矿压研究方法中最基础的方法是

❶ 矿床地质学的研究方法

矿床地质学的研究一般采用下述方法：
东坪金矿床地质—地球化学找矿
①野外观察。对自然界有用元素的局部浓集区，有经济价值的矿体，特别是有工程控制的矿体、围岩等的地质特征，从地表到地下，利用必要工具与手段进行仔细观察并系统采集各种有代表性的矿物、岩石、矿石以及化石等标本和样品，测制相应图件。在矿化现象的关键部位进行系统观察,加密采样,以探索矿化作用的时空变化规律。对矿化作用正在进行的水体、喷泉、喷气孔，特别是洋底的喷流、火山喷发和热点等进行定期观察，以取得有关矿化作用的具体资料。 ②室内测试分析。对所采标本与样品，根据需要利用不同方法与相应仪器设备进行鉴定、测试和分析，取得结构构造图像，了解矿石的矿物组分、化学成分甚至痕量元素的含量以及测定矿化年龄等，以期阐明矿化的地质背景和物理、化学条件，论证矿质运移与沉积的可能机制，探讨矿质的来源。
③成矿模拟实验。自然界成矿作用的产生是地质历史中多种因素长期交互作用的结果。在实验室内，利用人工造成的几个主要变量（如压力、温度和介质等）的变化来模拟自然界的类似条件，在较短期间和很小的近似封闭的空间内，进行多种成矿现象的模拟实验，其结果可以加深人们对矿产形成条件的理解。有的矿石如水晶、金刚石等可在实验室内人工合成。自然界矿产大多是在近地表的开放系统中形成的，先进的实验室正在设计与建立模拟开放系统的装置，以使含矿流体在不平衡状态中的结晶与沉淀现象的实验，能更接近自然实际。④综合研究。矿床地质学研究正从定性研究向定量研究发展，但远未达到定量程度。矿床虽然有的类同，但无完全等同的。因此对典型矿床的区域地质背景、矿床地质、地球化学特征以及开采利用价值等方面，进行综合类比、分析研究，以作为地质找矿预测的线索，依然起主导作用。综合研究提出区域成矿学、成矿模式、品位吨位模式（见矿床模式）、地球化学数据的数学统计模式等。

❷ 成矿预测的理论方法

一、成矿预测的理论基础

成矿预测是应用地质成矿理论和科学方法综合研究地质、地球物理、地球化学和遥感地质等方面的地质找矿信息，剖析成矿地质条件，总结成矿规律，建立成矿模式，应用“由已知到未知”的原则评价未知区的资源量或圈定不同级别预测区，提出勘查工作重点区段或布置具体的勘查工程，达到提高找矿工作的科学性、有效性和提高成矿地质研究程度的一项综合性工作(赵鹏大等，2006)。矿产资源预测评价的理论归纳起来有以下几个方面。

1.地壳矿产资源富有度理论

该理论的要点是:地壳内元素的分布是非均匀的，元素的局部富集形成有经济价值的矿产资源，地壳内不存在完全没有矿产资源或资源完全枯竭的地区，也不存在各种资源完全集中的地区(朱裕生，1984)。资源量评价就是要确定某一地区存在何种资源、有多少资源量。这一理论阐明了矿产资源在地壳内存在的客观事实和对其作出评价的可能性。

2.相似类比理论

在相似地质环境中应该有相似的矿床产出。这是建立矿产资源同地质环境之间定量关系的理论指导原则。在此理论原则指导下，矿产资源预测采用“由已知到未知”的方法，即在已知区建立矿产资源量与地质条件之间关系的评价模型，外推到与已知区地质构造条件相似的预测区，对预测区的资源量作出估算(朱裕生，1984)。

3.矿产资源预测的模型理论、成矿作用的随机函数理论和控矿因素与成矿作用的函数联系理论

这是数学地质研究领域获得的成果之一。矿产资源预测评价都是直接或间接使用矿床模型。在实际工作中，应用地质数据(资料)和经验综合，建立矿产资源与地质条件之间关系评价的数学模型，根据模型预测矿产资源量。地质理论是建立矿产资源评价数学模型的基础(朱裕生，1984)。

4.地质变量的综合和分解理论

地质变量是建立矿产资源预测评价模型的基础。在各类原始地质数据中选取与矿产资源有关信息的地质变量，建立矿产资源预测评价模型，运用综合信息进行矿产资源预测评价。这就是数据综合的意义。现代流行的综合信息成矿预测、矿床模型综合地质信息预测技术是地质变量综合理论的深化发展。综合信息成矿预测是在地质理论为先验前提的条件下，以地质体和矿产资源体为单元，从地质演化的角度，研究地质、地球物理、地球化学、遥感等多元信息，对它们进行综合解释，进而建立综合信息找矿模型和综合信息预测模型，用综合信息预测模型作为工具，对研究区进行系统的评估。

对某一类型地质变量来说，评价使用的数据都经历了漫长的地质时期，是其地质历史行为的综合;对于同一时间过程而言，该变量又可看成是若干个更局部的不同地质作用的综合。从表示一系列地质作用最终结果的地质变量中分析它在各个不同时间和空间过程中的地质作用行为，特别是与资源成因有关的行为，预测矿产资源种类、位置或数量。这就是矿产资源预测评价中对变量分解的含义(朱裕生，1984)。

5.成矿系列理论

矿床成矿系列概念的全面论述是我国地质学家在长期以来找矿勘探工作和矿床地质研究过程中总结提出来的。它将在一个区域中与某一地质成矿作用有关，在空间、时间、成因上有联系的一组矿床，作为一个整体加以研究。这对于深入认识成矿规律，指导矿床勘查工作，有重要意义。就某一区域找矿而言，在详细研究区域地质构造背景基础上，运用成矿系列的概念可以对该区的成矿环境、控矿因素、成矿作用和可能出现的矿床类型有一个全面的分析和认识，即建立整体观念，根据已知矿床，找寻未知矿床，因而能起到扩大找矿思路，明确找矿方向的作用。

6.地质异常理论

地质异常是在成分、结构、构造和成因序次上与周围环境有着明显差异的地质体或地质体组合。如果用一个数值(或数值区间)作为阀值来表示背景场的话，凡超过或低于该阀值的场就构成地质异常。地质异常经常表现在地球物理场、地球化学场及遥感影像异常的不同，往往都是综合异常。不同尺度的地质异常，不仅具有不同的圈定标志和不同级别的范围大小特征，而且与成矿的关系各不相同。全球性地质异常是地壳圈层结构的异常，区域性地质异常是控制跨省区的成矿带、成矿省和成矿区分布的地质异常，局部性地质异常是控制成矿区内矿田、矿床和矿体产出的地质异常(赵鹏大等，2006)。

7.惯性原理

惯性原理是指客观事物在发展变化过程中常常表现出的延续性。成矿事件及其产物———矿床的惯性现象表现为在时间、空间上具有稳定的变化趋势。这种变化趋势越稳定，即惯性越强，则越不易受外界因素的干扰而改变本身的变化趋势(赵鹏大等，2006)。例如一些大的成矿带和脉状矿体的规模及延伸方向一般都比较稳定。成矿预测中常用的趋势外推法就是依据地质体的有关特征在空间上的惯性现象而发展起来的。

8.相关原理

相关原理是指任何成矿事件的发生变化都不是孤立的，而是在与其他地质作用的相互影响下发展的，并且这种相互影响常常表现为一种因果关系(赵鹏大等，2006)。例如成矿预测的对象———矿产资源通常是与各种岩石和构造有着密切的联系，一定类型的矿床是特定的地质作用的特殊产物。相关原理有助于我们全面、深入地分析与成矿有关的各种地质因素，从而正确认识矿床的有关特征及总结成矿规律，进而进行正确的预测。

9.地质解释的理论

地质解释就是把评价模型转化为地质成因和资源特征(期望的矿床数、吨位或品位)的概念(朱裕生，1984)。其重点是用地质专家掌握的地质理论和积累的经验补充已经建立的矿产资源评价模型中没有包括的矿产资源信息，并把它转化为地质和资源量概念。

二、成矿预测的主要方法

(一)成矿预测的基本原则和特点

1.由已知到未知的原则

对未知区进行矿产资源预测，常常是应用在已知区建立的某种模型评价未知区的资源。因此，未知区的地质构造条件要与已知区高度相似。这实际上是类比理论的具体应用。

2.建立矿产资源数量与地质条件的定量关系

这是矿产资源评价模型建立的必要条件，对未知资源预测评价具有决定作用，是预测评价工作中较困难的一环。有些预测评价模型，表面看来仅研究数据参数的分布和变化而不涉及地质条件，但实际上这种分布和变化是受地质条件支配的，隐含了地质条件的作用(朱裕生，1984)。

3.地质专家的知识和经验影响矿产资源预测评价

有些评价模型是建立在地质专家的知识和经验基础上的，实际上也是建立在矿产资源同各种地质条件之间的关系上，各种地质条件隐含在地质专家的经验和知识中(朱裕生，1984)。这种情况下，地质专家的知识和经验对矿产资源预测评价起决定作用，要求有不同专业高水平专家进行综合研究论证。

4.尽可能丰富的输入信息与尽可能简单的评价结果

矿产资源预测评价应该利用尽可能多的有用地质信息，以确保预测结果的准确度。但在结论上，则应尽可能的简单，这样才有利于地质人员识别和有关部门应用。

5.矿产资源定量估算的结果具有概率性

由于成矿作用的复杂性，我们所掌握的地质知识还远远不足以概括出一个准确的预测评价数学模型，我们所建立的各种矿产资源评价模型多带有随机性，预测的相应矿产资源量也具有随机性(朱裕生，1984)。因此，预测的矿产资源具有概率性，也就是说，所估计的矿产资源量不是绝对的，是在一定概率意义下的判断。

6.最小风险和最大含矿率原则

要求提交的预测成果在最小漏失隐伏矿床可能性的前提下，以最小的面积圈定找矿靶区的空间位置。

7.优化评价原则

优化评价是指预测人员根据对成矿规律和成矿控制因素的认识，有意识的干预模型的构成，对模型作有利成矿(或强化成矿信息)的定向转换(但要在不改变模型预测目标的前提下)，使模型突出一些其中重要的预测标志(或控矿因素)的信息，抑制某些成矿意义不明显或干扰较强的信息，迫使模型向成矿有利方向浓缩信息，突出找矿标志，逐步逼近潜在矿床，实现模型的定量化转换，最后提出最优找矿靶区(赵鹏大等，2006)。

(二)成矿预测评价方法简介

成矿预测是对过去发生的成矿事件的未知特征进行的估计或推断。预测的过程是一种严密的科学逻辑思维过程，包括观察、分析、归纳及推理等认识环节(赵鹏大等，2006)。具体的成矿预测方法有数十种，根据成矿预测评价的范围不同，可分为区域矿产资源预测评价、矿区预测评价和矿床预测评价三类，每类采用的具体方法有所区别(朱裕生，1984)。

1.区域矿产资源总量预测评价方法

(1)非地质标志的评价方法，包括齐波夫定律、历史产量法、拉斯基定律、赫威特曲线、空间分布统计模型等。

(2)主观评价方法，包括地质类比法、简单主观概率法、复杂主观概率法、主观网络法、德尔菲法等。

(3)简单地质标志模型评价方法，如体积估计法、区域价值评估法、趋势面分析法、丰度估计法等。

(4)定性地质标志模型评价方法，如模糊数学、逻辑信息法、特征分析法、数量化理论、概率回归、秩相关分析、蒙特卡罗法等方法。

2.矿区矿产资源总量预测评价方法

(1)主观评价方法，同区域评价方法(2)。

(2)成矿标志评价模型，如判断分析法、聚类分析法、回归分析法、因子分析法、对应分析法、矿床模型法、成因地质模型法等。

(3)定性成矿地质标志评价模型，同区域评价方法(4)。

(4)趋势外推法，包括矿体外部特征变化趋势外推法、矿体内部特征变化趋势外推法、成矿物化条件变化趋势外推法、控矿因素变化趋势外推法、预测标志变化趋势外推法、成矿规律趋势外推法等(赵鹏大等，2006)。

3.矿床矿产资源总量预测方法

(1)地质几何法。

(2)地质－地球化学法。

(3)地质－地球物理法。

(4)趋势外推法，同矿区评价(4)。

不同区域矿产资源预测评价方法是相对的，在具体预测评价中可以灵活地选用各种方法。各种矿产资源预测评价方法真正的基础是地质类比法。现代的矿产资源预测评价方法是与传统地质方法既有联系，又有发展的定量评价方法，是在地质研究的基础上围绕着矿产资源预测评价这个总目标应用数学方法建立各种模型，对一个地理区域、成矿区(带)或更小地区(矿床)作出潜在资源量的估计。

三、本项目金矿预测采用的方法

(一)胶西北区域金矿总量定量预测方法

胶西北金矿成矿地质条件复杂，找矿信息多元，因此难以用单一简单的预测方法对其资源总量进行正确评价。本次工作在前人工作的基础上，采用以综合信息成矿预测为基础的多种预测评价方法对胶西北地区进行金矿资源总量预测。

1.综合信息成矿预测

应用数学地质方法，借助于计算机将各种与矿产有关的地质要素、物探、化探和重砂异常等找矿信息加以综合解译而进行的矿产预测工作。综合信息成矿预测强调以地质为前提，以地质体为单元提取综合信息建立综合信息模型，以类比法进行矿产预测。本次预测在典型矿床、区域成矿规律、成矿条件研究的基础上，提取与成矿有关的有用信息，进行信息之间及信息与金矿资源之间统计对比，确定有用信息与金矿的关联。在有用信息分析基础上进行地质变量选择和赋值，并将变量分为定位变量和定量变量两种类型。

(1)定位变量选择。

定位变量的选择，主要考虑有用信息与资源特征的关系、在单元中有无统计性规律及信息的性质等因素。为实现对矿产资源的定位预测，建立了三态和二态两个变量系统，变量取自地层、构造、岩浆岩、重力、航磁、地球物理推断、重砂、化探、遥感九方面信息。

二态变量系统共选择了49个变量:

地层:①太古宙变质岩系;②荆山群、粉子山群;③地层成片出露;④地层呈残留体出露。

构造:⑤主构造为Ⅱ级构造;⑥主构造为Ⅲ级构造;⑦主构造方向为NE向、NNE向;⑧次级构造发育;⑨构造破碎带发育;⑩韧性变形发育;瑏瑡Ⅱ级构造从单元中间通过;瑏瑢单元位于Ⅱ级构造下盘;瑏A构造蚀变带为完全分带;瑏A蚀变类型为绢英岩化、硅化、黄铁矿化。

岩浆岩:瑏瑥太古宙TTG岩系、侏罗纪玲珑花岗岩(九曲、云山、崔召岩体);瑏瑦白垩纪郭家岭、文登、伟德山花岗岩;瑏瑧岩体相带为边缘相;瑏瑨片麻状、似斑状中粗粒花岗岩;瑏莹接触带为断层接触;瑐瑠接触带为侵入接触;瑐瑡石英脉、煌斑岩、辉绿玢岩岩脉发育。

重力:瑐瑢等值线为缓梯度带、鼻状区、扭曲区，速率小于1.5×10^－5m/(s²·km);瑐A等值线为较缓的梯度带，有弯曲，速率为(1.5～2.5)×10^－5m/(s²·km);瑐A重力场值在0～30×10^－5m/s²之间。

磁场:瑐瑥低缓交变场、低正场、低负场;瑐瑦有NE、NNE向磁场轴向。

地球物理推断:瑐瑧EW向基底构造≥10km;瑐瑨EW向基底构造为5km;瑐莹NE、NNE向构造＞5km;瑑瑠NE、NNE向构造为3km;瑑瑡NNE、NE与近EW向构造交汇;瑑瑢岩体的超覆、港湾状、舌状部位;瑑A隐伏岩体存在。

重砂:瑑AⅠ、Ⅱ级金重砂异常;瑑瑥以金为主Ⅰ、Ⅱ级组合异常;瑑瑦重砂异常与构造吻合程度较好;瑑瑧异常规模(与单元面积之比)＞50%。

化探:瑑瑨金化探组合异常;瑑莹其他组合异常;玚瑠化探异常规模(与单元面积之比)＞50%;玚瑡化探异常与构造吻合程度较好;玚瑢金异常值＞4×10^－9;玚A金异常值(2～4)×10^－9。

遥感:玚A环形构造发育;玚瑥环形构造存在;玚瑦EW向线性构造发育;玚瑧其他方向线性构造发育;玚瑨环线交、切程度复杂;玚莹环线交、切程度简单。

三态变量系统共选择了31个地质变量，变量名称及与成矿的关系见表9－1。

(2)定量变量选择。

定量预测变量，是描述性定量变量，能表达预测目标在规模上的差异，可以反映资源规模级别。同时，这些变量也是连续性变量，是用于回归预测模型进行地质单元资源量预测的变量。

描述性变量共包括7项25个变量:

1)预测单元与Ⅱ级断裂的距离:①随距离的增大，资源量规模变小，但二者不具有明显的线形关系;②赋存特大型、大型矿床的单元，多位于断裂带附近;赋存小型矿床的单元，多离主断裂4km以上;赋存中型矿床的单元其规律性不明显，即可近可远。说明这个信息对大型以上和小型矿具有区分能力。因此构置:①0km;②＜4km;③≥4km三个变量。

表9－1 三态变量类型一览表

2)单元与构造交汇点的距离:随着远离构造交汇点，单元矿床规模呈变小趋势。赋存特大型矿床的单元多在交点上，赋存小型矿床的单元则在远离交点的10km以上范围内，而赋存中型矿床的单元多数在5～10km范围内。据此设置①＜5km;②5～10km;③＞10km三个变量。

3)控矿断裂带的宽度:胶西北金矿资源储量规模有随断裂带宽度增大而变大的趋势，赋存中、小型矿床的单元其控矿断裂带宽度多数不大于10m，赋存特大型矿床的单元其控矿断裂带都在100m以上，赋存大型矿床的单元其控矿断裂带宽度变化较大。据此确定①≥50m;②50～10m;③＜10m三个变量。

4)金分散流异常面积与单元面积比:单元矿床规模同金分散流异常面积与单元面积的比值具有一定线形关系，仅个别单元摆动较大，不同规模单元有相对集中性。可以分为①＞90%;②70%～90%;③25%～70%;④＜25%四种区间，即为四种变量。

5)金异常面积:分为①＞70km²;②30～70km²;③10～30km²;④＜10km²四个类型，构置为四个变量。

6)金异常浓度:分为①＞200×10^－9;②(50～200)×10^－9;③(20～50)×10^－9;④＜20×10^－9四级，构置为四个变量。

7)面金属量与单元面积比:分成①＞200;②100～200;③10～100;④＜10四个比值区间，构置为四个变量。

2.定性地质标志模型评价方法

本次胶西北金矿资源总量预测评价使用的具体方法类型是区域矿产资源总量预测中的定性地质标志模型评价方法。在地质单元划分和变量提取基础上，建立模型单元，通过模型单元研究，建立数学模型，进行矿田的定位定量预测，优选找矿靶区。涉及4种数学预测评价方法:特征分析法———判断金矿资源的分布位置，逻辑信息法———评价资源量规模级别，蒙特卡罗法———预测成矿带(田)的资源量，回归分析法———确定资源量的空间分布。

特征分析法又称决策模拟，一种用于矿产统计预测的数学地质方法，其原理为由多个矿产统计预测变量中提取综合特征，根据综合特征建立模拟区和预测区之间的定量关系，并达到对未知区预测的目的。由于使用的计算方法不同，特征分析有不同的模型，常用的3种模型为:乘积矩阵矢量长度法模型、乘积矩阵主分量法模型和概率矩阵主分量法模型。特征分析法能帮助我们减少因原始数据不完备所引起的资源评价结果不确定性。它应用矿床的三维环境(包括地质环境、物理特征、化学特征和卫星影像特征)以及矿床产地和形成作用(即成因)的数据建立，检查和运用矿床模型，快速确定评价区的评价对象(单元或矿点)同已知模型的相似程度，或产出矿床的有利程度。

逻辑信息法是使用定性地质资料进行矿产资源评价的方法之一。该法是以数理逻辑、组合分析及概率统计为基础的一种综合性数学分析方法。借助组合分析和逻辑运算，比较观测对象结构关系的相似性，并确定这种结构中个别元素的作用。逻辑信息法的实质是对比预测对象的观测数据在构形上的变化和结构上的相似性。逻辑信息法是预测资源规模的有效方法，它通过对已知模型矿田单元的合理分级，建立变异序列筛选变量，计算标志权、模型及预测单元的对象权而达到预测资源量规模的目的。

蒙特卡罗法又称统计实验法、随机模拟法，是一种通过随机变量的统计实验、随机模拟求解数学问题的近似解的方法。它是一种应用较多的地质问题随机模拟方法。蒙特卡罗法模拟资源量大体分为以下过程:①构造概率模型，即建立资源量与参数之间的关联;②建立参数的统计分布;③产生随机数;④抽样，形成资源量分布;⑤用资源量分布模型估计预测区资源量，从而做出评价。

回归分析法，又称因子分析法，经济预测中最常用的预测方法之一。找出一个经济变量与某些视作主变化原因的变量(解释变量)之间的数学关系，即建立数学模型，然后用某种方法给出未来期间外生变量(即受模型中变量影响小，由外部条件决定的变量)的数值，将这些数值带入数学模型，计算出要预测的经济变量的未来数值，即预测值。该方法在矿产资源评价中也普遍使用，主要原因:一是它不仅能研究变量与变量之间的关系，而且能根据一个或几个变量值(自变量)估计另一个变量(因变量)的值，并且可以推断变量之间的关系;二是它能找到影响因变量的主要自变量和次要自变量，并确定这些变量之间的关系;三是回归分析中的逐步回归能自动从数量众多的可供选择的自变量中选出与因变量关系“最密切”的一组自变量，建立资源量与地质条件之间关系的评价模型，较直接地估算预测区的资源量。回归分析的数学模型较多，主要有:一元线性回归、多元线性回归、逐步回归、主成分回归、非线性回归、事件概率回归、偏相关和多元回归、岭回归、典型回归分析和多重回归。

(二)焦家带深部金矿预测方法

对焦家带深部金矿预测采用了矿区和矿床相结合的矿产资源评价方法，力求做出矿床数、位置、质量及相应数量的描述。这项工作是建立在大量翔实数据基础上的评价工作，评价方法置于地质条件分析基础之上，是对成矿控制因素的综合研究。主要涉及5种预测评价方法:地质类比法、趋势外推法、地质几何法、地质－地球物理法、地质－地球化学法。

地质类比法是以某些勘查程度较高的矿区作为类比的标准，通过对关键参数的比较，对未知区进行评价的一种方法。本项目主要是通过比较已发现深部矿与浅部矿的关系、深部矿的分布产出特点，研究矿化富集规律，建立矿床模式和区域成矿模式，预测未知区矿床存在的位置、规模。

趋势外推法是成矿预测中应用最早的一类较成熟的方法。立足于矿床(体)的已知特征，根据矿床(体)有关特征的自然变化趋势从已知地段外推相邻未知地段内的有关特征。该方法使用简便、直观，效果又较好，在矿区深部及外围的成矿预测中得以广泛应用。本书运用趋势外推法，根据矿体外部特征变化外推深部矿体延深及规模，根据矿体内部特征变化外推深部矿体品位、体重等参数，根据成矿规律外推深部尖灭再现矿体。

地质几何法是采用几何方法估算预测矿床的资源量，即把形状复杂的矿体预测描绘成简单的几何形体，并将矿化复杂状态转变为在影响范围内的均匀化状态，达到快速、大致估算其体积和资源量的目的。本次工作采用块段法估算预测的资源量。

地质－地球物理法是在地质勘查研究的基础上，通过研究地球物理场或某些物理现象，以推测、确定预测对象的物性特征，进而推断预测对象的地质属性。本项目主要根据CSAMT、SIP法所建立的地球物理模型和预测的矿体位置，推测未知区矿床分布。

地质－地球化学法是在地质勘查研究的基础上，以地球化学分散晕为主要研究对象，通过调查有关元素在地壳中的分布、分散及集中的规律，结合地质分析，达到预测矿床(体学)的目的。本项目根据井中构造地球化学晕，分析判断所处矿体位置，预测深部矿体学分布。

❸ 有关矿产资源评价新方法模型的探讨

一、“三步式”矿产资源潜力评价方法

“三步式”矿产资源评价方法是美国USGS目前推荐使用的一种未发现矿产资源的潜力评价方法，它在1975年就开始探索(Nokleberg，2002)，在20世纪90年代形成较为完善的方法体系，并在美国本土矿产资源评价中作为标准方法得到使用。我国学者赵鹏大等(1994)较早介绍了该方法。“三步式”(THREE-PART)评价方法按英文翻译应该是赵鹏大翻译的“三部式”，但它确实又是有先后顺序的3个有机部分。USGS修正的“三步式”评价方法框架图如图1-1。

美国地质调查局Warren J.Nokleberg在“Metallogenic analysis as an integral part of themineral resource assessment”项目中对MA与QMRA方法给予了深入的剖析。正如图1-1所述，“三步式”评价方法包括3个大的步骤：

图1-1 修正的USGS三步式评价方法图

1)圈定成矿远景区带；

2)估计成矿远景区带的可能矿床个数的分布；

3)使用世界范围的预测矿种类型的标准品位吨位模型，进行资源潜力的定量估计。

在上述三步中，最重要的是第一步。在该步工作中Warren J.Nokleberg又给出6点具体工作步骤，包括：

1)定义关键标准术语；

2)编制地质构造建造地图；

3)系统描述和研究地区矿床特征模型，以期总结评价区可能的矿床类型；

4)归纳和总结矿床模型和找矿模型；

5)圈定含有已知矿床、矿点的成矿远景区；

6)根据总结的成矿区带找矿模型圈定未发现已知矿床的远景区。

在圈定成矿远景区带方面又有两种不同的方法，即以上述6项工作为基础的矿床成因模型法和信息合成综合的定量评价方法(图1-2)。在信息合成综合的定量评价方法中他们既使用特征分析和证据权法，又使用了非线性神经网络技术，从而提高预测评价的精度和灵活性。

从上述说明，我们可以发现三步式矿产资源评价并不是一个什么全新的评价方法，它不过是一些有效方法的集成组装。我国在20世纪80～90年代广泛开展的二轮成矿远景区划和中大比例尺成矿预测中同样广泛使用综合信息矿产资源成矿规律编图、综合信息找矿模型建立和基于蒙特卡罗计算机定量模拟等，而且在使用综合信息进行区域三维立体成矿规律研究方面是走在前面的。但有两个成果是值得我们借鉴的：①一致的区域构造建造编图；②标准的矿床模型和品位吨位模型。以往我们在开展资源定量评价中往往是使用地区的品位吨位模型，这样一个地区一个结果，而且产生“领导资源量”，研究矿床模型的专家往往不太介入具体的评价预测资料分析工作，使模型和预测相对脱节。

图1-2 基于信息合成综合定量评价

二、“三步式”矿产资源潜力评价方法构造建造编图问题

各种成矿学说都表明矿床不是自来之物，它与一定地质环境和地质建造有关。“导致矿床的产生，特别是内生矿床的成矿作用是地壳历史发展的统一而复杂作用过程的一个方面，它在其历史发展过程中，与地质作用其它方面即沉积作用、构造运动、岩浆活动和变质作用有着最密切的关系。矿化作用可以而且应该从其历史发展和与地壳地质发展作用过程的所有其它方面相互联系的角度进行研究”(毕利宾)。前苏联学者从地质建造出发强调矿床是地壳不同大地构造(地槽、地台、岩浆构造活化)发展演化的结果，一定矿床是特定的地质构造产物，不同构造建造单元的矿床产出类型有根本区别。在地槽发展早期主要是铜、镍、铁等矿床，而在地槽晚期则主要是与岩浆活动有关的中、低温多金属矿产。在地台区沉积盖层金属矿床主要是层控低温矿床和一些与碱性岩有关的矿产。以板块成矿学说为代表，欧美地质学家也十分强调一定大地构造环境对矿床的控制作用，他们主要采用将今论古方法，根据现代大洋洋脊、岛弧火山及大陆裂谷等不同成矿环境来认识地质历史发展过程中不同成矿地质构造环境。着名的斑岩铜矿及与海底火山作用有关的黑矿被认为是大洋板块俯冲的结果，非洲南德特大型金铀矿床则认为是古老克拉通成矿环境的产物，而一些大型金刚石矿床被认为是大陆裂谷环境的产物。查·赫奇逊在《大地构造环境与成矿作用》一书中较系统地论述了各种构造环境成矿作用，可以看出尽管不同成矿学派的出发点不同，但都强调构造环境对矿床生成起着制约作用。

成矿地质构造环境编图在“三步式”资源评价中占有极其重要的地位，是进行各种预测最基本的出发点。一方面通过编图可以认识研究一定的构造环境分区、构造环境地质建造的演化以及相关的矿产的可能分布；另一方面在标准的矿床模型中，构造环境是一个重要的圈定成矿远景区的标准准则。在“三步式”资源评价中构造环境底图目前已相当精细，不仅要反映大的构造分区，如地台、克拉通、岛弧等，还要表达不同构造环境的物质组成(李锦轶)。在地质底图中还应表达矿床模型涉及的标志单元，如在注意区分认识区域不同地质环境成因California低硫石英脉矿床评价中，在编图中重点表达了低区域变质的沉积火山岩建造、成矿建造及成矿建造系列(Singer，Cox)。

三、“三步式”矿产资源潜力评价方法多元勘查信息综合应用问题

Warren J.Nokleberg(2002)指出在成矿地质底图编制中应该加强多元勘查信息的解译和应用。地球物理、地球化学和遥感等勘查技术获取的信息对隐伏地区矿产和深部构造、岩体的识别有重要作用。

地球化学预测起始于前苏联，主要研究一定区域内成矿作用元素及其组合在时间和空间上的分布特点。目前地球化学预测主要有求异方法和综合方法。求异方法主要是在考虑地质背景前提下充分研究各种地球化学异常的性质、研究评价地球化学异常的性质结构，进而选出最有利的异常区。综合方法主要是充分利用区域地球化学资料研究元素在不同地质建造中的表现形式，分析区域成矿地球化学规律进而进行地化预测。这两种分析预测途径都是可取的，它们对提高预测水平十分有效。

地球物理预测主要是通过研究地球物理异常与分析矿床与地球物理场关系两个方面进行。对于某些特殊类型的矿种(铁、放射性铀矿等)直接研究地球物理异常无疑是十分有效的预测方法。在矿区利用井中电磁波法能够圈定某些漏掉的有色金属矿体，激发极化法和视电阻率法是矿区寻找金属矿体的有效方法。然而在区域预测中对大多数矿床来说地球物理预测法永远只是一种间接预测方法。由于地球物理方法的“穿透性”特点，它能够提供有效的深部隐伏地球物理大地构造信息，通过物探资料能够分析地质建造结构、深部变化、界面等。各国学者都十分注意利用地球物理信息进行成矿分析。在前苏联安德列耶夫认为负重力异常与地槽带相对应，而正异常则与地台区相对应，并得出在正重力异常有铜、金矿床，在负重力异常有锡、钨矿床；穆石敏根据地球物理资料研究了中国华北大地构造特点，并进行了矿产初步预测；王懋基通过地球物理资料研究认为钨-锡成矿与岩石圈低密度有关，表现为重力低，而铅锌矿化主要在重力异常梯度带上。更多的地质学家强调利用地球物理资料研究区域地质构造发展演化特点，特别是利用地球物理信息的穿透性，识别大量的隐伏构造，研究各种构造的相互依存关系，研究构造的规模大小、延深、期次、序次等，并与区域成矿作用研究结合起来，查明成矿时各种构造(包括隐伏构造)进而开展区域成矿预测。例如王世称在华北地台金矿预测中就广泛利用航磁重力信息，研究金矿资料体的磁场、重力场特征，并以此建立综合信息找矿模型。

随着高分辨率航天仪的出现，遥感信息预测也愈来愈受到人们的重视。由于遥感信息的穿透性和总和性特点，对区域成矿线性构造、环形隐伏构造识别特别有效，无疑地遥感航天预测可以通过研究区域构造的(特别是线性构造)展布及构造复杂程度(等密度图)与矿产分布关系来进行科学预测。近来美国、加拿大利用遥感信息直接预测找矿取得了经验，他们主要是利用红外波段(1.65μm及2.2μm、Tm5及Tm7)对矿化蚀变进行显示，Tm5对铁矿化有强烈的反映作用，而Tm7 波段对热液矿化、泥质粘土却有强烈的吸收，这样利用Tm5/Tm7可以较好判别有强烈热液蚀变的矿化显示。

地球化学、地球物理、遥感预测的预测标志因素具有明显多解性，据美国矿产局调查，10万个化探异常与矿点、矿床之比为100∶4∶0.7，可见化探异常出现受许多非矿化因素制约，例如有剥蚀水平、地表景观影响等。地球物理异常的多解性更为人所知，电磁波法异常不仅与富矿、漏矿有关，也可能与一些富水断层有关。遥感信息Tm5/Tm7图像矿化指标却受到不同岩性、植被强度的影响。因此这些方法与地质预测的有机结合以及这些异常标志的及时验证对预测是至关重要的。为了减少这种物化遥信息使用的多解性带来的风险，王世称多年总结的以地质直接信息为先验前提，科学进行综合信息矿产资源编图方法是一种可行的方法。

四、“三步式”评价定量方法的几个问题

1.关于使用远景区矿床个数问题

在“三步式”评价中未发现的矿产资源潜力数量=远景区可能的矿床个数×该类型的矿床品位×该类型矿床吨位，品位和吨位可以由标准矿床模型得到，但远景区矿床个数却是需要估计的。我们发现估计矿床个数与我们国家经常使用的直接用回归方法或逻辑信息法预测资源量同样困难。就此问题我们在研究中向Singer求教，我们的问题是这样的：

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：的确估计矿床数和估计资源量同样是一件困难的事，但使用品位吨位模型可能对估计资源量的经济评价有一定的参考。

2.关于TRACT问题

在矿产资源定量评价中，评价预测单元划分是一项重要工作，通常单元有网格单元(GRID)、地质单元(IGU)、靶区(TARGET)等概念，在“三步式”评价中使用了“TRACT”，究竟“TRACT”是什么级别的成矿远景区?Warren J.Nokleberg(2002)有较明确的解释。TRACT是受某特定构造事件控制的(如岩浆弧、碰撞带等)可能产生一组有成因联系的矿床组合的区域，相当于MA分析的BELT。TRACT边界可以是重要的构造边界或含矿岩系范围，在TRACT外不太可能有该类型矿床存在，边界是非规则的。和我国成矿区带比较，BELT相当于我国3～4级成矿区带，因此TRACT评价是一种小比例尺的战略评价工作。

3.品位吨位模型问题

Singer给我们提供了世界标准斑岩铜矿品位吨位数据。我们使用MRAS软件进行了对比研究，发现我国斑岩铜矿品位吨位模型的统计分布和世界斑岩铜矿一样，都服从正态分布。但如果使用世界斑岩铜矿作为MARK3软件的模型样本则估计的铜矿资源量较使用我国模型高一倍。由此我们向Singer提出我国斑岩铜矿品位吨位模型和世界不一样，Singer提出了品位吨位模型研究3点意见：小于4.5Mt矿石的斑岩铜矿不应该进入模型；所有2km²的铜矿储量要加起来；要进行T检验。

4.经济成本滤波器模型

在矿产勘查市场经济社会，矿产的市场价格对矿产资源量的估计有一定的影响，市场价格上升使降低一定的品位也可能产生采矿利润。经济成本矿产资源评价在北美研究得较为深入，Harris有专着论述，从文献看USGS已在MARK3软件中加入了经济成本滤波器模块，但目前还没有相关的文献可以参考。经济成本滤波器模型可用图1-3表达，可以看出研究此类问题还需要知道目前哪些矿床由于经济原因不能开采，在我国目前还没有这方面的材料，所以本次对该问题研究较少。

图1-3 矿产资源评价经济成本滤波器概念模型

5.专家系统和数字矿床模型

数字矿床模型是本项目首次提出的新概念(见本项目2001年工作设计)。在此之前赵鹏大提出了数字找矿模型，该概念内涵是应用定量方法建立矿床与多元地质信息的关系，和本项目提出的数字矿床模型有一定区别。在立项时主要提出建立铜、金矿床的数字知识库，主要是参照了澳大利亚地质调查局Lesley Wyborn等(1995)编写的在已知矿床不多的地区运用GIS进行矿产资源勘查评价的模型，试图将专家系统与GIS技术结合起来。2002年在USGS的网页上正式见到Singer领导的资源评价项目组提出的Digital Deposit Model研究方向。

澳大利亚地质调查局Lesley Wyborn等首先从成矿系统(图1-4)出发在专家系统知识基础上，使用ARC/INFO平台开发了相应的评价方法。其工作原理如下：

(1)第一步

在这个“矿化系统”中总结了澳大利亚矿床的知识，将其作为区域“矿化系统”的组成部分，形成某种类型矿床必要的关键因素，并在GIS中可用数字图形条件表示。矿床首先应被考虑为区域到矿田不同尺度的“矿化系统”，然后分解成局部的、矿田的、区域的不同尺度图形条件。对于矿床生成的必要条件(如氧化流体、温度、母岩组分)，必须转化为能够为GIS所能表达的特征(如蚀变带、变质组分、交代岩体类型等)。在一个“矿化系统”范围内，就有可能运用矿床模型发现更多的矿床，特别是与已知矿床类型相同的矿床。

图1-4 矿床知识库的成矿系统模式库

(2)第二步

开发高质量的地学GIS应用数据库系统，将上述图形表示的地质条件转化为可查询的属性。

(3)第三步

开发对上述GIS系统进行分析的资源潜力评价的方法系统。该方法系统并不依赖要求已知矿床要达到一定的数目，因此综合分析的结果可看作是一种统计依据。已开发的GIS分析技术有3种不同的、但又互为补充的方法：第一种方法体系实际上是基于已知矿床或矿化系统特征的数字化数据库的专家系统；第二种体系是用户可交互式圈定有潜力地区的分布图；第三种方法对已知矿化区(或被考虑有潜力的异常区)的周围区带进行研究，然后确定在GIS所有图层内这些区带的具体地方表示。

上述基于地质模型金属成矿分析方法的关键问题是怎样将矿床模型在计算机上进行表达，怎样将矿床模型知识与GIS空间数据库联系起来。只有当数字化地图及数据库被有效地建立，只有当矿床模式的矿化系统以可图示化标准来表达，而不是用温度值、压力和流体化学表示时，在GIS平台上发展的方法学才不会受局限。

根据上述思路我们总结了本次数字矿床模型的研究思路，即开发定矿床类型、定矿床远景区位置和远景区成矿有利性优选的数字矿床模型评价系统。

自从USGS 1980年首次研制成功PROSPECTOR斑岩铜矿专家系统，并找到斑岩钼矿以来(Duda等，1981)，矿床勘查评价专家一直十分重视矿床专家系统的研究工作，1986、1994年MacCammon又将Singer等建立的全球86个标准矿床模型的知识库数字化。当前，将GIS技术、地学空间数据库与专家系统结合仍然是矿产资源评价的重要热点研究方向，根据专家知识从海量GIS空间地学数据库挖掘有用信息是今后地学信息技术发展的重要方向。

❹ 煤矿采空区沉陷研究方法

目前，对于开采沉陷评价的研究主要可以分为两大类:经验分析方法和理论分析方法。经验分析方法的特征是绕开岩体的变形机理，从地表移动现象观测入手，直接将地表沉陷与地质采矿因素联系起来，在大量的地表观测资料基础上进行统计分析，得到描述岩层与地表移动变形的统计方法。这种方法具有代表性的是概率积分法、典型曲线法和剖面函数法等。概率积分法是已经成为较成熟的、在我国应用最为广泛的一种研究方法。目前在《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中已经把概率积分法列为主要的开采沉陷计算方法。但由于岩体本身以及受采动岩体移动规律的复杂性影响，即煤矿开采导致的岩层移动现象是非线性的，其失稳表现为具有平稳随机过程，而且是多解的;当煤矿开采导致岩层失稳时，系统原有的稳定性遭到破坏，宏观状态具有异常涨落的特点，属于非平稳的随机过程，这时试图直接刻画诸点之间的动力学相互作用，把握瞬间系统内部变化的所有细节与遍历的状态之间的关系，几乎是不可实现的。而且作为复杂性系统的一种独特行为，失稳的发生受多因素的相互作用的影响，因素之间的相干效应以及原有影响因素以外的某一随机因素干扰的异军突起，都有可能产生微妙的变化，经过放大，决定着系统突变最终状态的走向，从而使系统演化问题具有多解性和难以预测性。所以这种方法所用的理论模型很难全面准确地反映岩层和地表移动的规律，不得不进行某种简化，即不再追求其内部细节的动力学过程，仅仅刻画系统的状态、行为、特征的动力学变化。因而在预测大倾角煤层的沉陷时，准确度不高。在有些条件下该方法的预测结果甚至与实测结果相差很大。

理论分析法分为两种:一种是力学研究方法，另一种是数值分析方法。①力学研究方法:上覆岩层的结构问题以及该结构以什么样的形式存在，一直是采矿工作者关注的问题。在研究这个问题的过程中，提出了许多结构假说及理论模型，这些都推动了人们对采场上覆岩层运动规律的认识(邹友峰等，2003)。矿井塌陷的机理是百余年来许多矿业发达国家致力研究的重要理论问题和实际问题，但由于现场观察和测量的困难，再加上矿层和覆岩的成分、结构、构造和物理力学性质变化多端，矿层压力的变化和岩层的移动状况难于详细观测，因而至今尚未形成通用公认的矿山塌陷理论。现今运用较多的理论主要有:俄罗斯的M.M.普罗托吉亚科夫于1907年根据结构力学中的压力曲线理论提出的拱形冒落论和德国人哈元和吉列策尔于1928年补充说明了拱形冒落的假说提出的压力拱假说;由德国的舒尔茨和斯托克提出的悬臂梁 (板)冒落论和冒落岩块碎胀充填论(纪万斌等，1998)。我国学者(钱鸣高院士、李鸿昌等)发展了冒落岩块铰接论，提出的砌体梁平衡说及20世纪80年代后期提出的采场薄板矿压理论(贾喜荣，1997); 谢和平等(2003)提出的矿山岩体损伤力学方法，开拓了“矿山岩体力学研究与应用”新领域研究。②数值分析方法(邹友峰等，2003)是利用力学原理，通过假设、简化将岩体抽象为一定的力学模型，在此基础上建立岩体的基本微分方程，然后根据给定的边界条件，求解微分方程，得到各种问题的应力、应变、位移等未知量。这种方法因其能够考虑岩体的固有属性，适应不同特征的岩体采动沉陷问题，在一定程度上较有效地反映出采动岩体的破坏状态，应用较广泛，也是目前解决岩体复杂条件下开采沉陷问题的常用计算方法。它包括有限元法、边界元法、离散单元法、拉格朗日元法、非连续变形分析等方法。

采空区地表稳定性评价方法都是建立在开采沉陷预测评价研究方法基础上，与评价对象稳定性评价相结合的综合方法。常用采空区地表稳定性评价方法很多，如《工程地质手册》通过力学平衡的分析方法，得出了临界深度的计算公式，用来评价采空区场地建筑的适宜性。概率分析法通过中国开采沉陷研究学者的补充和完善，已经成为采空区稳定性评价方法中使用最广泛的一种。

但是目前的研究中仍然存在诸多的不足之处，例如:①对于时间过程的刻画，现有的研究仍是一种静态的分析，仅是对于采空区地面沉陷某一状态的分析与评价，但采空区覆岩破坏与地面沉陷是一个复杂的随时间和空间变化的四维问题，是空间和时间的连续函数，所以对于采空区地面沉陷的机理研究仍有许多未解决的问题;②由于煤矿山煤层厚度、埋藏深度、上覆岩层的力学性质和厚度不一，地表地形变化大，地面沉陷特征在空间上分布也不相同，但目前的研究多将各参数概化为均一的，无法体现开采沉陷规律在空间上的变化;③对于空间结构的刻画，由于煤矿山地质条件复杂多变，而且大多数煤矿山地面变形监测数据不完整，尤其是中小型煤矿山根本没有地面变形的监测，无论是经验分析方法还是理论分析方法，都在实践中存在很大的局限性。因此，在实际生产中，实用便捷的开采沉陷评价方法的研究，显得十分迫切。

所以，本研究拟以煤矿山的生产时间为线索，从煤矿山开采沉陷的时空发展规律出发，综合分析关于采空区岩层移动与地表变形机理研究已有的假说和理论模型，对煤矿山开采沉陷机理进行分析;针对大峪沟煤矿，对贯穿于煤矿山生产全过程的开采沉陷时空评价方法进行研究，包括开采沉陷风险评估方法、已采空区沉陷现状与地面稳定性评价方法;并根据风险评估、现状评价和稳定性评价结果，提出煤矿山开采沉陷的防治对策。具体研究思路如图3.1所示。

图3.1 研究思路框图

❺ 理论研究

煤层底板突水的预测预报是煤矿防治水工作中的一个十分重要的环节。长期以来，针对这一课题取得了一系列重要成果，开展了大量的研究工作。这些研究总的来说可以分为三大类：第一类是以采矿矿压为主要影响因素，试图通过研究底板隔水岩层在矿压和采动破坏作用下的变形、破坏特征来认识煤层底板突水规律；第二类是综合考虑与煤层底板突水灾害发生有关的各方面因素，通过应用地理信息系统的多源地学信息复合叠加方法，建立多因素致灾的GIS煤层底板突水预测预报模型；第三类则以水压为主要煤层底板突水因素，主要考虑承压含水层的水压力对隔水底板的破坏作用，如斯列萨列夫理论、煤层底板突水系数等。第一类和第三类属于岩体工程地质力学法，第二类属于泛决策分析法。下面分别讨论这三类方法。

一、以采矿矿压为主要影响因素

1.采动破坏研究

采动破坏深度的研究通常有以下3种方法：

（1）实验分析：通过对工作面采动破坏的实际观测来寻求底板的破坏深度。这方面西安煤田地质勘探分院、山东矿院等单位做了大量的现场工作。现场实测的方法有钻孔注水法、钻孔超声波法、钻孔电磁法、钻孔超声成像法等。根据矿压破裂理论，可以说工作面越宽，采矿扰动破坏深度越大。这一破坏深度一般为6～14m，最大达25m，这一带是最易发生底板突水的区域。

（2）理论研究：胡宽容（1976）按照采矿和地质条件，按功能守衡和能量转化原理，建立了围岩破坏带的半理论、半经验公式，得出了计算底板破坏深度的一系列半经验公式^［29］；张金才（1987）采用简化力学模型，运用弹性力学、弹塑性力学理论研究了底板裂隙带的深度，并提出了底板破坏深度的计算方法^{［31，16，2］}。采动裂隙带深度研究的发展为煤层底板突水机理的定量研究奠定了基础。

（3）统计分析：张金才（1984～1987）统计分析了国内100多个生产工作面底板采动裂隙带深度和工作面斜长的关系，研究结果表明，底板采动裂隙带深度h与斜长L呈指数关系（h=0.291^0.8L）^［31］；高延法（1988）对底板裂隙带深度进行了多元回归分析，结果表明，裂隙带深度h与采深H、倾角α、斜长L成正比，而与岩层坚固性系数F成反比［h=0.009H+0.0448α-0.3113F+7.9291n（L/24）］^［2］，并通过分析认为主要影响因素是工作面斜长，其次是采深和底板岩性。

2.特殊结构煤层底板突水机理

特殊结构底板主要指存在陷落柱或断裂构造的底板。李金凯、周万芳运用断裂力学理论研究了五种断层面铰合情况下断层的再破坏情况^［10］，这对断层带煤层底板突水的研究具有重要意义。郭维嘉等运用光弹试验得出了底板应力分布的曲线形态^［5］；张金才等进行了长壁工作面开采的相似材料模拟试验^［31］，得出了底板中应力变化规律。

3.煤层底板突水的下三带理论

山东科技大学李白英教授等提出了评价煤层底板突水的下三带理论。该理论认为煤层底板在采动影响下自上而下可分3个带，即由矿压产生的底板导水破坏带、具有隔水性能的隔水层带和由矿压、水压联合作用而产生的承压水一导升带。刘宗才等（1991）也提出了评价煤层底板突水的下三带理论，认为底板采动破坏后呈现三带规律，从上到下第一带为直接破坏带，该带导水性发生了显着变化；第二带为完整岩层带或保护层带，该带位于第一、三带间，虽遭矿压作用产生弹塑性变形，但仍保持原来的连续性，隔水性能未变；第三带为导升带，包括原始导升带和再导升带^{［16］，［32］}。

4.煤层底板突水评价的结构力学方法

葛亮涛等（1992）把底板隔水层看作由许多固支十字梁交织而成的固支矩形板，并运用结构力学理论研究了底板隔水层的极限抗破坏能力，认为水压超过底板隔水层极限承载力时，就会发生煤层底板突水灾害，并由此得出了底板采后最易发生煤层底板突水点的临界水压方程^［3］。

5.“零位破坏”与“原位张裂”^{［24，22，23，25］}理论

王作宇等（1993）在煤层底板突水研究上也作了一定的工作，运用“零位破坏”和“原位张裂”来作总结，其观测成果对煤层底板突水机理的研究具有很大的参考价值。刘天泉应用现代力学理论研究了围岩的采动响应规律，提出了围岩采动影响的“顶三带”、“侧三带”和“底三带”理论^［14］。

6.数值方法在煤层底板突水机理研究中的运用

国内有许多学者运用数值方法来研究底板采动应力分布^［1］。凌荣华等（1991）^［28］在此基础上进一步研究了煤层底板突水机理，他们通过对底板岩层的三维应力数值模拟，分析了底板岩层的采动效应，总结出底板应力变化的一系列规律，为煤层底板突水机理的研究提供了新的方法。

二、多源地学信息复合处理法

信息复合技术是随着计算机技术和遥感技术发展起来的，它是对多源地学信息（如地理信息、地质信息、遥感信息等）进行综合处理的一种新方法。它以地理坐标确定的空间二维平面为基础，建立各种地学信息数据库，并与相应的计算机软、硬件系统构成地理信息系统，它能够进行各种专题图件之间的运算、分析和综合等处理。

煤层底板突水灾害事故是一个由多因素共同作用的结果，多源信息复合叠加方法恰好能够描述与煤层底板突水灾害有关的多方面因素，并能建立多因素共同作用的煤层底板突水预测模型。中国矿业大学资源与环境科学学院郑世书、孙亚军等利用GIS和多源信息复合方法对焦作东部矿区煤层底板突水问题进行了首次预测预报，取得了较好的效果。但是，上述成果主要是针对焦作整个东部矿区所做的工作，其研究性质具有明显的“面”的特征，对演马庄矿的具体煤层底板突水灾害预测问题，起到了宏观的指导作用。

本书则注重“点”的研究，针对焦作矿区演马庄矿，特别是矿井二水平三采区的煤层底板突水预测问题，应用地理信息系统技术进行了一系列研究。其具体的研究方法首先是在综合分析矿井水文地质条件和煤层底板突水特征的基础上，分析确定煤层底板突水灾害的所有致灾因素，在地理信息系统的支持下，应用多源地学信息复合叠加方法建造一个由多个变量控制的具有实际物理意义的GIS煤层底板突水预测数学模型，然后对煤层底板突水灾情做出预测预报。

人工神经网络（ANN）在焦作矿区九里山矿得到了应用，本文应用GIS和ANN耦合技术对我国大水矿区焦作矿区演马庄矿（“点”的研究）、北方煤矿区（“面”的特征）进行了煤层底板突水预测预报。

三、以水压为主要影响因素

1.水压影响的研究

朱泽虎等（1989～1991）分析了底板采动后的水压影响，提出了深层剪切破坏、深层剪切——张拉破坏的力学概念，并运用力学理论演绎了水压影响下隔水层破坏的发生、发展过程^［36］。

2.煤层底板突水系数理论

我国矿山和科研部门，在分析、总结大量煤层底板突水实例的基础上，认识到煤层底板突水与底板含水层静水压力和底板隔水层厚度之间存在一定的平衡关系，20世纪60年代初由中国煤炭科学研究总院西安煤田地质勘探分院提出了煤层底板突水系数这一概念，并定义煤层底板突水系数T_S=P/M，即为单位隔水层厚度上的静水压力^［29］。煤层底板突水系数理论综合了其他因素的综合影响，它从统计规律上阐述了煤层底板突水的原因。

匈牙利等国还注意到不同强度和阻隔水性能的底板岩层具有不同的阻隔水性能，它们以泥岩抗水压能力为标准，将其他岩性隔水层厚度换算成泥岩厚度，这样，换算后的等效厚度值不仅有厚度，而且有强度概念^［29］。煤层底板突水系数由此表达为

河南省煤矿开采水害综合控制技术研究

式中：T_S——突水系数，MPa/m；

P——隔水层承受的水压，MPa；

M——底板隔水层厚度，m；

C_P——采矿对底板隔水层的扰动破坏厚度，m。

比以往更全面地反映了煤层底板突水因素对煤层底板突水的影响作用。

3.静力梁理论

前苏联学者B·Д·斯列萨列夫认为，巷道底板可以看作一个两端固支承受均布荷载的静力梁，可以用弹性力学理论分析梁的受力情况，并认为梁的破坏首先是张破坏^［29］。当实际水压H_实＞H_理安时，底板隔水层就会产生失稳破坏，从而导致煤层底板突水。

❻ 矿物鉴定和研究的化学方法

矿物鉴定和研究的化学方法包括简易化学分析和化学全分析:

(一)简易化学分析法

简易化学分析法，就是以少数几种药品，通过简便的试验操作，能迅速定性地检验出样品(待定矿物)所含的主要化学成分，达到鉴定矿物的目的。常用的有斑点法、显微化学分析法及珠球反应等。

(1)斑点法:这一方法是将少量待定矿物的粉末溶于溶剂(水或酸)中，使矿物中的元素呈离子状态，然后加微量试剂于溶液中，根据反应的颜色来确定元素的种类。这一试验可在白瓷板、玻璃板或滤纸上进行。此法对金属硫化物及氧化物的效果较好。现以试黄铁矿中是否含Ni为例，说明斑点法的具体做法。

将少许矿粉置玻璃板上，加一滴HNO₃并加热蒸干，如此反复几次，以便溶解进行完全，稍冷后加一滴氨水使溶液呈碱性，并用滤纸吸取，再在滤纸上加一滴2%的二甲基乙二醛肟酒精溶液(镍试剂)，若出现粉红色斑点(二甲基乙二醛镍)，表明矿物中确有Ni的存在。因此该矿物应为含镍黄铁矿。

(2)显微化学分析法:该法也是先将矿物制成溶液，从中吸取一滴置载玻片上，然后加适当的试剂，在显微镜下观察反应沉淀物的晶形和颜色等特征，即可鉴定出矿物所含的元素。

这方法用来区别相似矿物是很有效的，例如呈致密块状的白钨矿(Ca［WO₄］)与重晶石(Ba［SO₄］)相似，此时只要在前者的溶液中滴一滴1∶3H₂SO₄，如果出现石膏结晶(无色透明，常有燕尾双晶)，表明要鉴定的矿物为白钨矿而不是重晶石。

(3)珠球反应:这是测定变价金属元素的—种灵敏而简易的方法。测定时将固定在玻璃棒上的铂丝之前端弯成一直径约为1mm的小圆圈，然后放入氧化焰中加热。清污后趁热粘上硼砂(或磷盐)，再放入氧化焰中煅烧，如此反复几次，直到硼砂熔成无色透明的小球为止。此时即可将灼热的珠球粘上疑为含某种变价元素的矿物粉末(注意!一定要少)，然后将珠球先后分别送入氧化焰及还原焰中煅烧，使所含元素发生氧化、还原反应，借反应后得到的高价态和低价态离子的颜色来判定为何种元素。例如在氧化焰中珠球为红紫色，放入还原焰中煅烧一段时间后变为无色时，表明所试样品应为含锰矿物，具体矿物的名称可根据其他特征确定之。

(二)化学全分析

化学全分析包括定性和定量的系统化学分析。进行这一分析时需要较为繁多的设备和标准试剂，需要较纯(98%以上)和较多的样品，需要较高的技术和较长的时间。因此，这一方法是很不经济的，除非在研究矿物新种和亚种的详细成分、组成可变矿物的成分变化规律以及矿床的工业评价时才采用。通常在使用这一方法之前，必须进行光谱分析，得出分析结果以备参考。

❼ 矿物物理性质测定与研究方法

矿物物理性质涉及的内容很多，不少物理性质参数对矿物的应用研究也有很重要的意义，它们都有相应的仪器精确测定，如热电仪、热发光仪、热导仪、磁化率仪、反射率仪等。以下仅简要介绍矿物的显微硬度、相对密度和折射率等几种最基本物理性质的测定方法。

1.显微硬度

显微硬度测试方法很多，使用最广泛的是压入法。压入法就是把一个很硬的压头以一定的压力压入试样的表面，使金属产生压痕，然后根据压痕的大小来确定硬度值。压痕越大，则材料越软；反之，则材料越硬。根据压头类型和几何尺寸等条件的不同，常用的压入法可分为布氏法、洛氏法和维氏法3种。

布氏硬度试验是施加一定大小的载荷P，将直径为D的钢球压入被测矿物表面后保持一定时间，然后卸除载荷，根据载荷P的大小和钢球在金属表面上所压出的压痕直径查表即可得硬度值。

洛氏硬度以顶角为120℃的金刚石圆锥体作为压头，以一定的压力使其压入矿物表面，通过测量压痕深度来确定其硬度。被测矿物的硬度可在硬度计刻度盘上读出。洛氏硬度有HRA、HRB和HRC 3种标尺，其中以HRC应用最多，一般用于测量硬度较大矿物和经过淬火处理后较硬材料的硬度。

维氏硬度测定的基本原理和布氏硬度相同，区别在于压头采用锥面夹角为136℃的金刚石棱锥体，压痕是四方锥形。

维氏硬度用H_V表示，H_V的计算式为

结晶学与矿物学

式中：F为载荷，N；d为压痕对角线长度，mm。

2.密度

密度是指单位体积物质的质量，单位是g/cm³。而相对密度是物质的密度与参考物质的密度在对两种物质所规定的条件下的比，系量纲为一的量。密度的测量可以用称量法、流体静力称衡法和比重瓶法。

（1）称量法

对一密度分布均匀的物体，若其质量为m，体积为V，则该矿物的密度：

结晶学与矿物学

对几何形状简单且规则的矿物，可用分析天平准确地测定矿物的质量m，用游标卡尺或千分尺等量具测定其体积V，由上式求出样品的密度，但此方法往往既麻烦又不易测准，从而降低了测量精度。

（2）流体静力称衡法

对几何形状不规则的矿物，其体积无法用量具测定，但可利用阿基米德原理，先测量矿物在空气中的质量m，再将矿物浸没在密度为ρ₀的某液体中，该矿物所受到的浮力F等于所排开的液体的重m₀g量，即

F=ρ₀×V×g=m₀×g

矿物在空气中的质量m，在液体中的质量m₁均可由分析天平精确测定，此矿物的密度可由下式确定：

结晶学与矿物学

液体的密度随着温度变化，在某一温度下的密度，通常可以从物理学常数表中查出。因此，求矿物体积就转化为求m和m₁的问题，而m和m₁是能够准确测定的。

（3）比重瓶法

用比重瓶法能够准确地测定小块固体或粉末颗粒状矿物的密度。假设空比重瓶质量为m₀，比重瓶加待测固体的总质量为m₁，比重瓶加待测固体和加满液体时的总质量为m₂，比重瓶仅盛满液体时的质量为m₃，则待测矿物的密度可由下式求出

结晶学与矿物学

3.折射率

光线自一种透明介质进入另一透明介质的时候，由于两种介质的密度不同，光的进行速度发生变化，即发生折射现象。一般折射率系指光线在空气中进行的速度与在待测物质中进行速度的比值。根据折射定律，折射率是光线入射角的正弦与折射角正弦的比值，即

n=sin i/sin r

式中：n为折射率；i为光线入射角；r为折射角。

物质的折射率因温度或光线波长的不同而改变，透光物质的温度升高，折射率变小；光线的波长越短，折光率就越大。

对于矿物等固体物质可以用油浸法测定，利用稳定的油在显微镜下比较贝克线，再用阿贝折射仪测定浸油的折射率。

❽ 除有限单元法外，岩土工程常用到哪些数值方法，并对比其优缺点

岩土工程常用的数值方法包括：有限差分法、边界元法、离散元法、颗粒元法、不连续变形分析法、流形元法、模糊数学方法、概率论与可靠度分析方法、灰色系统理论、人工智能与专家系统、神经网络方法、时间序列分析法。
有限单元法的优缺点：有限单元法的理论基础是虚功原理和基于最小势能的变分原理，它将研究域离散化，对位移场和应力场的连续性进行物理近似。有限单元法适用性广泛，从理论上讲对任何问题都适用，但计算速度相对较慢。即，物理概念清晰、灵活、通用、计算速度叫慢。
有限差分法：该方法适合求解非线性大变形问题，在岩土力学计算中有广泛的应用。有限差分法和有限单元法都产生一组待解方程组。尽管这些方程是通过不同方式推导出来的，但两者产生的方程是一致。另外，有限单元程序通常要将单元矩阵组合成大型整体刚度矩阵，而有限差分则无需如此，因为它相对高效地在每个计算步重新生成有限差分方程。在有限单元法中，常采用隐式、矩阵解算方法，而有限差分法则通常采用“显式”、时间递步法解算代数方程。
边界元法：该方法的理论基础是Betti功互等定理和Kelvin基本解，它只要离散求解域的边界，因而得到离散代数方程组中的未知量也只是边界上的量。边界元法化微分方程为边界积分方程，离散划分少，可以考虑远场应力，有降低维数的优点，可以用较少的内存解决较大的问题，便于提高计算速度。
离散元法：离散元法的理论基础是牛顿第二定律并结合不同的本构关系，适用对非连续体如岩体问题求解。该方法利用岩体的断裂面进行网格划分，每个单元就是被断裂面切割的岩块，视岩块的运动主要受控于岩体节理系统。它采用显式求解的方法，按照块体运动、弱面产生变形，变形是接触区的滑动和转动，由牛顿定律、运动学方程求解，无需形成大型矩阵而直接按时步迭代求解，在求解过程中允许块体间开裂、错动，并可以脱离母体而下落。离散元法对破碎岩石工程，动态和准动态问题能给出较好解答。
颗粒元法：颗粒元方法是通过离散单元方法来模拟圆形颗粒介质的运动及其相互作用，它采用数值方法将物体分为有代表性的多个颗粒单元，通过颗粒间的相互作用来表达整个宏观物体的应力响应，从而利用局部的模拟结果来计算颗粒群群体的运动与应力场特征。 不连续变形分析方法：该方法是并行于有限单元法的一种方法，其不同之处是可以计算不连续面的错位、滑移、开裂和旋转等大位移的静力和动力问题。此方法在岩石力学中的应用备受关注。
流形元法；该方法是运用现代数学“流形”的有限覆盖技术所建立起来的一种新的数值方法。有限覆盖是由物理覆盖和数学覆盖所组成的，它可以处理连续和非连续的问题，在统一解决有限单元法、不连续变形分析法和其他数值方法的耦合计算方面，有重要的应用前景。
无单元法：该方法是一种不划分单元的数值计算方法，它采用滑动最小二乘法所产生的光滑函数去近似场函数，而且又保留了有限单元法的一些特点。它只要求结点处的信息，而不需要也没有单元的信息。无单元法可以求解具有复杂边界条件的边值问题，如开裂问题，只要加密离散点就可以跟踪裂缝的传播。它在解决岩石力学非线性、非连续问题等方面具有重要价值和发展前景。
混合法：对于复杂工程问题，可采用混合法，即有限单元法、边界元法、离散元法等两两耦合来求解。
模糊数学方法：模糊理论用隶属函数代替确定论中的特征函数描述边界不清的过渡性问题，模糊模式识别和综合评判理论对多因素问题分析适用。 概率论与可靠度分析方法：运用概率论方法分析事件发生的概率，进行安全和可靠度评价。对岩土力学而言，包括岩石（土）的稳定性判断、强度预测预报、工程可靠度分析、顶板稳定性分析、地震研究、基础工程稳定性研究等。
灰色系统理论：以“灰色、灰关系、灰数”为特征，研究介于“黑色”和“白色”之间事件的特征，在社会科学及自然科学领域应用广泛。岩土力学中，用灰色系统理论进行岩体分类、滑坡发生时间预测、岩爆分析与预测、基础工程稳定性、工程结构分析，用灰色关联度分析岩土体稳定性因素主次关系等。
人工智能与专家系统：应用专家的知识进行知识处理、知识运用、搜索、不确定性推理分析复杂问题并给出合理的建议和决策。岩石力学中，可进行如岩土（石）分类、稳定性分析、支护设计、加固方案优化等研究。 神经网络方法：试图模拟人脑神经系统的组织方式来构成新型的信息处理系统，通过神经网络的学习、记忆和推理过程进行信息处理。岩石力学中，用于各种岩土力学参数分析、地应力处理、地压预测、岩土分类、稳定性评价与预测等。
时间序列分析法：通过对系统行为的涨落规律统计，用时间序列函数研究系统的动态力学行为。岩石力学中，用于矿压显现规律研究、岩石蠕变、岩石工程的位移、边坡和硐室稳定性等、基础工程中降水、开挖、沉降变形等与时间相关的问题。

❾ 矿床学研究内容和方法

矿床学研究内容通常可概括为研究矿床的特征及其形成条件、形成作用与过程时空分布及其控制因素。前者即阐明矿床的成因，后者即查明矿床的分布规律。矿床学正是围绕着这些问题的提出和解决不断发展起来的。

现代矿床学已包括以下一些相对独立而又互有联系的研究领域。成因矿床学或称矿床地质学讨论矿床成因和分布的基本理论问题。金属矿床学研究各种金属富集成矿条件及矿床类型。非金属矿床学研究各类非金属矿产形成条件和矿床类型。矿相学在显微镜下研究金属矿石的矿物组成和微观组构。区域成矿学主要是通过分析区域成矿背景，阐释成矿作用演化和矿床分布规律。还有矿床地球化学是矿床学与地球化学的边缘学科，从 20世纪30～40年代开始把地球化学理论和方法应用到矿床研究以来，显着地扩展了矿床研究的广度和深度。

矿床研究工作一般是结合着矿床的发现、勘查与开采过程而进行的。研究一个具体矿床的工作内容大体包括以下方面：①区域地质特征，矿床在区域地质构造分区中的位置，该地区的沉积作用、岩浆作用，构造发展和成矿的有利背景。②矿区地质特征，区内的岩石、构造类型和特点，矿床的产出条件及分布。③矿体的产状和形态及其空间位置的控制，矿体内外矿化特征变化的查明。④矿石的类型，矿石的组成和组构，有用组分的存在形式，影响矿石质量的因素。⑤综合研究，矿床成因和类型的确定，矿床的评价。在不同工作阶段中研究的内容有所侧重，在矿床寻找和发现初期，着重研究区域和矿区与成矿有关的基础地质问题，对该地区成矿条件作出远景评价。在矿床勘查阶段，研究工作更多地围绕矿床本身。通过详细的地质工作和各项勘探工程所取得的资料数据的整理分析，总结矿床的特点并作出对矿床的工业评价。在勘查工作进程中以及开采过程中也常常需要针对生产中遇到的问题进行某些专题性研究工作。总的来说，矿床研究始终是围绕这两个中心，一是尽可能获取矿床成因信息，二是取得充分的矿床评价的资料和数据。

矿床研究内容的多层次性和综合性，要求多种矿床研究方法的相互配合与补充。矿床研究要应用矿物学、岩石学、地层学、构造地质学等各基础学科的理论和方法。当然，更要应用和发展矿床地质学、矿相学这些矿床学自身的理论和方法。随着矿床地球化学已成为研究矿床不可缺少的内容，许多借助现代分析测试技术进行分析对比的矿床地球化学研究方法已得到迅速发展和广泛应用。下面对野外现场地质研究和实验室研究重要方法及特点作一概略介绍。

野外或现场地质观察研究：在收集和研究前人工作成果资料的基础上进行工作区地质路线和重点地段的踏勘调研，实际了解区域地质特点及成矿条件。对矿区内地表露头和揭露矿体的各种勘探工程、钻孔岩心进行全面的观察和描述，同时采集各类标本、样品，并作系统的编录，为进一步实验室研究准备材料。

地质填图是区域和矿区地质研究的基本方法，一般区域地质图采用中比例尺，矿区地质图采用大比例尺。随着矿床类型的不同，进行中大比例尺填图时都带有专门地质测量的性质。如针对沉积岩区、火山岩区、侵入岩区、构造简单或构造复杂地区都有相应的岩石学研究和构造测量与解析等不同研究内容和方法特点。

利用各种类型勘探工程成果补充地面地质观察研究是矿床地质研究的重要特点和优点。经过合理选择和精心布置的探槽、浅井、坑道及钻孔，揭露和控制了矿体的分布和产状形态变化。在山地工程的工作面上和对钻孔的岩心进行详细观察、素描和描述，并系统采样分析，确定矿体边界，并获得对矿石类型、特征与质量变化的了解。整理各项工程资料，编制出适当比例尺的坑道平面图，勘探线剖面图，以及纵剖面图等地质图件，这些图件是获得对矿床从局部到整体的认识和客观反映矿体特征以及正确进行矿床评价的基本依据。

实验室研究：包括传统的岩石学、矿相学方法和有了很大发展的包裹体研究方法以及在现代分析测试技术基础上发展起来的矿床地球化学研究方法。

岩石学和矿相学：在透射光和反射光显微镜下研究矿区岩石和矿石的类型、矿物组成和组构特点，确定矿物共生组合和生成顺序，划分成矿阶段，查明一些矿物的赋存状态，以及测量矿物颗粒大小和交生关系等影响矿石加工工艺的性质。显微镜下观察一方面弥补了肉眼观察尺度的限制，另一方面又为作进一步微区、微量组分研究指示方向，它是一个重要的中间环节。

矿物包裹体研究：包裹体研究是在矿床研究中早已应用的方法之一，近年来有了很快的发展，这里包裹体指的主要是矿石中某些矿物内部的气液相包裹体，它们是当矿物形成时被捕获在其晶体缺陷中的少量成矿流体。这类包裹体多数＜100μm，在显微镜和冷、热台上研究改变温度时气液相包裹体的变化可测得或计算出成矿时的温度、压力，也可以测定其盐度、密度、PH值、氧化还原指标等。借助新的技术也已能够进行包裹体内微区微量成分分析和流体的稳定同位素组成的分析，而获取到更多的成因信息，包裹体研究是现在研究成矿流体最直接有效的方法之一。

现代分析测试技术方法的应用：在一般岩矿鉴定基础上，针对某些特殊需要还可以选择应用光谱（发射光谱、吸收光谱、拉曼光谱）、极谱（汞电极极谱）、质谱（气体质谱和固体质谱）、色谱（气相色谱、液相色谱）、能谱分析（如中子活化法），确定有关岩石和矿物的化学成分，包括微量成分和矿物微区的成分。也可以选择利用 X射线分析、热分析、电子显微镜分析（透射电镜、反射电镜及扫描电镜即电子探针）和矿物谱学（红外、核磁共振、穆斯堡尔谱等）研究其结构和原子价态，有的也涉及矿物成分。

现代分析测试应用到研究地球化学以来已经积累了大量的各类数据，对这些数据进行了整理研究和统计计算，已经大大丰富和深化了对各种地球物质的化学组成、化学作用和化学演化规律的认识。矿床地球化学研究方法主要就是通过分析测试取得研究对象分析测试的结果后与已有数据、已建立起来的规律性进行对照和比较，作出有关成矿物质来源、成矿物理化学条件等的判别与解释。现在应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壳中丰度较小、主要以类质同象或混入形式存在于主元素矿物或岩/矿石中的一些元素，各种金属矿物内有不同的微量元素组合，例如铅锌矿石内有Cd、In、Ga、Ge、Se、Te、T1，钨锡矿石内有Nb、Ta、Sc、Te、Bi、In、稀土元素等。已知在内生和外生成矿作用过程中微量和常量元素出现一定的演化序列，微量元素与相关常量元素的比值可作为地壳物质演化与成矿作用的标志。一些矿物或共生的矿物对微量元素的含量可用作地质温度计。研究地区岩石和矿石中微量元素含量与已经计算出来的地球层圈、各类岩浆岩、沉积岩中微量元素丰度值的比较可用于成岩成矿物质来源的探索和构造环境的推断。特别是稀土元素中14个元素的含量经标准化后作出的REE配分型式以及稀土元素总量、重稀土元素的比值、Eu 和Ce元素组成与标准的偏离（δEu，δCe）等参数都已用于判别成矿物质来源、成矿过程物理化学条件。

同位素研究：首先稳定同位素地球化学研究能获得许多成岩成矿信息。应用硫化物硫同位素组成与陨石硫作标准的对比（δ³⁴S）可以判断硫的来源，区分出陨石硫、海相硫酸盐型硫、生物硫或其间的过渡类型。应用氢、氧同位素组成与大洋水标准对比（δD、δ¹⁸O）可获得成矿流体水的类型和来源，区分出是大气降水、盆地地下水、地层水、变质水与岩浆水等。同样，利用碳酸盐矿物中的δ¹⁸O、δ¹³C也可以判别流体的起源与演化。成矿系统中硫和碳同位素结合起来研究可以确定成矿流体的温度和fo₂、fs₂、fco₂等物理化学参数及矿石沉淀机理。一些硫化物矿物对的同位素组成也可作为地质温度计。

同位素年龄测定是应用放射性同位素衰变的基本原理，确定岩石和矿物形成时间的方法。一个计时的同位素系统包括放射性母体和稳定子体。研究工作主要是对选送样品分析得到的数据进行整理、计算和作图，得出其年龄值。要根据矿床类型选择适合的测定对象和测定方法，如岩浆矿床可以用同时形成的含矿围岩确定；铀矿床可用晶质铀矿等矿石矿物用 U-Pb法测定；稀土矿床用独居石进行 Th-Pb或 Sm-Nd法测定得出准确成矿年龄；对硫化物矿床可用其中的黄铁矿进行Re-Os法和⁴⁰Ar-³⁹Ar法测定；方铅矿进行矿石铅-铅法测年。有的矿床也可以用成矿期间蚀变矿物进行测年。另外，要考虑不同成矿时代的矿床用不同的测定方法。如元古宙以前的矿床用 Sm-Nd全岩等时线法，晚元古代至古生代矿床用Rb-Sr全岩等时线法较好，新生代以来的矿床可用⁴⁰Ar-³⁹Ar 法、K-Ar法。现代成矿作用时代研究用¹⁴C法。

在矿床研究方法中，还应该提到成矿作用实验研究和热力学研究，这些研究显然更具有理论研究的意义。矿床学文献中早已引用了一些建立在实验基础上的各种热力学相图，用以说明成矿作用发生的物理化学条件和地质地球化学机理。现在的实验研究就内容来看，不仅研究金属元素在岩浆和热液中的行为，而且已研究了挥发性组分在岩浆分异作用中和非岩浆成因低温成矿作用中的行为与成矿的关系。由于矿床形成的复杂性和长期性，很难完全进行实验模拟，因此实验地球化学研究结果只是近似的，其应用是有条件的。此外，由于成矿作用实验研究需要特殊的实验设备和条件，其应用受到很大的限制。随着成岩成矿模拟实验的发展，矿物热力学数据的不断积累，可以用矿物组合的热力学数据作为已知条件，用计算方法获得有关矿物组合平衡温度、压力与逸度、酸碱度及氧化还原电位之间的函数关系式，并绘制出温度-压力、温度-逸度或酸碱度-氧化还原电位的矿物平衡相图，从而取得矿床形成物理化学条件某些定量或半定量的数据。现在，热力学研究在成矿流体性质、金属元素迁移和沉淀条件与机理、矿物组合的平衡关系、流体-岩石相互作用等方面都已取得了很好的成果。

❿ 成矿系统研究要点

关于成矿系统一词在中外矿床学文献中多有引用，但成矿系统的科学内涵和理论基础却很少涉及。笔者以系统观和历史观为指导，在进行大量矿床实际研究和综合分析的基础上，提出了成矿系统论的六个要点，包括下列内容:

1.成矿系统的内涵与结构

成矿系统是由相互作用和相互依存的若干部分结合成的有机整体。系统中各部分间的相互关联和相互作用，即“成矿系统的结构”。一个成矿系统的结构一般包括以下四部分:

1)成矿要素:矿源、流体、能量、时间、空间。

2)成矿作用过程:成矿的发生、持续和终结。

3)成矿的产物(结果):由不同矿种和不同成因类型组成的矿床系列，以及由地质、地球物理、地球化学等异常组成的异常系列。

4)矿床形成后的变化、改造与保存。

从狭义上看，成矿系统的内涵只应包括前三者，即上列的1，2，3，也即:源-运-储的过程。作者将矿床形成后的变化与保存也作为成矿系统的内涵之一，即:源-运-储-变-保，显然这是一个广义的成矿系统的概念。

之所以如此考虑，是因为①矿床是地质历史的产物，对绝大多数矿床来说，其形成历史久远，成矿过程我们在今天是观察不到的，只能从对今日保存下来的矿床地质特征去“再造”其形成过程。②从找矿工作看，绝大多数的找矿对象是“经过变化了的矿床”，只能从矿床的现存环境和其现状去追踪它的原貌、进一步去找到它。因此，作者是运用时-空一体的思路，将成矿系统及其演变作为一个整体加以研究，也即“成矿系统及演化”的概念。

成矿系统都是发生在一定的地质环境中，并受控于多种地质因素。因此，成矿系统的研究框架中就包括三部分:①成矿环境;②控矿因素;③成矿系统本身。而成矿环境、控矿因素和成矿系统都是随时间而变化的，它们是一个动态的相互作用过程，即具有四维特征。成矿系统及其演化的结构可表示如下图(图1-3，图1-4)。

图1-3 成矿系统及其演变的结构图

图1-4 成矿系统“源-运-储-变-保”模式图

在2009年作者又将成矿系统论概括为:成矿环境、成矿及保存过程(源、运、储、变、保)、资源-环境效应三个方面，从而丰富和发展了成矿系统的理论基础。

2.成矿系统的层次划分

关于成矿系统与构造体系、成矿区划三者的层次划分及对应关系，姚书振、翟裕生(2010)提出以下方案:

成矿全球系统—全球构造-全球成矿网络

成矿巨系统—大地构造-成矿域

成矿大系统—区域构造-成矿省

成矿系统—大型构造-成矿带(区)

成矿亚系统—中型构造-成矿亚带(区)

成矿子系统—矿田构造-矿田

由上述各层次可见，成矿系统是区域尺度的，它们与相应尺度的区域构造和大型构造体系(构造动力体制)相匹配。因此，成矿系统也常称为区域成矿系统。

以上诸层次中的关键是成矿系统的划分。作者试以构造动力体制划分成矿系统的类别(翟裕生，1999):

1)伸展构造成矿系统，有裂谷、伸展盆地、变质核杂岩———包括岩浆型，SEDEX，VMS等成矿系统。

2)挤压构造成矿系统，有岛弧、陆缘岩浆弧、造山带、推覆构造———包括岩浆型、热液型、变质型成矿系统。

3)走滑构造成矿系统，有转换断层、走滑断层系(含拉分盆地)———包括斑岩型、热液型成矿系统。

4)隆升构造成矿系统，地幔柱、地壳热点、底辟构造系等———包括岩浆型成矿系统。

5)沉降构造成矿系统，盆地、拗陷带等———包括沉积成矿系统、生物成矿系统。

6)韧性剪切带成矿系统，结晶基底的韧性剪切带，包括热液型金矿床等。

7)特殊的成矿系统:包括大型陨石撞击成矿系统，如加拿大肖德贝里的古陨石坑及相伴的岩浆型铜-镍硫化物矿床。

在每一成矿系统类别中，按含矿建造和成矿作用分别命名各具体的成矿系统，如岩浆成矿系统、热液成矿系统、沉积成矿系统、变质成矿系统、生物成矿系统、风化成矿系统等。

成矿系统命名涉及成矿系统的层次，一般应包括以下内容:

①成矿空间域(尺度);

②成矿时间域(时代);

③构造环境;

④成矿建造与成矿作用;

⑤成矿系列(亚系列)。

现以秦岭及邻区的成矿系统划分为例(姚书振，2006)，说明成矿系统的命名原则(表1-1)。

3.成矿系统的发生———多因耦合与临界转换

成矿作用是一类特殊的地质事件，多因耦合与临界转换是成矿作用发生的普遍机制(翟裕生等，2001)。多因耦合:指在一定条件下多种因素间的相互作用和彼此影响。成矿作用涉及地质的、化学的、物理的、生物的诸多因素，地质因素中又包括构造的、地层的、岩石的等;物理化学因素中又包括温度压力、物质组分及行为等。多种有利控矿因素在一定时-空域中耦合是成矿发生的重要条件。

临界转换:各种控矿因素在特定条件下呈现出临界状态，常造成控矿因素和成矿参数的转变(转折)，包括突变、渐变。不同环境、不同尺度、不同形式的成矿参数的临界转换，是很多矿床形成的基本条件。例如，在构造的转折、交汇、复合部位，温度、压力、流体性状等参数常发生突变，导致成矿作用发生。

以断裂带中的热液充填型矿床为例，在一个地区具备矿源、流体、通道等各项成矿因素时，一旦(短暂的)出现了突变、突发、质变、临界状态等地质运动(如岩石断裂、构造地震、流体沸腾、流体混合、火山爆发等)，强大的能量突然释放，原在岩石孔隙和裂隙中的含矿流体被激发出来，沿着突发断裂产生的真空或扩大的自由空间，能够快速大量地运移，在断裂的减温、减压空间中停积和沉淀出大量成矿物质，从而形成热液矿脉，如果断裂反复发生多次，热液充填多次，则可形成规模更大的复合矿脉。

4.成矿系统的产物(结果)———矿床和异常构成的矿化网络

矿床系列和异常系列(地、物、化、遥异常)都是成矿系统的产物，它们之间相互依存，共同构成“矿化网络”。矿化网络表现了在一定地质环境中由成矿系统产生的各矿床类型和有关异常的时空结构，它是成矿系统的具体内容的反映。

矿化网络的结构系指该网络中各矿床类型间的相互关联和相互作用。它包括:①时间结构;②空间结构;③物质结构。深入研究这些结构特征，对认识成矿规律和指导找矿均有重要意义。

对成矿系统的深入研究应从矿化网络入手，着重在以下方面:①各类矿床的发育程度;②各类矿床的空间关系;③各类矿床的时间关系;④各类矿床的成因联系;⑤各类矿床被改造情况。这些都是矿床学和找矿预测研究的基础内容，值得重视研究。

5.成矿系统的后来演变———矿床的变化与保存

矿床是地质历史的产物，它们在地质历史中产生，又最终在地史中消亡。大部分矿床在形成以后都经历了后来的变化过程，有的消失了，有的规模减小了，有的形态发生了变化，有的发生了矿床类型的变化(如岩金→砂金)。因此，矿床学的基本内容是研究矿床的“来龙去脉”，即研究矿床形成、变化、破坏或保存的全过程。这是现代矿床学研究和矿产勘查开发所必须掌握的基础知识。

表1-1 秦岭造山带及邻区区域金属成矿系统

(据姚书振，2006)

早期形成的矿床在后来变化中，可能有后期成矿系统的叠加，因而造成矿床的物质组成、构造结构、形态产状的多样性和复杂性。由于中国地质构造的多期性和复杂性，成矿系统叠加现象比较常见，其所产生的多成因矿床值得关注。

6.成矿系统的资源-环境双重效应

前已述及，地质事件常具有资源-环境双重效应。成矿系统所产生的矿床同样具有资源-环境双重效应。矿床是影响生态环境的一个因素，矿床除地质、资源属性外，还有环境属性。对成矿系统的产物“一分为二”地看，既包括有经济价值的矿产资源，又含有无价值甚至有害的物质成分。例如，金属矿床中常见的有害元素如Hg，Cd，As，U等在矿床开发过程中，将会在水、土、气中扩散，损害矿山的生态环境。

因此，成矿系统研究不仅要“探宝”，还要“减灾”，即关注并参与矿山环境整治。矿床研究主要是提供岩矿石鉴定测试中和矿山水文地质研究中获得的有关有害物质的含量、赋存状态、扩散方式、途径、范围等资料，可作为整治矿区环境和改善公共卫生的科学依据。

成矿系统研究的资源、环保效应可概括如图1-5。

图1-5 成矿系统研究的资源-环境效应

总之，成矿系统研究体现了矿床研究的发展趋势。它强调研究成矿环境、成矿控制要素、成矿作用过程、成矿产物(矿床系列和异常系列构成的矿化网络)，以及矿床保存条件和成矿后的变化过程。成矿系统的整体分析、空间分析、时间分析，以及历史分析对于区域勘查有重要的指导意义，并已获得明显的成效。