松鸣岩:矿产资源勘查与评价学科发展动态

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矿产资源勘查与评价学科发展动态

来源:地质科技情报 作者:陈建平 发布时间:2006.12.29 .h1 { FONT-WEIGHT: bold; TEXT-JUSTIFY: inter-ideograph; FONT-SIZE: 22pt; MARGIN: 17pt 0cm 16.5pt; LINE-HEIGHT: 240%; TEXT-ALIGN: justify } .h2 { FONT-WEIGHT: bold; TEXT-JUSTIFY: inter-ideograph; FONT-SIZE: 16pt; MARGIN: 13pt 0cm; LINE-HEIGHT: 173%; TEXT-ALIGN: justify } .h3 { FONT-WEIGHT: bold; TEXT-JUSTIFY: inter-ideograph; FONT-SIZE: 16pt; MARGIN: 13pt 0cm; LINE-HEIGHT: 173%; TEXT-ALIGN: justify } DIV.union { FONT-SIZE: 14px; LINE-HEIGHT: 18px } DIV.union TD { FONT-SIZE: 14px; LINE-HEIGHT: 18px } .h1 { FONT-WEIGHT: bold; TEXT-JUSTIFY: inter-ideograph; FONT-SIZE: 22pt; MARGIN: 17pt 0cm 16.5pt; LINE-HEIGHT: 240%; TEXT-ALIGN: justify } .h2 { FONT-WEIGHT: bold; TEXT-JUSTIFY: inter-ideograph; FONT-SIZE: 16pt; MARGIN: 13pt 0cm; LINE-HEIGHT: 173%; TEXT-ALIGN: justify } .h3 { FONT-WEIGHT: bold; TEXT-JUSTIFY: inter-ideograph; FONT-SIZE: 16pt; MARGIN: 13pt 0cm; LINE-HEIGHT: 173%; TEXT-ALIGN: justify } .union { FONT-SIZE: 14px; LINE-HEIGHT: 18px } .union TD { FONT-SIZE: 14px; LINE-HEIGHT: 18px }

  世纪之交的今天,“利用先进技术减少勘查风险”、“矿产资源勘查评价的三维可视化与GIS的结合”及“勘查决策技术”成为矿产资源勘查与评价学科发展的三大主题。其发展是以新理论、新技术和新方法的定量综合研究和可视化为主要趋势,以多学科交叉渗透、减少不确定性地质模型的定量化分析为特色,形成了地学研究新的工作平台和技术方法。近年来“3S”技术在勘查评价应用中取得了长足进展,技术方法日趋完善,应用领域日益广泛,应用效果愈加显著,结合三维可视化显示的定量研究已经将传统地学研究带入了“以地质调查为前提,以计算机为工具,以网络为通道,以信息为基础”的定量地学和地学信息研究新阶段。

1 地质模型与风险分析
  先进技术的应用是为了深化地质勘查与评价研究,定量化研究是为了最大限度地提取成矿信息、最有效地减少各种噪声干扰,从而最大可能地取得找矿实效,最小风险地进行勘查开发。地质预测与评价为矿业和政府部门的决策提供了可供参考、利用的信息资源,地质不确定性和未知因素的定量化分析是勘查决策与资源管理的重要基础。因此,在地质分析和地质模型基础上,应用各种工具和技术方法是获得符合实际的决策方案的重要保证。
  美国地质调查所的Berger B R和Drew L J通过矿床模式研究减少地质不确定性。在以往定量分析的地质模型中大都没有考虑成矿流体和动力过程的影响,缺乏有效的实验和综合分析。由于热液矿床是流体运移的产物,流体反映了热迁移和成矿溶液迁移,因此这些信息是矿床模式的重要组成部分。他们于1998年在斑岩铜矿和热液型金银矿床的研究中,将成矿热液、迁移机制和水动力过程的研究作为矿床模式的基本过程,有效地与GIS系统分析结合在一起。澳大利亚新南维尔士大学的Lukins J在GIS系统决策分析中应用权重评价和模糊逻辑分析方法,预测了昆士兰Osborne-Selwyn地区的矿产资源潜力,提取了Osborne-Selwyn式铜金矿的区域分布特征,以及区内同类矿床的找矿预测靶区。
  加拿大的Divi R S认为:“区域矿产普查的目的是对未知的达到品位和一定规模的矿床进行定位。由于对大多数复杂矿床的特征和成因了解甚少,以致矿产勘查一直甚至还将如同变化莫测的比赛”。因此,矿床的空间分析和特征分析能够获得许多有效的信息,在与已知矿床共性和个性对比研究的基础上,利用不同方法进行不确定性定量分析,是减少勘查风险的有效途径。澳大利亚的Wyborn L也指出:“无论是在特定地区统计分析已知矿床,还是运用已知矿床的数学模型进行区域成矿的预测评价,目前资源潜力分析方法主要是以GIS为基础。这些方法适用于寻找区域上已知类型的矿床,其分析结果很大程度上依赖于输入数据的质量以及GIS系统应用的分析过程”。“与此相反,区域成矿系统的概念模型中包含了能量、流体、矿源、迁移、圈闭和蚀变带等重要信息,有效的GIS分析系统必须能够快速适当地处理这些可能的数据信息”。在“澳大利亚元古代花岗岩项目”研究中,根据流体的温度、压力、相邻主岩的矿物组分等(这些数据按统一模式建库,并能更新数据以及增加新信息),严格根据矿化模式的地质规律进行合成分析,在此基础上建立了适于预测评价的新模式并取得了良好的应用效果。澳大利亚的Roberts P在1998年的勘查评价研究中认为减少风险的3个要素如下:①评价预测成矿带的资源潜力,其根据是成矿带中存在一个或多个矿体靶区的可能性,利用现有技术发现这类矿体的可能性,成矿带上开发预测区的有效性,以及开发过程中的非地质风险分析;②评价开发成矿带的经济回报;③管理信息系统分析勘查开发的效率,包括勘查过程中何时达到何种进程,何时采取何种措施,矿石质量如何和随时间可能发生何种变化,以及经费预算等。
  我国学者提出了利用“5P”成矿地段的圈定,减少勘查风险的研究方法。所谓“5P”成矿地段圈定是指:“成矿可能地段(probable ore forming area)及与成矿有关的地质异常的圈定、找矿可行地段(permissive ore-finding area)及专属地质异常或异常带的圈定、找矿有利地段(preferable ore-finding area)及综合地质异常的圈定、潜在资源地段(potential mineral resources area)及具有潜在工业价值的矿化地质异常体的圈定、远景矿体地段(perspective ore bodies area)及矿体地质异常的圈定。”由此可见,随着地质异常研究的不断深入,成矿信息量的不断增加,找矿靶区范围的逐步缩小,找矿成功概率将逐步加大。与此相关的“应用GIS技术圈定地质异常”和“应用地质异常单元法定量综合评价未知金矿床”等研究成果引起了国外同行的广泛关注与好评。

2 矿产资源勘查评价的三维可视化与GIS的结合
  矿产资源的定量勘查与预测评价研究,一直是与计算机技术、航天技术和数学地质等领域切相连。因此,地质研究中的“3S”技术综合分析主要应用于资源评价与决策,矿产勘查与评价分析中GIS技术的应用水平处于整个地质学定量研究的前列。
  日本地质调查所的Kouda R和美国地质调查所的Singer D A采用GIS与遥感地质研究相结合,他们基于日本国家图像标准,将TM图像与JERS红外图像经标准化处理后,使各类解译图像专题分析结果合成处理及综合分析,各种资料的相互补充与空间定位,最终获得了三维视图的分析结果。此外,他们认为减少勘查风险的3个基本途径是:①增加确定风险来源检验的变量数量;②确定成矿有利度以增加成功概率;③通过不断的迭代试算改善成功概率,由此构成勘查风险检验的总体框架。
  澳大利亚的LeBlanc Smith G和Caris C成功地利用功能强大的多媒体虚拟现实技术,在时间—空间维基础上将不同信息的显示和综合分析形成一个有机的整体从而构成“视觉世界”。这类“视觉世界”的工作环境能够有效地通过国际互联网达到多用户分享,表示采矿和勘查数据的符号具有真实比例尺和准确的时间定位,由此建成使用ISO标准虚拟现实模式语言(VRML)的“虚拟采矿”和“虚拟勘查”世界。这种虚拟世界代表了仪器设备、人,使交通工具和钻头位置(GPS或摄像)等多种资料和定位追踪信息在多思路处理过程中成为可能,系统运行在Silicon Graphics workstations和WinNT PC上。系统于1997年根据Trap Gully矿区和Appin Colliery地下煤矿的不同资料建成,数据包括多种数字地形模型,钻孔,分析数据,测量数据,二维、三维和四维地震数据,录像(爆破)、声音、生产进度、位置(GPS),地质,环境,通风,压力,采矿工程,地下结构以及计划文本等。这种虚拟采矿技术对于观察和审核各类零散的空间数据(包括采矿测量和成图数据等)是非常有效的,影像数字地图(航空和地面的)成为采矿的高墙结构、岩土几何形态、采矿工程进度和环境监测等的可视化基础。在结合采矿和勘查专业软件包的基础上,系统的功能更为完善,能够高速地生成各种参考信息和实时显示真三维(四维)空间关系的各种图件。澳大利亚Jayawardhana P,Sheard N和Forrestal P近5年来一直致力于开发具有可视化和分析能力的空间数据管理系统,该系统能够随时在全球范围内更新数据信息,目前系统处于不断的调试中,力图提高系统运行的普适性。加拿大阿波罗公司已经开发出矿山开发与生产管理的配套专业软件系统,它将矿山地质背景、矿床地质特征、预测矿体、品位分析数据、工程设计、施工量、采掘量、生产进度等矿山开采信息即时处理,并以三维可视化图像显示或数据结果提供有关分析。
  日本Osaka City大学的Shinji V和Shiono K开发了可供现场勘查和远距离决策机构同时使用、相应资料即时更新的资源勘查分析系统,这使得野外技术需要与异地的协调管理和经费支持等决策有机地结合成为一个整体。他们设计研制的一体化决策支持系统,是由地理信息系统(GIS)和相关数据基础管理系统(RDBMS)所组成。通过互联网的GIS和RDBMS提供了GRASSLinks,SQLWeb WWW工具,可以进行统计分析、图形图像合成、由研究者指定的图像数据分类、由已有图件和相关数据产生新图件、对图形表面位置修改或重新存储、线性特征(如断层、褶皱轴等)的Buffer距离描述以及报告编写等。可视化的操作包括二维图像显示,具放大、修改能力等的工具箱,利用其它工具可以产生和观察真三维模式。

3 勘查决策的技术方法
  随着技术的发展,勘查决策这个以往由政府部门、企业公司主管或金融预算方案等决定的管理问题越来越多地利用技术方法进行客观分析。矿产勘查评价是通过不同资料的分析研究评价矿床的潜在经济效益,具有很大的不确定性和风险性。因此,定量预测评价是为了提高决策的准确程度、减少评价中的不确定性和风险性而不断发展起来的,基于桌面计算机的专业软件系统提供了与之相应的定量分析手段和资料信息。澳大利亚昆士兰大学的Dimitrakopoulos R提出了资源开发中的不确定模式,定量分析不确定性以及减少勘查风险。他认为:“地质的、技术的和矿产市场是与不确定性相连的3个重要因素,与地质因素相关的不确定性通过建模研究,相应的采矿技术因素可以通过类似于条件模拟等强有力的模式分析技术来解决”。他通过储量和煤矿质量的地质风险值评价,结合钻探工程以及反馈的风险值信息逐渐减小开发风险,并将研究结论应用于矿区的开发。成功的矿产勘查评价是以遥感、地质、地球化学、地球物理等技术方法为基础。日本东京大学的Shoji T对勘查系统进行了最优化研究。他认为:“如果我们能够知道获取各种技术方法所需信息的费用,就可以使不同的技术方法发挥更为有效的作用”。为了这种评价信息,熵值是最有效的指数。如果靶区内每个单元的勘查费用为最小,那么熵值就是支付费用的最小丰度函数。随着找矿不确定性的降低,最小单元局部熵值也降低。在多个地质单元分类的情况下,如花岗岩、安山岩、古生代地层、变质岩等,当所有种类的丰度相等时熵值最大,熵的最大值是分类数对数的百分数。熵值分析结果表明,在相同经费支付条件下局部区域使用高分辨率探测技术比全区低分辨率探测技术更为有利。因此,在勘查过程的适当阶段,应当根据技术方法的分辨能力考虑技术方法组合。巴西的Yamamoto J K将不确定性的定量分析方法,应用于巴西Goias洲的Chapada铜矿床的矿产资源评估中。常用的克里金变量不能识别局部数据变量,难以对局部的富矿和贫矿进行资源量评估。通过改进计算方法,有效地确定了不确定性参数,为矿产储量分类提供了又一途径。
  澳大利亚的Jaireth S和Scott M在不同的研究项目中,以GIS为基础进行了区域资源潜力评价与管理工作,将GIS技术引入到政府管理的日常工作中。其总体研究步骤为:①主要矿床类型的产出环境存在的显示程度;②全球性轮廓和区域性特征的矿床类型描述模型;③利用时空分析确定已知矿床的分布;④对主要风险因素进行评价;⑤利用模式驱动标准和地质专家组评价的定量输入圈定特殊矿床类型的资源潜力区;⑥利用不同方法对所有矿床类型的分布特征进行综合圈定,最终生成区域矿产资源潜力图。这类研究将资源管理与资源评价结合成为一个整体,数据更新与快速的处理成图使科学化的宏观管理和决策成为现实。

4 国内外研究现状对比
  今后矿产勘查与预测研究的重点如下:①GIS和相关技术及数据资料的标准化问题;②综合分析、定量分析中地质模型的有效性和不确定性分析;③矿产勘查与评价的三维可视化及与GIS的结合;④在市场前提下的区域矿产—资源—经济一体化综合评价与规划;⑤各种信息资料的二次开发与综合分析技术方法。总体看,在矿产普查与勘探中GIS技术的应用,我国的研究水平与国际大致相当,但在专业软件的开发、三维可视化、基础数据库的建立、减少不确定性地质模型分析、应用项目的普及程度以及矿产—资源—经济一体化宏观决策方面尚存在一定差距。
  在面向知识经济社会发展的大趋势下,发展地学高新技术是一项刻不容缓的任务,而“3S”技术的开发与应用是发展地学高新技术的一个重要切入点。因此,加强相关技术的科研力度,广泛开展学术交流活动,在国家重大科学研究方面给予重点扶持和经费资助,有关科研院所重视“3S”技术相关教学和人才培养,形成学科交叉、知识结构合理的中青年骨干队伍,提高专业软件的开发应用水平,为保证我国国民经济发展对矿产资源跨世纪需求提供技术支撑。只有这样,才能使“生产—教学—科研—管理”与“矿产—资源—经济—决策”有机地结合成为一个整体,为合理地利用资源实现科学化管理和现代化管理,使我国矿产资源勘查与评价研究水平、乃至地学研究的整体水平有可能保持和赶超国际先进水平。