安徽運(yùn)漕地區(qū)隱伏地質(zhì)體三維模型構(gòu)建及應(yīng)用＊

陳忠良，童勁松，吳雪峰，陳永寧，包海玲，王小鶯

（安徽省地質(zhì)調(diào)查院，合肥 230001）

1815年，威廉·史密斯已經(jīng)非常重視地質(zhì)圖的平面及三維表達(dá)。等厚線圖曾經(jīng)以平面方式展示了地層單位的厚度變化。隨著交叉剖面技術(shù)越來越精細(xì)，諸如柵欄圖、連續(xù)剖面圖和剖析圖等成為表現(xiàn)地質(zhì)體三維結(jié)構(gòu)的重要形式［1］。但是，地質(zhì)體三維結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是三維乃至四維的概念，需要通過三維可視化方式表達(dá)其空間分布情況。在距威廉·史密斯編繪出第一張彩色英格蘭和威爾士地質(zhì)圖兩百年后的今天，各國地質(zhì)調(diào)查機(jī)構(gòu)均開展了眾多三維地質(zhì)填圖和三維地質(zhì)模型構(gòu)建工作。例如，加拿大主要在尼曼托巴省開展三維地質(zhì)填圖。美國1997年完成了首張三維地質(zhì)圖。英國地質(zhì)調(diào)查局（BGS）建立了全國性的三維地質(zhì)模型LithoFrame和柵欄圖GB3D［2］。

我國上世紀(jì)80年代相繼開展了安徽省銅陵地區(qū)大比例尺立體調(diào)查和立體預(yù)測、湖北大冶銅綠山礦田等三維地質(zhì)調(diào)查和成礦預(yù)測工作［3］。2008年開始，在長江中下游重點(diǎn)成礦區(qū)帶九瑞、寧蕪等地區(qū)開展了1∶5萬綜合地質(zhì)—地球物理立體填圖試驗(yàn)。在九江—瑞昌礦集區(qū)，通過運(yùn)用區(qū)域重力、航磁數(shù)據(jù)，經(jīng)過多種分析獲得了地層結(jié)構(gòu)及巖漿巖三維空間形態(tài)［4］。在廬樅礦集區(qū)，在地質(zhì)信息和先驗(yàn)信息約束下運(yùn)用重磁反演構(gòu)建了三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型［5］。筆者在地質(zhì)圖和隱伏地層分布圖的約束下，利用鉆孔數(shù)據(jù)，建立了運(yùn)漕幅第四系宏觀地層格架模型［6］。然而，如何綜合使用鉆探、重、磁、電、震等數(shù)據(jù)，建立能夠表達(dá)地層組合、地層接觸關(guān)系、地層空間形態(tài)和巖體侵位機(jī)制等要素，特別是斷層要素的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型（立體地質(zhì)圖），仍存在諸多挑戰(zhàn)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

圖1 運(yùn)漕地區(qū)在長江中下游成礦帶中的位置［7］Fig．1 Location of Yuncao area in the Middle－Lower Yangtze metallogenic belt

運(yùn)漕地區(qū)位于長江中下游銅—鐵—硫多金屬成礦帶沿江銅—鐵—硫—金—多金屬成礦亞帶中的寧蕪礦集區(qū)西南部，其西南與廬樅礦集區(qū)和銅陵礦集區(qū)毗鄰（圖1）。地層區(qū)劃屬揚(yáng)子地層區(qū)下?lián)P子地層分區(qū)之巢湖—安慶地層小區(qū)?。全區(qū)被第四紀(jì)地層覆蓋，厚度一般為30～70m，少數(shù)＞100m，為典型的淺覆蓋區(qū)（圖2）。區(qū)內(nèi)隱伏地層主要為新近系（N）、古近系（E）、晚白堊世赤山組（K2c）、早白堊世大王山組（K1d）、早侏羅世鐘山組（J1z）、中三疊世黃馬青組（T2h）和周沖村組（T2z）。隱伏侵入體以閃長巖類為主，另有少量花崗巖類。研究區(qū)在大地構(gòu)造上位于揚(yáng)子陸塊區(qū)下?lián)P子地塊的中部，屬沿江隆凹褶斷帶?。區(qū)內(nèi)發(fā)育盆地構(gòu)造（無為盆地）和巖漿隆起構(gòu)造（三疊系—巖漿隆起帶）。在三疊系—巖漿隆起帶，由礦區(qū)勘探和綜合物探分析顯示區(qū)內(nèi)還發(fā)育褶皺構(gòu)造、多組斷裂構(gòu)造和鹽丘底辟構(gòu)造等。燕山期富鈉巖漿巖和中三疊世周沖村組接觸帶為有利的成礦部位。

研究區(qū)經(jīng)歷了基底形成、陸緣蓋層形成、濱太平洋大陸邊緣活動帶三個(gè)地史演化階段［8］。區(qū)內(nèi)未見沉積基底，南華紀(jì)至三疊紀(jì)為蓋層發(fā)展期，地殼運(yùn)動以頻繁振蕩為主，至印支運(yùn)動表現(xiàn)為強(qiáng)烈的造山運(yùn)動，因此本階段是研究區(qū)海相蓋層形成和造陸、造山重要時(shí)期。印支運(yùn)動結(jié)束了海相蓋層發(fā)育歷史，形成了一套次穩(wěn)定型復(fù)陸屑—火山—蒸發(fā)式建造組合，巖漿活動強(qiáng)烈。斷塊造盆、造山運(yùn)動居主導(dǎo)地位，逆沖推覆構(gòu)造、對沖斷裂構(gòu)造更具特色。北北東向及近東西向兩組斷裂構(gòu)造控制盆地形成和發(fā)展?。

圖2 運(yùn)漕地區(qū)基巖地質(zhì)簡圖（據(jù)文獻(xiàn)［9］修改）Fig．2 Geological sketch map of bed rocks in the Yuncao area

圖3 淺覆蓋區(qū)隱伏地質(zhì)體三維地質(zhì)建模工作流程Fig．3 Modeling scheme for constructing 3Dgeological model in shallow－covered area

2 建模流程

模型構(gòu)建分為劃分建模單元及建立地質(zhì)—地球物理模型和最終地質(zhì)體模型兩個(gè)階段。完整的隱伏地質(zhì)體三維模型構(gòu)建流程如圖3。

第一階段：劃分建模單元及建立地質(zhì)—地球物理模型。將區(qū)域重、磁資料和地球物理剖面進(jìn)行相互比對和印證，以鉆孔資料加以約束，劃分區(qū)域三維地質(zhì)體建模單元，建立研究區(qū)地質(zhì)—地球物理模型，并進(jìn)行正演計(jì)算，以獲得運(yùn)漕地區(qū)地下2000 m 內(nèi)的地質(zhì)解釋成果剖面。

第二階段：建立地質(zhì)體模型。以綜合地質(zhì)—地球物理模型為基礎(chǔ)，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景、區(qū)域重、磁解釋和礦區(qū)勘探資料，借助三維可視化手段，首先構(gòu)建反映研究區(qū)斷裂分布的區(qū)域構(gòu)造格架模型。然后依據(jù)綜合地質(zhì)－地球物理剖面，添加輔助剖面，采用交叉剖面建模方法構(gòu)建地質(zhì)體模型。由于隱伏地質(zhì)體較為復(fù)雜，在剖面交互拼接前，宜采用巖層與巖體并行建模的思路。該思路將地質(zhì)剖面分離為地層剖面與巖體剖面，并導(dǎo)入三維可視化環(huán)境之中，形成地層剖面模型和巖體剖面模型。根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)，結(jié)合基巖地質(zhì)圖和區(qū)域重磁解釋成果構(gòu)建地層與巖體模型。待地層與巖體模型并行構(gòu)建完成后，將巖體模型與地層模型進(jìn)行地質(zhì)體布爾運(yùn)算，得到最終需要的地層模型。將其與巖體模型融合后即形成完整的隱伏地質(zhì)體模型。

3 地質(zhì)體模型構(gòu)建

3．1 物性研究與建模單元的構(gòu)建

通過分析礦區(qū)資料、鉆孔資料（鉆孔巖心物性見表1，鉆孔位置見圖4）并結(jié)合周邊地區(qū)地層巖石物性參數(shù)（圖5），將研究區(qū)地層分為9個(gè)主要物性層（即地層建模單元）。

（1）古—新近紀(jì)地層（E－N）為低密度層，密度為2．0～2．5g／cm3間，平均2．24g／cm3，含雙塔寺組和照明山組。其中，雙塔寺組為整合于照明山組之下的淺黃、灰白、紫紅色礫巖、砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖互層。照明山組巖石類型為礫巖、砂巖、泥質(zhì)粉砂巖等，顯示非旋回性基本層序，巖石顯紫紅、灰紫色等顏色。

（2）晚白堊世赤山組（K2c）為低密度層，平均密度2．28g／cm3，為一套紫紅、棕紅色礫巖—砂巖—粉砂巖的陸相沖積扇—湖相沉積，與下伏地層呈角度不整合接觸。

（3）早白堊世大王山組（K1d）。為中密度層區(qū)內(nèi)具有低緩背景特征的磁場，可能是由較弱的水平磁性層引起，推斷其為大王山組（K1d，）中基層火山巖。火山巖密度平均2．52g／cm3。大王山組為火山爆發(fā)—噴溢相沉積。

（4）早侏羅世鐘山組（J1z）為低密度層，平均值2．40g／cm3。主要巖性為灰白色厚層石英砂巖和長石石英砂巖。

（5）中三疊世黃馬青組（T2h）為中等密度層，因受巖漿侵入熱蝕變影響，密度變化區(qū)間較大，在2．54～2．83g／cm3間，多數(shù)在2．6～2．7g／cm3間。黃馬青組下部主要巖石類型為鈣質(zhì)細(xì)砂巖、鈣質(zhì)粉砂巖，為海陸交互相的前三角洲席狀砂體沉積；中、上部巖石類型為粉砂巖夾含礫粉砂巖，為三角洲前緣—三角洲前緣斜坡相沉積。

（6）早中三疊世地層（T2z－T1）為高密度物性層。為周沖村組、南陵湖組灰?guī)r、白云巖等碳酸鹽巖類（密度為2．70g／cm3以上）。硬石膏、巖鹽電阻率最高。

（7）二疊紀(jì)地層（P）為低密度層，平均約2．39 g／cm3。主要是硅質(zhì)巖、碳質(zhì)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖。該層電阻率也較低。

（8）石炭紀(jì)地層（C）為高密度層，平均2．72 g／cm3。主要是石炭紀(jì)沉積的一套碳酸鹽巖地層。該層電阻率也較高。

（9）泥盆紀(jì)地層（D）中等密度物性層，平均2．58 g／cm3，為一套砂巖為主的地層。依據(jù)物性差異，將巖體劃分為花崗巖類和閃長巖類兩大類。

（1）花崗巖類（Г）：含花崗巖（γ）、花崗斑巖（γπ）、二長斑巖（ηπ）和花崗閃長斑巖。該類巖石基本無磁性，且密度相對閃長巖類要低，約2．55～2．65g／cm3。

（2）閃長巖類（π）：含閃長巖（δ）、石英閃長巖（δο）、閃長玢巖（δμ 以及石英二長閃長巖（δηο）等。該類巖石具有較高的磁化率和平均值為2．67 g／cm3左右的中等密度，磁化率平均2085～2439（10－6＊4πSI）。

3．2 地質(zhì)－地球物理模型

根據(jù)物性研究和剖面附近的鉆孔資料，利用鉆孔揭示的地質(zhì)體及深度作為控制條件，結(jié)合地震剖面解釋和電阻率二維結(jié)構(gòu)圖（AMT、CSAMT 電阻率異常），對實(shí)測重、磁場求取剩余異常后再進(jìn)行二維約束反演。由給定的初始地質(zhì)體模型，計(jì)算其理論重、磁場，并與實(shí)際觀測場進(jìn)行對比，修正模型及地質(zhì)體參數(shù)，重新計(jì)算理論曲線進(jìn)行再次對比，反復(fù)多次直至修改后的模型體符合實(shí)際地質(zhì)情況并且與研究區(qū)的巖石物性特征相符、與區(qū)域解譯成果一致為止。以此計(jì)算模型作為淺覆蓋層之下主要建模單元的地質(zhì)－地球物理模型。

表1 鉆孔巖心物性特征統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of the physical properties about rocks from boreholes

圖4 運(yùn)漕地區(qū)三維模型建模數(shù)據(jù)示意圖Fig．4 Schematic diagram of geologic data for constructing three－dimensional model in Yuncao area

圖5 運(yùn)漕地區(qū)地層（系）密度統(tǒng)計(jì)柱狀圖Fig．5 Statistical histogram of stratigraphic density in Yuncao area

3．3 區(qū)域構(gòu)造格架推斷

圖6（a）為研究區(qū)三維可視化剖面模型，其中北西部（i和ii）屬無為盆地的南東部分，盆地是在沿江前陸盆地基礎(chǔ)上繼承演化的產(chǎn)物，屬燕山晚期斷陷盆地。盆地充填物主要為晚白堊世、古近紀(jì)及新近紀(jì)地層。三疊系—巖漿隆起帶（iii和iv）的褶皺構(gòu)造主要為裕湯復(fù)背斜。圖6（b）展現(xiàn)了根據(jù)物探和部分鉆探資料推測的部分?jǐn)鄬訕?gòu)造。區(qū)內(nèi)斷層構(gòu)造可劃分為北東向、北北東向和北西—北西西向等三組。區(qū)內(nèi)燕山晚期的巖漿活動主要沿背斜核部上侵，形成北東向的巖漿侵入隆起帶，主要分布于裕溪口—太平村—下埠圩一線。

3．4 地質(zhì)體模型構(gòu)建

本次地質(zhì)體模型構(gòu)建采用交叉剖面建模法，需建立輔助剖面以形成封閉的建模單元格。首先對二維剖面進(jìn)行對比分析，對每條剖面中的斷層、巖層、巖體進(jìn)行編號，結(jié)合區(qū)域重磁解釋成果，找出相對應(yīng)剖面中相同編號的地質(zhì)體，分析其成因、展布及尖滅方式等；其次添加輔助剖面，形成交叉剖面（圖4可見輔助剖面布置）。分析獲得斷層、地層、巖體的成因、展布及尖滅方式信息后，添加四周邊界剖面，延伸已有剖面，形成交叉剖面。

圖6 剖面三維可視化及斷層分布展示Fig．6 3Dvisualization of sections and distribution of the faults

圖7 地層與巖體模型并行構(gòu)建流程示意圖Fig．7 Schematic diagram showing the parallel model of strata and intrusions

由于地層模型規(guī)則性較強(qiáng)，而巖體屬于典型的不規(guī)則體，為避免巖體與地層模型同時(shí)構(gòu)建引起地層面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上錯(cuò)誤，將地質(zhì)剖面分離為地層剖面與巖體剖面。圖7展示了地層與巖體模型并行構(gòu)建流程。圖中I階段，是將解釋剖面分離為巖層和巖體兩類剖面。巖體剖面制作較為簡單，而巖層剖面則需要考慮假設(shè)巖體未侵入前的形態(tài)，或延伸巖層需要顧及區(qū)域褶皺和斷層的分布。在II階段，分別將巖層和巖體剖面導(dǎo)入三維可視化環(huán)境之中，構(gòu)建封閉的單元格。通過交互拼接每個(gè)單元格可形成巖體和巖層的單元格地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。需要特別注意的是對地質(zhì)面和地質(zhì)體屬性的處理。為便于快速識別不同地質(zhì)面和地質(zhì)體，一定需要將巖層和巖體的代碼標(biāo)記于屬性之中，在單元格地質(zhì)體合并時(shí)，已存屬性的地質(zhì)體可以根據(jù)屬性合并巖層和巖體地質(zhì)體。III階段為最終構(gòu)建的地層模型和巖體模型。通過地層模型與巖體模型的并行構(gòu)建，可以減少建模人員在拼接地質(zhì)面時(shí)的考慮因素，提高建模效率。

最終的地質(zhì)體模型需要對地層模型與巖體模型進(jìn)行地質(zhì)體布爾運(yùn)算。假定巖體模型為A，巖體中的花崗巖類體模型為B，地層體模型為C，則最終的地質(zhì)體模型S＝（C－A）∪（A－B）∪B。

4 討論

4．1 地質(zhì)體空間展布

對生成的地質(zhì)體模型進(jìn)行橫向和縱向的柵格剖面切割，并分別選?。?00m、－600m、－1000 m、－1500m 進(jìn)行水平切割（圖8）。圖中1區(qū)基本為有序的沉積凹陷區(qū)，區(qū)內(nèi)盆地充填物以古近紀(jì)、白堊紀(jì)和侏羅紀(jì)地層為主，為沉陷盆地中心。2 區(qū)和4 區(qū)也基本為沉積地層分布區(qū)，基底（三疊紀(jì)及下伏地層）隆起，2區(qū)可能主要為密度較大的三疊紀(jì)灰?guī)r分布區(qū)，局部地段有構(gòu)造交匯并伴有巖漿活動。3 區(qū)和5區(qū)基本為巖漿巖分布區(qū)。3區(qū)推斷是巖漿上侵的中心區(qū)域，局部淺部以沉積碎屑巖為主，一些較大的已知鐵礦床主要分布該區(qū)，且散布在磁異常邊緣部位或規(guī)模較小的弱磁異常區(qū)，反映了巖體與圍巖的熱液成礦作用。5區(qū)主要為中酸性侵入巖。

圖8 模型不同深度水平地質(zhì)切片及柵格圖Fig．8 Horizontal sections in different depths and raster maps of the model

4．2 找礦預(yù)測

區(qū)內(nèi)鐵礦床成礦母巖為中三疊世周沖村組，侵入巖體多為閃長巖類，其巖石物理特征表現(xiàn)為具有較高的密度和磁性。已知礦產(chǎn)地多分布在區(qū)域磁異常邊緣部位，因此構(gòu)造單元邊界斷裂部位的重磁異常是較好的成礦地帶?。圖9（a）為1∶5萬航磁化極異常圖疊加斷層和已知礦點(diǎn)（表2）后的三維可視化效果圖。圖9（b）為在（a）圖基礎(chǔ)上疊加閃長巖類和中三疊世周沖村組的三維可視化效果圖。

結(jié)合實(shí)測資料分析，可預(yù)測圖9（b）中存在三處有利成礦地段。深部鉆探除了驗(yàn)證物探異常外，還有多處礦化和礦體發(fā)現(xiàn)，如ZK1（位于預(yù)測區(qū)Ⅰ）發(fā)現(xiàn)了薄層磁鐵礦，ZK2（位于預(yù)測區(qū)Ⅰ）發(fā)現(xiàn)了厚層硬石膏礦，ZK4（位于預(yù)測區(qū)Ⅲ中）中也有多層黃鐵礦化、黃鉛礦化現(xiàn)象。另外，在本次預(yù)測區(qū)Ⅲ開展了無為縣夏家莊－錢村鐵礦普查，有望新增1處達(dá)千萬噸級的中型鐵礦［10］。

表2 礦點(diǎn)一覽表Table 2 List of the deposits

5 結(jié)論

對于淺覆蓋區(qū)，應(yīng)先分析區(qū)域內(nèi)的主要物性層（建模單元），而后據(jù)重、磁、電、震等物探數(shù)據(jù)，在鉆孔數(shù)據(jù)的約束下，建立地質(zhì)—地球物理模型。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域重、磁解譯和礦區(qū)勘探和區(qū)域地質(zhì)背景資料，借助三維可視化手段，構(gòu)建地質(zhì)體模型。隱伏地質(zhì)體較為復(fù)雜，且含有巖體等不規(guī)則地質(zhì)體，應(yīng)采用地層與巖體并行建模的思路，最終的地質(zhì)體模型由地層模型與巖體模型進(jìn)行地質(zhì)體布爾運(yùn)算生成。

致謝：感謝安徽省地質(zhì)調(diào)查院周存亭教授級高工，儲東如、陳秀其高工的指導(dǎo)和幫助，感謝項(xiàng)目組同事提供的論文素材。

注釋

?周存亭，杜森官，柳丙全，等．安徽省成礦地質(zhì)背景研究成果報(bào)告（內(nèi)部資料）．2013．

?童勁松，吳雪峰，陳永寧，等．運(yùn)漕地區(qū)深部立體地質(zhì)填圖工作報(bào)告（內(nèi)部資料）．2013．

［1］Holger Kessler，Stephen Mathers．The Past，Present and Future of 3dGeology in Bgs［J］．Journal Open University Geological Society，2006，27（2）：13－15．

［2］Richard C，Berg，Stephen J．etal．Synopsis of Current Three－dimensional Geological Mapping and Modeling in Geological Survey Organizations［R／OL］．Champaign：Illinois State Geological Survey．［2014－05－06］http：／／library．isgs．uiuc．edu／Pubs／pdfs／circulars／c578．pdf．

［3］陳克強(qiáng)，高振家，李龍．有關(guān)深部地質(zhì)填圖和立體地質(zhì)填圖的幾個(gè)問題［J］．地質(zhì)通報(bào)，2003（Z1）：984－990．

［4］鄧震，呂慶田，嚴(yán)加永，等．九江—瑞昌礦集區(qū)的3D 結(jié)構(gòu)及對區(qū)域找礦的啟示［J］．地球物理學(xué)報(bào)，2012（12）：4169－4180．

［5］祁光，呂慶田，嚴(yán)加永，等．基于先驗(yàn)信息約束的三維地質(zhì)建模：以廬樅礦集區(qū)為例［J］．地質(zhì)學(xué)報(bào)，2014（4）：466－477．

［6］陳忠良，童勁松，包海玲．淺覆蓋區(qū)第四系三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型快速構(gòu)建——以運(yùn)漕幅為例［J］．安徽地質(zhì)，2013（2）：42－46．

［7］翟裕生，姚書振，林新多，等．長江中下游地區(qū)鐵銅（金）成礦規(guī)律［M］．北京：地質(zhì)出版社，1992．

［8］常印佛，吳言昌．長江中下游銅鐵成礦帶［M］．北京：地質(zhì)出版社，1991．

［9］安徽省地質(zhì)調(diào)查院．中華人民共和國區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告1∶5萬和縣幅、當(dāng)涂縣幅、運(yùn)漕幅、無為縣幅、姚溝幅［R］．合肥：安徽省地質(zhì)調(diào)查院，2013．

［10］楊軍義．安徽局322隊(duì)探獲千萬噸級鐵礦［J］．中國礦山工程，2014，43（4）：80．