江西石竹山硅灰石矿床X号矿体三维地质建模及资源量估算_李雪娣.pdf

第 卷 第 期 年 月东 华 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）（）.收稿日期：基金项目：中国核工业地质局项目“二连基地砂岩型铀成矿环境和条件调查评价研究”（地）作者简介：李雪娣（），女，硕士，主要从事矿产普查与勘探研究工作。：通信作者：李满根（），男，博士，教授，主要从事矿产资源勘查、成矿预测与评价研究工作。：江西石竹山硅灰石矿床 号矿体三维地质建模及资源量估算李雪娣，李满根，秦耀祖，吴志春，王先广，刘少华（东华理工大学 地球科学学院，江西 南昌；江西省矿产资源保障中心，江西 南昌；江西省地质局 能源地质大队，江西 南昌）摘 要：为开展石竹山硅灰石矿床 号矿体三维地质建模及资源量估算，使用地质图、勘探线剖面图等多源数据进行研究并建成地层和矿体的三维模型，然后采用克里金插值算法进行资源量估算。结果显示，建立的矿体三维立体模型可以更直观地看到矿体的空间形态分布；基于矿体三维模型，经过克里金插值法估算 号矿体的硅灰石资源量约为 万。本次资源量估算全程使用 软件进行分析，相比传统方法效率更高，三维矿体可视化对矿体进行分析能更加清晰、快速，而且效率高、出错率低。三维模型还可动态更新矿体，为后续探明矿体随时提供新的储量估算。关键词：三维地质建模；资源量估算；硅灰石矿；石竹山中图分类号：文献标志码：文章编号：（）李雪娣，李满根，秦耀祖，等，江西石竹山硅灰石矿床 号矿体三维地质建模及资源量估算 东华理工大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：硅灰石（）是一种偏硅酸盐类的钙类矿物，广泛应用于陶瓷、橡胶、塑料等行业（苑金生，）。江西石竹山硅灰石矿是 万 级超大型优质硅灰石矿床，市场前景广阔，对其开展研究至关重要（王先广等，）。石竹山硅灰石矿床规模大、埋藏浅、延伸稳定、品位富、矿体类型多。资源勘探和开采仅依靠传统二维地质资料无法满足当前的工作需求，三维模型不仅能够解决二维地质资料在展示方面的不足，还能够对模型进行多角度、多剖面的观察分析，能够快速对矿体实际空间分布进行更新。对于相同区域多元、异构的地质数据可以实现共享，减少不必要的勘测，同时利用计算机模拟能够高效、精确地估算资源量。近年来基于三维建模技术的矿体可视化技术日益成熟，许多学者在数据模型和建模方法上开展了深入研究，提出了不同的建模方法。向中林等（）根据钻孔数据构建了三维地质模型，为三维地质建模及可视化软件的设计提供了参考。卢克等（）提出一种基于多源数据融合的通用网格化模型，通过计算单元格内各个因子的权重从而得到统计指标值。程朋根等（）提出一种基于似三棱柱体元的三维模型数据，能够表示空间对象的表面和内部结构，更加方便对不规则地质体的建模，同时还能节省存储空间。张宝一等（）提出利用三维地质建模技术来估算矿体储量的方法，该方法使用轮廓线对模型的尖灭和分支进行约束处理，提高了储量估算的智能化和自动化水平。随着三维地质建模研究的深入，许多学者根据不同的矿床特点，提出了多种三维建模方法和理论用于建立地质模型，为后续矿产资源量估算奠定了基础。笔者借助 和 软件首次构建了石竹山硅灰石矿床的地质体模型，并开展了资源量估算，为后续资源勘探提供参考。地质概括石竹山硅灰石矿区位于江西省新余市渝水区，是目前世界上超大型硅灰石矿床之一。石竹山矿区大地构造位于扬子板块与华夏板块之间、钦杭成矿带萍乐坳陷西段（王先广等，）。受北部九岭逆冲推覆构造和南部武功滑覆构造挤压，使得总体构造线呈近东西向展布（游正义等，）。研究区内出露地层主要为：石炭系下统梓山组、上统黄龙组和船山组；二叠系下统栖霞组、中统茅口组、上统乐平组；侏罗系下统水北组。褶皱多为背斜狭窄、向斜宽缓的隔挡式复式褶皱，从北往南依次为锦江复向斜、蒙山复背斜、袁水复向斜。褶皱有向东西二端收敛，中心放宽的趋势。断裂多为走向断裂，规模较大，其次为斜向断裂，横向断裂不太发育且规模小，如图 所示（刘少华等，）。研究区的蒙山复背斜核部出露印支中晚期和燕山早期多期次的蒙山岩体。蒙山岩体呈椭圆状，分 次侵入石炭系和二叠系中，出露地表面积约。蒙山岩体侵入二叠系茅口组的碳酸盐岩，使之发生了强烈的围岩蚀变与矿化。蚀变分带在水平方向上由岩体向外依次为蚀变花岗岩矽卡岩化透辉石透闪石化硅化硅灰石化大理岩。在距离岩体 范围内的硅灰石矿床类型为接触变质型，矿体形态呈层状、似层状，矿物成分主要为硅灰石 方解石、硅灰石 石英型，硅质来源主要为围岩中的硅质（如燧石）。在距离岩体 范围内发生接触交代叠加，矿床类型为矽卡岩型，矿体形态呈似层状、透镜状，矿物组分复杂，主要为硅灰石 透辉石 石英型、硅灰石 透闪石型，常共（伴）生、，硅质来源主要为岩浆热液（王先广等；刘少华等，）。吴晓辉，陈铖，刘少华，等，江西省新余市渝水区里坑矿区硅灰石矿勘探报告（内部资料）数据与方法 数据收集本研究从江西省煤田地质局共收集了 幅 地表等高线图、幅勘探线剖面图和 幅矿体资源量块段水平中段图和 个钻孔数据。其中钻孔数据包含位置、深度、斜度、方位角、样长、厚度，以及、等成分信息。研究方法三维地质建模的基本原理是运用有限数量的简单图形将原本复杂的地质体进行空间分割，用三角网来表示地质体的实体模型（王春女等，）。目前三维建模方法有很多，较常见的有基于钻孔数据建模、基于多源数据建模、基于地质剖面建模。对于较为复杂的地质体，主要采用基于地质剖面建模，根据地质剖面应用曲面构造、线框构模等，利用空间拓扑分析连接相邻剖面进行建模（张洋洋等，）。此次研究利用丰富的地质剖面数据，选用基于地质剖面应用曲面构造法来构建石竹山硅灰石矿床三维模型。该方法一般用于延续性较好的水平地质体，先构建地质体上下面的曲面模型，再将上下两个平面之间连接三角网来形成实体。研究区的矿体结构复杂，为了能够更好地展示出矿体的结构以及更加方便地建立模型，采用线框构模法构建石竹山硅灰石矿体。该方法是先建立矿体在勘探线剖面上的轮廓线，通过连接相邻的轮廓线形成三角网来创建实体模型（朱春梅等，）。基于三维建模进行资源量估算，需要通过对离散数据场进行区域剖分，插值后建立数学模型，提取出各个区域的几何信息从而得到数据场内部信息（靳国栋等，）。目前插值算法有克里金插值法、距离加权反比插值法、三次样条插值法等，其中克里金插值法是矿产资源量估算中最常用的方法之一，其发展成熟，精确度更高，此次研究选择克里金插值法进行估算。表 钻孔数据库结构 数据类型参数类型定位表工程号、钻孔深度、钻孔坐标测斜表工程号、钻孔深度、斜度、方位角化验表工程号、采样起点和终点、样品长度、厚度、矿物成分、硅灰石矿物含量、矿体编号本次研究首先将收集到的地表等高线图、勘探线剖面、中段平面图等导入 软件中，对剖面图和中段图的空间位置进行校正预处理，再以表格形式整理出钻孔定位表、测斜表和样品化验表，钻孔数据库结构见表，并使用 软件对 个钻孔数据进行分析，建立石竹山硅灰石矿区的钻孔三维空间轨迹图（图）。然后利用勘探线剖面图分别建立各个地质层面的地层约束轮廓线，通过线数据来建立面数据最后生成各个地层的实体模型。再根据水平中段图构建出矿体的三维模型，最东 华 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年图 江西省新余市石竹山硅灰石矿床地质简图（刘少华等，），第四系；侏罗纪下统水北组；二叠系上统乐平组；二叠系中统茅口组；二叠系下统栖霞组；石炭系上统船山组；石炭系上统黄龙组；石炭系下统梓山组；排前单元；李村单元；鸭婆村单元；西村单元；矽卡岩；花岗斑岩；逆断层及倾角；正断层及倾角；不明性质断层；向斜轴线；背斜轴线；研究区；地层分界线。后根据构建的矿体模型运用 软件对研究区矿体进行资源量估算。三维地质建模 地层三维模型构建石竹山硅灰石矿床共分为 个地层，根据已有的勘探线剖面数据的地层走向以及相互之间的关系，采用曲面构造法描绘出地层轮廓线和辅助线建立各地层的三角网模型，最后合并成三角网实体模型。根据 软件的建模特点和石竹山硅灰石矿床的特征，建立了石竹山硅灰石矿床的地表（数字地面）模型、地层面模型以及断裂面模型。地层三维模型主要是通过 幅勘探线剖面图来构建。将地表高程数据导入 软件中进行坐标校正后，提取出石竹山矿床地表高程数据点（图），以此来约束地层模型后续地表建模的高程。结合石竹山硅灰石矿床的地层特征和 软件构建模型方法，绘制出坐标校正后的各个勘探线剖面上相同的地层曲线，以边界曲线上的点为控制点，在地层尖灭和缺失处获得交线形成地层约束轮廓线。如图 所示，对 幅勘探线剖面上的乐第 期李雪娣等：江西石竹山硅灰石矿床 号矿体三维地质建模及资源量估算图 钻孔三维空间轨迹图 平组界线进行绘制，并按照实际地质情况连接好相邻两个剖面曲线之间的交线，为后续建立地层曲面模型的空间形态提供约束。利用（离散光滑）插值算法将以上步骤中得到的地层曲线和交线合并成三角网格化层面，用交线约束修改原尖灭和缺失处从而建立地层层面，图 为二叠系上统乐平组的曲面模型，形象地展示出了该地层的曲面起伏形态。为了更好地探讨后续研究区，需将地层中的断裂构造在模型中表达出来。断裂面的构造和地层界面的构建方法相同，同样采用曲面构造法分别按照剖面中的断裂结构，构建出 个断裂面。此次研究通过曲面构造法共构建了 个曲面，其中包含 个地表面、个断裂面和 个地层分界面。相邻 个地层根据不整合面之间的关系进行填充和删减，同时对边界进行约束，最终得到了地层实体模型，图 为二叠系上统乐平组的实体模型。根据矿区（剖面图所示）地质体中各个地层的结构和关系，依次构建出各个层面的地层三维模型，最终得到石竹山硅灰石矿区的地质三维实体模型，如图 所示。通过查阅大量石竹山硅灰石矿的相关材料并结合构建的三维地质图，可以得知硅灰石矿主要赋存于二叠系茅口组上段层位中，岩性主要为灰色厚层状含燧石结核灰岩、含燧石结核硅质灰岩、泥质条带灰岩。矿体三维模型构建石竹山硅灰石矿体形态相较于地质体更复杂，呈多个大块状分布，线框构模法则能更适用于这种复杂空间结构的建模，更有利于对每个块状矿体建模。依据勘探线剖面得到矿体的空间位置、形态以及矿体之间的关系，将矿体按照探明、控制和推断矿体进行分类，采用线框构模法对石竹山硅灰石矿体构建三维模型。以 号矿体为例，首先将经过坐标校准后的勘探线剖面导入 软件，对垂直剖面图上的矿体分别沿着矿体形状圈出多个闭合的线框模型，并对线框模型进行尖灭和平滑处理，使得线框边缘光滑，图 为 号矿体根据勘探线剖面构建得到的探明、控制和推断矿体的多组线框。再将相邻剖面图上同一块矿体的线框模型进行连接，形成三角网格模型。由于直接线框相连建成的三维模型在凹陷、尖灭处和夹石等细节处与矿体实际情况不符合，所以要对这些细节处进行编辑修改。软件对于细节的编辑经常出现无法精确选中“点”的情况，所以使用 软件对其按照实际空间形态进行编辑修改，对凹陷和尖灭进行处理。因矿体内经常含有夹石，所以要将夹石从矿体模型中剔除，最后进行插值平滑处理后得到最终的矿体模东 华 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年图 石竹山硅灰石矿床地层模型构建步骤 地表高程数据点；地层约束轮廓线；地层分界曲面；地层三维实体模型。图 石竹山硅灰石矿床地层模型 二叠系上统乐平组王潘里段；二叠系上统乐平组狮子山段；二叠系上统乐平组老山上亚段；二叠系上统乐平组老山中亚段；二叠系上统乐平组老山下亚段；二叠系上统乐平组官山段；二叠系中统茅口组上段；二叠系中统茅口组下段；花岗岩；断层。型。如图 所示，分别构建出了探明、控制和推断部分矿体的三维模型，为后续各部分的资源量估算提供帮助。根据石竹山硅灰石矿体资料以及构建的矿体三维模型（图）表明，该硅灰石矿矿体形态规则，呈似层状、透镜状产出，矿体真厚度为 ，矿体走向 ，与地层走向基本一致（陈铖等，）。资源量估算相较于传统的资源量估算方法，该三维模型估算速度更快、效率更高，也更加精确，极大地节约了第 期李雪娣等：江西石竹山硅灰石矿床 号矿体三维地质建模及资源量估算人力和物力，还可以对任何矿段按照需求进行分类和管理，同时还能在后续矿体勘探和开采过程中对出现的新变化及时改进。因此，本次对石竹山硅灰石矿体基于三维建模进