數(shù)字礦床模型在可可托海3號偉晶巖脈稀有金屬礦的應用

數(shù)字礦床模型在可可托海3號偉晶巖脈稀有金屬礦的應用

在過去的十年開采和開發(fā)過程中，我們收集了大量豐富的數(shù)據和數(shù)據，與地質礦產相關。這些數(shù)據和數(shù)據是未來評估和開發(fā)的基礎。過去,地質數(shù)據主要以紙質地質圖或剖面的形式出現(xiàn),如今,地理信息系統(tǒng)(GIS)和三維建模技術的出現(xiàn),為地質數(shù)據的存儲、查詢、分析和立體顯示帶來了巨大的方便,使以數(shù)字三維模型進行礦床評估、預測研究成為可能。近年來,這一領域引起了越來越多學者的關注,涌現(xiàn)了一系列優(yōu)秀的成果。縱觀這些數(shù)字三維模型,大體可以分為2類:(1)固體模型,就是地質資料、剖面圖、2.5維地震資料,通過連接地質體表面輪廓線實現(xiàn)三維地質體的構建。這類研究以三維建模技術和流程為重點,提出了大量切實可行的技術方案,對理解地質體的三維形態(tài)及其展布具有較大的幫助,但研究往往滯留于此,已建立起的三維模型潛力沒有得到充分利用。(2)地質統(tǒng)計模型,此類方法主要是對離散類數(shù)據進行地質統(tǒng)計學插值,三維插值隨機把采樣數(shù)據變成體數(shù)據,即可視化計算,從而實現(xiàn)一個三維體。但需要注意的是,這不是一個物理實體,與現(xiàn)實世界的真實實體沒有關聯(lián)。此類方法能方便地進行數(shù)據分析、統(tǒng)計和儲量計算,但沒有三維直觀概念,對地質體結構分析不足。怎么有機地結合2類模型的優(yōu)勢,更好地服務于礦產預測和開發(fā),是個很有意義的課題。本文以危機礦山“新疆可可托海3號偉晶巖脈”為實例,利用GIS和三維建模技術,通過建立礦床地質體三維實體模型和鉆孔地質統(tǒng)計模型,使兩者有機結合,對3號脈開發(fā)現(xiàn)狀和潛在資源量進行全面評價,從而為礦山的后續(xù)開發(fā)提供參考。1基于三維數(shù)字礦床的成礦預測和預測數(shù)字礦床的建立是本文研究的基礎。所謂數(shù)字礦床就是數(shù)字化的礦床,可以理解為礦床的信息模型,即一個以地理坐標為依據的、數(shù)字化的、三維顯示的、虛擬的礦床。數(shù)字礦床模型是以深入了解研究區(qū)域地質背景為基礎,根據地質圖、剖面圖、鉆孔數(shù)據等資料,利用三維建模軟件建立起的三維可視化礦床模型。數(shù)字礦床可以直觀地顯示出研究區(qū)的地質體的形態(tài)及其空間位置,其核心思想可以說是用數(shù)字化的手段整體地解決礦床及其空間位置相關信息的表達與知識管理。數(shù)字礦床的建立以三維GIS技術的發(fā)展為依托,運用現(xiàn)代空間信息理論來研究地層及其環(huán)境的信息處理、數(shù)據組織、空間建模與數(shù)字表達,并運用可視化技術對地層等地質信息進行真三維再現(xiàn)和可視化交互。最初,它能實現(xiàn)的功能包括恢復地表以下地質體的結構、形態(tài)和空間展布,使研究者能夠動態(tài)地觀察其內部的細節(jié),了解目標對象與周圍地質環(huán)境之間的關系等。近10年來,隨著計算機三維技術的迅速發(fā)展,基于三維數(shù)字礦床的成礦預測逐步成為研究的熱點,如鄧明國建立了個舊礦區(qū)蘆塘壩10號礦群的礦床模型,并將其用于礦體儲量計算和礦區(qū)生產動態(tài)管理;張新宇應用地學三維空間可視化儲量計算輔助分析系統(tǒng)(GSSI)在阿舍勒銅鋅礦床和西岔金礦的勘探過程中,進行地學空間可視化儲量計算,并為阿舍勒銅鋅礦和西岔金礦的經濟評價、采礦設計和生產管理提供輔助分析;陳建平等利用Micromine軟件建立了個舊東區(qū)典型勘查區(qū)的數(shù)字礦床模型,并用三維插值方法對礦床的儲量進行了估算。三維數(shù)字礦床模型已經發(fā)展為找礦定量分析的強有力的支撐。數(shù)字礦床不僅為研究者提供地下礦體的三維形態(tài),更為重要的是,可以通過礦床的三維模型開展隱伏礦體的三維預測,根據對研究區(qū)成礦規(guī)律的分析確定成礦條件有利組合的三維定位,進而對預測礦體進行資源量估算和富礦體的圈定。本文研究中首先應用相關的地質資料建立起3號脈的三維數(shù)字模型,對研究區(qū)成礦規(guī)律進行分析總結,最終實現(xiàn)了找礦靶區(qū)圈定和資源量估算。2巖鐘部分構造及礦化特征可可托海3號偉晶巖脈是阿勒泰地區(qū)眾多花崗偉晶巖中分異程度最好的巖脈,在大地構造位置上處于西伯利亞板塊阿爾泰陸緣活動帶,哈薩克斯坦和西伯利亞板塊的縫合線附近,侵位于阿爾泰加里東—海西褶皺帶的軸部富蘊地背斜褶皺帶內的片麻狀黑云母花崗巖頂部凹陷的斜長角閃巖內?？煽赏泻：V偉晶巖脈產于片巖、花崗巖及角閃巖、斜長角閃巖類之中,3號偉晶巖脈形態(tài)復雜,總體形態(tài)呈鐘狀,上部是陡傾斜的巖鐘部分,下部是緩傾斜的巖鐘環(huán)帶(圖1)。3號脈結構帶因礦體形態(tài)而異,巖鐘部分可劃出9個帶,緩傾斜部分可分出7個帶。(1)巖鐘部分:巖鐘部分是3號脈結構構造最完整的地段,由外向內為Ⅰ文象及準文象結構中粗粒偉晶巖帶;Ⅱ細粒鈉長石帶;Ⅲ塊體微斜長石帶;Ⅳ石英-白云母帶;Ⅴ葉鈉長石-鋰輝石帶;Ⅵ石英-鋰輝石帶;Ⅶ白云母-薄片鈉長石帶;Ⅷ鋰云母-薄片鈉長石帶和Ⅸ塊狀石英帶(核)。上述各帶,除第Ⅷ帶呈透鏡體之外,其它各帶都基本連續(xù),為環(huán)帶狀構造。(2)緩傾斜部分:緩傾斜部分有7個結構帶,其中外部3個帶連續(xù),內部4個帶是斷續(xù)的。連續(xù)的結構帶(由上盤到下盤):Ⅰ文象準文象結構中粗粒偉晶巖帶;Ⅱ細粒鈉長石帶;Ⅲ細粒偉晶巖帶不連續(xù)的結構帶(出現(xiàn)在礦脈膨脹地段);Ⅳ塊狀微斜長石帶;Ⅴ石英-白云母帶;Ⅵ葉鈉長石-石英-鋰輝石帶和Ⅶ鋰云母-薄鈉長石帶。巖鐘部分的典型地質結構構造反映了3號礦脈偉晶巖作用演化的全過程。3號礦脈規(guī)模巨大、交代強烈、結晶分異完善、礦化特征明顯,是世界級的大型稀有金屬花崗偉晶巖礦脈。已發(fā)現(xiàn)礦物76種,具有工業(yè)意義的礦物有綠柱石、鋰輝石、銫榴石、鈮鐵礦-鉭鐵礦簇、細晶石族等。稀有金屬礦產品主要為鈹、鋰、鈮和鉭,由富礦“共生-結構體”構成礦帶,有的含有1種稀有金屬,有的含有2種或2種以上稀有金屬,其中鈹經濟價值最大。但由于礦山經多年的開采,大部分探明的可采資源量已采盡,礦山于1999年閉坑。3地殼模型和鉆孔模型的數(shù)據建模3.1資料收集和預處理3號脈勘探歷史悠久,勘探資料豐富,本次共收集了22條地質剖面、48個鉆孔、1163個鉆孔化驗數(shù)據、中段圖、工程布署圖、1∶1萬地質圖、地形圖等資料。地質剖面基本并行,呈菱形展布。鉆孔模型由3個文件組成,分別為鉆孔孔口三維坐標文件、鉆孔側斜文件和化驗數(shù)據文件。所收集的數(shù)據為紙質形式,首先要對這些數(shù)據進行預處理,主要包括在MapGi6.7平臺上對剖面圖、中段圖進行矢量化和幾何配準,并以DXF格式存儲。對鉆孔數(shù)據進行核對,錄入Access2000數(shù)據庫。對地形圖等高線在ArcGi9.0平臺上進行矢量化,生成地表模型(DTM)。3.2剖面位置和位置依據剖面圖和鉆孔的分布范圍,首先把模型區(qū)限制在X:85447.73~86229.47m、Y:29180.85~29748.50m、Z:1230~841m的矩形區(qū)范圍之內,把DXF格式的工程布署圖、中段圖和剖面圖導入Micromine平臺中(同時假定剖面圖精度高于中段圖)。礦山常用的勘探線地質剖面圖實際是將空間中距勘探剖面一定距離范圍內(法線方向)的巖性、地層、鉆孔等信息投影在勘探剖面上而形成的。在勘探線剖面圖中,巖體、地層等對象只保留了二維空間信息(只含有X或Y方向之一和高程信息),勘探剖面的實際位置在勘探工程部署圖中反映(水平投影在勘探工程部署圖中)。利用剖面建模,首先要將剖面(二維剖面投影)恢復到三維空間中,剖面水平投影與中段圖或工作部署圖一致,剖面上的水平高度與三維空間中的實際高度一致,該操作涉及一系列的剖面旋轉、平移和配準工作。完成剖面的三維空間校正后,就可以將相鄰剖面中同一巖體或地層依據形態(tài)大小、延伸方向和規(guī)律進行線框連接,對尖滅巖體或所夾透鏡體要進行適當處理,以反映巖體和地層在地下的實際三維分布。本次建模使用的軟件所支持的區(qū)實際是一種特殊的線文件,其提供的線如果起止點為同一點,即認為是閉合的區(qū)(可以填充顏色和巖性花紋符號),它目前不具備GIS所支持的拓撲關系功能,具有公共邊的相鄰區(qū)不能共用一條線作為邊界線。這就在一定程度上增加了建模時建立巖體和地層線框模型的工作量。相鄰剖面之間采用離散插值算法(DSI)進行光滑處理,DSI算法能在考慮約束條件下使插值出的表面粗糙度降到最低,同時盡可能使邊界接近真實。最后,導入DTM數(shù)據,與工程部署圖聯(lián)合形成地表模型。3.3號脈內樣品的正態(tài)累積頻率分析把建模范圍分割成20m×20m×20m的單元塊,次分塊規(guī)格為10m×10m×10m。把鉆孔數(shù)據庫導入Micromine數(shù)據庫中,利用鉆孔井口坐標、側斜、深度等參數(shù)生成線實體,并對線體相應塊段賦予鉆孔化驗數(shù)據。鉆孔三維模型的主要目的是儲量計算,儲量計算的關鍵一步是對未知區(qū)域的品位進行估計,傳統(tǒng)的資源量估算方法一般不重視品位在整個礦區(qū)或礦體內的變異性,地質統(tǒng)計學理論的出現(xiàn)使利用地質理論進行全局和局部分析成為可能。資源量估算過程中特別高的品位應該引起懷疑,高奇異值的出現(xiàn)會強烈影響數(shù)據統(tǒng)計參數(shù)的變化,如平均值、方差和協(xié)方差,同時嚴重影響試驗變異函數(shù)的性狀;特異值影響其周圍的礦塊品位,從而可能高估礦石量和金屬量;在克里格法估計過程中還可能會產生奇異的樣品權系數(shù),如負的權系數(shù)。于是,怎樣識別和處理特異值向來是礦產資源量估算的熱點問題。本文對可可托海3號偉晶巖脈內樣品的BeO含量進行了對數(shù)正態(tài)累積頻率分析(圖2),確定3號脈BeO特高樣品值為1.46%,取樣中有高于該值的樣品進行截斷處理。地質統(tǒng)計學提供了多種克里格方法用來對未知區(qū)域的品位進行估計。樣品的分布決定著插值方法。圖3分別對3號脈BeO品位的原始采樣長度、2m樣長組合、20m樣長組合和文象、準文象中粗粒偉晶巖帶內樣品BeO品位(3號脈主要成礦帶之一)的數(shù)據進行了統(tǒng)計分析。從圖3可以看出,3號脈內樣品中BeO品位總體接近對數(shù)正態(tài)分布,不同樣長組合后的分布形態(tài)變化較小。侯景儒等根據礦床中有用組分的分布特征選擇不同的地質統(tǒng)計學方法,當有用組分服從正態(tài)分布時,可以用簡單克里格法、普通克里格法和泛克里格法,本文采用簡單克里格法對模型區(qū)范圍內的單元體進行插值,插值搜索半徑為40m,保證了資源量的外推不超過工程間距的1/2,符合工程勘查礦體圈定的相關原則。4地質特征和地表模型圖4為3號脈地表和9個共生結構帶三維實體模型,該三維形態(tài)圖真實地反映了3號脈礦床特征中描述的空間形態(tài)特征,總體輪廓與圖1基本一致,核部的巖鐘和南部的緩傾斜清晰可辨,每個結構帶都有精確的坐標位置,在地表平面圖上呈橢圓形,走向NW335°,長約250m,寬約150m,傾向NE,上盤傾角40~60°,下盤傾角80~90°,自上而下有逐漸膨大的趨勢。緩傾斜見于地下200~500m處,走向NW310°,傾向SW,沿走向長2160m,沿傾向延伸1660m,厚20~60m,平均40m,傾角10~25°。此外,除了在三維視角下直接觀察各建模實體的空間形態(tài)和分布特征,還可以通過設定特殊的顯示方式,顯示與傳統(tǒng)使用的地質剖面圖相對應的三維剖切圖。從三維模型可以看出,3號脈鐘形體與緩傾斜部位較為連續(xù)的結構帶包括文象—準文象中粗粒偉晶巖帶、細粒鈉長石帶、細粒偉晶巖帶、石英白云母帶和塊體微斜長石帶,不連續(xù)的帶包括白云母薄片鈉長石帶、葉鈉長石-鋰輝石帶、石英-鋰輝石帶和塊體石英核帶。圖5是3號脈礦體共生結構帶三維剖面,顯示了剖面附近的鉆孔和部分圍巖。分帶內部巖性花紋已填充,可以根據研究觀察的需要,切出任一角度視角下的三維礦體剖面,并即時查詢剖面內所有對象的屬性信息,如鉆孔中取樣、化驗結果和巖體分帶內巖性特征等屬性信息,同時實現(xiàn)了三維空間下的空間數(shù)據查詢管理功能。鉆孔模型真實地展示了鉆孔的分布和形態(tài),并與巖心化驗數(shù)據相關聯(lián),可以動態(tài)地查詢其坐標和成礦元素化驗值。圖6是利用DEM和采掘線形成的當前地表模型。圖7是BeO品位三維空間插值模型,圖中立方塊不同顏色顯示BeO品位值的高低。5應用5.1beo異常分布特征根據BeO異常和地質體三維模型,可以清楚地觀察研究區(qū)的潛在資源量分布和勘探開發(fā)情況。圖8為3號脈開采現(xiàn)狀圖,圖中東西向綠色半透明曲面為1988年礦區(qū)開采的露天界面,藍色橢球體為3號脈巖鐘部位的石英核。從圖8可以看出石英核基本都在1988年開采界面之下,說明巖鐘部位的礦體都已經基本采出。BeO三維空間異常分布圖從三維角度顯示了元素異常的空間分布,將研究對象按垂直于觀察角度切割成具有一定距離間隔的平行剖面,切片結果顯示3號脈在由海拔1284m平面向下的過程中,BeO異常主體分布在中心區(qū)域,當深度變化為海拔1144m時,中部不變,南部開始出現(xiàn)BeO異常(圖9),此后隨深度加深,南部異常逐漸變大,到海拔844m時,異常主要集中于南部區(qū)域。圖10顯示了高于工業(yè)品位的BeO異常的分布,顯示南側緩傾斜局部隆起(中間紅框內)下仍然存在一個較大規(guī)模的BeO異常。通過對圖10中主要成礦巖體文象—準文象中粗粒偉晶巖的空間形態(tài)的比較分析,認為該BeO異常體是一個與巖體局部構造符合較好的氧化鈹隱伏礦體的反映。利用MATLAB軟件對該異常體東西走向上的品位分布進行統(tǒng)計分析,根據每個立方體單元塊的East坐標值從小到大依次排列出對應氧化鈹?shù)钠肺恢?分析品位值的波動情況,繪出氧化鈹?shù)钠肺环植紙D(圖11)。圖11中出現(xiàn)了2個峰值,對應的品位峰值為0.667%和0.326%,遠高于工業(yè)品位,進一步證明該異常體是個富礦帶。5.2氧化現(xiàn)行資源量估算潛在資源量估算的具體原理可描述為:首先把礦體劃分成無數(shù)個大小相同的塊,每個塊都有代表其空間位置的三維坐標,此模型即為空塊模型,然后根據模型中已知的采樣點品位,進行空間插值,從而使每個塊都具有一個品位值,設定閾值,高于閾值的單元體則視為礦體,從而對礦體進行儲量估算。資源量的計算公式如下:式中,C為某模型區(qū)內BeO或Li2O的資源量;v為單個單元塊的體積,ρ為模型區(qū)內巖石的平均體重;g為模型區(qū)內不同的品位值;J為夾石率(表1)。在資源儲量的估算過程中,由于所預測的單元塊(單元塊規(guī)格行×列×層為20m×20m×20m,次分塊的規(guī)格為10m×10m×10m)里包含的不一定全是礦體,一般會含有夾石,于是引入夾石率的概念,把含礦區(qū)內小于邊界品位的鉆孔樣品總長度與含礦區(qū)內鉆孔樣品的總長度的比值稱作夾石率。把含礦區(qū)內小于邊界品位的鉆孔樣品總長度記為L,含礦區(qū)內所有鉆孔樣品的總長度記為S,因此,夾石率J的計算公式為:J=L/S(表1)。由于儲量計算的結果是個確定的值,而這個值與實際值之間會有一定的誤差,由此提出了用“等腰三角形”方法對潛在資源量的上下限進行限定。上文圖3表明,BeO的品位分布無論是在原始采樣長度或者是不同樣長的組合情況下,還是在不同的結構帶內均大概符合對數(shù)正態(tài)分布。這種特征表明,本礦區(qū)無論是礦體的空間分布,還是礦石的品位特征都具有相對穩(wěn)定的規(guī)律。由于礦石品位分布大概服從正態(tài)分布,用等腰三角形擬合樣品品位的正態(tài)分布,對于低品位資源量來說,等腰三角形邊長的中點可視為低品位區(qū)間內礦石的平均品位,底邊可視為礦石的邊界品位,如圖12-a所示;對于高品位資源量來說,等腰三角形邊長的中點可視為大于工業(yè)品位以上區(qū)間內的礦石平均品位,底邊可視為礦石的工業(yè)品位,如圖12-b所示。由面積全等法則,可得圖中藍色部分的面積與等腰三角形中線以上黃色部分的面積相同。以此可以推導出,根據平均品位估算出的資源量接近實際資源量的上限,根據邊界品位估算出的資源量接近實際資源量的下限。為了驗證這種估算方法的準確性,在三維模型的基礎上,以此計算方法對閉坑前已開采的資源量進行了計算,結果見表2。已采氧化鈹?shù)目偭吭?794.5572~3568t之間,而實際已采資源量氧化鈹為3146.39t,實際開采量介于資源量