基于3Dmine大理巖礦體三維地質(zhì)模型的建立及資源量估算應(yīng)用

李忠水，張麗麗

(1.中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心吉林總隊(duì)，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.吉林省市場(chǎng)監(jiān)督管理廳事業(yè)單位會(huì)計(jì)核算中心，吉林 長(zhǎng)春 130022)

隨著科技的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)在各個(gè)行業(yè)都得到廣泛應(yīng)用，地質(zhì)礦產(chǎn)領(lǐng)域亦不例外[1]。自從加拿大工程地質(zhì)學(xué)家Simon Houlding[2]1993年提出三維地學(xué)建模(3D Geosciences Modeling，3DGM)以來(lái)，國(guó)外三維建模技術(shù)發(fā)展日趨成熟，借助計(jì)算機(jī)和可視化技術(shù)，在三維環(huán)境下將空間信息管理、地質(zhì)解譯、空間分析、地學(xué)統(tǒng)計(jì)與預(yù)測(cè)、三維圖形可視化等技術(shù)工具結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)模型的三維顯示和地質(zhì)分析，進(jìn)而為工程設(shè)計(jì)、施工與決策提供幫助，相應(yīng)的三維地質(zhì)建模軟件主要有GOCAD、Petrel、Earth Vision、Micromine、Surpac等。國(guó)內(nèi)三維地質(zhì)建模技術(shù)起步較晚，目前開(kāi)發(fā)有MapGIS、3DMine、Longruan GIS、DeepInsight、藍(lán)光等軟件，就行業(yè)而言，除油氣和有色金屬礦以外的絕大多數(shù)勘查項(xiàng)目仍然沒(méi)有對(duì)勘查成果進(jìn)行三維地質(zhì)建模，在非金屬礦產(chǎn)勘查領(lǐng)域也很少應(yīng)用。

本文基于3DMine軟件，通過(guò)礦區(qū)探礦工程數(shù)據(jù)庫(kù)(含分析測(cè)試數(shù)據(jù))、地形數(shù)據(jù)和礦業(yè)權(quán)數(shù)據(jù)等，建立三維地表模型、實(shí)體模型和塊體模型[3]來(lái)實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體與地質(zhì)環(huán)境的可視化。礦區(qū)三維地表模型用來(lái)描述地形的不封閉面模型，是地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達(dá)，由若干不規(guī)則三角面組成；實(shí)體模型是一個(gè)描述三維地質(zhì)體幾何形態(tài)的封閉面模型，多用來(lái)創(chuàng)建礦體模型、夾石模型和覆蓋層模型等，可以直觀表現(xiàn)地質(zhì)體的三維空間展布，計(jì)算地質(zhì)體體積；塊體模型是以表面模型或?qū)嶓w模型約束建模對(duì)象外部形態(tài)，將內(nèi)部抽象為一系列鄰接但不交叉的三維塊體的集合[4]，模型中每個(gè)塊體都可以定義、編輯和量化自身屬性，包括礦石品位和體積質(zhì)量特性等，可對(duì)指定區(qū)域內(nèi)的屬性值快速定量計(jì)算，在礦山生產(chǎn)過(guò)程中及時(shí)反映礦體的形態(tài)、規(guī)模、品位和構(gòu)造的變化，能夠準(zhǔn)確把握資源量的變化情況，進(jìn)而可以進(jìn)行礦床資源量的準(zhǔn)確估算[5]。

1 礦區(qū)概況

該大理巖礦位于吉林省東南部，礦床位于綏芬河—琿春古生代陸緣疊覆造山區(qū)內(nèi)廟嶺復(fù)式背斜采石場(chǎng)倒轉(zhuǎn)背斜的西翼[6]，地層呈單斜產(chǎn)出，傾向北西298～330°，傾角42～53°。含礦地層為古生界中二疊統(tǒng)廟嶺組，巖石類型為凝灰質(zhì)砂巖、大理巖。早侏羅世中粒、中細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖分布于礦區(qū)北西部，對(duì)礦體完整性不產(chǎn)生影響，閃長(zhǎng)玢巖呈脈狀沿層面、節(jié)理面侵入廟嶺組大理巖中，對(duì)礦體完整性影響不大。

該礦床成因類型為沉積變質(zhì)型。礦床由一個(gè)礦體組成，礦體傾向298～330°，傾角42～53°?？刂频V體長(zhǎng)760m，寬215～587m，厚度115～430m，控制礦體標(biāo)高+250.88～+442m。礦床平均品位CaO 54.33%、MgO 0.40%、fSiO21.59%、SiO22.39%。礦石自然類型為灰—灰白色、白色大理巖，工業(yè)類型為水泥用大理巖。礦床勘查類型為Ⅱ類型。本文以大理巖礦體為研究和建模對(duì)象。

2 建立礦床探礦工程數(shù)據(jù)庫(kù)

3Dmine中礦床探礦工程數(shù)據(jù)庫(kù)基于野外地質(zhì)勘查工作成果，是三維實(shí)體建模前提，也是塊體模型建立的核心數(shù)據(jù)。因3Dmine中無(wú)專門(mén)的“探槽地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)”，探槽數(shù)據(jù)按鉆孔格式要求錄入鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)中，與鉆孔數(shù)據(jù)共同形成礦床探礦工程數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.1 探礦工程數(shù)據(jù)處理

本次建模共收集到探礦工程31個(gè)。根據(jù)建立礦床地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的要求，對(duì)收集的所有鉆孔、槽探及化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的檢查，核實(shí)無(wú)誤后按照格式錄入excel表中。

2.2 構(gòu)建探礦工程數(shù)據(jù)庫(kù)

將31個(gè)探礦工程excel表數(shù)據(jù)導(dǎo)入3Dmine軟件中，建立探礦工程數(shù)據(jù)庫(kù)，包含以下四個(gè)數(shù)據(jù)表：①定位表：共31個(gè)工程數(shù)據(jù)，主要描述孔號(hào)(探槽號(hào))、坐標(biāo)、孔深、勘探線號(hào)、孔跡類型等重要信息；②測(cè)斜數(shù)據(jù)：共245個(gè)測(cè)斜數(shù)據(jù)，按照工程號(hào)、深度、傾角、方位角整理入庫(kù)；③化驗(yàn)數(shù)據(jù)：共2 212個(gè)樣品化驗(yàn)數(shù)據(jù)，主要有CaO、fSiO2、MgO、SiO2分析結(jié)果、礦巖類型及樣長(zhǎng)等信息；④巖性表：共31個(gè)工程巖性數(shù)據(jù)，描述工作揭露的地質(zhì)體發(fā)育情況，包括工程編號(hào)、起始深度、終止深度、層號(hào)、層厚。

入庫(kù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了樣品重疊檢驗(yàn)，測(cè)斜深度、取樣深度、巖性深度超出終孔深度檢驗(yàn)，三維視圖中對(duì)勘查工程的數(shù)據(jù)校驗(yàn)。鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入3DMine軟件后可直觀顯示鉆孔軌跡(圖1)和樣品位置，可以查詢每個(gè)工程的定位、測(cè)斜和其中的樣品、品位等屬性信息，以便對(duì)數(shù)據(jù)的調(diào)用。

3 建立地表模型

三維地表模型(DTM)就是地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達(dá)[7]，可相對(duì)準(zhǔn)確的描述出地形的結(jié)構(gòu)和一些局部地區(qū)，同時(shí)又便于進(jìn)行地形計(jì)算和分析，能夠較好地反映實(shí)際地形信息[8]。將礦區(qū)矢量化的地形圖導(dǎo)入到軟件中進(jìn)行高程賦值后，在3Dmine中利用生成DTM表面功能生成三維地表模型(DTM)(圖 2)。

圖2 地表模型(DTM)

4 礦體、夾層圈定及建立實(shí)體模型

4.1 礦體圈定原則

根據(jù)礦床工業(yè)指標(biāo)要求[9]，以工程采樣分析結(jié)果為依據(jù)圈定礦體；見(jiàn)礦點(diǎn)均采用直線連接，連接點(diǎn)必須連接至工程上；對(duì)單工程所取樣品化學(xué)組分達(dá)到工業(yè)指標(biāo)要求的均圈定為礦體，對(duì)工程中單個(gè)樣品中的CaO、MgO、fSiO2三項(xiàng)指標(biāo)中任一項(xiàng)達(dá)不到工業(yè)指標(biāo)要求時(shí)，采取相鄰樣任意8m段加權(quán)，經(jīng)加權(quán)后質(zhì)量滿足工業(yè)指標(biāo)要求的樣品圈為礦體；剖面間相鄰工程根據(jù)礦體空間對(duì)應(yīng)關(guān)系，按礦層產(chǎn)狀、巖性特征、層位對(duì)應(yīng)的原則進(jìn)行連礦；在平面上含礦層位相同、產(chǎn)狀一致、層位對(duì)應(yīng)的礦體相連。無(wú)限外推：①只有地表探槽工程控制的礦層按產(chǎn)狀板狀推至最低開(kāi)采標(biāo)高線，走向上按50°、55°、60°開(kāi)采邊坡角推至地表，作為資源量估算邊界；②邊緣工程以勘探線最低開(kāi)采標(biāo)高為界按50°、55°、60°開(kāi)采邊坡角要求推至地表，作為資源量估算邊界(圖3)。

圖3 礦體、夾石、邊坡解譯線示意圖

4.2 夾層圈定原則

對(duì)不滿足工業(yè)指標(biāo)要求的樣品或經(jīng)任意8m段加權(quán)后礦石質(zhì)量仍有一項(xiàng)不符合工業(yè)指標(biāo)要求的樣品，則按夾層予以剔除；在兩工程之間，只有單工程控制的夾層，以工程間距1/2尖滅；剖面上只有探槽工程控制的夾層按產(chǎn)狀板狀下推至最低開(kāi)采標(biāo)高線，平面上推至圖幅邊；對(duì)厚度小于2m的夾層放大至2m后按夾石剔除。

4.3 實(shí)體模型建立

該大理巖礦詳查報(bào)告提交的資源量是某公司大理巖探礦權(quán)范圍內(nèi)的礦體資源量，礦體實(shí)體模型是在某公司大理巖礦采礦權(quán)、深部及外圍勘探探礦權(quán)范圍內(nèi)的基礎(chǔ)上建立的。

在勘探線剖面的基礎(chǔ)上，整理提出礦體邊界線、礦體編號(hào)、坐標(biāo)網(wǎng)、地表界線、采礦權(quán)界線和探礦權(quán)界線等信息，進(jìn)行優(yōu)化、糾錯(cuò)等處理，去除不利建模的無(wú)關(guān)信息，經(jīng)過(guò)多次坐標(biāo)變換將二維剖面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到三維空間正確位置，使各剖面圖的位置與勘探線相互對(duì)應(yīng)，設(shè)置合適的三角網(wǎng)參數(shù)，在相鄰的勘探線剖面圖中選擇同一礦體的閉合線，依次連接成三角網(wǎng)。針對(duì)在實(shí)際的建模過(guò)程中存在礦體的分支復(fù)合較多、對(duì)應(yīng)較難的現(xiàn)象，在三維礦體的連接、外推及分支復(fù)合的處理過(guò)程中，可創(chuàng)建多個(gè)“輔助線”和“分區(qū)線”對(duì)實(shí)體形態(tài)進(jìn)行控制，最終形成完整的實(shí)體模型(圖4)。

本次建立了探礦權(quán)和采礦權(quán)新增兩個(gè)礦體實(shí)體模型(圖4a)，并分別建立15個(gè)夾石實(shí)體模型(圖4b)，其中探礦權(quán)夾石模型10個(gè)，采礦權(quán)夾石模型5個(gè)；建立2個(gè)邊坡實(shí)體模型(圖4c)。建立兩個(gè)覆蓋層實(shí)體模型(圖4d)；建立一個(gè)控制資源量實(shí)體模型(圖4e)。

圖4 完整實(shí)體模型

5 地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)資源量估算

地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)是以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，以變異函數(shù)為主要工具，研究那些在空間分布上既有隨機(jī)性又有結(jié)構(gòu)性的自然現(xiàn)象的科學(xué)?；诘刭|(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的儲(chǔ)量估算方法，考慮了礦石的空間品位變化，可提高資源儲(chǔ)量估算的準(zhǔn)確性[10]。

5.1 建立塊體屬性模型

為研究大理巖礦石質(zhì)量分布規(guī)律并進(jìn)行礦石資源量估算，需建立礦體三維塊體模型。根據(jù)礦權(quán)范圍，結(jié)合已圈定的礦體模型確定塊體模型的范圍；根據(jù)已控制礦體的標(biāo)高，并適當(dāng)往深部擴(kuò)展，確定塊體的Z值邊界。根據(jù)采礦臺(tái)階高度和勘探線間距，開(kāi)采段高為塊大小的整數(shù)倍，以及夾石剔除的大小，確定塊體尺寸為5m×5m×5m，次級(jí)塊尺寸為2.5m×2.5m×2.5m。

將有限個(gè)工程數(shù)據(jù)反映的礦石品位信息插值到模型的每個(gè)塊體中，塊體主要的屬性名稱見(jiàn)表1。

表1 塊體模型屬性信息

5.2 搜索橢球體參數(shù)的確定

根據(jù)礦體產(chǎn)狀確定橢球體各軸向，礦體走向?yàn)?10°，傾角一般在42～53°，橢球體搜索半徑是根據(jù)工程間距確定，工程間距地表100.00m～125m～200m，故采用三次估值方式。各軸向比根據(jù)礦體形態(tài)確定，礦體長(zhǎng)度546.00m， 寬 度189.00～533.00m， 厚 度155.00～346.00m，平均厚度為230.00m，由此確定橢球體參數(shù)(圖5)。

圖5 礦體搜索橢球示意圖

5.3 估算冪次的確定

估值采用距離冪反比法，冪值M在品位變化小的礦床取值較??；在品位變化大的礦床，M取值較大。在水泥用石灰?guī)r等品位變化較小的礦床中，M一般取2；在貴重金屬(如黃金)礦床中，M的取值一般取3。

本礦床主要估值參數(shù)CaO變化系數(shù)4%、MgO變化系數(shù)100%、fSiO2變化系數(shù)95%，屬于品位變化較小的礦床類型，故采用距離二次方反比法，即冪值M的取值為2。

5.4 資源量估算

采用距離冪次反比法對(duì)礦體內(nèi)塊體屬性CaO、MgO、fSiO2進(jìn)行品位估值，估值過(guò)程中需要設(shè)置相關(guān)參數(shù)，為了減少數(shù)據(jù)的平均化效應(yīng)，分三次進(jìn)行估值，依次放大搜索半徑。第一次估值過(guò)程中，搜索橢球主軸半徑與勘查網(wǎng)度(100m×100m)保持一致，要求最少3個(gè)工程中的樣品參與塊段估值，每個(gè)鉆孔最多樣品個(gè)數(shù)為4個(gè)，搜索橢球最少樣品數(shù)設(shè)定為9個(gè)樣品。第二次估值搜索半徑為第一次估值的2倍的方法，即200m，對(duì)第一次未進(jìn)行估值的塊段進(jìn)行估值。第三次估值主要是對(duì)外推部分進(jìn)行估值，外推部分可放寬工程個(gè)數(shù)限制，故不對(duì)每個(gè)鉆孔最小樣品個(gè)數(shù)進(jìn)行約束。本次估值過(guò)程所采用的距離冪次反比估值參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 距離冪次反比法估值參數(shù)

經(jīng)估算，勘查區(qū)內(nèi)探獲水泥用大理巖礦控制資源量15 137kt，推斷資源量13 450kt。控制資源量占總資源量的52.95%，剝采比為0.30∶1。

對(duì)勘查區(qū)內(nèi)總資源量采用垂直斷面法進(jìn)行了估算，并與本次資源量估算采用的距離冪次反比法資源量估算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比(表3)，結(jié)果顯示兩種估算方法的相對(duì)誤差較小，分別為1.21%和1.06%，說(shuō)明選擇的資源量估算方法正確，資源量估算結(jié)果可靠。

6 結(jié)論

(1)以吉林某大理巖礦體為研究對(duì)象，基于3DMine軟件建立了礦體、夾石、邊坡、覆蓋層三維實(shí)體模型和三維塊體模型，既能直觀地反映大理巖礦體的空間分布形態(tài)，也為資源量估算分析奠定了基礎(chǔ)。

表3 資源量估算對(duì)比結(jié)果

(2)與傳統(tǒng)資源量估算方法相比，基于3DMine三維塊體模型穩(wěn)定和不易出現(xiàn)不可預(yù)測(cè)的誤差等問(wèn)題，方法簡(jiǎn)便快捷，提高了資源量估算的效率。

(3)創(chuàng)新了非金屬礦產(chǎn)地質(zhì)工作中資源量估算的傳統(tǒng)模式，對(duì)非金屬礦地質(zhì)勘查的技術(shù)進(jìn)步具有積極意義，也為數(shù)字礦山建設(shè)打下了良好基礎(chǔ)。