夏鵬，周涌，蔣璽，唐波，郭川，楊宇寧

（貴州大學資源與環(huán)境工程學院，貴州貴陽 550025）

地質(zhì)學是一門實踐性很強的學科，地質(zhì)實習是地質(zhì)學教學過程中非常重要的實踐環(huán)節(jié)。地質(zhì)實習對于學生鞏固和深化所學專業(yè)理論知識、加強感性認識和培養(yǎng)野外工作能力等有重要意義[1-3]。隨著信息化技術的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的野外地質(zhì)工作模式也不斷地發(fā)生著變革，數(shù)字地質(zhì)圖、空間數(shù)據(jù)庫和三維地質(zhì)模型等已成為目前野外地質(zhì)填圖的主要手段，第一手地質(zhì)資料逐漸由手書+素描向電子文檔+照片轉變[4-6]。因此，高校野外地質(zhì)實習模式迫切需要根據(jù)行業(yè)需求進行調(diào)整，在滿足傳統(tǒng)地質(zhì)實習教學目標的基礎上，給學生提供圖件矢量化、空間數(shù)據(jù)庫構建與管理、三維地質(zhì)模型構建等相關領域的學習和鍛煉機會，確保未來能夠更好、更快地適應工作崗位。

一、烏當?shù)刭|(zhì)實習現(xiàn)狀

烏當?shù)刭|(zhì)實習是貴州省高校地質(zhì)類專業(yè)的重要實踐教學環(huán)節(jié)，重要性在于為學生提供了將專業(yè)理論知識與實際地質(zhì)現(xiàn)象相結合的寶貴學習機會，目的是使學生掌握野外地質(zhì)工作的程序和方法。原貴州工學院（現(xiàn)合并為貴州大學）從1958年建校，開設烏當?shù)刭|(zhì)實習課程。實習基地位于貴陽市烏當區(qū)東風鎮(zhèn)，面積約20km2。烏當實習基地內(nèi)出露地層較全，包括古生界寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系和二疊系，中生界三疊系和白堊系以及新生界第四系的沉積地層，加之區(qū)內(nèi)構造現(xiàn)象豐富且形跡保存完好，古生物化石種類齊全，地貌類型多樣且典型，在沉積巖地區(qū)十分罕見，被評為“全國科普教育基地”和“省級地質(zhì)公園”[7]。

烏當?shù)刭|(zhì)實習課程具有基礎性和實踐性強、綜合度高、受自然環(huán)境和社會發(fā)展影響大等典型特征。近年來，學校在教學過程陸續(xù)出現(xiàn)一些較為突出的問題，主要體現(xiàn)在以下3個方面：

1.開發(fā)建設帶來的不良影響。實習區(qū)距離貴陽市主城區(qū)近（約16km），城市建設的高速發(fā)展和生活垃圾填埋改變了區(qū)內(nèi)局部的地形地貌和地質(zhì)特征，直接導致許多重要教學地質(zhì)點的破壞甚至消失，造成目前實習區(qū)范圍狹窄、實習路線逐漸減少等嚴重問題[8-10]。

2.學生學習主動性減弱。學生由于學習興趣、理解能力、知識結構不同，對前期各門基礎和專業(yè)課程的掌握程度存在明顯差異，導致部分學生在綜合性教學中接受知識和技能訓練時較為被動，加之野外地質(zhì)工作量大，實習過程翻山涉水，十分辛苦，所以，部分學生主動性和自覺性難以很好調(diào)動起來。

3.實習方法手段更新不足。目前，國內(nèi)外野外地質(zhì)填圖工作已進入“數(shù)字地質(zhì)圖+空間數(shù)據(jù)庫+三維地質(zhì)模型時代”[4]，地質(zhì)工作“三大件”已經(jīng)由傳統(tǒng)的地質(zhì)錘、羅盤和放大鏡轉變?yōu)檎粕想娔X、GPS定位儀和數(shù)碼相機，第一手地質(zhì)資料逐漸由“手書+素描”向“電子文檔+照片”轉變。烏當?shù)刭|(zhì)實習對這些新方法和新技術的應用程度還不足[5]。

綜上，筆者將三維地質(zhì)建模方法帶入烏當?shù)刭|(zhì)實習，不僅能夠彌補教學體系中缺少的新方法和新技術，給實習注入數(shù)字化和信息化元素，而且能通過三維地質(zhì)模型的空間可視化優(yōu)勢，帶給學生實習區(qū)地層、構造空間分布特征的直觀認識，提高他們對該課程的學習興趣。

二、三維地質(zhì)建模教學環(huán)節(jié)的引入

（一）三維地質(zhì)建模概述

三維地質(zhì)建模是進行三維地質(zhì)調(diào)查、深部找礦勘探、深部地質(zhì)研究等地下地質(zhì)研究的基礎性工作，是一門基于數(shù)據(jù)進行信息分析與合成的新技術，利用地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)勘探、地球物理探測等方法手段獲取可靠的地質(zhì)數(shù)據(jù)，使用空間插值、幾何重建、計算機圖形圖像、空間分析等技術構建地下地質(zhì)體的三維地質(zhì)模型，研究地下地質(zhì)體的空間形態(tài)、結構及其相互關系，解釋和分析相關的地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)過程[11-12]。由于地質(zhì)條件復雜、地質(zhì)資料多源，前人根據(jù)實際地質(zhì)條件和資料情況，針對不同尺度、不同目的的三維地質(zhì)建模，提出多種建模方法（如表1）。其中，常用的三維地質(zhì)建模方法主要包含四類，即基于鉆孔數(shù)據(jù)的建模方法、基于平行剖面的建模方法、基于網(wǎng)格交叉剖面的建模方法和基于多源數(shù)據(jù)交互的建模方法[13-16]。

分類依據(jù) 建模類型 描述

表1 基于不同數(shù)據(jù)和任務的三維地質(zhì)建模方法分類

（二）三維地質(zhì)建模教學內(nèi)容

本課程教學涉及三維地質(zhì)建模教學內(nèi)容，包括資料整理、圖文數(shù)字化、數(shù)據(jù)存儲與管理、三維地質(zhì)模型構建、地質(zhì)特征解釋。

1.資料整理

學生整理實習成果資料，收集并整理巖芯鉆孔資料。

2.圖文數(shù)字化方法

學生通過Map GIS和Office軟件對圖文資料開展數(shù)字化工作和成圖工作。

3.數(shù)據(jù)存儲與管理

學生將數(shù)字化的圖文資料導入到建模軟件（如Petrel），根據(jù)后續(xù)工作修改、補充、完善數(shù)據(jù)。

4.三維地質(zhì)模型構建方法

學生基于第3階段的數(shù)據(jù)，以Petrel等專業(yè)建模軟件構建三維地質(zhì)模型，主要流程包括加載數(shù)據(jù)、圈定邊界、層面模型、斷層模型、地質(zhì)模型共5個環(huán)節(jié)。

（1）加載數(shù)據(jù)包括點位數(shù)據(jù)、鉆孔位置數(shù)據(jù)、分層數(shù)據(jù)和斷層數(shù)據(jù)。

（2）圈定邊界確定實習區(qū)地質(zhì)模型的范圍和邊界條件。

（3）層面模型以實習課程安排的填圖單元為基本單位，建立每一填圖單元的層面模型。

（4）斷層模型根據(jù)野外、鉆孔以及其他信息數(shù)據(jù)提取斷層面空間數(shù)據(jù)，構建斷層模型。

（5）地質(zhì)模型將層面模型與斷層模型結合，建立三維地質(zhì)模型。

5.地質(zhì)特征解釋

學生基于構建的實習區(qū)三維地質(zhì)模型，對實習區(qū)地質(zhì)特征（地層發(fā)育特征及分布、斷層分布及性質(zhì)、構造形態(tài)及構造演化歷史等）進行介紹，作為課程綜合考核的一部分，計入最終課程成績。

（三）三維地質(zhì)建模引入及與其他教學環(huán)節(jié)的銜接

烏當?shù)刭|(zhì)實習課程目前主要包括實習動員、課程講解、剖面測量、剖面圖繪制、地質(zhì)填圖、綜合圖件繪制、報告撰寫、階段考核、終期考核等環(huán)節(jié)（圖1）。其中，根據(jù)實習記者進程，課程講解分4次進行，分別講解實習區(qū)地層發(fā)育特征及剖面測量方法、剖面圖繪制方法、地質(zhì)填圖方法、綜合圖件繪制方法及報告撰寫注意事項。階段考核主要包括3次，分別考核學生對實習區(qū)地層發(fā)育特征、剖面測量方法及剖面圖繪制、實習區(qū)構造發(fā)育特征。

教師引入三維地質(zhì)建模后將增加繪圖及建模軟件使用、圖文資料矢量化、數(shù)據(jù)存儲與管理、三維地質(zhì)模型構建等教學內(nèi)容，新增教學內(nèi)容與現(xiàn)有教學內(nèi)容銜接關系，如圖1。

圖1 烏當?shù)刭|(zhì)實習引入三維地質(zhì)建模課程內(nèi)容銜接關系示意圖

1.教師在地質(zhì)工具（羅盤、放大鏡）使用方法和剖面測量方法介紹環(huán)節(jié)，同時進行相關地質(zhì)圖件繪制軟件（如Map GIS）和三維建模軟件（如Petrel）使用方法的講解。學生根據(jù)課程講解開展剖面測量工作，整理測量資料并熟悉軟件使用方法。

2.教師在剖面圖繪制環(huán)節(jié)，除了手繪剖面圖外，增加剖面數(shù)據(jù)的數(shù)字化和矢量圖繪制工作。

3.學生在地質(zhì)填圖過程中，將新獲得的地層控制點、斷層控制點和文字描述等資料加載到三維地質(zhì)建模軟件中，存儲數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)庫，根據(jù)后續(xù)填圖認識不斷修改、補充、完善數(shù)據(jù)庫。

4.在綜合圖件繪制環(huán)節(jié)，學生基于數(shù)據(jù)庫和綜合圖件資料，構建實習區(qū)三維地質(zhì)模型，并在實習報告中介紹模型構建過程及結果。

三、結束語

烏當?shù)刭|(zhì)實習是貴州省高校地質(zhì)類專業(yè)的重要實踐教學環(huán)節(jié)，課程教學面臨城市開發(fā)建設壓縮實習區(qū)范圍、學生學習主動性減弱、實習方法手段更新不足等問題。筆者分析認為引入三維地質(zhì)建模教學內(nèi)容，能夠彌補烏當?shù)刭|(zhì)實習教學體系中缺少的新方法和新技術，給實習注入數(shù)字化和信息化元素，帶給學生實習區(qū)地層、構造空間分布特征的直觀認識，有助于增強他們對該課程的學習興趣。三維地質(zhì)建模教學內(nèi)容包括繪圖與建模軟件講解和入門、圖文資料矢量化、數(shù)據(jù)存儲與管理和三維地質(zhì)模型構建4個環(huán)節(jié)，終期考核要求學生基于自己構建的三維地質(zhì)模型，對實習區(qū)地層發(fā)育、斷層分布、構造形態(tài)和構造演化歷史等進行介紹。