的主导因素[19]。图7中可以看出三山岛断裂和焦家断裂都呈上陡下缓的铲式构造[20]，焦家断裂在深部与三山岛断裂呈交汇关系。招平断裂带是区内规模最大的一条NNE、NE向断裂带，也呈现上陡下缓特征，是多次活动的产物[20]，焦家断裂与招平断裂二者为向背而倾的关系。玲珑断裂在走向上切割招平断裂北段以及焦家断裂北段。丰仪断裂北部在丰仪附近与招平断裂破头青段有聚合趋势，断裂带南端与招平断裂带逐渐聚合。平度断裂则位于建模区最南端，呈近似EW走向，倾向S，倾角较陡。金华山断裂南北延伸长度大，且走向上呈现多次摆动的特点。

图7 山东省胶西北地区主要断裂构造三维俯视图

三山岛、焦家和招平断裂是深部矿床赋存主要控矿断裂[17-18，20]，均为上陡下缓的铲式断裂，在走向上呈现多次摆动的特点，在倾向上均有若干“凹”型及“凸”型面空间，在断裂拐弯部位、倾角变换部位、交汇部位有利于矿产赋存[6]，三维模型的构建，有助于掌握成矿构造形态、分布，从而得到有利成矿部位的位置，进而指示深部找矿方向。

5 结论

(1)玲珑岩体由地表向深部宽度(EW向)逐渐变宽，大致呈梯形、似层状产出，岩体向南部发育厚度变大，侵入两侧栖霞片麻岩中，岩体东侧边界整体受招平断裂带控制。

(2)郭家岭型花岗岩与玲珑型花岗岩的接触面较为陡立，向深部延伸范围有限。

(3)伟德山和崂山型花岗岩在郭家店一带地表有2处零星出露点，岩体向深部规模逐渐变大，并且连为一体，具有较大的展布规模和深度。

(4)三山岛、焦家和招平断裂均为上陡下缓的铲式断裂，在走向上呈现多次摆动的特点，在倾向上均有若干“凹”型及“凸”型面空间，与金矿大规模富集成矿有密切关联。

此次三维地质建模将胶西北地区10km以浅的主要地质结构和构造单元的三维空间特征在3D平台形象进行全方位、立体展示，虽然此次建模钻孔数据较少，三维地质建模技术还存在多种问题，但随着软件逐渐成熟、性能更加稳定，为科研人员和生产单位在今后相关工作或科研活动中，特别是在解决深部地质作用、深部成矿地质背景、重点矿集区深部找矿预测、圈定靶区等方面能够提供一些可参考的、直观的立体信息和线索。