韓鐵映 陳川 常金雨 高玲玲 李順達(dá)

摘? ?要：基于地質(zhì)與物探數(shù)據(jù)等多源信息融合，開(kāi)展地質(zhì)理論指導(dǎo)下的三維地質(zhì)建模，是當(dāng)前深部礦產(chǎn)資源勘查與評(píng)價(jià)的重要途徑和研究熱點(diǎn)。以四臺(tái)海泉鉛鋅礦為研究對(duì)象，基于地表及鉆孔信息，通過(guò)重力三維反演，解譯深部斷裂及地層界線，建立四臺(tái)海泉鉛鋅礦三維地質(zhì)模型和重力異常模型。首先分析成礦地質(zhì)條件，認(rèn)為礦區(qū)礦體形成主要受控于薊縣系庫(kù)松木切克群第三巖性段和礦區(qū)南部山前NW-NWW向斷裂。在此基礎(chǔ)上，采用多元信息綜合法，疊加成礦有利因素，分析建模結(jié)果，預(yù)測(cè)深部靶區(qū)3處，為賽里木鉛鋅銅礦帶上其他礦床深部資源預(yù)測(cè)及靶區(qū)圈定提供參考。

關(guān)鍵詞：四臺(tái)海泉;重力三維反演;地質(zhì)建模;靶區(qū)預(yù)測(cè)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，礦產(chǎn)資源消耗量逐年遞增，地表礦、淺部礦、易識(shí)別礦日益減少，地質(zhì)找礦工作逐步向第二深度空間發(fā)展[1]。因此將三維地質(zhì)與三維物性模型相結(jié)合，充分利用物探手段提供的深部信息，能有效地解決深部隱伏礦的三維預(yù)測(cè)難題。

加拿大學(xué)者Houlding在1993年首先提出三維地學(xué)模型概念[2];Nielsen等利用知識(shí)驅(qū)動(dòng)方法[3]，以 Marymia Inlier地區(qū)的造山型金礦為研究對(duì)象，開(kāi)展了區(qū)域性三維成礦預(yù)測(cè)工作;王功文等融合了地球物理三維反演方法[4]，對(duì)欒川礦區(qū)進(jìn)行了三維成礦預(yù)測(cè)，并取得良好效果;蘭學(xué)毅等通過(guò)重力交互反演技術(shù)建立了銅陵礦集區(qū)的三維地質(zhì)模型[5]，實(shí)現(xiàn)了地下地質(zhì)體的“透明化”;毛先成等提出以定位模型-成礦信息-三維預(yù)測(cè)為主線的隱伏礦體三維可視化預(yù)測(cè)方法[6]，以安徽銅陵鳳凰山銅礦和金川銅鎳硫化物礦床為例，展開(kāi)礦區(qū)深部三維可視化預(yù)測(cè)研究;史蕊等針對(duì)遷安鐵礦集區(qū)[7]，基于地質(zhì)與重力數(shù)據(jù)資料綜合解譯，建立三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型并開(kāi)展了預(yù)測(cè)工作;張權(quán)平等通過(guò)三維證據(jù)權(quán)與找礦信息量相結(jié)合的綜合圈定方法，對(duì)貴州爛泥溝金礦進(jìn)行了深部預(yù)測(cè)及靶區(qū)圈定[8];陳進(jìn)等對(duì)山東大尹格莊金礦采用定量化方法圈定3個(gè)找礦靶區(qū)[9]。

四臺(tái)海泉鉛鋅礦是新疆西天山成礦帶鉛鋅礦找礦的又一突破[10]。本文通過(guò)收集四臺(tái)海泉鉛鋅礦地質(zhì)、鉆孔、遙感DEM、勘探線剖面圖、地球物理重力數(shù)據(jù)等資料，進(jìn)行重力三維反演。在反演結(jié)果基礎(chǔ)上，建立三維地質(zhì)模型。據(jù)重力三維反演結(jié)果，擬合淺部地質(zhì)資料，采用多元信息綜合法[11]，將成礦控制要素與有利成礦區(qū)域進(jìn)行疊加提取，圈定三維空間內(nèi)四臺(tái)海泉鉛鋅礦1 500 m以淺成礦有利區(qū)（靶區(qū)），為賽里木鉛鋅銅礦帶上其他礦床深部資源預(yù)測(cè)及靶區(qū)圈定提供參考。

1? 礦床地質(zhì)概況及重力場(chǎng)特征

1.1? 礦床地質(zhì)概況

四臺(tái)海泉鉛鋅礦床大地構(gòu)造位置處于哈薩克斯坦-伊犁板塊（北天山）北部賽里木微地塊南緣。賽里木微地塊北部以褶皺帶與阿拉套晚古生代路遠(yuǎn)盆地相鄰，東部以天山北緣斷裂與準(zhǔn)噶爾地塊相隔，南部以博羅科努山北坡大斷裂與博羅科努晚古生代島弧帶分隔開(kāi)（圖1）。賽里木微地塊區(qū)域內(nèi)零星分布古元古代晚期—新元古代早期侵入體，大規(guī)模巖漿侵入活動(dòng)發(fā)生于華力西中期，侵入巖分布較廣，以花崗巖類(lèi)為主。斷裂、褶皺構(gòu)造發(fā)育，褶皺帶主要集中于小溫泉-四臺(tái)一帶，控制巖體與礦體的產(chǎn)出[12]。

四臺(tái)海泉鉛鋅礦床產(chǎn)于薊縣系庫(kù)松木切克群碳酸鹽巖之中。主要出露地層為中元古界薊縣系庫(kù)松木切克群、下石炭統(tǒng)阿克沙克組上段和第四系（圖2）。中元古界薊縣系庫(kù)松木切克群可分為4個(gè)巖性段。第一巖性段主要巖性為灰-深灰色中厚層狀硅質(zhì)條帶灰?guī)r夾薄層泥晶灰?guī)r;第二巖性段主要巖性為灰白色中厚層狀白云巖化灰?guī)r夾薄層微晶灰?guī)r;第三巖性段主要巖性有碎裂巖化灰?guī)r，微晶灰?guī)r，含鐵質(zhì)細(xì)脈微晶灰?guī)r等;第四巖性段巖性主要為含鐵質(zhì)細(xì)脈微晶灰?guī)r，微晶灰?guī)r，夾少量砂屑灰?guī)r和白云巖化灰?guī)r。下石炭統(tǒng)阿克沙克組巖性主要為灰?guī)r、大理巖、粉砂巖。礦區(qū)內(nèi)僅庫(kù)松木切克群發(fā)育有數(shù)條晚元古代侵入的輝長(zhǎng)巖脈和華力西期閃長(zhǎng)巖脈，巖體與地層接觸部位發(fā)育有少量磁鐵礦，巖體與鉛鋅礦化無(wú)明顯關(guān)系。

礦區(qū)后期擠壓作用強(qiáng)烈，賦礦地層傾角較高，淺部脆性構(gòu)造活動(dòng)劇烈，對(duì)礦體改造較強(qiáng)烈。隨深度的增加，礦體特征及礦石結(jié)構(gòu)顯示同生沉積特征。該礦區(qū)所有礦化體（礦體）嚴(yán)格受薊縣系庫(kù)松木切克群第三巖性段控制，順層產(chǎn)出，走向主要呈近EW向，傾向NNE，傾角55°～75°，主要賦礦巖石為碎裂巖化灰?guī)r，頂板圍巖以含鐵質(zhì)細(xì)脈微晶為主，顯示極典型的層控特征（圖3）。研究區(qū)發(fā)育的NWW向大型高角度正斷層控制了大型礦化帶的分布，為重要控礦構(gòu)造，相近依次平行展布的NWW向斷裂為礦體提供了容礦構(gòu)造。

綜上，四臺(tái)海泉鉛鋅礦屬沉積-變質(zhì)疊加型礦床[13]。礦體賦礦圍巖以灰?guī)r為主，含礦灰?guī)r破碎強(qiáng)烈，發(fā)育熱液角礫巖化和碎裂巖化。主要呈層狀、似層狀產(chǎn)出，產(chǎn)狀與灰?guī)r地層一致，顯示明顯的沉積特征，成礦元素與碳酸鹽巖地層同時(shí)沉積。礦區(qū)內(nèi)變質(zhì)-變形特征明顯，礦石中可觀察到方解石、石英等脈石礦物呈殘留粒狀或重結(jié)晶粒狀產(chǎn)出。碎裂灰?guī)r、構(gòu)造角礫巖中發(fā)育有角礫狀、團(tuán)塊狀礦石，局部地層與礦體同時(shí)發(fā)生彎曲形成層間褶皺，指示后期區(qū)域變質(zhì)作用使礦源層中成礦元素再次活化，并在合適構(gòu)造部位富集成礦。

1.2? 重力場(chǎng)特征

該數(shù)據(jù)為2020年實(shí)測(cè)的1∶1萬(wàn)地面重力數(shù)據(jù)，剩余重力異常經(jīng)地形校正、中間層校正、高度校正計(jì)算等處理獲得。將研究區(qū)剩余重力異常與地質(zhì)圖對(duì)照分析（圖4），布格重力異常等值線走向與研究區(qū)構(gòu)造走向一致，異常總體呈西高東低特征，局部重力高值異常與地質(zhì)圖礦化帶位置大致匹配。西南角高重力異常呈NWW向展布，與研究區(qū)構(gòu)造方向一致，呈背斜核部為高重力異常特點(diǎn)。西北角高重力異常呈NWW向，與研究區(qū)構(gòu)造方向一致。研究區(qū)礦體產(chǎn)出嚴(yán)格受地層控制，推測(cè)該部分高重力異常由深部鉛鋅礦體引起。中南部及中東部等軸狀高重力異常與礦化帶相匹配，呈鉛鋅礦體高重力異常特點(diǎn)。

2? 重力三維反演與三維地? ? ?質(zhì)建模

2.1? 重力三維反演

2.1.1? 反演原理及參數(shù)設(shè)置

本文進(jìn)行重力三維反演采用哥倫比亞大學(xué)研發(fā)的UBC-GIF Grav3D軟件。該軟件反演方法為物性反演[14-16]。據(jù)具體反演問(wèn)題，將地下一定深度內(nèi)區(qū)域剖分為規(guī)則的立方塊體，每一個(gè)立方塊體內(nèi)物性（密度）為一個(gè)恒定值，反演結(jié)果得到一個(gè)相對(duì)物性差模型。反演目標(biāo)函數(shù)中，包括參考模型、深度加權(quán)函數(shù)、模型最小約束及模型光滑約束。將所有地質(zhì)約束資料轉(zhuǎn)化為物性約束資料，建立參考模型，無(wú)約束小塊體設(shè)為默認(rèn)值0[17]。由于重力數(shù)據(jù)沒(méi)有確定垂向分辨率，在模型構(gòu)建過(guò)程中，直接表現(xiàn)為核函數(shù)隨深度衰減。由于幅值隨深度增加迅速衰減，地面觀測(cè)數(shù)據(jù)不足以產(chǎn)生具有深度分辨率的核函數(shù)。為克服這種現(xiàn)象，反演需引入深度加權(quán)方法，減少自然衰減對(duì)反演結(jié)果的影響[18]。模型最小約束與光滑約束分別是權(quán)衡反演模型偏離參考模型的程度及反演模型的光滑程度。

本次重力三維反演采用的格網(wǎng)剖分尺寸為20 m×20 m×20 m，以地表至地表以下1 500 m范圍作為反演目標(biāo)區(qū)域。UBC-GIF 軟件在反演過(guò)程中，主要參數(shù)包括反演模式、深度權(quán)重、長(zhǎng)寬比、物性上下邊界、初始模型及參考模型等[19]。反演模式有Chifact、Constant tradeoff和GCV 3種。本次重力反演選擇GCV模式，該模式為一個(gè)平衡參數(shù)匹配平滑度、最小限制地球物理數(shù)據(jù)。深度權(quán)重值設(shè)置為2，能更好的減少衰減效應(yīng)影響。長(zhǎng)寬比設(shè)置為2∶2∶1，控制擬合模型的平滑度。物性的上下邊界為強(qiáng)制約束，需反演者具一定經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)資料支持。由于研究區(qū)巖礦石密度差異較大，將邊界約束為-5到5。初始模型及參考模型在本次反演中未建立，選擇設(shè)置為默認(rèn)值。

2.1.2? 反演結(jié)果

分析巖礦石物性參數(shù)是進(jìn)行地球物理與地質(zhì)情況聯(lián)合解釋的前提。通過(guò)搜集、實(shí)測(cè)研究區(qū)及鄰礦區(qū)巖礦石的物性參數(shù)，建立巖礦石平均密度表（表1），為反演及解譯工作奠定基礎(chǔ)。

研究區(qū)巖礦石密度大致分為3類(lèi)：①千枚巖、閃長(zhǎng)玢巖，具較低密度，一般為2.62～2.65 g/cm3;②碳質(zhì)灰?guī)r、微晶灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等，具中等密度，一般為2.66～2.79 g/cm3;③鉛鋅礦石，密度均值大于3 g/cm3，礦化巖石密度為2.8～3 g/cm3，與圍巖間密度差異明顯。本次反演采用數(shù)據(jù)為上延300 m后得到的布格異常數(shù)據(jù)。按軟件要求格式將數(shù)據(jù)整理好，與建立好的格網(wǎng)文件與地形文件一同加載到軟件相應(yīng)位置，按上述內(nèi)容設(shè)置好參數(shù)進(jìn)行反演，并進(jìn)行多次迭代，直至反演結(jié)果滿足地質(zhì)解釋要求。為更好觀測(cè)反演結(jié)果及為下一步靶區(qū)圈定做準(zhǔn)備，將反演結(jié)果導(dǎo)入GOCAD軟件中進(jìn)行三維可視化展示（圖5）。據(jù)反演結(jié)果，重力反演高密度異常值在淺部主要分布在礦區(qū)中南部，處于薊縣系庫(kù)松木切克群第三巖性段范圍，與已探明礦化帶（礦體）大致吻合。隨著深度的逐漸增加，異常呈北傾特征，這與庫(kù)松木切克群第三巖性段傾向一致。NW、SW方向仍有異常分布，說(shuō)明目前重力數(shù)據(jù)未完全控制異常展布范圍，此方向上可能具較大找礦空間。

2.2? 三維地質(zhì)建模

2.2.1? 地表模型

地表模型基于數(shù)字高程模型（DEM）建立。首先在ArcGIS中基于DEM數(shù)據(jù)的每個(gè)象元提取矢量點(diǎn)，提取的點(diǎn)數(shù)據(jù)再基于DEM提取高程值和XY坐標(biāo)，獲得X、Y、Z坐標(biāo)的離散矢量點(diǎn)數(shù)據(jù)。將矢量點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入GOCAD中，由點(diǎn)形成地表面模型。為滿足模型精細(xì)程度，精確反映礦區(qū)地表情況，將遙感正射影像數(shù)據(jù)進(jìn)行貼圖處理（圖6-a）。

2.2.2? 礦體模型

礦體模型主要依勘探線剖面圖建立。將勘探線剖面圖據(jù)各自空間坐標(biāo)定位在三維空間中，將礦體數(shù)字化（矢量化），形成礦體線串模型，建立線串之間的節(jié)點(diǎn)連接。由閉合線模型形成礦體面模型，并對(duì)礦體面模型進(jìn)行插值迭代使其更光滑（圖6-b）。由于四臺(tái)海泉鉛鋅礦區(qū)已探明部分礦體埋藏較淺，收集的勘探線剖面圖不密集，在建立礦體面模型時(shí)，需用地表對(duì)其進(jìn)行約束，以免出現(xiàn)礦體高于地表情況。

2.2.3? 斷層、地層模型

斷層模型主要基于重力三維反演結(jié)果和收集的基礎(chǔ)地質(zhì)資料（包括地質(zhì)平面圖、勘探線剖面圖、鉆孔等）建立。據(jù)地質(zhì)圖及剖面圖中斷層傾向、傾角、走向等，結(jié)合重力反演結(jié)果，通過(guò)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)及不同區(qū)域重力場(chǎng)邊界，連續(xù)延伸的重力梯級(jí)帶及重力異常寬度突變、等值線同形扭曲等重力場(chǎng)特征進(jìn)行斷層解譯，形成線串模型。然后將線串模型相連形成面模型，通過(guò)離散平滑插值方法對(duì)斷層面進(jìn)行圓滑處理，消除畸變點(diǎn)，使模型更符合地質(zhì)特征（圖6-c）。地層模型通過(guò)構(gòu)造地層工作流（Structure&Stratigraphy workflow，簡(jiǎn)稱SnS）構(gòu)建。首先提取勘探線剖面和地質(zhì)圖中的地層界線，通過(guò)重力三維反演結(jié)果結(jié)合物性參數(shù)解譯深部地層界線信息，數(shù)字化形成地層面模型，在SnS工作流中建立地層柱，確定地層間的新老關(guān)系及接觸關(guān)系，最終生成地層模型（圖6-d）。

3? 深部靶區(qū)圈定

三維地質(zhì)建模使傳統(tǒng)意義上的找礦靶區(qū)優(yōu)選由定性向直接定位變得簡(jiǎn)單，建模后控礦（或含礦）地質(zhì)體、構(gòu)造空間形態(tài)已直觀呈現(xiàn)，可直接鎖定成礦有利部位（或者層位）。前文研究表明，四臺(tái)海泉鉛鋅礦床與鉛鋅成礦作用最重要要素為：①薊縣系庫(kù)松木切克群第三巖性段;②NWW向大型高角度正斷層及相鄰發(fā)育的NW向、NWW向平行斷裂;③重力高密度異常區(qū)域。將上述成礦有利要素進(jìn)行分析疊加，確定最優(yōu)靶區(qū)。

3.1? 深部重力異常成礦有利區(qū)

四臺(tái)海泉鉛鋅礦的鉛鋅礦石物性表現(xiàn)為高密度，與圍巖有明顯密度差異。深部高密度異常主要分布在礦區(qū)北部，與庫(kù)松木切克群第三巖性段在礦區(qū)深部延伸相吻合，推測(cè)該部分重力異常為鉛鋅礦石引起。通過(guò)GOCAD軟件regions分區(qū)功能，設(shè)置重力反演結(jié)果屬性范圍，提取模型高密度異常區(qū)域，得到重力異常成礦有利區(qū)（圖7-a）。

3.2? 關(guān)鍵控礦斷裂

四臺(tái)海泉鉛鋅礦區(qū)構(gòu)造發(fā)育，形成以滑脫正斷層組合為主的伸展構(gòu)造格局。礦區(qū)南部山前發(fā)育一系列順層正斷層，走向NW-NWW向，傾向NE-NNE向，傾角60°～75°。大型高角度斷層控制了大型礦化帶的分布，為重要控礦構(gòu)造。相近依次平行展布的NWW向斷裂系為礦體提供了容礦構(gòu)造。礦體產(chǎn)出受斷裂構(gòu)造控制明顯，通過(guò)分析三維地質(zhì)模型中已知礦體和斷裂構(gòu)造間的空間位置關(guān)系，確定四臺(tái)海泉鉛鋅礦區(qū)最主要幾條控礦斷裂，將其提取出，為靶區(qū)圈定的關(guān)鍵要素（圖7-b）。

3.3? 庫(kù)松木切克群第三巖性段成礦有利區(qū)

四臺(tái)海泉鉛鋅礦床淺部已探明礦化體（礦體）均受薊縣系庫(kù)松木切克群第三巖性段控制，順層產(chǎn)出，走向主要為近EW向，傾向NNE向，傾角55°～75°。主要賦礦巖石為碎裂巖化灰?guī)r，顯示出極典型層控特征。該巖性段是深部找礦有利地層區(qū)域，將其提取出，為靶區(qū)圈定的另一關(guān)鍵要素（圖7-c）。

3.4? 深部靶區(qū)圈定

據(jù)多元信息綜合法，將上述提取的控礦要素與重力高密度異常區(qū)域進(jìn)行疊加，得到四臺(tái)海泉鉛鋅礦區(qū)深部靶區(qū)模型（圖7-d）。共圈定靶區(qū)3處，分別位于研究區(qū)西北部、中北部和東北部，距地表800 m左右。3處靶區(qū)共由16 409個(gè)立方塊體組成，體積136 002 400 m3，都位于庫(kù)松木切克群第三巖性段內(nèi)。NWW向大型高角度正斷層南北100 m緩沖區(qū)范圍內(nèi)，同樣有NWW向斷裂展布，為深部尋找鉛鋅礦靶區(qū)。

4? 結(jié)論

（1） 四臺(tái)海泉鉛鋅礦礦體受薊縣系庫(kù)松木切克群第三巖性段層位控制明顯，局部受礦區(qū)南部山前NW-NWW向斷裂控制。

（2） 通過(guò)重力三維反演，推斷和劃分了構(gòu)造斷裂、地層界線，并展現(xiàn)了重力異常的空間分布，建立四臺(tái)海泉鉛鋅礦三維地質(zhì)模型，為靶區(qū)圈定奠定了基礎(chǔ)。

（3） 利用多元信息綜合法，對(duì)關(guān)鍵控礦斷裂、庫(kù)松木切克群第三巖性段和重力異常區(qū)域進(jìn)行疊加分析，圈定四臺(tái)海泉鉛鋅礦3個(gè)深部靶區(qū)，為賽里木鉛鋅銅礦帶上其他礦床深部資源預(yù)測(cè)及靶區(qū)圈定提供參考。

（4） 建議在后續(xù)工作中，建立四臺(tái)海泉鉛鋅礦區(qū)鉛鋅元素品位模型，對(duì)靶區(qū)進(jìn)一步優(yōu)化，降低勘探風(fēng)險(xiǎn)與成本。

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Abrast： Three-dimensional geological modeling guided by geological theory based on the integration of geological and geophysical data and other multi-source information is an important approach and research hotspot in the exploration and evaluation of deep mineral resources. Taking SitaiHaiquan Pb-Zn deposit as the research object， the three-dimensional geological model and gravity anomaly model of SitaiHaiquan Pb-Zn deposit are established based on the surface and borehole information and through gravity three-dimensional inversion to interpret the deep fault and stratigraphic boundary. Firstly， the ore-forming geological conditions are analyzed， and it is considered that the ore-body formation is mainly controlled by the third lithologic section of Kusongmuqieke Group in Jixian System and the NW-NWW trending fault elements in the piedhead south of the mining area; On this basis， the multivariate information synthesis method was adopted to superimpose the favorable factors of mineralization， and finally， the modeling results were analyzed to predict three deep target areas. It provides reference for the deep resource prediction and target delineation of other deposits in the Salimu Pb-Zn -Cu belt.

Key words ： SitaiHaiquan;Gravity three-dimensional inversion; Geological modeling; Target prediction