賈 娒，劉 星

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽 淮南 232001)

由于地質(zhì)空間分布的模糊性、復(fù)雜性以及不確定性，在僅具有鉆孔或少量的地質(zhì)離散點數(shù)據(jù)的區(qū)域，很難得到直觀有效的地質(zhì)信息。如果能將地質(zhì)體進行三維可視化表達，構(gòu)建出實體模型，則將有力地支持工作者對地質(zhì)空間的認識。近年來隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，三維建模軟件在地質(zhì)工程、礦業(yè)工程等領(lǐng)域的應(yīng)用也日漸完善，從地質(zhì)、測繪、采礦到礦山設(shè)計、礦產(chǎn)預(yù)測、投資評價，幾乎可以做到全流程覆蓋。三維地質(zhì)模型能夠全面具體地展現(xiàn)復(fù)雜的地質(zhì)情況，使得以前比較復(fù)雜、抽象的專業(yè)性問題變得簡潔、直觀和易于被廣泛地接受，在很多工程領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用。本文以顧北煤礦南一礦區(qū)為例，利用已有地質(zhì)資料，建立礦區(qū)三維地質(zhì)模型，意在清晰、全面地展現(xiàn)研究區(qū)地質(zhì)信息，方便后續(xù)對礦區(qū)地質(zhì)的研究。

1 研究區(qū)概況

顧北煤礦南一1煤采區(qū)，位于安徽省淮南市鳳臺縣西北23 km處，采區(qū)北起港河閘保護煤柱線，南止F109斷層，西自1煤層風氧化帶，東至1煤-650 m底板等高線，走向長1 576.7 m，傾向長2 728.6 m，面積4 230 470 m2. 據(jù)鉆孔揭露，采區(qū)地層自上而下依次為：新生界(第四系、第三系)松散層、二疊系煤系、石炭系(上統(tǒng))和奧陶系海相地層。地層總體走向近南北，傾向東，傾角較緩，一般4°～14°，平均7°.

2 建模流程

2.1 建模數(shù)據(jù)整理

數(shù)據(jù)導(dǎo)入GOCAD軟件前應(yīng)當對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，以便保證數(shù)據(jù)的準確性和有效性。按照建模層面順序及相鄰層面的接觸關(guān)系，從鉆孔中提取各個地層分層界限的三維坐標，并按照(X,Y,Z)的格式保存成文本文件，每個地層面的點集保存于同一個文本文件中。確定研究對象的范圍，它決定了模型在橫向上的分布，限定了所需建模數(shù)據(jù)的范圍，利用autocad對研究區(qū)邊界進行處理后以DXF格式導(dǎo)出。

2.2 面模型的構(gòu)建

2.2.1 生成地層界面

地層界面構(gòu)建是三維地質(zhì)建模中最為重要的一步，面模型既可以表現(xiàn)地層層面的展布情況、層面高低起伏情況,也可以展現(xiàn)地層間的相互位置關(guān)系，面模型的構(gòu)建直接決定了地質(zhì)模型的質(zhì)量。GOCAD軟件是采用Delaunay三角剖分算法形成不規(guī)則的三角網(wǎng)格來構(gòu)建曲面，但是直接利用這些分布稀疏的鉆孔點生成的三角網(wǎng)格棱角分明，得出的地層模型也比較粗糙，難以真實地反映地層的實際情況，為解決這些問題，需要對離散點進行插值處理。

目前常用的插值方法包括距離冪次反比法、克里金插值法以及離散光滑插值法等。距離冪次反比法是根據(jù)已知點與待估點的距離為權(quán)重進行滑動加權(quán)平均估計，能夠簡單模擬地質(zhì)屬性隨空間距離變化的情況，缺點是該方法沒有考慮樣本點本身之間的空間關(guān)系，并且容易出現(xiàn)孤立點屬性值異常的情況?？死锝鸱ㄊ歉鶕?jù)有限領(lǐng)域內(nèi)的若干已知樣本點數(shù)據(jù)，在考慮了樣本點的形狀、大小和空間位置，與未知樣點的相互空間關(guān)系，再結(jié)合變異函數(shù)提供的結(jié)構(gòu)信息，對未知樣點進行的一種線性無偏差最優(yōu)估計?？死锝鸱▋?yōu)點是對原始點的數(shù)量和分布不敏感，生成網(wǎng)格點的時間短、數(shù)據(jù)點個數(shù)較多，插值密度、精度較高。但是這兩種方法都存在同樣缺陷，對于地層局部的變化具有明顯的平滑效應(yīng)，即插值后形成的層面與原始控制點并不能完全吻合，較適用于沒有明顯變化起伏的地層,不能滿足不規(guī)則的復(fù)雜地層或地質(zhì)體的建模要求。針對以上問題,GOCAD專門研制了一種新的插值方法, 即離散光滑插值(DSI). 它能將插值結(jié)果同原始數(shù)據(jù)點再次進行匹配，修正插值過程中存在的幾何畸變，使得原始數(shù)據(jù)點全部落在地層曲面上，能實現(xiàn)對非連續(xù)的地質(zhì)體模型的構(gòu)建，例如斷層、尖滅等區(qū)域。

利用向?qū)Р藛蜛pplications下的Wizards命令便可根據(jù)原始點數(shù)據(jù)集和研究區(qū)域范圍構(gòu)建網(wǎng)格化曲面，它是以地層原始離散點為控制點，以研究區(qū)范圍輪廓線為約束，通過采用DSI方法調(diào)整地層界面，多次反復(fù)直到曲面模型符合要求，使生成的曲面通過所有控制點，達到地層分界面嚴格遵循原始鉆孔分層信息的目的。

2.2.2 調(diào)整地層界面

因為各層數(shù)據(jù)點個數(shù)并不相同，數(shù)據(jù)點在平面上(x,y)的位置也不同，層面構(gòu)建過程中會造成同一地層的底層壓蓋住頂層，產(chǎn)生不合理的現(xiàn)象。這時利用軟件的屬性傳遞功能，把上層層面Z值垂直投影到下層層面上，并令其為UPZ，在下層層面通過比較UPZ值Z值的大小，利用腳本語言：if(Z>UPZ){Z=UPZ;}強令上下界面交叉部分發(fā)生改變，從而使界面位置更準確，有利于后期模型的建立。逐個檢查地質(zhì)體層面之間的壓蓋關(guān)系，利用同樣的方法對剩余的地質(zhì)層面做處理。確保各個地層面之間不存在交叉的情況，最終生成符合地質(zhì)認知的地層界面(圖1).

圖1 地層界面模型圖

2.2.3 生成表面模型

建立地質(zhì)實體的表面模型，需要生成地層的側(cè)面?？梢岳胹urface mode工具的New-Two surface borders選項，選中相鄰地層界面，便會自動生成地層側(cè)面。選擇同一地層的側(cè)面和上下地層界面，將3個面合并為一個整體，由此形成了一個閉合的地層表面模型，設(shè)置透明度，自新到老，依次完成各個地質(zhì)實體的表面模型。

2.2.4 地層尖滅處理

在復(fù)雜的地質(zhì)作用下，地質(zhì)體形態(tài)各異，產(chǎn)生諸如斷層、尖滅、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象。此研究區(qū)域避開了落差大的主要斷層，故層面可以近似看作連續(xù)界面，但有可能存在局部尖滅現(xiàn)象。地層尖滅指的是巖層的厚度在沉積盆地邊緣變薄以至消失的現(xiàn)象，因此可以理解為兩個相鄰的地層面在尖滅處相交或者重合，此時該地層的厚度則為0. 在地層建模中厚度為0地層默認仍然會生成模型，只是在厚度上產(chǎn)生了重合，也就是說可以通過調(diào)整地層厚度來控制尖滅的情況。利用腳本語言可以計算出地層上下界面Z的差值，即地層厚度，并將其作為空間屬性傳遞給region，可以定義一個地層厚度，將小于這一厚度的地層作為尖滅區(qū)域清除(圖2). 用此方法處理地層，只是對尖滅區(qū)域進行“隱藏”而不是徹底剔除，這樣可以保證地層的完整性和一一對應(yīng)。

圖2 尖滅地層模型圖

2.3 體模型的構(gòu)建

面模型具有精度高、美觀性好等特點，但是面模型中的地質(zhì)體內(nèi)部未進行網(wǎng)格充填，它只是一個外表面所圍成的真空地質(zhì)體,不具備實體。在對模型剖切后只能顯示出地質(zhì)體的輪廓線，而且面模型也不能對地質(zhì)體內(nèi)部賦予屬性和進行相關(guān)計算，因此在面模型構(gòu)建之后還需要構(gòu)建地質(zhì)體的實體模型。

在GOCAD軟件中生成體對象主要有兩種方法，分別是實體模型對象(Solid)和網(wǎng)格模型對象(SGrid)，本文選用網(wǎng)格模型對象來構(gòu)建三維體模型(圖3). 網(wǎng)格對象模型是用六面體格子組成的集合，在確定地層界面及網(wǎng)格的密度后軟件將使用六面體格子來填充層面間的地層。在填充過程中，可根據(jù)模型精度選擇填充所用立方體的體積。立方體體積越小，精度越高，擬合效果越好，鋸齒現(xiàn)象越不明顯，同時模型的數(shù)據(jù)量也更大。

圖3 三維地質(zhì)實體模型圖

可以在Workflow中的3Dreservoir Grid Builder任務(wù)下完成體模型的構(gòu)建。主要步驟如下： 1) Select Reference Horizon,選擇地層的頂面作為參考面，此后的模型都是在這個參考面的基礎(chǔ)上完成。2) 由于研究區(qū)沒有斷裂，點擊Areal Gridding Specifications，根據(jù)流程導(dǎo)向創(chuàng)建平面網(wǎng)格，并制定網(wǎng)格方向。3) Create Straight Pillars，選擇地層底面，這一步將在地層的兩個頂?shù)讓用嬷g構(gòu)建支柱，進行頂?shù)装宓膶庸浪?，自動連接上下兩個界面。4) Build Stratigraphic Grid，該步驟是對三維網(wǎng)格進行分配,設(shè)置縱向和橫向上的參數(shù)，表示地質(zhì)體可以劃分為多少個網(wǎng)格，一般要根據(jù)建模精度設(shè)定，由此形成的體模型便可以對其賦予屬性和相關(guān)計算。

3 模型檢驗

礦區(qū)三維地質(zhì)模型構(gòu)建的目的是為智能開采提供精準的地質(zhì)導(dǎo)向，因此必須有較高的精度和實用價值。模型檢驗是衡量所建模型的精度，確定模型與實際的地質(zhì)情況是否相符。由于是基于鉆孔數(shù)據(jù)建立的模型，所以模型檢驗主要是對相同位置處實際數(shù)據(jù)與模型中的數(shù)據(jù)進行比較，從而確定模型是否準確。本次檢驗利用預(yù)留的3個鉆孔與模型同一位置的鉆孔相對比，為了獲取模型中的信息，借助屬性截面法對模型的鉆孔處進行剖切(圖4)，然后提取出各個地層的高程數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)比較。

圖4 屬性截面法切割剖面圖

原始數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)對比見表1. 從表1可以看出，原始數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)基本一致，證明模型精度較高。但是其中也存在一些差異，原因可能是與建模過程中所使用的插值方法有關(guān)，離散光滑插值的特點是采樣點距離越近，其插值越接近真實值，而數(shù)據(jù)量少和數(shù)據(jù)分布不均勻，會造成插值出的點誤差增大，所以會使得模型與實際情況出現(xiàn)偏差。

表1 原始數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)對比表

4 結(jié) 論

1) 相比與其他的插值方法，GOCAD專有的離散光滑插值對地層模型構(gòu)建更為有利，它可以對不連續(xù)的地質(zhì)體進行建模，更好地解決復(fù)雜地質(zhì)體模型構(gòu)建中存在的問題。

2) 對建模過程中由于地層上下層面數(shù)據(jù)點的不一致造成的層面交叉，可以利用腳本語言強令地質(zhì)界面發(fā)生改變，從而得到合理的界面模型。

3) 地層尖滅可以理解為厚度為零的地層，可以計算出地層的厚度，將其屬性傳遞給regions，通過控制地層厚度來控制尖滅區(qū)域。

4) 數(shù)據(jù)點稀少和分布不均，會對插值結(jié)果產(chǎn)生影響，從而影響模型的精度。