金川铜镍矿床Ⅰ矿区地质体三维建模与矿化空间分析

金川铜镍矿床Ⅰ矿区地质体三维建模与矿化空间分析
刘羽;毛先成;裴禾;赵莹;邓浩
【摘要】文章利用三维建模技术对金川铜镍矿床Ⅰ矿区进行建模,在此基础上分析了矿体的矿化结构.根据钻孔柱状图和各时期地质勘探报告中相关数据建立了地质数据库,利用ArcGIS,GOCAD,Datamine软件建立了金川铜镍矿床Ⅰ矿区矿体的三维实体模型、矿体块体模型、地层模型和断层模型;运用地质统计学原理,在Surpac 中对Cu、Ni品位空间变化结构进行了分析,得到空间变异椭球体模型,实现了金川Ⅰ矿区Cu、Ni品位变化形态的空间分布展示;得出矿化空间分布规律.
【期刊名称】《矿产勘查》
【年(卷),期】2014(005)003
【总页数】10页(P474-483)
【关键词】甘肃金川Ⅰ矿区;铜镍矿体;三维建模;矿化空间分析
【作者】刘羽;毛先成;裴禾;赵莹;邓浩
【作者单位】中南大学有色金属成矿预测教育部重点实验室,长沙410083;中南大学地球科学与信息物理学院,长沙410083;中南大学有色金属成矿预测教育部重点实验室,长沙410083;中南大学地球科学与信息物理学院,长沙410083;中南大学有色金属成矿预测教育部重点实验室,长沙410083;中南大学地球科学与信息物理学院,长沙410083;中南大学有色金属成矿预测教育部重点实验室,长沙410083;中南大学地球科学与信息物理学院,长沙410083;中南大学有色金属成矿预测教育部重点实验室,长沙410083;中南大学地球科学与信息物理学院,长沙410083
【正文语种】中文
【中图分类】P628+.2;P628+.4
所谓地质体三维建模技术，就是运用计算机，在三维环境下，将地质解译、地学统计、空间信息管理、空间分析和预测、图形可视化等工具结合起来，并应用于地质分析的技术。

三维地质建模(3-Dimensional Geological Modeling)技术能够实现地质体对象的三维模拟与可视化。

随着计算机技术的不断发展，三维地质建模技术在地质学中的应用越来越广泛，并成为地质可视化技术的一个热点［1］。

本研究使用了Datamine、Surpac、ArcGIS、GOCAD 4种软件。

Datamine软
件数据兼容性强，强调交互性，且提供强大的可视化功能。

Surpac软件为变异函
数拟合提供了方差图和动态的滞后距调整，以帮助确定最佳的变异函数。

除此之外，还能对变异函数和理论模型及变异椭球体进行成图。

ArcGIS具有强大二维矢量数
据编辑、空间分析和空间数据处理功能。

GOCAD是由法国Nancy大学自主开发
的三维可视化建模软件。

在实际的三维可视化建模过程中，GOCAD可利用其独有的离散曲面插值计算(Discrete Surface Interpolation，DSI)技术建立光顺的地质体模型［2］。

但是，该软件对剖面线串的编辑功能较弱，难以直接结合、叠加已有的地质剖面图圈定剖面上的地质界限。

本研究借助ArcGIS强大的二维矢量数据编辑功能，完成地质体模型在剖面上的地质界限圈定。

运用GOCAD进行三维建模。

利用Datamine建立地质数据库及矿
体的块体模型。

在Surpac中建立变异椭球体模型。

提出了以椭球体模型为基础，运用地质统计学方法，通过实验半变异函数，综合考虑矿体的形态产状和品位等特征，构造出空间变异椭球体模型，研究了矿化空间变化结构。

并利用变异椭球体参数在Datamine中对所有块体的Cu、Ni平均品位和金属量进行估算，绘制出矿化投影分布图，分析了矿体的空间分布规律。

为今后金川I矿区的深边部找矿提供理
论依据。

金川铜镍矿区位于阿拉善地块南部的边缘隆起地区，北邻阿拉善地块，南邻北祁连山加里东地槽边缘凹陷带。

矿区地层主要为前震旦系变质岩，第四系砾石层、冲积层。

其中，I矿区岩体出露地表长1500 m，西部最大宽度320 m，向东逐渐变窄，最窄处仅20余米。

岩体走向南西230°～240°，倾角较陡，一般70°～80°左右。

岩体底部略有起伏，西端延深约500 m，向东由500 m逐渐增加到700余米，继续向东岩体延伸深度又逐渐减小，至东端仅延深200余米。

图1为金川铜镍矿Ⅰ
矿区地质简图。

Ⅰ矿区的主要矿体为Ⅰ-24、Ⅱ-1。

Ⅰ-24号矿体为金川矿区第三大矿体，分布在
Ⅰ矿区7行—34行超基性岩体下盘的二辉橄榄岩和含辉橄榄岩及纯橄榄岩中，矿体呈似层状，走向北西300°～310°，倾向南西，倾角60°～85°。

局部产状变化较大，有直立或反倾现象。

长1100～1300 m，厚10～175 m，平均厚度75.73 m，东薄西厚，延深800 m。

矿体沿走向、倾向上膨缩现象明显，呈波状延伸，局部
呈分枝复合现象，在19～20行之间被断层错断，错距较小。

下盘贫矿厚为0～10 m，硫化镍富矿厚为10～50 m，上盘贫矿厚为5～100 m。

是目前I矿区的主要
开采体。

Ⅱ-1号矿体为矿区最大矿体，分布于Ⅰ矿区4行至Ⅱ矿区29行间的岩
体深部，全长1844 m。

平均厚度72.23 m，矿体上尖灭点标高1400～1320 m，下部矿体延伸至550 m标高尚未尖灭。

本研究以钻孔柱状图、地质剖面图和各时期勘探报告中提取的地质勘探工程数据作为数据基础，最终建立研究区各地质体的三维线框模型和矿体块体模型，主要步骤包括：(1)地质建模数据库的建立;(2)二维地质剖面的线串模型圈定;(3)三维剖面组
合线框模型生成;(4)地质体块体模型的建立。

2．1地质数据库的建立
金川Ⅰ矿区地质数据库数据主要包括钻空开孔数据、测斜数据、化验样品数据。

本
研究从矿体主要成矿元素中选取Cu、Ni的品位作为区域变化量。

在DataMine
软件中建立地质数据库，主要步骤如下：
(1)原始数据的收集和数字化。

本研究共收集钻孔柱状图184幅，地质剖面图38幅，地质地形图1幅和各时期的《地质勘探报告》。

从钻孔柱状图和《地质勘探
报告》中提取出钻孔开孔信息236个，化验数据22007条，测斜数据1658条。

(2)数据规范化处理。

首先，删除没有品位信息、开孔信息和测斜信息的钻孔，保
证每个钻孔在3个表中都有数据。

其次，检查并修正3个表中由于人为因素造成
的错误。

(3)建立地质数据库。

将数据按照DataMine三维可视化建模软件的要求创建地质
数据库，建立如下3个表：COLLAR(钻孔开孔信息表)、SUVERY (钻孔测斜信息表)、SAMPLE(钻孔化验样品表)。

各表数据结构如表1所示。

2．2二维地质剖面的线串模型圈定
本文借助已有的地质剖面图等资料，依据单项工程中样品的品位区段分布。

在ArcGIS中叠合配准已有地质资料，对所有勘探线地质剖面图进行矿体、地层、围岩、岩脉、超基性岩体边界的圈定，得到矿体、地层、围岩、岩脉、超基性岩体的二维线串模型。

2．3三维剖面组合线框模型生成
三维地质体建模的关键是利用二维数据(如勘探线剖面数据、地形地质图数据、中
断图数据等)之间的相关性，以不规则三角网连接相邻剖面(平面)的二维数据来构
建三维面，形成三维地质体。

这样可以有效地消除由剖面之间(平面)之间的不连续所带来的不确定性，使得三维地质体成为最终的研究对象［4-7］。

将ArcGIS中圈出的二维线串模型通过坐标变换f：R2→R3推广为三维坐标(x，y，z)：
式中(u，v)为二维线串模型中的点的坐标，(x0，y0)为勘探线起点的地理坐标，
(x1，y1)为勘探线终点的地理坐标。

将得到的三维坐标转成.pl文件，导入GOCAD中进行线框模型的圈定。

在GOCAD中单独对多种岩体、矿体、地层、断层建模完成后，还应当考虑研究区的地质情况与规律。

金川铜镍矿床地质情况复杂，仅Ⅰ矿区就有64种不同岩性的岩石，依据地质规律，矿体(除贯入、接触交代型矿体外)必须包含在超基性岩体之内。

但是其中还有大量细小的、后期侵入的岩体存在，它们在空间上的分布规律不清楚，再加上线框模型本身的局限性使得在连接时不可避免地出现矿体连接到超基性岩体之外(图2)的情况。

因此本文在遵循地质规律的前提下，尽可能减少这种情况的发生。

当初始连接了矿体线框模型，得到矿体的曲面模型后，在超基性岩体控制面上建立矿体形变的线约束，令线约束与超基性岩体表面吻合，使控制矿体在超基性岩内。

在矿体首尾部分，超出超基性岩体边界的矿体，沿岩体控制面进行尖灭(图3)。

2．4地质体块体模型的建立
将GOCAD中生成的I矿区线框模型导入Datamine三维可视化软件，建立矿体块体模型。

由于矿体呈似层状，且边缘部分较薄，若采用较大的立方体单元规格进行建模，则边缘较薄部分在块体模型中不能够模拟出来。

经过多次建模实验发现，5 m ×5 m×5 m的立体单元能够较好地展现线框模型、模拟矿体的形态。

故本研究采用5m×5 m×5m的立体单元进行建模(图4)。

矿化空间分析是通过地质统计学方法对矿体金属量进行估算的前提和基础，通过该过程能确定估算中所需的各种参数，有利于更准确地估算矿体中的金属量。

矿体各种标志(如矿石品位、矿体厚度等)在空间上的变化既具有结构性又具有随机性［8］。

本节对已建立的I矿区地质数据库数据进行统计分析，并利用地质统计学的结构分析方法，构造出了矿体标志的变异函数模型，研究矿化标志空间变化的结构性特征［9］。

在此基础上，利用矿化空间变化结构分析中获得的矿体结构化信
息进行资源量估算，并通过矿化投影分布结果图来表现矿化信息在空间中的分布规律。

其中，矿化空间变化结构分析是矿化空间分析的关键。

3．1样品数据分析
根据地质统计学的要求，为保证统计参数是无偏估计量，参与统计的样品数据长度必须相等［8］。

为满足该要求，本研究对I矿区所有钻孔中提取到的21546个原始样品取平均长度1.42 m进行组合，形成等长的组合样品21814个。

对金川I矿区矿体的原始样品和组合样品中的Cu、Ni品位分别进行统计，计算出最小值、最大值、平均值、标准差和变异系数(表2)。

绘制原始样品中Cu、Ni的
品位和组合样品中Cu、Ni品位直方图(图5)。

3．2矿化空间变化结构分析
以金川铜镍矿床I矿区矿体组合样数据为原始数据，以Cu，Ni品位为区域化变量，计算三维空间中各个方位的实验半变异函数，构建三维空间中的变异椭球体，揭示矿体空间变化的结构性特征［8］。

变异椭球体反映的已知点对未知点的影响范围和方式，将影响到矿化投影分布计算结果。

该部分在Surpac软件中进行。

从图5可以看出Cu，Ni品位分布表现为单峰不对称分布，进而对Cu，Ni组合样数据进行对数转换，转换后的数据近似于正态分布。

在此基础上，对三维空间中各方向计算实验半变异函数并生成曲线图。

在各个方向面上，计算了36个方向的实验半变异函数曲线，根据曲线的形态，对每个方向按照10～15 m的滞后距调整
实验半变异函数值。

由此可以初步确定，三维变异椭球体长轴方向及倾伏角。

为进一步确定三维变异椭球体的长轴、次轴方向。

首先，确定主轴方向。

在计算出的36个方向的实验半变异函数曲线中找到最符合正态分布方向的曲线，在此方向上矿体具有较大的空间自相关距离，且空间上的变化相对较慢。

将此方向确定为主变异函数方向，即三维变异椭球体的长轴方向。

然后，确定次轴方向。

软件会根据主轴方向自动生成多个次变异函数曲线图，从这些图中，选择最符合正态分布的方
向，将次方向确定为三维变异椭球体的次轴方向。

当长轴、次轴方向确定后，软件自动计算出短轴方向。

通过以上操作，计算出长轴、次轴、短轴的方位角、倾伏角(表3)。

对于三维变异椭球体长轴、次轴、短轴方向的实验半变异函数，采用球状模型进行拟合［9］，得到该椭球体长轴、次轴、短轴方向的理论半变异函数模型(图6，图7)。

根据理论模型拟合结果，最终确定了三维变异椭球体的长轴、次轴、短轴的长度，并得到了基台值、块金值(表3)及三维变异椭球体模型(图8)。

Cu品位和Ni品位在空间上的变化具有结构性特征［8］。

由半变异函数模型与变异椭球体参数可以看出，不同矿体的Cu品位和Ni品位在不同方向上的空间连续性差异明显。

以Cu品位为例，在沿方位角为25.6°，倾伏角为69.5°方向变化速度较为慢，空间连续性较好，在到达123.96 m区域内，Cu品位具有一定的空间相关。

沿着方位角为35.8°，倾伏角为-20.1°方向变化速度较为快，空间连续性较差，在大约32.98 m区域时，Cu品位空间连续性消失。

将Cu，Ni品位空间变异椭球体参数与I矿区主要Cu矿体和Ni矿体的形态产状比对可见：第一，变异函数模型所反映的矿体在不同方向上的空间连续性差异，与Cu，Ni品位空间分布和变化结构一致;第二，变异椭球体的长轴、次轴、短轴的方向分别与I矿区矿体的走向、倾向及厚度方向基本一致;第三，变异椭球体的形态与I矿区矿体的空间形态极为相似。

综上所述，Cu，Ni品位的变异函数模型和空间变异椭球体较好地模拟了矿体形态分布、品位、产状。

3．3矿化投影分布
为了研究矿床中铜矿体和镍矿体的空间分布规律，本研究利用变异椭球体参数来限制空间插值过程中已知块体单元的搜索范围。

采用普通克里格法在Datamine中计算了I矿区所有块体单元的铜品位、镍品位、铜金属量和镍金属量，并对其进行了XOY平面、XOZ平面、YOZ平面和纵剖面的投影计算。

其中，铜品位和镍品
位的投影结果为相同投影坐标的块体的品位的平均值(图9，图11);铜金属量和镍
金属量，投影结果为相同投影坐标的块体的金属量的累加值(图10，图12)。

所以，在投影等值线图上，铜品位(镍品位)反映的是铜矿化(镍矿化)的平均强度，而铜金
属量(镍金属量)反映的是铜矿化(镍矿化)的总强度。

在图9～图12中表现为绿色程度越深、线条密集程度越大则矿化强度越高。

该区域具有较高的开采潜力。

本研究共使用了4个软件平台。

对金川铜镍矿床I矿区进行了三维建模，并在此基础之上进行了矿化空间分析，分析了矿化空间变化结构，绘制出矿化投影分布等值线图。

得出以下结论：
(1)ArcGIS配准、矢量化较为精确且操作简单。

GOCAD三维建模、可视化、地质解译和分析的功能强大，数据兼容性强。

Datamine在建立地质数据库、生成矿体块体模型等方面有着明显优势。

Surpac在构造实验半变异函数及其拟合方面更为
容易操作和直观，建立的变异椭球体图像比Datamine中建立的变异椭球体美观。

(2)通过对已有地质勘探报告、钻孔柱状图、地质剖面图、综合地质图等数据数字化，建立了地质数据库，实现了矿区多源数据的分类管理。

(3)通过全面分析研究区域内矿体的形态、产状和品位并运用地学统计学原理建立
了金川I矿区矿体Cu、Ni品位空间变异椭球体模型，便于更加直观地了解金川I
矿区矿体的分布特点。

(4)绘制出所有块段单元的Cu品位、Ni品位、Cu金属量、Ni金属量在各投影面
的等值线图，获得矿化信息(Cu品位、Ni品位、Cu金属量、Ni金属量)在空间中
的分布规律，探讨深部隐伏矿体找矿的有利部位。

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