礦壓研究方法中最基礎的方法是

❶ 礦床地質學的研究方法

礦床地質學的研究一般採用下述方法：
東坪金礦床地質—地球化學找礦
①野外觀察。對自然界有用元素的局部濃集區，有經濟價值的礦體，特別是有工程式控制制的礦體、圍岩等的地質特徵，從地表到地下，利用必要工具與手段進行仔細觀察並系統採集各種有代表性的礦物、岩石、礦石以及化石等標本和樣品，測制相應圖件。在礦化現象的關鍵部位進行系統觀察,加密采樣,以探索礦化作用的時空變化規律。對礦化作用正在進行的水體、噴泉、噴氣孔，特別是洋底的噴流、火山噴發和熱點等進行定期觀察，以取得有關礦化作用的具體資料。 ②室內測試分析。對所采標本與樣品，根據需要利用不同方法與相應儀器設備進行鑒定、測試和分析，取得結構構造圖像，了解礦石的礦物組分、化學成分甚至痕量元素的含量以及測定礦化年齡等，以期闡明礦化的地質背景和物理、化學條件，論證礦質運移與沉積的可能機制，探討礦質的來源。
③成礦模擬實驗。自然界成礦作用的產生是地質歷史中多種因素長期交互作用的結果。在實驗室內，利用人工造成的幾個主要變數（如壓力、溫度和介質等）的變化來模擬自然界的類似條件，在較短期間和很小的近似封閉的空間內，進行多種成礦現象的模擬實驗，其結果可以加深人們對礦產形成條件的理解。有的礦石如水晶、金剛石等可在實驗室內人工合成。自然界礦產大多是在近地表的開放系統中形成的，先進的實驗室正在設計與建立模擬開放系統的裝置，以使含礦流體在不平衡狀態中的結晶與沉澱現象的實驗，能更接近自然實際。④綜合研究。礦床地質學研究正從定性研究向定量研究發展，但遠未達到定量程度。礦床雖然有的類同，但無完全等同的。因此對典型礦床的區域地質背景、礦床地質、地球化學特徵以及開采利用價值等方面，進行綜合類比、分析研究，以作為地質找礦預測的線索，依然起主導作用。綜合研究提出區域成礦學、成礦模式、品位噸位模式（見礦床模式）、地球化學數據的數學統計模式等。

❷ 成礦預測的理論方法

一、成礦預測的理論基礎

成礦預測是應用地質成礦理論和科學方法綜合研究地質、地球物理、地球化學和遙感地質等方面的地質找礦信息，剖析成礦地質條件，總結成礦規律，建立成礦模式，應用「由已知到未知」的原則評價未知區的資源量或圈定不同級別預測區，提出勘查工作重點區段或布置具體的勘查工程，達到提高找礦工作的科學性、有效性和提高成礦地質研究程度的一項綜合性工作(趙鵬大等，2006)。礦產資源預測評價的理論歸納起來有以下幾個方面。

1.地殼礦產資源富有度理論

該理論的要點是:地殼內元素的分布是非均勻的，元素的局部富集形成有經濟價值的礦產資源，地殼內不存在完全沒有礦產資源或資源完全枯竭的地區，也不存在各種資源完全集中的地區(朱裕生，1984)。資源量評價就是要確定某一地區存在何種資源、有多少資源量。這一理論闡明了礦產資源在地殼內存在的客觀事實和對其作出評價的可能性。

2.相似類比理論

在相似地質環境中應該有相似的礦床產出。這是建立礦產資源同地質環境之間定量關系的理論指導原則。在此理論原則指導下，礦產資源預測採用「由已知到未知」的方法，即在已知區建立礦產資源量與地質條件之間關系的評價模型，外推到與已知區地質構造條件相似的預測區，對預測區的資源量作出估算(朱裕生，1984)。

3.礦產資源預測的模型理論、成礦作用的隨機函數理論和控礦因素與成礦作用的函數聯系理論

這是數學地質研究領域獲得的成果之一。礦產資源預測評價都是直接或間接使用礦床模型。在實際工作中，應用地質數據(資料)和經驗綜合，建立礦產資源與地質條件之間關系評價的數學模型，根據模型預測礦產資源量。地質理論是建立礦產資源評價數學模型的基礎(朱裕生，1984)。

4.地質變數的綜合和分解理論

地質變數是建立礦產資源預測評價模型的基礎。在各類原始地質數據中選取與礦產資源有關信息的地質變數，建立礦產資源預測評價模型，運用綜合信息進行礦產資源預測評價。這就是數據綜合的意義。現代流行的綜合信息成礦預測、礦床模型綜合地質信息預測技術是地質變數綜合理論的深化發展。綜合信息成礦預測是在地質理論為先驗前提的條件下，以地質體和礦產資源體為單元，從地質演化的角度，研究地質、地球物理、地球化學、遙感等多元信息，對它們進行綜合解釋，進而建立綜合信息找礦模型和綜合信息預測模型，用綜合信息預測模型作為工具，對研究區進行系統的評估。

對某一類型地質變數來說，評價使用的數據都經歷了漫長的地質時期，是其地質歷史行為的綜合;對於同一時間過程而言，該變數又可看成是若干個更局部的不同地質作用的綜合。從表示一系列地質作用最終結果的地質變數中分析它在各個不同時間和空間過程中的地質作用行為，特別是與資源成因有關的行為，預測礦產資源種類、位置或數量。這就是礦產資源預測評價中對變數分解的含義(朱裕生，1984)。

5.成礦系列理論

礦床成礦系列概念的全面論述是我國地質學家在長期以來找礦勘探工作和礦床地質研究過程中總結提出來的。它將在一個區域中與某一地質成礦作用有關，在空間、時間、成因上有聯系的一組礦床，作為一個整體加以研究。這對於深入認識成礦規律，指導礦床勘查工作，有重要意義。就某一區域找礦而言，在詳細研究區域地質構造背景基礎上，運用成礦系列的概念可以對該區的成礦環境、控礦因素、成礦作用和可能出現的礦床類型有一個全面的分析和認識，即建立整體觀念，根據已知礦床，找尋未知礦床，因而能起到擴大找礦思路，明確找礦方向的作用。

6.地質異常理論

地質異常是在成分、結構、構造和成因序次上與周圍環境有著明顯差異的地質體或地質體組合。如果用一個數值(或數值區間)作為閥值來表示背景場的話，凡超過或低於該閥值的場就構成地質異常。地質異常經常表現在地球物理場、地球化學場及遙感影像異常的不同，往往都是綜合異常。不同尺度的地質異常，不僅具有不同的圈定標志和不同級別的范圍大小特徵，而且與成礦的關系各不相同。全球性地質異常是地殼圈層結構的異常，區域性地質異常是控制跨省區的成礦帶、成礦省和成礦區分布的地質異常，局部性地質異常是控製成礦區內礦田、礦床和礦體產出的地質異常(趙鵬大等，2006)。

7.慣性原理

慣性原理是指客觀事物在發展變化過程中常常表現出的延續性。成礦事件及其產物———礦床的慣性現象表現為在時間、空間上具有穩定的變化趨勢。這種變化趨勢越穩定，即慣性越強，則越不易受外界因素的干擾而改變本身的變化趨勢(趙鵬大等，2006)。例如一些大的成礦帶和脈狀礦體的規模及延伸方向一般都比較穩定。成礦預測中常用的趨勢外推法就是依據地質體的有關特徵在空間上的慣性現象而發展起來的。

8.相關原理

相關原理是指任何成礦事件的發生變化都不是孤立的，而是在與其他地質作用的相互影響下發展的，並且這種相互影響常常表現為一種因果關系(趙鵬大等，2006)。例如成礦預測的對象———礦產資源通常是與各種岩石和構造有著密切的聯系，一定類型的礦床是特定的地質作用的特殊產物。相關原理有助於我們全面、深入地分析與成礦有關的各種地質因素，從而正確認識礦床的有關特徵及總結成礦規律，進而進行正確的預測。

9.地質解釋的理論

地質解釋就是把評價模型轉化為地質成因和資源特徵(期望的礦床數、噸位或品位)的概念(朱裕生，1984)。其重點是用地質專家掌握的地質理論和積累的經驗補充已經建立的礦產資源評價模型中沒有包括的礦產資源信息，並把它轉化為地質和資源量概念。

二、成礦預測的主要方法

(一)成礦預測的基本原則和特點

1.由已知到未知的原則

對未知區進行礦產資源預測，常常是應用在已知區建立的某種模型評價未知區的資源。因此，未知區的地質構造條件要與已知區高度相似。這實際上是類比理論的具體應用。

2.建立礦產資源數量與地質條件的定量關系

這是礦產資源評價模型建立的必要條件，對未知資源預測評價具有決定作用，是預測評價工作中較困難的一環。有些預測評價模型，表面看來僅研究數據參數的分布和變化而不涉及地質條件，但實際上這種分布和變化是受地質條件支配的，隱含了地質條件的作用(朱裕生，1984)。

3.地質專家的知識和經驗影響礦產資源預測評價

有些評價模型是建立在地質專家的知識和經驗基礎上的，實際上也是建立在礦產資源同各種地質條件之間的關繫上，各種地質條件隱含在地質專家的經驗和知識中(朱裕生，1984)。這種情況下，地質專家的知識和經驗對礦產資源預測評價起決定作用，要求有不同專業高水平專家進行綜合研究論證。

4.盡可能豐富的輸入信息與盡可能簡單的評價結果

礦產資源預測評價應該利用盡可能多的有用地質信息，以確保預測結果的准確度。但在結論上，則應盡可能的簡單，這樣才有利於地質人員識別和有關部門應用。

5.礦產資源定量估算的結果具有概率性

由於成礦作用的復雜性，我們所掌握的地質知識還遠遠不足以概括出一個准確的預測評價數學模型，我們所建立的各種礦產資源評價模型多帶有隨機性，預測的相應礦產資源量也具有隨機性(朱裕生，1984)。因此，預測的礦產資源具有概率性，也就是說，所估計的礦產資源量不是絕對的，是在一定概率意義下的判斷。

6.最小風險和最大含礦率原則

要求提交的預測成果在最小漏失隱伏礦床可能性的前提下，以最小的面積圈定找礦靶區的空間位置。

7.優化評價原則

優化評價是指預測人員根據對成礦規律和成礦控制因素的認識，有意識的干預模型的構成，對模型作有利成礦(或強化成礦信息)的定向轉換(但要在不改變模型預測目標的前提下)，使模型突出一些其中重要的預測標志(或控礦因素)的信息，抑制某些成礦意義不明顯或干擾較強的信息，迫使模型向成礦有利方向濃縮信息，突出找礦標志，逐步逼近潛在礦床，實現模型的定量化轉換，最後提出最優找礦靶區(趙鵬大等，2006)。

(二)成礦預測評價方法簡介

成礦預測是對過去發生的成礦事件的未知特徵進行的估計或推斷。預測的過程是一種嚴密的科學邏輯思維過程，包括觀察、分析、歸納及推理等認識環節(趙鵬大等，2006)。具體的成礦預測方法有數十種，根據成礦預測評價的范圍不同，可分為區域礦產資源預測評價、礦區預測評價和礦床預測評價三類，每類採用的具體方法有所區別(朱裕生，1984)。

1.區域礦產資源總量預測評價方法

(1)非地質標志的評價方法，包括齊波夫定律、歷史產量法、拉斯基定律、赫威特曲線、空間分布統計模型等。

(2)主觀評價方法，包括地質類比法、簡單主觀概率法、復雜主觀概率法、主觀網路法、德爾菲法等。

(3)簡單地質標志模型評價方法，如體積估計法、區域價值評估法、趨勢面分析法、豐度估計法等。

(4)定性地質標志模型評價方法，如模糊數學、邏輯信息法、特徵分析法、數量化理論、概率回歸、秩相關分析、蒙特卡羅法等方法。

2.礦區礦產資源總量預測評價方法

(1)主觀評價方法，同區域評價方法(2)。

(2)成礦標志評價模型，如判斷分析法、聚類分析法、回歸分析法、因子分析法、對應分析法、礦床模型法、成因地質模型法等。

(3)定性成礦地質標志評價模型，同區域評價方法(4)。

(4)趨勢外推法，包括礦體外部特徵變化趨勢外推法、礦體內部特徵變化趨勢外推法、成礦物化條件變化趨勢外推法、控礦因素變化趨勢外推法、預測標志變化趨勢外推法、成礦規律趨勢外推法等(趙鵬大等，2006)。

3.礦床礦產資源總量預測方法

(1)地質幾何法。

(2)地質－地球化學法。

(3)地質－地球物理法。

(4)趨勢外推法，同礦區評價(4)。

不同區域礦產資源預測評價方法是相對的，在具體預測評價中可以靈活地選用各種方法。各種礦產資源預測評價方法真正的基礎是地質類比法。現代的礦產資源預測評價方法是與傳統地質方法既有聯系，又有發展的定量評價方法，是在地質研究的基礎上圍繞著礦產資源預測評價這個總目標應用數學方法建立各種模型，對一個地理區域、成礦區(帶)或更小地區(礦床)作出潛在資源量的估計。

三、本項目金礦預測採用的方法

(一)膠西北區域金礦總量定量預測方法

膠西北金礦成礦地質條件復雜，找礦信息多元，因此難以用單一簡單的預測方法對其資源總量進行正確評價。本次工作在前人工作的基礎上，採用以綜合信息成礦預測為基礎的多種預測評價方法對膠西北地區進行金礦資源總量預測。

1.綜合信息成礦預測

應用數學地質方法，藉助於計算機將各種與礦產有關的地質要素、物探、化探和重砂異常等找礦信息加以綜合解譯而進行的礦產預測工作。綜合信息成礦預測強調以地質為前提，以地質體為單元提取綜合信息建立綜合信息模型，以類比法進行礦產預測。本次預測在典型礦床、區域成礦規律、成礦條件研究的基礎上，提取與成礦有關的有用信息，進行信息之間及信息與金礦資源之間統計對比，確定有用信息與金礦的關聯。在有用信息分析基礎上進行地質變數選擇和賦值，並將變數分為定位變數和定量變數兩種類型。

(1)定位變數選擇。

定位變數的選擇，主要考慮有用信息與資源特徵的關系、在單元中有無統計性規律及信息的性質等因素。為實現對礦產資源的定位預測，建立了三態和二態兩個變數系統，變數取自地層、構造、岩漿岩、重力、航磁、地球物理推斷、重砂、化探、遙感九方面信息。

二態變數系統共選擇了49個變數:

地層:①太古宙變質岩系;②荊山群、粉子山群;③地層成片出露;④地層呈殘留體出露。

構造:⑤主構造為Ⅱ級構造;⑥主構造為Ⅲ級構造;⑦主構造方向為NE向、NNE向;⑧次級構造發育;⑨構造破碎帶發育;⑩韌性變形發育;瑏瑡Ⅱ級構造從單元中間通過;瑏瑢單元位於Ⅱ級構造下盤;瑏A構造蝕變帶為完全分帶;瑏A蝕變類型為絹英岩化、硅化、黃鐵礦化。

岩漿岩:瑏瑥太古宙TTG岩系、侏羅紀玲瓏花崗岩(九曲、雲山、崔召岩體);瑏瑦白堊紀郭家嶺、文登、偉德山花崗岩;瑏瑧岩體相帶為邊緣相;瑏瑨片麻狀、似斑狀中粗粒花崗岩;瑏瑩接觸帶為斷層接觸;瑐瑠接觸帶為侵入接觸;瑐瑡石英脈、煌斑岩、輝綠玢岩岩脈發育。

重力:瑐瑢等值線為緩梯度帶、鼻狀區、扭曲區，速率小於1.5×10^－5m/(s²·km);瑐A等值線為較緩的梯度帶，有彎曲，速率為(1.5～2.5)×10^－5m/(s²·km);瑐A重力場值在0～30×10^－5m/s²之間。

磁場:瑐瑥低緩交變場、低正場、低負場;瑐瑦有NE、NNE向磁場軸向。

地球物理推斷:瑐瑧EW向基底構造≥10km;瑐瑨EW向基底構造為5km;瑐瑩NE、NNE向構造＞5km;瑑瑠NE、NNE向構造為3km;瑑瑡NNE、NE與近EW向構造交匯;瑑瑢岩體的超覆、港灣狀、舌狀部位;瑑A隱伏岩體存在。

重砂:瑑AⅠ、Ⅱ級金重砂異常;瑑瑥以金為主Ⅰ、Ⅱ級組合異常;瑑瑦重砂異常與構造吻合程度較好;瑑瑧異常規模(與單元面積之比)＞50%。

化探:瑑瑨金化探組合異常;瑑瑩其他組合異常;瑒瑠化探異常規模(與單元面積之比)＞50%;瑒瑡化探異常與構造吻合程度較好;瑒瑢金異常值＞4×10^－9;瑒A金異常值(2～4)×10^－9。

遙感:瑒A環形構造發育;瑒瑥環形構造存在;瑒瑦EW向線性構造發育;瑒瑧其他方向線性構造發育;瑒瑨環線交、切程度復雜;瑒瑩環線交、切程度簡單。

三態變數系統共選擇了31個地質變數，變數名稱及與成礦的關系見表9－1。

(2)定量變數選擇。

定量預測變數，是描述性定量變數，能表達預測目標在規模上的差異，可以反映資源規模級別。同時，這些變數也是連續性變數，是用於回歸預測模型進行地質單元資源量預測的變數。

描述性變數共包括7項25個變數:

1)預測單元與Ⅱ級斷裂的距離:①隨距離的增大，資源量規模變小，但二者不具有明顯的線形關系;②賦存特大型、大型礦床的單元，多位於斷裂帶附近;賦存小型礦床的單元，多離主斷裂4km以上;賦存中型礦床的單元其規律性不明顯，即可近可遠。說明這個信息對大型以上和小型礦具有區分能力。因此構置:①0km;②＜4km;③≥4km三個變數。

表9－1 三態變數類型一覽表

2)單元與構造交匯點的距離:隨著遠離構造交匯點，單元礦床規模呈變小趨勢。賦存特大型礦床的單元多在交點上，賦存小型礦床的單元則在遠離交點的10km以上范圍內，而賦存中型礦床的單元多數在5～10km范圍內。據此設置①＜5km;②5～10km;③＞10km三個變數。

3)控礦斷裂帶的寬度:膠西北金礦資源儲量規模有隨斷裂帶寬度增大而變大的趨勢，賦存中、小型礦床的單元其控礦斷裂帶寬度多數不大於10m，賦存特大型礦床的單元其控礦斷裂帶都在100m以上，賦存大型礦床的單元其控礦斷裂帶寬度變化較大。據此確定①≥50m;②50～10m;③＜10m三個變數。

4)金分散流異常面積與單元面積比:單元礦床規模同金分散流異常面積與單元面積的比值具有一定線形關系，僅個別單元擺動較大，不同規模單元有相對集中性。可以分為①＞90%;②70%～90%;③25%～70%;④＜25%四種區間，即為四種變數。

5)金異常面積:分為①＞70km²;②30～70km²;③10～30km²;④＜10km²四個類型，構置為四個變數。

6)金異常濃度:分為①＞200×10^－9;②(50～200)×10^－9;③(20～50)×10^－9;④＜20×10^－9四級，構置為四個變數。

7)面金屬量與單元面積比:分成①＞200;②100～200;③10～100;④＜10四個比值區間，構置為四個變數。

2.定性地質標志模型評價方法

本次膠西北金礦資源總量預測評價使用的具體方法類型是區域礦產資源總量預測中的定性地質標志模型評價方法。在地質單元劃分和變數提取基礎上，建立模型單元，通過模型單元研究，建立數學模型，進行礦田的定位定量預測，優選找礦靶區。涉及4種數學預測評價方法:特徵分析法———判斷金礦資源的分布位置，邏輯信息法———評價資源量規模級別，蒙特卡羅法———預測成礦帶(田)的資源量，回歸分析法———確定資源量的空間分布。

特徵分析法又稱決策模擬，一種用於礦產統計預測的數學地質方法，其原理為由多個礦產統計預測變數中提取綜合特徵，根據綜合特徵建立模擬區和預測區之間的定量關系，並達到對未知區預測的目的。由於使用的計算方法不同，特徵分析有不同的模型，常用的3種模型為:乘積矩陣矢量長度法模型、乘積矩陣主分量法模型和概率矩陣主分量法模型。特徵分析法能幫助我們減少因原始數據不完備所引起的資源評價結果不確定性。它應用礦床的三維環境(包括地質環境、物理特徵、化學特徵和衛星影像特徵)以及礦床產地和形成作用(即成因)的數據建立，檢查和運用礦床模型，快速確定評價區的評價對象(單元或礦點)同已知模型的相似程度，或產出礦床的有利程度。

邏輯信息法是使用定性地質資料進行礦產資源評價的方法之一。該法是以數理邏輯、組合分析及概率統計為基礎的一種綜合性數學分析方法。藉助組合分析和邏輯運算，比較觀測對象結構關系的相似性，並確定這種結構中個別元素的作用。邏輯信息法的實質是對比預測對象的觀測數據在構形上的變化和結構上的相似性。邏輯信息法是預測資源規模的有效方法，它通過對已知模型礦田單元的合理分級，建立變異序列篩選變數，計算標志權、模型及預測單元的對象權而達到預測資源量規模的目的。

蒙特卡羅法又稱統計實驗法、隨機模擬法，是一種通過隨機變數的統計實驗、隨機模擬求解數學問題的近似解的方法。它是一種應用較多的地質問題隨機模擬方法。蒙特卡羅法模擬資源量大體分為以下過程:①構造概率模型，即建立資源量與參數之間的關聯;②建立參數的統計分布;③產生隨機數;④抽樣，形成資源量分布;⑤用資源量分布模型估計預測區資源量，從而做出評價。

回歸分析法，又稱因子分析法，經濟預測中最常用的預測方法之一。找出一個經濟變數與某些視作主變化原因的變數(解釋變數)之間的數學關系，即建立數學模型，然後用某種方法給出未來期間外生變數(即受模型中變數影響小，由外部條件決定的變數)的數值，將這些數值帶入數學模型，計算出要預測的經濟變數的未來數值，即預測值。該方法在礦產資源評價中也普遍使用，主要原因:一是它不僅能研究變數與變數之間的關系，而且能根據一個或幾個變數值(自變數)估計另一個變數(因變數)的值，並且可以推斷變數之間的關系;二是它能找到影響因變數的主要自變數和次要自變數，並確定這些變數之間的關系;三是回歸分析中的逐步回歸能自動從數量眾多的可供選擇的自變數中選出與因變數關系「最密切」的一組自變數，建立資源量與地質條件之間關系的評價模型，較直接地估算預測區的資源量。回歸分析的數學模型較多，主要有:一元線性回歸、多元線性回歸、逐步回歸、主成分回歸、非線性回歸、事件概率回歸、偏相關和多元回歸、嶺回歸、典型回歸分析和多重回歸。

(二)焦家帶深部金礦預測方法

對焦家帶深部金礦預測採用了礦區和礦床相結合的礦產資源評價方法，力求做出礦床數、位置、質量及相應數量的描述。這項工作是建立在大量翔實數據基礎上的評價工作，評價方法置於地質條件分析基礎之上，是對成礦控制因素的綜合研究。主要涉及5種預測評價方法:地質類比法、趨勢外推法、地質幾何法、地質－地球物理法、地質－地球化學法。

地質類比法是以某些勘查程度較高的礦區作為類比的標准，通過對關鍵參數的比較，對未知區進行評價的一種方法。本項目主要是通過比較已發現深部礦與淺部礦的關系、深部礦的分布產出特點，研究礦化富集規律，建立礦床模式和區域成礦模式，預測未知區礦床存在的位置、規模。

趨勢外推法是成礦預測中應用最早的一類較成熟的方法。立足於礦床(體)的已知特徵，根據礦床(體)有關特徵的自然變化趨勢從已知地段外推相鄰未知地段內的有關特徵。該方法使用簡便、直觀，效果又較好，在礦區深部及外圍的成礦預測中得以廣泛應用。本書運用趨勢外推法，根據礦體外部特徵變化外推深部礦體延深及規模，根據礦體內部特徵變化外推深部礦體品位、體重等參數，根據成礦規律外推深部尖滅再現礦體。

地質幾何法是採用幾何方法估算預測礦床的資源量，即把形狀復雜的礦體預測描繪成簡單的幾何形體，並將礦化復雜狀態轉變為在影響范圍內的均勻化狀態，達到快速、大致估算其體積和資源量的目的。本次工作採用塊段法估算預測的資源量。

地質－地球物理法是在地質勘查研究的基礎上，通過研究地球物理場或某些物理現象，以推測、確定預測對象的物性特徵，進而推斷預測對象的地質屬性。本項目主要根據CSAMT、SIP法所建立的地球物理模型和預測的礦體位置，推測未知區礦床分布。

地質－地球化學法是在地質勘查研究的基礎上，以地球化學分散暈為主要研究對象，通過調查有關元素在地殼中的分布、分散及集中的規律，結合地質分析，達到預測礦床(體學)的目的。本項目根據井中構造地球化學暈，分析判斷所處礦體位置，預測深部礦體學分布。

❸ 有關礦產資源評價新方法模型的探討

一、「三步式」礦產資源潛力評價方法

「三步式」礦產資源評價方法是美國USGS目前推薦使用的一種未發現礦產資源的潛力評價方法，它在1975年就開始探索(Nokleberg，2002)，在20世紀90年代形成較為完善的方法體系，並在美國本土礦產資源評價中作為標准方法得到使用。我國學者趙鵬大等(1994)較早介紹了該方法。「三步式」(THREE-PART)評價方法按英文翻譯應該是趙鵬大翻譯的「三部式」，但它確實又是有先後順序的3個有機部分。USGS修正的「三步式」評價方法框架圖如圖1-1。

美國地質調查局Warren J.Nokleberg在「Metallogenic analysis as an integral part of themineral resource assessment」項目中對MA與QMRA方法給予了深入的剖析。正如圖1-1所述，「三步式」評價方法包括3個大的步驟：

圖1-1 修正的USGS三步式評價方法圖

1)圈定成礦遠景區帶；

2)估計成礦遠景區帶的可能礦床個數的分布；

3)使用世界范圍的預測礦種類型的標准品位噸位模型，進行資源潛力的定量估計。

在上述三步中，最重要的是第一步。在該步工作中Warren J.Nokleberg又給出6點具體工作步驟，包括：

1)定義關鍵標准術語；

2)編制地質構造建造地圖；

3)系統描述和研究地區礦床特徵模型，以期總結評價區可能的礦床類型；

4)歸納和總結礦床模型和找礦模型；

5)圈定含有已知礦床、礦點的成礦遠景區；

6)根據總結的成礦區帶找礦模型圈定未發現已知礦床的遠景區。

在圈定成礦遠景區帶方面又有兩種不同的方法，即以上述6項工作為基礎的礦床成因模型法和信息合成綜合的定量評價方法(圖1-2)。在信息合成綜合的定量評價方法中他們既使用特徵分析和證據權法，又使用了非線性神經網路技術，從而提高預測評價的精度和靈活性。

從上述說明，我們可以發現三步式礦產資源評價並不是一個什麼全新的評價方法，它不過是一些有效方法的集成組裝。我國在20世紀80～90年代廣泛開展的二輪成礦遠景區劃和中大比例尺成礦預測中同樣廣泛使用綜合信息礦產資源成礦規律編圖、綜合信息找礦模型建立和基於蒙特卡羅計算機定量模擬等，而且在使用綜合信息進行區域三維立體成礦規律研究方面是走在前面的。但有兩個成果是值得我們借鑒的：①一致的區域構造建造編圖；②標準的礦床模型和品位噸位模型。以往我們在開展資源定量評價中往往是使用地區的品位噸位模型，這樣一個地區一個結果，而且產生「領導資源量」，研究礦床模型的專家往往不太介入具體的評價預測資料分析工作，使模型和預測相對脫節。

圖1-2 基於信息合成綜合定量評價

二、「三步式」礦產資源潛力評價方法構造建造編圖問題

各種成礦學說都表明礦床不是自來之物，它與一定地質環境和地質建造有關。「導致礦床的產生，特別是內生礦床的成礦作用是地殼歷史發展的統一而復雜作用過程的一個方面，它在其歷史發展過程中，與地質作用其它方面即沉積作用、構造運動、岩漿活動和變質作用有著最密切的關系。礦化作用可以而且應該從其歷史發展和與地殼地質發展作用過程的所有其它方面相互聯系的角度進行研究」(畢利賓)。前蘇聯學者從地質建造出發強調礦床是地殼不同大地構造(地槽、地台、岩漿構造活化)發展演化的結果，一定礦床是特定的地質構造產物，不同構造建造單元的礦床產出類型有根本區別。在地槽發展早期主要是銅、鎳、鐵等礦床，而在地槽晚期則主要是與岩漿活動有關的中、低溫多金屬礦產。在地台區沉積蓋層金屬礦床主要是層控低溫礦床和一些與鹼性岩有關的礦產。以板塊成礦學說為代表，歐美地質學家也十分強調一定大地構造環境對礦床的控製作用，他們主要採用將今論古方法，根據現代大洋洋脊、島弧火山及大陸裂谷等不同成礦環境來認識地質歷史發展過程中不同成礦地質構造環境。著名的斑岩銅礦及與海底火山作用有關的黑礦被認為是大洋板塊俯沖的結果，非洲南德特大型金鈾礦床則認為是古老克拉通成礦環境的產物，而一些大型金剛石礦床被認為是大陸裂谷環境的產物。查·赫奇遜在《大地構造環境與成礦作用》一書中較系統地論述了各種構造環境成礦作用，可以看出盡管不同成礦學派的出發點不同，但都強調構造環境對礦床生成起著制約作用。

成礦地質構造環境編圖在「三步式」資源評價中佔有極其重要的地位，是進行各種預測最基本的出發點。一方面通過編圖可以認識研究一定的構造環境分區、構造環境地質建造的演化以及相關的礦產的可能分布；另一方面在標準的礦床模型中，構造環境是一個重要的圈定成礦遠景區的標准准則。在「三步式」資源評價中構造環境底圖目前已相當精細，不僅要反映大的構造分區，如地台、克拉通、島弧等，還要表達不同構造環境的物質組成(李錦軼)。在地質底圖中還應表達礦床模型涉及的標志單元，如在注意區分認識區域不同地質環境成因California低硫石英脈礦床評價中，在編圖中重點表達了低區域變質的沉積火山岩建造、成礦建造及成礦建造系列(Singer，Cox)。

三、「三步式」礦產資源潛力評價方法多元勘查信息綜合應用問題

Warren J.Nokleberg(2002)指出在成礦地質底圖編制中應該加強多元勘查信息的解譯和應用。地球物理、地球化學和遙感等勘查技術獲取的信息對隱伏地區礦產和深部構造、岩體的識別有重要作用。

地球化學預測起始於前蘇聯，主要研究一定區域內成礦作用元素及其組合在時間和空間上的分布特點。目前地球化學預測主要有求異方法和綜合方法。求異方法主要是在考慮地質背景前提下充分研究各種地球化學異常的性質、研究評價地球化學異常的性質結構，進而選出最有利的異常區。綜合方法主要是充分利用區域地球化學資料研究元素在不同地質建造中的表現形式，分析區域成礦地球化學規律進而進行地化預測。這兩種分析預測途徑都是可取的，它們對提高預測水平十分有效。

地球物理預測主要是通過研究地球物理異常與分析礦床與地球物理場關系兩個方面進行。對於某些特殊類型的礦種(鐵、放射性鈾礦等)直接研究地球物理異常無疑是十分有效的預測方法。在礦區利用井中電磁波法能夠圈定某些漏掉的有色金屬礦體，激發極化法和視電阻率法是礦區尋找金屬礦體的有效方法。然而在區域預測中對大多數礦床來說地球物理預測法永遠只是一種間接預測方法。由於地球物理方法的「穿透性」特點，它能夠提供有效的深部隱伏地球物理大地構造信息，通過物探資料能夠分析地質建造結構、深部變化、界面等。各國學者都十分注意利用地球物理信息進行成礦分析。在前蘇聯安德列耶夫認為負重力異常與地槽帶相對應，而正異常則與地台區相對應，並得出在正重力異常有銅、金礦床，在負重力異常有錫、鎢礦床；穆石敏根據地球物理資料研究了中國華北大地構造特點，並進行了礦產初步預測；王懋基通過地球物理資料研究認為鎢-錫成礦與岩石圈低密度有關，表現為重力低，而鉛鋅礦化主要在重力異常梯度帶上。更多的地質學家強調利用地球物理資料研究區域地質構造發展演化特點，特別是利用地球物理信息的穿透性，識別大量的隱伏構造，研究各種構造的相互依存關系，研究構造的規模大小、延深、期次、序次等，並與區域成礦作用研究結合起來，查明成礦時各種構造(包括隱伏構造)進而開展區域成礦預測。例如王世稱在華北地台金礦預測中就廣泛利用航磁重力信息，研究金礦資料體的磁場、重力場特徵，並以此建立綜合信息找礦模型。

隨著高解析度航天儀的出現，遙感信息預測也愈來愈受到人們的重視。由於遙感信息的穿透性和總和性特點，對區域成礦線性構造、環形隱伏構造識別特別有效，無疑地遙感航天預測可以通過研究區域構造的(特別是線性構造)展布及構造復雜程度(等密度圖)與礦產分布關系來進行科學預測。近來美國、加拿大利用遙感信息直接預測找礦取得了經驗，他們主要是利用紅外波段(1.65μm及2.2μm、Tm5及Tm7)對礦化蝕變進行顯示，Tm5對鐵礦化有強烈的反映作用，而Tm7 波段對熱液礦化、泥質粘土卻有強烈的吸收，這樣利用Tm5/Tm7可以較好判別有強烈熱液蝕變的礦化顯示。

地球化學、地球物理、遙感預測的預測標志因素具有明顯多解性，據美國礦產局調查，10萬個化探異常與礦點、礦床之比為100∶4∶0.7，可見化探異常出現受許多非礦化因素制約，例如有剝蝕水平、地表景觀影響等。地球物理異常的多解性更為人所知，電磁波法異常不僅與富礦、漏礦有關，也可能與一些富水斷層有關。遙感信息Tm5/Tm7圖像礦化指標卻受到不同岩性、植被強度的影響。因此這些方法與地質預測的有機結合以及這些異常標志的及時驗證對預測是至關重要的。為了減少這種物化遙信息使用的多解性帶來的風險，王世稱多年總結的以地質直接信息為先驗前提，科學進行綜合信息礦產資源編圖方法是一種可行的方法。

四、「三步式」評價定量方法的幾個問題

1.關於使用遠景區礦床個數問題

在「三步式」評價中未發現的礦產資源潛力數量=遠景區可能的礦床個數×該類型的礦床品位×該類型礦床噸位，品位和噸位可以由標准礦床模型得到，但遠景區礦床個數卻是需要估計的。我們發現估計礦床個數與我們國家經常使用的直接用回歸方法或邏輯信息法預測資源量同樣困難。就此問題我們在研究中向Singer求教，我們的問題是這樣的：

Dear Dr Singer：

I have study your data of Chinese porphyry deposits.I found these may have some question.First some deposit type may be skarn type, secondly there are too many deposits in Tibet that are not important.I have a question about three parts methods，the number of deposits in the tracts is the same difficulty to estimate with the metal resource.Why not estimate the metal resource directly，do not use number×grad×tonnage?

Singer的回答是：的確估計礦床數和估計資源量同樣是一件困難的事，但使用品位噸位模型可能對估計資源量的經濟評價有一定的參考。

2.關於TRACT問題

在礦產資源定量評價中，評價預測單元劃分是一項重要工作，通常單元有網格單元(GRID)、地質單元(IGU)、靶區(TARGET)等概念，在「三步式」評價中使用了「TRACT」，究竟「TRACT」是什麼級別的成礦遠景區?Warren J.Nokleberg(2002)有較明確的解釋。TRACT是受某特定構造事件控制的(如岩漿弧、碰撞帶等)可能產生一組有成因聯系的礦床組合的區域，相當於MA分析的BELT。TRACT邊界可以是重要的構造邊界或含礦岩系范圍，在TRACT外不太可能有該類型礦床存在，邊界是非規則的。和我國成礦區帶比較，BELT相當於我國3～4級成礦區帶，因此TRACT評價是一種小比例尺的戰略評價工作。

3.品位噸位模型問題

Singer給我們提供了世界標准斑岩銅礦品位噸位數據。我們使用MRAS軟體進行了對比研究，發現我國斑岩銅礦品位噸位模型的統計分布和世界斑岩銅礦一樣，都服從正態分布。但如果使用世界斑岩銅礦作為MARK3軟體的模型樣本則估計的銅礦資源量較使用我國模型高一倍。由此我們向Singer提出我國斑岩銅礦品位噸位模型和世界不一樣，Singer提出了品位噸位模型研究3點意見：小於4.5Mt礦石的斑岩銅礦不應該進入模型；所有2km²的銅礦儲量要加起來；要進行T檢驗。

4.經濟成本濾波器模型

在礦產勘查市場經濟社會，礦產的市場價格對礦產資源量的估計有一定的影響，市場價格上升使降低一定的品位也可能產生采礦利潤。經濟成本礦產資源評價在北美研究得較為深入，Harris有專著論述，從文獻看USGS已在MARK3軟體中加入了經濟成本濾波器模塊，但目前還沒有相關的文獻可以參考。經濟成本濾波器模型可用圖1-3表達，可以看出研究此類問題還需要知道目前哪些礦床由於經濟原因不能開采，在我國目前還沒有這方面的材料，所以本次對該問題研究較少。

圖1-3 礦產資源評價經濟成本濾波器概念模型

5.專家系統和數字礦床模型

數字礦床模型是本項目首次提出的新概念(見本項目2001年工作設計)。在此之前趙鵬大提出了數字找礦模型，該概念內涵是應用定量方法建立礦床與多元地質信息的關系，和本項目提出的數字礦床模型有一定區別。在立項時主要提出建立銅、金礦床的數字知識庫，主要是參照了澳大利亞地質調查局Lesley Wyborn等(1995)編寫的在已知礦床不多的地區運用GIS進行礦產資源勘查評價的模型，試圖將專家系統與GIS技術結合起來。2002年在USGS的網頁上正式見到Singer領導的資源評價項目組提出的Digital Deposit Model研究方向。

澳大利亞地質調查局Lesley Wyborn等首先從成礦系統(圖1-4)出發在專家系統知識基礎上，使用ARC/INFO平台開發了相應的評價方法。其工作原理如下：

(1)第一步

在這個「礦化系統」中總結了澳大利亞礦床的知識，將其作為區域「礦化系統」的組成部分，形成某種類型礦床必要的關鍵因素，並在GIS中可用數字圖形條件表示。礦床首先應被考慮為區域到礦田不同尺度的「礦化系統」，然後分解成局部的、礦田的、區域的不同尺度圖形條件。對於礦床生成的必要條件(如氧化流體、溫度、母岩組分)，必須轉化為能夠為GIS所能表達的特徵(如蝕變帶、變質組分、交代岩體類型等)。在一個「礦化系統」范圍內，就有可能運用礦床模型發現更多的礦床，特別是與已知礦床類型相同的礦床。

圖1-4 礦床知識庫的成礦系統模式庫

(2)第二步

開發高質量的地學GIS應用資料庫系統，將上述圖形表示的地質條件轉化為可查詢的屬性。

(3)第三步

開發對上述GIS系統進行分析的資源潛力評價的方法系統。該方法系統並不依賴要求已知礦床要達到一定的數目，因此綜合分析的結果可看作是一種統計依據。已開發的GIS分析技術有3種不同的、但又互為補充的方法：第一種方法體系實際上是基於已知礦床或礦化系統特徵的數字化資料庫的專家系統；第二種體系是用戶可互動式圈定有潛力地區的分布圖；第三種方法對已知礦化區(或被考慮有潛力的異常區)的周圍區帶進行研究，然後確定在GIS所有圖層內這些區帶的具體地方表示。

上述基於地質模型金屬成礦分析方法的關鍵問題是怎樣將礦床模型在計算機上進行表達，怎樣將礦床模型知識與GIS空間資料庫聯系起來。只有當數字化地圖及資料庫被有效地建立，只有當礦床模式的礦化系統以可圖示化標准來表達，而不是用溫度值、壓力和流體化學表示時，在GIS平台上發展的方法學才不會受局限。

根據上述思路我們總結了本次數字礦床模型的研究思路，即開發定礦床類型、定礦床遠景區位置和遠景區成礦有利性優選的數字礦床模型評價系統。

自從USGS 1980年首次研製成功PROSPECTOR斑岩銅礦專家系統，並找到斑岩鉬礦以來(Duda等，1981)，礦床勘查評價專家一直十分重視礦床專家系統的研究工作，1986、1994年MacCammon又將Singer等建立的全球86個標准礦床模型的知識庫數字化。當前，將GIS技術、地學空間資料庫與專家系統結合仍然是礦產資源評價的重要熱點研究方向，根據專家知識從海量GIS空間地學資料庫挖掘有用信息是今後地學信息技術發展的重要方向。

❹ 煤礦采空區沉陷研究方法

目前，對於開采沉陷評價的研究主要可以分為兩大類:經驗分析方法和理論分析方法。經驗分析方法的特徵是繞開岩體的變形機理，從地表移動現象觀測入手，直接將地表沉陷與地質采礦因素聯系起來，在大量的地表觀測資料基礎上進行統計分析，得到描述岩層與地表移動變形的統計方法。這種方法具有代表性的是概率積分法、典型曲線法和剖面函數法等。概率積分法是已經成為較成熟的、在我國應用最為廣泛的一種研究方法。目前在《建築物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中已經把概率積分法列為主要的開采沉陷計算方法。但由於岩體本身以及受采動岩體移動規律的復雜性影響，即煤礦開采導致的岩層移動現象是非線性的，其失穩表現為具有平穩隨機過程，而且是多解的;當煤礦開采導致岩層失穩時，系統原有的穩定性遭到破壞，宏觀狀態具有異常漲落的特點，屬於非平穩的隨機過程，這時試圖直接刻畫諸點之間的動力學相互作用，把握瞬間系統內部變化的所有細節與遍歷的狀態之間的關系，幾乎是不可實現的。而且作為復雜性系統的一種獨特行為，失穩的發生受多因素的相互作用的影響，因素之間的相干效應以及原有影響因素以外的某一隨機因素干擾的異軍突起，都有可能產生微妙的變化，經過放大，決定著系統突變最終狀態的走向，從而使系統演化問題具有多解性和難以預測性。所以這種方法所用的理論模型很難全面准確地反映岩層和地表移動的規律，不得不進行某種簡化，即不再追求其內部細節的動力學過程，僅僅刻畫系統的狀態、行為、特徵的動力學變化。因而在預測大傾角煤層的沉陷時，准確度不高。在有些條件下該方法的預測結果甚至與實測結果相差很大。

理論分析法分為兩種:一種是力學研究方法，另一種是數值分析方法。①力學研究方法:上覆岩層的結構問題以及該結構以什麼樣的形式存在，一直是采礦工作者關注的問題。在研究這個問題的過程中，提出了許多結構假說及理論模型，這些都推動了人們對采場上覆岩層運動規律的認識(鄒友峰等，2003)。礦井塌陷的機理是百餘年來許多礦業發達國家致力研究的重要理論問題和實際問題，但由於現場觀察和測量的困難，再加上礦層和覆岩的成分、結構、構造和物理力學性質變化多端，礦層壓力的變化和岩層的移動狀況難於詳細觀測，因而至今尚未形成通用公認的礦山塌陷理論。現今運用較多的理論主要有:俄羅斯的M.M.普羅托吉亞科夫於1907年根據結構力學中的壓力曲線理論提出的拱形冒落論和德國人哈元和吉列策爾於1928年補充說明了拱形冒落的假說提出的壓力拱假說;由德國的舒爾茨和斯托克提出的懸臂梁 (板)冒落論和冒落岩塊碎脹充填論(紀萬斌等，1998)。我國學者(錢鳴高院士、李鴻昌等)發展了冒落岩塊鉸接論，提出的砌體梁平衡說及20世紀80年代後期提出的采場薄板礦壓理論(賈喜榮，1997); 謝和平等(2003)提出的礦山岩體損傷力學方法，開拓了「礦山岩體力學研究與應用」新領域研究。②數值分析方法(鄒友峰等，2003)是利用力學原理，通過假設、簡化將岩體抽象為一定的力學模型，在此基礎上建立岩體的基本微分方程，然後根據給定的邊界條件，求解微分方程，得到各種問題的應力、應變、位移等未知量。這種方法因其能夠考慮岩體的固有屬性，適應不同特徵的岩體采動沉陷問題，在一定程度上較有效地反映出采動岩體的破壞狀態，應用較廣泛，也是目前解決岩體復雜條件下開采沉陷問題的常用計算方法。它包括有限元法、邊界元法、離散單元法、拉格朗日元法、非連續變形分析等方法。

采空區地表穩定性評價方法都是建立在開采沉陷預測評價研究方法基礎上，與評價對象穩定性評價相結合的綜合方法。常用采空區地表穩定性評價方法很多，如《工程地質手冊》通過力學平衡的分析方法，得出了臨界深度的計算公式，用來評價采空區場地建築的適宜性。概率分析法通過中國開采沉陷研究學者的補充和完善，已經成為采空區穩定性評價方法中使用最廣泛的一種。

但是目前的研究中仍然存在諸多的不足之處，例如:①對於時間過程的刻畫，現有的研究仍是一種靜態的分析，僅是對於采空區地面沉陷某一狀態的分析與評價，但采空區覆岩破壞與地面沉陷是一個復雜的隨時間和空間變化的四維問題，是空間和時間的連續函數，所以對於采空區地面沉陷的機理研究仍有許多未解決的問題;②由於煤礦山煤層厚度、埋藏深度、上覆岩層的力學性質和厚度不一，地表地形變化大，地面沉陷特徵在空間上分布也不相同，但目前的研究多將各參數概化為均一的，無法體現開采沉陷規律在空間上的變化;③對於空間結構的刻畫，由於煤礦山地質條件復雜多變，而且大多數煤礦山地面變形監測數據不完整，尤其是中小型煤礦山根本沒有地面變形的監測，無論是經驗分析方法還是理論分析方法，都在實踐中存在很大的局限性。因此，在實際生產中，實用便捷的開采沉陷評價方法的研究，顯得十分迫切。

所以，本研究擬以煤礦山的生產時間為線索，從煤礦山開采沉陷的時空發展規律出發，綜合分析關於采空區岩層移動與地表變形機理研究已有的假說和理論模型，對煤礦山開采沉陷機理進行分析;針對大峪溝煤礦，對貫穿於煤礦山生產全過程的開采沉陷時空評價方法進行研究，包括開采沉陷風險評估方法、已采空區沉陷現狀與地面穩定性評價方法;並根據風險評估、現狀評價和穩定性評價結果，提出煤礦山開采沉陷的防治對策。具體研究思路如圖3.1所示。

圖3.1 研究思路框圖

❺ 理論研究

煤層底板突水的預測預報是煤礦防治水工作中的一個十分重要的環節。長期以來，針對這一課題取得了一系列重要成果，開展了大量的研究工作。這些研究總的來說可以分為三大類：第一類是以采礦礦壓為主要影響因素，試圖通過研究底板隔水岩層在礦壓和采動破壞作用下的變形、破壞特徵來認識煤層底板突水規律；第二類是綜合考慮與煤層底板突水災害發生有關的各方面因素，通過應用地理信息系統的多源地學信息復合疊加方法，建立多因素致災的GIS煤層底板突水預測預報模型；第三類則以水壓為主要煤層底板突水因素，主要考慮承壓含水層的水壓力對隔水底板的破壞作用，如斯列薩列夫理論、煤層底板突水系數等。第一類和第三類屬於岩體工程地質力學法，第二類屬於泛決策分析法。下面分別討論這三類方法。

一、以采礦礦壓為主要影響因素

1.采動破壞研究

采動破壞深度的研究通常有以下3種方法：

（1）實驗分析：通過對工作面采動破壞的實際觀測來尋求底板的破壞深度。這方面西安煤田地質勘探分院、山東礦院等單位做了大量的現場工作。現場實測的方法有鑽孔注水法、鑽孔超聲波法、鑽孔電磁法、鑽孔超聲成像法等。根據礦壓破裂理論，可以說工作面越寬，采礦擾動破壞深度越大。這一破壞深度一般為6～14m，最大達25m，這一帶是最易發生底板突水的區域。

（2）理論研究：胡寬容（1976）按照采礦和地質條件，按功能守衡和能量轉化原理，建立了圍岩破壞帶的半理論、半經驗公式，得出了計算底板破壞深度的一系列半經驗公式^［29］；張金才（1987）採用簡化力學模型，運用彈性力學、彈塑性力學理論研究了底板裂隙帶的深度，並提出了底板破壞深度的計算方法^{［31，16，2］}。采動裂隙帶深度研究的發展為煤層底板突水機理的定量研究奠定了基礎。

（3）統計分析：張金才（1984～1987）統計分析了國內100多個生產工作面底板采動裂隙帶深度和工作面斜長的關系，研究結果表明，底板采動裂隙帶深度h與斜長L呈指數關系（h=0.291^0.8L）^［31］；高延法（1988）對底板裂隙帶深度進行了多元回歸分析，結果表明，裂隙帶深度h與采深H、傾角α、斜長L成正比，而與岩層堅固性系數F成反比［h=0.009H+0.0448α-0.3113F+7.9291n（L/24）］^［2］，並通過分析認為主要影響因素是工作面斜長，其次是采深和底板岩性。

2.特殊結構煤層底板突水機理

特殊結構底板主要指存在陷落柱或斷裂構造的底板。李金凱、周萬芳運用斷裂力學理論研究了五種斷層面鉸合情況下斷層的再破壞情況^［10］，這對斷層帶煤層底板突水的研究具有重要意義。郭維嘉等運用光彈試驗得出了底板應力分布的曲線形態^［5］；張金才等進行了長壁工作面開採的相似材料模擬試驗^［31］，得出了底板中應力變化規律。

3.煤層底板突水的下三帶理論

山東科技大學李白英教授等提出了評價煤層底板突水的下三帶理論。該理論認為煤層底板在采動影響下自上而下可分3個帶，即由礦壓產生的底板導水破壞帶、具有隔水性能的隔水層帶和由礦壓、水壓聯合作用而產生的承壓水一導升帶。劉宗才等（1991）也提出了評價煤層底板突水的下三帶理論，認為底板采動破壞後呈現三帶規律，從上到下第一帶為直接破壞帶，該帶導水性發生了顯著變化；第二帶為完整岩層帶或保護層帶，該帶位於第一、三帶間，雖遭礦壓作用產生彈塑性變形，但仍保持原來的連續性，隔水性能未變；第三帶為導升帶，包括原始導升帶和再導升帶^{［16］，［32］}。

4.煤層底板突水評價的結構力學方法

葛亮濤等（1992）把底板隔水層看作由許多固支十字梁交織而成的固支矩形板，並運用結構力學理論研究了底板隔水層的極限抗破壞能力，認為水壓超過底板隔水層極限承載力時，就會發生煤層底板突水災害，並由此得出了底板采後最易發生煤層底板突水點的臨界水壓方程^［3］。

5.「零位破壞」與「原位張裂」^{［24，22，23，25］}理論

王作宇等（1993）在煤層底板突水研究上也作了一定的工作，運用「零位破壞」和「原位張裂」來作總結，其觀測成果對煤層底板突水機理的研究具有很大的參考價值。劉天泉應用現代力學理論研究了圍岩的采動響應規律，提出了圍岩采動影響的「頂三帶」、「側三帶」和「底三帶」理論^［14］。

6.數值方法在煤層底板突水機理研究中的運用

國內有許多學者運用數值方法來研究底板采動應力分布^［1］。凌榮華等（1991）^［28］在此基礎上進一步研究了煤層底板突水機理，他們通過對底板岩層的三維應力數值模擬，分析了底板岩層的采動效應，總結出底板應力變化的一系列規律，為煤層底板突水機理的研究提供了新的方法。

二、多源地學信息復合處理法

信息復合技術是隨著計算機技術和遙感技術發展起來的，它是對多源地學信息（如地理信息、地質信息、遙感信息等）進行綜合處理的一種新方法。它以地理坐標確定的空間二維平面為基礎，建立各種地學信息資料庫，並與相應的計算機軟、硬體系統構成地理信息系統，它能夠進行各種專題圖件之間的運算、分析和綜合等處理。

煤層底板突水災害事故是一個由多因素共同作用的結果，多源信息復合疊加方法恰好能夠描述與煤層底板突水災害有關的多方面因素，並能建立多因素共同作用的煤層底板突水預測模型。中國礦業大學資源與環境科學學院鄭世書、孫亞軍等利用GIS和多源信息復合方法對焦作東部礦區煤層底板突水問題進行了首次預測預報，取得了較好的效果。但是，上述成果主要是針對焦作整個東部礦區所做的工作，其研究性質具有明顯的「面」的特徵，對演馬庄礦的具體煤層底板突水災害預測問題，起到了宏觀的指導作用。

本書則注重「點」的研究，針對焦作礦區演馬庄礦，特別是礦井二水平三采區的煤層底板突水預測問題，應用地理信息系統技術進行了一系列研究。其具體的研究方法首先是在綜合分析礦井水文地質條件和煤層底板突水特徵的基礎上，分析確定煤層底板突水災害的所有致災因素，在地理信息系統的支持下，應用多源地學信息復合疊加方法建造一個由多個變數控制的具有實際物理意義的GIS煤層底板突水預測數學模型，然後對煤層底板突水災情做出預測預報。

人工神經網路（ANN）在焦作礦區九里山礦得到了應用，本文應用GIS和ANN耦合技術對我國大水礦區焦作礦區演馬庄礦（「點」的研究）、北方煤礦區（「面」的特徵）進行了煤層底板突水預測預報。

三、以水壓為主要影響因素

1.水壓影響的研究

朱澤虎等（1989～1991）分析了底板采動後的水壓影響，提出了深層剪切破壞、深層剪切——張拉破壞的力學概念，並運用力學理論演繹了水壓影響下隔水層破壞的發生、發展過程^［36］。

2.煤層底板突水系數理論

我國礦山和科研部門，在分析、總結大量煤層底板突水實例的基礎上，認識到煤層底板突水與底板含水層靜水壓力和底板隔水層厚度之間存在一定的平衡關系，20世紀60年代初由中國煤炭科學研究總院西安煤田地質勘探分院提出了煤層底板突水系數這一概念，並定義煤層底板突水系數T_S=P/M，即為單位隔水層厚度上的靜水壓力^［29］。煤層底板突水系數理論綜合了其他因素的綜合影響，它從統計規律上闡述了煤層底板突水的原因。

匈牙利等國還注意到不同強度和阻隔水性能的底板岩層具有不同的阻隔水性能，它們以泥岩抗水壓能力為標准，將其他岩性隔水層厚度換算成泥岩厚度，這樣，換算後的等效厚度值不僅有厚度，而且有強度概念^［29］。煤層底板突水系數由此表達為

河南省煤礦開采水害綜合控制技術研究

式中：T_S——突水系數，MPa/m；

P——隔水層承受的水壓，MPa；

M——底板隔水層厚度，m；

C_P——采礦對底板隔水層的擾動破壞厚度，m。

比以往更全面地反映了煤層底板突水因素對煤層底板突水的影響作用。

3.靜力梁理論

前蘇聯學者B·Д·斯列薩列夫認為，巷道底板可以看作一個兩端固支承受均布荷載的靜力梁，可以用彈性力學理論分析梁的受力情況，並認為梁的破壞首先是張破壞^［29］。當實際水壓H_實＞H_理安時，底板隔水層就會產生失穩破壞，從而導致煤層底板突水。

❻ 礦物鑒定和研究的化學方法

礦物鑒定和研究的化學方法包括簡易化學分析和化學全分析:

(一)簡易化學分析法

簡易化學分析法，就是以少數幾種葯品，通過簡便的試驗操作，能迅速定性地檢驗出樣品(待定礦物)所含的主要化學成分，達到鑒定礦物的目的。常用的有斑點法、顯微化學分析法及珠球反應等。

(1)斑點法:這一方法是將少量待定礦物的粉末溶於溶劑(水或酸)中，使礦物中的元素呈離子狀態，然後加微量試劑於溶液中，根據反應的顏色來確定元素的種類。這一試驗可在白瓷板、玻璃板或濾紙上進行。此法對金屬硫化物及氧化物的效果較好。現以試黃鐵礦中是否含Ni為例，說明斑點法的具體做法。

將少許礦粉置玻璃板上，加一滴HNO₃並加熱蒸干，如此反復幾次，以便溶解進行完全，稍冷後加一滴氨水使溶液呈鹼性，並用濾紙吸取，再在濾紙上加一滴2%的二甲基乙二醛肟酒精溶液(鎳試劑)，若出現粉紅色斑點(二甲基乙二醛鎳)，表明礦物中確有Ni的存在。因此該礦物應為含鎳黃鐵礦。

(2)顯微化學分析法:該法也是先將礦物製成溶液，從中吸取一滴置載玻片上，然後加適當的試劑，在顯微鏡下觀察反應沉澱物的晶形和顏色等特徵，即可鑒定出礦物所含的元素。

這方法用來區別相似礦物是很有效的，例如呈緻密塊狀的白鎢礦(Ca［WO₄］)與重晶石(Ba［SO₄］)相似，此時只要在前者的溶液中滴一滴1∶3H₂SO₄，如果出現石膏結晶(無色透明，常有燕尾雙晶)，表明要鑒定的礦物為白鎢礦而不是重晶石。

(3)珠球反應:這是測定變價金屬元素的—種靈敏而簡易的方法。測定時將固定在玻璃棒上的鉑絲之前端彎成一直徑約為1mm的小圓圈，然後放入氧化焰中加熱。清污後趁熱粘上硼砂(或磷鹽)，再放入氧化焰中煅燒，如此反復幾次，直到硼砂熔成無色透明的小球為止。此時即可將灼熱的珠球粘上疑為含某種變價元素的礦物粉末(注意!一定要少)，然後將珠球先後分別送入氧化焰及還原焰中煅燒，使所含元素發生氧化、還原反應，借反應後得到的高價態和低價態離子的顏色來判定為何種元素。例如在氧化焰中珠球為紅紫色，放入還原焰中煅燒一段時間後變為無色時，表明所試樣品應為含錳礦物，具體礦物的名稱可根據其他特徵確定之。

(二)化學全分析

化學全分析包括定性和定量的系統化學分析。進行這一分析時需要較為繁多的設備和標准試劑，需要較純(98%以上)和較多的樣品，需要較高的技術和較長的時間。因此，這一方法是很不經濟的，除非在研究礦物新種和亞種的詳細成分、組成可變礦物的成分變化規律以及礦床的工業評價時才採用。通常在使用這一方法之前，必須進行光譜分析，得出分析結果以備參考。

❼ 礦物物理性質測定與研究方法

礦物物理性質涉及的內容很多，不少物理性質參數對礦物的應用研究也有很重要的意義，它們都有相應的儀器精確測定，如熱電儀、熱發光儀、熱導儀、磁化率儀、反射率儀等。以下僅簡要介紹礦物的顯微硬度、相對密度和折射率等幾種最基本物理性質的測定方法。

1.顯微硬度

顯微硬度測試方法很多，使用最廣泛的是壓入法。壓入法就是把一個很硬的壓頭以一定的壓力壓入試樣的表面，使金屬產生壓痕，然後根據壓痕的大小來確定硬度值。壓痕越大，則材料越軟；反之，則材料越硬。根據壓頭類型和幾何尺寸等條件的不同，常用的壓入法可分為布氏法、洛氏法和維氏法3種。

布氏硬度試驗是施加一定大小的載荷P，將直徑為D的鋼球壓入被測礦物表面後保持一定時間，然後卸除載荷，根據載荷P的大小和鋼球在金屬表面上所壓出的壓痕直徑查表即可得硬度值。

洛氏硬度以頂角為120℃的金剛石圓錐體作為壓頭，以一定的壓力使其壓入礦物表面，通過測量壓痕深度來確定其硬度。被測礦物的硬度可在硬度計刻度盤上讀出。洛氏硬度有HRA、HRB和HRC 3種標尺，其中以HRC應用最多，一般用於測量硬度較大礦物和經過淬火處理後較硬材料的硬度。

維氏硬度測定的基本原理和布氏硬度相同，區別在於壓頭採用錐面夾角為136℃的金剛石棱錐體，壓痕是四方錐形。

維氏硬度用H_V表示，H_V的計算式為

結晶學與礦物學

式中：F為載荷，N；d為壓痕對角線長度，mm。

2.密度

密度是指單位體積物質的質量，單位是g/cm³。而相對密度是物質的密度與參考物質的密度在對兩種物質所規定的條件下的比，系量綱為一的量。密度的測量可以用稱量法、流體靜力稱衡法和比重瓶法。

（1）稱量法

對一密度分布均勻的物體，若其質量為m，體積為V，則該礦物的密度：

結晶學與礦物學

對幾何形狀簡單且規則的礦物，可用分析天平準確地測定礦物的質量m，用游標卡尺或千分尺等量具測定其體積V，由上式求出樣品的密度，但此方法往往既麻煩又不易測准，從而降低了測量精度。

（2）流體靜力稱衡法

對幾何形狀不規則的礦物，其體積無法用量具測定，但可利用阿基米德原理，先測量礦物在空氣中的質量m，再將礦物浸沒在密度為ρ₀的某液體中，該礦物所受到的浮力F等於所排開的液體的重m₀g量，即

F=ρ₀×V×g=m₀×g

礦物在空氣中的質量m，在液體中的質量m₁均可由分析天平精確測定，此礦物的密度可由下式確定：

結晶學與礦物學

液體的密度隨著溫度變化，在某一溫度下的密度，通常可以從物理學常數表中查出。因此，求礦物體積就轉化為求m和m₁的問題，而m和m₁是能夠准確測定的。

（3）比重瓶法

用比重瓶法能夠准確地測定小塊固體或粉末顆粒狀礦物的密度。假設空比重瓶質量為m₀，比重瓶加待測固體的總質量為m₁，比重瓶加待測固體和加滿液體時的總質量為m₂，比重瓶僅盛滿液體時的質量為m₃，則待測礦物的密度可由下式求出

結晶學與礦物學

3.折射率

光線自一種透明介質進入另一透明介質的時候，由於兩種介質的密度不同，光的進行速度發生變化，即發生折射現象。一般折射率系指光線在空氣中進行的速度與在待測物質中進行速度的比值。根據折射定律，折射率是光線入射角的正弦與折射角正弦的比值，即

n=sin i/sin r

式中：n為折射率；i為光線入射角；r為折射角。

物質的折射率因溫度或光線波長的不同而改變，透光物質的溫度升高，折射率變小；光線的波長越短，折光率就越大。

對於礦物等固體物質可以用油浸法測定，利用穩定的油在顯微鏡下比較貝克線，再用阿貝折射儀測定浸油的折射率。

❽ 除有限單元法外，岩土工程常用到哪些數值方法，並對比其優缺點

岩土工程常用的數值方法包括：有限差分法、邊界元法、離散元法、顆粒元法、不連續變形分析法、流形元法、模糊數學方法、概率論與可靠度分析方法、灰色系統理論、人工智慧與專家系統、神經網路方法、時間序列分析法。
有限單元法的優缺點：有限單元法的理論基礎是虛功原理和基於最小勢能的變分原理，它將研究域離散化，對位移場和應力場的連續性進行物理近似。有限單元法適用性廣泛，從理論上講對任何問題都適用，但計算速度相對較慢。即，物理概念清晰、靈活、通用、計算速度叫慢。
有限差分法：該方法適合求解非線性大變形問題，在岩土力學計算中有廣泛的應用。有限差分法和有限單元法都產生一組待解方程組。盡管這些方程是通過不同方式推導出來的，但兩者產生的方程是一致。另外，有限單元程序通常要將單元矩陣組合成大型整體剛度矩陣，而有限差分則無需如此，因為它相對高效地在每個計算步重新生成有限差分方程。在有限單元法中，常採用隱式、矩陣解算方法，而有限差分法則通常採用「顯式」、時間遞步法解算代數方程。
邊界元法：該方法的理論基礎是Betti功互等定理和Kelvin基本解，它只要離散求解域的邊界，因而得到離散代數方程組中的未知量也只是邊界上的量。邊界元法化微分方程為邊界積分方程，離散劃分少，可以考慮遠場應力，有降低維數的優點，可以用較少的內存解決較大的問題，便於提高計算速度。
離散元法：離散元法的理論基礎是牛頓第二定律並結合不同的本構關系，適用對非連續體如岩體問題求解。該方法利用岩體的斷裂面進行網格劃分，每個單元就是被斷裂面切割的岩塊，視岩塊的運動主要受控於岩體節理系統。它採用顯式求解的方法，按照塊體運動、弱面產生變形，變形是接觸區的滑動和轉動，由牛頓定律、運動學方程求解，無需形成大型矩陣而直接按時步迭代求解，在求解過程中允許塊體間開裂、錯動，並可以脫離母體而下落。離散元法對破碎岩石工程，動態和准動態問題能給出較好解答。
顆粒元法：顆粒元方法是通過離散單元方法來模擬圓形顆粒介質的運動及其相互作用，它採用數值方法將物體分為有代表性的多個顆粒單元，通過顆粒間的相互作用來表達整個宏觀物體的應力響應，從而利用局部的模擬結果來計算顆粒群群體的運動與應力場特徵。 不連續變形分析方法：該方法是並行於有限單元法的一種方法，其不同之處是可以計算不連續面的錯位、滑移、開裂和旋轉等大位移的靜力和動力問題。此方法在岩石力學中的應用備受關注。
流形元法；該方法是運用現代數學「流形」的有限覆蓋技術所建立起來的一種新的數值方法。有限覆蓋是由物理覆蓋和數學覆蓋所組成的，它可以處理連續和非連續的問題，在統一解決有限單元法、不連續變形分析法和其他數值方法的耦合計算方面，有重要的應用前景。
無單元法：該方法是一種不劃分單元的數值計算方法，它採用滑動最小二乘法所產生的光滑函數去近似場函數，而且又保留了有限單元法的一些特點。它只要求結點處的信息，而不需要也沒有單元的信息。無單元法可以求解具有復雜邊界條件的邊值問題，如開裂問題，只要加密離散點就可以跟蹤裂縫的傳播。它在解決岩石力學非線性、非連續問題等方面具有重要價值和發展前景。
混合法：對於復雜工程問題，可採用混合法，即有限單元法、邊界元法、離散元法等兩兩耦合來求解。
模糊數學方法：模糊理論用隸屬函數代替確定論中的特徵函數描述邊界不清的過渡性問題，模糊模式識別和綜合評判理論對多因素問題分析適用。 概率論與可靠度分析方法：運用概率論方法分析事件發生的概率，進行安全和可靠度評價。對岩土力學而言，包括岩石（土）的穩定性判斷、強度預測預報、工程可靠度分析、頂板穩定性分析、地震研究、基礎工程穩定性研究等。
灰色系統理論：以「灰色、灰關系、灰數」為特徵，研究介於「黑色」和「白色」之間事件的特徵，在社會科學及自然科學領域應用廣泛。岩土力學中，用灰色系統理論進行岩體分類、滑坡發生時間預測、岩爆分析與預測、基礎工程穩定性、工程結構分析，用灰色關聯度分析岩土體穩定性因素主次關系等。
人工智慧與專家系統：應用專家的知識進行知識處理、知識運用、搜索、不確定性推理分析復雜問題並給出合理的建議和決策。岩石力學中，可進行如岩土（石）分類、穩定性分析、支護設計、加固方案優化等研究。 神經網路方法：試圖模擬人腦神經系統的組織方式來構成新型的信息處理系統，通過神經網路的學習、記憶和推理過程進行信息處理。岩石力學中，用於各種岩土力學參數分析、地應力處理、地壓預測、岩土分類、穩定性評價與預測等。
時間序列分析法：通過對系統行為的漲落規律統計，用時間序列函數研究系統的動態力學行為。岩石力學中，用於礦壓顯現規律研究、岩石蠕變、岩石工程的位移、邊坡和硐室穩定性等、基礎工程中降水、開挖、沉降變形等與時間相關的問題。

❾ 礦床學研究內容和方法

礦床學研究內容通常可概括為研究礦床的特徵及其形成條件、形成作用與過程時空分布及其控制因素。前者即闡明礦床的成因，後者即查明礦床的分布規律。礦床學正是圍繞著這些問題的提出和解決不斷發展起來的。

現代礦床學已包括以下一些相對獨立而又互有聯系的研究領域。成因礦床學或稱礦床地質學討論礦床成因和分布的基本理論問題。金屬礦床學研究各種金屬富集成礦條件及礦床類型。非金屬礦床學研究各類非金屬礦產形成條件和礦床類型。礦相學在顯微鏡下研究金屬礦石的礦物組成和微觀組構。區域成礦學主要是通過分析區域成礦背景，闡釋成礦作用演化和礦床分布規律。還有礦床地球化學是礦床學與地球化學的邊緣學科，從 20世紀30～40年代開始把地球化學理論和方法應用到礦床研究以來，顯著地擴展了礦床研究的廣度和深度。

礦床研究工作一般是結合著礦床的發現、勘查與開采過程而進行的。研究一個具體礦床的工作內容大體包括以下方面：①區域地質特徵，礦床在區域地質構造分區中的位置，該地區的沉積作用、岩漿作用，構造發展和成礦的有利背景。②礦區地質特徵，區內的岩石、構造類型和特點，礦床的產出條件及分布。③礦體的產狀和形態及其空間位置的控制，礦體內外礦化特徵變化的查明。④礦石的類型，礦石的組成和組構，有用組分的存在形式，影響礦石質量的因素。⑤綜合研究，礦床成因和類型的確定，礦床的評價。在不同工作階段中研究的內容有所側重，在礦床尋找和發現初期，著重研究區域和礦區與成礦有關的基礎地質問題，對該地區成礦條件作出遠景評價。在礦床勘查階段，研究工作更多地圍繞礦床本身。通過詳細的地質工作和各項勘探工程所取得的資料數據的整理分析，總結礦床的特點並作出對礦床的工業評價。在勘查工作進程中以及開采過程中也常常需要針對生產中遇到的問題進行某些專題性研究工作。總的來說，礦床研究始終是圍繞這兩個中心，一是盡可能獲取礦床成因信息，二是取得充分的礦床評價的資料和數據。

礦床研究內容的多層次性和綜合性，要求多種礦床研究方法的相互配合與補充。礦床研究要應用礦物學、岩石學、地層學、構造地質學等各基礎學科的理論和方法。當然，更要應用和發展礦床地質學、礦相學這些礦床學自身的理論和方法。隨著礦床地球化學已成為研究礦床不可缺少的內容，許多藉助現代分析測試技術進行分析對比的礦床地球化學研究方法已得到迅速發展和廣泛應用。下面對野外現場地質研究和實驗室研究重要方法及特點作一概略介紹。

野外或現場地質觀察研究：在收集和研究前人工作成果資料的基礎上進行工作區地質路線和重點地段的踏勘調研，實際了解區域地質特點及成礦條件。對礦區內地表露頭和揭露礦體的各種勘探工程、鑽孔岩心進行全面的觀察和描述，同時採集各類標本、樣品，並作系統的編錄，為進一步實驗室研究准備材料。

地質填圖是區域和礦區地質研究的基本方法，一般區域地質圖採用中比例尺，礦區地質圖採用大比例尺。隨著礦床類型的不同，進行中大比例尺填圖時都帶有專門地質測量的性質。如針對沉積岩區、火山岩區、侵入岩區、構造簡單或構造復雜地區都有相應的岩石學研究和構造測量與解析等不同研究內容和方法特點。

利用各種類型勘探工程成果補充地面地質觀察研究是礦床地質研究的重要特點和優點。經過合理選擇和精心布置的探槽、淺井、坑道及鑽孔，揭露和控制了礦體的分布和產狀形態變化。在山地工程的工作面上和對鑽孔的岩心進行詳細觀察、素描和描述，並系統采樣分析，確定礦體邊界，並獲得對礦石類型、特徵與質量變化的了解。整理各項工程資料，編制出適當比例尺的坑道平面圖，勘探線剖面圖，以及縱剖面圖等地質圖件，這些圖件是獲得對礦床從局部到整體的認識和客觀反映礦體特徵以及正確進行礦床評價的基本依據。

實驗室研究：包括傳統的岩石學、礦相學方法和有了很大發展的包裹體研究方法以及在現代分析測試技術基礎上發展起來的礦床地球化學研究方法。

岩石學和礦相學：在透射光和反射光顯微鏡下研究礦區岩石和礦石的類型、礦物組成和組構特點，確定礦物共生組合和生成順序，劃分成礦階段，查明一些礦物的賦存狀態，以及測量礦物顆粒大小和交生關系等影響礦石加工工藝的性質。顯微鏡下觀察一方面彌補了肉眼觀察尺度的限制，另一方面又為作進一步微區、微量組分研究指示方向，它是一個重要的中間環節。

礦物包裹體研究：包裹體研究是在礦床研究中早已應用的方法之一，近年來有了很快的發展，這里包裹體指的主要是礦石中某些礦物內部的氣液相包裹體，它們是當礦物形成時被捕獲在其晶體缺陷中的少量成礦流體。這類包裹體多數＜100μm，在顯微鏡和冷、熱台上研究改變溫度時氣液相包裹體的變化可測得或計算出成礦時的溫度、壓力，也可以測定其鹽度、密度、PH值、氧化還原指標等。藉助新的技術也已能夠進行包裹體內微區微量成分分析和流體的穩定同位素組成的分析，而獲取到更多的成因信息，包裹體研究是現在研究成礦流體最直接有效的方法之一。

現代分析測試技術方法的應用：在一般岩礦鑒定基礎上，針對某些特殊需要還可以選擇應用光譜（發射光譜、吸收光譜、拉曼光譜）、極譜（汞電極極譜）、質譜（氣體質譜和固體質譜）、色譜（氣相色譜、液相色譜）、能譜分析（如中子活化法），確定有關岩石和礦物的化學成分，包括微量成分和礦物微區的成分。也可以選擇利用 X射線分析、熱分析、電子顯微鏡分析（透射電鏡、反射電鏡及掃描電鏡即電子探針）和礦物譜學（紅外、核磁共振、穆斯堡爾譜等）研究其結構和原子價態，有的也涉及礦物成分。

現代分析測試應用到研究地球化學以來已經積累了大量的各類數據，對這些數據進行了整理研究和統計計算，已經大大豐富和深化了對各種地球物質的化學組成、化學作用和化學演化規律的認識。礦床地球化學研究方法主要就是通過分析測試取得研究對象分析測試的結果後與已有數據、已建立起來的規律性進行對照和比較，作出有關成礦物質來源、成礦物理化學條件等的判別與解釋。現在應用最多的是微量元素研究和同位素研究。

微量元素研究：微量元素一般是指地殼中豐度較小、主要以類質同象或混入形式存在於主元素礦物或岩/礦石中的一些元素，各種金屬礦物內有不同的微量元素組合，例如鉛鋅礦石內有Cd、In、Ga、Ge、Se、Te、T1，鎢錫礦石內有Nb、Ta、Sc、Te、Bi、In、稀土元素等。已知在內生和外生成礦作用過程中微量和常量元素出現一定的演化序列，微量元素與相關常量元素的比值可作為地殼物質演化與成礦作用的標志。一些礦物或共生的礦物對微量元素的含量可用作地質溫度計。研究地區岩石和礦石中微量元素含量與已經計算出來的地球層圈、各類岩漿岩、沉積岩中微量元素豐度值的比較可用於成岩成礦物質來源的探索和構造環境的推斷。特別是稀土元素中14個元素的含量經標准化後作出的REE配分型式以及稀土元素總量、重稀土元素的比值、Eu 和Ce元素組成與標準的偏離（δEu，δCe）等參數都已用於判別成礦物質來源、成礦過程物理化學條件。

同位素研究：首先穩定同位素地球化學研究能獲得許多成岩成礦信息。應用硫化物硫同位素組成與隕石硫作標準的對比（δ³⁴S）可以判斷硫的來源，區分出隕石硫、海相硫酸鹽型硫、生物硫或其間的過渡類型。應用氫、氧同位素組成與大洋水標准對比（δD、δ¹⁸O）可獲得成礦流體水的類型和來源，區分出是大氣降水、盆地地下水、地層水、變質水與岩漿水等。同樣，利用碳酸鹽礦物中的δ¹⁸O、δ¹³C也可以判別流體的起源與演化。成礦系統中硫和碳同位素結合起來研究可以確定成礦流體的溫度和fo₂、fs₂、fco₂等物理化學參數及礦石沉澱機理。一些硫化物礦物對的同位素組成也可作為地質溫度計。

同位素年齡測定是應用放射性同位素衰變的基本原理，確定岩石和礦物形成時間的方法。一個計時的同位素系統包括放射性母體和穩定子體。研究工作主要是對選送樣品分析得到的數據進行整理、計算和作圖，得出其年齡值。要根據礦床類型選擇適合的測定對象和測定方法，如岩漿礦床可以用同時形成的含礦圍岩確定；鈾礦床可用晶質鈾礦等礦石礦物用 U-Pb法測定；稀土礦床用獨居石進行 Th-Pb或 Sm-Nd法測定得出准確成礦年齡；對硫化物礦床可用其中的黃鐵礦進行Re-Os法和⁴⁰Ar-³⁹Ar法測定；方鉛礦進行礦石鉛-鉛法測年。有的礦床也可以用成礦期間蝕變礦物進行測年。另外，要考慮不同成礦時代的礦床用不同的測定方法。如元古宙以前的礦床用 Sm-Nd全岩等時線法，晚元古代至古生代礦床用Rb-Sr全岩等時線法較好，新生代以來的礦床可用⁴⁰Ar-³⁹Ar 法、K-Ar法。現代成礦作用時代研究用¹⁴C法。

在礦床研究方法中，還應該提到成礦作用實驗研究和熱力學研究，這些研究顯然更具有理論研究的意義。礦床學文獻中早已引用了一些建立在實驗基礎上的各種熱力學相圖，用以說明成礦作用發生的物理化學條件和地質地球化學機理。現在的實驗研究就內容來看，不僅研究金屬元素在岩漿和熱液中的行為，而且已研究了揮發性組分在岩漿分異作用中和非岩漿成因低溫成礦作用中的行為與成礦的關系。由於礦床形成的復雜性和長期性，很難完全進行實驗模擬，因此實驗地球化學研究結果只是近似的，其應用是有條件的。此外，由於成礦作用實驗研究需要特殊的實驗設備和條件，其應用受到很大的限制。隨著成岩成礦模擬實驗的發展，礦物熱力學數據的不斷積累，可以用礦物組合的熱力學數據作為已知條件，用計算方法獲得有關礦物組合平衡溫度、壓力與逸度、酸鹼度及氧化還原電位之間的函數關系式，並繪制出溫度-壓力、溫度-逸度或酸鹼度-氧化還原電位的礦物平衡相圖，從而取得礦床形成物理化學條件某些定量或半定量的數據。現在，熱力學研究在成礦流體性質、金屬元素遷移和沉澱條件與機理、礦物組合的平衡關系、流體-岩石相互作用等方面都已取得了很好的成果。

❿ 成礦系統研究要點

關於成礦系統一詞在中外礦床學文獻中多有引用，但成礦系統的科學內涵和理論基礎卻很少涉及。筆者以系統觀和歷史觀為指導，在進行大量礦床實際研究和綜合分析的基礎上，提出了成礦系統論的六個要點，包括下列內容:

1.成礦系統的內涵與結構

成礦系統是由相互作用和相互依存的若幹部分結合成的有機整體。系統中各部分間的相互關聯和相互作用，即「成礦系統的結構」。一個成礦系統的結構一般包括以下四部分:

1)成礦要素:礦源、流體、能量、時間、空間。

2)成礦作用過程:成礦的發生、持續和終結。

3)成礦的產物(結果):由不同礦種和不同成因類型組成的礦床系列，以及由地質、地球物理、地球化學等異常組成的異常系列。

4)礦床形成後的變化、改造與保存。

從狹義上看，成礦系統的內涵只應包括前三者，即上列的1，2，3，也即:源-運-儲的過程。作者將礦床形成後的變化與保存也作為成礦系統的內涵之一，即:源-運-儲-變-保，顯然這是一個廣義的成礦系統的概念。

之所以如此考慮，是因為①礦床是地質歷史的產物，對絕大多數礦床來說，其形成歷史久遠，成礦過程我們在今天是觀察不到的，只能從對今日保存下來的礦床地質特徵去「再造」其形成過程。②從找礦工作看，絕大多數的找礦對象是「經過變化了的礦床」，只能從礦床的現存環境和其現狀去追蹤它的原貌、進一步去找到它。因此，作者是運用時-空一體的思路，將成礦系統及其演變作為一個整體加以研究，也即「成礦系統及演化」的概念。

成礦系統都是發生在一定的地質環境中，並受控於多種地質因素。因此，成礦系統的研究框架中就包括三部分:①成礦環境;②控礦因素;③成礦系統本身。而成礦環境、控礦因素和成礦系統都是隨時間而變化的，它們是一個動態的相互作用過程，即具有四維特徵。成礦系統及其演化的結構可表示如下圖(圖1-3，圖1-4)。

圖1-3 成礦系統及其演變的結構圖

圖1-4 成礦系統「源-運-儲-變-保」模式圖

在2009年作者又將成礦系統論概括為:成礦環境、成礦及保存過程(源、運、儲、變、保)、資源-環境效應三個方面，從而豐富和發展了成礦系統的理論基礎。

2.成礦系統的層次劃分

關於成礦系統與構造體系、成礦區劃三者的層次劃分及對應關系，姚書振、翟裕生(2010)提出以下方案:

成礦全球系統—全球構造-全球成礦網路

成礦巨系統—大地構造-成礦域

成礦大系統—區域構造-成礦省

成礦系統—大型構造-成礦帶(區)

成礦亞系統—中型構造-成礦亞帶(區)

成礦子系統—礦田構造-礦田

由上述各層次可見，成礦系統是區域尺度的，它們與相應尺度的區域構造和大型構造體系(構造動力體制)相匹配。因此，成礦系統也常稱為區域成礦系統。

以上諸層次中的關鍵是成礦系統的劃分。作者試以構造動力體制劃分成礦系統的類別(翟裕生，1999):

1)伸展構造成礦系統，有裂谷、伸展盆地、變質核雜岩———包括岩漿型，SEDEX，VMS等成礦系統。

2)擠壓構造成礦系統，有島弧、陸緣岩漿弧、造山帶、推覆構造———包括岩漿型、熱液型、變質型成礦系統。

3)走滑構造成礦系統，有轉換斷層、走滑斷層系(含拉分盆地)———包括斑岩型、熱液型成礦系統。

4)隆升構造成礦系統，地幔柱、地殼熱點、底辟構造系等———包括岩漿型成礦系統。

5)沉降構造成礦系統，盆地、拗陷帶等———包括沉積成礦系統、生物成礦系統。

6)韌性剪切帶成礦系統，結晶基底的韌性剪切帶，包括熱液型金礦床等。

7)特殊的成礦系統:包括大型隕石撞擊成礦系統，如加拿大肖德貝里的古隕石坑及相伴的岩漿型銅-鎳硫化物礦床。

在每一成礦系統類別中，按含礦建造和成礦作用分別命名各具體的成礦系統，如岩漿成礦系統、熱液成礦系統、沉積成礦系統、變質成礦系統、生物成礦系統、風化成礦系統等。

成礦系統命名涉及成礦系統的層次，一般應包括以下內容:

①成礦空間域(尺度);

②成礦時間域(時代);

③構造環境;

④成礦建造與成礦作用;

⑤成礦系列(亞系列)。

現以秦嶺及鄰區的成礦系統劃分為例(姚書振，2006)，說明成礦系統的命名原則(表1-1)。

3.成礦系統的發生———多因耦合與臨界轉換

成礦作用是一類特殊的地質事件，多因耦合與臨界轉換是成礦作用發生的普遍機制(翟裕生等，2001)。多因耦合:指在一定條件下多種因素間的相互作用和彼此影響。成礦作用涉及地質的、化學的、物理的、生物的諸多因素，地質因素中又包括構造的、地層的、岩石的等;物理化學因素中又包括溫度壓力、物質組分及行為等。多種有利控礦因素在一定時-空域中耦合是成礦發生的重要條件。

臨界轉換:各種控礦因素在特定條件下呈現出臨界狀態，常造成控礦因素和成礦參數的轉變(轉折)，包括突變、漸變。不同環境、不同尺度、不同形式的成礦參數的臨界轉換，是很多礦床形成的基本條件。例如，在構造的轉折、交匯、復合部位，溫度、壓力、流體性狀等參數常發生突變，導致成礦作用發生。

以斷裂帶中的熱液充填型礦床為例，在一個地區具備礦源、流體、通道等各項成礦因素時，一旦(短暫的)出現了突變、突發、質變、臨界狀態等地質運動(如岩石斷裂、構造地震、流體沸騰、流體混合、火山爆發等)，強大的能量突然釋放，原在岩石孔隙和裂隙中的含礦流體被激發出來，沿著突發斷裂產生的真空或擴大的自由空間，能夠快速大量地運移，在斷裂的減溫、減壓空間中停積和沉澱出大量成礦物質，從而形成熱液礦脈，如果斷裂反復發生多次，熱液充填多次，則可形成規模更大的復合礦脈。

4.成礦系統的產物(結果)———礦床和異常構成的礦化網路

礦床系列和異常系列(地、物、化、遙異常)都是成礦系統的產物，它們之間相互依存，共同構成「礦化網路」。礦化網路表現了在一定地質環境中由成礦系統產生的各礦床類型和有關異常的時空結構，它是成礦系統的具體內容的反映。

礦化網路的結構系指該網路中各礦床類型間的相互關聯和相互作用。它包括:①時間結構;②空間結構;③物質結構。深入研究這些結構特徵，對認識成礦規律和指導找礦均有重要意義。

對成礦系統的深入研究應從礦化網路入手，著重在以下方面:①各類礦床的發育程度;②各類礦床的空間關系;③各類礦床的時間關系;④各類礦床的成因聯系;⑤各類礦床被改造情況。這些都是礦床學和找礦預測研究的基礎內容，值得重視研究。

5.成礦系統的後來演變———礦床的變化與保存

礦床是地質歷史的產物，它們在地質歷史中產生，又最終在地史中消亡。大部分礦床在形成以後都經歷了後來的變化過程，有的消失了，有的規模減小了，有的形態發生了變化，有的發生了礦床類型的變化(如岩金→砂金)。因此，礦床學的基本內容是研究礦床的「來龍去脈」，即研究礦床形成、變化、破壞或保存的全過程。這是現代礦床學研究和礦產勘查開發所必須掌握的基礎知識。

表1-1 秦嶺造山帶及鄰區區域金屬成礦系統

(據姚書振，2006)

早期形成的礦床在後來變化中，可能有後期成礦系統的疊加，因而造成礦床的物質組成、構造結構、形態產狀的多樣性和復雜性。由於中國地質構造的多期性和復雜性，成礦系統疊加現象比較常見，其所產生的多成因礦床值得關注。

6.成礦系統的資源-環境雙重效應

前已述及，地質事件常具有資源-環境雙重效應。成礦系統所產生的礦床同樣具有資源-環境雙重效應。礦床是影響生態環境的一個因素，礦床除地質、資源屬性外，還有環境屬性。對成礦系統的產物「一分為二」地看，既包括有經濟價值的礦產資源，又含有無價值甚至有害的物質成分。例如，金屬礦床中常見的有害元素如Hg，Cd，As，U等在礦床開發過程中，將會在水、土、氣中擴散，損害礦山的生態環境。

因此，成礦系統研究不僅要「探寶」，還要「減災」，即關注並參與礦山環境整治。礦床研究主要是提供岩礦石鑒定測試中和礦山水文地質研究中獲得的有關有害物質的含量、賦存狀態、擴散方式、途徑、范圍等資料，可作為整治礦區環境和改善公共衛生的科學依據。

成礦系統研究的資源、環保效應可概括如圖1-5。

圖1-5 成礦系統研究的資源-環境效應

總之，成礦系統研究體現了礦床研究的發展趨勢。它強調研究成礦環境、成礦控制要素、成礦作用過程、成礦產物(礦床系列和異常系列構成的礦化網路)，以及礦床保存條件和成礦後的變化過程。成礦系統的整體分析、空間分析、時間分析，以及歷史分析對於區域勘查有重要的指導意義，並已獲得明顯的成效。