1. 引言
随着露头矿、地表矿、浅部矿和易识别矿的日益减少，矿产资源勘探工作逐步向第二深度空间发展 [1] [2]。随着预测深度的增加，矿产资源勘探与预测更加依赖于对研究区成矿构造的推断和认知。研究表明，矿床的形成明显地受到地质构造的控制，在空间上既表现为构造对矿床产状的控制，又表现为对矿床形成的约束 [3] [4] [5] [6]。因此，正确认识和把握成矿构造的深部三维结构对于深部矿产资源预测与勘探工作十分重要 [7] [8] [9]。三维结构建模方法是基于各类勘探资料，借助计算机软件再现地质对象的几何结构形态，在更好地帮助理解地质构造的同时又能应用于矿产勘查工作。虽然当前对于矿床尺度的三维建模方法趋于成熟，但对于区域级别的三维建模仍存在巨大的挑战 [10] [11] [12]。
胶西北地区是世界第三、中国第一大金矿集区，其中焦家断裂带是矿集区内主要控矿断裂带之一，已探明资源储量1260 t [13]。2005年以来，在胶西北金矿集区焦家断裂带相继发现和探明了寺庄深部、马塘深部、焦家深部等大型–超大型金矿床 [14]，表明焦家断裂带区域尤其是深部空间仍具备巨大的找矿潜力。因此，本文以焦家断裂带为研究区，在前人已有研究成果的基础上，系统收集和整理了相关的各类地质资料，将地质体三维建模理论与方法应用于胶西北金矿集区焦家断裂成矿构造建模中，建立完整且准确的焦家断裂成矿构造三维结构模型，为深部成矿预测与深部找矿提供实用可靠的模型支撑。
2. 研究区地质概况
胶东半岛位于华北克拉通东部，金矿储量超过4500 t [15]，其中超过90%的金矿资源产于胶西北的伸展构造内，焦家断裂带是其主要的控矿断裂带之一。焦家断裂北起黄山馆，向南经新城、焦家至平里店，总长27 km，宽80~500 m。断裂的主要走向为NNE~NE，10˚~40˚。焦家断裂平面上呈S型，形态不规则，膨缩现象明显，其下盘发育较多与走向平行或呈入字型相交的分枝构造。断裂沿走向呈舒缓波状，发育于早前寒武纪变质岩系与玲珑花岗岩、早白垩世郭家岭花岗岩的接触部位或内接触带，断裂发育部位往往形成较厚的灰黑色断层泥和规模不等的破碎蚀变岩带 [16] - [20]。
焦家断裂带内已发现评价的金矿床(点)共计十余处，其中包括新城、焦家、河西、河东、望儿山、东季、马塘、上庄等特大–大型金矿床。这些金矿床均受控于北东向的焦家主干断裂及下盘伴生、派生的次级断裂及裂隙群。矿床类型主要为岩浆热液成因的破碎带蚀变岩型和少量含金石英脉型。区域地质图如图1所示。
Figure 1. Geological map of the Jiaodong peninsula (Modified after Song et al., 2015; Yang et al., 2016) [16] [17]
图1. 胶东半岛地质简图(改自Song et al., 2015; Yang et al., 2016) [16] [17]
3. 三维结构模型的建立
三维结构建模是以野外地质调查和地质勘探资料为数据基础，利用计算机对研究对象的地质结构形态进行定量描述，采取三维建模方法得到真实可靠的三维结构模型 [11] [21] [22]。
3.1. 地质资料收集与数字化
3.1.1. 地质资料收集
本文所涉及的地质资料收集是指对焦家断裂带地区的地质工作历史与相应地质资料成果进行搜集、整理、存档的过程，是开展焦家断裂带成矿构造三维结构建模的工作基础，在三维结构建模工作中起着重要的数据支撑作用。
本文收集的地质资料成果主要分为地质勘查资料、矿山生产资料和物化探资料。其中地质勘查资料从内容形式上主要分为普查报告、详查报告、储量核实报告以及其他重要的地质资料。矿山生产资料一般是指矿山在实际生产实践中各类地质图件、地质数据等，直接为矿山生产服务(如表1所示)。物化探资料一般指针对钻探数据稀少的区域开展地球物理和地球化学勘探，获得各种的原始勘探数据、图件和研究报告等资料。
Table 1. Summary of mine production data
表1. 矿山生产资料汇总
3.1.2. 地质资料数字化
本文的地质资料数字化主要是利用计算机软件将地质资料中的成矿构造进行描绘得到其三维矢量结构以便直接应用于三维建模过程中。主要包括两部分工作：成矿构造二维结构的圈定、成矿构造二维结构到三维结构的转换。
成矿构造二维结构圈定是将收集的地质资料图件中的成矿构造准确地描绘出来得到其二维矢量结构，一般流程是首先对地质图件进行矢量化，然后对成矿构造进行圈定，圈定过程主要以所在地质剖面为基础，参考所在剖面和中断面的勘探工程数据，确保圈定过程的准确性。如图2所示。
Figure 2. Schematic diagram of metallogenic structure delineation
图2. 成矿构造圈定示意图
成矿构造二维结构到三维结构的转换是借助勘探工程信息将圈定的二维矢量结构通过空间坐标变换方法将其转换为三维矢量结构。原理如图3所示。AB为该剖面图的勘探线，其起止点坐标已知为
、
，P为剖面图上的一点，假设其坐标为
，并从图上可读出其南北方向的坐标值
和高程值
，故只需求出东西方向的未知坐标值
，就可以实现对剖面图进行配准了。显然，P点在水平面上的投影点C位于AB线上，也就是说P点与其在水平面的投影点C具有相同的水平坐标，即
，
，问题即转变为求AB线上C点东西方向上的坐标
，根据直线方程公式，可得：
Figure 3. Coordinate calculation of control points in geologic section
图3. 剖面图控制点坐标计算
获得了控制点的三维坐标关系后，便可以将二维矢量结构转换为三维矢量结构，即可以直接用于三维建模工作。
3.2. 三维结构建模方法
一般来讲，现有的三维建模多是依据详尽的地质资料实施的，而对于地质资料稀缺的深部，则缺少相对有效的建模方案。本文在已有三维地质建模方法的基础上，综合多类地球物理勘探资料，对深部结构进行了推断建模，弥补了深部成矿构造因数据稀疏而难以建模的缺点。本文采取的三维结构建模方法主要是利用三维建模软件GOCAD采用人机交互方式对成矿构造进行三维定量表达。针对成矿构造的深浅部分以及地质资料的详尽程度，三维结构建模可以分为两部分工作进行，即针对地质资料相对详尽的浅部三维结构的显式建模部分和针对地质资料相对稀缺的深部三维结构的推断建模部分。
3.2.1. 浅部三维结构显式建模
对于成矿构造的浅部，地质资料数字化得到的三维结构数据较为齐全，将其按照成矿构造的形态正确组合得到浅部成矿构造的三维线串模型，在此基础上，充分依据已有的实测剖面、图切剖面、勘探剖面，按照线串对应连接原则与方法，构建成矿构造的浅部三维线框模型。一般流程如图4所示。
Figure 4. Three-dimensional modeling process of shallow metallogenic structure
图4. 浅部成矿构造三维建模流程
3.2.2. 深部三维结构推断建模
本文深部三维结构推断建模可以将浅部三维结构模型延伸至−3000米，对于成矿构造的深部，地质勘探资料相对稀缺，只依靠地质资料中勘探剖面数据得到的成矿构造三维结构不能建立深部完整的三维模型，为此，需要借助深部物化探解译剖面等资料，在相关地质调查、已有研究成果及地质知识的指导下进行推断建模 [23]。根据数据来源的不同，深部成矿构造推断线串可分为3类：勘探工程剖面推断线串、物化探解译剖面推断线串、虚拟勘探剖面推断线串。勘探工程剖面推断线串的构建的主要方法有：① 依据临近工程勘探线剖面进行推断；② 根据重力等值线图进行推断；③ 依据该剖面上的趋势进行推断；④ 根据临近物化探解释剖面进行推断。物探解译剖面推断线串的构建的主要方法有：① 依据该剖面上的趋势进行延伸；② 根据临近物化探解释剖面进行延伸；③ 根据重力勘探等值线图进行延伸；④ 依据临近勘探工程剖面进行延伸。虚拟勘探线剖面线串的构建的主要原则有：① 尽量选取推断部分少、且准确的已知勘探线作为控制线；② 虚拟勘探线应尽量覆盖控制线间已有的物探、勘探工程勘探线，将中间涉及到的剖面依据计算结果进行延伸，以便最大限度的利用已知数据。这样，在最大程度上确保模型准确性的前提下建立起完备的成矿构造的深部三维结构模型。一般流程如图5所示。
虽然物化探数据为深部成矿构造三维结构建模提供了参考信息，但是，因不同勘探工程的具体情况(如勘探深度、勘探范围、勘探精度等)存在差异，由此得到的各类推断线串也存在些许差异，为此，需要对推断的深部成矿构造的二维结构进行综合比较分析，以判断其是否符合地质规律。综合比较分析的方法主要是：① 结合勘探数据对各类推断线串进行定性分析，看是否相互矛盾；② 以研究区已有的成矿构造的产状信息和形态结构信息为参考，判断各类线串是否违背已有信息。对于不符合地质规律的线串，重新进行推断。这样做的目的，是在充分利用数据的情况下保证模型的精度和可靠性，以便建立的深部成矿构造模型更好地为深部找矿服务。
Figure 5. Three-dimensional modeling process of deep metallogenic structure
图5. 深部成矿构造三维建模流程
3.3. 三维结构建模成果
在焦家断裂带已有的地质资料的基础上，利用成矿构造三维结构建模方法分别建立起了焦家主断裂成矿构造浅部和深部的三维结构线串及线框模型，同时建立了焦家次级断裂成矿构造三维结构线串及线框模型。最终三维结构建模成果如图6~10所示。
Figure 6. Wireframe models of shallow metallogenic structure of Jiaojia main fault
图6. 焦家主断裂浅部成矿构造线框模型
Figure 7. String models of deep metallogenic structure of Jiaojia main faul
图7. 焦家主断裂深部成矿构造线串模型
Figure 8. Wireframe models of deep metallogenic structure of Jiaojia main fault
图8. 焦家主断裂深部成矿构造线框模型
Figure 9. String models of metallogenic structure of Jiaojia secondary fault
图9. 焦家次级断裂成矿构造线串模型
Figure 10. Wireframe models of metallogenic structure of Jiaojia secondary fault
图10. 焦家次级断裂成矿构造线框模型
4. 结论
1) 本文建立了包含次级断裂在内的胶西北金矿集区焦家断裂带的完整的三维结构模型，为该地区的相关地质研究提供了模型支撑。
2) 在确保模型准确性的前提下，所建立的成矿构造的三维结构模型涵盖地表至地下3000米，对深部成矿预测与找矿具有重要意义。
3) 本文采用的三维结构建模方法是实际建模工作与项目中总结和完善的，具有较强的实用性和适用性，能够推广应用于其他研究区和不同地质构造的三维结构建模工作。