张夏林教授（简介附后）
贵州超大型锰矿集区的多尺度三维地质建模
张夏林1，吴冲龙1，周琦2，翁正平1，袁良军3，朱福康1，李章林1，张志庭1，杨炳南1,3，赵亚涛1
1 中国地质大学计算机学院
2 贵州省地质矿产勘查开发局
3 贵州省地质矿产勘查开发局103地质大队
导读：
多尺度三维地质建模可以直观而形象地研判成矿区域地质背景、矿田地质构造和矿床地质构造特征，为成矿预测的提供了新的手段。黔湘渝毗邻区的南华纪“大塘坡式”锰矿床，是中国最重要、资源潜力最大的锰矿床类型，近年来相继发现了4个超大型锰矿床，改变了我国锰矿石依赖进口的格局。
张夏林等利用三维地质建模方法分别构建了黔渝湘毗邻区的南华纪早期武陵次级裂谷盆地原型、古天然气渗漏沉积型锰矿田、松桃县大塘坡典型锰矿床等3个不同尺度的三维地质模型，科学地表达了该超大型锰矿独特成矿环境，揭示了成矿机理和赋存状况，为该类型的矿床研究和成矿预测提供了案例。
关键词：三维地质建模；超大型锰矿床；三维可视化；地质大数据。
1 贵州超大型锰矿床地质简况
开展矿床三维地质建模，目的是为了揭示矿床的地质结构、矿体形态、成矿环境和控矿要素等地质特征，以及所有这些地质特征的空间分布。因此，必须首先了解矿床的地质特征及其空间分布，然后才能进行正确的抽象、结构化和数字化建模。
1.1 区域地质概况
黔湘渝毗邻地区位于华南板块中扬子地块与华夏地块交界处，属江南造山带西南段。中-新元古代之间的格林威尔造山运动，使华夏地块与扬子地块连接而成统一的华南地块，且与东冈瓦纳古陆相连，导致Rodinia超大陆形成。进入新元古代以后，Rodinia超大陆开始裂解，引起了大规模的岩浆活动，华夏地块与扬子地块之间的南华裂谷作用开始，华南地块与Rodinia超大陆随之逐渐分离，裂陷中心位于现今的桂东-湘东-赣中-浙西一带。随后裂谷作用逐渐减弱，至加里东造山运动期间南华裂谷最终关闭。
在新元古代初期，由于南华裂谷基底的拉张作用，地处裂谷西部边缘的黔湘渝毗邻地区形成一系列NEE向次级裂陷盆地。区内南华系及同期“大塘坡式”锰矿床，在空间分布上明显受基底古断裂的控制，应是在南华裂谷形成过程中，发生于一系列次级裂陷小盆地中的古天然气渗漏事件的沉积产物。时间大致在662~667Ma。
区域内地层区划属华南地层大区扬子地层区，主要地层为中新元古界、下古生界和新生界。中新元古代地层分布广泛，出露有青白口系梵净山群、板溪群（下江群）、南华系和震旦系，下古生界包含寒武系、奥陶系，而新生界只见第四系。区内沉积期后的褶皱、断裂发育，形迹复杂，后期构造格架以一系列叠加在早期南华裂谷系之上的燕山期北北东向、北东向断裂、褶曲为骨干，控制着区内地层露头的现今分布。其中，燕山期的区域性褶皱，主要有梵净山穹状背斜、鸡公岭背斜、盘山背斜、猴子坳向斜和大塘坡向斜；与这些褶皱相伴随的燕山期区域性断裂，主要有走向NNE、倾向NWW的红石断裂、三阳断裂、杨立掌断裂、木耳断裂和水银厂断裂等。这些区域性断裂具有上陡下缓的正断层性质，与伴生的小型反向逆断层在深部汇合，并与上述褶皱一起构成复杂的重力滑脱构造。
成矿期（准同沉积期）的盆地原型的恢复，需要基于对成矿期后（后沉积期）构造格架的平衡反演，并利用平衡剖面的三维可视化建模技术来实现。
1.2 矿区与矿床地质概况
在矿床集中分布区，地层的分布状况与区域一致，大型和超大型矿床均分布于走向NEE的武陵次级裂谷（Ⅲ级裂陷盆地）中的杨家湾、道坨、大塘坡和西溪堡等4个Ⅳ断陷槽谷中。巨大的锰矿体赋存于南华系底部的大塘坡组底部黑色岩系——大塘坡组第一段中。而且，所有的矿体均呈现为NEE向的似透镜状。
南华系自下而上分为下统两界河组、铁丝坳组、大塘坡组和上统南沱组。据研究，两界河组和铁丝坳组的含砾砂岩相当于Sturtian冰期沉积，而南沱组的含砾砂岩相当于Marinoan冰期沉积，大塘坡组则属于2个冰期之间的间冰期沉积。
重点解剖的道坨大型隐伏矿床，发育于梵净山穹窿东北猴子坳向斜的Ⅳ级道坨裂陷槽中，其东侧为区域性木耳断裂，西侧为冷水断裂，表现出“构造控盆、盆控岩相、岩相控矿”的特点。同沉积期构造线呈现NEE走向，褶曲和断裂构造相对简单；后沉积期构造线则呈NNE向走向，褶曲和断裂构造相对复杂一些。成矿期（准同沉积期）构造格架与成矿期后（后沉积期）构造格架的叠加关系，以及成矿期后（后沉积期）构造格架对含矿岩系的可能影响和破坏，也有待进一步通过三维可视化建模技术来揭示。
锰矿体均产于下南华统大塘坡组第一段（Nhd）下部炭质页岩中，形态简单，呈层状、似层状缓倾斜产出，与围岩产状一致。其北西部矿体走向SE-NW，倾向SW，倾角3°〜15°；南东部矿体走向NE-SW向，倾向NW，倾角5°〜19°。其中，道坨矿区矿石的结构主要有泥晶结构、粉砂质结构，构造主要有条带状构造、块状构造、网脉状构造及气泡状构造。矿石自然类型为炭质页岩型原生碳酸锰矿石。根据矿石的结构构造，矿体可分为条带状菱锰矿矿体、块状菱锰矿矿体和含少量气泡状菱锰矿矿体。矿床的Mn品位由中心相区向外，经过渡相区到边缘相区逐渐降低，平均品位为19.92%。与此相应，菱锰矿矿石的构造类型也由条带状构造、转变为块状构造，再转变为含气泡状构造。
2 武陵次级裂谷原型结构三维重建
这是小比例尺的大尺度区域性概略三维构造地层-格架建模，目的是通过分析和重建黔渝湘毗邻地区锰成矿带所在的早南华纪武陵次级裂谷原型结构，揭示黔东锰矿集区及其中超大型锰矿床的成矿古构造环境和古沉积环境条件。
2.1建模数据的整理和预处理
重建黔渝湘毗邻区早南华纪武陵次级裂谷原型结构的关键，是根据勘探钻孔岩心和勘探剖面资料，进行平衡剖面分析、推理和计算，再利用基于知识驱动的系列剖面拓扑推理，恢复成矿期的古构造和沉积格架。其方法步骤是首先基于该区平面构造古地理图（图1），系统布置14条邻接的系列勘探剖面；然后结合现今地层和构造的空间结构和拓扑关系，进行推理和计算，对成锰期构造古地理精细恢复分析，识别恢复出Ⅲ级断陷盆地。编绘出14幅反映成矿期盆地原型的平衡剖面图（图2）。
图1 黔渝湘毗邻地区南华纪早期南华裂谷武陵次级裂谷的构造古地理图
图2 黔渝湘毗邻地区南华古裂谷武陵次级裂谷横向(NW向)地质平衡剖面图示意
这些地质平衡剖面图融合了该区相关地质资料，反映了武陵次级裂谷原型的结构。基于该系列平衡剖面，即可提取三维地质建模所需的空间数据集：第一步，从剖面图上提取建模所需的地层分界线、矿体分界线等空间数据；第二步，结合平面构造古地理图，通过坐标校正，将二维平衡剖面图转换为三维空间中的平衡剖面图；第三步，整理所获取的空间数据集，形成一系列三维建模的剖面数据文件。
2.2 建模方法、步骤与效果
基于系列地质平衡剖面的构造-地层格架建模，可采用层面建模方法。这种建模方法适用于大范围、地层连续性较好的区域三维地质建模，其关键步骤是正确地厘定建模区域的地层分层序列。层面建模法的工作流程如下：首先，根据从系列平衡剖面图上提取的离散点和地层分界线等空间数据，利用克里格法或者距离最小平方反比等插值方法，构建各个地层的分界面；接着，对出现上、下层面交错情况的地方，进行局部拓扑重构和校正；然后，依次利用地层上、下分界面构建每一个地层体，并逐一对所构建出来的地层体进行校验，清除零厚度位置的地层体；最后，以建模范围的地表边界线（可以是任意形状）围合而成的垂向面框，剪切所构建的三维地质模型，形成最终的三维模型。
黔渝湘毗邻地区南华纪早期武陵次级裂谷原型的三维地质模型如图3所示。该模型表达了武陵次级裂谷原型及其上覆震旦-寒武系的地质结构，自上而下是高台组-石冷水组、变马冲组-清虚洞组、九门冲组-杷榔组、陡山沱组、南沱组、大塘坡组二段、大塘坡组一段、铁丝坳组、两界河组和青白口系板溪群。次级断陷与断隆形态，由下而上先加剧而后消失。沉积厚度的差异变化分析表明，裂谷作用开始于南华系两界河组沉积期，至大塘坡组一段达到最大，随后逐步衰减，至南沱组沉积期末趋于结束。
图3 黔渝湘毗邻区南华纪早期武陵次级裂谷原型结构的三维地质模型
在南沱组之上的震旦-寒武系中，与次级断陷（地堑）和断隆（地垒）相应的位置上没有厚度差异，所表现出来的的层面弯曲，实际上是裂谷封闭后，上覆盖层差异压的结果。超大型锰矿床集中分布在武陵次级裂谷（Ⅱ级断陷）的松桃一石阡地堑（Ⅲ级断陷）中（图3红色所示），而各个矿床及矿体分别都处于各个Ⅳ级断陷中的大塘坡组一段底部。
值得指出的是，通过武陵次级裂谷盆地原型的三维建模，揭示了一组北西向深部基底构造带。该构造带与北东向裂谷近于正交，在大塘坡组含矿层位中的反映尤其明显。那些超大型锰矿床，就集中产出在南华裂谷Ⅲ级断陷槽与该北西向深部基底构造带交汇处（图4）。这种情况，得到了遥感、物探资料的佐证（图4），很好地解释了为什么不是整个裂谷带都有矿床产出的问题，为这类矿床的区域成矿预测提供重要启示。
图4 航磁上显示的北西向与北东向深部构造情况
3 黔东北锰矿田三维建模及可视化
为了揭示超大型锰矿床形成的具体古构造和古地理环境，以及矿床和矿体的空间分布，在图3所示的武陵次级裂谷原型三维地质模型范围中，圈定出成矿集中的高地-道坨锰矿田，进行矿田尺度的三维地质建模及应用研究。
3.1 建模数据的整理和预处理
在构建锰矿田三维模型时，需要搜集平面工程布置图（图5）、各钻孔岩心资料、各条勘探线剖面图和地质分析剖面图（图6），以及其他相关的原始地质资料。
图5 黔东北锰矿集区高地-道坨矿田平面图
图6 道坨矿床典型地质分析剖面图示意
该模型的构建使用的勘探剖面与武陵次级裂谷原型结构三维重建相同，但更为密集和细致，只是范围较小一些。对剖面图的处理分为四步：第一步，对勘探线剖面图进行分析和综合，从中提取出建模所需的地层边界线及矿体线等空间数据；第二步，将二维剖面图展布在三维空间中，结合工程平面分布图对其进行坐标校正，将二维剖面图转换为三维剖面图；第三步，从数据库中提取相应的属性数据；第四步，按照三维地质建模的需要，将所获取的空间数据集和属性数据集，转换成一系列备用的数据文件。
3.2 建模方法、步骤与效果
锰矿田的三维模型也属于构造-地层格架模型，但增加了矿体及其矿石相空间分布的表达。由于相邻剖面上矿体轮廓线框、地层分界线框之间的形态有很大差别，为了合理、准确地表达矿床和矿体在地层中的空间分布，需要在相邻剖面的线框之间添加控制线。因此，该锰矿田的三维模型构建，需要采用线框加控制线的建模方法。
基于线框-控制线法建模的流程如下：首先，逐一从勘探剖面数据文件中提取各套地层和矿体的轮廓线框，并根据空间位置及几何形态确定其在空间上的对应关系；第二，根据线框形态在相邻线框之间添加控制线，若线框几何形态差别过大，可考虑在两相邻线框之间添加过渡辅助线框；第三，根据原始线框及所添加的控制线，依次在相邻两个轮廓线框之间构建出侧面；第四，对边界上的两个线框进行封闭处理，处理方式包括直接封闭线框，或者按照一定比例对边界线框进行外推处理；第五，在完成侧面和边界面构建之后，形成一个封闭的空间，并基于这一系列封闭面完成模型的构建；第六，从数据库中提取品位、矿石结构构造和矿石相等属性数据，并采用随机模拟法嵌入格架模型中；第七，对模型的有效性和封闭性进行校验，得到最终的三维矿田地质模型。
该锰矿田的三维地质模型（图7），清楚地显示出锰矿床的中心相、过渡相和边缘相分布及透镜体形态特征，对该地区成矿理论作出了很好的诠释。
图7 高地-道坨锰矿田矿床(上)及南华系围岩(下)的三维地质模型
4 锰矿床的高精度全要素三维地质建模
为了更进一步解剖、揭示和表达黔东北超大型锰矿床的矿床特征、矿体形态、控矿要素及其后期构造叠加改造状况，本文在图7所示的高地-道坨锰矿田矿床三维模型范围内选择成矿最为集中的高地-道坨超大型锰矿床为例，探索基于详实勘探资料开展高精度、全要素的矿床三维地质模型构建方法。
4.1 建模数据的整理和预处理
所采用的建模数据包括道坨矿区及邻区的钻孔岩心描述、钻孔柱状图、矿区地形地质图、勘探工程平面分布图（图8）和16幅勘探线剖面（图9）。
图8 矿区平面布置图以及建模范围（红色线框圈定范围，据贵州省103地质队资料）
图9 矿区实测勘探线剖面图（据贵州省103地质队）
首先，从已经建立的勘查区各类数据库中，提取相应空间数据集和属性数据集，进行清洗、坐标校正和抽取，装载到矿床三维地质建模主题的数据集市中的各信息表中。其中包括钻孔综合信息表、钻孔岩心信息表、钻孔样品分析成果表、钻孔地层分层信息表、勘探线信息表、勘探线剖面信息表、矿区地形地质图信息表和矿床（矿体信息表）。
4.2 典型矿床建模方法、步骤与效果
本文的典型锰矿床高精度全要素三维地质建模，是采用基于TIN-CPG混合数据结构和知识驱动的系列剖面拓扑推理，并且与层面剪切建模法相结合来实现的。之所以如此，是由于多期次构造叠加把南华古裂谷改造成为面目全非的残留盆地，使得本来结构较为简单的锰矿床变得十分复杂，连矿床的空间展布方向都难以直观地识别。因此，在进行矿床三维地质建模时，需要引入知识驱动的思想。同时，为了快速、准确地构建矿床的构造一地层格架模型，需要采用三角网（TIN）三维数据结构，为了精细刻画矿床和矿体的各种属性特征，需要采用角点网格（CPG）三维数据结构，而TIN-CPG混合数据结构集中地体现了TIN数据结构和CPG数据结构的优势，因此也就成为本文首选的三维数据结构。
建模的过程大致如下：首先确定需要建模的区域的范围，再利用简化的系列剖面构建出一个简单的框架模型，可称之为“概略三维地质体”，然后基于知识驱动的系列剖面拓扑推理与层面建模结合的方法，从主题数据集市中提取、组织并导入详细的钻孔、样品、剖面和地形等三维模型数据集，基于TIN数据结构分别构建矿区地表模型和地下地质实体（格架+属性）模型，并将其转换为TIN-CPG混合数据结构模型；最后，把地表模型与地下模型套合起来，成为地上地下一体化的矿床三维地质模型。
在进行各个地质分界面（地表面、各地层分界面、岩浆侵入界面、各断层等构造界面等）模型构建时，对于剖面间的点状、线状和面状数据等，利用克里格法或者最小距离平方反比等插值方法进行内插或外推。在建立各个地质分界面模型后，再利用层面剪切建模法使之成为地下三维地质模型。在进行地表模型与地下模型套合时，可先在地表模型上叠加遥感影像及其他等各类地表信息，然后用地表面模型（曲面）去剪切地下模型的方式，使之成为地下模型的顶部表面。之后，按照一定的顺序（各地质单元产生的先后顺序），用地质界面（曲面）依次剪切“概略三维地质体”，同时给每个层位赋予相应的地质属性和代号。于是，最初的“概略三维地质体”经过各个地质分界面反复切割，便成为复杂的空间格架与属性融合的三维地质实体模型。进而，对所建立的模型进行检查、验证，对不符合实际情况的部分进行交互修正。最后，以地表三维模型的边框为准，对整个矿床三维地质模型进行边界裁剪成型。
所获得的道坨超大型锰矿床地上-地下一体化三维模型（图10），与图6所示的概念性剖面基础上建立的图7所示的矿田级别的三维模型相比，依据准确勘探数据建立的该精细定量模型在细节上能更清晰的展示典型矿床的产出特征，可以形象地表达了矿体的三维空间分布状况、矿体与围岩之间的叠覆关系、燕山期形成的典型“W”型铲式重力滑脱构造的空间形态，以及该重力滑脱构造系统对地层及矿体的交切关系。矿区内的南华系、震旦和寒武系的多期次变形，在该模型中也有显著的体现。该模型的建立使对该类矿床成矿模式的认识从定性上升到定量。
图10 黔东北地区道坨超大型锰矿床的三维地质模型
5 结论
本文以超大型锰矿为例，探讨并尝试对矿集区、矿田和矿床开展多尺度建模方法。不同的三维地质模型有不同的用途、不同的精细程度和不同的构建方法。其中，中小比例尺（较大尺度）的黔渝湘毗邻地区南华纪早期武陵次级裂谷原型三维构造-地层格架模型，概略地再现了该锰矿矿集区及超大型锰矿床形成时的区域构造古地理环境；中比例尺(中等尺度)的高地-道坨矿田的构造-地层格架与矿床属性一体化三维地质模型，表达了超大型锰矿床形成时的具体古构造和古地理环境，以及矿床和矿体的空间分布状况；大比例尺的道坨超大型锰矿床高精度全要素三维地质模型，揭示了该矿床的结构特征、矿体形态、控矿要素及其后期构造叠加改造状况。显然，通过3个不同尺度的三维地质模型构建，能从不同的层次上揭示该超大型锰矿床的独特成矿环境、空间特征和改造历程，有助于认识该矿床的成矿机制、赋存状况和分布规律，从而可为这类矿床的深部及外围预测提供直接依据。同时，还可以为今后的三维成矿预测，提供一个可视化的大数据载体和参数分析平台。
来源：张夏林，吴冲龙，周琦，等，2020.贵州超大型锰矿集区的多尺度三维地质建模.地球科学，45（2）:634-644.
-------------张夏林简介-------------
张夏林，博士，教授，中国地质大学（武汉）计算学院计算机应用系主任。武汉市“3551光谷人才计划”专项资金获得者。自然资源部基岩区矿产资源勘查工程技术创新中心副主任，智慧地质资源环境技术湖北省工程研究中心副主任。主要从事地质信息系统开发、三维矿业软件开发与应用、空间信息与数字技术相关研究工作。负责“固体矿产勘查与开发信息系统 QuantyPES”、“三维数字铀矿勘查系统QuantyU”、“数字矿山系统QuantyMine”、“长江水文泥沙信息分析管理系统”、“湖北省矿政三维管理信息化系统（一张图管矿）”等软件系统的研发和应用，在三维信息系统，数字勘查，数字矿山，三维地质建模等方面做了较多的软件开发与工程应用。作为第一发明人获得国家发明专利授权12项；发表学术论文60余篇，参编教材2部。曾获湖北省科技进步一等奖1次、湖北省科技进步二等奖
2次。
来源：覆盖区找矿公众号
图9 矿区实测勘探线剖面图（据贵州省103地质队） 
