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        基于地質(zhì)剖面構建三維地質(zhì)模型的方法研究

        2017-01-03 01:38:30吳志春郭福生姜勇彪羅建群侯曼青
        地質(zhì)與勘探 2016年2期
        關鍵詞:實體模型界線剖面

        吳志春,郭福生,姜勇彪,羅建群,侯曼青

        (1.東華理工大學 放射性地質(zhì)與勘探技術國防重點學科實驗室,江西南昌 330013;2.東華理工大學 地球科學學院,江西南昌 330013;3.東華理工大學 江西省數(shù)字國土重點實驗室,江西南昌 330013)

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        基于地質(zhì)剖面構建三維地質(zhì)模型的方法研究

        吳志春1,2,3,郭福生2,姜勇彪2,羅建群1,2,3,侯曼青1,2,3

        (1.東華理工大學 放射性地質(zhì)與勘探技術國防重點學科實驗室,江西南昌 330013;2.東華理工大學 地球科學學院,江西南昌 330013;3.東華理工大學 江西省數(shù)字國土重點實驗室,江西南昌 330013)

        地質(zhì)剖面是三維地質(zhì)建模的重要數(shù)據(jù)源,運用地質(zhì)剖面構建三維地質(zhì)模型的方法應用較為廣泛。在模型構建之前,統(tǒng)一確定模數(shù)據(jù)的坐標系和比例尺,建立原始資料數(shù)據(jù)庫。構建三維地質(zhì)模型的關鍵是不同地質(zhì)界面。本文詳細介紹了模型邊界面、斷層面、地層界面、巖體界面等4種主要地質(zhì)界面的構建流程與方法,尤其對褶皺構造、地層界面的斷層效應、復雜巖體界面等的構建進行了重點闡述。按模型邊界面(模型的底界面和四周邊界面)、DEM面、斷層面、其他地質(zhì)界面的順序依次構建地質(zhì)界面,構建斷層面和其他地質(zhì)界面時嚴格按先新后老的順序。運用已構建好的地質(zhì)界面按先新后老的順序逐個、依次建立單個地質(zhì)體,再將所有地質(zhì)體的面模型組合成整個模型的面模型。通過對面模型進行網(wǎng)格(實體)填充和對網(wǎng)格賦予相應的屬性值,最終構建三維地質(zhì)模型。

        三維地質(zhì)建模 地質(zhì)剖面 GOCAD軟件 面模型 實體模型

        0 引言

        三維地質(zhì)建模(3D Geological Modeling, 3DGM)是指運用現(xiàn)代空間信息理論和技術,在計算機中建立能反映地質(zhì)空間內(nèi)部結構與各要素之間的關系及其物理、化學屬性的空間分布等地質(zhì)特征的數(shù)學模型,對地質(zhì)空間及相關的人類工程活動進行真三維再現(xiàn)和分析的科學與技術(Houlding,1994)。剖面數(shù)據(jù)在地質(zhì)領域應用廣泛,他能夠呈現(xiàn)豐富的地質(zhì)信息,剖面數(shù)據(jù)本身包含了真實可靠的已知地質(zhì)信息,又結合了地質(zhì)專家的經(jīng)驗,一系列的剖面可以一定程度上刻畫復雜地質(zhì)體的三維空間展布情況(明鏡等,2009),地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)理所當然的成為三維地質(zhì)建模的主要數(shù)據(jù)源之一。根據(jù)建模數(shù)據(jù)源的不同,建模方法可以分為基于野外地質(zhì)數(shù)據(jù)、基于剖面、基于離散點、基于鉆孔、基于多源數(shù)據(jù)等建模方法(潘懋等,2007)。自從上個世紀70年代三維地質(zhì)建模的提出及應用以來,運用地質(zhì)剖面構建三維地質(zhì)模型的應用與研究從未間斷(Keppel,1975;Tipper,1976;Tipper,1977;Herbertetal.,1995;Lemonetal.,2003;屈紅剛,2006;屈紅剛等,2008;鄧飛等,2009;陳建平等,2014;薛林福等,2014;王國燦等,2015)。根據(jù)剖面的類型和剖面之間的相互關系,可以進一步將基于剖面建模的方法細分成基于平行剖面(鄧飛等,2009;薛林福等,2014)、基于交叉剖面(陳建平等,2014)、基于折剖面(屈紅剛,2006;屈紅剛等,2008)、基于路線剖面(王國燦等,2015)等方法。

        三維地質(zhì)模型的構建,以地質(zhì)界面的構建最為關鍵,復雜地質(zhì)界面的構建決定了模型構建的成敗。2012年2月,中國地質(zhì)調(diào)查局在重要造山帶、重要成礦帶與礦集區(qū)、重要經(jīng)濟區(qū)和城市群等地區(qū)啟動了13個深部三維地質(zhì)調(diào)查試點項目,分層次構建了25個不同尺度的三維地質(zhì)模型。“相山火山盆地三維地質(zhì)調(diào)查”項目是其試點項目之一,重點探索礦集區(qū)大、中比例尺的三維地質(zhì)調(diào)查方法。在相山火山盆地內(nèi),運用GOCAD軟件依次構建了陀上幅三維地質(zhì)模型、鄒家山礦床三維模型、沙洲礦床三維模型、鄒家山—居隆庵三維地質(zhì)模型和相山火山盆地三維地質(zhì)結構模型5個不同范圍、不同數(shù)據(jù)源的模型。陀上幅三維地質(zhì)模型運用數(shù)字地質(zhì)填圖獲取的野外路線PRB數(shù)據(jù)直接構建淺地表三維地質(zhì)模型,其余4個模型都是采用基于地質(zhì)剖面的方法進行構建的。在GOCAD軟件為平臺上,地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)為主要建模數(shù)據(jù),本文詳細介紹不同地質(zhì)界面的構建方法,著重解決褶皺構造、地層的斷層效應、構建復雜巖體界面等難點問題。

        1 建模流程

        以法國南西大學開發(fā)的GOCAD軟件為平臺,基于地質(zhì)剖面構建三維地質(zhì)模型的流程主要包括數(shù)據(jù)預處理及數(shù)據(jù)錄入、地質(zhì)界面的構建、面模型的構建和實體模型的構建4個部分(圖1)。模型可以分為面模型、實體模型和混合模型3類(吳立新等,2003;Gongetal.,2004;Wu,2004)。面模型構建的關鍵是不同地質(zhì)界面的構建,對已經(jīng)構建好的地質(zhì)界面按地質(zhì)體先新后老的順序依次、逐個構建面模型,再將單個地質(zhì)體的面模型合并成整個建模區(qū)的面模型。實體模型的構建可以通過對面模型進行網(wǎng)格(實體)填充和對網(wǎng)格賦予相應的屬性值來實現(xiàn),賦予了屬性值的實體模型也稱為屬性模型。因此,在三維地質(zhì)建模過程中不同地質(zhì)界面的構建最為關鍵,尤其是復雜地質(zhì)界面的構建。

        圖1 地質(zhì)剖面建模流程圖Fig.1 Flow chart of building 3D model based on geological sections

        2 數(shù)據(jù)預處理及數(shù)據(jù)錄入

        2.1 統(tǒng)一坐標系及比例尺

        三維地質(zhì)建模是在地質(zhì)體空間結構分析的基礎上,運用計算機技術,建立可供展示、編輯、計算與輸出于一體的數(shù)據(jù)模型。在建模之前需要構建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)庫,建模數(shù)據(jù)源具有多源性,各數(shù)據(jù)所采用的坐標系和比例尺各不相同,為了建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫,需要將原始資料的坐標系和比例尺進行統(tǒng)一。

        在GOCAD軟件中新建工程時,先要將數(shù)據(jù)庫單位設置成米,深度軸(Z軸)的正值修改為“向上”(默認值為“向下”),也就是Z軸與海拔一致,向上數(shù)值增大,向下數(shù)值減小。設置后,GOCAD軟件中的坐標與地質(zhì)圖坐標一致,Y軸為正北,X軸為正東,Z軸為垂直向上。

        在國內(nèi),地形圖、地質(zhì)圖、勘探線剖面圖等地質(zhì)圖件多采用投影平面直角坐標系,也可見少量圖件采用地理坐標系。在地理坐標系中的1″約等于20m~30m,如果在數(shù)據(jù)庫中地理坐標系與投影平面直角坐標保持相同精度,錄入數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)至少需要多保留一位小數(shù)。

        地理坐標系的精度明顯要低于投影平面直角坐標系坐標的精度。為了降低主要數(shù)據(jù)的投影變換而導致的精度降低,系統(tǒng)坐標應采用投影平面直角坐標系。為了便于數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、坐標數(shù)據(jù)的管理和水平比例尺與Z軸比例尺保持一致,系統(tǒng)比例尺設置為1:1000,單位為米,橢球參數(shù)為北京54或西安80,投影分帶為3°帶。

        2.2 矢量數(shù)據(jù)錄入

        把矢量數(shù)據(jù)導入GOCAD軟件,可以簡單概括為以下3個步驟:

        (1)統(tǒng)一投影參數(shù)和比例尺。為建模所收集的數(shù)據(jù)中,存在不同的比例尺、不同的坐標系類型和不同的投影橢球參數(shù)。為了便于數(shù)據(jù)的使用和管理,將所有數(shù)據(jù)投影變換成統(tǒng)一的比例尺(1:1000),統(tǒng)一的坐標系(投影平面直角坐標系),統(tǒng)一的橢球參數(shù)(北京54坐標系或西安80坐標系,投影分帶為3°帶)。

        (2)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。由于GOCAD軟件不能直接讀取WP、WL、WT等格式的圖件數(shù)據(jù),因此先將圖件的格式統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成軟件能夠識別的DXF格式,以便GOCAD軟件讀取。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中,需按圖層分別進行,不能將圖層合并后再轉(zhuǎn)換。

        (3)數(shù)據(jù)的導入及錯誤檢查。將DXF格式數(shù)據(jù)按圖層分別導入GOCAD軟件,導入后對數(shù)據(jù)進行錯誤檢查,將錯誤消除在模型構建之前。

        2.3 柵格數(shù)據(jù)錄入

        建模柵格數(shù)據(jù)主要是一些紙質(zhì)掃描圖件及軟件導出的JPG、TIF等格式的圖片,如MT反演圖、CSAMT反演圖、地質(zhì)圖、遙感影像圖、勘探線剖面圖、中段平面圖等。柵格數(shù)據(jù)導入系統(tǒng)的主要步驟有:

        (1)柵格圖件的幾何校正,讀取圖片四個角點坐標。因掃描儀的系統(tǒng)誤差和隨機誤差,掃描圖像存在一定程度的扭曲和旋轉(zhuǎn)變形。圖像幾何校正的目的是消除變形和給圖像賦予地理參數(shù)(劉善偉等,2009)。在MAPGIS軟件中進行幾何校正的主要步驟有:1)將JPG、TIF等格式圖片轉(zhuǎn)換成MSI格式;2)在“投影變換”模塊中生成與圖片內(nèi)容相一致的圖框;3)運用生成的圖框,在“圖像處理”模塊中對圖像進行逐格網(wǎng)幾何校正。校正后的MSI格式圖像裁剪成矩形狀,讀取矩形圖像四個角點的坐標,并將平面坐標換算成三維(X、Y、Z)坐標,將矩形圖片轉(zhuǎn)換成TIF格式。

        (2)柵格圖片導入GOCAD軟件。將矩形TIF格式圖片導入GOCAD軟件,導入后的圖片位于Voxet圖層中。在Voxet菜單中,運用“運用角點坐標校正圖像”功能對導入的圖片進行校正,在“坐標設置”對話框中分別輸入對應的角點坐標值即可。

        (3)紋理貼圖。地質(zhì)圖和遙感影像圖導入GOCAD軟件后依然是平面圖件,將這些圖件設置成地表高程模型(Digital Elevation Model, DEM)面的紋理,則可以進行三維顯示。

        2.4 文本數(shù)據(jù)錄入

        許多數(shù)據(jù)可以以文本格式的形式錄入系統(tǒng),如散點數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)等。鉆孔錄入之前,先將鉆孔數(shù)據(jù)在excel表格中整理成鉆孔測斜表、鉆孔位置表、鉆孔巖性表、鉆孔曲線表等4個表格,表格中的內(nèi)容只能用數(shù)字和英文字母表述,不能有漢字和特殊符號,再將excel表格轉(zhuǎn)換成文本文件。鉆孔數(shù)據(jù)嚴格按照鉆孔測斜表、鉆孔位置表、鉆孔巖性表、鉆孔曲線表4個表格的先后順序依次錄入

        3 地質(zhì)界面的構建

        基于地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)模型的構建,需要構建的面分為模型的邊界面、DEM面、第四系界面、斷層面、地層界面、巖體界面和俘虜體界面等7種不同類型的面。在面的構建過程中應遵循模型邊界面、DEM面、斷層面、其他地質(zhì)界面的先后順序進行構建,斷層面和其他地質(zhì)界面的構建嚴格按先新后老的順序構建,并且構建的面要比實際稍大些。其中DEM面、第四系界面和俘虜體界面的構建方法,筆者在“基于PRB數(shù)據(jù)構建三維地質(zhì)模型的技術方法研究”(吳志春等,2015)一文中進行了詳細闡述,在此不再贅述。

        3.1 模型的邊界面

        在MAPGIS軟件中繪制模型的邊界線,確保繪制的邊界線與要構建的模型范圍完全一致。模型的邊界線可以是地質(zhì)圖的矩形內(nèi)圖框,也可以是任意的形狀,只要是完全密閉的線。在MAPGIS軟件中將WL格式的模型邊界線轉(zhuǎn)換成DXF格式,導入GOCAD軟件。在GOCAD軟件構造建模流程(Structural Modeling Workflow,SMW)模塊中,運用“根據(jù)線生成模型邊界面”的功能,設置模型的深度和高度后自動生成模型的邊界面。

        生成的模型邊界面之間能夠完全拼接,邊界面中的三角網(wǎng)大小相同,且相鄰兩個邊界面的相交部位的節(jié)點空間位置完成一致。這便于后期面模型的組合,降低了面模型組合過程中的錯誤率。

        3.2 斷層面

        系統(tǒng)分析建模區(qū)內(nèi)各斷層的性質(zhì)及新老關系,按先新后老的順序構建。對數(shù)據(jù)庫中的斷層點、線、面數(shù)據(jù)進行歸類,將同一條斷層的數(shù)據(jù)放在同一個組(Group)中。斷層面的構建可以歸納為以下4個步驟:

        (1)斷層線數(shù)據(jù)預處理。矢量化剖面中的斷層線,矢量化過程中節(jié)點可以適當稀疏,矢量化后將同一條斷層的線合并成同一文件,并對所有斷層線中的節(jié)點進行加密,以保證每條斷層線中節(jié)點之間的間距基本一致(圖2a)。導入斷層所對應的鉆孔和地表數(shù)據(jù)(圖2b)。將斷層線的兩端按趨勢延長一小段距離(圖2c),目的是確保所構建的斷層面比實際斷層面稍大。

        (2)根據(jù)剖面中的斷層線生成斷層面。運用軟件中“線生成面”的功能,連接同一斷層的相鄰斷層線,構建出一個初始斷層面(圖2d)。在連接時,相鄰斷層線之間可以等間距插入數(shù)條斷層線(插入的線數(shù)量可以人工設置),用以彌補斷層數(shù)據(jù)的不足。在斷層走向上對生成的斷層面按趨勢延伸處理(圖2e)。

        (3)在SMW中重新生成斷層面。將上一步驟生成的初始斷層面的節(jié)點轉(zhuǎn)換成點數(shù)據(jù),并設置其屬性為斷層。在SMW中重新生成效果更好的斷層面,使生成的面能夠符合建模要求(圖2f)。

        (4)原始斷層數(shù)據(jù)約束斷層面。將剖面中的原始斷層線(兩端未延長的斷層線)、地表斷層軌跡線和鉆孔中的斷層數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換成點數(shù)據(jù),并將這些點數(shù)據(jù)合并成一個文件。以這些點數(shù)據(jù)作為控制點(Control point),運用“約束(Constraints)”和“離散光滑插值(DSI)”功能進行約束、插值擬合處理,處理后的斷層面達到吻合、平滑過渡、逼真模擬的效果(圖2g)。去除斷層線延長部分的斷層面,保留原始斷層線范圍的斷層面,保留部分的斷層面就是需要構建的斷層面(圖2h)。

        圖2 斷層面構建流程及效果圖Fig.2 Flow chart of building fault planes and expected results

        3.3 地層界面

        3.3.1 褶皺

        當?shù)貙赢a(chǎn)狀變化不大,且未有斷層切割時,地層面的構建方法與斷層面的構建方法相一致。當?shù)貙赢a(chǎn)狀變化較大時,例如褶皺構造,此時無法在SMW中直接構建地層界面。褶皺構造的構建需遵循以下4個步驟:

        (1)地質(zhì)界線數(shù)據(jù)預處理。矢量化剖面中的地質(zhì)界線(圖3a),導入地表地質(zhì)界線(圖3b)。根據(jù)褶皺形態(tài),將剖面中的地質(zhì)界線補充完整(圖3c),反映出褶皺形態(tài)。

        (2)設置線之間的連接方向。當?shù)刭|(zhì)界面產(chǎn)狀變化較大時,運用“連接線生成面”的功能生成的地質(zhì)界面與實際地質(zhì)界面差異較大,尤其是褶皺的核部部位。運用“節(jié)點連接”(Node link)功能將相鄰地質(zhì)界線進行合理相連,節(jié)點連接的作用是生成面時將對應的兩點進行連接,圖4為未運用“節(jié)點連接”功能(圖4a)與運用“節(jié)點連接”功能(圖4b)生成的面效果對比圖。在相鄰地質(zhì)界線的褶皺核部都設置“節(jié)點連接”功能(圖3d)。

        (3)根據(jù)剖面中的地質(zhì)界線生成地質(zhì)界面。運用“連接線生成面”的功能,依次連接相鄰地質(zhì)界線。在連接線時,可以在相鄰地質(zhì)界線之間內(nèi)插數(shù)條地質(zhì)界線,使生成的地質(zhì)界面更加平滑過渡。

        (4)剖面的地質(zhì)界線和地表地質(zhì)界線約束地質(zhì)界面。運用原始剖面中的地質(zhì)界線和地表地質(zhì)界線對已經(jīng)建立的地質(zhì)界面進行約束處理。運用“約束(Constraints)”和“離散光滑插值(DSI)”功能進行約束、插值擬合處理,以達到吻合、平滑過渡、逼真模擬的效果(圖3e)。用地表DEM面裁剪已經(jīng)構建好的地質(zhì)界面,去除地表面以上的地質(zhì)界面,保留地表面以下的地質(zhì)界面(圖3f)。

        圖3 褶皺構造構建流程及效果圖Fig.3 Flow chart of building fold structures and expected results

        圖4 運用與未運用“節(jié)點連接”生成的面效果對比圖Fig.4 Comparison of generated planes using and not using “node link”method

        3.3.2 地層斷層效應

        當斷層切穿整個地層面時(圖5a~圖5b),斷層兩側(cè)的地層界面分別構建。對斷層兩側(cè)的地質(zhì)界線進行延長處理,斷層兩側(cè)的地質(zhì)界線均穿過斷層面(圖5c),使構建好的地層面均穿過斷層面(圖5d~圖5e)。用斷層面裁剪斷層兩側(cè)的地層面,去除多余部分的地層面(圖5f),并對裁剪邊界線進行優(yōu)化處理。

        圖5 斷層切穿地層面時地層界面構建流程及效果圖Fig.5 Flow chart of building interface with a fault cutting through formation interface and results expected

        當斷層只切穿地層面的局部且斷層兩側(cè)發(fā)生明顯位移時(圖6a~圖6b),該情況下的地層面的構建方法與斷層面切穿整個地層面時的構建方法不同。此種情況下,地層界面的構建步驟具體如下:

        (1)地層界線數(shù)據(jù)處理。矢量化地層界線,將斷層兩盤被錯斷的同一地層界線順勢相連。將原始地質(zhì)界線中的節(jié)點設置為控制節(jié)點(Control node),對連接后的地質(zhì)界線進行平滑處理,斷層兩側(cè)的局部地質(zhì)界線能夠平滑過渡(圖6c)。

        (2)構建地層界面。用“連接線生成面”的方法將上述處理后的地層界線生成一個初始地層面,將初始地層面中的節(jié)點轉(zhuǎn)換成點數(shù)據(jù)。在SMW中用點數(shù)據(jù)再次生成更為平滑的地層界面(圖6d)。

        (3)斷層面切割地層界面,設置約束條件。用斷層面切割地層界面,對斷層切割地層面后產(chǎn)生的兩條邊界設置約束,目的是使這兩條地層邊界線始終緊靠斷層面,并對這兩條邊界線進行優(yōu)化處理,讓邊界線旁的三角網(wǎng)自動調(diào)整大小,消除因斷層面切割地層面后產(chǎn)生的“壞”三角網(wǎng)格。用原始地層界線(未進行處理的地層界線)對切割后的地層面進行約束,同時對地層面的四周邊界進行邊界約束,確保地層面的大小不發(fā)生改變,只讓邊界上的節(jié)點在Z軸方向上移動。圖6e為約束設置后的效果圖。

        (4)DSI處理。對設置約束后的地層面進行DSI處理,執(zhí)行DSI處理后,斷層兩盤的地層面將會自動發(fā)生位移,并達到與地層原始界線完全吻合的效果(圖6f),且地層面的范圍不發(fā)生改變。

        3.4 巖體界面

        3.4.1 簡單巖體

        在剖面資料中,巖體邊界線的數(shù)量是非常有限的,單憑少量的邊界線無法準確構建巖體界面。因此需要增加大量輔助線,將輔助線和巖體邊界線共同作為建模數(shù)據(jù)。制作輔助線時要嚴格受已有地質(zhì)數(shù)據(jù)的約束,且要符合實際地質(zhì)情況。以下為簡單巖體界面的構建方法:

        圖6 斷層未完全切穿地層面時地層界面構建流程及效果圖Fig.6 Flow chart of building interface with a fault not completely cutting through formation interface and results expected

        (1)提取巖體邊界地質(zhì)界線與水平面的交點。矢量化剖面中的巖體邊界線(圖7a),并生成一個涵蓋整個巖體邊界線的水平面,再連續(xù)調(diào)整高程值生成一系列不同高程的水平面(圖7b)。提取各水平面與邊界線的交點(圖7c)。在邊界線變化較大的部位,適當減小兩水平面之間的間距,增加水平面的數(shù)量。

        (2)生成不同高程的地質(zhì)界線。將上一步驟提取的相同高程的交點用輔助線相連接,也可以用自動生成包絡線的方式讓封閉的線將點相連接,生成一系列水平狀態(tài)的封閉曲線(圖7d)。將線中與交點相對應的節(jié)點設置為控制節(jié)點,加密線中的節(jié)點,進行DSI處理,得到各水平面上的巖體邊界線。

        (3)生成巖體界面。依據(jù)各水平面上的邊界線,運用“連接線生成面”的功能生成巖體界面(圖7f)。運用該功能時,要按高程依序選擇邊界線,并可自動適當?shù)氐乳g距插入一些線。

        (4)約束、平滑巖體界面。將剖面中的原始巖體邊界線合并成一個文件,以它們的節(jié)點作為控制點對巖體界面進行約束、平滑處理。約束過程中始終要以離控制點最近的三角網(wǎng)節(jié)點作為拉伸對象,當三角網(wǎng)節(jié)點與控制點位置達到一致后平滑過程會自動調(diào)整其它節(jié)點,使整個巖體界面呈平滑過渡狀態(tài)(圖7g)。把巖體界面、DEM面和底界面組合在一起生成巖體的面模型(圖7h)。

        圖7 構建簡單巖體地質(zhì)界面的流程及效果圖Fig.7 Flow chart of building simple rock mass interface and results expected ①-提取巖體地質(zhì)界線與水平面的交點;②-生成不同高程的地質(zhì)界線;③-生成巖體界面①-extraction of intersection points between rock mass boundaries and horizontal plane; ②-generation of geological boundaries of different elevations; ③-generation of interface of rock mass

        3.4.2 復雜巖體

        具有分枝的巖體界面無法一次性構建完成,需要將復雜巖體細分成數(shù)個較簡單的巖體分別進行構建,再將簡單的巖體界面組合成復雜的巖體界面,該種建模方法與理念也適用于其他復雜地質(zhì)界面的構建。復雜巖體界面具體構建方法如下:

        (1)復雜巖體簡化成數(shù)個簡單巖體。矢量化剖面中的巖體界線(圖8a)。對復雜巖體進行綜合分析,將復雜的巖體簡化成數(shù)個較簡單的巖體。對單個簡單巖體的地質(zhì)界線進行簡單處理(圖8b),使建立的單個簡單巖體范圍比實際稍大些。

        圖8 構建復雜巖體地質(zhì)界面的流程及效果圖Fig.8 Flow chart of building complex rock mass geological interface and results expected

        (2)逐個構建單個簡單巖體界面。單個簡單巖體界面的構建方法與上文簡單巖體的構建方法相一致。當單個巖體延伸方向不與Z軸方向一致時,構建的平面應垂直于巖體延伸方向。提取巖體邊界線與平面的交點,根據(jù)交點數(shù)據(jù)和運用DSI技術構建不同平面(交面)上的地質(zhì)界線。當巖體邊界地質(zhì)界線變化較大時,應增加平面數(shù)量。在不同平面上的地質(zhì)界線連接成巖體地質(zhì)界面之前,沿巖體邊界地質(zhì)界線增加一系列的節(jié)點連接,控制相鄰地質(zhì)界線的連接方向,使生成的地質(zhì)界面與巖體邊界地質(zhì)界線相吻合。對生成的單個簡單巖體地質(zhì)界面進行約束、DSI處理,使生成的地質(zhì)界面與已知地質(zhì)數(shù)據(jù)相吻合,且平滑過渡(圖8c~圖8e)。

        (3)組合已構建的單個巖體地質(zhì)界面。將所有已構建好的巖體地質(zhì)界面進行互相裁剪,去除多余部分的地質(zhì)界面(圖8f~圖8h)。所有去除了多余部分地質(zhì)界面的巖體界面合并成同一個文件,并對該文件中的所有面塊合并成一個面塊。運用“新建區(qū)域(region)”的功能對簡單巖體之間的接觸部位創(chuàng)建工作區(qū),對區(qū)域范圍內(nèi)的地質(zhì)面進行平滑處理,使簡單巖體之間的接觸界面能夠平滑過渡(圖8i),其它范圍的地質(zhì)界面不發(fā)生改變。運用模型邊界面(DEM面、底界面、四周邊界面)對已經(jīng)處理好的巖體界面進行裁剪處理,去除模型邊界面之外的地質(zhì)界面,保留范圍內(nèi)的巖體地質(zhì)界面(圖8j)。

        4 三維地質(zhì)模型的構建

        4.1 面模型的構建

        以模型邊界面(模型的底界面和四周邊界面)、DEM面、斷層面、第四系界面、地層界面、巖體界面、殘留頂蓋界面和俘虜體界面等面構建模型的面模型。構建面模型時,遵循地質(zhì)體先新后老的順序逐個、依次進行構建,對構建好的地質(zhì)體進行剝離,剩余的模型不斷簡化。通過已構建的面,對每個獨立的地質(zhì)體構建一個Model 3D模型。

        地質(zhì)體Model 3D的構建過程,其實是對已經(jīng)構建的地質(zhì)界面再一次進行檢查的過程。如果構建單個地質(zhì)體的Model 3D過程能夠順利完成,則說明組合成該地質(zhì)體的所有地質(zhì)界面能夠完全密封,且單個地質(zhì)界面也無錯誤。如果單個地質(zhì)體的Model 3D不能構建完成,則組合成該地質(zhì)體的地質(zhì)界面存在錯誤,出現(xiàn)錯誤的位置會自動用不同顏色的線標注,存在錯誤的可能是:①地質(zhì)界面之間不能完全密封;②地質(zhì)界面中存在漏洞;③相鄰地質(zhì)界面中的三角網(wǎng)格相差過于懸殊;④地質(zhì)界面中存在“壞”三角網(wǎng)。前兩種錯誤,可以對不密閉的面進行邊界延伸和對面中的三角網(wǎng)進行刪除、合并、轉(zhuǎn)換等處理來解決,或者對地質(zhì)界面進行重新構建建。第三種錯誤,加密三角網(wǎng)密度更稀疏的面的三角網(wǎng)。第四種錯誤,對地質(zhì)界面進行優(yōu)化、平滑處理,或者找出面中“壞”三角網(wǎng)直接刪除。

        在生成Model 3D模型過程中,如果模型范圍大、建模單元多、地質(zhì)體數(shù)量多、地質(zhì)體穿插關系復雜,可以先將模型劃分成數(shù)個更小的模型。生成單個地質(zhì)體的Model 3D模型之后,將該地質(zhì)體封閉的地質(zhì)界面從Model 3D模型中分離并獨立保存,修改地質(zhì)體界面的顏色,形成了單個地質(zhì)體的面模型。模型中所有地質(zhì)體的面模型構建完成之后,重新組合成整個模型的面模型。圖9為相山火山盆地三維地質(zhì)結構面模型。

        面模型具有數(shù)據(jù)量小、精度高、美觀性好等優(yōu)點。模型不但可以對整個模型進行不同角度、不同距離的三維展示,觀察地質(zhì)體之間的穿插關系,而且可以有針對性地選擇單個或多個地質(zhì)體進行三維呈現(xiàn),了解單個地質(zhì)體的三維展布形態(tài)、多個地質(zhì)體之間的空間接觸關系。也可以對地質(zhì)體進行不同程度的透明顯示,透過外部的地質(zhì)體觀察里面的地質(zhì)體。

        4.2 實體模型的構建

        面模型是用地質(zhì)界面對地質(zhì)體進行密閉包裹的模型,重點顯示地質(zhì)體的邊界輪廓,而不能體現(xiàn)單個地質(zhì)體內(nèi)部屬性的變化,而實體(網(wǎng)格)模型重點呈現(xiàn)模型內(nèi)部屬性特征,因此實體模型也常稱之為屬性模型。通過對面模型網(wǎng)格充填和賦予屬性值來構建實體模型,但實體模型要轉(zhuǎn)變成面模型較為困難,因此在構建面模型之后構建實體模型。

        在GOCAD軟件中,實體模型(Sgrid模型)就是用帶了屬性值的立方體或網(wǎng)格將整個模型填充,不同的屬性值通過不同的顏色來呈現(xiàn)(圖10),實體模型的數(shù)據(jù)量大,對計算機硬件要求高。實體模型中的網(wǎng)格越小,實體模型中的地質(zhì)體邊界與面模型中的地質(zhì)體邊界越接近,實體模型的數(shù)據(jù)量越大,對計算機的硬件要求越高。

        在實體模型進行賦屬性之前,應創(chuàng)建與屬性值對應的屬性表,屬性表中可以包含屬性編號、建模單元、地質(zhì)體代號、顏色、花紋等信息,屬性表中的所有信息都是通過屬性編號進行鏈接,也可以單獨創(chuàng)建元素含量、巖石密度等屬性表信息。通過面模型、單個地質(zhì)界面、地質(zhì)界線、離散點創(chuàng)建區(qū)域(region)的方式對實體模型中的網(wǎng)格進行賦屬性值,也可以創(chuàng)建不同屬性名的方式對同一個網(wǎng)格賦予不同的屬性值。實體模型可以進行任意剖切,也可以對模型中的屬性值進行統(tǒng)計分析與計算,這是三維地質(zhì)模型進行控礦因素定量分析、深部成礦預測的前提。

        圖9 相山火山盆地三維地質(zhì)結構面模型Fig.9 3D geological structural planar model of Xiangshan volcanic basin 1-第四系殘坡積物; 2-上白堊統(tǒng)紅層; 3-下白堊統(tǒng)鵝湖嶺組碎斑熔巖; 4-鵝湖嶺期火山通道; 5-下白堊統(tǒng)打鼓頂組流紋英安巖;6-下泥盆統(tǒng)云山組砂巖; 7-青白口系上施組千枚巖; 8-青白口系庫里組片巖; 9-青白口系神山組千枚巖; 10-早白堊世二長花崗斑 巖; 11-早泥盆世二長花崗巖; 12-斷層1-Quaternary residual-slope wash materials; 2-Upper Cretaceous red bed formation; 3-crushed lava of the lower Cretaceous Ehuling formation; 4-conduit of Ehuling period; 5-rhyodacite of the Lower Cretaceous Daguding formation; 6-sandstone of the Lower Devonian Yushan formation; 7-phyllite of the Qingbaikouan system Shangshi formation; 8-schist of the Qingbaikouan system Kuli formation; 9-phyllite of the Shenshan system Shangshi formation;10-Early Cretaceous monzonite granitic porphyry; 11-Early Cretaceous monzonite granite; 12-fault

        圖10 相山火山盆地三維地質(zhì)結構實體模型切片顯示Fig.10 Slice display of 3D geological structural entity model for Xiangshan volcanic basin 1-第四系殘坡積物; 2-上白堊統(tǒng)紅層; 3-下白堊統(tǒng)鵝湖嶺組碎斑熔巖; 4-鵝湖嶺期火山通道; 5-下白堊統(tǒng)打鼓頂組流紋英安巖;6-下泥盆統(tǒng)云山組砂巖;7-青白口系上施組千枚巖;8-青白口系庫里組片巖;9-青白口系神山組千枚巖;10-早白堊世二長花崗斑 巖;11-早泥盆世二長花崗巖;12-斷層1-Quaternary residual-slope wash materials;2-Upper Cretaceous red bed formation;3-crushed Lava of the lower Cretaceous Ehuling formation;4-conduit of Ehuling period;5-rhyodacite of the Lower Cretaceous Daguding formation;6-sandstone of the Lower Devonian Yushan formation;7-phyllite of the Qingbaikouan system Shangshi formation;8-schist of the Qingbaikouan system Kuli formation;9-phyllite of the Shenshan sys-tem Shangshi formation;10-Early Cretaceous monzonite granitic porphyry;11-Early Cretaceous monzonite granite;12-fault

        5 結論

        在模型構建之前,統(tǒng)一各建模數(shù)據(jù)的坐標系和比例尺,建立原始資料數(shù)據(jù)庫。為了便于各數(shù)據(jù)比例尺的統(tǒng)一和數(shù)據(jù)庫中坐標的讀取與管理,建議數(shù)據(jù)庫比例尺設置為1:1000,單位為米,橢球參數(shù)為北京54或西安80,投影分帶為3°帶。

        構建三維地質(zhì)模型的難點是不同地質(zhì)界面的構建,尤其是復雜地質(zhì)界面的構建。本文詳細介紹了模型邊界面、斷層面、地層界面、巖體界面等4種不同主要地質(zhì)界面的構建方法,對褶皺構造、地層的斷層效應、復雜巖體界面的構建進行了重點闡述。在褶皺核部增加“節(jié)點連接”的方式,控制相鄰剖面地質(zhì)界線的連接方向,運用“連接線生成面”的方法構建地質(zhì)界面。斷層切穿整個地層界面時,斷層兩側(cè)的地層界面應分別進行構建。斷層只切割地層面的局部時,將斷層兩側(cè)的剖面地質(zhì)界線順勢相連,在SMW中構建一個初始地層面。運用斷層面切割初始地層面,將斷層面、初始剖面地質(zhì)界線、地層面四周邊界線作為該地層面的約束條件,約束后對該面進行DSI處理。將復雜巖體簡化成數(shù)個相對簡單的巖體,再對單個簡單巖體界面進行逐個構建,將建好的所有簡單巖體界面進行合并,并對簡單巖體之間的拼接部位進行局部平滑處理,使簡單巖體界面之間的接觸部位能夠平滑過渡。單個簡單巖體界面的構建,首先構建一系列垂直于巖體延伸方向的平面,巖體變化大的部位適當增加平面,然后提取剖面地質(zhì)界線與平面的交點,生成不同平面上交點的包絡線,對包絡線進行DSI處理構建不同平面上的地質(zhì)界線,最后根據(jù)不同平面上的地質(zhì)界線生成巖體地質(zhì)界面。

        運用已構建好的地質(zhì)界面按先新后老的順序依次、逐個構建單個地質(zhì)體面模型,最后將所有單個地質(zhì)體面模型重新組合成模型的面模型。通過對面模型網(wǎng)格(實體)填充和對賦予相應的屬性值來構建實體模型,賦予了屬性值的實體模型也稱為屬性模型,實體模型具有可以任意剖切、屬性值統(tǒng)計分析、深部成礦預測等功能。

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        Methods of Three-dimension Geological Modeling Based on Geological Sections

        WU Zhi-chun1,2,3,GUO Fu-sheng2,JIANG Yong-biao2,LUO Jian-qun1,2,3,HOU Man-qing1,2,3

        (1.FundamentalScienceonRadioactiveGeologyandExplorationTechnologyLaboratory,EastChinaInstituteofTechnology,Nanchang,Jiangxi330013;2.CollegeofEarthSciences,EastChinaInstituteofTechnology,Nanchang,Jiangxi330013,;3.JiangxiProvinceKeyLabforDigitalLand,EastChinaInstituteofTechnology,Nanchang,Jiangxi330013)

        Geological section data is an important data source of 3D geological modeling. The method using geological sections has been widely applied to construction of three-dimensional geological models. Before building a model, a unified coordinate system and scale of each modeling data are chosen to establish original database. Building different geological interfaces is the key to construct a 3D geological model. This paper introduces the building process and method of the four main geological interfaces, i.e. boundary surface, fault plane, formation interface and rock mass interface, especially expounding the building of the fold structure, fault effect of strata interface and the complex rock mass body. According to the sequence of boundary surfaces (around the bottom interface and the boundary interfaces), DEM surface and fault plane on the surface of the other geological interfaces, all geological interfaces are constructed in turn. The building of the fault plane and other geological interfaces should strictly follow the order of the old first and the new next. This principle is also applicable for building 2D geological units or planar models using the interfaces constructed already. Then all the 2D geological units are integrated into the whole 2D model. Finally filling the 2D model grids (entity) and assigning all the grids with the corresponding attributes yield the final 3D geological model.

        3D geological modeling, geological section, GOCAD software, planar model, entity model

        2015-10-31;

        2016-01-28;[責任編輯]陳偉軍。

        中國地質(zhì)調(diào)查局工作項目(1212011120836; 1212011220248)、江西省贛鄱英才555工程領軍人才項目、放射性地質(zhì)與勘探技術國防重點學科實驗室開放基金項目(RGET1305)、江西省數(shù)字國土重點實驗室開放基金項目(DLLJ201614)聯(lián)合資助。

        吳志春(1986年—),男,碩士,講師,主要從事多元地學數(shù)據(jù)融合與成礦預測教學與研究。E-mail:wuzhch_ecit@163.com。

        P623

        A

        0495-5331(2016)02-0363-13

        Wu Zhi-chun, Guo Fu-sheng, Jiang Yong-biao, Luo Jian-qun, Hou Man-qing. Methods of three-dimensional geological modeling based on geological sections [J]. Geology and Exploation, 2016, 52(2):0363-0375

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