楊曉弘

(湖南省有色地質(zhì)勘查研究院，湖南 長沙 410015)

近年來，隨著地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)、計算機圖形學(xué)和信息技術(shù)的發(fā)展，在科學(xué)計算可視化的基礎(chǔ)上，采礦這一傳統(tǒng)行業(yè)正逐漸向綜合集成化、數(shù)字化、可視化的方向發(fā)展[1-4]。礦床三維可視化建模已成為礦山數(shù)字化的一個重要方面，并成為當(dāng)前地學(xué)信息技術(shù)領(lǐng)域最富有活力的研究方向之一。通過數(shù)字礦山建模來研究空間關(guān)系、分布規(guī)律以及進行工程設(shè)計等工作已逐步取代傳統(tǒng)手工方式[5-7]。三維地質(zhì)體模型不僅準確、直觀的詮釋了地質(zhì)體空間形態(tài)，并且為采礦工作者進行輔助工程設(shè)計提供了可靠依據(jù)[8-9]。將最新的數(shù)字礦山建模技術(shù)應(yīng)用到近年來新發(fā)現(xiàn)的珍貴玉石礦資源的調(diào)查中去，建立玉石礦床的三維地質(zhì)模型，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)資源儲量的估算和動態(tài)管理，還能指導(dǎo)礦床開采優(yōu)化設(shè)計，從而最大程度地將玉石礦開采回收，提高資源的價值，有效保護并合理利用稀缺的玉石資源，為國內(nèi)同類玉石礦山三維數(shù)字建模工作提供借鑒。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

通天玉是近年來在湖南省境內(nèi)新發(fā)現(xiàn)的一種優(yōu)質(zhì)石英質(zhì)玉石，該玉是由燕山期巖漿巖與灰?guī)r接觸變質(zhì)而成，該玉質(zhì)地細膩、天然透光、晶瑩剔透、色澤豐富，分布在通天山、西山、三十六灣和香花嶺等200平方公里的區(qū)域內(nèi)，具有巨大的潛在市場經(jīng)濟價值。通天玉礦礦區(qū)位于南嶺加里東—印支褶皺帶的次級構(gòu)造單元江華—臨武東西向加里東褶皺隆起帶與耒陽—宜章南北向印支褶皺帶的交匯復(fù)合部位。礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖漿活動強烈，出露的地層有寒武系為一套長石石英砂巖夾板巖、泥盆系主要為碎屑巖和碳酸鹽巖、石炭系主要為濱海沼澤相碎屑巖、次為碳酸鹽巖、二疊系主要為含煤碎屑巖、淺海碳酸鹽巖及硅質(zhì)巖、三疊系為淺海碳酸鹽巖類巖石、白堊系為紫紅色陸相碎屑巖及第四系。東山地區(qū)內(nèi)加里東期褶皺為穹窿構(gòu)造，核部主要由寒武系組成，走向北東；印支期褶皺為上古生界組成的復(fù)背斜、復(fù)向斜，軸向一般為南北向北東方向偏轉(zhuǎn)；燕山期褶皺為白堊系組成的寬緩陸相紅盆，軸向為北北東向，南北向斷裂縱貫全區(qū)，以斷裂帶寬、斷距大為特色；東山地區(qū)內(nèi)巖漿巖以燕山早期中酸性小侵入體為主，具有淺侵入、淺剝蝕的特點。

區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)2條玉石礦脈，主脈I-1為北東向，礦脈平均厚度35 cm，長度約2 km，傾向南東，傾角約70°，礦脈主要為脈狀，礦石質(zhì)量較好，主要為微晶-隱晶質(zhì)，顏色以白色為主，次脈I-2為北西向，平均脈寬20 cm長度約400 m，傾向北東，傾角約為65°，礦脈為脈狀、細脈狀。區(qū)內(nèi)I-1號脈是玉石質(zhì)量最好的一條礦脈，具有一定的規(guī)模，礦區(qū)共完成1∶10000地質(zhì)簡測28.9 km2，采坑清理16個，剝土工程1個，加上淺井工程以及鉆探等，完整地揭露了玉石礦脈的賦存狀況[10]。

2 三維地質(zhì)建模

2.1 DIMINE三維礦業(yè)軟件

DIMINE三維礦業(yè)軟件是由中南大學(xué)數(shù)字礦山研究中心開發(fā)出的一套基于數(shù)字礦山整體解決方案的礦山數(shù)字化軟件系統(tǒng)。它實現(xiàn)了從礦床地質(zhì)建模、儲量計算、測量數(shù)據(jù)的快速成圖、地下礦開采系統(tǒng)設(shè)計與開采單體設(shè)計、回采爆破設(shè)計、露天礦開采設(shè)計等工作的可視化、數(shù)字化與智能化。與其他同類軟件相比，該系統(tǒng)采用平臺+插件模式進行開發(fā)，為用戶的二次功能開發(fā)提供強大、靈活、便捷的技術(shù)支持平臺。同時優(yōu)化不同類型的數(shù)據(jù)處理過程，大大提高了系統(tǒng)的交互性和界面的簡潔性，是國內(nèi)礦山數(shù)字建模領(lǐng)域最先進的系統(tǒng)平臺，本次研究采用該軟件進行三維地質(zhì)建模。

2.2 地表建模

地表模型是用來虛擬地形和地物，一般由若干地形線和散點組成，考慮到每個點的坐標值，將所有點連成若干相鄰的三角面，然后形成一個三角網(wǎng)隨著地面起伏變化的單層模型。表面模型只能描述面，在平面上不具有重疊功能，在同一個X，Y上只有一個Z值。本次建模的原始地質(zhì)地形圖數(shù)據(jù)如圖1所示，通過運用DIMINE軟件可以對等高線賦高程，如圖2所示，最后利用圖2中的等高線生成生地表模型如圖3所示。

圖1 礦區(qū)地質(zhì)地形圖等高線(處理前)

圖2 礦區(qū)地質(zhì)地形圖等高線(處理后)

圖3 礦區(qū)地表模型

2.3 鉆孔數(shù)據(jù)庫

鉆孔數(shù)據(jù)庫是三維建模系統(tǒng)中管理地質(zhì)數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)庫。鉆孔數(shù)據(jù)信息主要包括孔口信息、測斜信息、樣品信息、巖性信息，基于這些數(shù)據(jù)可以生成鉆孔數(shù)據(jù)庫。在上述數(shù)據(jù)中，孔口信息和測斜信息必須要有，這樣才能形成鉆孔空間數(shù)據(jù)庫，樣品信息和巖性信息可有可無。此外，孔口信息必須包含鉆孔名稱、X、Y、Z、鉆孔深度等字段，測斜信息必須包含鉆孔名稱、方位角和傾角等字段。對于通天山，目前已有的地質(zhì)數(shù)據(jù)僅為13個見礦點，基本包含了孔口信息和測斜信息，但鉆孔深度未知，這里，根據(jù)其它勘探資料，鉆孔深度統(tǒng)一設(shè)為500 m。

2.4 礦體建模

三維礦體模型是資源量估計工作的重要基礎(chǔ)，通過礦體模型能較準確地掌握礦體的幾何空間形態(tài)。近些年，國內(nèi)外均在三維地質(zhì)建模領(lǐng)域開展了大量研究工作, 提出了多種三維地質(zhì)建模方法。本次建模是采用基于剖面的建模方法，即將相鄰剖面的礦體解譯輪廓線依次連接起來形成三維實體。

使用該方法需要知道剖面的解譯線，根據(jù)已有的地質(zhì)資料，每個鉆孔都看做一個單獨的剖面，然后根據(jù)礦脈的寬度來確定礦體解譯線，通天山玉石礦有2條礦脈，最終的礦體解譯線分別如圖4、圖5所示。

圖4 I-1號礦脈輪廓線

圖5 I-2號礦脈輪廓線

在模型端部使用平推的方式來外推，外推距離為沿走向方向100 m，生成的礦體模型如圖6所示。

通過三維數(shù)字化模型能夠幫助人們更直觀地了解玉石礦脈的分布走向和傾角，以及在空間上的形態(tài)。對三維礦體模型的體積進行統(tǒng)計，本次通天玉礦區(qū)建模計算得到的礦體總體積為1188043.708 m3，根據(jù)實驗，以礦石體重按2.7 t/m3計算，推測通天山I-1、I-2號礦脈共賦存有通天玉礦資源約320萬t，經(jīng)濟價值潛力巨大。

圖6 通天山玉石礦礦體模型

2.5 建模成果

對上述模型進行不同組合，就可以得到需要的模型視圖，地表模型可以直觀清楚地展現(xiàn)礦區(qū)地形地貌，礦體模型反映了礦體在三維空間中的賦存幾何形態(tài)，決定著后續(xù)開采方法的選擇，同時將礦體等其他地質(zhì)體范圍投影到地表模型上后可以清楚地表達礦體等地質(zhì)體的空間位置及相互關(guān)系，從而加深人們對礦區(qū)的認識，為后續(xù)制定資源利用和高效開采的方案提供了三維數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。圖7為地表模型和鉆孔數(shù)據(jù)庫組合得到的視圖；圖8為地表與玉石礦體模型組合得到的視圖；圖9為玉石礦脈在地表投影得到的視圖。

圖7 通天山地表與鉆孔數(shù)據(jù)庫

圖8 通天山地表與玉石礦體

圖9 通天山玉石礦脈地表投影

通過建立的模型能夠幫助礦山企業(yè)和政府對資源進行高效、科學(xué)和綠色的管理。

3 結(jié) 論

DIMINE軟件作為一套完整而且全面的數(shù)字礦山軟件，在通天山玉石礦的三維數(shù)字建模工作中極大地提高了工作效率，能夠高效地將礦山鉆孔數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、剖面信息等工程數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)進行快速整合，幫助政府及礦山企業(yè)進行大量數(shù)據(jù)分析，遠景資源量預(yù)測和礦山動態(tài)管理等。通過三維地質(zhì)建模，推測通天山I-1、I-2號礦脈共賦存有通天玉礦資源約320萬t。此外，建立的通天山地區(qū)玉石礦脈數(shù)據(jù)庫可以幫助礦山企業(yè)不斷補入后期工程數(shù)據(jù)信息，為礦山地質(zhì)管理數(shù)據(jù)庫更新提供了平臺。通天玉礦山的三維地質(zhì)建模工作可以為國內(nèi)同類玉石礦山的數(shù)字化工作提供借鑒，具有一定的參考意義。