張發(fā)榮

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006）

礦山的地質(zhì)結(jié)構(gòu)是一個復(fù)雜多變的固、液、氣混合系統(tǒng)，礦體形態(tài)大多深埋地下邊界不清，容易受到多種因素的影響。為了防止人類活動和開采工程破壞礦山的地質(zhì)環(huán)境，引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，給我們的資源開采和生產(chǎn)安全造成危險,應(yīng)通過地質(zhì)勘探技術(shù)，勘量礦山的地質(zhì)數(shù)據(jù)，并利用空間數(shù)據(jù)模型對礦山區(qū)域的地下空間結(jié)構(gòu)進行三維立體建模，構(gòu)建數(shù)學(xué)模擬架構(gòu)，使礦山的地質(zhì)結(jié)構(gòu)更加參數(shù)化、可視化、立體化，也使我國的地質(zhì)勘探部門對礦山的開采設(shè)計、模擬開采和采礦動態(tài)影響方面更加科學(xué)準(zhǔn)確[1]。

1 數(shù)學(xué)模擬架構(gòu)的設(shè)計原則

設(shè)計礦山地質(zhì)結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模擬架構(gòu)，主要是讓地質(zhì)勘測人員借助數(shù)學(xué)分析工具對礦山的勘測數(shù)據(jù)進行深度加工，從而將礦山的地質(zhì)結(jié)構(gòu)以三維立體形式表現(xiàn)出來[2]。由于不同礦山的地質(zhì)結(jié)構(gòu)具有差異性，因此需要建立不同形式的數(shù)學(xué)模擬架構(gòu)。并且礦山地質(zhì)結(jié)構(gòu)的空間形態(tài)和拓撲關(guān)系大多十分復(fù)雜，因此，在構(gòu)建數(shù)學(xué)模擬架構(gòu)的過程中，應(yīng)符合以下幾點原則：一、數(shù)學(xué)模擬架構(gòu)應(yīng)儲存礦山地質(zhì)形態(tài)的多種屬性信息；二、數(shù)學(xué)模擬架構(gòu)必須能夠準(zhǔn)確表達礦山地質(zhì)結(jié)構(gòu)中各形態(tài)要素間的拓撲關(guān)系；三、構(gòu)建數(shù)學(xué)模擬架構(gòu)能夠使專業(yè)人員更加方便地分析礦山地質(zhì)結(jié)構(gòu)，并編輯勘測數(shù)據(jù)。因此，要根據(jù)礦山的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)源的不同，構(gòu)建針對性的數(shù)學(xué)模擬架構(gòu)。

2 礦山地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的數(shù)學(xué)模擬架構(gòu)的構(gòu)建

在構(gòu)建礦山地質(zhì)結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模擬架構(gòu)過程中，應(yīng)根據(jù)礦山地質(zhì)勘測數(shù)據(jù)的特點，通過地層屬性數(shù)據(jù)建立具有空間幾何結(jié)構(gòu)的地質(zhì)數(shù)據(jù)模型。

2.1 數(shù)學(xué)模擬架構(gòu)的基本組成

礦山地質(zhì)數(shù)學(xué)模擬架構(gòu)主要由以下幾方面構(gòu)成：①地質(zhì)屬性。主要表達的是礦山地層的巖性特點、地質(zhì)時代變遷等等，這些地質(zhì)要素都屬于數(shù)學(xué)模擬框架中的地質(zhì)屬性。②點和節(jié)點。點指的是數(shù)學(xué)模擬框架中某個單一坐標(biāo)點，節(jié)點指的是地層弧線上的某個端點，記錄相關(guān)的弧線變化數(shù)據(jù)。③線段。指的是數(shù)學(xué)模擬結(jié)構(gòu)中連接點和節(jié)點之間的直線或曲線段，在地質(zhì)學(xué)中也被稱為弧段，是構(gòu)建地質(zhì)面模型的重要要素，主要通過地質(zhì)節(jié)點來表示弧段之間的拓撲關(guān)系，可分為斷層線、分界線以及地層輔助線等等。④三角面。由模擬架構(gòu)上的三個點連接而成的三條線所圍成的面積，可以表示一定的地質(zhì)點信息。⑤子面。子面又稱地質(zhì)面，是地質(zhì)塊體的基本構(gòu)成單位之一，由三角面的列表組成。每個地質(zhì)面都有自己的點集，不同地質(zhì)面的拓撲關(guān)系由地質(zhì)線來表達，地質(zhì)邊界線的方向必須和三角面的相同。⑥塊體。又稱地質(zhì)體，由子面組成，具有連續(xù)、閉合、有限等特性，在同一數(shù)學(xué)模擬架構(gòu)中，可以有多個同種幾何塊體存在。⑦地質(zhì)要素。簡單地質(zhì)要素就是幾何塊體加上地質(zhì)屬性，復(fù)雜要素是由多個簡單要素組合構(gòu)成的。構(gòu)建地質(zhì)數(shù)學(xué)模擬架構(gòu)要素的結(jié)構(gòu)關(guān)系如下面的圖1所示：

圖1 數(shù)學(xué)模擬架構(gòu)中地質(zhì)要素結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 數(shù)學(xué)模擬架構(gòu)的邏輯組織

礦山地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要有線狀、面狀和塊體三種類型。其中線狀架構(gòu)的要素包括線性構(gòu)造和地質(zhì)面交線；面狀架構(gòu)的構(gòu)成要素包括斷層、層理和節(jié)理[3]。架構(gòu)數(shù)據(jù)也有不同的類型，包括剖面數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)、等值線數(shù)據(jù)以及地質(zhì)構(gòu)造圖等。節(jié)點、線段、地質(zhì)面、塊體以及地質(zhì)屬性，共同構(gòu)成了礦山地質(zhì)數(shù)學(xué)模型架構(gòu)的地質(zhì)要素。在數(shù)學(xué)模擬架構(gòu)中，他們被稱為地質(zhì)點要素；地質(zhì)線、邊界線和斷層線要素；剖面、地質(zhì)面、斷層面要素；礦體和地質(zhì)體要素等。不同的地質(zhì)體構(gòu)成了地層面，多個地層面最終組成了礦體地質(zhì)模型。因此，地質(zhì)數(shù)學(xué)模型是一種由多層要素共同構(gòu)成的復(fù)雜組合，不僅包含地質(zhì)屬性信息，也具有一定的空間幾何結(jié)構(gòu)。

2.3 數(shù)學(xué)模擬架構(gòu)的拓撲關(guān)系

拓撲關(guān)系指的是在數(shù)學(xué)模擬架構(gòu)空間內(nèi)，地質(zhì)要素經(jīng)過旋轉(zhuǎn)、伸縮等拓撲變換后保持不變的空間關(guān)系，是描述空間要素聯(lián)系的基本性質(zhì)，也是拓撲變換中的不變量[4]。利用GIS平臺來構(gòu)建數(shù)學(xué)模型架構(gòu)，可以清楚看到各地質(zhì)要素之間的拓撲關(guān)系，最主要的就是包含、相接和關(guān)聯(lián)三種拓撲關(guān)系。近些年來，隨著計算機技術(shù)的更新?lián)Q代，GIS的拓撲管理功能也在日趨完善，通過記錄模型要素的拓撲信息，計算機能夠重建地質(zhì)要素的拓撲關(guān)系，以提高計算效率。一般來說，礦山地質(zhì)數(shù)學(xué)模型要素的拓撲關(guān)聯(lián)方式主要有點和弧段之間、弧段和面之間、塊體和塊體之間、塊體和要素之間以及要素和要素之間，當(dāng)然，有時也會出現(xiàn)一對多或多對多的情況。

3 礦山地層數(shù)據(jù)的參數(shù)化表達

礦山地層的劃分是根據(jù)礦山的地質(zhì)勘測、鉆井和地震資料等提供的數(shù)據(jù)，結(jié)合地相沉積環(huán)境和礦山巖性特征對地層的數(shù)學(xué)模擬架構(gòu)進行綜合地質(zhì)劃分[5]。根據(jù)礦山地層的劃分，可以用數(shù)學(xué)參數(shù)的方式表示地層要素，使數(shù)學(xué)模擬架構(gòu)中的地質(zhì)數(shù)據(jù)更加標(biāo)準(zhǔn)化。劃分的礦山標(biāo)準(zhǔn)地層包括地層的序號、巖性、顏色等，根據(jù)地層的層次關(guān)系，可以利用不同節(jié)點的具體數(shù)據(jù)，表示標(biāo)準(zhǔn)地層的整體層次結(jié)構(gòu)，因此礦山地層的參數(shù)化也就是地層節(jié)點的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)參數(shù)化，具體示例如下面的表1所示。

在礦山地層的參數(shù)化表達過程中，鉆井、剖面或地層頂部、底部的節(jié)點數(shù)據(jù)一般可以作為標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)引用到地層節(jié)點信息當(dāng)中。

對于簡單的層狀礦山地質(zhì)結(jié)構(gòu)來說,地層的層次關(guān)系一般都能遵循標(biāo)準(zhǔn)化地層的參數(shù)特征。但對于地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的礦山地層而言，雖然地層參數(shù)信息符合參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但可能會存在構(gòu)造發(fā)育或基巖出露的現(xiàn)象，所以地層的上下結(jié)構(gòu)和臨接關(guān)系并不完全符合標(biāo)準(zhǔn)地層要求。

4 結(jié)束語

構(gòu)建礦山地質(zhì)結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模擬架構(gòu)是一項十分繁雜的工作，對于地質(zhì)屬性的描述只能近似，暫時無法做到完全還原事實。

本文由于篇幅的限制，對于礦山的空間形態(tài)分布以及礦體地質(zhì)結(jié)構(gòu)的拓撲關(guān)系的分析還不夠深入，對礦山地層數(shù)據(jù)的參數(shù)化表達方面的研究也不夠全面，相信隨著地質(zhì)勘測手段和計算機技術(shù)的不斷進步，對礦山地質(zhì)勘測的理論分析和實踐探索一定能得到更加長遠的發(fā)展。