基于GOCAD的寧蕪盆地云臺山地區(qū)三維地質(zhì)建模

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(1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇南京210018； 2.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京100871)

基于GOCAD的寧蕪盆地云臺山地區(qū)三維地質(zhì)建模

趙增玉1,2，陳火根1，潘懋2，賈根1

(1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇南京210018； 2.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京100871)

闡述了利用GOCAD軟件進(jìn)行三維地質(zhì)模型構(gòu)建的思路及主要步驟，重點介紹其模擬地質(zhì)界面的3種主要方法。以寧蕪盆地云臺山地區(qū)為例，利用GOCAD模擬了該區(qū)地層、巖體及斷裂。在構(gòu)建地形、地層及構(gòu)造面時，利用剖面建模法以及離散光滑插值技術(shù)，快速構(gòu)建研究區(qū)的表面模型。由面模型向體模型轉(zhuǎn)化時，選用GOCAD的SGrid代替Solid功能，更加方便準(zhǔn)確地反應(yīng)了真實地質(zhì)情況。

GOCAD軟件；三維地質(zhì)模型；SGrid；云臺山；寧蕪盆地;江蘇；安徽

0 引 言

從20世紀(jì)80年代開始，各國學(xué)者(Carlson，1987；Houlding，1994；Wu et al，2005；Turner，2006)相繼進(jìn)行三維地質(zhì)建模理論與方法的研究，其中，三維空間數(shù)據(jù)模型是三維地質(zhì)建模的重要研究內(nèi)容，到目前為止，三維空間數(shù)據(jù)模型的種類達(dá)數(shù)十種，其中代表性的有30余種。一般地， 將三維空間數(shù)據(jù)模型分為基于面表示的數(shù)據(jù)模型、基于體表示的數(shù)據(jù)模型和混合數(shù)據(jù)模型(Gong et al, 2004)。如最為常見的規(guī)則網(wǎng)格(Grid)、不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)就是基于面表面的數(shù)據(jù)模型。

隨著三維地質(zhì)建模技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了很多非常實用的建模軟件，比較有影響的有GOCAD、Geomodeller3D、GSI3D、Earthvision、Vulcan、Micromine、GSIS、3Dgrid，其中，法國Nancy理工大學(xué)研發(fā)的GOCAD(Geological Object Computer Aided Design)發(fā)展較為成熟且應(yīng)用廣泛。近年來，我國很多專家學(xué)者將GOCAD應(yīng)用于石油、地質(zhì)災(zāi)害等領(lǐng)域，取得了良好效果。以寧蕪云臺山地區(qū)為例，利用GOCAD進(jìn)行研究區(qū)的三維地質(zhì)模型構(gòu)建。

1 GOCAD軟件概述

GOCAD地質(zhì)建模軟件是主要應(yīng)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，是國際上公認(rèn)的主流建模軟件，該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，表達(dá)空間幾何對象，也可建立實體模型，展現(xiàn)空間屬性分布，空間分析功能強(qiáng)大。三維地質(zhì)建模軟件實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)如下。

(1) 開發(fā)了針對地質(zhì)建模特點的空間插值算法——離散光滑插值算法(Discrete Smooth Interpolation, DSI)。DSI用一系列具有物體幾何與物理特性的相互連接的節(jié)點來模擬地質(zhì)體，用DSI方法模擬幾何與物理特性時，已知節(jié)點和地質(zhì)學(xué)中的典型信息將被轉(zhuǎn)化為線形約束，引入到模型生成的過程中。該方法基于圖形拓?fù)洌m用于構(gòu)建復(fù)雜模型和處理模型表面不連續(xù)的情況。DSI算法可自由選擇和自動調(diào)整格網(wǎng)模型，實時交互操作，能夠處理一些不確定的數(shù)據(jù)等特點，決定其在地質(zhì)建模和可視化中占有重要的位置(董梅等，2008；魏群等，2008；孫濤等，2011)。

(2) 實現(xiàn)Workflow半自動化建模，提供了構(gòu)造模型(Structural Modeling)建模和三維儲層?xùn)鸥衲Ｐ?3D Reservoir Grid Construction)建模。構(gòu)造建模可建立地質(zhì)體構(gòu)造模型，模擬地層面或斷層面的空間展布形態(tài)、位置和相互關(guān)系，同時，構(gòu)造建模還是地震勘探過程中地震反演的重要手段；三維儲層?xùn)鸥窠？筛鶕?jù)建立的構(gòu)造模型，將其轉(zhuǎn)換為實體模型，并可對地質(zhì)體內(nèi)部屬性(如品位)進(jìn)行計算和綜合分析，形成地質(zhì)體的屬性模型。

2 GOCAD模擬地質(zhì)界面的主要方法

地層、斷層建模是三維地質(zhì)建模最核心的部分，這些面存在于地質(zhì)體內(nèi)部，無法直接觀察到，GOCAD提供多種方法進(jìn)行地層、斷層的模擬。

2.1 鉆孔分層點建模

若研究區(qū)通過鉆孔等手段獲取了大量地質(zhì)信息，并且地層構(gòu)造簡單，無復(fù)雜地質(zhì)體，此時建立層面、構(gòu)造面模型相對簡單，只需將同一層面或結(jié)構(gòu)面上的數(shù)據(jù)以X、Y、Z的形式整理成文本文件并導(dǎo)入GOCAD，然后利用Surface—New—From PointSets命令生成層面或結(jié)構(gòu)面。這種建模方法自動化程度高，適用于簡單的工程地質(zhì)層建模，缺點是無法處理斷層。然而，在大多數(shù)情況下建模所需要的地質(zhì)信息是通過野外踏勘和少量工程獲得的，并且地質(zhì)背景復(fù)雜，無法直接通過鉆孔分層點建立全區(qū)的三維模型。

2.2 產(chǎn)狀建模

根據(jù)地層和構(gòu)造的地表行跡和產(chǎn)狀模擬地表以下較淺范圍內(nèi)的地質(zhì)體。GOCAD具體實現(xiàn)時，可將地層或構(gòu)造面產(chǎn)狀轉(zhuǎn)換為面的切向量。若X軸正向為東，Y軸正向為北，向上為Z方向，某層面傾向為α，傾角為β，則該層面切向量為X=cosβ·sinα，Y=cosβ·cosα，Z=-sinβ。根據(jù)層面的地表形跡以及切向量，可基本建立該層面的三維空間形態(tài)(圖1)。

圖1 根據(jù)層面產(chǎn)狀建模示例

圖1a為某層面或構(gòu)造面的地表形跡及其產(chǎn)狀，圖b為根據(jù)產(chǎn)狀建模后在三維視圖中的正北側(cè)視圖。首先，將地表Curve對象沿面切向量拉伸一定的距離得到一個面對象，即為該地層面的宏觀基本形態(tài)，該面對象與地表出露線及產(chǎn)狀一致。然后，根據(jù)鉆孔揭露的該層面或構(gòu)造面的位置，設(shè)置控制點，將面對象擬合到該控制點，得到目標(biāo)曲面，若其空間展布與地質(zhì)規(guī)律不矛盾，則可認(rèn)為該曲面可以模擬該地層面，既符合地表測量的產(chǎn)狀數(shù)據(jù)，又經(jīng)過鉆孔所控制的空間位置。重復(fù)以上過程，對每一個地層面、斷層面分別建模，就得到整個建模區(qū)域的巖性、構(gòu)造分布情況。

根據(jù)地質(zhì)圖產(chǎn)狀建模原理，可在層面產(chǎn)狀變化小、地質(zhì)背景簡單、建模精度要求不大的區(qū)域采用該方法建模較為快捷，并且該方法還經(jīng)常用于斷層三維模型的構(gòu)建。

2.3 剖面建模

利用GOCAD的CrossSection對象可以很方便地將鉆孔投影到自定義剖面上，基于剖面上的鉆孔分層信息，并結(jié)合地質(zhì)背景和地表出露情況，對剖面圖進(jìn)行人工解譯。首先確定1組用于生成剖面的鉆孔，然后執(zhí)行CrossSection—New—From Digitalized Polyline命令，在視圖中編輯自定義勘探線，使得勘探線盡可能地通過鉆孔，然后輸入要創(chuàng)建剖面的名稱，設(shè)置剖面的基本信息，如剖面延伸深度，即可生成自定義鉆孔剖面圖，且同時生成地表地質(zhì)界線與剖面的交點，根據(jù)鉆孔與地表出露情況，可解譯各地層、巖體、構(gòu)造在剖面上的走向，在剖面地質(zhì)解譯完成后，對象視圖中可以看到剖面在三維模型中的空間展布。

此外，剖面控制程度需要達(dá)到地質(zhì)建模所要求的精度，當(dāng)解譯完每個剖面后，通過GOCAD 中Surface—New—From Several Curves命令，選擇同一層面或構(gòu)造面的不同地質(zhì)界線，生成對應(yīng)層面或構(gòu)造面，即生成了各地層、構(gòu)造面的三維模型。在實際建模工作中，地層、構(gòu)造的交切關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜，這就需要對交切部位進(jìn)行面的局部調(diào)整。GOCAD具有強(qiáng)大的編輯功能，可以通過增加約束、局部DSI等命令，通過調(diào)整三角網(wǎng)的控制點來對曲面進(jìn)行局部編輯。同時，由于生成的地層或構(gòu)造面的范圍不一定與研究區(qū)范圍一致，因此，為了將所有地層、構(gòu)造約束在研究范圍內(nèi)，生成規(guī)則的三維模型，必須建立統(tǒng)一的約束，使地層、構(gòu)造三維模型限制在同一范圍內(nèi)。在GOCAD中選擇研究區(qū)域的邊界線，通過Surface—New—Built In Forms—Tube命令建立研究區(qū)邊界線的垂向切面，然后利用Tools—Border—Extend命令擴(kuò)展沒有靠近邊界面的層面或構(gòu)造面，利用Cut By Surfaces命令刪除超出邊界面的層面或構(gòu)造面三角網(wǎng)。

3 應(yīng)用實例

云臺山地區(qū)位于寧蕪盆地中段的東部區(qū)域，區(qū)內(nèi)主要礦種為黃鐵礦，包括鶯子山、云臺山、天臺山、富而崗、公雞山、母雞山等多個礦段，建模范圍面積約35 km2，深度為850 m。對區(qū)內(nèi)的主要地層、構(gòu)造、次火山巖體進(jìn)行三維空間展布分析，以進(jìn)一步探索三維立體填圖技術(shù)方法、成果表達(dá)方式等。

3.1 地形面模擬

云臺山地區(qū)目前有相應(yīng)的1∶1萬地理底圖資料，包括MapGIS等高線數(shù)據(jù)，但沒有高程屬性值，需要根據(jù)高程標(biāo)注進(jìn)行人工賦值，利用Section軟件(張燕飛等，2011；東海宇，2012)對云臺山等高線MapGIS數(shù)據(jù)進(jìn)行了高程賦值。然后將MapGIS等高線數(shù)據(jù)(*.wl)轉(zhuǎn)換為CAD格式(*.DXF)，接著導(dǎo)入GOCAD。

通過File—Important Objects—Cultural Data—DXF加載地形文件，GOCAD會自動分辨DXF中各圖層，并以不同文件名保存在Curve單元(PL文件)中，文件名一般與圖層名相同。勾選等高線所在的PL文件，在右側(cè)視圖窗口中查看三維等高線是否正確。然后在PointSet選項下，通過New—From PointsSet Curve or Surface命令將等高線離散，并生成PointSet的VS文件(圖2)。也可以通過MapGIS先將等高線離散，以X、Y、Z的坐標(biāo)形式保存在文本文檔或Excel等文件中，然后直接導(dǎo)入GOCAD生成VS文件。

圖2 云臺山地區(qū)地形離散點分布圖(Z×3)

GOCAD常用3種方法生成地形曲面：(1) 根據(jù)離散點分布形式在Curve中擬合地形邊界線，擬合的精度根據(jù)需要調(diào)整。然后在Surface中通過邊界線和離散點以相似三角(Homogeneous triangles)網(wǎng)格構(gòu)建曲面，即Surface—New—From PointsSet and Curve。這種方法直接通過原始點進(jìn)行地形三角網(wǎng)的構(gòu)建，沒有插值運(yùn)算，得出的地形模型較為粗糙。(2) 根據(jù)Wizard—Surface Creation—From Data(Without Internal Borders)向?qū)擅?，對于地形面與原始控制點吻合較差的區(qū)域可以通過增加相應(yīng)的控制點，再進(jìn)行局部光滑平順處理(DSI)，多次反復(fù)直到符合要求。具體方法為：選擇控制點及邊界線，通過Constrain All Borders On Straight Line將邊界線轉(zhuǎn)換為模糊控制點，引入插值方向，GOCAD會自動進(jìn)行DSI插值。(3) 根據(jù)離散點生成中間平面，再以離散點為該平面控制點，進(jìn)行DSI插值。

GOCAD既可以模擬三維地形面，也可以將地表出露的地層、構(gòu)造等信息賦予地形面，生成三維地形地質(zhì)面。云臺山地區(qū)地形面采用Wizard向?qū)е胁逯捣M，并將地表出露地層及構(gòu)造行跡投影到地形面(圖3)。

圖3 云臺山地區(qū)三維地形地質(zhì)圖(Z×3)

3.2 鉆孔的生成

鉆孔是三維地質(zhì)模型構(gòu)建的重要原始資料。在GOCAD中，垂直或傾斜鉆孔的加載方式與直井或斜井相同。但不同文件格式有不同的加載方法，在文本文件中，可以直接加載鉆孔名稱、鉆孔位置(X、Y、Z)、補(bǔ)芯海拔KB、孔深等信息。鉆孔生成后可以在其對應(yīng)的maker選項中加載或錄入分層、斷裂信息，如地層名稱、厚度、產(chǎn)狀等。

結(jié)合研究區(qū)不同礦段探礦工程的資料，加載了CK202，CK206，ZK1001等46個鉆孔，并且每個鉆孔都生成了相應(yīng)的maker，鉆孔三維空間分布見圖4。

圖4 鉆孔三維空間分布圖

同時，由于地形是等高線插值生成的，因此，鉆孔孔口位置與地形不一定吻合，這就需要根據(jù)鉆孔的孔口位置校正地形，GOCAD提供了點校正面的功能，即Constraints—Control Points—Set Control Points，可使鉆孔的孔口嚴(yán)格地與地形重合。

3.3 地層、斷層模擬

云臺山地區(qū)受方山—小丹陽、方山—南山等深大斷裂帶多期活動影響，地形地質(zhì)條件復(fù)雜。區(qū)內(nèi)地層由老到新為早中三疊世黃馬青組、早侏羅世鐘山組、中侏羅世北象山組沉積基底，晚侏羅世龍王山組和晚侏羅—早白堊世大王山組火山碎屑巖，早白堊世赤山組沉積碎屑巖。區(qū)內(nèi)基底褶皺為寧蕪向斜，其向斜東南翼發(fā)育次級褶皺。寧蕪斷陷盆地由于受多期構(gòu)造活動的影響，基底斷裂發(fā)育，主要有NNE、NE、NW 向3組，這些斷裂構(gòu)成了寧蕪斷陷盆地北段網(wǎng)格狀構(gòu)造輪廓，云臺山地區(qū)主要表現(xiàn)為北東向的2個大斷裂。

利用剖面建模方法建立了研究區(qū)的地層、斷層三維模型。首先建立11條貫穿研究區(qū)的北西向剖面，為彌補(bǔ)區(qū)調(diào)鉆孔深度的不足，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)背景，對各剖面進(jìn)行人機(jī)交互解譯，在解譯過程中，不僅要考慮到剖面上各鉆孔的實際分層及斷裂點情況，更要結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景，使每條剖面上的斷層、地層均符合區(qū)域構(gòu)造、地層的展布，只有這樣，建立的模型才更能直觀地反映地層構(gòu)造格架。

在正確解譯各剖面之后，先根據(jù)各剖面上的斷層軌跡，由線生成面，建立斷層面的三維模型，再根據(jù)各剖面解譯的地層界線，生成三維地層面，最后處理地層與斷層之間的交切關(guān)系，在地層面與斷面相交處，進(jìn)行面相交計算，切除多余地層，而在未相交處，對地層面進(jìn)行趨勢延伸計算，直至相交到斷層面上。對每個地層與斷層進(jìn)行交切處理后，建立圖5所示的云臺山結(jié)構(gòu)面三維模型。

圖5 云臺山結(jié)構(gòu)面三維模型

3.4 三維體模型創(chuàng)建

GOCAD可以通過SGrid(網(wǎng)格模型對象)和Solid(實體模型對象)2種方式建立三維體模型。其中，Solid地質(zhì)實體模型對象可通過點集、封閉曲面或單個面及厚度來創(chuàng)建，這就決定了若要通過Solid方式生成較為精確的模型，則需要足夠詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持，方法也較為復(fù)雜。SGrid是由六面體格子組成的單元集，確定地層分界面及網(wǎng)格密度后，GOCAD可以通過六面體單元“充填”兩層面間的地層，所有這些六面體單元組成SGrid。劃分的六面體單元越小，擬合效果越好，鋸齒現(xiàn)象越不明顯。此外，六面體單元的節(jié)點信息可以導(dǎo)出，有利于進(jìn)一步對地質(zhì)體進(jìn)行空間分析及數(shù)值模擬。因此，選用SGrid進(jìn)行三維體模型的構(gòu)建。

在Workflow中新建3D Reservoir Grid Builder，GOCAD將以向?qū)Ｊ桨胱詣踊⒛Ｐ?。主要步驟如下：(1) Select Horizons，確定模擬地層的范圍，單擊已經(jīng)建立好的最新地層頂面和最老地層底面。(2) 在Specify Gridding中，可以選擇自動、交互或已有模式計算網(wǎng)格(Gridding)和地層厚度(Pillars)，無特殊要求可以選擇自動計算。(3) Define Units，定義各中間地層，并按新老順序排列。(4) 最后在Build Grid中將三維網(wǎng)格細(xì)化，減少鋸齒，生成體模型。通過該方法生成的體模型每一個單元都有獨(dú)立的節(jié)點坐標(biāo)和屬性點，可賦予多個屬性值。云臺山地區(qū)的SGrid模型見圖6。

圖6 云臺山地區(qū)三維地質(zhì)模型

4 結(jié) 論

GOCAD是一款強(qiáng)大的地質(zhì)建模軟件。一方面可以識別多種數(shù)據(jù)來源，極大地簡化建模，而且在建模時能通過DSI插值技術(shù)建立表面模型，建立的三維模型更加逼近真實地質(zhì)體。另一方面，隨著研究的深入，常需要在地表、鉆孔或坑道中取樣進(jìn)行各種化學(xué)元素分析，把試驗所得數(shù)據(jù)以取樣點屬性的方式賦予三維模型中對應(yīng)鉆孔上，然后將有限的實驗數(shù)據(jù)通過GOCAD軟件提供的克里格插值法，即可得到對應(yīng)的屬性模型或變量圖，進(jìn)而進(jìn)行專項分析。

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3D geological modeling of Yuntaishan area in Ningwu Basin based on GOCAD software

ZHAOZeng-yu1,2,CHENHuo-gen1,PANMao2,JIAGen1

(1. Geological Survey of Jiangsu Province, Nanjing 210018, China; 2. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China)

The authors illustrated the ideas and main steps of constructing 3D geological models based on GOCAD with focuses on threes main methods simulating the geological surfaces. Taking Yuntaishan area in Nanjing-Wuhu Basin for example, the strata, the rock mass and the fault of the area were simulated by using GOCAD software. Surface model was finished based on cross-section and Discrete Smooth Interpolation technology (DSI). By choosing the function of SGrid instead of the function of Solid when changing from surface model to volume model, it showed the real geological condition more conveniently and accurately.

GOCAD software; 3D geological model; SGrid; Yuntaishan; Ningwu (Nanjing-Wuhu) Basin; Jiangsu; Anhui

10.3969/j.issn.1674-3636.2014.04.652

2014-03-19；

：2014-05-07；編輯：陸李萍

趙增玉(1984— )，女，工程師，博士，構(gòu)造地質(zhì)學(xué)專業(yè)，主要從事地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評價工作，E-mail：zengyu1206@163.com

P628

：A

：1674-3636(2014)04-0652-05