余 璨 李 峰 張達(dá)兵 陳明貴

(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明650093;2.玉溪礦業(yè)礦山研究院，云南 玉溪653100)

三維地質(zhì)建模由于可真實(shí)、形象地展現(xiàn)各地質(zhì)體之間的三維空間關(guān)系，因而日漸成為國(guó)內(nèi)外地學(xué)界的研究熱點(diǎn)［1-3］。自20 世紀(jì)90 年代以來，國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)出諸多基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理設(shè)計(jì)的三維礦業(yè)軟件［4-7］，通過該類軟件平臺(tái)，可高效便捷地對(duì)礦區(qū)地質(zhì)體進(jìn)行可視化與定量化分析，對(duì)區(qū)域找礦潛力進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山資源量的動(dòng)態(tài)管理。以云南元江紅龍廠銅礦為例，基于DIMINE 軟件［8-11］對(duì)礦床建模方法進(jìn)行了研究，并基于礦床三維地質(zhì)模型估算了資源儲(chǔ)量，為該地區(qū)實(shí)現(xiàn)資源動(dòng)態(tài)管理及開展相關(guān)地質(zhì)工作提供參考。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

云南元江紅龍廠銅礦位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)(I)川滇臺(tái)背斜(I2)武定—石屏隆斷束(I22)的峨山臺(tái)穹(I22d)最南端紅河深大斷裂北西側(cè)和青(青龍廠)揚(yáng)(揚(yáng)武)斷裂的西側(cè)。區(qū)內(nèi)地層從元古界至新生界均有出露，主要為中元古界淺變質(zhì)的昆陽群地層，大體呈南北向出露，兩側(cè)則為中生界地層。早古生界大紅山群地層呈孤島式分布，哀牢山變質(zhì)巖系出露于紅河深大斷裂南側(cè)，新生界第四系少量分布于河谷兩岸。區(qū)域基本構(gòu)造骨架由NE 向構(gòu)造帶與NW 向構(gòu)造帶構(gòu)成，總體構(gòu)造線走向NNE30°，長(zhǎng)約5 km，寬0.2 ～1.0 km，面積4 km2，次級(jí)撓曲構(gòu)造發(fā)育。

紅龍廠銅礦位于元江“三條龍”(紅龍廠—青龍廠—白龍廠)銅礦成礦帶的最北段，主要賦礦地層為昆陽群落雪(Pt2l)組地層，賦礦巖性為灰白—白色中厚層狀褪色白云巖和青灰色中厚層狀白云巖?？傮w為單斜構(gòu)造，其構(gòu)造線方向與區(qū)域構(gòu)造線相一致，其中派生的一系列次級(jí)斷裂褶皺控制了礦區(qū)地層的展布以及礦體的空間分布形態(tài)。礦區(qū)范圍內(nèi)有大小銅礦12 個(gè)，其中1#、2#礦體規(guī)模較大，4#、5#礦體規(guī)模次之，呈平行似層狀產(chǎn)出，厚度較穩(wěn)定且少有分枝復(fù)合現(xiàn)象，僅見個(gè)別的礦體有膨脹尖滅的現(xiàn)象，總體呈現(xiàn)出規(guī)模大、形態(tài)較簡(jiǎn)單的特征。

2 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建立

2.1 原始數(shù)據(jù)采集及處理

云南元江紅龍廠銅礦地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源主要包括空間數(shù)據(jù)和二維矢量圖件(平面圖、剖面圖)，首先在Excel 中分別錄入鉆孔孔口、鉆孔測(cè)斜和鉆孔樣品等數(shù)據(jù)，并以“. xls”或“. csv”格式保存;然后導(dǎo)入DIMINE 軟件中校驗(yàn)和修正樣品數(shù)據(jù);最后合并為地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，生成的鉆孔數(shù)據(jù)三維模型見圖1。

圖1 礦區(qū)鉆孔數(shù)據(jù)庫三維模型Fig.1 Three-dimensional model of the borehole database in mining area

2.2 樣品組合及統(tǒng)計(jì)分析

塊段模型內(nèi)單元參數(shù)的估值需要借助地質(zhì)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行確定［12-13］，因此，為了確保各個(gè)參數(shù)均得到最終的無偏估計(jì)值，針對(duì)紅龍廠銅礦床的特點(diǎn)，在DIMINE 軟件中選擇“按樣長(zhǎng)組合”方法按平均樣長(zhǎng)(1.42 m)對(duì)樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，最小組合樣長(zhǎng)為原始樣品的75%，即1.065 m。

對(duì)于特高品位樣品，采用DIMINE 軟件中的“平均品位替換法”［14］進(jìn)行處理。針對(duì)紅龍廠銅礦床的產(chǎn)出特征及賦存狀態(tài)，設(shè)定品位值高于平均品位7 倍的樣品為特高品位樣品，其中閾值為3.03%，替換值為平均品位的0.433 2%，組合后的樣品統(tǒng)計(jì)特征見圖2。

圖2 紅龍廠銅礦Cu 品位分布直方圖Fig.2 Copper grade distribution histogram in Honglongchang copper mine

由圖2 可知，Cu 品位最大值為2.86%，最小值為0.01%，平均值為0.37%，品位總體變化不大，基本符合對(duì)數(shù)分布。

2.3 變異函數(shù)構(gòu)建

礦體三維實(shí)體模型僅能反映礦體的規(guī)模及形態(tài)，并不能直接顯示礦床的礦化特征，因此有必要借助變異函數(shù)模型對(duì)礦體的結(jié)構(gòu)性及相關(guān)性進(jìn)行分析。分別從礦體的走向(主軸)、傾向(次軸)及厚度(短軸)3 個(gè)方向計(jì)算紅龍廠銅礦變異函數(shù)模型參數(shù)，結(jié)果見表1。

表1 變異模型參數(shù)Table 1 Parameters of the variation function model

對(duì)試驗(yàn)變異函數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，Cu 品位在各方向均可采用帶有塊金常數(shù)的球狀模型進(jìn)行最優(yōu)擬合，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)得到Cu 品位在走向、傾向以及厚度等3 個(gè)方向上的變化曲線見圖3。

由圖3 可知，①樣品中Cu 品位表現(xiàn)出較明顯的結(jié)構(gòu)性和變異性，表明其品位值在礦床中分布是隨機(jī)的且具有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律;②沿各方向的Cu 品位曲線均具有在一定周期性內(nèi)上下波動(dòng)的特征即“孔穴效應(yīng)”，表明礦床內(nèi)工業(yè)礦段和低品位礦段是相互交替出現(xiàn)的。

變異函數(shù)中各參數(shù)取值的正確與否，直接影響著品位估算的精度，因此有必要利用交叉驗(yàn)證法對(duì)變異函數(shù)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行進(jìn)一步判斷。由殘差(誤差)的統(tǒng)計(jì)特征(見圖4)可知，誤差符合典型的正態(tài)分布，表明變異函數(shù)及參數(shù)符合礦床品位估算要求，可用于后續(xù)的儲(chǔ)量估算。

圖3 3 個(gè)方向Cu 品位變化曲線Fig.3 Variation curves of Cu grade along three directions

圖4 銅礦品位交叉驗(yàn)證誤差分布直方圖Fig.4 Residual error histogram of copper grade cross-validation

3 礦區(qū)模型構(gòu)建

3.1 斷層模型構(gòu)建

礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，礦體、巖體(層)等常被后期斷層切錯(cuò)，與斷層面之間呈現(xiàn)出緊密接觸的關(guān)系，因此斷層實(shí)體模型的建立直接影響后續(xù)模型的建立［15-16］。為了確保模型中礦體和斷層切割與礦床實(shí)際產(chǎn)出完全吻合，對(duì)實(shí)體進(jìn)行線框布爾運(yùn)算，構(gòu)建的斷層模型見圖5。

由圖5 可知，礦區(qū)內(nèi)F1、F2、F3、F9斷層中，F(xiàn)2斷層規(guī)模較大，在傾向和走向上延伸均約300 m，斜交穿切礦體，對(duì)礦床的影響較大。

3.2 礦體模型構(gòu)建

首先對(duì)各個(gè)矢量化的剖面圖和中段地質(zhì)剖面圖進(jìn)行分析，利用兩點(diǎn)法或旋轉(zhuǎn)基點(diǎn)法將圖件導(dǎo)入到DIMINE 軟件中，根據(jù)礦床的實(shí)際產(chǎn)出特征，從不同的圖層中分離出斷層跡線和礦體邊界線，并分別進(jìn)行編號(hào);然后根據(jù)Auto CAD 及MapGIS 相關(guān)平面圖，采用相應(yīng)的方法進(jìn)行連接，并將連接后的礦體進(jìn)行合并，最終生成礦體的三維實(shí)體模型見圖6。

由圖6 可知，1#、2#礦體規(guī)模相對(duì)較大，走向斷續(xù)長(zhǎng)度為560 m，最大厚度約5 m，為典型的層狀、似層狀銅礦。其余小礦體走向與主礦體基本一致，傾向延伸由幾米至幾十米不等，厚度基本為1 ～2 m，與礦床的產(chǎn)出特征一致。

4 地質(zhì)資源儲(chǔ)量估算

4.1 地質(zhì)塊段模型尺寸

將礦床劃分成為由許多尺寸相等的單元塊所組成的離散模型即為三維塊段模型又稱品位模型［17］，單元塊尺寸的確定，需要綜合考慮變異函數(shù)的特征、地質(zhì)勘探網(wǎng)度以及礦山采礦條件等因素［18-19］。鑒于紅龍廠銅礦受斷層切割較明顯，礦體呈薄層狀產(chǎn)出，將塊體模型單元塊尺寸確定為5 m×5 m×5 m。

4.2 地質(zhì)塊段儲(chǔ)量估算

在DIMINE 軟件中根據(jù)不同的搜索半徑對(duì)塊段模型內(nèi)儲(chǔ)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分級(jí)，試驗(yàn)中設(shè)置50，100，200，500 m 等4 個(gè)搜索距離區(qū)間，分別采用克里格法對(duì)工業(yè)礦和低品位礦儲(chǔ)量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2。

表2 紅龍廠銅礦體資源量估算Table 2 The estimation of the resource reserves of Honglongchang copper orebody

由表4 可知，礦床部分剖面內(nèi)工業(yè)礦體平均品位達(dá)0.68%，為低品位礦段平均品位的近2 倍，其金屬量也遠(yuǎn)大于低品位礦金屬量。工業(yè)礦的品位、金屬量均表現(xiàn)出隨著搜索半徑增加而增大的趨勢(shì);低品位礦品位則基本穩(wěn)定，而金屬量顯示出逐漸增大的特征，反映紅龍廠銅礦是典型的低品位礦，連續(xù)性較好，而工業(yè)礦連續(xù)性略差，這與紅龍廠銅礦的地質(zhì)特征基本吻合。

5 結(jié) 語

結(jié)合DIMINE 軟件，構(gòu)建了云南紅龍廠銅礦區(qū)的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫以及斷層、礦體三維實(shí)體模型，從三維空間角度真實(shí)地展示了整個(gè)礦區(qū)的構(gòu)造形態(tài)、礦體的產(chǎn)狀以及變化特征，為礦山合理開發(fā)礦產(chǎn)資源提供參考。此外，基于該模型，對(duì)礦體進(jìn)行品位及儲(chǔ)量進(jìn)行了估算，為礦山資源的動(dòng)態(tài)管理提供依據(jù)。

［1］ 張寶一，尚建嘎，吳鴻敏，等. 三維建模及可視化技術(shù)在固體礦產(chǎn)儲(chǔ)量估算中的應(yīng)用［J］.地質(zhì)與勘探，2007，43(2):76-81.

Zhang Baoyi，Shang Jianga，Wu Hongmin，et al. Application of 3 D geological modeling and visualization in solid mineral resource estimation［J］. Geology and Prospecting，2007，43(2):76-81.

［2］ 劉海英，劉修國(guó)，李超嶺.基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)法的三維儲(chǔ)量估算系統(tǒng)研究與開發(fā)［J］. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào):地球科學(xué)版，2009，39(3):541-546.

Liu Haiying，Liu Xiuguo，Li Chaoling. Realization and application of 3 D reserves estimation system based on geostatistics［J］.Journal of Jilin University:Earth Science Edition，2009，39(3):541-546.

［3］ 張曉坤，章 浩.三維地質(zhì)建模在礦產(chǎn)資源開發(fā)中的應(yīng)用［J］.金屬礦山，2010(3):106-110.

Zhang Xiaokun，Zhang Hao. Application of 3D geological modeling in mineral resources development［J］. Metal Mine，2010(3):106-110.

［4］ 姜 華，秦德先，陳愛兵，等. 國(guó)內(nèi)外礦業(yè)軟件的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.礦產(chǎn)與地質(zhì)，2005，19(4):422-425.

Jiang Hua，Qin Dexian，Chen Aibing，et al. Status and tendency of mining software development at home and abroad［J］. Mineral Resources and Geology，2005，19(4):422-425.

［5］ 胡建明.三維礦山數(shù)字軟件的應(yīng)用和發(fā)展方向［J］. 金屬礦山，2008(1):97-99.

Hu Jianming. Application of 3D mining digitalization software and development trend［J］.Metal Mine，2008(1):97-99.

［6］ 張長(zhǎng)鎖.礦業(yè)軟件在礦山三維可視化建模中的應(yīng)用［J］.有色金屬:礦山部分，2011，63(6):72-76.

Zhang Changsuo.Application of mining software in 3D visualization modeling of mine［J］. Nonferrous Metals:Mining Section，2011，63(6):72-76.

［7］ James D M，Phil A G. A GIS-based borehole data management and 3D visualization system.［J］. Computer ＆ Geosciences，2006，32(1):1699-1708.

［8］ 房智恒，王李管，何遠(yuǎn)富.基于DIMINE 軟件的采礦方法真三維設(shè)計(jì)研究與實(shí)現(xiàn)［J］.金屬礦山，2009(5):129-131.

Fang Zhiheng，Wang Liguan，He Yuanfu. DIMINE-based research and realization of true 3D mining method design［J］. Metal Mine，2009(5):129-131.

［9］ 蔣深竹.三維礦業(yè)軟件DIMINE 在廣西大新錳礦的應(yīng)用［J］. 中國(guó)錳業(yè)，2012，30(4):38-42.

Jiang Shenzhu. An application of 3D mining software DIMINE in Guangxi manganese ore［J］. China＇s Manganese Industry，2012，30(4):38-42.

［10］ 蔣 權(quán)，陳建宏，楊海洋.基于DIMINE 軟件系統(tǒng)的露天礦境界優(yōu)化研究［J］.金屬礦山，2010(9):13-17.

Jiang Quan，Chen Jianhong，Yang Haiyang.Study on open pit limit optimization on DIMINE software system［J］. Metal Mine，2010(9):13-17.

［11］ 蔣京名，王李管. DIMINE 礦業(yè)軟件推動(dòng)我國(guó)數(shù)字礦山發(fā)展［J］.中國(guó)礦業(yè)，2009，18(10):90-91.

Jiang Jingming，Wang Liguan.DIMINE mining software promote the development of China＇s digital mine［J］. China Mining Magazine，2009，18(10):90-91.

［12］ 李家泉，代碧波，張 偉.基于三維可視化建模技術(shù)的礦石品位空間分布研究［J］.金屬礦山，2007(12):75-78.

Li Jiaquan，Dai Bibo，Zhang Wei. Study on spatial distribution of ore grade based on 3D visualization modeling technology［J］.Metal Mine，2007(12):75-78.

［13］ 劉亞靜，李 梅，姚紀(jì)明.三維普通克立格插值建立非層狀礦體塊段模型的研究［J］.金屬礦山，2008(7):92-95.

Liu Yajing，Li Mei，Yao Jiming.Study on establishing non-Laminated orebody block model by 3D common Kriging interpolation［J］.Metal Mine，2008(7):92-95.

［14］ 侯景儒，黃競(jìng)先.地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)在固體礦產(chǎn)資源/儲(chǔ)量分類中的應(yīng)用［J］.地質(zhì)與勘探，2001，37(6):61-66.

Hou Jingru，Huang Jingxian.Application of geostatistics in classification for resources/reserves of solid fuels and mineral commodities［J］.Geology and Prospceting，2001，37(6):61-66.

［15］ 張達(dá)兵，李 峰，汪德文.四川拉拉銅礦床斷層三維可視化模型［J］.礦床與地質(zhì)，2014，28(4):506-510.

Zhang Dabing，Li Feng，Wang Dewen. Three-dimensional visual model of faults in Lala Cu deposit in Sichuan［J］. Mineral Resources and Geology，2014，28(4):506-510.

［16］ 戎景會(huì)，陳建平，尚北川.基于找礦模型的云南個(gè)舊某深部隱伏礦體三維預(yù)測(cè)［J］.地質(zhì)與勘探，2012，48(10):191-198.

Rong Jinghui，Chen Jianping，Shang Beichuan. Three-dimensional prediction of blind orebodies in Gejiu，Yunnan Provience based on the ore-search model［J］.Geology and Prospecting，2012，48(10):191-198.

［17］ 羅周全，劉曉明，吳亞斌，等.地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)在多金屬礦床儲(chǔ)量計(jì)算中的應(yīng)用研究［J］.地質(zhì)與勘探，2007，43(3):83-87.

Luo Zhouquan，Liu Xiaoming，Wu Yabin，et al. Application of geostatistics in polymetallic deposit reserves calculation［J］.Geology and Prospecting，2007，43(3):83-87.

［18］ 王 斌，劉保順，王 濤，等.基于Surpac 的礦山三維可視化地質(zhì)模型的研究與應(yīng)用［J］.中國(guó)礦業(yè)，2011，20(2):106-109.

Wang Bin，Liu Baoshun，Wang Tao，et al.Research and application of the three-dimensional visualization geological modeling of mine mine based on Surpac［J］.China Mining Magazine，2011，20(2):106-109.

［19］ 陳小文，宋革文.克立格估值法在SURPAC 塊體建模中的應(yīng)用［J］.金屬礦山，2009(10):137-139.

Chen Xiaowen，Song Gewen. Application of Kriging estimation method in SURPAC block model［J］.Metal Mine，2009(10):137-139.