湖南黃沙坪地區(qū)鉛鋅礦床三維預(yù)測(cè)研究

陳建平，嚴(yán) 瓊，尚北川，武 曌

(1．中國地質(zhì)大學(xué)(北京)國土資源與高新技術(shù)研究中心，北京 100083;2．北京市國土資源信息研究開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

湖南黃沙坪地區(qū)鉛鋅礦床三維預(yù)測(cè)研究

陳建平1，2，嚴(yán) 瓊1，2，尚北川1，2，武 曌1，2

(1．中國地質(zhì)大學(xué)(北京)國土資源與高新技術(shù)研究中心，北京 100083;2．北京市國土資源信息研究開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

湖南黃沙坪鉛鋅礦是我國重要的鉛鋅礦生產(chǎn)基地，由于多年開采，已成為危機(jī)礦山，在研究該礦成礦背景的前提下，通過計(jì)算機(jī)三維建模方法，建立三維礦床模型，并提取出找礦有利條件，從而建立起該礦區(qū)的預(yù)測(cè)模型，并對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行靶區(qū)圈定，對(duì)該區(qū)深部找礦具有指導(dǎo)性意義。

三維礦床模型;預(yù)測(cè)模型;深部找礦;黃沙坪鉛鋅礦;湖南

0 引言

黃沙坪礦區(qū)是南嶺多金屬成礦帶的重要組成部分，位于南嶺構(gòu)造帶中段北緣郴州—藍(lán)山北東向基底構(gòu)造巖漿巖帶與郴州—邵陽北西向基底構(gòu)造巖漿巖帶的交匯部位，具有優(yōu)越的成礦地質(zhì)條件。黃沙坪鉛鋅礦是我國重要的鉛鋅原料生產(chǎn)基地，也是湖南省最大的鉛鋅開采礦山和鉛鋅原料生產(chǎn)基地。礦床類型屬裂隙充填交代類型，以鉛鋅礦為主。經(jīng)過50多年的開采，礦山的鉛鋅資源已處于深度危機(jī)狀態(tài)，向礦區(qū)深、邊部進(jìn)行鉛鋅礦的探索已勢(shì)在必行。近年來，越來越多的研究者開始從三維的角度預(yù)測(cè)隱伏礦體的存在，其優(yōu)點(diǎn)在于通過三維可視化技術(shù)可直觀地展示地下地質(zhì)體、礦體的空間形態(tài)、分布特征和相互關(guān)系。筆者在研究該區(qū)鉛鋅礦的成礦規(guī)律和找礦標(biāo)志的前提下，結(jié)合三維找礦方法進(jìn)行深、邊部找礦預(yù)測(cè)。

1 區(qū)域成礦地質(zhì)背景

黃沙坪礦區(qū)轄屬湖南省桂陽縣，地處南嶺，位于京廣線湖南郴州站以西45 km的桂陽縣境內(nèi)。該區(qū)主要賦礦地層為下石炭紀(jì)的石磴子組(C1s)，下與孟坳公灰?guī)r接觸，上與測(cè)水煤系接觸，均為石灰?guī)r和砂巖、頁巖互層，該地層由老到新分為5層礦床受南北向?qū)殠X倒轉(zhuǎn)背斜和觀音打座倒轉(zhuǎn)背斜的控制，同時(shí)也受近南北向和近東西向兩組斷裂所圍限的“井”字形圈閉空間的控制(李建中等，2005)。北北東向F1、F2斷裂帶的次級(jí)斷裂為主要控礦、容礦構(gòu)造。本區(qū)巖體均屬燕山期超淺成、淺成侵入體，以石英斑巖為主，花崗巖、花崗斑巖次之;石英斑巖出露在寶嶺和觀音打座一帶山脊上，花崗斑巖未見地表出露。鉛鋅礦體沿?cái)嗔褞С涮詈徒淮?，多富集于斷裂破碎帶中，形狀?fù)雜，一般為透鏡體、似層狀扁豆?fàn)?、小囊狀、短脈狀及細(xì)脈浸染狀，產(chǎn)狀也不一致。水泄窿的礦體向東傾斜，傾角較陡;老貓形的礦體向西傾斜，傾角較平緩。東部礦區(qū)的礦體向東傾斜，屬于平緩礦體;西部礦體與巖層面有關(guān)，向西傾斜。斷裂破碎帶及巖體外接觸帶是該區(qū)主要的找礦區(qū)域。

2 三維礦床模型的建立

通過對(duì)黃沙坪礦區(qū)鉛鋅多金屬礦床地質(zhì)背景的研究，應(yīng)用澳大利亞SSI(Surpac Software International Pty Ltd)公司(2000)開發(fā)的大型礦山工程軟件Surpac，對(duì)研究區(qū)地層、巖體、已知礦體、化探數(shù)據(jù)等進(jìn)行三維實(shí)體建模，從而建立該區(qū)三維礦床模型。研究收集整理到的勘探線剖面共27個(gè)，主要分為東、南兩個(gè)部分(圖1)，勘探線剖面上有礦體、地層界線、巖體界線位置等信息(圖2)。研究中各地層三維實(shí)體模型首先通過連接各個(gè)剖面中同類地層界線形成兩類地層的界限層，再與范圍實(shí)體模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，得到相應(yīng)的地層實(shí)體(圖3)。巖體形狀上大下小，屬一個(gè)巖盤構(gòu)造，下有2個(gè)主干，一在寶嶺，一在觀音打座。其周圍有一系列的巖脈貫連，深部可能為一個(gè)巖體。建模方式與地層基本相似，主要根據(jù)收集到的剖面上石英斑巖界線進(jìn)行連接，多剖面間形成實(shí)體(圖4)，它們較為細(xì)致、全面地揭示了研究區(qū)地質(zhì)體的形態(tài)和位置特征，可以用此方法建立相應(yīng)的地質(zhì)體模型。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)圖

黃沙坪礦區(qū)鉛鋅礦體的形成，主要與構(gòu)造、巖體有關(guān)，全區(qū)有大小礦體300余個(gè)，主要礦體只有幾個(gè)，由于本次剖面線上已知礦體劃分得很詳細(xì)，建立礦體實(shí)體模型可按照不同種類分別建模。本次建立了鉛、鋅、鉛鋅礦實(shí)體模型(圖5)。

圖2 黃沙坪礦區(qū)東部第9排剖面

圖3 地層實(shí)體模型

圖5 已知礦體實(shí)體模型

圖4 巖體實(shí)體模型

圖6 工程鉆孔模型

三維礦床模型除了地質(zhì)體模型以外，還有工程模型。工程模型中的鉆孔模型(圖6)是根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)庫形象地生成可瀏覽鉆孔的軌跡和樣品屬性的模型。本次收集到的鉆孔共有154個(gè)，各元素(Pb、Zn)三維異常分布情況也可依鉆孔模型經(jīng)過距離反比插值分析得到，是進(jìn)行儲(chǔ)量估算的重要依據(jù)。

3 利用三維找礦預(yù)測(cè)模型進(jìn)行礦產(chǎn)定量預(yù)測(cè)

3．1 三維找礦預(yù)測(cè)模型的建立

本研究以三維礦床模型建立為基礎(chǔ)，地質(zhì)統(tǒng)計(jì)方法為手段，找礦預(yù)測(cè)模型的建立是研究的核心。建立預(yù)測(cè)找礦模型是探尋隱伏礦體的重要手段，主要采用立方體預(yù)測(cè)模型找礦方法(陳建平等，2009)來實(shí)現(xiàn)三維深部找礦的新突破。本次模型區(qū)坐標(biāo)范圍為南北長1 783．754 m、東西長1 084.426 m、垂高為769．496 m的立方體，總體積為1．488×109m3。根據(jù)勘探線的分布，結(jié)合礦體的形態(tài)、走向、傾向和空間分布特征，將單元塊的行、列、層高都設(shè)定為20 m，全區(qū)模型包括有193 050個(gè)單元塊。在建立好立方體模型以后，可以將多源找礦預(yù)測(cè)因子作為屬性賦給每一個(gè)單元塊。

在該區(qū)鉛鋅礦成礦規(guī)律及成礦模式的指導(dǎo)下，對(duì)該區(qū)成礦相關(guān)的地層信息、構(gòu)造信息、巖體信息、化探信息等進(jìn)行詳盡分析，提取出與該區(qū)鉛鋅礦成礦有利的條件，將其作為找礦預(yù)測(cè)因子進(jìn)行之后的礦產(chǎn)預(yù)測(cè)。使用已知礦體實(shí)體模型對(duì)立方體模型進(jìn)行限定，劃分出礦體所包含的塊體單元，共3 327個(gè)單元塊(圖7)，將其作為礦床預(yù)測(cè)中的先驗(yàn)條件。用地層實(shí)體模型對(duì)三維立方體進(jìn)行限定，劃分出不同地層所包含的立方體，根據(jù)以前的大量研究表明(許以明等，2007)，該區(qū)主要容礦層為石磴子組，且將不同地層塊中的含礦單元塊進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，有48．7%的礦體塊在石磴子組灰?guī)r(C1s2－4)中。因此選取石磴子組灰?guī)r作為有利地層信息預(yù)測(cè)變量。該區(qū)巖體主要為石英斑巖，該巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，穩(wěn)定性良好，位于局部裂隙中富集地帶而又有礦化水通過的地域。因此，對(duì)于三維預(yù)測(cè)來說，石英斑巖是預(yù)測(cè)的關(guān)鍵變量之一。構(gòu)造是本區(qū)主要的成礦因素，在傳統(tǒng)平面礦產(chǎn)預(yù)測(cè)中曾運(yùn)用斷裂緩沖、構(gòu)造等密度、構(gòu)造平均方位、構(gòu)造中心對(duì)稱度、構(gòu)造交點(diǎn)數(shù)等反映線性構(gòu)造的特征變量(劉春學(xué)等，2003)，本研究將二維成礦預(yù)測(cè)中這些被認(rèn)可的變量分析拓展到三維空間內(nèi)，從而為三維成礦預(yù)測(cè)提供新的變量(史蕊等，2011)，使之能更有效地展示及指導(dǎo)深部成礦特征。根據(jù)區(qū)域含礦立方塊與這些變量疊加分析得出結(jié)論：含有礦體的立方塊在主干斷裂屬性值區(qū)間(0．47，1．15)為最多;礦體集中分布在斷裂緩沖50 m內(nèi)，構(gòu)造交會(huì)部位的周邊對(duì)成礦有利，中心對(duì)稱度屬性值(0．023，0．1)的立方塊與礦體立方塊具有較高的一致性。因此，分別將主干斷裂(0.47，1.15)、局部構(gòu)造(8．2，10．3)的立方塊、構(gòu)造交點(diǎn)數(shù)(0．05，0．7)的立方塊、中心對(duì)稱度范圍(0.023，0.1)的立方塊、研究區(qū)斷裂50 m緩沖區(qū)(圖8)作為對(duì)鉛鋅礦成礦有利的預(yù)測(cè)因子。

圖7 礦體塊體模型

圖8 斷裂及斷裂緩沖分布圖

同時(shí)，利用鉆孔數(shù)據(jù)來分析這些單元塊的元素三維異常分布。本研究選用距離反比加權(quán)的方法對(duì)未知單元塊進(jìn)行了Zn和Pb含量的插值分析(靳國棟等，2003)(圖9)。通過該研究區(qū)中各元素的工業(yè)品位值及進(jìn)行主觀判斷綜合分析確定Pb的異常下限取6．3%，Zn的異常下限取11．4%(圖10)。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)有21．65%(Pb)和22．31%(Zn)的元素異常塊體在斷裂緩沖帶中，從一定程度上說明了研究區(qū)斷裂控礦的指導(dǎo)性意義。此外，分別有20．49%(Pb)和25.84%(Zn)的元素異常值在石英斑巖內(nèi)，同時(shí)也說明了巖體控礦的作用，因此可將Pb、Zn元素異常值作為預(yù)測(cè)因子。

圖9 Pb異常單元塊模型圖

根據(jù)以上預(yù)測(cè)因子的選取，并結(jié)合實(shí)際情況，本研究建立了如表1的研究區(qū)預(yù)測(cè)模型。其中，研究區(qū)的主要控礦因素取決于以下4個(gè)方面：(1)有利地層巖性發(fā)育;(2)有利成礦構(gòu)造發(fā)育;(3)巖漿巖脈群發(fā)育;(4)化探異常區(qū)間。

表1 研究區(qū)鉛鋅礦預(yù)測(cè)模型

3．2 鉛鋅礦預(yù)測(cè)靶區(qū)圈定

根據(jù)表1建立的預(yù)測(cè)模型，經(jīng)過對(duì)各預(yù)測(cè)變量進(jìn)行條件獨(dú)立性檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)各變量均相對(duì)獨(dú)立。因此，選取預(yù)測(cè)模型中9個(gè)預(yù)測(cè)變量，它們是：有利地層、斷裂緩沖區(qū)(50 m)、構(gòu)造中心對(duì)稱度、構(gòu)造方位異常度、主干斷裂、局部斷裂、Pb異常和Zn異常及有利巖體，運(yùn)用證據(jù)權(quán)法進(jìn)行三維可視化礦產(chǎn)預(yù)測(cè)(陳建平等，2007)，約定各標(biāo)志在單元中的存在取值為1，不存在取值為0，以礦體單元塊為證據(jù)權(quán)的自變量，預(yù)測(cè)因子為因變量，通過證據(jù)權(quán)權(quán)值公式計(jì)算出權(quán)重C值(表2)。

表2 研究區(qū)各找礦標(biāo)志權(quán)重值

根據(jù)各找礦標(biāo)志的權(quán)重值，計(jì)算出該區(qū)各單元塊的后驗(yàn)概率值，根據(jù)后驗(yàn)概率值與已知礦體疊合的直方圖分布(圖11)，及主觀概率法確定后驗(yàn)概率的臨界值為0．68，統(tǒng)計(jì)出在臨界值之上的立方體塊數(shù)為3 958塊，已知礦單元塊數(shù)為481，找礦潛力巨大。臨界值上37．82%的塊體包含在斷裂緩沖區(qū)內(nèi)，33．83%的塊體包含在石英斑巖內(nèi)。此外，79.08%的塊體在石磴子組層位，可說明其結(jié)果的可信性。

圖11 后驗(yàn)概率與已知礦塊疊加分析直方圖

由于本區(qū)已知礦體分布比較廣，礦體比較小而且碎，給預(yù)測(cè)區(qū)的圈定造成了不小的難度，本次將預(yù)測(cè)區(qū)內(nèi)的含礦單元塊去除掉，預(yù)測(cè)遠(yuǎn)景區(qū)中有3 477塊，再以此圈出5個(gè)典型預(yù)測(cè)區(qū)作為預(yù)測(cè)靶區(qū)(圖12)，有些高值區(qū)同時(shí)也是已知礦體密集區(qū)，本次預(yù)測(cè)未將其作為找礦靶區(qū)圈定出來。

A區(qū)正好在石英斑巖兩盤中間交匯處，也在右邊南北向斷裂與石英斑巖接觸帶上。B區(qū)為巖體上升與周圍構(gòu)造接觸帶摩擦處，的確比較利于成礦。C區(qū)同B區(qū)成礦條件相似，都處在斷裂與石英斑巖的接觸帶中，有較好的成礦有利條件及礦質(zhì)沉積的良好環(huán)境。D區(qū)位于東西向斷裂與南北向小斷裂交匯處，在深部也與石英斑巖接觸，有良好的熱液通道和成礦環(huán)境，有利于成礦。E區(qū)是5個(gè)靶區(qū)中高程最低的，可認(rèn)為是深部預(yù)測(cè)，與B區(qū)相似，都是巖體上升與周圍巖層擠壓、收縮的結(jié)果，也是南北向大斷裂與東西向小斷裂交匯的地方，證明了本次研究方法的可行性及可靠性。

圖12 預(yù)測(cè)靶區(qū)圈定圖

4 結(jié)論

根據(jù)Houlding提出的三維地質(zhì)建模的思想，應(yīng)用剖面圖、區(qū)域地質(zhì)圖和鉆孔數(shù)據(jù)等資料，利用三維建模軟件Surpac建立黃沙坪地區(qū)地質(zhì)和工程的三維模型，包括地形、地層、構(gòu)造、巖體、鉆孔等，做出該礦區(qū)的地質(zhì)和工程模型，為找礦預(yù)測(cè)工作奠定基礎(chǔ);通過對(duì)黃沙坪礦區(qū)地質(zhì)背景和成礦條件進(jìn)行分析，為建立三維找礦預(yù)測(cè)模型提供充分依據(jù);應(yīng)用立方體預(yù)測(cè)模型找礦方法完成了全區(qū)的三維找礦研究，綜合考慮各控礦條件，應(yīng)用證據(jù)權(quán)法，得到鉛鋅礦的后驗(yàn)概率值臨界值，確定了全區(qū)的預(yù)測(cè)遠(yuǎn)景區(qū)并圈定預(yù)測(cè)靶區(qū)，預(yù)測(cè)結(jié)果與已知礦體的空間一致性對(duì)該預(yù)測(cè)方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)研究區(qū)找礦潛力較大，勘探前景較好。

陳建平，呂鵬，吳文，等．2007．基于三維可視化技術(shù)的隱伏礦體預(yù)測(cè)［J］．地學(xué)前緣，14(5)：54－62．

陳建平，尚北川，呂鵬，等．2009．云南個(gè)舊礦區(qū)某隱伏礦床大比例尺三維預(yù)測(cè)［J］．地質(zhì)科學(xué)，14(1)：324－337．

靳國棟，劉衍聰，牛文杰．2003．距離加權(quán)反比插值法和克里金插值法的比較［J］．長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，24(3)：53－57．

劉春學(xué)，秦德先，黨玉濤，等．2003．個(gè)舊錫礦高松礦田綜合信息礦產(chǎn)預(yù)測(cè)［J］．地球科學(xué)進(jìn)展，18(6)：921 －927．

李建中，張怡軍，蔡新華，等．2005．湖南省黃沙坪鉛鋅礦區(qū)找礦潛力分析［J］．華南地質(zhì)與礦產(chǎn)，(4)：23 －28．

Surpac Software International國際軟件公司．2000．Surpac Vision軟件用戶使用手冊(cè)［M］．4版．北京：Surpac Software International國際軟件公司．

史蕊，陳建平，陳珍平，等．2011．陜西小秦嶺金礦帶潼關(guān)段區(qū)域三維定量預(yù)測(cè)［J］．地質(zhì)通報(bào)，30(5)：711－721．

許以明，龔述清，江元成，等．2007．湖南黃沙坪鉛鋅礦深邊部找礦前景分析［J］．地質(zhì)與勘探，43(1)：38 －43．

On 3D prediction of lead-zinc deposit in Huangshaping ore district in Hunan

CHEN Jian-ping1，2，YAN Qiong1，2，SHANG Bei-chuan1，2，WU Zhao1，2

(1．Institute of Land Resources and High Techniques，China University of Geosciences(Beijing)，Beijing 100083，China;2．Beijing Key Laboratory of Development and Research for Land Resources Information，Beijing 100083，China)

Huangshaping lead-zinc mine district in Hunan was a very important production base of lead and zinc mining in China．It had become a crisis mine because of years of exploitation．Based on the geological setting of lead-zinc ore-forming processes，the authors constructed a digital deposit model by means of 3D modeling and a cubic prediction model on ground of extraction of the favorable conditions for ore prospecting．And finally the targets on the forecasting results were delineated．

3D deposit model;Prediction model;Deep ore prospecting;Huangshaping Lead-zinc Mine;Hunnan

P618．4;P612

A

1674－3636(2012)03－0243－07

10．3969/j．issn．1674-3636．2012．03．243

2012－05－20;編輯：侯鵬飛

陳建平(1959— )，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事礦產(chǎn)資源定量預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)和“3S”技術(shù)應(yīng)用的教學(xué)與研究工作，E-mail：3s@cugb．edu．cn