基于多元數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)建模研究

楊波，胡海風(fēng)，趙鵬飛，萬秋，王義梅

（安徽省地質(zhì)調(diào)查院， 安徽 合肥 230001）

0 引言

三維地質(zhì)建模這一概念最早由加拿大學(xué)者Houlding于1994年提出,他指出三維地質(zhì)建模是用三維數(shù)據(jù)模型,包括鉆孔數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)、體元數(shù)據(jù)以及三維格網(wǎng)數(shù)據(jù)等為數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)流，來對地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述[1]。傳統(tǒng)的地質(zhì)成果表達(dá)被限定在二維平面內(nèi)，往往導(dǎo)致二維信息表達(dá)三維信息時存在缺失，已越來越難以滿足地質(zhì)工作的需求。地質(zhì)體的三維可視化展示，不僅能夠滿足地質(zhì)專家對空間數(shù)據(jù)的視覺需求，促進(jìn)專業(yè)人員之間對于地質(zhì)認(rèn)識的思想交流，同時也為計算機(jī)三維地質(zhì)分析、評價提供研究數(shù)據(jù)。

目前，三維地質(zhì)建模已廣泛應(yīng)用于地下水資源利用與管理、土地資源利用、城市地下空間利用與決策、礦產(chǎn)資源儲量估算、找礦預(yù)測等領(lǐng)域。加拿大地質(zhì)調(diào)查局（Canada Geological Survey）將三維地質(zhì)建模技術(shù)應(yīng)用于地下水資源的研究，利用模型分析了其鹽度和水位的變化，取得了顯著的成效；英國地質(zhì)調(diào)查局針對不同尺度和范圍分別進(jìn)行三維地質(zhì)建模研究，包括全國1∶100萬區(qū)域地質(zhì)模型、威爾德（Weald）1∶25萬區(qū)域地質(zhì)模型以及英格蘭東部的安格利亞（Anglia）地區(qū)1∶5萬地質(zhì)模型；中國地調(diào)局自2012年起實施一批三維地質(zhì)調(diào)查試點項目，在重要造山帶、重要成礦區(qū)帶與礦集區(qū)、重要經(jīng)濟(jì)區(qū)和城市群三類典型地區(qū)分層次部署三維地質(zhì)調(diào)查研究工作，取得了豐富的實踐經(jīng)驗與科研成果。

雖然三維地質(zhì)建模技術(shù)已得到較廣泛應(yīng)用，但模型可信度仍是制約其應(yīng)用的瓶頸之一[2]。如何改進(jìn)建模技術(shù)方法，充分利用多元數(shù)據(jù)及專家經(jīng)驗進(jìn)行綜合解譯與聯(lián)合約束，提高與模型可信度，仍需要開展深入研究。本次工作針對上述問題，開展以地質(zhì)、物探為主的多元數(shù)據(jù)聯(lián)合建模研究，取得了較好效果。

1 建模主要問題

1.1 模型可信度

真實準(zhǔn)確是模型質(zhì)量評價的最重要因素，也是建模面臨的主要問題。從當(dāng)前三維建模技術(shù)來看，三維地質(zhì)模型都是通過“模擬”的方式反映真實的地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)及地質(zhì)體關(guān)系，是一種與真實地質(zhì)情況相似，但經(jīng)過簡化，更易處理，更易理解的研究對象。這里的“模擬”具體來說有兩層含義：

第一，三維地質(zhì)建模形成的地質(zhì)模型只是根據(jù)少量準(zhǔn)確的實測數(shù)據(jù)，結(jié)合經(jīng)驗認(rèn)識建立的模擬結(jié)果，并不能完全重現(xiàn)絕對真實的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。模型中不同部分具有不同的置信程度，越靠近實測數(shù)據(jù)的地方，模型置信度越高，反之則越低。

第二，三維地質(zhì)建模成果應(yīng)當(dāng)盡可能接近真實地質(zhì)情況，反映真實的地質(zhì)規(guī)律。但因地下地質(zhì)探測技術(shù)方法的局限性，地質(zhì)認(rèn)識的不全面性，需利用多種技術(shù)手段，有針對性的開展調(diào)查，充分發(fā)揮各項技術(shù)優(yōu)勢，形成多樣化、可對比的調(diào)查成果進(jìn)行綜合研究。減少數(shù)據(jù)不確定性，避免地質(zhì)認(rèn)識偏差，從建模數(shù)據(jù)源頭提供真實性保障。

1.2 模型精度

模型精度是建模過程中所需考慮的主要問題，直接影響模型應(yīng)用效果。影響三維地質(zhì)模型精度的因素較多，但主要的有三點：一是地質(zhì)認(rèn)識一致性；二是數(shù)據(jù)質(zhì)量控制；三是建模技術(shù)方法。

同一區(qū)域不同來源地質(zhì)資料時常會因調(diào)查方法、經(jīng)驗水平、工作程度等因素導(dǎo)致認(rèn)識不一致，因此建模過程中首先需形成建模單元劃分標(biāo)準(zhǔn)，理清不同層級建模單元間年代、巖性對應(yīng)關(guān)系。以此為依據(jù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，對比數(shù)據(jù)不吻合之處，結(jié)合相關(guān)調(diào)查資料進(jìn)行修訂，保證各類數(shù)據(jù)在重疊區(qū)域基本一致，數(shù)據(jù)質(zhì)量符合建模要求。運用多元數(shù)據(jù)聯(lián)合建模技術(shù)，對異構(gòu)數(shù)據(jù)綜合處理、分類應(yīng)用，以多種方式對地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束，控制建模精度。

2 多元數(shù)據(jù)聯(lián)合建模研究

2.1 多元數(shù)據(jù)綜合處理

建模數(shù)據(jù)來源于以往研究成果以及針對不同地質(zhì)問題，選取合適技術(shù)方法開展的綜合調(diào)查：以重磁二-三維反演，解決侵入體的形態(tài)、埋深以及構(gòu)造問題；以AMT二維剖面測量及2D-3D反演技術(shù)，解決層狀界面、侵入體形態(tài)、褶皺與斷裂深部變化問題；對地質(zhì)斷面層、塊結(jié)構(gòu)的合理性進(jìn)行分析，獲得區(qū)域三維磁性、密度、電性模型；對覆蓋區(qū)、隱伏區(qū)開展深穿透地球化學(xué)測量、鉆孔巖石地球化學(xué)測量，獲取深部成礦信息等。以淺部地質(zhì)調(diào)查為先驗約束，結(jié)合深部物探、化探等手段，獲取豐富、多樣化的深部地質(zhì)數(shù)據(jù)信息。

建模數(shù)據(jù)雖來源廣泛，但最終還需結(jié)合地質(zhì)認(rèn)識進(jìn)行統(tǒng)一解釋、表達(dá)。以綜合解譯地質(zhì)剖面為例，首先通過野外地質(zhì)調(diào)查、已有研究資料與經(jīng)驗認(rèn)識形成初始地質(zhì)調(diào)查剖面等資料，為物化探解釋提供依據(jù)，再結(jié)合重、磁、ATM等探測數(shù)據(jù)，進(jìn)行多次二、三維聯(lián)合反演解譯，形成基于地質(zhì)認(rèn)識的綜合解譯剖面。最終以綜合地質(zhì)剖面為框架，多專業(yè)調(diào)查資料為脈絡(luò)構(gòu)建建模數(shù)據(jù)源，控制區(qū)內(nèi)主要地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

2.2 多元數(shù)據(jù)分類應(yīng)用

模型構(gòu)建過程中所用數(shù)據(jù)既可以是矢量圖、鉆孔屬性信息，也可以是對地質(zhì)現(xiàn)象或過程研究所形成的概念性圖文資料，還可以是由函數(shù)方程所形成的統(tǒng)計模型或?qū)傩詳?shù)據(jù)模型。數(shù)據(jù)根據(jù)使用方式可分為建模數(shù)據(jù)與概念模型兩大類，也可稱之為數(shù)據(jù)驅(qū)動與經(jīng)驗驅(qū)動。

圖1 綜合地質(zhì)剖面形成示意圖Fig.1 Comprehensive geological profileforming sketch

建模數(shù)據(jù)主要為符合建模技術(shù)方法要求的各類成果資料，如：平面地質(zhì)圖、地質(zhì)剖面圖、鉆孔信息、DEM、構(gòu)造巖體推斷分布圖等，能夠?qū)肴S建模系統(tǒng)中，成為模型構(gòu)建的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，控制地質(zhì)實體模型形態(tài)、范圍、接觸關(guān)系等。

概念模型一般不直接參與建模，而是指導(dǎo)建模人員更準(zhǔn)確的認(rèn)知區(qū)內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)，使構(gòu)建的模型更為貼合實際地質(zhì)情況。概念模型可從傳統(tǒng)的地質(zhì)認(rèn)識、地質(zhì)描述信息中抽象獲取，如地質(zhì)背景、成礦規(guī)律等，還可以通過綜合調(diào)查研究成果進(jìn)行總結(jié)，提取建模所需相關(guān)要素，形成以二、三維圖形表達(dá)的直觀地質(zhì)認(rèn)識，如：成礦模式圖、三維密度反演、磁性體三維反演、物性層分界面等。通過直觀、易理解的成果表達(dá)搭建起地質(zhì)、物探、計算機(jī)等專業(yè)人員間溝通的橋梁。

2.3 多元數(shù)據(jù)融合建模

參與建模數(shù)據(jù)可根據(jù)描述對象性質(zhì)，劃分為空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩大類?？臻g數(shù)據(jù)指用于表示對象空間位置和空間形態(tài)的數(shù)據(jù)，如帶空間信息的鉆孔軌跡線、地質(zhì)界線、構(gòu)造斷層線等。屬性數(shù)據(jù)是用于記錄對象非空間信息的數(shù)據(jù)，如剖面中地質(zhì)面巖性名稱、采樣點的樣品測試值以及構(gòu)造斷層的名稱、性質(zhì)等。

空間數(shù)據(jù)根據(jù)空間維度可抽象為點、線、多邊形和面數(shù)據(jù)。點數(shù)據(jù)代表一維的空間對象，如采樣點、鉆孔孔口位置等；線、多邊形、面數(shù)據(jù)表示二維空間對象，如斷層線、地質(zhì)體界線、地質(zhì)面等。多邊形與面是對線的拓?fù)湟?，在二維空間中表達(dá)了一個特定的封閉區(qū)域。

建模數(shù)據(jù)通過空間、屬性的劃分，轉(zhuǎn)化為以點、線、多邊形、面及屬性的數(shù)據(jù)表達(dá)方式，形成統(tǒng)一數(shù)據(jù)類型、統(tǒng)一空間參照、統(tǒng)一屬性結(jié)構(gòu)的規(guī)范化數(shù)據(jù)，解決了各類數(shù)據(jù)異構(gòu)問題，實現(xiàn)多元數(shù)據(jù)的無縫結(jié)合與使用。

2.4 方法適用性分析

相對于僅依靠鉆孔、剖面數(shù)據(jù)建模，多元數(shù)據(jù)聯(lián)合建模通過數(shù)據(jù)間相互比對，綜合解譯，減少了地質(zhì)調(diào)查的不確定性，使模型數(shù)據(jù)基礎(chǔ)更為可靠。多來源數(shù)據(jù)根據(jù)其技術(shù)方法特點，能形成豐富的成果資料，提供更準(zhǔn)確、多樣化的建模指導(dǎo)。開展多層次的人機(jī)交互，同時應(yīng)用數(shù)據(jù)、經(jīng)驗雙重驅(qū)動建模，可較好的提升模型質(zhì)量與精度。但需注意的是，應(yīng)用該方法往往會產(chǎn)生工作量增加，數(shù)據(jù)處理難度加大，建模難度提高的情況。因此建模前應(yīng)以適用為準(zhǔn)則，分析模型應(yīng)用目的、可用數(shù)據(jù)源類型、數(shù)據(jù)處理技術(shù)方法等因素，選擇合適技術(shù)路線與工作流程，盡可能降低工作難度。

3 應(yīng)用實例

3.1 研究區(qū)地質(zhì)概況

銅陵礦集區(qū)內(nèi)出露最老地層為志留系，除缺失下、中泥盆統(tǒng)外，從志留系至第四系層序齊全，發(fā)育較為完整，累計厚度在6000m以上，其中碳酸鹽巖層最為發(fā)育，累計厚度可達(dá)1500m以上。典型的控礦巖石建造組合為碳酸鹽巖+泥質(zhì)巖（硅質(zhì)巖）建造。

區(qū)內(nèi)構(gòu)造格局由多期不同方向、不同性質(zhì)的構(gòu)造變形相互疊加而成，除存在前印支期和印支期構(gòu)造外，還發(fā)育有燕山--喜山期構(gòu)造，主要構(gòu)造有北東向、東西向、北北東向，南北向和北西向五組。以北東向展布的印支褶皺帶為主導(dǎo)，北東、北西向及北北東向斷裂斜貫全區(qū)，其間又橫亙著近東西構(gòu)造片斷。

區(qū)內(nèi)巖漿巖活動強(qiáng)烈，廣泛發(fā)育燕山期中酸性侵入巖。侵入巖明顯受東西向銅陵—戴家匯基底斷裂帶和區(qū)域北東向構(gòu)造控制，表層小巖體多受北西近南北向斷裂控制。巖體展布與區(qū)域性地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)，從北西到南東其巖性由單一趨于復(fù)雜，在單一向斜，背斜附近以石英閃長巖為主，巖性、形態(tài)均簡單，到復(fù)式向斜附近以閃長巖和輝石閃長巖為主，巖性、形態(tài)均復(fù)雜；在背斜地帶巖體分布雖較零星，但巖石種類繁多，其巖性形態(tài)及其復(fù)雜。

3.2 模型構(gòu)建

銅陵深部礦調(diào)項目基于區(qū)內(nèi)以往地質(zhì)調(diào)查研究成果，針對巖漿活動強(qiáng)烈，地質(zhì)構(gòu)造情況復(fù)雜的情況，開展大比例尺補(bǔ)充勘查，結(jié)合區(qū)域重、磁、AMT、化探等多種探測手段，對深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面、深入的調(diào)查與綜合研究，獲取了豐富數(shù)據(jù)信息。模型采用基于多元數(shù)據(jù)的平行剖面法構(gòu)建，以均勻分布的25條綜合解譯平行地質(zhì)剖面為主體框架，結(jié)合DEM、區(qū)域地質(zhì)圖、深部鉆孔、構(gòu)造斷層、物性3D反演模型等多類數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)節(jié)控制，加入綜合地質(zhì)調(diào)查研究認(rèn)識，對地質(zhì)體形態(tài)、空間分布、接觸關(guān)系等進(jìn)行合理推斷。通過多層次人機(jī)交互，將實測數(shù)據(jù)與地質(zhì)專家經(jīng)驗完整的綜合與表達(dá)，構(gòu)建、控制復(fù)雜地質(zhì)體模型邊界線、外表面及實體。同時基于模型分塊、分區(qū)建模、模型切割和模型局部更新等思符合要求。建模過程中應(yīng)盡可能地利用多源數(shù)據(jù)對地質(zhì)情況進(jìn)行深入的綜合研究，聯(lián)合解譯，進(jìn)一步提高地質(zhì)認(rèn)識程度與數(shù)據(jù)一致性，使模型在數(shù)據(jù)與經(jīng)驗雙重驅(qū)動下，能夠更為準(zhǔn)確的反映當(dāng)前地質(zhì)認(rèn)識。想，降低了復(fù)雜地質(zhì)模型的構(gòu)建難度，提高了建模工作效率。

圖2 銅陵礦集區(qū)三維地質(zhì)模型Fig.2 3D geological model for the Tongling ore concentration area

基于多元數(shù)據(jù)構(gòu)建的地質(zhì)模型，地層、巖體、構(gòu)造斷層之間一致性良好，且與深部鉆孔實測數(shù)據(jù)基本吻合；巖體分布范圍、形態(tài)基本符合物探3D反演約束；模型成礦層位與礦體分布符合成礦規(guī)律研究認(rèn)識；模型整體上符合已有地質(zhì)資料約束，較準(zhǔn)確的反映了當(dāng)前地質(zhì)認(rèn)識。

4 總結(jié)

三維地質(zhì)建模過程中需充分考慮建模數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、地質(zhì)認(rèn)識程度、建模方法、建模人員素質(zhì)、模型概化程度等因素對模型質(zhì)量的影響。但最關(guān)鍵、最根本性的問題還在于地質(zhì)認(rèn)識是否全面，數(shù)據(jù)精度是否

圖3 銅陵礦集區(qū)三維地質(zhì)柵欄圖Fig.3 3D geological fence diagram of the Tongling ore concentration area

[1]明鏡. 三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模系統(tǒng)及關(guān)鍵建模方法研究[D]. 北京：北京大學(xué)， 2010.

[2]潘懋,方裕,屈紅剛. 三維地質(zhì)建模若干基本問題探討 [J]. 地理與地理信息科學(xué)， 2007,23(3):1～5.

[3]陳國良,朱良峰,劉修國.三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模中交叉剖面一致性檢校方法 [J].信陽師范學(xué)院學(xué)報: 自然科學(xué)版，2009 22(7):406～409.

[4]祁光,慶田,嚴(yán)加永，等. 基于先驗信息約束的三維地質(zhì)建模:以廬樅礦集區(qū)為例 [J]. 地質(zhì)學(xué)報,2014(4):466～477.

[5]郁軍建,王國燦,徐義賢，等.復(fù)雜造山帶地區(qū)三維地質(zhì)填圖中深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)的約束方法：西準(zhǔn)噶爾克拉瑪依后山地區(qū)三維地質(zhì)填圖實踐 [J]. 地球科學(xué)-中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報， 2015 40(3):407～418.

[6]曹炳霞,王前進(jìn). 三維地質(zhì)建模精度的影響因素研究[J]. 礦山測量,2015，(1):45～48.

[7]朱良峰,吳信才.三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型精度評估理論與誤差修正方法研究[J].地學(xué)前緣,2009,16(4).

[8]張思科,倪晉宇,高萬里，等. 三維地質(zhì)建模技術(shù)方法研究-以東昆侖造山帶為例[J]. 地質(zhì)力學(xué)學(xué)報，2009,15(2):201～207.