河南郁山鋁土礦三維地質(zhì)建模軟件工作流程與對比研究

苗晉祥，宋要武，李中明，黃俊雅，丁 浩，陳 新，羅 雪，喬東輝

(1.河南省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過程與資源利用重點實驗室，河南鄭州 450001; 2.河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南鄭州 450001)

1 序言

三維地質(zhì)建模的科學(xué)價值:成果表達由平面轉(zhuǎn)向立體是傳統(tǒng)地質(zhì)改革創(chuàng)新的新方向。三維地質(zhì)建模技術(shù)把浩如煙海的地質(zhì)數(shù)據(jù)描繪成數(shù)據(jù)“風(fēng)景畫”和三維地質(zhì)模型，使地質(zhì)圖件形象生動、直觀易懂，易于被非專業(yè)人士理解與應(yīng)用，是地質(zhì)調(diào)查、城市發(fā)展和社會信息化的必然趨勢。受河南省探礦權(quán)采礦權(quán)使用費及價款地質(zhì)勘查“河南省新安縣郁山鋁土礦詳查”項目支助，開展了河南省新安縣郁山鋁土礦三維地質(zhì)建模專題研究，進行三維地質(zhì)建模技術(shù)的推廣應(yīng)用的探索。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀:自20世紀80年代以來，地質(zhì)、礦山及計算機等領(lǐng)域的專家學(xué)者，圍繞礦床地質(zhì)、工程地質(zhì)和礦山工程等問題，對三維地質(zhì)模擬的空間構(gòu)模問題進行了理論與技術(shù)研究，美國、法國、加拿大、澳大利亞、英國等國還相繼推出了一批在地質(zhì)、石油及礦山等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的三維地質(zhì)模擬軟件(李友柱等，2003;王淑紅等，2006;尚建嘎等，2006;陳建平等，2011)。其中較具代表性的是:1988年由法國Nancy大學(xué)的J.L.Mallet教授推出的GOCAD(地質(zhì)對象計算機輔助設(shè)計)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用G－Map圖作為表達三維空間地質(zhì)對象拓撲關(guān)系的基本數(shù)據(jù)模型，可滿足地質(zhì)、地球物理和油藏工程的三維模擬與輔助設(shè)計需要，并提供強大的二次開發(fā)功能;美國DGI公司的地球可視模擬系統(tǒng)(Earth Vision Modelling Sysytem)軟件包，主要用于生成靜態(tài)三維塊體模型，反映結(jié)構(gòu)面(斷層、破碎帶、節(jié)理、巖脈和巖墻)之間的交切關(guān)系;加拿大LYNX GEOSYSTEM公司開發(fā)的LYNX軟件系統(tǒng)采用棱柱體體元建模法，可以對鉆孔、測井記錄、TIN模型、三維格網(wǎng)結(jié)構(gòu)等綜合管理，廣泛應(yīng)用于礦山、地質(zhì)的三維建模及可視化方面;美國CTECH公司開發(fā)的 MVS、EVSPRO、MAS、EVS Standard及EVS for ArcWiew;澳大利亞Micromine集團的Micromine 2010軟件等。此外，國內(nèi)在商業(yè)化三維地質(zhì)建模系統(tǒng)研發(fā)方面，有北京理正軟件設(shè)計研究院開發(fā)的地理信息系統(tǒng)－地質(zhì)專題軟件;北京東方泰坦科技有限公司在國際著名的加拿大阿波羅科技集團GIS軟件基礎(chǔ)上，基于框架建模的思路研制開發(fā)而成的TITANT 3D;中科院武漢巖土所開發(fā)的三維地層地理信息系統(tǒng)(3DSIS);武漢中地數(shù)碼公司在MAPGIS基礎(chǔ)平臺基礎(chǔ)上開發(fā)的三維可視化地質(zhì)勘察信息系統(tǒng)MAPGIS_G3dProject。

本文根據(jù)郁山鋁土礦的三維地質(zhì)建模的經(jīng)驗，對MVS、Micromine、MAPGIS_G3dProject三種軟件的特點進行對比討論。

1.1 美國CTech公司的MVS 8.2軟件具有以下特點

(1)真三維軟件，智能化強，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛(除地質(zhì)外，還包括環(huán)境、海洋、考古與大氣等學(xué)科);

(2)注重三維地質(zhì)建模的質(zhì)量，并可提供了不同的三維可信度(Confidence)的地質(zhì)模型;

(3)礦體儲量計算、品位估算、礦產(chǎn)的評價; (4)提供地質(zhì)模型4維交互動畫展示功能;

(5)礦體三維屬性 (物探、化探、水文地質(zhì)參數(shù)、工程地質(zhì)參數(shù)、環(huán)境地質(zhì)參數(shù)，等等)模型，三維空間等值線。

1.2 澳大利亞Micromine國際礦業(yè)軟件及咨詢集團Micromine軟件具有以下特點

真三維軟件，模擬了傳統(tǒng)的礦體儲量計算，并考慮了礦體儲量計算規(guī)范，人為參與半智能化建模，此種方法得到了地質(zhì)專家的認可，軟件得到了國際證券市場、國際礦業(yè)公司、投融資機構(gòu)和風(fēng)險勘探公司的認可，這將有利于地勘企業(yè)和礦業(yè)公司所擁有礦業(yè)權(quán)的流轉(zhuǎn)和國際合作，以及在股票市場上市籌集資金等。

1.3 中地數(shù)碼公司(武漢)的MAPGIS_G3dProject軟件具有以下特點

真三維軟件，類似于澳大利亞的Micromine軟件，具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的軟件，實現(xiàn)了從勘探數(shù)據(jù)管理，礦體圈定、儲量估算到地質(zhì)成圖一條龍的技術(shù)流程。本軟件考慮了中國的礦體儲量計算規(guī)范，包含了國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的剖面法、地質(zhì)塊段法、和地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)等三種方法。

2 研究區(qū)地質(zhì)概況

河南省新安縣郁山鋁土礦屬華北陸塊南部澠池－確山陷褶斷束的西北端，為構(gòu)造隆起與坳陷的接合部位。屬晉冀魯豫地層區(qū)豫陜地層分區(qū)澠池－確山地層小區(qū)，出露地層有中元古界洛峪群、下古生界寒武－奧陶系、上古生界石炭－二疊系、中生界三疊系、新生界新近系和第四系。本溪組沉積環(huán)境屬豫西澠池瀉湖東部的潮坪－沼澤相(李中明等，2009;翟東興等，2002)。斷裂和褶皺構(gòu)造較發(fā)育，巖漿活動微弱(鄧軍等，2010;劉學(xué)飛等，2010;王慶飛等，2011)。

河南省新安縣郁山礦床位于三門峽－澠池－新安四級鋁土礦成礦區(qū)的杜家溝－郁山鋁土礦成礦帶的東端，為河南省富鋁土礦最集中區(qū)。區(qū)域上已發(fā)現(xiàn)煤、鋁、鐵等沉積礦產(chǎn)。鋁土礦賦礦層位為上石炭－下二疊統(tǒng)的本溪組。

河南省新安縣郁山礦床含礦地層為石炭－二疊系本溪組，與下伏馬家溝組呈平行不整合接觸，含鋁巖系厚度1.18～26.06 m，平均8.65 m。一般自下而上分為四個巖性層:一層為灰褐色中薄菱鐵礦層或含菱鐵礦鋁土質(zhì)泥巖，以鐵質(zhì)粘土巖建造為主，厚0～4.80 m;二層為灰色中薄層含豆鮞、粒屑鐵鋁質(zhì)粘土巖層，局部含炭質(zhì)而呈深灰色，黃鐵礦零星發(fā)育，菱鐵礦以豆鮞狀，團粒狀產(chǎn)出，層理發(fā)育，可發(fā)育成耐火粘土，為礦層直接底板，厚0～4.56 m;三層為主礦層，為灰－深灰色中厚層狀碎屑－豆鮞狀鋁土礦及泥晶鋁土礦，偶爾見層理構(gòu)造，厚0～10.18 m;四層為深灰－灰黑色中薄層含炭質(zhì)鋁土質(zhì)泥巖或炭質(zhì)泥巖或矸石，為礦層直接頂板，可見層理，含植物化石，普遍含黃鐵礦團塊，厚0～3.35 m。四層組合為一個完整的沉積旋回，礦區(qū)內(nèi)一般可見兩個沉積旋回。上部與太原組整合接觸。

3 三維地質(zhì)建模的工作流程

本文重點以MVS8.2軟件進行討論。

3.1 資料的收集整理，建立地層層序

依據(jù)《中國地層指南及中國地層指南說明書》.綜合使用同位素地質(zhì)學(xué)、古生物學(xué)與微體生物學(xué)方法、沉積學(xué)方法、測井地質(zhì)學(xué)方法、地球化學(xué)過程分析等等方法。工作則由原先的野外填圖法逐步過渡到據(jù)航片、衛(wèi)片解譯、地貌學(xué)研究、鉆孔驗證。在此基礎(chǔ)上建立工作區(qū)地層層序(表1)。

3.2 數(shù)據(jù)處理與三維地質(zhì)建模工作流程

工作流程為:按地層層序處理鉆孔與不同地層面數(shù)據(jù)，并建立數(shù)據(jù)庫→地質(zhì)解譯→三維地質(zhì)建?！鷥α坑嬎?苗晉祥等，2008;雷赟等，2008)。

表1 河南新安郁山鋁土礦地層層序表Table 1 Stratigraphic sequence in the Yushan bauxite deposit，Xin’an County，Henan Province

3.2.1 MVS8.2軟件的工作流程

工作流程:數(shù)據(jù)處理→三維地質(zhì)建模網(wǎng)絡(luò)流程的建立。

數(shù)據(jù)處理:本專題研究就是按地層分層的頂?shù)酌嬲淼膅mf格式文件。根據(jù)表1的地層層序?qū)︺@孔進行分層，按X，Y，TOP(地面標高)，BOT_1(分層序號為1地層的底板標高，以此類推)、BOT_2、BOT _3、BOT_4、BOT_5、BOT_6、BOT_7、BOT_8、BOT_9、BOT_10、BOT_11、Boring_ID(鉆孔編號)的順序?qū)γ恳汇@孔進行編輯，再加上輔助的解釋內(nèi)容，便生成gmf格式文件。

三維地質(zhì)建模網(wǎng)絡(luò)流程:MVS 8.2軟件是一款模塊化流程式軟件，本專題三維地質(zhì)建模需要以下模塊(見圖1)?，F(xiàn)將主要模塊的功能進行論述。

Krig 3D Geology:讀入整理好的*.geo或*.gmf文件，克立格法創(chuàng)建所有三維地層面。

3D_Geology_Map:從二維的地層面創(chuàng)建三維的體模型。

Volumetrics:礦體儲量計算模塊。

Explode_and_Scale:對模型在Z方向的擴張值以及地層模型中各個地層之間的間距的設(shè)定。

isovolume:它是子模塊中的一個模塊，它可提取體數(shù)據(jù)的某一部分(大于或小于閾值)。

Legend:模型圖例的創(chuàng)建。

圖1 MVS三維地質(zhì)建模工作流程圖Fig.1 Workflow of MVS three－dimensional geological modeling1－輸出到視窗模塊的數(shù)據(jù);2－克里格三維差值模塊輸出的數(shù)據(jù);3－各模塊之間的數(shù)據(jù)流1－output data of view model;2－output data from Krig 3D geological module;3－data－stream among different modules

axes:模型坐標系的創(chuàng)建。

viewer:視圖窗口模塊。

河南郁山鋁土礦三維地質(zhì)特征:

(1)構(gòu)造的展示:礦區(qū)整體為一背斜，總體軸走向為北西－南東向，軸向西北方向傾伏，北翼地層傾向北東，南翼地層傾向南西，核部地層為寒武系和奧陶系，兩翼依次均為本溪組、太原組、山西組、石盒子組一段、石盒子組二段、石盒子組三段等地層(見圖2、圖3、圖5、圖6)。

圖2 三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型(旋轉(zhuǎn)90°)Fig.2 Three－dimensional geological－structure model(rotating 90°)1－第四系;2－第四系底板至礦體頂板;3－礦體; 4－礦體底板至奧陶系頂板;5－奧陶系1－Quaternary;2－Quaternary floor to roof of ore body;3－ore body;4－ore body floor to Ordovician roof;5－Ordovician

(2)地層的疊置關(guān)系:地層為11層，為正常序列疊置，地層總體呈平滑連續(xù)延伸，但也有較小的波狀起伏(見圖4、圖5、圖6)。

(3)礦體下伏奧陶系地層(O)三維空間展示:同背斜的產(chǎn)狀基本一致，軸部走向為北西－南東向，軸部向西北方向傾伏，北翼傾向北東，南翼傾向南西(見圖2、圖3、圖5、圖6)。

(4)鋁土礦礦體三維空間展示:礦體分布于西郁山的北坡，主要賦存于石炭系本溪組含鋁巖系的中上部，呈隱伏狀分布。主礦體為一層，形狀受背斜與下覆奧陶系馬家溝組界面控制，總體呈上凸的弧形，向西部礦體呈扇形展布，為層狀平滑連續(xù)分布，但也有較小的波狀起伏，軸部走向為北西—南東向，軸部向西北方向傾伏，南翼傾向南西且傾角較大，北翼傾向北東，礦體總體向西、北西、北傾斜，傾角平緩，局部有起伏，礦體埋深中東部淺，向南、西、北三個方向埋深逐漸增大。主礦體規(guī)模為大型，北西—南東向長大于2555 m，北東—南西向?qū)挻笥?900 m，礦體真厚度0.48～9.65 m，平均真厚度2.79 m，礦體厚度集中在1.5～3.5 m，頂板最高標高為339 m，頂板最低標高為－278.33 m(見圖7)。

3.2.2 MICROMINE 2010軟件的工作流程

工作流程:文件準備→鉆孔校驗并建立數(shù)據(jù)庫→地質(zhì)解譯→地質(zhì)模型的建立→塊模型的建立與儲量估算。

文件準備:建立井口文件、測斜文件、樣品分析文件、巖性文件4個文件。

圖7 三維礦體模型圖(旋轉(zhuǎn)135°)Fig.7 Three－dimension orebody model(rotating 135°)1－礦體1－orebody

鉆孔校驗并建立數(shù)據(jù)庫:檢查鉆孔四個文件的一致性和邏輯錯誤。

地質(zhì)解譯:按剖面連接礦體和地質(zhì)體。

地質(zhì)模型的建立:生成線框文件，建立地質(zhì)模型或礦體模型。

塊模型的建立與儲量估算:生成礦體塊模型，按不同品位進行儲量估算。

生成的模型見圖8。

圖8 MICROMINE生成的三維地質(zhì)柱狀模型Fig.8 Three－dimensional geological_post model generated by software MICROMINE

3.2.3 MAPGIS_G3dProject軟件的工作流程

工作流程類似于MICROMINE軟件，為:勘探數(shù)據(jù)管理→地質(zhì)解譯→礦體圈定→儲量估算→礦量和品位統(tǒng)計→三維可視化分析→成果數(shù)據(jù)管理和輸出。生成的模型見圖9。

圖9 MAPGIS_G3dProject生成的三維地層模型Fig.9 Three－dimension stratum model generated by MAPGIS_G3dProject

Chen Jian－ping，Chen Yong，Zhu Peng－fei，Wang Li－mei，Shang Bei－chuan，Zhao Jie.2011.Digital deposit modeling and its applications－as example of forecasting hidden rare metal ore by of Keketuohai No.3 pegmatite veins in Keketuohsi，Altay region，Sinkiang［J］.Geological Bulletin，30(5):630－641(in Chinese with English abstract)

Li You－zhu，Zhuang Yu－xun，Cai Gang，Liu Shi－yi，Zhang Zhenfang.2003.Urban Geology－new field in the national geological work［J］.Geological Bulletin，22(8):589－596(in Chinese with English abstract)

Deng Jun，Wang Qing－fei，Yang Shu－juan，Liu Xue－fei，Zhang Qi－zuan，Yang Li－qiang，Zhang Yue－h(huán)eng.2010.Genetic relationship between the Emeishan plume and the bauxite deposits in Western Guangxi，China:Constraints from U－Pb and Lu－Hf isotopes of the detrital zircons in bauxite ores［J］.Journal of Asian Earth Sciences，37(2010):412－424

Lei Yun，Kong Jin－ling，Zhang Feng，Yang Qi－qing，Zhao Changrong.2008.The 3D geological modeling based on EVS Pro software［J］.Earth Sciences and Environment，30(1):107－110(in Chinese with English abstract)

Li Zhong－ming，Zhao Jian－min，Wang Qing－fei，Ma Rui－shen，Jiao Zan－chao，Liu Xue－fei，Shi Chun－rui.2009.Sedimentary Environment Research for the Yushan Bauxite Ore Deposit in Western Henan Province，China［J］.geoscience，23(3):481－489(in Chinese with English abstract)

Miao Jin－xiang，Li Zhong－ming.2011.Study on three－dimension geological modeling in Yu－h(huán)ill bauxite Xin－An，Henan［J］.Shanxi Architecture，37(16):67－68(in Chinese with English abstract)

Miao Jin－xiang，Wu Ji－chen，Xu Tong－jian.2008.Solutions about threedimensional modeling of layered geological structure［J］.Shanxi Architecture，4(12):106－107(in Chinese with English abstract)

Wang Qing－fei，Deng Jun，Zhang Qi－zuan，Liu Huan，Liu Xue－fei，Wan Li，Li Ning，Wang Yan－ru，Jiang Cheng－zhu，F(xiàn)eng Yuewen.2011.Orebody vertical structure and implications for oreforming processes in the Xinxu bauxite deposit，Western Guangxi，China［J］.Ore Geology Reviews，39:230－244(in Chinese with English abstract)

Shang Jian－ga，Liu Xiu－guo.2006.The field of three－dimensional urban geological information systems research and development［J］.Huazhong University of Science and Technology(Urban Science E-dition)，23(1):172－175(in Chinese with English abstract)

Wang Shu－h(huán)ong，Chun Jiang－feng.2006.Study of fractal geology［J］.Shanxi Architecture，32(18):92－93(in Chinese with English abstract)

Liu Xue－fei，Wang Qing－fei，Deng Jun，Zhang Qi－zuan，Sun Silei，Meng Jian－yin.2010.Mineralogical and geochemical investigations of the Dajia Salento－type bauxite deposits，western Guangxi，China［J］.Journal of Geochemical Exploration，(105):137－152

Zhai Dong－xing，Liu Guo－ming，Chen De－jie，Zhang Qiaomei，Zhao Xiyan.2002.Deposit Geology And Metallogenic Regulation Of Shan－Xin Bauxite Belt，Henan Province［J］.Geology and Geology，38 (4):41－44

［附中文參考文獻］

陳建平，陳 勇，朱鵬飛，王麗梅，尚北川，趙 潔.2011.數(shù)字礦床模型及其應(yīng)用——以新疆阿勒泰地區(qū)可可托海3號偉晶巖脈稀有金屬隱伏礦預(yù)測為例［J］.地質(zhì)通報，30(5):630－641

鄧 軍，王慶飛，王淑娟，劉學(xué)飛，張起鉆，王立強，張月恒.2010.中國廣西西部峨眉山地幔熔巖流與形成關(guān)系［J］.亞洲地球科學(xué)，37(2010):412－424

雷 赟，孔金玲，張 峰，楊齊青，趙長榮.2008.基于EVS Pro的3D地質(zhì)建模［J］.地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報，30(1):107－110.

李友柱，莊育勛，蔡綱，劉士毅，張振芳.2003.城市地質(zhì)—國家地質(zhì)工作的新領(lǐng)域［J］.地質(zhì)通報，22(8):589－596

李中明，趙建敏，王慶飛，馬瑞申，焦贊超，劉學(xué)飛，史春睿.2009.豫西郁山鋁土礦沉積環(huán)境分析［J］.現(xiàn)代地質(zhì)，23(3):481－489

劉學(xué)飛，王慶飛，鄧 軍，張起鉆，孫思磊，孟健寅.2010.中國廣西西部大化薩倫托型鋁土礦礦物學(xué)與地球化學(xué)調(diào)查［J］.地球化學(xué)勘探，105(2010):137－152

苗晉祥，李中明.2011.河南省新安縣郁山鋁土礦三維地質(zhì)建模研究［J］.山西建筑，37(16):67－68

苗晉祥，吳繼臣，許銅建.2008.關(guān)于建立三維層狀地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的解決思路［J］.山西建筑，4(12):106－107

尚建嘎，劉修國.2006.城市地質(zhì)領(lǐng)域三維空間信息系統(tǒng)的開發(fā)研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(城市科學(xué)版)，23(1):172－175

王慶飛，鄧 軍，張起鉆，劉 華，劉學(xué)飛，萬 里，李 寧，王艷茹，江成柱，馮月文.2011.中國廣西西部新圩鋁土礦礦體垂向結(jié)構(gòu)形成過程與影響［J］.礦物地質(zhì)評論，39(2011):230－244

王淑紅，寸江峰.2006.分形地質(zhì)學(xué)初探［J］.山西建筑，32(18):92－93

翟東興，劉國明，陳德杰，張巧梅，趙錫巖.2002.河南省陜一新鋁土礦帶礦床地質(zhì)特征及其成礦規(guī)律［J］.地質(zhì)與勘探，38(4):41－44