1.   引言

北衙超大型斑岩-矽卡岩型金多金属矿床（以下简称北衙金矿）位于青藏高原东南缘巨型构造-岩浆成矿带中南缘，金属资源丰富，成矿地质条件复杂。自20世纪90年代以来，随着矿床中金元素的发现，北衙金矿规模逐渐扩大，由中型→大型→超大型，成为了国内研究造山型金矿的热点区域。前人从流体包裹体（Liu et al, . 2018）、成矿流体（Bao et al., 2018）、微量元素、成矿过程（Sun et al., 2017; Wang et al., 2018）、成矿规律(Mao et al., 2017; Zhou et al., 2018)和成矿潜力（曾琴琴等，2012；杨剑等, 2014, 2015；王明志等，2016）等方面做了大量研究，从各个角度深入解析了北衙金矿。但是前人的研究工作主要集中在浅部（高程1700 m之上），对于深部地质特征和控矿条件研究较少（和文言等，2012）。

近年来，随着三维建模技术(Houlding, 1993)的推广和应用，北衙金矿也开启了矿山三维数字化的进程。矿山先后建立了万硐山岩体和矿体品位模型，成都地质调查中心建立了整个北衙区域的三维地质模型（王鹏等，2015）。但是，二者建立三维模型都存在不足，对所获模型研究也不够深入，如：（1）北衙矿区地下1000 m以浅三维地质模型可视化程度不够；（2）获得三维模型面都存在尺度较大，模型面精细度不够；（3）深部地层−构造−岩体−矿体耦合关系不清晰；（4）没有利用所建模型，对深部地质体空间耦合关系、品位特征与成矿成岩规律之间关系进行探讨。因此，有必要建立新的北衙金矿深部三维地质模型，对上述问题展开研究和探讨。

本研究以北衙金矿万硐山矿段1000 m以浅地质体为研究对象，通过收集北衙金矿万硐山矿段地质、化探和钻孔资料，在SKUA-GOCAD平台建立了万硐山矿段三维地质精细模型。依据模型开展了资源量评估、深部隐伏断裂圈定和成矿成岩过程的探讨，以期为深部和外围找矿突破提供地质依据和指导。

2.   研究区域地质背景

北衙金矿位于“三江”地区德格—中甸陆块、巴颜喀拉—扬子陆块与昌都—思茅陆块3个Ⅰ级构造单元结合部东侧的扬子陆块西缘（董黎阳等，2013）（图 1）。三级构造单元为NNW向金沙江红河断裂、NE向宾川—程海断裂及NE向丽江—木里断裂为边界所夹持的盐源—丽江陆缘裂谷盆地和褶冲、仰冲相带（潘桂棠等，2003；尹福光等，2006）。区内构造、岩浆活动十分强烈，发育一系列近SN向叠瓦状逆冲断层、近SN向开阔褶皱、近SN向走滑断层及其控制的拉分盆地，区内斑岩体受SN向走滑断层和正断层控制。

图  1  北衙金矿大地构造位置（据Wang et al., 2014修改）

AK—阿尼玛卿—昆仑缝合带; JS—金沙江缝合带; LS—澜沧江缝合带; BNS—班公湖—怒江缝合带; IYZ—印度—雅鲁缝合带

Figure  1.  Tectonic location of Beiya gold-polymetallic deposit (modified from Wang et al., 2014)

AK-Anemaqen-Kunlun suture zone; JS-Jinsha River suture zone; LS-Lancang River suture zone; BNS-Bangong-Nujiang suture zone; IYZIndus-Yarlung suture zone

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矿区内出露二叠纪、三叠纪、古近—新近纪和第四纪等时代地层（图 2）。三叠系北衙组（T₂b）灰岩和白云岩是主要的容矿地层。北衙组中白云岩普遍存在强烈的碳酸盐化蚀变、褐铁矿化特征，形成土褐、土黄色砂糖状褪色蚀变岩石，而灰岩多有大理岩化，局部发育大理岩、矽卡岩及磁铁矿化现象。万硐山矿段中与成矿作用紧密相关的是喜山期富碱二长花岗斑岩，是成矿的赋矿岩石（肖晓牛，2009；王建华等，2015），空间上与构造和矿体呈明显的耦合性。富碱斑岩主要顺SN向控矿断裂发育，呈现出多期次、多阶段混熔侵入特征，并沿破矿断裂方向穿插填充煌斑岩、黑云二长花岗斑岩脉。与成矿相关的富碱斑岩由两期岩浆作用形成，构成了万硐山斑岩体主体，宏观上表现为晚期的灰色二长花岗斑岩呈火焰状穿插于早期的黄褐色二长花岗斑岩内。

图  2  北衙金矿地质简图（据和文言等，2012修改）

Figure  2.  Simplified geological map of Beiya gold-polymetallic deposit (modified from He et al., 2012)

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北衙金矿由富碱斑岩-热液型、接触交代型和表生成矿型矿床组合而成，接触交代成矿作用和热液成矿作用为最主要的成矿作用（徐兴旺等，2007；和文言，2012）。矿体主要受断裂和岩体控制，存在于在围岩蚀变带、斑岩脉体边部的陡缓过渡处、围岩裂隙和层间破碎带中，呈层状、似层状、透镜状、脉状和囊状产出。主要赋矿层位为三营组砂砾岩层、北衙组白云岩和灰岩层。已发现矿体的有万硐山、红泥塘、桅杆坡、金沟坝、炉坪等矿段，目前进入露天开采阶段的只有万硐山矿段。万硐山矿段已揭露矿体400多个，其中规模矿体16个，占北衙金矿资源量50%以上，且岩石露头全面，地质现象丰富，深部地层直接出露，还有前期大量钻孔、地球物理和地球化学数据支撑。因此，对万硐山矿段详尽、适时的调查和研究可以更加有效地指导矿区外围及深部的找矿工作。

3.   万硐山矿段三维地质模型

目前国际上流行的三维建模软件有Petrel、Surpac、Micromine、Dimine、GOCAD等。Petrel在石油工业中使用较多，Surpac、Micromine在矿山应用较多。SKUA-GOCAD兼具上述软件优点，其流程化建模功能、复杂构造模拟能力和多尺度资料融合能力，具有适用范围广、兼容性好、建模速度快、模块化、复杂三维模型精度高、真三维、强大的地质统计学和数值模拟手段丰富等优点，使其成为少数既能用于石油工业还能适应矿山建模的真三维建模平台。在石油行业、矿业、地质力学、地热、地下水等领域应用广泛，得到了超过100所大学和研究机构的认可。因此，选定GOCAD软件作为本次工作的三维建模软件。

3.1   地层构造面模型

地层构造模型是基于数字高程数据（DEM）、勘探线剖面图和地质图地质界限3类数据构建。

DEM数据和地质图界限数据用于构建地表地形、第四系和断裂系统。大致思路为：首先，导入DEM数据，保留建模范围内高程点；然后，通过构造流程建模（Structual modeling workflow，简称SMW）生成地表地形图，并将地层界限投影到地表地形图上，切割出第四系形态；最后，移动第四系面至区域内第四系平均厚度，并设置第四系钻孔分层数据对其进行约束插值（Discrete Smooth Interpolation，简称DSI插值）。三维断层面模型则根据断层在地表的延伸和产状，计算深部延伸方向，使用Curves and expansion vector功能建立。

勘探线剖面图用于建立地下地层面模型，包括北衙组四段(T₂b⁴)、北衙组三段(T₂b³)、北衙组二段(T₂b²)、北衙组一段(T₂b¹)和青天堡组(T₁q)。大致流程如下：首先，数字化勘探线剖面图中地层界线；然后，在构造建模流程中，直接生成地层界面模型；最后，设置钻孔分层数据对地层界面进行约束插值。

在完成所有单个面模型构建后，再将其组合起来，就构成了所有地层的面模型（图 3）。

图  3  万硐山矿区地层界面模型

Q—第四系；T₂b⁴—北衙组四段；T₂b³—北衙组三段；T₂b²—北衙组二段；T₂b¹—北衙组一段；T₁q—青天组

Figure  3.  3D geological stratum surface model of Wandongshan

Q-Quaternary; T₂b⁴-Section 4 of Beiya Formation; T₂b³-Section 3 of Beiya Formation; T₂b²-Section 2 of Beiya Formation; T₂b¹-Section 1 of Beiya Formation; T₁qQingtianbao Formation

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3.2   岩体面模型

侵入岩岩体形态和延伸复杂，目前对于这类复杂岩体并没有比较快速或者流程化的建模方法。本文采用相对精确的“切片法”（吴志春等，2016），对岩体开展建模工作。大致思路如下：（1）首先数字化所获勘探线剖面图岩体边界线，然后沿岩体延伸方向建立一系列水平切片；（2）提取水平切片与岩体边界线的交点，将二者交点用线连接成一个完整的封闭折线；（3）将上一步获得封闭曲线的节点设置为控制点（control node），加密封闭曲线（densify），选择DSI算法插值；（4）将插值获得光滑封闭曲线依次按照岩体延伸方向连接（由线生成面功能），形成岩体初始界面；（5）用数字化岩体界限，对初始岩体界面进行约束和插值，使其形成光滑曲面，完成建模工作。

由于万硐山富碱斑岩体形态非常复杂，南北岩体形态差异较大（呈“南墙北颈”状），分支岩体也较多，在建模时采用南部和北部分开建模，主岩体和分支岩体分开建模，然后再拼接组合成完整岩体的方法建立岩体面模型（图 4）。

图  4  富碱斑岩体面模型（蓝色到红色代表海拔由低到高）

Figure  4.  Surface model of alkali-rich porphyry intrusions in Wandongshan (Blue to red represent altitude from low to high)

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3.3   矿体面模型

贵金属矿体边界主要是根据工业参考指标所规定的边界品位和夹石厚度来确定，实际矿山应用中，矿体形态是由相邻钻孔化探结果所圈定。但是钻孔往往无法完全揭露矿体在地下的形态，因此，在三维建模时还需要按照一定连接规则处理矿体的分支和尖灭（张宝一等，2007）。本研究基于勘探线剖面图，提出了一种采用先勾划整体矿体轮廓，然后生成矿体上下面（左右面），最后对上下面（左右面）设置约束条件插值（DSI插值）建立矿体面模型的方法。具体建模思路如图 5：①首先数字化勘探线剖面图中矿体，得到矿体边界线，并根据数字化圈定边界，勾勒整个矿体边界轮廓线；②③处理分支矿体和矿体边界，使其符合矿体尖灭规则；④将矿体南北边界尖灭处理到最后南（北）矿体边界中部；⑤将矿体线分为上下两部分（或左右）为后续插值准备上下约束条件（或左右）；⑥对上下约束线和矿体轮廓线进行加密和平滑处理；⑦由封闭线直接生成面功能，生成用于插值的上顶面和下底面；⑧将第五步获得上下部约束线，分别设置为上下面约束线后插值，组合上下面完成模型构建。

图  5  矿体建模流程

Figure  5.  Workflow of ore body modelling

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在万硐山矿段全部规模矿体中进行了实践，取得了较好效果（图 6）。

图  6  万硐山矿体面模型（俯视图）

Figure  6.  Surface model of ore body in Wandongshan (top view)

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3.4   体模型（Sgrid）

体模型是三维实体模型的简称，由规定大小六面实体块组成，也称为块段模型，主要用来进行属性分析和数值模拟。本次建模在流程外进行，因此选择流程外建立体模型（Sgrid）方法建立万硐山矿段的体模型。

地层−构造−岩体体模型建模思路分为3步：（1）根据Sgrid-From objects Box功能生成包含6个地层单元和岩体单元的体模型，设置地表为体模型顶面；（2）运用Sgrid-Conformable功能使模型中面与面之间网格形状符合地层形状；（3）由封闭地层界面和岩体面对体模型进行分区（Regions），并赋予不同颜色（图 7），完成地层−构造−岩体体模型构建。

图  7  万硐山地层三维实体模型（a）和青天堡组实体模型（b）

Q—第四系；T₂b⁴—北衙组四段；T₂b³—北衙组三段；T₂b²—北衙组二段；T₂b¹—北衙组一段；T₁q—青天堡组

Figure  7.  Sgrid of stratum in Wandongshan (a) and Qingtianbao Formation (b)

Q-Quaternary; T₂b⁴-Section 4 of Beiya Formation; T₂b³-Section 3 of Beiya Formation; T₂b²-Section 2 of Beiya Formation; T₂b¹-Section 1 of Beiya Formation; T₁q-Qingtianbao Formation

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矿体体模型建模思路分为两步：（1）通过SgridFrom Step vectors功能生成矿体体模型，设置地表面为模型顶面；（2）利用建立的封闭矿体面对体模型进行分区（Regions），完成矿体体模型构建（图 9）。矿体体模型要用于后期品位插值，对六面体方块规格有要求。由于万硐山矿段部分金矿体厚度最小处 < 1 m，为减少品位均化带来的影响，垂向上选择1 m为六面体方块高。水平方向上，为增加体积精确性，选择4 m×4 m为六面体长和宽。本次工作共建立4422961个单元块，体积7.08×10⁷ m³。

图  8  实验半变异函数拟合结果

Figure  8.  Experimental semi-variograms fitting result

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图  9  万硐山矿体金品位模型（蓝色→红色代表金品位（g/t）由低值到高值）

Figure  9.  Au-grade model of Wandongshan ore body (Blue→red represents gold grade (g/t) from low value to high value)

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3.5   品位模型

品位建模是在矿体体模型基础上，选择合适的空间插值法，根据既有钻孔化验数据、探槽数据和化探数据，推测矿体未知区域品位值的一种方法。本次工作共计使用46404个金化验数据，通过限制特高值（取7 g/t），建立半变异函数（图 8）和搜索椭圆(表 1)，选择普通克里金插值法（Ordinary Kriging）建立了万硐山矿体金品位模型（图 9）。

表  1  半变异函数嵌套模型（搜索椭圆）相关参数

Table  1.  Parameters of semi-variogram nested model

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品位插值结果显示，万硐山矿体金品位最高值8.11 g/t，中位值0.87 g/t，平均值1.14 g/t，方差0.89。其中，平均品位低于矿山勘查报告金元素平均品位，这种差异是因为插值过程中产生了较多低于边界品位的值，从而拉低了矿床的品位值（孙玉建，2008），但是总体金属量与矿山报告相差不大。

4.   三维地质模型在北衙金矿中的应用

4.1   实现地下深部的可视化

三维地质模型一个主要应用就是可视化，是后续一切应用的基础。其不仅可以展示说明地下复杂地质体形状，还能实现地质演化过程的动态演示，对于地质人员理解复杂地质现象，探索深部地质条件，总结深部地质规律有很大帮助。

4.2   储量快速估算

资源量计算公式为：金属量（g）=品位（g/t）×体积（m³）×体重（t/m³），其中品位模型已生成，体积可以在GOCAD中根据三维块段个数计算，体重分为地表表生矿体和接触交代型-热液脉型矿体两类。表生矿体体重取2 t/m³（蔡新平等，2001），接触交代型和热液脉型矿体体重取氧化矿石（体重约为2.81 t/m³）与原生矿石（如磁铁矿、黄铁矿、矽卡岩矿石、灰岩型矿石、石英正长斑岩矿石平均体重约为3.50 t/m³）的平均值3.15 t/m³。万硐山矿区金资源量评估结果见表 2。

表  2  万硐山矿区金资源量计算结果

Table  2.  Reserve assessment result of Wandongshan ore block

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北衙金矿2013年设计报告显示，2014年前累计资源量（111b+122b+331+332+333）为227484 kg。本次计算以2014年前勘探线剖面图数字化矿体为基础，得出金资源量为246425 kg，与矿山结果相差在10%以内（8%），验证了所建矿体三维模型的准确性。

4.3   空间耦合关系揭示隐伏断裂和成矿过程

本次工作通过提取金品位模型中高品位值体（大于4 g/t）来分析矿体−断裂−岩体之间的空间耦合关系（图 10）。

图  10  断裂(a)、岩体(b)(70%透明度)与金高品位体(品位 > 4 g/t)的关系

Figure  10.  Spatial coupling relationship between fault plane (a), intrusions (b) (70% transparency) and Au high grade sgrid

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高品位体（品位 > 4 g/t）在模型中围绕岩体呈直角三角状发育（图 10），三边高品位体发育不均，规模差距较大。C边（方位40°）高品位体规模最大，矿体连续性最好，且与A边近于垂直；A边（方位130°）规模和矿体连续性次之，B边规模和连续性最小（方位0°）；A、B边经过主控矿断裂和破矿断裂，离主富碱斑岩体较近，C边无断裂经过，离富碱斑岩体相对也较远。

北衙金矿形成于喜马拉雅中期印度—欧亚板块持续汇聚和SN向挤压的同碰撞造山构造环境中（侯增谦和王二七，2008; 王鹏等，2015），属于典型斑岩-矽卡岩型矿床，成矿作用主要集中在侵入体-碳酸盐接触带和断裂带中（陈衍景等，1996）。高品位体A、B边正好沿已知断裂延伸，剩下的高品位三角体C边既无地表断裂经过（图 10a），也离富碱斑岩体较远（图 10b）。结合万硐山构造控矿的特征（刘飞等，2015），唯一合理的解释是沿高品位C边可能存在一条隐伏深大断裂（方位40°）。另一方面，A、B边虽然离富碱岩体更近，也有断裂经过，但是金高品位体规模和连续性都与C边相差甚远。说明经过C边的隐伏深大断裂可能比经过A、B边的断裂规模更大，形成的时间更早，所以高品位体越多，矿体越厚。据此划分沿三边的成矿潜力如下：C边（40°）方向为高品位值体发育最好、最连续方向，其深部找矿前景最好；A边（130°）方向为后期破矿断裂发育方向，成矿潜力次之；B边（90°）方向高品位发育最差，连续性也最不好，这个方向可能断裂延伸并不深，因此成矿潜力最差。

结合前文成矿阶段分析，总结万硐山金矿成矿过程如下：含矿流体从深部和浅部分离析出，并以富碱斑岩体为中心向外迁移，迁移过程中发生接触交代和热液成矿作用，在接触部位和断裂带等有利成矿带中形成矿体。北西向次级断裂和北东隐伏深大断裂由于压力骤降更加富集金，这种富集方式比围岩接触带上热液蚀变交代成矿作用更强更快，从而使高品位体在距离岩体一定距离的断裂中连续发育。

5.   结论

本研究通过收集滇西北衙金矿钻孔、探槽、勘探线剖面图、地形地质（DEM）等数据，采用国际主流三维建模软件SKUA-GOCAD，建立了北衙金矿重点成矿区—万硐山矿段三维可视化模型，并对其应用进行了探讨，得出以下认识：

（1）“切片法”虽能建立复杂构造精细模型，但人工修改量大，不适合大范围复杂地质体建模。本文提出的“双面法”能快速准确地建立矿体三维模型，对于复杂贵金属矿体建模有较好效果。

（2）估算出万硐山矿段金资源量约为246 t，与矿山普查报告误差约8%，验证了所建矿体三维模型的准确性。

（3）通过品位模型高值体（品位 > 4 g/t）分布规律研究，认为万硐山矿段40°方向沿品位高值体存在一条隐伏深大断裂，为深部找矿有利方向。金元素不仅在岩体与碳酸盐接触蚀变带中富集，也在距离岩体一定距离的隐伏断裂中富集。