何貞健

(福州市國土資源測繪隊(duì)，福州，350000)

自上個世紀(jì)80年代以來，眾多國內(nèi)外學(xué)者、組織、企業(yè)利用三維地質(zhì)建模與可視化技術(shù)，為礦產(chǎn)資源評估、礦山規(guī)劃、采掘設(shè)計(jì)、生產(chǎn)安全和決策管理進(jìn)行模擬、仿真和過程分析[1]。經(jīng)過30年多的發(fā)展，有些發(fā)達(dá)國家在礦山的地質(zhì)勘探、礦山設(shè)計(jì)、礦山測量等行業(yè)應(yīng)用的三維可視化技術(shù)和礦山信息管理方面開發(fā)了實(shí)用軟件系統(tǒng)，如GOCAD、Surpac、MicroMine 、AMSKAN礦山信息系統(tǒng)和ENDAKD鋁礦信息系統(tǒng)等[2]。隨著地球科學(xué)信息技術(shù)的發(fā)展，我國數(shù)字礦山也已經(jīng)開始從理論研究階段逐步走向?qū)嶋H應(yīng)用[3,4]。從整體上看，我國在礦山勘察、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、監(jiān)控等全面信息化仍處于起步階段，僅有一些研究機(jī)構(gòu)或公司針對某些應(yīng)用領(lǐng)域的軟件成果，例如中國地質(zhì)大學(xué)的 GeoView 軟件、北京大學(xué)的 GSIS 軟件、武漢中地數(shù)碼公司基于MapGIS平臺的三維擴(kuò)展模塊、中國礦業(yè)大學(xué)的 GeoMo3D 軟件，以及北京3DMine三維礦業(yè)軟件等。絕大多數(shù)數(shù)字礦山建設(shè)所采用礦業(yè)軟件仍是來自國外，有些軟件功能強(qiáng)大也較易操作，但也存在技術(shù)支持不足、漢化程度低、系統(tǒng)價格昂貴等問題，在國內(nèi)推廣應(yīng)用具有較大的局限性。

近年來，福建省在礦政管理信息化建設(shè)方面做了大量工作，具備了一定的基礎(chǔ)。但儲量管理仍存在動態(tài)監(jiān)管難度大、數(shù)據(jù)質(zhì)量低的問題。①礦產(chǎn)資源/儲量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)復(fù)雜，依靠常規(guī)管理手段，難以對礦山具體開采變化情況進(jìn)行比對、核查；②“一帳三圖”的質(zhì)量難以保證，儲量年度統(tǒng)計(jì)和“三率”考核數(shù)據(jù)失真；③提交的數(shù)據(jù)缺少連續(xù)性，可靠性較低，難以實(shí)現(xiàn)對礦產(chǎn)資源儲量的動態(tài)、精細(xì)、規(guī)范化管理。目前數(shù)字礦山逐步由二維向三維發(fā)展，三維地質(zhì)建模與可視化技術(shù)是構(gòu)建數(shù)字礦山的關(guān)鍵技術(shù)之一[5]。為了提升礦產(chǎn)資源儲量管理信息化水平，實(shí)現(xiàn)固體礦產(chǎn)(礦山)三維空間信息的可視化和資源/儲量估算的智能化，促進(jìn)儲量管理方式的根本性轉(zhuǎn)變，運(yùn)用三維地質(zhì)模型與可視化技術(shù)已成為必然選擇。筆者利用龍巖馬坑鐵礦礦產(chǎn)地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，介紹固體礦產(chǎn)(礦山)三維資源儲量動態(tài)建模方案，并設(shè)計(jì)開發(fā)“福建省固體礦產(chǎn)儲量動態(tài)管理系統(tǒng)”，致力于實(shí)現(xiàn)資源/儲量估算、空間分析、地質(zhì)儲量動態(tài)監(jiān)管的三維可視化、智能化和精細(xì)化*福建省地質(zhì)測繪院，福建省固體礦產(chǎn)儲量三維空間信息管理系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)方案，2014。。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)定位

“固體礦產(chǎn)儲量動態(tài)管理系統(tǒng)”是面向儲量管理部門的需求，基于礦山三維資源儲量模型地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，以三維虛擬空間作為背景，集成三維地質(zhì)建模、WebGIS、SOA等技術(shù)，采用3DMine和ArcGIS平臺二次開發(fā)的一個交互式儲量三維空間信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)以主流三維礦業(yè)軟件構(gòu)造的三維模型為主要輸入數(shù)據(jù)，同時兼容AutoCAD、南方CASS、MapGIS等礦山常用軟件的數(shù)據(jù)格式。能夠?qū)崿F(xiàn)三維模型可視化，直觀展現(xiàn)探礦程、礦區(qū)地形、礦山地質(zhì)體、礦產(chǎn)資源儲量、礦石質(zhì)量等空間信息；能夠輔助儲量動態(tài)監(jiān)管，通過礦山地質(zhì)三維虛擬空間模型，直觀展現(xiàn)礦體探采對比情況及儲量數(shù)據(jù)動態(tài)變化情況，降低管理工作難度，提高儲量動態(tài)檢測數(shù)據(jù)的可靠性、準(zhǔn)確性，夯實(shí)儲量管理工作基礎(chǔ)；能夠提供數(shù)據(jù)支撐，集成礦山開采回采率和不同礦種綜合利用率的計(jì)算方法，為礦山年度統(tǒng)計(jì)、“三率”指標(biāo)考核，以及價款評估和資源補(bǔ)償費(fèi)征收等礦政管理工作提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

以計(jì)算機(jī)軟硬件環(huán)境與網(wǎng)絡(luò)通信平臺為依托，以礦產(chǎn)(礦山)資源數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于3DMine、ArcGIS、.Net技術(shù)平臺，構(gòu)建固體礦產(chǎn)(礦山)儲量動態(tài)空間信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息共享、數(shù)據(jù)服務(wù)、業(yè)務(wù)監(jiān)管，通過局域網(wǎng)和政務(wù)網(wǎng)進(jìn)行信息發(fā)布，同時為礦政管理相關(guān)應(yīng)用提供服務(wù)接口，與礦政綜合管理進(jìn)行有效銜接。系統(tǒng)以信息化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、數(shù)據(jù)交換體系及安全體系為保障，標(biāo)準(zhǔn)體系包括數(shù)據(jù)規(guī)范、服務(wù)規(guī)范和應(yīng)用規(guī)范，交換體系則包括數(shù)據(jù)、應(yīng)用和服務(wù)的綜合交換。系統(tǒng)總體概念架構(gòu)可劃分為四個層次(圖1)。

網(wǎng)絡(luò)層：為硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。

數(shù)據(jù)層：由基礎(chǔ)類數(shù)據(jù)庫、專業(yè)類數(shù)據(jù)庫、管理類數(shù)據(jù)庫、文檔資料數(shù)據(jù)庫等組成。

平臺層：基于關(guān)鍵軟件技術(shù)平臺對各類業(yè)務(wù)功能需求進(jìn)行服務(wù)封裝，并以服務(wù)的方式提供給應(yīng)用層服務(wù)支撐，并與之交互。

應(yīng)用層：基于平臺層開發(fā)各項(xiàng)業(yè)務(wù)應(yīng)用，應(yīng)用范圍包括礦產(chǎn)資源、礦產(chǎn)儲量動態(tài)空間信息管理、相關(guān)礦政管理應(yīng)用接口等。

1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

主要劃分為數(shù)據(jù)管理、查詢統(tǒng)計(jì)、動態(tài)核查三大部分，數(shù)據(jù)管理實(shí)現(xiàn)礦山儲量動態(tài)數(shù)據(jù)的省、市、縣三級網(wǎng)絡(luò)匯交，流程化、權(quán)限化數(shù)據(jù)庫管理，查詢統(tǒng)計(jì)實(shí)現(xiàn)礦山基本信息、儲量評審情況及礦山分布情況的綜合查詢，實(shí)現(xiàn)分區(qū)域儲量分類統(tǒng)計(jì)分析、單礦山歷年儲量變化統(tǒng)計(jì)分析，動態(tài)核查實(shí)現(xiàn)儲量動態(tài)數(shù)據(jù)三級網(wǎng)絡(luò)化在線核查。系統(tǒng)功能包括數(shù)據(jù)匯交、動態(tài)核查、統(tǒng)計(jì)分析、報表輸出、綜合查詢、系統(tǒng)管理六個功能模塊(圖 2)。

數(shù)據(jù)匯交：實(shí)現(xiàn)對礦山提交儲量動態(tài)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)匯交。

動態(tài)核查：這是該系統(tǒng)的重點(diǎn)部分，實(shí)現(xiàn)對礦山提交的儲量動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的核查。

統(tǒng)計(jì)分析：可對某個行政區(qū)域內(nèi)的儲量變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時也可對某個礦山的歷年儲量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

報表輸出：主要是對礦山提交的儲量報表從數(shù)據(jù)庫中查詢調(diào)閱。

綜合查詢：可對相關(guān)的礦山的基本信息、儲量評審情況及礦山分布情況進(jìn)行查詢。

系統(tǒng)管理：用于系統(tǒng)用戶權(quán)限管理與系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。

2 三維礦床儲量動態(tài)建模

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

馬坑鐵礦位于龍巖市區(qū)約13 km的馬坑村北東向，交通較便利。礦床地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件復(fù)雜，礦體埋藏深、地下涌水量大，但礦床儲量大，礦石品位中等，且可選性較好，極具開采價值。礦床呈北東45°分布，東西長為4 000 m，南北寬為1 000 m，面積為4 km2(圖3)。礦體總體走向北東，傾向北西，傾角20°～50°，呈連續(xù)單一的層狀、似層狀產(chǎn)出。主礦體控制長度為3 600 m，延伸490～1 300 m，主礦體儲量占全礦區(qū)儲量的98%，分布集中。礦區(qū)分中、西兩個礦段，礦段間并無自然分界線，僅是人為將71線西南劃為西礦段、71線至F11劃為中礦段。西礦段平均厚度為54.04 m，中礦段平均厚度為21.76 m。鐵礦的品位西礦段全鐵為38.08%，中礦段全鐵為38.4%。馬坑鐵礦現(xiàn)采礦許可證范圍內(nèi)累計(jì)查明的鐵礦石資源量為38 055.49萬t，占全省探明儲量的72%，占全區(qū)儲量的88.8%，屬于大型鐵礦床。

馬坑鐵礦區(qū)勘探工作主要以鉆探、坑探為主，勘探數(shù)據(jù)主要以紙質(zhì)報告、MapGIS 圖件、AutoCAD圖件方式存在。試驗(yàn)區(qū)現(xiàn)有有效鉆孔285個，勘探線30條，主礦體的分析，在勘探剖面上圈定出了礦體范圍，并且通過剖面法、斷面法等傳統(tǒng)方法進(jìn)行過儲量估算。具備三維地質(zhì)建模與空間分析的條件，可以勘探平面圖、剖面圖，采掘工程平面數(shù)據(jù)，鉆孔、槽探、坑探等地質(zhì)資料作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，提取地質(zhì)體空間形態(tài)后構(gòu)建礦體、地表、斷層、儲量動用范圍、采空區(qū)、巷道等地質(zhì)體三維模型；通過對鉆孔、坑探等采樣分析，形成空間上礦體品位分布，進(jìn)行空間品位插值后對礦體塊模型賦值，從而實(shí)現(xiàn)礦體儲量計(jì)算。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

勘探地質(zhì)信息化應(yīng)用的一個重要課題是三維地質(zhì)建模，其由二維發(fā)展到三維虛擬空間，由平面延伸到立體的特點(diǎn)，為地下地質(zhì)空間體分析提供了一個直觀便捷的平臺。根據(jù)固體礦產(chǎn)(礦山)資源儲量動態(tài)管理需求，應(yīng)建立礦體模型、儲量動用模型、采空區(qū)模型、巷道模型、地層模型、地表模型、構(gòu)造模型和基礎(chǔ)儲量塊模型(或稱品位模型)，其中礦體模型包括生產(chǎn)勘探礦體模型、保有礦體模型，如果礦山企業(yè)為首次匯交數(shù)據(jù)，還應(yīng)建立原始勘探礦體模型(一般基于地質(zhì)剖面建立)，歷史儲量動用模型和歷史巷道模型。三維地質(zhì)建模的過程大體相似，都是從原始數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理后，基于適當(dāng)?shù)娜S模型表達(dá)方法，比如TIN、BRep、GTP、TEN等[6,7]，采用交互編輯的方式進(jìn)行三維可視化建模完成的。不同之處是針對建模目標(biāo)不同而選擇不同的地質(zhì)空間數(shù)據(jù)模型表達(dá)，不同的數(shù)據(jù)模型其建模方法也不盡相同。三維地質(zhì)建模常采用鉆孔、剖面、平面地質(zhì)圖、地震勘探數(shù)據(jù)、多源數(shù)據(jù)等方式[8-9]，筆者結(jié)合馬坑鐵礦實(shí)驗(yàn)區(qū)的實(shí)際情況，建模主要采用基于剖面圖和基于中段平面圖兩種方式，建模前利用檢查無誤的探礦工程數(shù)據(jù)對圖件數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查、修正，確保礦體等地質(zhì)體的準(zhǔn)確解譯。最后應(yīng)用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理在礦體模型的基礎(chǔ)上建立儲量塊體模型，進(jìn)行品位空間插值以揭示礦體內(nèi)部品位的具體分布情況，快速計(jì)算出礦石的儲量。

2.3 資源/儲量動態(tài)管理數(shù)據(jù)庫

礦山企業(yè)每年需按照儲量動態(tài)數(shù)據(jù)匯交格式，規(guī)定向國土管理部門提交儲量年報數(shù)據(jù)，儲量年報數(shù)據(jù)包括正文、附圖、附件、附表、三維資源/儲量數(shù)據(jù)模型(表1)。利用數(shù)據(jù)庫的海量存儲功能，隨著時間的推移，就可以對礦山儲量變化數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)核查、審核。上述動態(tài)信息數(shù)據(jù)必須整理匯交入庫，通過系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動態(tài)管理應(yīng)用，這意味著礦山企業(yè)每年需要構(gòu)建當(dāng)年度的資源/儲量三維空間模型。根據(jù)資源/儲量動態(tài)管理需求，應(yīng)建立礦體模型、儲量動用模型、采空區(qū)模型、巷道模型、地層模型、地表模型、構(gòu)造模型和儲量塊模型(或稱品位模型)，其中礦體模型包括生產(chǎn)勘探礦體模型、保有礦體模型，如果礦山企業(yè)為首次匯交數(shù)據(jù)，還應(yīng)建立原始勘探礦體模型(一般基于地質(zhì)剖面建立)，歷史儲量動用模型和歷史巷道模型。

表1 固體礦產(chǎn)儲量數(shù)據(jù)三維模型

2.4 儲量三維建模的基本流程

基于資源/儲量空間數(shù)據(jù)表達(dá)研究，根據(jù)三維資源儲量動態(tài)管理模型，開展以上三維地質(zhì)模型的構(gòu)建工作。固體礦產(chǎn)(礦山)資源儲量數(shù)據(jù)三維建模過程，主要包括資料收集、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理和數(shù)據(jù)三維建模三部分(圖4)。首先通過野外采集和室內(nèi)整理礦山的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括鉆孔、槽探、井巷等工程數(shù)據(jù)；源數(shù)據(jù)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，將其通過文件方式或者以O(shè)racle等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理；基于三角網(wǎng)數(shù)據(jù)模型，采用交互式的三維地質(zhì)建模技術(shù)，建立所需的礦山各類礦產(chǎn)資源/儲量模型，服務(wù)于儲量動態(tài)管理專題。實(shí)體建模常采用基于鉆孔、基于剖面、基于平面地質(zhì)圖等是常采用的實(shí)體建模方式[11,12]，實(shí)體建模主要采用基于剖面圖和基于中段平面圖兩種方式，建模前應(yīng)利用檢查無誤的探礦工程數(shù)據(jù)對圖件數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查、修正，確保礦體等地質(zhì)體的準(zhǔn)確解譯。最后運(yùn)用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，在礦體模型的基礎(chǔ)上建立塊體模型，通過對其進(jìn)行品位空間插值，從而揭示礦體內(nèi)部品位的具體分布情況，快速計(jì)算出礦石儲量。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

依托于計(jì)算機(jī)軟硬件環(huán)境以及網(wǎng)絡(luò)通信平臺，在已經(jīng)構(gòu)建的礦產(chǎn)(礦山)資源儲量數(shù)據(jù)三維模型基礎(chǔ)上，以三維虛擬空間為背景，基于3DMine、ArcGIS和.Net技術(shù)平臺，研發(fā)“固體礦產(chǎn)儲量動態(tài)管理系統(tǒng)”。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用效果

“固體礦產(chǎn)儲量動態(tài)管理系統(tǒng)”是面向省級國土資源廳儲量處、礦管處等相關(guān)管理部門的需求，以信息標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范體系及安全體系為保障，基于礦山三維資源儲量數(shù)據(jù)，以3DMine和ArcGIS為主要平臺二次開發(fā)的一個交互式儲量三維空間信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)管理、查詢統(tǒng)計(jì)、動態(tài)核查三大部分功能。

(1)能夠?qū)崿F(xiàn)三維模型可視化。直觀展現(xiàn)礦山地質(zhì)體、探礦工程、采掘系統(tǒng)、礦產(chǎn)儲量、礦石質(zhì)量等空間信息。圖5a所示為2014年馬坑鐵礦儲量動用信息，而疊加巷道工程可為必要的現(xiàn)場核實(shí)提供準(zhǔn)確的位置信息。

(2)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化匯交。對資料管理、數(shù)據(jù)分析、評審備案、動態(tài)監(jiān)管的網(wǎng)絡(luò)化集成。圖5b所示為在礦山分布圖上掌握宏觀礦山分布信息，明確礦體(床)分布位置，可以查看礦山基本信息，還可以調(diào)出礦山的三維模型信息。

(3)能夠輔助儲量動態(tài)監(jiān)管。通過礦體儲量三維空間模型，直觀展現(xiàn)礦體探采對比情況及儲量數(shù)據(jù)動態(tài)變化情況，對空間實(shí)體、資源儲量、地測資料進(jìn)行精細(xì)化核查，提高儲量動態(tài)檢測數(shù)據(jù)的可靠性、準(zhǔn)確性，夯實(shí)儲量管理工作基礎(chǔ)。圖5c、圖5d所示為對儲量的增減情況從三維上和中斷面上進(jìn)行對比核查，甚至可以加載坑內(nèi)鉆等探礦工程數(shù)據(jù)，查找儲量增加/減少的原因(圖5e)。圖5f為三維空間下的礦權(quán)范圍檢查。

(4)能夠提供數(shù)據(jù)支撐。集成礦山開采回采率、綜合利用率的計(jì)算方法，為礦山“三率”指標(biāo)考核、年度統(tǒng)計(jì)及價款評估和資源補(bǔ)償費(fèi)征收等管理工作提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支撐。系統(tǒng)通過儲量動態(tài)三維模型的空間運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)保有資源量、動用量、采損量和回采率的自動計(jì)算及結(jié)果三維可視分析。圖5g為對馬坑鐵礦2014年保有資源量的計(jì)算，在輸出窗口中自動生成保有礦體的位置、形態(tài)，同時將各個級別的資源量、儲量以圖、表展現(xiàn)。

(5)將研究區(qū)資源儲量數(shù)據(jù)三維模型應(yīng)用于該系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證，能夠滿足要求，同時驗(yàn)證了系統(tǒng)具有虛擬三維直觀可視、儲量估算便捷、數(shù)據(jù)比查有據(jù)的應(yīng)用效果。

4 結(jié)論

(1)礦產(chǎn)資源/儲量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)復(fù)雜，依靠常規(guī)管理手段，難以實(shí)現(xiàn)對礦產(chǎn)資源儲量的動態(tài)、精細(xì)、規(guī)范化管理。隨著地球空間信息技術(shù)的不斷發(fā)展，三維地質(zhì)建模與可視化技術(shù)成為構(gòu)建數(shù)字礦山的一個重要手段。針對礦產(chǎn)資源/儲量管理中動態(tài)監(jiān)管難度大、數(shù)據(jù)質(zhì)量低的狀況，根據(jù)礦產(chǎn)資源/儲量估算、儲量動態(tài)管理等應(yīng)用需求，以龍巖馬坑鐵礦實(shí)驗(yàn)區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究固體礦產(chǎn)三維資源/儲量動態(tài)建模的基本思路、模型數(shù)據(jù)要求和建模基本流程。在此基礎(chǔ)上，以三維虛擬空間為背景開發(fā)出了具有實(shí)用化前景的“固體礦產(chǎn)儲量動態(tài)管理系統(tǒng)”。

(2)該系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)管理、查詢統(tǒng)計(jì)、動態(tài)核查等功能，實(shí)現(xiàn)了資源/儲量估算、空間分析、儲量動態(tài)管理、“回采率”考核的便捷化、智能化，達(dá)到了數(shù)據(jù)三維可視、儲量估算便捷、動態(tài)監(jiān)管比查有據(jù)的應(yīng)用效果，能夠有效解決資源儲量管理中動態(tài)監(jiān)管難度大、數(shù)據(jù)質(zhì)量低等問題，同時驗(yàn)證了三維資源/儲量動態(tài)管理模型的有效性。固體礦產(chǎn)儲量動態(tài)管理系統(tǒng)具有實(shí)用價值和推廣應(yīng)用潛力，可為提升礦產(chǎn)資源儲量管理水平，促進(jìn)固體礦產(chǎn)資源/儲量管理方式的根本性轉(zhuǎn)變提供科學(xué)支持與實(shí)踐參考。

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9 吳德華, 毛先成, 劉雨. 三維空間數(shù)據(jù)模型綜述.測繪工程,2005, 14(3).

10 翁正平, 何珍文, 毛小平, 等. 三維可視化動態(tài)地質(zhì)建模系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用. 地質(zhì)科技情報,2012(06).

11 楊利容. 復(fù)雜礦體結(jié)構(gòu)三維建模與儲量計(jì)算方法研究.成都:成都理工大學(xué), 2013.

12 吳沖龍, 何珍文, 等. 地質(zhì)數(shù)據(jù)三維可視化的屬性、分類和關(guān)鍵技術(shù).地質(zhì)通報,2011,30(5).