基于Gocad的金川Ⅱ礦區(qū)三維地質(zhì)建模方法

摘 要：本文以金川Ⅱ礦區(qū)為例，以收集到的鉆孔柱狀圖以及地質(zhì)編錄等礦山數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立了綜合地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，介紹了利用Gocad軟件實現(xiàn)礦區(qū)三維地質(zhì)建模的思路和方法，構(gòu)建了金川Ⅱ礦區(qū)各個礦體、巖體以及地層的三維線框模型，為礦化空間分析、儲量估算提供了可靠的空間數(shù)據(jù)依據(jù)和可視化支持。

關(guān)鍵詞：三維地質(zhì)建模；Gocad；金川Ⅱ礦區(qū)

中圖分類號：TP391.41

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，各種新型找礦技術(shù)的運用，地質(zhì)工作者們對預(yù)測和評價所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及處理這些信息的平臺都提出了更高更精細(xì)的要求。而這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)都屬于空間信息，其空間的拓?fù)潢P(guān)系，內(nèi)部屬性，空間信息的表達(dá)，儲存，管理都是二維地理信息系統(tǒng)所難以實現(xiàn)的，因此需要發(fā)展三維空間GIS系統(tǒng)。其中礦山三維建?？梢詣討B(tài)、直觀和形象的表達(dá)地質(zhì)單元的空間展布以及相對關(guān)系，從而可以進(jìn)行空間定性和定量分析，挖掘隱含地質(zhì)信息，進(jìn)而研究其變化規(guī)律。

三維地質(zhì)建模（3D Geosciences Modeling）的概念最早是由加拿大Simon W Houlding于1993年提出，指的是在三維環(huán)境下，采用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，結(jié)合現(xiàn)代空間信息理論以及計算機(jī)技術(shù)，將空間分析、地質(zhì)解譯、地學(xué)統(tǒng)計學(xué)、空間信息管理和計算機(jī)圖形學(xué)等學(xué)科結(jié)合起來，綜合運用來研究地質(zhì)體的空間構(gòu)造和其內(nèi)部屬性等地質(zhì)信息，以達(dá)到地質(zhì)分析和資源量估算的技術(shù)。它是由地質(zhì)勘探、數(shù)學(xué)地質(zhì)、地球物理、礦山測量、礦井地質(zhì)、GIS、圖形圖像和科學(xué)計算可視化等學(xué)科與技術(shù)交叉而形成的一門新興技術(shù)。相比于傳統(tǒng)的地質(zhì)數(shù)據(jù)的表達(dá)方法，三維地質(zhì)建模的優(yōu)勢在于能夠更加豐富準(zhǔn)確的表達(dá)各種地質(zhì)現(xiàn)象，快速直觀地再現(xiàn)地質(zhì)單元的空間展布及其相互關(guān)系，挖掘隱含的地質(zhì)信息，方便工程決策、地質(zhì)分析和自動制圖，也為礦產(chǎn)儲量的準(zhǔn)確估算提供了有效的技術(shù)方法手段。

Gocad（Geological Object Computer Aided Design）軟件是法國Nancy理工大學(xué)開發(fā)的主要用于地質(zhì)領(lǐng)域的三維可視化建模軟件，在地質(zhì)工程、地球物理勘探、礦業(yè)開發(fā)和水利工程中均有廣泛的應(yīng)用。Gocad軟件充分考慮了地質(zhì)資料的多源性，提供了多種建模方法——既可建立表面模型（類同CAD中的surface，mesh），也可建立實體模型（類同CAD中的3dsolid），它能提供多種約束條件，可編輯形成任意形狀的曲面；它不僅可以設(shè)計空間幾何對象，也可以表現(xiàn)空間屬性分布。該軟件強(qiáng)大的分析功能，靈活多樣的信息存儲和表達(dá)方式，以及面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，使Gocad日益得到重視和應(yīng)用。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

金川礦床賦存于中朝地臺阿拉善地塊西南邊緣龍首山隆起的超鎂鐵巖侵入巖石中。南鄰早古生代北祁連褶皺帶，以龍首山南側(cè)深斷裂與祁連山地槽的走廊過渡帶批鄰；北依晚古生代準(zhǔn)鳴爾褶皺帶，以龍首山北側(cè)深斷裂（F1）與阿拉善隆起區(qū)內(nèi)部的潮水?dāng)嘞菹嘟?。金川礦區(qū)位于甘肅省河西走廊中部，龍首山北麓，巴丹吉林沙漠南緣的金昌市，礦區(qū)地勢起伏變化大，海拔1500-1900m。礦區(qū)主要出露地層為下元古界白家咀子組的蛇紋石化白云質(zhì)大理巖、黑云母片麻巖及云母石英片巖和條痕混合巖等深變質(zhì)巖，構(gòu)成了金川鎳礦床的基底，地層總走向N35°W，傾向SW，傾角40°-70°。第四系古河床礫石層及近代洪積坡積層分布于山麓、山間盆地及古河道階地之上，缺失其它各個時代的地層。金川Ⅱ礦區(qū)的主要礦體有兩個，即西部的l號礦體和東部的2號礦體。1號礦體長1.6km，水平寬度最大為200m，平均水平寬度98m，主要為富礦型礦石，富礦體長1.3km。Ⅱ礦區(qū)87%的富礦源于1號礦體。富礦型礦石位于礦體的中部與深部，礦體的頂部是貧礦石。礦體已知賦存部位在1350m至600m水平，上覆有250m的超基性巖。2號礦體長1.3km，水平寬度最大為210m，主要包含貧礦，60%的礦石是貧礦。

2 綜合地質(zhì)數(shù)據(jù)庫

建立一個完善和可靠的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫是三維地質(zhì)建模的前提和基礎(chǔ)，直接影響到資源評估和開采設(shè)計的準(zhǔn)確性。所以，根據(jù)三維地質(zhì)建模的需要和Gocad軟件的要求，建立該礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)庫。流程為：（1）對金川Ⅱ礦區(qū)各個歷史時期的資料如地形數(shù)據(jù)、勘探工程數(shù)據(jù)、編錄數(shù)據(jù)、化驗數(shù)據(jù)、地質(zhì)圖件數(shù)據(jù)等進(jìn)行系統(tǒng)化的查閱、檢查和追蹤，編寫資料分類文檔?？偣彩占@孔柱狀圖173張，地質(zhì)編錄卡片518張，地質(zhì)平面圖11張，地質(zhì)橫剖面圖38張，東西部各中段地質(zhì)平面圖6張，各行線地質(zhì)橫剖面圖19張，東西部礦體縱投影圖2張，各工程化驗成果10本276頁。其中收集鉆孔620個，地質(zhì)數(shù)據(jù)11287條，化學(xué)樣品分析數(shù)據(jù)40941條，測斜數(shù)據(jù)1288條。（2）對收集到的資料，進(jìn)行檢查、圖像處理、文檔制作、分類歸檔。（3）利用ArcGIS、MapGIS軟件及相關(guān)軟件，初步完成了金川Ⅱ礦區(qū)的數(shù)字化工作（包括勘探工程、地質(zhì)編錄、取樣化驗等表格資料和勘探線剖面圖、中段地質(zhì)圖、地形地質(zhì)圖等圖件的編碼、錄入和數(shù)字化）。（4）按綜合照地質(zhì)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)模型的要求，初步建立了金川Ⅱ礦區(qū)的綜合地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，并對數(shù)據(jù)的缺失、重復(fù)、一致性等質(zhì)量問題進(jìn)行檢查、修正和補(bǔ)充。

考慮到Gocad軟件的設(shè)計要求和數(shù)據(jù)的冗余性以及參照完整性，我們采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫模式分成4個基本關(guān)聯(lián)表：地質(zhì)編碼表、樣品化驗分析表、鉆孔測斜表和鉆孔開孔表。（1）地質(zhì)編碼表存放巖性信息，基本字段包括鉆孔編號、巖性編碼、巖性描述等。（2）樣品化驗分析表存放樣品化驗數(shù)據(jù)，基本字段包括鉆孔編號、采用位置、采樣長度、分析結(jié)果等。（3）鉆孔測斜表存放鉆孔測斜信息，被用來計算鉆孔空間位置，基本字段包括鉆孔編號、勘探線號、深度、傾角、方位角。（4）鉆孔開孔表存放鉆孔的開孔信息，基本字段包括鉆孔編號、開孔位置（XYZ坐標(biāo)）、傾角、方位角、最大孔深和所屬報告名稱（表1）。

3 礦區(qū)三維建模

3.1 建模過程。根據(jù)建立的綜合地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，并綜合利用ArcGIS和Gocad軟件各自的優(yōu)勢來進(jìn)行地質(zhì)信息三維可視化建模，主要工作內(nèi)容包括：（1）單項工程的建立；（2）地質(zhì)體線串模型的建立；（3）地質(zhì)體外推與尖滅的處理；（4）地質(zhì)體線框模型的建立（圖1）。建立單項工程是根據(jù)項目要求，分析數(shù)據(jù)狀況、礦床特征等基礎(chǔ)資料來確定有助于我們實現(xiàn)建模目的的礦體、巖體、地層以及斷層等對象。地質(zhì)體線串模型的建立是在勘探線剖面上，在ArcGIS等軟件環(huán)境下利用人機(jī)交互的方式對地質(zhì)體的邊界進(jìn)行矢量化，進(jìn)而得到地質(zhì)體的線串模型。地質(zhì)體外推和尖滅，為了建立封閉礦體或地質(zhì)體的線框模型我們需要對礦體進(jìn)行外推和尖滅，就是在線框模型的開口處進(jìn)行封閉處理，建立封閉的線框模型，以滿足封閉體積計算和后續(xù)空間三維建模的需求。地質(zhì)體線框模型的建立是在地質(zhì)體線串模型的基礎(chǔ)上，由于二維地質(zhì)體線串模型是地質(zhì)體實際界限在該剖面或平面上的投影，所以對相同地質(zhì)體的線串模型按照剖面順序進(jìn)行連接就可以得到該地質(zhì)體線框模型。

3.2 金川Ⅱ礦區(qū)三維地質(zhì)體建模。根據(jù)《1972年白家咀子銅鎳礦第Ⅱ礦區(qū)地質(zhì)勘探儲量報告》中《甘肅省永昌縣白家咀子銅鎳礦2礦區(qū)2行-42行儲量計算地質(zhì)橫剖面圖》19張勘探線剖面圖以及《金川Ⅱ礦區(qū)1：2000剖面圖》中資料，總共確定金川Ⅱ礦區(qū)雙行中2-38行共19條勘探線的剖面圖。將TIF格式的剖面圖導(dǎo)入ArcGIS中，由于剖面圖包含了大量不同的地層、巖體、礦體、斷層等地質(zhì)體信息，我們則按照圖例以及編碼表分別建立相應(yīng)圖層，然后在圖層中進(jìn)行相應(yīng)邊界的矢量化，按勘探線編號以ArcGIS格式輸出數(shù)據(jù)。將不同勘探線上的shapefile文件按巖性圖層進(jìn)行歸納、整理，然后按照巖性圖層輸出成Gocad能夠識別的csv格式。在Gocad中將csv和pl文件導(dǎo)入，得到各個圖層的三維線串模型，以金川Ⅱ礦區(qū)超基性巖體線串模型為例。在Gocad中使用在側(cè)邊欄的Commands→Surface→New→From Curves中的命令依序連接線串模型。由于金川Ⅱ礦區(qū)兩端與Ⅰ礦區(qū)和Ⅲ礦區(qū)相連，那么只需要對Ⅱ礦區(qū)內(nèi)部沒有地質(zhì)斷面圖來描述其巖體消失的位置的地質(zhì)體的線串模型進(jìn)行外推與尖滅。

尖滅的處理原則：（a）巖體厚度≥2米<5米，外推25米或12.5米尖滅。（b）巖體厚度≥5米<20米，外推50米或25米尖滅。（c）巖體厚度≥20米<50米，按自然形態(tài)外推。但最大≯100米。（d）巖體厚度≥50米，按自然形態(tài)外推。外推距離視礦體厚度及變化情況而定。進(jìn)行外推與尖滅處理后，得到金川Ⅱ礦區(qū)超基性巖體線框模型（圖2）。

4 結(jié)束語

以金川Ⅱ礦區(qū)為例，介紹了地質(zhì)體三維建模的方法，并簡要描述了使用Gocad軟件進(jìn)行建模的步驟。通過使用Gocad軟件，可以使得地質(zhì)體模型實現(xiàn)了可視化，取得較好的效果，該方法具有較強(qiáng)的理論性和準(zhǔn)確性，而且操作簡單靈活，結(jié)論直觀生動，可以為接下來的礦化空間分析、成礦信息提取和隱伏礦體預(yù)測提供有力的參考。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：裴禾（1988-），男，湖南長沙人，碩士研究生，研究方向：GIS、地學(xué)三維建模和隱伏礦立體預(yù)測。

作者單位：中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長沙 410083