劉 星，劉文中，王興陣

（安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001）

基巖區(qū)地質(zhì)結構復雜，與人類生產(chǎn)活動密切相關，其3D地質(zhì)模型的構建不同于構造簡單的平原區(qū)，對該類型區(qū)域進行三維地質(zhì)模型的建立的重要性不言而喻[1]。

三維地質(zhì)建?？梢詰糜趪窠?jīng)濟的各個行業(yè)，如城市地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、金屬開采等，有助于提高人們開發(fā)地下資源和利用地下空間的效率。

1 三維地質(zhì)模型建立的常用方法

相比二維地質(zhì)填圖，三維地質(zhì)體模型的構建需更多來自地表以下的地質(zhì)信息[2]。在實際工作中，通過鉆孔為主要手段獲取地下地質(zhì)構造信息，進行地層對比建立三維模型（圖1），適合于構造比較簡單的層狀地質(zhì)體建模，而且對于基巖區(qū)而言，地質(zhì)構造切割復雜，同時難以獲取如此多的鉆孔數(shù)據(jù)，模型精度無法得到保證。通過剖面圖建立三維地質(zhì)模型，適用于地質(zhì)構造復雜區(qū)域，但需要大量的剖面制作和地質(zhì)推斷，并且很多地質(zhì)體和構造尖滅位置不一定位于剖面上，并且剖面的假圖面坐標難以進行三維轉換（圖2)。利用地球物理資料進行深部巖性約束進行三維地質(zhì)模型建立，需要對地球物理數(shù)據(jù)進行解釋，建立地質(zhì)體的邊界文件，其原理與基于剖面建模是一致的[3]。

地表地質(zhì)信息事實上也揭示了一定深度的地質(zhì)信息，如果能夠直接利用二維地質(zhì)成果，避開大量剖面的解譯和復雜的地質(zhì)邊界連接[4]，經(jīng)過簡單的構造和地質(zhì)推斷，建立三維立體模型，不失為一種有效的三維模型建立方法。

圖1 利用鉆孔對比建立三維地質(zhì)模型

圖2 利用剖面對比建立三維地質(zhì)模型

2 基于地質(zhì)填圖圖件的三維地質(zhì)模型建立

2.1 產(chǎn)狀對地質(zhì)邊界的約束

由于數(shù)字化的地質(zhì)平面圖已經(jīng)將地表地質(zhì)體邊界和構造行跡展布進行了記錄，并且描述了地層和構造的產(chǎn)狀[5]，而地層產(chǎn)狀本身就是為了描述地質(zhì)體的空間（包括地下）延展而存在的，三維地質(zhì)模型的建立，需要利用二維填圖成果合理推算地下一定深度的地質(zhì)信息，其流程如下：

假設存在某段產(chǎn)狀穩(wěn)定的地質(zhì)體，該地質(zhì)體邊界已經(jīng)明確，具備二維坐標，如圖3，依據(jù)以下公式：

圖3 地質(zhì)體地下展布的構造解析

圖4 三維地質(zhì)模型的建立

可以分別計算某地質(zhì)體邊界在地下的偏移量dx，dy，式中，h為地質(zhì)體沿產(chǎn)狀向地下延伸的深度，α，β分別表示地質(zhì)體的傾角和傾向。

對于構造形跡尤其是斷裂的地下延展，該方法尤其適用，對于侵入巖體，由于沒有產(chǎn)狀信息，可以根據(jù)侵入體與圍巖的接觸關系，進行地質(zhì)推斷，估算其邊界在某個深度的展布，上述方法可以得到不同地質(zhì)體邊界在地下的約束分布。

2.2 地形對地質(zhì)體層面的約束

地形對地質(zhì)體、構造露頭的約束相對較為簡單，將對應的地質(zhì)體的邊界形成面元素，通過垂直投影的方式，將DEM高程影射至面元素的各個節(jié)點之上，即可完成地形對地質(zhì)體的約束，同樣，對于諸如斷裂展布、礦點分布的三維模型均可通過該方法完成。

2.3 地質(zhì)層面構體

三維地質(zhì)模型的目標是將同類地層體封閉為一個體，上述方法已經(jīng)生成了各個地質(zhì)體的地表層面和地下某深度的邊界層面，將同類地質(zhì)邊界的層面進行連接，則形成了地質(zhì)體的三維實體，該實體可以利用表面模型表達或者利用三維柵格體元進行渲染（圖4）。

該流程可以在GOCAD軟件中完成，從上述過程來看，難度和工作量均比傳統(tǒng)方法降低。

3 三維地質(zhì)模型應用

三維地質(zhì)模型的建立，目的是為了應用，否則就沒有意義[6]。針對建立好的三維地質(zhì)模型，可以在以下功能上進行應用。

3.1 三維顯示功能

對三維地質(zhì)模型進行三維操作，如平移、旋轉、縮放等，便于從不同角度、不同方位、不同比例尺觀看并理解地質(zhì)體之間、地質(zhì)體與構造之間的空間展布和聯(lián)系。

3.2 空間檢索

給定一定地理范圍和深度，將滿足條件的三維實體進行提取，結合三維地質(zhì)屬性模型，對于了解地質(zhì)體內(nèi)部應力分布、品位分布及其與巖性、構造之間的聯(lián)系有清晰的作用。也可以通過這種方式展示單個、多個地質(zhì)體的組合形態(tài)及地質(zhì)體之間的穿插、接觸關系。

3.3 開挖計算

在地質(zhì)工程實踐中，開挖設計及相關計算是必不可少環(huán)節(jié)，三維地質(zhì)模型建立后，可以在此基礎上進行三維分開挖分析和可視化，進行土方量計算，預判開挖過程會遇見的不良地質(zhì)和不良地質(zhì)構造，降低工程風險。

3.4 空間切片 （slice）

該功能適合在三維屬性地質(zhì)模型上展示，通過設定一定深度，將該深度以上的地質(zhì)體剝離，觀察該深度上的地質(zhì)狀況。該切片屬于水平切片，同樣可以指定一段折線，在三維地質(zhì)模型上獲取該折線對應的剖面地質(zhì)信息。

3.5 剖面自動成圖

三維地質(zhì)模型上獲取的剖面只適用于觀察，難以進行地質(zhì)成圖，需要將剖面上的同類地質(zhì)體進行屬性追蹤，形成矢量形式的邊界，導出為CAD格式進行編輯整飾。

4 總結

針對基巖區(qū)三維地質(zhì)模型建立難度大的問題，在不增加額外工程量的情況下，本文提出了一種簡易而有效的三維地質(zhì)模型建立方法，并能夠在生產(chǎn)中實際應用。其原理和流程是二維地質(zhì)圖的延伸擴展，易于理解和掌握，有助于提高地質(zhì)信息進一步應用，并對三維地質(zhì)模型的一些應用功能進行了論述。

由于本文是根據(jù)地表產(chǎn)狀信息推測地質(zhì)體的延展，因而建模的深度不宜過大。