内蒙古花脑特银多金属矿Ⅰ号蚀变带构造叠加晕三维模型研究及应用

魏 江，王 信，任良良，要悦稳，魏子鑫，廉 永，王 旭

（1.中国冶金地质总局地球物理勘查院，河北保定 071051；2.中国冶金地质总局矿产资源研究院，北京 101300；3.锡林郭勒盟山金白音呼布矿业有限公司，内蒙古锡林郭勒 026000）

0 引言

随着勘查方法与计算机技术的快速发展，矿产资源的勘探方法也不断发展，主要表现为由过去的经验找矿逐渐发展为当今在先进方法理论与多元信息支持下的综合找矿（王功文和陈建平，2004；俞嘉嘉等，2021）。当前，以计算机技术为支撑，结合先进找矿理论产生的多元信息找矿技术，已经逐步成为众多地质工作者的主要工作方式，也提高了找矿效果（陈爱兵等，2011；李天虎等，2012；雷天赐等，2012；王江霞等，2015；刁理品等，2018；何珊等，2018；许强平等，2019；王耀升等，2020）。

地质体及其固有的物化属性本质上都是具有三维特性的，随着地下深部探测技术及三维可视化技术日新月异的发展，产生了基于三维地质建模的理论与实践应用学科（曹代勇等，2001；程丹等，2007；刘少华等，2010）。与地理信息系统（GIS）技术和建模信息化模型（BIM）技术相比，三维地质建模技术发展相对较晚。1989 年，Mallet 教授首次提出了基于离散数学的光滑插值方法（DSI）在地质建模领域的应用。1999 年首款地质三维建模与分析软件GoCAD 问世，其核心算法即采用DSI 技术，该软件也是目前国际公认技术最先进、应用最广的三维地质建模软件（贾新会等，2016）。进入21 世纪，国内少数机构经过不懈的自主研发积累，也掌握了DSI 插值技术，并针对我国地质工作的现实需要，开发了一系列本土化的地质三维建模软件。其中加华地学（武汉）数字技术有限公司自主研发的CnGIM-ma 软件是国内首家使用DSI 技术的地质建模软件，DSI 算法的应用使得该软件在地质体三维可视化展示、地质体物化特性构建方面具有卓越的表现，进而对分析和研究地质体的特性有积极的意义（贾新会等，2016）。

当前，三维地质建模技术对于传统二维地质图件无法准确或正确描述的复杂地质现象研究相对较少，特别是利用地质体化学元素含量构建属性模型，并利用这种属性模型进行深部盲矿预测的研究更是稀少。传统地质建模过程中，将地质体作为均匀体处理，属性建模则要求在实现地质三维基础上的计算和分析研究。GoCAD 软件推出后，首先实现了地质模型对地质体属性的兼容，与地质体形态相同，大量的地质体属性信息也表现出空间分布不规则性等特点，需要专门的数据处理技术。DSI 理论不仅是几何建模的核心，也是立方网的稀疏数据空间插值处理的关键，可以将少数部位的测试数据推广到给定的三维空间（地质单元体）内，从而实现地质体的属性建模。

本次研究首次将构造叠加晕三维建模方法应用于内蒙古东乌珠穆沁旗花脑特矿区Ⅰ号蚀变带，该蚀变带内赋存一处大型银多金属矿床。前人研究主要集中在带内矿床地质特征、成矿流体特征、流体演化等方面，认为该矿床为大型中-低温热液脉状矿床，成矿与区内正长花岗岩的侵入接触带关系密切，成矿物质主要来源于深部岩浆（韩宇达等，2007；陈国峰等，2016）。前人对于侵入接触带与Ⅰ号蚀变带的空间关系及成矿预测研究不足。本次研究以详实的勘查资料及前人研究成果为基础，开展了构造叠加晕三维可视化研究建模。通过三维几何建模，直观反映岩体侵入接触面复杂的空间形态；通过对Ⅰ号蚀变带中前缘晕、近矿晕元素三维属性建模，结合构造叠加晕深部盲矿预测理论（李惠等，2011，2013，2014，2020；任良良等，2019），对已知矿体深部进行了盲矿预测，以期为矿床下一步勘查提供参考借鉴。

1 矿区地质概况

花脑特银多金属矿地处内蒙古锡林郭勒盟东乌珠穆沁旗，大地构造位置靠近西伯利亚板块与华北板块的缝合带。区内为大面积草原，基岩露头较差。古生界出露有奥陶系、志留系、泥盆系、石炭-二叠系，其中泥盆系最为发育；中生界出露有侏罗系、白垩系，其中侏罗系较发育；新生界主要为第四系。该区先后经历了从加里东期到燕山期的所有构造活动，形成了NE、NW 向的构造格局。其中花脑特银多金属矿床受NW 向构造控制，位于吉林宝力格大队的南西向背斜北翼（陈国峰等，2016）。

矿区地形相对平缓，第四系大面积覆盖，基岩零星出露地表，主要为古生界泥盆系上统安格尔音乌拉组。岩性主要为泥质板岩、粉砂质板岩等，局部有硅化。受北部和西南部岩体活动及区内主构造的影响，地层产状多变。

矿区内构造形迹露头较少，构造线大体可分为近EW、NE 和NWW 向3 组，主要为断裂构造，带内岩石破碎，多伴有硅化、绿泥石化等蚀变。断裂构造以NWW 向为主，当断裂有张扭性特征时，易成为控矿容矿构造。

矿区内共有4 条NWW 向受断裂构造破碎带控制的蚀变带，从北东到南西依次编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅲ（图1）。本次研究的Ⅰ号蚀变带是矿区主成矿带，蚀变带具典型的张扭特性，蚀变强烈，被后期成矿热液、硅质热液等充填，控制了矿体的展布。成矿以银为主，共生或伴生有铅锌，总体走向300°，倾向NE，倾角57°～78°。

图1 内蒙古花脑特银多金属矿矿床地质图（据陈国峰等，2016 修改）Fig.1 Geological map of the Huanaote silver polymetallic deposit in Inner Mongolia（modified from Chen et al.，2016）1-安格尔音乌拉组：斑点状绢云母绿泥石板岩夹变质钠质晶屑岩屑凝灰岩；2-中细粒斑状黑云母二长花岗岩；3-中粒黑云母钾长花岗岩；4-探矿权范围及拐点编号；5-矿体位置及编号；6-蚀变带及编号；7-断裂；8-勘探线及编号1-Angleyinwula Formation：spotted sericite chlorite slate with metamorphic sodium crystal debris tuff；2-medium fine-grained porphyritic biotite adamite；3-medium-grained biotite moyite；4-mining right range and inflection point number；5-orebody location and number；6-alteration zone and number；7-fracture；8-exploration line and number

侵入岩主要出露在矿区西南部与北部，对应为白音呼布岩体与查干楚鲁特岩体，形成时代分别为印支期与海西期。查干楚鲁特岩体岩性主要为斑状黑云二长花岗岩，岩体近椭圆状，长轴方向近北东，呈岩基状侵入安格尔音乌拉组（D3a）粉砂质板岩、泥板岩中，侵入接触带发育不同程度的角岩化。白音呼布岩体岩性为主要为正长花岗岩，形状不规则，长轴方向近北西，呈岩株状侵入上述板岩地层中，侵入接触带形态不规则，差异变化较大（聂风军等，2004）。

矿体主要位于Ⅰ号蚀变带中，走向约300°，倾向NE，倾角50°～85°。矿体所在蚀变带与侵入接触带在西侧深部大部分同位重叠。其中，赋存于Ⅰ号蚀变带偏下部的1 号矿体规模最大；2 号矿体略小，赋存于Ⅰ号蚀变带偏上部，两矿体部分位置叠置平行分布。2 条矿体的资源量约占区内已发现资源总量的85%，其它矿体规模均较小。

2 三维地质模型的构建

2.1 建模数据及流程

矿区面积约4 km2，模型底板标高设计为-150 m，建模资料主要有：钻孔柱状图104 幅、勘探线剖面图23 幅、中段平面图7 幅、地形地质图等，此外还有坑道、钻孔中采样信息等。各地质图导入CnGIM-ma 软件前统一比例尺，并进行几何校正来消除二维图形错误和误差，模型构建步骤见图2。

图2 地质建模流程图Fig.2 Flow chart of geological modeling

2.2 地形面的构建

基于研究区1∶1000 地形图，利用MAPGIS 或AutoCAD 软件矢量化等高线并赋予高程属性，转为*.dxf 格式导入CnGIM-ma 中，通过地质面建模流程，选择已知高程点作为“精确约束”条件，等高线为“模糊约束”条件，生成地表地形面；再根据需要导入地质图纹理、标志物等信息，并投影到建好的地形面上，得到赋有地质属性的地形面，图3a所示。

图3 花脑特矿区三维地质模型图Fig.3 Three-dimensional geological models of the Huanaote mining areaa-花脑特矿区Ⅰ号蚀变带地形面；b-花脑特矿区Ⅰ号蚀变带各主要地质界面；c-蚀变带与侵入岩体；d-蚀变带与板岩地层；1-地形面；2-蚀变带底板；3-蚀变带顶板；4-岩体侵入接触界面；5-断层；6-蚀变带；7-板岩；8-侵入岩体a-topographic surface of alteration zone No.I in Huanaote mining area；b-major geological interfaces of alteration zone No.I in Huanaote mining area；calteration zone and intrusive rock body；d-alteration zone and slate strata；1-terrain surface；2-bottom floor of alteration zone；3-alteration zone roof；4-contact interface of rock mass intrusion；5-fault；6-alteration zone；7-slate；8-intrusive rock mass

2.3 地质界面的构建

地质界面主要有地层界面、破碎蚀变带界面、断层面等。建模过程大致分为6步：（1）导入勘探数据；（2）导入或定义模型范围；（3）创建模型；（4）检验与修正；（5）物探解译资料校正；（6）优化与输出。

各地质面创建完成后，根据岩体侵入新老地层的交切关系，用后建层位对先建层位进行切割，删除多余部分，便得到所需的目标地质界面，依此重复操作，最终得到各地质单元的面模型，图3b所示。

2.4 三维地质面模型的封闭成体

根据实际条件确定建模范围，制作建模边界立方网，再与所建各地质体界面组合（呈交切关系），使用“单一封闭成体”功能，交切界面相互进行裁剪，形成各自封闭的地质体。本案例中，共形成了第四系覆盖层、蚀变带、蚀变带上盘断层东板岩、蚀变带上盘断层东花岗岩等11个封闭单元。

蚀变带中的矿体，在导入各地质界线时，可随勘探线剖面一并将矿体边界线导入三维空间中，利用“多个线创建面”命令来构建三维矿体。

实体模型旨在显示构建三维空间的地质体结构（如地层界线、断层、侵入接触面等），即几何模型（Lemon and Jones，2003；刘修国等，2006；张宝一等，2007）。各地质体几何建模全部完成后，可以对单个封闭地质单元进行三维展示，也可以同时显示多个单元体（图3c、3d）。

3 构造叠加晕三维模型的构建

构造叠加晕三维建模就是具有元素含量属性的三维建模，也叫三维属性建模。实际应用中最常见的是利用物探、化探成果数值进行空间数据插值，将计算得到的等值面获得地质体的三维形态。特点是数据的合理性主要取决于内部的数据插值算法，对复杂的各向异性变化显示效果较差，如建模数据规则完整，则可生成完美的属性模型。

在完成几何建模后，地质界面组合往往勾画出了地质单元的几何形态，地质单元体固有的特征和变化性则需要利用“充填”在该单元体内部的网格所携带的数据值表达，实现“形”（几何形态）、“魂”（地质体属性）兼具的目标，即为三维属性模型（吴立新等，2007；陈建平等，2011；Caumon et al.，2013；Hayward et al.，2013；黄岸烁，2021）。“形”和“魂”是地质体固有的两种属性，CnGIM-ma基于DSI理论的三维地质建模与分析系统能很好地实现对地质体“形”、“魂”的交互与融合。

3.1 属性建模数据

本次在花脑特矿区岩矿石样品采集来源包括：地表、钻孔和坑道。将获得的样品号、三维坐标、样品各元素分析结果一一对应，并导入三维空间中，得到带有元素含量属性功能的采样点三维空间点位图。

一般属性建模与几何建模的空间范围相同。本次采样主要集中在Ⅰ号蚀变带内，属性建模时利用Ⅰ号蚀变带的顶底板，分别对建模范围进行分区，得到三个子区，即蚀变带区、蚀变带顶板区、蚀变带底板区。将带属性的采样点元素含量按元素分别赋值给蚀变带区。赋值过程采用DSI离散光滑差值算法，得到单元素的三维异常形态（图4a、4b）。

图4 花脑特矿区构造叠加晕三维异常图Fig.4 Three-dimensional anomaly diagrams of structural superposition halos in the Huanaote mining areaa-Hg元素三维异常图；b-Ag元素三维异常图；c-前缘晕元素三维异常图；d-近矿晕元素三维异常图a-three-dimensional anomaly of Hg element；b-three-dimensional anomaly of Ag element；c-three-dimensional anomaly of leading edge halo elements；d-three-dimensional anomaly map of near-ore halo elements

3.2 综合异常三维展示

通过上述步骤得到的三维异常体，为单元素异常。异常元素的分带参数使用构造叠加晕特有的分带方法（李惠等，2011，2014，2015，2020，2021）。

在实际应用中，构造叠加晕通常用综合异常来显示，本案例中的前缘晕元素为Hg、B、Sb、As，如何将四个元素形成一个综合指标来判断矿体的前缘晕强弱，是一个复杂的过程。首先不同元素的含量差别巨大，一般存在2～3个数量级的差别，比如同样为前缘晕元素，As含量最高为142556×10-6，最低为18.9×10-6，平均为14274×10-6；B 含量最高为150×10-6，最低为0.84×10-6，平均为38.37×10-6；而Hg的含量比它们低三个数量级；其次不同矿山中，前缘晕元素对矿体的指示意义差别巨大，指示意义强弱不同，在综合指标中所占权重也不同。比如本项目中，Hg元素对矿体的指示效果最好（矿体的中上部，Hg表现出较好的异常，应该赋予较大权值）。

针对上述问题，通过对多种化探数据“标准化”方法的对比，最后采用“分带赋值法”，即：先将4 个前缘晕元素根据构造叠加晕分带方法，分为内、中、外3 个分带（表1），分别赋值3、2、1。再根据各元素指示意义强弱，将赋值乘以对应的权重系数，本案例中各前缘晕元素对应的权重系数为：Hg-0.6、B-0.2、Sb-0.1、As-0.1。再将各个元素最后的值相加，得到前缘晕的综合属性指标（表2）。最后，将该综合指标导入三维空间中，对蚀变带区域赋值，得到前缘晕综合异常模型（图4c）。类似的方法，也可得到近矿晕综合异常模型（图4d）。

表1 花脑特矿区Hg、B、Sb、As分带标准Table 1 Banding standard of Hg，B，Sb and As elements in the Huanaote mining area

表2 花脑特矿区前缘晕元素分带赋值计算表Table 2 Assignment calculation of halo elements in the Huanaote mining area

4 三维模型的应用

花脑特矿区主矿体位于Ⅰ号蚀变带77～47勘探线间，靠近岩体一侧，呈大脉状产出，走向稳定，长约1200 m，倾向延伸754 m，矿头埋深317 m。矿体赋存标高为658～22 m。矿体在标高300～350 m处最为厚大，达十几米，平均厚度为5.15 m。Ag 最高品位达2450×10-6，平均品位154×10-6。三维模型中矿体形态主要根据勘探线剖面图中矿体圈连而成，故上述特征与三维模型中矿体的空间展布及形态吻合较好，且与属性建模中主成矿元素Ag的异常中心对应也较好，从图4b 中可以看出，Ag 元素高值区对应标高为：550～200 m。

4.1 三维地质模型的应用

4.1.1 侵入接触界线的确定

Ⅰ号蚀变带西部的矿体与岩体侵入接触带关系密切，矿体品位高、厚度大的部位主要集中在侵入接触带靠岩体一侧，接触带上盘为二长花岗岩，下盘为板岩。从55 线到37 线，侵入接触界面的上部逐渐与Ⅰ号蚀变带分离，由北东倾变为向南东倾，且板岩与岩体的位置也出现了反转。37 线往东（37 线无钻孔控制），钻孔揭露的岩体与地层接触界面变得完全不同，接触界面依然北东倾，但倾角变得平缓，岩体位于下盘，板岩位于上盘。

将各地质界面在三维图中展示后可以直观看出，侵入接触界面在37 线附近发现了突变，突变使得两侧侵入接触面不连续。推测在37 线附近存在隐伏断层，二次解译该位置激电中梯扫面成果，进一步证实了断层的存在（图3a，红色位置为断层）。

研究认为，厚大矿体主要围绕岩体与地层的接触带寻找，三维建模后可更直观表达侵入接触界面与Ⅰ号蚀变带的空间关系，为矿山寻找有利成矿空间提供了直接依据。

4.1.2 “波形拟合”的应用

Ⅰ号蚀变带的300～350 m 标高，矿体品位高厚度大。在200 m 以下区域，有钻孔稀疏控制，虽局部见有高品位样品，但矿体变的极薄，甚至不满足最小开采厚度要求。

在多条钻孔剖面图上显示，岩体侵入地层，接触界面较缓的位置，矿体厚大，界面变陡，矿体变薄。通过三维地质建模，发现在57 线～51 线之间的200～0m 标高，侵入接触界面向岩体一侧凸起，界面变陡，推测此处成矿较差，0 m 标高以下，侵入接触界面有变缓趋势，推测这些位置为有利的成矿部位。根据“控矿断裂模拟找矿预测系统（波形拟合）”理论（白万成等，2011），首先，确定控制矿体的标志性地质界面，其次，明确界面的陡缓变化与成矿之间的关系，再通过三维地质建模，将该标志性地质界面拟合成型，最后在三维空间上寻找有利成矿部位。

综上所述，通过Ⅰ号蚀变带和岩体侵入接触带来确定有利成矿空间；再通过“控矿断裂模拟找矿预测系统”在有利成矿空间中找出相对更有利的成矿部位；最后根据“构造叠加晕盲矿预测准则（李惠等，2013，2016，2021）”来确定有利成矿部位是否有矿。

4.2 构造叠加晕三维模型的应用

花脑特矿区矿体的深部预测中Hg、B、Sb、As 是银多金属矿的前缘晕元素，Ag、Pb、Zn、Cu、In、Au 是银多金属矿体的近矿晕元素。

花脑特Ⅰ号蚀变带中各前缘晕元素对下部矿体的指示意义明显，尤其是Hg元素。根据前缘晕强准则（李惠等，2011，2013），当上部前缘晕出现中内带异常，并伴有Ag、Pb、Zn 等近矿晕异常时，下部即有可能成矿。下部矿体的埋深和规模，可根据上部已知矿体的无矿间隔和规模确定，同时参考成矿区带上临近矿体的特征。

根据花脑特Ⅰ号蚀变带的前缘晕、近矿晕三维综合异常，在已知矿体的深部，确定了两个有利成矿靶位（图5c、5d）。

图5 花脑特矿区三维模型的应用Fig.5 Application of three-dimensional models in the Huanaote mining areaa-花脑特矿区Ⅰ号蚀变带断层及两侧侵入接触界线；b-侵入接触界面的陡缓变化示意图；c-前缘晕综合异常靶位图；d-近矿晕综合异常靶位图a-intrusive contact boundary along the fault and both sides in No.I alteration zone of Huanaote；b-sketch showing abrupt and gentle changes of intrusive contact interface；c-comprehensive anomaly target of leading edge halo；d-comprehensive anomaly target of near-ore halo

5 结论

（1）三维地质建模不仅能直观展示地质体的三维形态，还能解决传统二维图件研究无法解决的问题。通过三维地质建模过程的分析和研究，推测在37 勘探线附近存在隐伏断层，通过建模直观展示了断层两侧侵入接触界面的展布特征；通过对比研究三维地质模型中侵入接触界面陡缓变化与矿体规模变化的关系，发现矿体赋存规律，可有效指导深部找矿工作，确定有利成矿部位。

（2）将地质体化学元素属性建模与构造叠加晕深部盲矿预测技术相结合，能很好地确定深部有利成矿部位是否有矿，从而预测深部盲矿靶区。

（3）根据Ⅰ号蚀变带和岩体侵入界面的关系，寻找有利成矿空间；再通过“控矿断裂模拟找矿预测系统”理论在有利成矿空间中确定有利成矿部位；最后根据构造叠加晕深部盲矿判定准则，将有利成矿部位升级为成矿靶位。经过上述过程，在Ⅰ号蚀变带已知矿体的下部，共预测了2个有利成矿靶区。

（4）本研究中，对于利用离散光滑插值算法来构建地质体化学元素的属性模型，缺乏与其他三维地质建模算法的对比研究，比如克里格法、三棱柱法等。另在属性建模中，未充分考虑化探元素晕的侧伏规律，对是否可以通过增加边界约束条件，更真实地显示元素晕的异常，需进一步研究；最后，对于前缘晕、近矿晕元素的综合量化表达，如何通过更先进的化探数据标准化过程，使综合异常表达更加准确，这些都有待进一步研究。