肖克炎，李 楠，孫 莉，鄒 偉，李 瑩

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037;2.長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州，434023)

基于三維信息技術(shù)大比例尺三維立體礦產(chǎn)預(yù)測(cè)方法及途徑

肖克炎1，2，李 楠1，孫 莉1，鄒 偉1，李 瑩1

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037;2.長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州，434023)

大比例尺成礦預(yù)測(cè)是礦田發(fā)現(xiàn)深部隱伏礦床的重要途徑。隨著三維地質(zhì)信息技術(shù)的日臻完善，研究和開發(fā)三維可視化環(huán)境下地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)處理與信息綜合方法十分必要。以我國(guó)甲瑪?shù)仁畮讉€(gè)礦山三維建模預(yù)測(cè)工作為支撐，初步研究了礦田控礦構(gòu)造三維模擬、礦床模型三維可視化、三維信息綜合定量預(yù)測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)問題，探討了三維預(yù)測(cè)軟件開發(fā)技術(shù)難點(diǎn)，總結(jié)了大比例尺三維預(yù)測(cè)工作流程，并用實(shí)例說明應(yīng)用成效。

三維可視化;大比例尺;深部預(yù)測(cè);礦田構(gòu)造;甲瑪?shù)V區(qū);西藏

0 引言

礦區(qū)深部及外圍礦產(chǎn)預(yù)測(cè)工作國(guó)內(nèi)外學(xué)者和地質(zhì)勘探專家做了大量工作(胡惠民等，1995;楊洪之，1980;杜祖憲，1992)，大比例尺(通常大于1∶50 000)的成礦預(yù)測(cè)的作用更加突出，它已經(jīng)成為礦床勘查工作的一個(gè)重要組成部分(趙鵬大等，1992)。許多研究者(陳毓川，1989;趙鵬大等，1992;胡惠民等，1995;肖克炎等，1994;毛先成，2006;陳建平等，2007)針對(duì)大比例尺成礦預(yù)測(cè)理論方法進(jìn)行了深入的研究。肖克炎等(1994)提出了大比例尺成礦預(yù)測(cè)的任務(wù)，總結(jié)了大比例尺典型礦床找礦模型一般工作步驟，認(rèn)為大比例尺成礦預(yù)測(cè)是在系統(tǒng)開展大比例尺綜合地質(zhì)測(cè)量的基礎(chǔ)上，以現(xiàn)代成礦理論為指導(dǎo)，對(duì)各種已有的地質(zhì)、物化探、遙感等資料進(jìn)行綜合分析，提取找礦標(biāo)志、礦化信息及控礦因素等，建立預(yù)測(cè)找礦模型，研究礦田(礦床)構(gòu)造對(duì)礦床的控制規(guī)律，查明礦床(體)的空間分布規(guī)律，運(yùn)用定量預(yù)測(cè)手段進(jìn)行遠(yuǎn)景資源量的估算?？傊?，目前地質(zhì)礦田構(gòu)造分析、礦化成礦系列分帶研究、新的深部勘探技術(shù)方法應(yīng)用及定量統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)是大比例尺成礦預(yù)測(cè)基本理論方法。在前期預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)工作中，由于技術(shù)手段的局限，三維預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)化為二維空間進(jìn)行，如在礦區(qū)1∶1萬地質(zhì)圖或在勘探剖面圖上進(jìn)行。如何真實(shí)表達(dá)和分析三維空間地質(zhì)勘探信息一直是困擾大比例尺成礦預(yù)測(cè)的技術(shù)問題。近年來，隨著計(jì)算機(jī)三維可視化技術(shù)的不斷完善，國(guó)內(nèi)外一些地質(zhì)專家在不斷探索如何使用三維計(jì)算機(jī)空間分析技術(shù)開展礦產(chǎn)預(yù)測(cè)工作，陳建平等(2007)率先使用國(guó)外三維軟件進(jìn)行信息綜合證據(jù)權(quán)模型研究。

1 基于三維信息技術(shù)預(yù)測(cè)關(guān)鍵問題

筆者(1993)根據(jù)關(guān)門山鉛鋅礦預(yù)測(cè)工作經(jīng)驗(yàn)，提出了大比例尺三維預(yù)測(cè)工作流程，主要思路是礦田構(gòu)造地質(zhì)綜合信息礦產(chǎn)預(yù)測(cè)方法，主要是礦化系列分帶模型、礦田構(gòu)造控礦、輔助性大比例尺地、物、化、遙測(cè)量為研究?jī)?nèi)容。

1.1 礦田構(gòu)造三維模擬

礦田構(gòu)造是控礦的基本因素。翟裕生等(1993)重點(diǎn)論述了褶皺構(gòu)造、斷裂構(gòu)造、侵入體構(gòu)造、火山構(gòu)造等四大構(gòu)造控礦作用，并通過地表觀測(cè)、坑道編錄、鉆孔巖芯觀測(cè)等大比例尺礦田構(gòu)造填圖，深部綜合方法立體填圖，控礦構(gòu)造巖組分析，構(gòu)造地球化學(xué)測(cè)量等研究礦床控礦構(gòu)造類型、分布樣式、分帶及物質(zhì)組成等。主要成礦期斷裂、褶皺曲面、成礦巖體頂界面、火山機(jī)構(gòu)等的空間展布、形態(tài)變化等對(duì)礦體分布有重要控制作用，如大冶侵入巖體構(gòu)造控礦、西藏甲瑪、廣西泗頂多金屬巖性界面控礦等。通過地表地質(zhì)填圖、鉆探工程、坑道工程及深部物探資料研究各種構(gòu)造界面三維空間展布趨勢(shì)對(duì)預(yù)測(cè)深部隱伏礦床起重要作用。傳統(tǒng)上地質(zhì)專家在研究控礦構(gòu)造時(shí)都使用勘探剖面進(jìn)行表達(dá)與研究，也有地質(zhì)專家使用平行剖面來表達(dá)構(gòu)造面三維變化特征。根據(jù)有限觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)構(gòu)造面模擬的方法，傳統(tǒng)的有趨勢(shì)分析、克里格方法等。由于地質(zhì)曲面的復(fù)雜性，在同一空間平面坐標(biāo)存在多值現(xiàn)象，一些學(xué)者又對(duì)曲面模擬提出新的算法(毛先成，2006)。這些方法中，一方面要表達(dá)曲面空間變化趨勢(shì)，又要精細(xì)刻畫局部變化，如幾何形態(tài)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)條件模擬等。在三維信息化技術(shù)支撐下構(gòu)造模擬將更加運(yùn)用自如，在三維空間內(nèi)就像在地質(zhì)剖面上分析問題一樣簡(jiǎn)單實(shí)用。主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

(1)構(gòu)造面三維可視化真實(shí)再現(xiàn)。在三維計(jì)算機(jī)環(huán)境下可以從任何方向、任何角度觀察構(gòu)造形態(tài)、空間變化特征。也可以生成多剖面構(gòu)造切片圖件進(jìn)行變化趨勢(shì)對(duì)比。圖1為甲瑪?shù)V區(qū)碳酸鹽巖與砂巖接觸界限，總體走向北西西，向北東傾斜，近地表產(chǎn)狀陡，往深傾角變緩。

(2)構(gòu)造面控礦要素分析。利用三維可視化綜合平臺(tái)將礦體、礦化異常與構(gòu)造面進(jìn)行綜合分析，定性、定量分析構(gòu)造面控礦作用。甲瑪?shù)V區(qū)硅鈣面是很好的成礦熱液通道，圖1說明礦體與該界面的空間關(guān)系，礦體既受該界面控制，沿該巖性變化界面有大量富礦產(chǎn)出，但礦體又受深部斑巖體控制。圖2說明鉬化探異常與該界面的關(guān)系，化探異常在深部圍繞斑巖體成鐘型分布。

圖1 甲瑪?shù)V區(qū)硅鈣面三維模擬圖

1.2 三維立體找礦模型的建立

礦床找礦模型是通過分析對(duì)比總結(jié)一類礦床(礦體)地質(zhì)勘查信息，形成一套能夠找尋與預(yù)測(cè)該類礦床的標(biāo)志準(zhǔn)則，關(guān)于找礦模型的建立方法有專門論述(肖克炎，1993;肖克炎等，1994)，通常用一定結(jié)構(gòu)相互聯(lián)系的文字或圖解來表達(dá)。三維立體找礦模型相對(duì)于區(qū)域找礦模型二維預(yù)測(cè)特點(diǎn)，主要針對(duì)礦區(qū)中、大比例尺三維預(yù)測(cè)。它是在礦區(qū)三維立體建模的基礎(chǔ)上，對(duì)三維地質(zhì)體要素進(jìn)行成礦分析，總結(jié)出三維立體預(yù)測(cè)標(biāo)志組合。與二維建模相比有如下特點(diǎn)。

1.2.1 地表、地下真三維綜合分析建模 三維聯(lián)合分析平臺(tái)能夠有效地將地表地質(zhì)測(cè)量各項(xiàng)成果資料與深部勘探成果綜合分析，研究各種異常與深部礦體對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立地表找礦信息標(biāo)志，開展深部預(yù)測(cè)。圖3為土壤地球化學(xué)鉬異常與深部礦體聯(lián)合分析圖，說明該礦區(qū)銅鉬礦的巨大找礦潛力。

圖2 甲瑪?shù)V區(qū)硅鈣面與鉬異常關(guān)系圖

圖3 土壤鉬地球化學(xué)異常與深部礦體關(guān)系圖

1.2.2 能夠真實(shí)有效表達(dá)礦化分帶的三維模型 較傳統(tǒng)預(yù)測(cè)模型對(duì)礦化分帶文字性描述或圖解模式化表達(dá)，三維建模能夠在真實(shí)三維幾何空間表達(dá)各種礦化分帶規(guī)律，使得礦化分帶有明確的三維位置、幾何形態(tài)及空間變化。常見與礦化分帶有關(guān)的三維模型有不同類型礦體分帶、礦化蝕變礦物分帶、金屬礦物分帶、地球化學(xué)元素分帶等。圖4為不同礦化類型礦體空間展布及分帶，圖5為該礦床元素分帶規(guī)律圖，可以看出礦化元素有明顯空間分帶。

圖4 不同礦化類型礦體空間展布及分帶

圖5 礦床元素分帶規(guī)律圖

1.2.3 地質(zhì)控礦要素定量分析方式三維化 在二維GIS空間分析中，往往和空間點(diǎn)、線、面地質(zhì)幾何要素打交道，斷裂及交會(huì)點(diǎn)分別以線、點(diǎn)要素出現(xiàn)，地質(zhì)體以面要素表達(dá)。在三維空間中斷裂以曲面、斷裂體出現(xiàn)，斷裂交會(huì)點(diǎn)以交會(huì)線、體出現(xiàn)。三維定量化要素分析將重點(diǎn)研究各空間三維要素與礦體空間的關(guān)系以及與礦體儲(chǔ)量的空間關(guān)系。大冶鐵礦嚴(yán)格受巖體與圍巖接觸面控制，礦體全部位于巖體界面500 m內(nèi)(圖6)。

圖6 大冶鐵礦巖漿巖不同距離緩沖區(qū)分析圖

2 三維立體綜合信息定量預(yù)測(cè)及軟件開發(fā)

與區(qū)域定量預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)比較，三維立體定量預(yù)測(cè)方法將有重大改變，一些區(qū)域定量預(yù)測(cè)方法如三部式預(yù)測(cè)方法、區(qū)域價(jià)值法等可能不再適用，而基于靶區(qū)優(yōu)選的證據(jù)權(quán)方法等則是主要應(yīng)用信息綜合方法。其中最重要的預(yù)測(cè)目標(biāo)圖層是三維可視化立方格模型(圖7)，預(yù)測(cè)成果將有三維空間坐標(biāo)。由于在三維空間里有大量礦體勘探數(shù)據(jù)，資源量定量回歸模型建立將比較現(xiàn)實(shí)，也是可實(shí)用模型。

與三維立體定量預(yù)測(cè)對(duì)應(yīng)的是要開發(fā)三維立體預(yù)測(cè)軟件。開發(fā)服務(wù)于大比例尺三維成礦預(yù)測(cè)軟件主要包括數(shù)據(jù)管理、三維地質(zhì)建模、三維可視化分析與科學(xué)計(jì)算等功能模塊。其中，三維地質(zhì)建模是三維預(yù)測(cè)軟件的核心功能。由于三維可視化及信息數(shù)據(jù)分析管理技術(shù)在國(guó)內(nèi)剛剛起步，開展信息化三維立體預(yù)測(cè)還有許多問題需要探討。如將三維信息分析技術(shù)與傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)工作結(jié)合問題，傳統(tǒng)定量預(yù)測(cè)與三維信息技術(shù)結(jié)合問題。另外，國(guó)內(nèi)外還沒有開發(fā)出一套成熟的專門用于大比例尺三維成礦預(yù)測(cè)工作的應(yīng)用軟件。大量的三維成礦預(yù)測(cè)研究首先通過礦山勘查軟件完成成礦信息提取與三維可視化分析等工作。其次，在其他軟件中完成信息綜合分析，我國(guó)更加需要擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)且符合我國(guó)大比例尺成礦預(yù)測(cè)研究與應(yīng)用等實(shí)際要求的軟件工具。

三維地質(zhì)建模研究成果大都基于大量的工程控制與高精度測(cè)量數(shù)據(jù)(如鉆孔、十字剖面、地震等)來完成三維地質(zhì)建模。而針對(duì)較少工程控制數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)建模方法研究較少。特別是在國(guó)內(nèi)，雖然已經(jīng)有了大量的針對(duì)地學(xué)曲面擬合方法的研究，但是多數(shù)方法集中于解決地球物理或地球化學(xué)數(shù)據(jù)曲面擬合問題，而對(duì)于地質(zhì)體接觸界面擬合研究較少。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者一般使用趨勢(shì)分析或者樣條函數(shù)(如Hermit曲面等)進(jìn)行地質(zhì)體接觸界面的模擬，這種方法最大的問題有2個(gè)：(1)獲得的擬合曲面總是單值面，顯然不符合地質(zhì)規(guī)律;(2)無法表達(dá)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造，例如：斷層等。

圖7 三維立體預(yù)測(cè)目標(biāo)圖層立方格模型

在針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)約束條件的高精度立方格預(yù)測(cè)模型構(gòu)模方面，國(guó)內(nèi)外研究的主要思路是通過建立輔助空間索引結(jié)構(gòu)來加速針對(duì)約束對(duì)象的體素化。該類方法的核心思想是以空間換取時(shí)間。由于立方格模型(也稱塊段模型)本身在邊界表達(dá)上的缺陷，導(dǎo)致當(dāng)需要構(gòu)建高精度預(yù)測(cè)模型時(shí)，將產(chǎn)生大量立方格(達(dá)到107數(shù)量級(jí)及以上)，輔助空間索引的開銷已經(jīng)變得不能忽略，甚至無法接受。而上述情況在大比例尺成礦預(yù)測(cè)中并不少見。例如：以預(yù)測(cè)區(qū)范圍為2 000 m×2 000 m，同時(shí)向下預(yù)測(cè)1 000 m為例，假設(shè)需要建立下述3種預(yù)測(cè)模型。

以10x×10y×10z為預(yù)測(cè)立方格的大小，則空白預(yù)測(cè)單元格數(shù)量達(dá)到400萬。

以10x×10y×5z為預(yù)測(cè)立方格的大小，則空白預(yù)測(cè)單元格數(shù)量達(dá)到800萬。

以10x×10y×2z為預(yù)測(cè)立方格的大小，則空白預(yù)測(cè)單元格數(shù)量達(dá)到2 000萬。

因此，需要提出一種改進(jìn)的立方格構(gòu)模方法，該方法必須能夠快速、正確以及高精度地完成帶有復(fù)雜地質(zhì)體與空間任意非自相交曲面約束的立方格預(yù)測(cè)模型的構(gòu)模。

3 基于三維信息分析的大比例尺預(yù)測(cè)方法流程

以大比例尺三維立體預(yù)測(cè)方法理論為基礎(chǔ)的三維信息定量預(yù)測(cè)方法流程見圖8。

圖8 三維信息礦產(chǎn)定量預(yù)測(cè)流程

3.1 收集礦區(qū)地質(zhì)調(diào)查、勘查及礦山開發(fā)各種地質(zhì)資料

收集礦區(qū)歷年地表地質(zhì)測(cè)量、礦區(qū)勘探、礦區(qū)開發(fā)過程地質(zhì)找礦及各種科研成果，對(duì)這些勘查成果進(jìn)行初步分析研究，制定大比例尺礦產(chǎn)預(yù)測(cè)工作方案，包括三維數(shù)據(jù)庫建庫工作內(nèi)容、必要的大比例尺補(bǔ)充野外地質(zhì)工作、三維成礦信息提取與建模內(nèi)容、三維定量預(yù)測(cè)等。

3.2 詳細(xì)礦田構(gòu)造、礦床學(xué)大比例尺填圖工作

根據(jù)最新礦田構(gòu)造、礦床模型研究新理論方法，開展礦區(qū)礦田構(gòu)造野外地質(zhì)工作。如開展礦田構(gòu)造流體填圖、礦化蝕變填圖、構(gòu)造地球化學(xué)及深部地質(zhì)工作，旨在指導(dǎo)三維立體建模及補(bǔ)充預(yù)測(cè)資料。

3.3 三維數(shù)據(jù)庫及三維地質(zhì)體建模

將礦區(qū)收集資料按照一定標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化，所有的數(shù)據(jù)都要進(jìn)行坐標(biāo)統(tǒng)一空間框架。將二維成果圖件盡量進(jìn)行三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，形成具有三維坐標(biāo)屬性的空間數(shù)據(jù)。按照地質(zhì)編圖基本原理，根據(jù)地質(zhì)填圖測(cè)量信息、鉆探工程信息，建立礦區(qū)三維地質(zhì)體模型。對(duì)礦體圈定建模要遵循國(guó)家有關(guān)礦體圈定規(guī)范，如單工程礦體圈定原則、礦體剖面連接等。

3.4 三維礦田構(gòu)造模擬

根據(jù)礦田構(gòu)造解析成果，結(jié)合地質(zhì)填圖、鉆探工程、物化探深部地質(zhì)成果，研究重要控礦構(gòu)造空間展布特征、樣式及控礦規(guī)律。這些模擬包括重要含礦巖系厚度及分布、巖體頂界面、導(dǎo)礦斷裂構(gòu)造、重要巖性界面、褶皺曲面、火山機(jī)構(gòu)、變質(zhì)變形構(gòu)造模擬等。研究礦田構(gòu)造模擬成果與礦體關(guān)系，總結(jié)相應(yīng)的控礦規(guī)律，建立構(gòu)造控礦模型。

3.5 找礦信息提取及三維立體找礦模型

研究各種礦體空間分布及分帶特征，研究各種三維地質(zhì)體與礦體關(guān)系。開展礦化蝕變?nèi)S模型建立及地球化學(xué)元素分布規(guī)律總結(jié)。研究地球物理信息找礦標(biāo)志，開展控礦地質(zhì)體三維反演。使用定量分析手段建立各地質(zhì)體控礦有利變量，建立三維立體找礦模型。

3.6 三維立體定量預(yù)測(cè)及靶區(qū)圈定

應(yīng)用立方格變量提取模型，合理進(jìn)行預(yù)測(cè)變量提取，運(yùn)用證據(jù)權(quán)等信息綜合方法，開展綜合信息定量預(yù)測(cè)，圈定成礦有利空間。應(yīng)用數(shù)量化理論、邏輯信息法、地質(zhì)體積法開展預(yù)測(cè)資源量估算。

3.7 靶區(qū)地質(zhì)工程驗(yàn)證

對(duì)三維空間預(yù)測(cè)靶區(qū)進(jìn)行地質(zhì)分析，開展勘查部署建議，并使用合理勘探組合方法進(jìn)行靶區(qū)驗(yàn)證。

4 結(jié)論

三維可視化信息分析技術(shù)為大比例尺礦產(chǎn)預(yù)測(cè)提供了非常有效的信息管理分析工具，它使得三維空間地質(zhì)找礦問題的信息表達(dá)、分析實(shí)現(xiàn)了三維可視化。當(dāng)前，三維信息技術(shù)下三維預(yù)測(cè)要加強(qiáng)預(yù)測(cè)軟件方法研究，加強(qiáng)方法有效性示范研究，以期在地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查及礦山三維立體預(yù)測(cè)上取得成效。

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Large scale 3D mineral prediction methods and channels based on 3D information technology

XIAO Ke-yan1，2，LI Nan1，SUN Li1，ZOU Wei1，LI Ying1

(1.Institute of Mineral Resources，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China;2.School of Geosciences，Yangtze University，Jingzhou 434023，Hubei)

Large scale metallogenic prediction methods were important for the exploration of deep hidden deposits in ore field.It was a very necessary measurement for research and development of the treatment and information synthesized of the geological explorative data，under the condition of 3D visualization，as improving 3D geological information technology.According to 3D modeling predictions of Jiama Mine and other ore deposits，the authors briefly studied some key technologies i.e.3D simulation of ore-control structure in ore field，3D visualization of deposit model and 3D information synthesized quantitative evaluation，and discussed that the technical difficulties of 3D prediction software exploitation，working course of large scale 3D prediction and application effect by using examples.

3D visualization;Large scale;Deep mineral prediction;Ore field structure;Jiama Mine;Tibet

TP319

A

1674-3636(2012)03-0229-08

10.3969/j.issn.1674-3636.2012.03.229

2012-05-20;編輯：詹庚申

肖克炎(1963— )，男，研究員，博士，博士生導(dǎo)師，楚天學(xué)者，地質(zhì)專業(yè)，主要從事數(shù)學(xué)地質(zhì)領(lǐng)域礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)研究，E-mail：kyanxiao@sohu.com