在三维建模及定量预测的基础上,利用数值模拟开展成矿过程研究,通过数值模拟获取可用于隐伏矿预测的参数,据此建立一套完整的基于矿床学成矿过程研究和矿产勘查学综合信息找矿研究的隐伏矿双向预测评价方法和流程。结合甘肃以地南金矿探讨大比例尺隐伏矿体三维地质建模过程、三维定量预测、成矿过程数值模拟和双向预测评价的方法体系。采用三维定量预测理论和数值模拟双向预测的方法在示范区综合圈定7个预测靶区,在三维定量预测评价过程中分别采用证据权重和信息量的方法计算单元块体的找矿概率,在成矿过程数值模拟过程中分别利用块体的空隙压力值(pp值)和体积应变值(vsr值)圈定有利成矿部位。应用实例表明采用基于成矿过程数值模拟的隐伏矿双向预测方法开展深部隐伏矿的预测评价可有效降低矿产预测过程中的不确定性,实现对矿产资源的“定位-定量-定概率”预测评价。

矿床的原生晕通常形成在矿体周围,与蚀变矿物和矿石矿物同时形成。矿床原生晕的分带规律能够提供较为准确的找矿目标。一些金属矿床的原生晕具有示踪隐伏矿体的作用,从而为探测深埋矿体提供了重要的线索。老厂大型锡多金属矿床是个旧巨型锡多金属矿床的重要组成部分,以广泛发育夕卡岩化矿化为其特征。根据其空间分布夕卡岩矿化可分为两类:内夕卡岩矿化和外夕卡岩矿化。前者发生在侵入体内蚀变带,后者主要形成于侵入体附近的蚀变碳酸盐岩中。它们在地球化学特征上有以下异同:(1)内夕卡岩和外夕卡岩矿体的轴向分带序列(从矿体的头部到尾部)分别为Ag-As-Bi-Cu-F-Pb-Sn-Zn-B→Ba-Co-Cr-Ni-Sb-V→Be-Mo-W和F-B-Ba-W→Cu-Sb-Be-Cr→Sn-Pb-Zn-Ni-Ag→Co-Mo-Bi-As。这表明异常元素的种类具有高度一致性,但轴向分带序列存在很大差异。(2)统计分析表明内夕卡岩矿化具有三种主要成矿元素组合:(a)As-B-Be-Co-Sn组合代表发育在花岗岩内蚀变带的云英岩化有关的锡石-硫化物-电气石蚀变矿化组合;(b)Mo-W代表与高温夕卡岩化相关的辉钼矿-白钨矿矿化组合;(c)Ag-Pb-Cu-Zn代表后期叠加于内蚀变带角银矿-方铅矿-闪锌矿-黄铜矿矿化组合。(3)外夕卡岩矿化也具有三种主要成矿元素组合:(a)Ag-Bi-Sn-Cu代表发育在外夕卡岩带角银矿-辉铋矿-黄锡矿(锡石)-黄铜矿中低温矿化组合;(b)As-Zn-Pb代表发育在外夕卡岩带毒砂-闪锌矿-方铅矿中温硫化物组合;(c)F-Be-W-Mo代表靠近侵入体一侧萤石-绿柱石-白钨矿-辉钼矿高温矿化组合。上述表明矿化具有多期多阶段特点。最后,在原生晕轴向分带序列的基础上,分别建立了内、外夕卡岩带深部矿体预测模型,为深部成矿预测提供强有力工具。

成矿过程是一个复杂的物理化学过程,由于地质自身的不确定性、原始数据采集和处理的不当、预测方法中经验参数的不确定性等多重因素的叠加,造成矿产资源定量预测结果中潜在大量不确定性。在科学认识这些不确定性的基础上,如何降低不确定性是预测评价研究的一个重要方向。以地质异常理论和成矿动力学为指导,双向预测评价方法是降低地质异常分析中不确定性的有效途径,该方法具体包括基于矿床成因模型的成矿模拟和基于找矿模型与勘查数据相结合的模型驱动预测。前者作为研究成矿地质演化过程、探讨成矿动力学机制的定量化方法之一,可以直观展示成矿过程内部物理化学变化。作为对致矿地质异常分析的有效手段,通过将成矿过程抽象为不受时空间限制的可迭代计算的偏微分方程组,可实现定量化描述复杂成矿动态过程并预测成矿有利部位。通过挖掘成矿有利信息,分析地质变量并赋值,为预测模型提供大量的定量化预测变量和特征值,是矿产资源定量预测评价的一个最具潜力的发展方向。后者以勘查学为指导的矿化异常分析,从矿致地质异常的角度开展定量预测,减少了单一成矿有利信息的多解性并降低了预测结果的不确定性。该技术手段是依托空间数据库、地质统计学和地理信息系统空间分析技术支撑,以三维地质体模型的建立为基础,以分析成矿规律并建立找矿模型为核心工作内容,以证据权、找矿信息量等数学方法为工具,统计分析研究区内各地质要素单元的分布情况来探讨各地质要素对矿产预测的影响,最终实现基于“立方体预测模型”的定位、定量和定概率的隐伏矿体三维预测目标。以上方法从两种不同的地质角度和定量化理念创新性地实现了双向联合预测评价,两种技术手段的融合作为综合圈定“5P”找矿地段的数学地质方法,其作用和价值是相互补充并有机结合的。通过文中方法介绍和应用实例的研究成果,可以明确该方法确实提高了矿产资源定量预测评价的预测精度,一定程度上降低了预测的不确定性,整体上推动了地球科学研究由定性描述向定量化自然科学的转变。

21世纪地球科学的“第四范式”与第四工业时代以及5G+智能通信为矿业开发与环境防护的关联研究提供了新契机。以地球动力学背景、成矿过程、定量评价“三位一体”的地学理论为基础,以栾川矿集区为例,运用地学大数据(多维多尺度的地质、地球物理、地球化学、高光谱与高分辨率遥感(多时相)以及实时矿业等数据)的深层次人工智能挖掘和三维/四维多学科多参数多尺度建模技术平台,开展矿集区至矿床多尺度的三维地质模型、成矿过程模型和定量勘查模型构建及其资源的定量预测评价,旨在实现数字矿山的高精度三维地质(岩石、构造、水文、土壤等)环境保护和资源综合开发利用的动态评价,为研究区矿产资源与矿山环境可持续发展提供科学依据。研究结果概述如下:(1)地球科学大数据关联矿集区资源预测评价。利用三维地质建模、地质-地球物理正反演解译、地球化学与遥感等地学数据深层次挖掘,结合自主研发GeoCube2.0集成软件,实现了栾川矿集区(500 km²,深部2.5 km)的深部靶区优选和矿产资源综合评价,Mo资源量650万t,W资源量150万t, Pb-Zn-Ag累计具有500万t资源量。(2)地质、矿床与勘探的三维地学建模关联矿山环境。南泥湖—三道庄—上房矿山露采场与骆驼山深部巷道勘探与采矿的资料表明,区域NW向的斑岩夕卡岩型矿床与矿体与地下水空间关联度不高,而成矿期后通常具有张性或张扭性特征的NE向断裂是地下水运移的通道;在NW向Pb-Zn矿床地段具有显著淋滤特征的次生金属矿产出,浅表的氧化铅锌矿与锰铁矿伴生孔雀石化、铅华等水蚀作用;高海拔Pb-Zn矿区且NE向断裂构造发育的冷水、百炉沟地段存在地下水污染风险。(3)智慧矿山构建关联资源环境评价与决策。在大型矿山建立三维地质模型并关联矿区古采洞、露采场与深部巷道工程,实现矿业合理定位和可持续发展;利用高光谱数据库构建三维有用、有害元素模型实现勘探、采矿与选矿矿物学关联以便于有害元素(As、Sb、Hg等)的回收或尾矿处理;利用高分辨率Worldview2影像判别重要尾矿库的废水、矿渣泥浆含铁染分布,以便于防护地表径流水、土壤污染等。

随着矿区浅部矿的日益减少,深部找矿越来越受到重视,三维地质建模技术在成矿预测、资源定量评价等方面得到了广泛的应用。本文利用三维地质建模平台GOCAD中的三维建模技术及地质统计学等方法,基于收集测试得到的地质图、钻孔和采样点的地层、岩性、构造、品位等数据,构建了西沟铅锌银金矿区的三维地质模型,包括断裂构造模型、矿体模型及地层模型等,并且通过离散光滑插值及克里金插值等方法建立了西沟铅锌银金矿区的三维属性模型,完成了矿区3处找矿预测靶区的圈定与评价。基于地质认识及建立的矿区三维地质模型的研究认为:(1)该矿床的找矿有利标志主要为地层、构造、辉长岩以及品位指示等4个方面;(2)基于三维地质建模技术的找矿预测方法科学有效;(3)S139矿体的中部及东南部深部仍有找矿潜力。本文能够为将来的深部找矿突破提供一定的参考依据。

内蒙古浩尧尔忽洞金矿位于华北克拉通北缘,是我国黑色岩系金矿的典型代表,其赋存于白云鄂博群比鲁特组的碳质板岩中,品位低而可采储量大。针对金矿增储保障问题,本文以矿床模型和“三位一体”找矿预测方法为指导,采用三维建模可视化技术,首先,构建了浩尧尔忽洞金矿三维找矿模型,实现了矿区的透明化、立体化;其次,开展了地球物理电磁联合反演,重新解译了研究区地质构造格架;第三,提取了浩尧尔忽洞褶皱南翼剪切带、比鲁特组碳质板岩、以及矿区东采坑控矿构造、地球化学晕以及蚀变矿物等预测变量并建立了综合异常三维模型;最后,运用证据权方法,开展综合信息定量预测评价,圈定了深部成矿有利地段,并在地质认识上得到了较好的印证。研究表明:本区高极化率位置应为哈拉霍疙特地层(H3),岩浆岩侵入自两侧以岩墙形式,顺较大的剪切破碎带充填,而碳质板岩恰好为矿体提供了化学屏障;基于证据权计算结果,浩尧尔忽洞褶皱南翼东段深部极有可能存在第二个成矿富集段,具有较大找矿潜力;同时,通过证据权蒙脱石预测变量的对比度分析,定量地验证了构造控制下的流体充填与交代(蚀变)是形成浩尧尔忽洞金矿的重要机制的认识。

斑岩矿床的成矿机制是一种典型的力-热-流多物理场耦合的岩浆-热液过程,因而从成矿动力学数值计算模拟的角度研究斑岩矿床成矿作用过程,对揭示斑岩岩浆-热液系统动力学演化机制及其成矿响应情况具有十分重要的意义。德兴铜矿(包括朱砂红、铜厂和富家坞)作为目前中国华南已发现的最大斑岩型铜矿床,是研究(大型/超大型)斑岩矿床成矿作用过程的一个典型的重要窗口。前人已在矿床地质、地球化学、年代学、同位素以及成矿流体等诸多方面开展了大量的研究工作,但从成矿动力学数值模拟的角度对德兴铜矿成矿作用过程进行的研究目前相对较少。为此,本文以德兴斑岩铜矿床为主要研究对象,首先通过总结分析其成矿过程的地质概念模型,进而将侵入体形态(包括长轴及短轴长度)和倾伏角、控矿断裂倾角与宽度作为几何模型中的变量,构建由这些变量组合控制的几何实体模型。在此基础上,进一步分析斑岩矿床成矿过程数值模拟中应力场、流体场以及热力场三者的耦合关系及其数学-物理方程,构建德兴斑岩铜矿床的成矿动力学模型,建立相应的有限元数值模拟模型。最终,设置不同的岩石物理参数、边界条件与初始条件,进行力-热-流三场耦合的数值模拟实验,并根据不同侵入体产状及断裂构造条件下的模拟结果探究德兴铜矿床断裂和侵入体产状对成矿的控制作用。主要结论如下:(1)较小的断裂构造宽度更易造成岩矿石局部破裂,便于流体弥散而形成浸染状或微-细脉状的斑岩矿化;(2)较大体积的岩体以及较小的岩体倾伏角度对斑岩铜矿床的形成相对有利;(3)朱砂红矿床较铜厂和富家坞矿床岩体体积小,而倾伏角相对较大,导致岩体冷却速度快,表面及附近扩容空间小,因而成矿深度大,而金属储量小。揭示了德兴铜矿床斑岩侵入体与断裂构造产状的控矿机制,增进了对德兴铜矿矿床成因和控矿要素的认识。

内蒙古赤峰地区发育一系列受断裂控制的热液脉型萤石矿床,区内成矿地质条件优越,找矿潜力较大。本文利用地质特征-地球物理-地球化学-遥感解译(地-物-化-遥)综合找矿方法进行浅覆盖区萤石矿体的定位预测研究,对寻找隐伏矿床和探寻萤石接替资源具有重要意义。俄力木台地区是林西水头萤石成矿带的南段延伸,第四系覆盖严重,是开展浅覆盖区隐伏矿体找矿预测方法实践的理想地区。研究区域的萤石矿体在垂向上呈现分带特征,自上而下分为硅质顶盖、头部矿体、中部矿体和尾部矿体4部分。俄力木台地区的硅质顶盖露头以发育强硅化角砾岩、次生石英岩和石英网脉带为特征,头部矿体露头见萤石粗脉体产出,二者矿化露头的高差30~50 m。WorldView-2遥感影像揭示俄力木台地区含矿断裂带的空间展布与线性变化特征,矿化带中-北段呈近SN向,南段主要呈NNE-NE向。地-物-化综合剖面中矿化露头、甚低频低阻异常带、便携式X射线荧光分析土壤Ca元素高值异常带和土壤偏提取地球化学测量F元素高值异常带分布一致,该异常组合可作为本区含矿断裂带和隐伏萤石矿体的重要预测标志。结合甚低频电磁测量扫面,俄力木台断续出露的矿化蚀变带与SN向甚低频低阻异常带相吻合,预示该区可能发育隐伏-半隐伏萤石矿体。在俄力木台东段重点预测地带布置的钻孔见矿效果良好,目前揭露的部位为硅质顶盖、头部矿体或构造狭缩带,较高品位的萤石主矿体尚未揭露,其深部具有良好的资源潜力和找矿前景。

作为近年来爆炸式发展的方法模型,机器学习为地质找矿提供了新的思维和研究方法。本文探讨矿产预测研究的理论方法体系,总结机器学习在矿产预测领域的特征信息提取和信息综合集成两个方面的应用现状,并讨论机器学习在矿产资源定量预测领域面临的训练样本稀少且不均衡、模型训练中缺乏不确定性评估、缺少反哺研究、方法选择等困难和挑战。进一步以闽西南马坑式铁矿为实例论述基于机器学习方法的矿产预测基本流程:(1)通过成矿系统研究建立成矿模型,确定矿床控矿要素;(2)通过勘查系统研究建立找矿模型,并为评价预测提供相关的勘查数据;(3)通过预测评价系统研究,建立预测模型,并提取预测要素;(4)利用机器学习模型对预测要素进行信息综合集成,获取成矿有利度图;(5)对预测性能和结果进行不确定性评估;(6)找矿靶区/成矿远景区圈定及资源量估算。最后,总结建立以地学大数据和地球系统理论为指导,以“地球系统-成矿系统-勘查系统-预测评价系统”为研究路线的基于地学大数据的矿产资源定量预测理论和方法体系的研究愿景。

胶东半岛是我国最重要的金矿集区之一,其矿床是典型受北东向断裂构造(焦家断裂带、三山岛断裂带和招平断裂带),以及次生断裂构造(如望儿山断裂和灵北断裂等)控制的矿床类型。前人在该区域做了大量研究,但主要集中在地表和浅层成矿段,对于深部成矿规律与预测的研究相对较少。新城金矿田是胶东半岛的特大型金矿之一,由新城矿床、曲家矿床和招贤矿床三部分组成。由于受到焦家断裂带控制,在招贤矿区中的科研深钻达到2 500 m以下,为我们研究深部成矿规律提供了良好的样品。本文通过该地区蚀变矿物的短波红外光谱特征(short-wave infrared spectroscopy,SWIR),并结合X 射线荧光光谱(X-ray fluorescence spectrometry,XRF)法和黄铁矿热电性法,选取该地的不同成矿阶段的蚀变岩石和典型载金矿物黄铁矿,并在三维环境中,定量化分析了主要的蚀变矿物——白云母族的短波红外光谱的特征值,揭示其找矿规律与指示意义,进一步提取矿床中蚀变矿物的找矿标志。研究结果表明:(1)在靠近焦家主断裂构造蚀变岩型矿体的位置,伊利石结晶度(≥1.2)和绢云母Al—OH吸收位置(≥2 205 nm)偏高,而在远离焦家主断裂构造蚀变岩型矿体的位置伊利石结晶度和绢云母Al—OH吸收位置偏低,分别为0.2~1.2和2 198~2 205 nm。(2)X 射线荧光光谱结果提取了该地区20种元素含量,通过对元素的主成分分析和聚类分析, Al—OH吸收峰位置偏移与Al、K、Si含量变化有一定相关性。(3)黄铁矿热电性导型在近焦家主断裂构造蚀变岩主要为P型,远离主断裂的主要为N型。在新城矿区的Ⅰ号和Ⅴ号矿体的顶部到底部整体呈现N-P→P→P-N→N→N-P→P-N和P-N→N-P的规律;在招贤矿区中绝大部分是P型。剥蚀度整体处于在25%~50%,因此在新城矿区约-800 m以下和招贤矿区约-1 500 m以下,仍有较好的深部找矿前景。整体上P型黄铁矿成矿温度主要为180~250 ℃,N型成矿温度主要区间值在380~460 ℃;利用温度场进行三维插值建模,其与三维矿体品位模型空间展布趋势一致。本文综合研究方法为深部矿产资源评价提供新的研究思路,将光谱数据、地化数据等多维度信息集成整合,同时使用三维模型可视化功能,对于矿产模型定量化构建具有重要参考价值。