王功文

中国地质大学（北京）地球科学与资源学院，北京 100083

矿产普查与勘探是一级学科“地质资源与地质工程”的二级学科。该学科以各类固体矿产和流体矿产为研究对象，以矿产资源预测、勘查、评价及开发利用的理论、技术和方法为研究内容，以地质、资源、环境、技术、经济综合效益最优化为研究目标，为21世纪国家经济建设、科技进步和可持续发展培养高层次的矿产地质技术人才。矿产普查与勘探（固体矿产）以地质、数理、技术、经济为基础，并与矿业工程、环境科学与工程、管理科学与工程以及计算机科学与技术有密切联系。由此可见，矿产勘查学是科研性与生产性兼顾的一门学科。

21世纪以来，随着浅部矿产资源的日益减少，深部尚未发现的矿产资源将是21世纪满足人类日益增长的矿产需求的主要来源之一，因而深部“第二勘探空间”找矿已成为全球矿产勘查的一个主要方向。近年来，美国、俄罗斯、中国、加拿大、澳大利亚、巴西、智利等矿业大国注重“资源-环境-经济”可持续发展，促进了地球深部探测技术、测试分析技术发展，为地球科学的定量化研究提供了多元（地质、地球物理、地球化学和遥感）、多维、多尺度数据。面对现代地球科学的“大数据”时代，国内外地学工作者注重利用计算机技术开展数据驱动建模、知识驱动建模来进行科学决策[1]，即数据（data）—信息（information）—知识(knowledge) —理解（understanding）—智慧（wisdom）。

近10年来，矿产勘查学（固体矿产）作为中国地质大学（北京）的国家级一级重点学科，从本科、硕士研究生、博士研究生教学设计三个不同层次，在研究生教学中又有工程硕士之别。因此，在学科授课过程中，应当注重其差异，但同时需要注重其相互间的共性及其关联，如矿产勘查学的深部找矿理论、探测新技术、测试新方法、三维可视化是教学的前沿，各层次的学生需要不同程度的理解和掌握。另外，注重科研性与生产性的关联，本学科的教材、教学重点内容由于科学技术发展而发生重大变化，如成矿预测技术方法体系与矿产资源计算的行业标准存在国内外差异。在成矿预测方面，以往教科书突出二维的教学知识内容，三维知识内容欠缺甚至缺失，因此，该内容需要及时补充与更新；固体矿产储量计算存在国际行业标准差异，所以在研究生、博士生中更应注重国际行业的商业标准讲授（如澳大利亚的JORC标准、加拿大的NI43-101），以便于开展国际交流与联合培养。

一、矿产勘查学的理论与技术发展现状

传统的矿产勘查学的理论与技术主要以典型矿床的成因模式与找矿技术为核心，注重野外地质、岩矿石的测试分析与钻探工程实施以及储量计算等内容。近年来，国内外的矿产勘查相关理论与技术方法发展迅速，尤其三维/四维可视化技术、深部探测技术、高精度测试分析技术、高分辨率与高光谱遥感技术和科学计算等极大地促进了矿产勘查学的发展，拓展了成矿理论、找矿理论范畴。

21世纪以来，国内外深部地球物理、深穿透地球化学与高光谱与高分辨率遥感技术的研发与信息提取技术的提高、三维可视化技术和计算机技术的集成发展、固体矿产勘查的理论与技术都得到了飞速发展、我国近年来实施危机矿山/老矿山深部找矿、典型矿集区、“十二五”科技支撑计划项目等第二勘探空间找矿（地表以下500~2000m），为矿产勘查学科发展带来契机；而2016—2026十年战略有关的重点科技研发计划项目，其固体矿产勘查深度为3000~5000m，需要在勘探理论、技术方法和三维集成，最终实现勘探基地的形成，使产学研用达到新高度。因此，了解和掌握国际矿产勘查的新理论、新技术、新方法及发展趋势，并将其应用于教学实践中，有利于培养学生独立思考能力和从事实际研究工作的基本技能和专业知识。

近年来，为了降低勘探风险并提高找矿效率，地学工作者在矿产资源勘查理论与方法、深部探测技术、测试分析技术、可视化技术、非线性方法与数据集成等方面取得了重要进展，相关内容概述如下：（1）在勘查理论方面，尤其大型—超大型矿床成因模式研究，注重矿床模型与矿产勘查的综合研究，矿床模型是勘查模型的基础，利用矿床模型建立三维勘探模型也拓展了矿床模型研究范畴，并将其由2D 向3D 乃至4D 发展；我国更注重大型—超大型矿床的成矿动力学背景、成矿过程与定量评价的综合研究。（2）在勘查技术方法方面，利用重、磁、电、震等多元地学三维建模探讨壳幔结构及其成矿动力学背景。

二、矿产勘查学在可视化技术方面的发展趋势

三维地质建模（3D Geological modeling）是国际上一门综合运用现代空间信息理论来研究地质体及其内部物理、化学属性的数据组织、信息处理、空间建模与数字表达，并运用科学计算可视化技术对其进行真三维的再现与交互的科学与技术[1]。三维地质建模一般是通过多元地学数据分析、解释、推断、内插和外推等建立地质体模型，但是不同的观测数据以及不同的建模理论、模型、参数选取都可能不同程度地导致最终结果的不确定性。三维地质建模的不确定问题是一个复杂的非线性问题，需要寻求概率论、空间统计学、信息论、人工智能、神经网络等非线性科学理论和高性能计算机模拟分析与可视化技术的支持。

在三维可视化方面，应注重地学模型与多元数据的挖掘以及多元信息的集成与可视化，且由二维向三维乃至四维的发展趋势[2]；尤其三维地学建模软件目前已趋于商业化，如国外地学软件以法国GOCAD、澳大利亚Mircomine、美国3DMine、加拿大Surpac为代表，国内地学软件以中国地质大学（武汉）GeoView、中国矿业大学GeoSIS、中国地质科学院“探矿者”、北京大学3DGSIS 等为代表。

三、矿产勘查学在探测技术方面的发展趋势

加拿大地质调查局自1989年进行的“勘查技术计划（EXTECHI-IV）已开展了四期，旨在开发区域性和矿床尺度的综合地质模型并改进勘探的理论和技术，探明3000m 以浅的金属资源；澳大利亚最高研究机构CSIRO 于2000年、2007年分别实施了“Glass Earth”与“Minerals Down Under”项目（图1），旨在研制地质-地球物理-地球化学-遥感技术的三维可视化和地质模拟等技术，查明地表1000m 内的金属资源；美国地质调查局2013—2023年的资源勘查战略，旨在开发一个集成三维和四维地球科学数据的信息，拓展3500m 以浅的资源-环境的研究领域；俄罗斯自21 世纪初至今开展了西伯利亚和远东地区的三维地质-地球物理建模研究，旨在探明该区壳幔成矿动力学背景及其3000m 以浅的金属矿产资源分布；我国国土资源部2008年正式发布《关于促进深部找矿工作指导意见》，将深部找矿作为中国今后找矿勘查的主要方向之一，“十二五”期间开展了“中国东部深典型矿集区深部资源勘查技术集成与示范”国家科技支撑计划项目，明确了我国深部第二勘探空间500~2000m。例如，Lv等[3]开展了基于重磁约束的长江中下游狮子山矿区三维地质建模。（3）利用现代矿床地球化学测试技术，拓展找矿标志信息/勘探变量的研究范围（如温度、压力、氧逸度等）利用三维地球化学方法进行立体找矿实验研究；Taylor 等[4]利用氧同位素精确定位预测一致矿区的外围与深部构造角砾岩型金矿靶区。

图1 澳大利亚玻璃地球计划组成部分：遥感矿产勘查技术组合与多元信息集成模式

四、矿产勘查学在科学计算方面的发展趋势

目前，非线性方法、物化探技术组合、多元信息集成、地学环境模拟分析是三维地质建模及其不确定性研究的重要手段，也是数学地质研究的尖端前沿。国内外学者开展了如下研究内容：（1）先进的DSI 插值方法实现连续、定性的数据不确定性计算：利用近地表数据DSI 插值法开展复杂地质建模研究；运用野外地质观测数据DSI 插值分析辅助地质知识推理开展三维断层构造建模研究。（2）地质-地球物理综合解译：Wang 等[5]利用重磁三维反演及其和2.5 维正演组合方法，实现了栾川南泥湖矿区含矿岩体的三维建模，Lindsay 等[6]提出了运用可视化方法量化方法，定位分析三维地层模型的不确定性研究[4]。（3）多元数据耦合与集成：Wu 和Xu[7]提出了多元地学数据耦合与多种建模集成的三维地质建模理论与方法；“数据驱动+知识推理”、“建模-模拟-修正”（武强与徐华）[8]与“虚拟技术”更新和优化三维地质模型。（4）三维建模与构造-流体模拟分析：利用构造-流体模拟方法预测了澳大利亚造山带金矿系统；（5）三维非线性方法研究：利用地质统计学与分形组合方法进行深部找矿及其矿化中心的不确定性计算[9]；利用地质统计学方法开展储量估算及其不确定性分析；利用元素-体积（C-V）分形方法，划分了矿床尺度的三维品位模型等级；Wang 等[10]利用CoKriging和C-V 分形组合方法划分了黑龙江铜山铜矿床的三维品位模型，并预测找矿有利靶区。

在科学计算方面，非线性、地质统计学、数据集成、模拟计算是数学地质的前沿和难点[6]。如GeoDAS软件（Cheng）[11]的分形/多重分形及证据权法、模糊证据权地学信息集成法；ArcGISSDM 软件的逻辑回归、证据权、概率神经网络、径向基神经网络集成分析法[12]；GSLIB、SGeoMS软件有关地质统计学克里格方法（Kriging）的估算与模拟（De Kemp 等）[13]；高精度地球化学测试分析与三维地质建模：FLAC3D、ANSYS 软件的构造-流体与岩性多变量耦合模拟分析。

五、矿产勘查学的教学新途径

与世界欧美发达国家的相关矿产勘查学科对比，我校的矿产普查与勘探（固体矿产）学科存在的差距主要体现在三个方面：（1）深部找矿理论创新欠缺。如斑岩成矿与找矿模型从国外引进与推广应用，而我们自己原创性的理论较少，且深部勘查理论滞后于深部探测技术与测试分析技术。（2）在地学应用的技术平台上差距较大，主要体现在软硬件条件匮乏：在软件开发和系统集成方面（如地学三维软件开发方面）,我国还没有形成产业化，开发研究处于初始阶段，缺少国际高质量（学术与科研水平高）三维软件（如GOCAD软件），而美国、加拿大和澳大利亚等发达国家已经实现了软件产业化优势（图2），在三维模拟软件方面我国还原因落后于发达国家，如欧美国家的Flac3D软件、Ansys等；在硬件条件上，仪器设备不完善，如地面高光谱波谱仪测试设备、轻型勘探设备（如高精度的X荧光测试仪等）。（3）缺乏长期固定的矿山研究基地，“产学研用”高校与企业的合作仍处于初期阶段，而国外大型跨国集团公司与高校长期合作以为固定模式。我国固体矿产勘查领域缺乏长期固定的矿山实践基地，不利于基于国内矿带、矿集区、大型-超大型矿床的产学研一体化研究和人才培养。

图2 基于ArcGIS、GoCAD软件制图的可视化技术对比

针对上述矿产勘查学的教学现状，主要采取如下几个方面的措施以提高我校教学与科研，以实现我校在固体矿产资源定量评价国际一流的水平：

（1）在“矿产普查与勘探”教学实践中，鉴于我校矿物岩石矿床学与矿产普查与勘探处于同一教研室，需要注重严格区分矿床学与矿产普查与勘探的教学内容，尤其生产实习，符合理科与工科相关毕业论文、毕业设计的需求，充分立足我校有关莫宣学、翟裕生与赵鹏大三位院士的《大型-超大型矿床成矿动力学 背景、过程、定量评价》项目成果，包括三维建模与资源评价工作站及其《技术手册》内容。在本科教学环境中，增加三维可视化教学内容，生产实习弥补学生在计算机软件应用的不足，如CAD、MapGIS、Micromine三维建模软件；在工程硕士《矿产普查与勘探》教学过程中，增加三维可视化教学内容，深化地质-地球物理-地球化学找矿综合研究，旨在满足当前我国大型-超大型矿床及其矿集区的“产学研用”；在博士生《矿产普查与勘探》教学过程中，增强三维动态显示及其国际三维研究热点与前沿，深化成因模式与找矿模型的集成建模研究。

（2）在教学-科研过程中，注重立足国内矿产勘查阶段的总体目标和阶段任务，结合国际、国内相关行业标准，利用国际发展平台和优势资源，加强学术带头人与骨干教师的国际交流与教学、科研合作，旨在建立和完善矿产勘查学的教学内容及其方法体系，实现“教学-科研”一体化、教师国内外组合的长效机制。例如：当前我国地质统计学研究严重滞后欧美国家，精确的科学计算在三维乃至四维迫在眉睫，是需要教学急需解决的问题[14]。借助我校“研究生名师讲堂”、“优秀教师基本科研基金”、“固体矿产勘查优势学科建设项目”，开展国际教学合作与交流。提高我校教学质量。将科研成果转为教学成果，通过国际合作交流，增强教学实践能力，包括邀请国外专家讲学、报告；国外高校短期访问以及国际会议交流，提高我校的教学与科研水平。

（3）注重发挥我校研究生联合培养基地作用，实现企业运作与高校项目支撑相结合的互动模式。我校研究生联合培养基地遍布我国主要金属矿产基地，如我国云南个旧矿集区、河南栾川Mo多金属矿集区、山东胶东金矿集区、安徽铜陵矿集区等。依托上述基地，根据企业发展需求，结合我校科研项目，系统开展本科生的毕业设计、研究生学术研究，博士生科研攻关的递进模式，长期、高效、可持续发展基地与人才培养模式，这更符合我校特色+精品的培养理念，有利于创建世界一流地球科学院校。

[1]HOULDING SW.3D geoscience modeling - computer techniques for geological characterization[M].Berlin: Springer-Verlag, 1994.

[2]CARRANZA J.Editorial: Geocomputation of mineral exploration targets[J].Computers &Geosciences, 2011（37）:1907-1916.

[3]LV Q.3D geologic model of Shizishan ore field constrained by gravityand magnetic interactive modeling: A case history.Geophysics,2013,78（1）: B25-B35.

[4]Taylor B E, E de Kemp, etc.2014.Three-Dimensional Visualization of the Archean Horne andQuemont Au-Bearing Volcanogenic Massive Sulfide Hydrothermal Systems, Blake RiverGroup, Quebec[J].Economic Geology, 2014,109:183–203

[5]WANG G, ZHU Y, ZHANG S.3D geological modeling based on gravitational and magneticdata inversion in the Luanchuan ore region, Henan Province, China[J].Journal of AppliedGeophysics, 2012（80）：1-11.

[6]LINDASAY M D, Aillères L, Jessell M W, et al.Locating and quantifying geological uncertainty in three-dimensional models: analysis of the Gippsland Basin southeastern Australia[J].Tectonophysics, 2012,546-547, 10-27.

[7]WU Q.A 3D modeling approach to complex faults with multi-source data[J].Computers & Geosciences, 2015,77:126-137.

[8]武强，徐华.2004.三维地质建模与可视化方法研究[J].中国科学（D辑，地球科学），34（1）：54-60.

[9]WANG G, ZHANG S, YAN C, et al.Mineral potential targetingand resource assessment based on 3D geological modeling in Luanchuan region[J].China.Computers& Geosciences, 2011（37）:1976–1988.

[10]WANG G,PANG Z,BOISVERT J,et al, Quantitative assessment of mineralresources by combining geostatistics and fractal methods in the Tongshan porphyry Cudeposit (China) [J].Journal of Geochemical Exploration, 2013,134：85–98.

[11]ChengHENGv.1to 3, 2000, 204.http://www.gisworld.org/geodat.

[12]CARRANZA J.Editorial: Geocomputation of mineral exploration targets [J].Computers &Geosciences, 2011 （37）: 1907-1916.

[13]DE KEMP E,Monecke T, Sheshpari M, et al.3D GIS as a support for mineral discovery[J].Geochem.Explor.Environ.Anal.2011,11,117-128.

[14]王功文.矿产勘查学教学改革与实践[J].中国地质教育，2013,22（3）：55-58.