基于地質(zhì)剖面構(gòu)建三維地質(zhì)模型的方法研究

吳志春，郭福生，姜勇彪，羅建群，侯曼青

(1.東華理工大學(xué) 放射性地質(zhì)與勘探技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330013；2.東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，江西南昌 330013；3.東華理工大學(xué) 江西省數(shù)字國土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330013)

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基于地質(zhì)剖面構(gòu)建三維地質(zhì)模型的方法研究

吳志春1,2,3，郭福生2，姜勇彪2，羅建群1,2,3，侯曼青1,2,3

(1.東華理工大學(xué) 放射性地質(zhì)與勘探技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330013；2.東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，江西南昌 330013；3.東華理工大學(xué) 江西省數(shù)字國土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330013)

地質(zhì)剖面是三維地質(zhì)建模的重要數(shù)據(jù)源，運(yùn)用地質(zhì)剖面構(gòu)建三維地質(zhì)模型的方法應(yīng)用較為廣泛。在模型構(gòu)建之前，統(tǒng)一確定模數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系和比例尺，建立原始資料數(shù)據(jù)庫。構(gòu)建三維地質(zhì)模型的關(guān)鍵是不同地質(zhì)界面。本文詳細(xì)介紹了模型邊界面、斷層面、地層界面、巖體界面等4種主要地質(zhì)界面的構(gòu)建流程與方法，尤其對褶皺構(gòu)造、地層界面的斷層效應(yīng)、復(fù)雜巖體界面等的構(gòu)建進(jìn)行了重點(diǎn)闡述。按模型邊界面(模型的底界面和四周邊界面)、DEM面、斷層面、其他地質(zhì)界面的順序依次構(gòu)建地質(zhì)界面，構(gòu)建斷層面和其他地質(zhì)界面時(shí)嚴(yán)格按先新后老的順序。運(yùn)用已構(gòu)建好的地質(zhì)界面按先新后老的順序逐個(gè)、依次建立單個(gè)地質(zhì)體，再將所有地質(zhì)體的面模型組合成整個(gè)模型的面模型。通過對面模型進(jìn)行網(wǎng)格(實(shí)體)填充和對網(wǎng)格賦予相應(yīng)的屬性值，最終構(gòu)建三維地質(zhì)模型。

三維地質(zhì)建模 地質(zhì)剖面 GOCAD軟件 面模型 實(shí)體模型

0 引言

三維地質(zhì)建模(3D Geological Modeling, 3DGM)是指運(yùn)用現(xiàn)代空間信息理論和技術(shù)，在計(jì)算機(jī)中建立能反映地質(zhì)空間內(nèi)部結(jié)構(gòu)與各要素之間的關(guān)系及其物理、化學(xué)屬性的空間分布等地質(zhì)特征的數(shù)學(xué)模型，對地質(zhì)空間及相關(guān)的人類工程活動(dòng)進(jìn)行真三維再現(xiàn)和分析的科學(xué)與技術(shù)(Houlding，1994)。剖面數(shù)據(jù)在地質(zhì)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，他能夠呈現(xiàn)豐富的地質(zhì)信息，剖面數(shù)據(jù)本身包含了真實(shí)可靠的已知地質(zhì)信息，又結(jié)合了地質(zhì)專家的經(jīng)驗(yàn)，一系列的剖面可以一定程度上刻畫復(fù)雜地質(zhì)體的三維空間展布情況(明鏡等，2009)，地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)理所當(dāng)然的成為三維地質(zhì)建模的主要數(shù)據(jù)源之一。根據(jù)建模數(shù)據(jù)源的不同，建模方法可以分為基于野外地質(zhì)數(shù)據(jù)、基于剖面、基于離散點(diǎn)、基于鉆孔、基于多源數(shù)據(jù)等建模方法(潘懋等，2007)。自從上個(gè)世紀(jì)70年代三維地質(zhì)建模的提出及應(yīng)用以來，運(yùn)用地質(zhì)剖面構(gòu)建三維地質(zhì)模型的應(yīng)用與研究從未間斷(Keppel，1975；Tipper，1976；Tipper，1977；Herbertetal.，1995；Lemonetal.，2003；屈紅剛，2006；屈紅剛等，2008；鄧飛等，2009；陳建平等，2014；薛林福等，2014；王國燦等，2015)。根據(jù)剖面的類型和剖面之間的相互關(guān)系，可以進(jìn)一步將基于剖面建模的方法細(xì)分成基于平行剖面(鄧飛等，2009；薛林福等，2014)、基于交叉剖面(陳建平等，2014)、基于折剖面(屈紅剛，2006；屈紅剛等，2008)、基于路線剖面(王國燦等，2015)等方法。

三維地質(zhì)模型的構(gòu)建，以地質(zhì)界面的構(gòu)建最為關(guān)鍵，復(fù)雜地質(zhì)界面的構(gòu)建決定了模型構(gòu)建的成敗。2012年2月，中國地質(zhì)調(diào)查局在重要造山帶、重要成礦帶與礦集區(qū)、重要經(jīng)濟(jì)區(qū)和城市群等地區(qū)啟動(dòng)了13個(gè)深部三維地質(zhì)調(diào)查試點(diǎn)項(xiàng)目，分層次構(gòu)建了25個(gè)不同尺度的三維地質(zhì)模型?！跋嗌交鹕脚璧厝S地質(zhì)調(diào)查”項(xiàng)目是其試點(diǎn)項(xiàng)目之一，重點(diǎn)探索礦集區(qū)大、中比例尺的三維地質(zhì)調(diào)查方法。在相山火山盆地內(nèi)，運(yùn)用GOCAD軟件依次構(gòu)建了陀上幅三維地質(zhì)模型、鄒家山礦床三維模型、沙洲礦床三維模型、鄒家山—居隆庵三維地質(zhì)模型和相山火山盆地三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型5個(gè)不同范圍、不同數(shù)據(jù)源的模型。陀上幅三維地質(zhì)模型運(yùn)用數(shù)字地質(zhì)填圖獲取的野外路線PRB數(shù)據(jù)直接構(gòu)建淺地表三維地質(zhì)模型，其余4個(gè)模型都是采用基于地質(zhì)剖面的方法進(jìn)行構(gòu)建的。在GOCAD軟件為平臺上，地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)為主要建模數(shù)據(jù)，本文詳細(xì)介紹不同地質(zhì)界面的構(gòu)建方法，著重解決褶皺構(gòu)造、地層的斷層效應(yīng)、構(gòu)建復(fù)雜巖體界面等難點(diǎn)問題。

1 建模流程

以法國南西大學(xué)開發(fā)的GOCAD軟件為平臺，基于地質(zhì)剖面構(gòu)建三維地質(zhì)模型的流程主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理及數(shù)據(jù)錄入、地質(zhì)界面的構(gòu)建、面模型的構(gòu)建和實(shí)體模型的構(gòu)建4個(gè)部分(圖1)。模型可以分為面模型、實(shí)體模型和混合模型3類(吳立新等，2003；Gongetal.，2004；Wu，2004)。面模型構(gòu)建的關(guān)鍵是不同地質(zhì)界面的構(gòu)建，對已經(jīng)構(gòu)建好的地質(zhì)界面按地質(zhì)體先新后老的順序依次、逐個(gè)構(gòu)建面模型，再將單個(gè)地質(zhì)體的面模型合并成整個(gè)建模區(qū)的面模型。實(shí)體模型的構(gòu)建可以通過對面模型進(jìn)行網(wǎng)格(實(shí)體)填充和對網(wǎng)格賦予相應(yīng)的屬性值來實(shí)現(xiàn)，賦予了屬性值的實(shí)體模型也稱為屬性模型。因此，在三維地質(zhì)建模過程中不同地質(zhì)界面的構(gòu)建最為關(guān)鍵，尤其是復(fù)雜地質(zhì)界面的構(gòu)建。

圖1 地質(zhì)剖面建模流程圖Fig.1 Flow chart of building 3D model based on geological sections

2 數(shù)據(jù)預(yù)處理及數(shù)據(jù)錄入

2.1 統(tǒng)一坐標(biāo)系及比例尺

三維地質(zhì)建模是在地質(zhì)體空間結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，建立可供展示、編輯、計(jì)算與輸出于一體的數(shù)據(jù)模型。在建模之前需要構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)庫，建模數(shù)據(jù)源具有多源性，各數(shù)據(jù)所采用的坐標(biāo)系和比例尺各不相同，為了建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，需要將原始資料的坐標(biāo)系和比例尺進(jìn)行統(tǒng)一。

在GOCAD軟件中新建工程時(shí)，先要將數(shù)據(jù)庫單位設(shè)置成米，深度軸(Z軸)的正值修改為“向上”(默認(rèn)值為“向下”)，也就是Z軸與海拔一致，向上數(shù)值增大，向下數(shù)值減小。設(shè)置后，GOCAD軟件中的坐標(biāo)與地質(zhì)圖坐標(biāo)一致，Y軸為正北，X軸為正東，Z軸為垂直向上。

在國內(nèi)，地形圖、地質(zhì)圖、勘探線剖面圖等地質(zhì)圖件多采用投影平面直角坐標(biāo)系，也可見少量圖件采用地理坐標(biāo)系。在地理坐標(biāo)系中的1″約等于20m～30m，如果在數(shù)據(jù)庫中地理坐標(biāo)系與投影平面直角坐標(biāo)保持相同精度，錄入數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)至少需要多保留一位小數(shù)。

地理坐標(biāo)系的精度明顯要低于投影平面直角坐標(biāo)系坐標(biāo)的精度。為了降低主要數(shù)據(jù)的投影變換而導(dǎo)致的精度降低，系統(tǒng)坐標(biāo)應(yīng)采用投影平面直角坐標(biāo)系。為了便于數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)數(shù)據(jù)的管理和水平比例尺與Z軸比例尺保持一致，系統(tǒng)比例尺設(shè)置為1:1000，單位為米，橢球參數(shù)為北京54或西安80，投影分帶為3°帶。

2.2 矢量數(shù)據(jù)錄入

把矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入GOCAD軟件，可以簡單概括為以下3個(gè)步驟：

(1)統(tǒng)一投影參數(shù)和比例尺。為建模所收集的數(shù)據(jù)中，存在不同的比例尺、不同的坐標(biāo)系類型和不同的投影橢球參數(shù)。為了便于數(shù)據(jù)的使用和管理，將所有數(shù)據(jù)投影變換成統(tǒng)一的比例尺(1:1000)，統(tǒng)一的坐標(biāo)系(投影平面直角坐標(biāo)系)，統(tǒng)一的橢球參數(shù)(北京54坐標(biāo)系或西安80坐標(biāo)系，投影分帶為3°帶)。

(2)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。由于GOCAD軟件不能直接讀取WP、WL、WT等格式的圖件數(shù)據(jù)，因此先將圖件的格式統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成軟件能夠識別的DXF格式，以便GOCAD軟件讀取。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中，需按圖層分別進(jìn)行，不能將圖層合并后再轉(zhuǎn)換。

(3)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入及錯(cuò)誤檢查。將DXF格式數(shù)據(jù)按圖層分別導(dǎo)入GOCAD軟件，導(dǎo)入后對數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)誤檢查，將錯(cuò)誤消除在模型構(gòu)建之前。

2.3 柵格數(shù)據(jù)錄入

建模柵格數(shù)據(jù)主要是一些紙質(zhì)掃描圖件及軟件導(dǎo)出的JPG、TIF等格式的圖片，如MT反演圖、CSAMT反演圖、地質(zhì)圖、遙感影像圖、勘探線剖面圖、中段平面圖等。柵格數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)的主要步驟有：

(1)柵格圖件的幾何校正，讀取圖片四個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)。因掃描儀的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，掃描圖像存在一定程度的扭曲和旋轉(zhuǎn)變形。圖像幾何校正的目的是消除變形和給圖像賦予地理參數(shù)(劉善偉等，2009)。在MAPGIS軟件中進(jìn)行幾何校正的主要步驟有：1)將JPG、TIF等格式圖片轉(zhuǎn)換成MSI格式；2)在“投影變換”模塊中生成與圖片內(nèi)容相一致的圖框；3)運(yùn)用生成的圖框，在“圖像處理”模塊中對圖像進(jìn)行逐格網(wǎng)幾何校正。校正后的MSI格式圖像裁剪成矩形狀，讀取矩形圖像四個(gè)角點(diǎn)的坐標(biāo)，并將平面坐標(biāo)換算成三維(X、Y、Z)坐標(biāo)，將矩形圖片轉(zhuǎn)換成TIF格式。

(2)柵格圖片導(dǎo)入GOCAD軟件。將矩形TIF格式圖片導(dǎo)入GOCAD軟件，導(dǎo)入后的圖片位于Voxet圖層中。在Voxet菜單中，運(yùn)用“運(yùn)用角點(diǎn)坐標(biāo)校正圖像”功能對導(dǎo)入的圖片進(jìn)行校正，在“坐標(biāo)設(shè)置”對話框中分別輸入對應(yīng)的角點(diǎn)坐標(biāo)值即可。

(3)紋理貼圖。地質(zhì)圖和遙感影像圖導(dǎo)入GOCAD軟件后依然是平面圖件，將這些圖件設(shè)置成地表高程模型(Digital Elevation Model, DEM)面的紋理，則可以進(jìn)行三維顯示。

2.4 文本數(shù)據(jù)錄入

許多數(shù)據(jù)可以以文本格式的形式錄入系統(tǒng)，如散點(diǎn)數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)等。鉆孔錄入之前，先將鉆孔數(shù)據(jù)在excel表格中整理成鉆孔測斜表、鉆孔位置表、鉆孔巖性表、鉆孔曲線表等4個(gè)表格，表格中的內(nèi)容只能用數(shù)字和英文字母表述，不能有漢字和特殊符號，再將excel表格轉(zhuǎn)換成文本文件。鉆孔數(shù)據(jù)嚴(yán)格按照鉆孔測斜表、鉆孔位置表、鉆孔巖性表、鉆孔曲線表4個(gè)表格的先后順序依次錄入

3 地質(zhì)界面的構(gòu)建

基于地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)模型的構(gòu)建，需要構(gòu)建的面分為模型的邊界面、DEM面、第四系界面、斷層面、地層界面、巖體界面和俘虜體界面等7種不同類型的面。在面的構(gòu)建過程中應(yīng)遵循模型邊界面、DEM面、斷層面、其他地質(zhì)界面的先后順序進(jìn)行構(gòu)建，斷層面和其他地質(zhì)界面的構(gòu)建嚴(yán)格按先新后老的順序構(gòu)建，并且構(gòu)建的面要比實(shí)際稍大些。其中DEM面、第四系界面和俘虜體界面的構(gòu)建方法，筆者在“基于PRB數(shù)據(jù)構(gòu)建三維地質(zhì)模型的技術(shù)方法研究”(吳志春等，2015)一文中進(jìn)行了詳細(xì)闡述，在此不再贅述。

3.1 模型的邊界面

在MAPGIS軟件中繪制模型的邊界線，確保繪制的邊界線與要構(gòu)建的模型范圍完全一致。模型的邊界線可以是地質(zhì)圖的矩形內(nèi)圖框，也可以是任意的形狀，只要是完全密閉的線。在MAPGIS軟件中將WL格式的模型邊界線轉(zhuǎn)換成DXF格式，導(dǎo)入GOCAD軟件。在GOCAD軟件構(gòu)造建模流程(Structural Modeling Workflow，SMW)模塊中，運(yùn)用“根據(jù)線生成模型邊界面”的功能，設(shè)置模型的深度和高度后自動(dòng)生成模型的邊界面。

生成的模型邊界面之間能夠完全拼接，邊界面中的三角網(wǎng)大小相同，且相鄰兩個(gè)邊界面的相交部位的節(jié)點(diǎn)空間位置完成一致。這便于后期面模型的組合，降低了面模型組合過程中的錯(cuò)誤率。

3.2 斷層面

系統(tǒng)分析建模區(qū)內(nèi)各斷層的性質(zhì)及新老關(guān)系，按先新后老的順序構(gòu)建。對數(shù)據(jù)庫中的斷層點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類，將同一條斷層的數(shù)據(jù)放在同一個(gè)組(Group)中。斷層面的構(gòu)建可以歸納為以下4個(gè)步驟：

(1)斷層線數(shù)據(jù)預(yù)處理。矢量化剖面中的斷層線，矢量化過程中節(jié)點(diǎn)可以適當(dāng)稀疏，矢量化后將同一條斷層的線合并成同一文件，并對所有斷層線中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加密，以保證每條斷層線中節(jié)點(diǎn)之間的間距基本一致(圖2a)。導(dǎo)入斷層所對應(yīng)的鉆孔和地表數(shù)據(jù)(圖2b)。將斷層線的兩端按趨勢延長一小段距離(圖2c)，目的是確保所構(gòu)建的斷層面比實(shí)際斷層面稍大。

(2)根據(jù)剖面中的斷層線生成斷層面。運(yùn)用軟件中“線生成面”的功能，連接同一斷層的相鄰斷層線，構(gòu)建出一個(gè)初始斷層面(圖2d)。在連接時(shí)，相鄰斷層線之間可以等間距插入數(shù)條斷層線(插入的線數(shù)量可以人工設(shè)置)，用以彌補(bǔ)斷層數(shù)據(jù)的不足。在斷層走向上對生成的斷層面按趨勢延伸處理(圖2e)。

(3)在SMW中重新生成斷層面。將上一步驟生成的初始斷層面的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換成點(diǎn)數(shù)據(jù)，并設(shè)置其屬性為斷層。在SMW中重新生成效果更好的斷層面，使生成的面能夠符合建模要求(圖2f)。

(4)原始斷層數(shù)據(jù)約束斷層面。將剖面中的原始斷層線(兩端未延長的斷層線)、地表斷層軌跡線和鉆孔中的斷層數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換成點(diǎn)數(shù)據(jù)，并將這些點(diǎn)數(shù)據(jù)合并成一個(gè)文件。以這些點(diǎn)數(shù)據(jù)作為控制點(diǎn)(Control point)，運(yùn)用“約束(Constraints)”和“離散光滑插值(DSI)”功能進(jìn)行約束、插值擬合處理，處理后的斷層面達(dá)到吻合、平滑過渡、逼真模擬的效果(圖2g)。去除斷層線延長部分的斷層面，保留原始斷層線范圍的斷層面，保留部分的斷層面就是需要構(gòu)建的斷層面(圖2h)。

圖2 斷層面構(gòu)建流程及效果圖Fig.2 Flow chart of building fault planes and expected results

3.3 地層界面

3.3.1 褶皺

當(dāng)?shù)貙赢a(chǎn)狀變化不大，且未有斷層切割時(shí)，地層面的構(gòu)建方法與斷層面的構(gòu)建方法相一致。當(dāng)?shù)貙赢a(chǎn)狀變化較大時(shí)，例如褶皺構(gòu)造，此時(shí)無法在SMW中直接構(gòu)建地層界面。褶皺構(gòu)造的構(gòu)建需遵循以下4個(gè)步驟：

(1)地質(zhì)界線數(shù)據(jù)預(yù)處理。矢量化剖面中的地質(zhì)界線(圖3a)，導(dǎo)入地表地質(zhì)界線(圖3b)。根據(jù)褶皺形態(tài)，將剖面中的地質(zhì)界線補(bǔ)充完整(圖3c)，反映出褶皺形態(tài)。

(2)設(shè)置線之間的連接方向。當(dāng)?shù)刭|(zhì)界面產(chǎn)狀變化較大時(shí)，運(yùn)用“連接線生成面”的功能生成的地質(zhì)界面與實(shí)際地質(zhì)界面差異較大，尤其是褶皺的核部部位。運(yùn)用“節(jié)點(diǎn)連接”(Node link)功能將相鄰地質(zhì)界線進(jìn)行合理相連，節(jié)點(diǎn)連接的作用是生成面時(shí)將對應(yīng)的兩點(diǎn)進(jìn)行連接，圖4為未運(yùn)用“節(jié)點(diǎn)連接”功能(圖4a)與運(yùn)用“節(jié)點(diǎn)連接”功能(圖4b)生成的面效果對比圖。在相鄰地質(zhì)界線的褶皺核部都設(shè)置“節(jié)點(diǎn)連接”功能(圖3d)。

(3)根據(jù)剖面中的地質(zhì)界線生成地質(zhì)界面。運(yùn)用“連接線生成面”的功能，依次連接相鄰地質(zhì)界線。在連接線時(shí)，可以在相鄰地質(zhì)界線之間內(nèi)插數(shù)條地質(zhì)界線，使生成的地質(zhì)界面更加平滑過渡。

(4)剖面的地質(zhì)界線和地表地質(zhì)界線約束地質(zhì)界面。運(yùn)用原始剖面中的地質(zhì)界線和地表地質(zhì)界線對已經(jīng)建立的地質(zhì)界面進(jìn)行約束處理。運(yùn)用“約束(Constraints)”和“離散光滑插值(DSI)”功能進(jìn)行約束、插值擬合處理，以達(dá)到吻合、平滑過渡、逼真模擬的效果(圖3e)。用地表DEM面裁剪已經(jīng)構(gòu)建好的地質(zhì)界面，去除地表面以上的地質(zhì)界面，保留地表面以下的地質(zhì)界面(圖3f)。

圖3 褶皺構(gòu)造構(gòu)建流程及效果圖Fig.3 Flow chart of building fold structures and expected results

圖4 運(yùn)用與未運(yùn)用“節(jié)點(diǎn)連接”生成的面效果對比圖Fig.4 Comparison of generated planes using and not using “node link”method

3.3.2 地層斷層效應(yīng)

當(dāng)斷層切穿整個(gè)地層面時(shí)(圖5a～圖5b)，斷層兩側(cè)的地層界面分別構(gòu)建。對斷層兩側(cè)的地質(zhì)界線進(jìn)行延長處理，斷層兩側(cè)的地質(zhì)界線均穿過斷層面(圖5c)，使構(gòu)建好的地層面均穿過斷層面(圖5d～圖5e)。用斷層面裁剪斷層兩側(cè)的地層面，去除多余部分的地層面(圖5f)，并對裁剪邊界線進(jìn)行優(yōu)化處理。

圖5 斷層切穿地層面時(shí)地層界面構(gòu)建流程及效果圖Fig.5 Flow chart of building interface with a fault cutting through formation interface and results expected

當(dāng)斷層只切穿地層面的局部且斷層兩側(cè)發(fā)生明顯位移時(shí)(圖6a～圖6b)，該情況下的地層面的構(gòu)建方法與斷層面切穿整個(gè)地層面時(shí)的構(gòu)建方法不同。此種情況下，地層界面的構(gòu)建步驟具體如下：

(1)地層界線數(shù)據(jù)處理。矢量化地層界線，將斷層兩盤被錯(cuò)斷的同一地層界線順勢相連。將原始地質(zhì)界線中的節(jié)點(diǎn)設(shè)置為控制節(jié)點(diǎn)(Control node)，對連接后的地質(zhì)界線進(jìn)行平滑處理，斷層兩側(cè)的局部地質(zhì)界線能夠平滑過渡(圖6c)。

(2)構(gòu)建地層界面。用“連接線生成面”的方法將上述處理后的地層界線生成一個(gè)初始地層面，將初始地層面中的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換成點(diǎn)數(shù)據(jù)。在SMW中用點(diǎn)數(shù)據(jù)再次生成更為平滑的地層界面(圖6d)。

(3)斷層面切割地層界面，設(shè)置約束條件。用斷層面切割地層界面，對斷層切割地層面后產(chǎn)生的兩條邊界設(shè)置約束，目的是使這兩條地層邊界線始終緊靠斷層面，并對這兩條邊界線進(jìn)行優(yōu)化處理，讓邊界線旁的三角網(wǎng)自動(dòng)調(diào)整大小，消除因斷層面切割地層面后產(chǎn)生的“壞”三角網(wǎng)格。用原始地層界線(未進(jìn)行處理的地層界線)對切割后的地層面進(jìn)行約束，同時(shí)對地層面的四周邊界進(jìn)行邊界約束，確保地層面的大小不發(fā)生改變，只讓邊界上的節(jié)點(diǎn)在Z軸方向上移動(dòng)。圖6e為約束設(shè)置后的效果圖。

(4)DSI處理。對設(shè)置約束后的地層面進(jìn)行DSI處理，執(zhí)行DSI處理后，斷層兩盤的地層面將會(huì)自動(dòng)發(fā)生位移，并達(dá)到與地層原始界線完全吻合的效果(圖6f)，且地層面的范圍不發(fā)生改變。

3.4 巖體界面

3.4.1 簡單巖體

在剖面資料中，巖體邊界線的數(shù)量是非常有限的，單憑少量的邊界線無法準(zhǔn)確構(gòu)建巖體界面。因此需要增加大量輔助線，將輔助線和巖體邊界線共同作為建模數(shù)據(jù)。制作輔助線時(shí)要嚴(yán)格受已有地質(zhì)數(shù)據(jù)的約束，且要符合實(shí)際地質(zhì)情況。以下為簡單巖體界面的構(gòu)建方法：

圖6 斷層未完全切穿地層面時(shí)地層界面構(gòu)建流程及效果圖Fig.6 Flow chart of building interface with a fault not completely cutting through formation interface and results expected

(1)提取巖體邊界地質(zhì)界線與水平面的交點(diǎn)。矢量化剖面中的巖體邊界線(圖7a)，并生成一個(gè)涵蓋整個(gè)巖體邊界線的水平面，再連續(xù)調(diào)整高程值生成一系列不同高程的水平面(圖7b)。提取各水平面與邊界線的交點(diǎn)(圖7c)。在邊界線變化較大的部位，適當(dāng)減小兩水平面之間的間距，增加水平面的數(shù)量。

(2)生成不同高程的地質(zhì)界線。將上一步驟提取的相同高程的交點(diǎn)用輔助線相連接，也可以用自動(dòng)生成包絡(luò)線的方式讓封閉的線將點(diǎn)相連接，生成一系列水平狀態(tài)的封閉曲線(圖7d)。將線中與交點(diǎn)相對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)置為控制節(jié)點(diǎn)，加密線中的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行DSI處理，得到各水平面上的巖體邊界線。

(3)生成巖體界面。依據(jù)各水平面上的邊界線，運(yùn)用“連接線生成面”的功能生成巖體界面(圖7f)。運(yùn)用該功能時(shí)，要按高程依序選擇邊界線，并可自動(dòng)適當(dāng)?shù)氐乳g距插入一些線。

(4)約束、平滑巖體界面。將剖面中的原始巖體邊界線合并成一個(gè)文件，以它們的節(jié)點(diǎn)作為控制點(diǎn)對巖體界面進(jìn)行約束、平滑處理。約束過程中始終要以離控制點(diǎn)最近的三角網(wǎng)節(jié)點(diǎn)作為拉伸對象，當(dāng)三角網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與控制點(diǎn)位置達(dá)到一致后平滑過程會(huì)自動(dòng)調(diào)整其它節(jié)點(diǎn)，使整個(gè)巖體界面呈平滑過渡狀態(tài)(圖7g)。把巖體界面、DEM面和底界面組合在一起生成巖體的面模型(圖7h)。

圖7 構(gòu)建簡單巖體地質(zhì)界面的流程及效果圖Fig.7 Flow chart of building simple rock mass interface and results expected ①-提取巖體地質(zhì)界線與水平面的交點(diǎn)；②-生成不同高程的地質(zhì)界線；③-生成巖體界面①-extraction of intersection points between rock mass boundaries and horizontal plane; ②-generation of geological boundaries of different elevations; ③-generation of interface of rock mass

3.4.2 復(fù)雜巖體

具有分枝的巖體界面無法一次性構(gòu)建完成，需要將復(fù)雜巖體細(xì)分成數(shù)個(gè)較簡單的巖體分別進(jìn)行構(gòu)建，再將簡單的巖體界面組合成復(fù)雜的巖體界面，該種建模方法與理念也適用于其他復(fù)雜地質(zhì)界面的構(gòu)建。復(fù)雜巖體界面具體構(gòu)建方法如下：

(1)復(fù)雜巖體簡化成數(shù)個(gè)簡單巖體。矢量化剖面中的巖體界線(圖8a)。對復(fù)雜巖體進(jìn)行綜合分析，將復(fù)雜的巖體簡化成數(shù)個(gè)較簡單的巖體。對單個(gè)簡單巖體的地質(zhì)界線進(jìn)行簡單處理(圖8b)，使建立的單個(gè)簡單巖體范圍比實(shí)際稍大些。

圖8 構(gòu)建復(fù)雜巖體地質(zhì)界面的流程及效果圖Fig.8 Flow chart of building complex rock mass geological interface and results expected

(2)逐個(gè)構(gòu)建單個(gè)簡單巖體界面。單個(gè)簡單巖體界面的構(gòu)建方法與上文簡單巖體的構(gòu)建方法相一致。當(dāng)單個(gè)巖體延伸方向不與Z軸方向一致時(shí)，構(gòu)建的平面應(yīng)垂直于巖體延伸方向。提取巖體邊界線與平面的交點(diǎn)，根據(jù)交點(diǎn)數(shù)據(jù)和運(yùn)用DSI技術(shù)構(gòu)建不同平面(交面)上的地質(zhì)界線。當(dāng)巖體邊界地質(zhì)界線變化較大時(shí)，應(yīng)增加平面數(shù)量。在不同平面上的地質(zhì)界線連接成巖體地質(zhì)界面之前，沿巖體邊界地質(zhì)界線增加一系列的節(jié)點(diǎn)連接，控制相鄰地質(zhì)界線的連接方向，使生成的地質(zhì)界面與巖體邊界地質(zhì)界線相吻合。對生成的單個(gè)簡單巖體地質(zhì)界面進(jìn)行約束、DSI處理，使生成的地質(zhì)界面與已知地質(zhì)數(shù)據(jù)相吻合，且平滑過渡(圖8c～圖8e)。

(3)組合已構(gòu)建的單個(gè)巖體地質(zhì)界面。將所有已構(gòu)建好的巖體地質(zhì)界面進(jìn)行互相裁剪，去除多余部分的地質(zhì)界面(圖8f～圖8h)。所有去除了多余部分地質(zhì)界面的巖體界面合并成同一個(gè)文件，并對該文件中的所有面塊合并成一個(gè)面塊。運(yùn)用“新建區(qū)域(region)”的功能對簡單巖體之間的接觸部位創(chuàng)建工作區(qū)，對區(qū)域范圍內(nèi)的地質(zhì)面進(jìn)行平滑處理，使簡單巖體之間的接觸界面能夠平滑過渡(圖8i)，其它范圍的地質(zhì)界面不發(fā)生改變。運(yùn)用模型邊界面(DEM面、底界面、四周邊界面)對已經(jīng)處理好的巖體界面進(jìn)行裁剪處理，去除模型邊界面之外的地質(zhì)界面，保留范圍內(nèi)的巖體地質(zhì)界面(圖8j)。

4 三維地質(zhì)模型的構(gòu)建

4.1 面模型的構(gòu)建

以模型邊界面(模型的底界面和四周邊界面)、DEM面、斷層面、第四系界面、地層界面、巖體界面、殘留頂蓋界面和俘虜體界面等面構(gòu)建模型的面模型。構(gòu)建面模型時(shí)，遵循地質(zhì)體先新后老的順序逐個(gè)、依次進(jìn)行構(gòu)建，對構(gòu)建好的地質(zhì)體進(jìn)行剝離，剩余的模型不斷簡化。通過已構(gòu)建的面，對每個(gè)獨(dú)立的地質(zhì)體構(gòu)建一個(gè)Model 3D模型。

地質(zhì)體Model 3D的構(gòu)建過程，其實(shí)是對已經(jīng)構(gòu)建的地質(zhì)界面再一次進(jìn)行檢查的過程。如果構(gòu)建單個(gè)地質(zhì)體的Model 3D過程能夠順利完成，則說明組合成該地質(zhì)體的所有地質(zhì)界面能夠完全密封，且單個(gè)地質(zhì)界面也無錯(cuò)誤。如果單個(gè)地質(zhì)體的Model 3D不能構(gòu)建完成，則組合成該地質(zhì)體的地質(zhì)界面存在錯(cuò)誤，出現(xiàn)錯(cuò)誤的位置會(huì)自動(dòng)用不同顏色的線標(biāo)注，存在錯(cuò)誤的可能是：①地質(zhì)界面之間不能完全密封；②地質(zhì)界面中存在漏洞；③相鄰地質(zhì)界面中的三角網(wǎng)格相差過于懸殊；④地質(zhì)界面中存在“壞”三角網(wǎng)。前兩種錯(cuò)誤，可以對不密閉的面進(jìn)行邊界延伸和對面中的三角網(wǎng)進(jìn)行刪除、合并、轉(zhuǎn)換等處理來解決，或者對地質(zhì)界面進(jìn)行重新構(gòu)建建。第三種錯(cuò)誤，加密三角網(wǎng)密度更稀疏的面的三角網(wǎng)。第四種錯(cuò)誤，對地質(zhì)界面進(jìn)行優(yōu)化、平滑處理，或者找出面中“壞”三角網(wǎng)直接刪除。

在生成Model 3D模型過程中，如果模型范圍大、建模單元多、地質(zhì)體數(shù)量多、地質(zhì)體穿插關(guān)系復(fù)雜，可以先將模型劃分成數(shù)個(gè)更小的模型。生成單個(gè)地質(zhì)體的Model 3D模型之后，將該地質(zhì)體封閉的地質(zhì)界面從Model 3D模型中分離并獨(dú)立保存，修改地質(zhì)體界面的顏色，形成了單個(gè)地質(zhì)體的面模型。模型中所有地質(zhì)體的面模型構(gòu)建完成之后，重新組合成整個(gè)模型的面模型。圖9為相山火山盆地三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)面模型。

面模型具有數(shù)據(jù)量小、精度高、美觀性好等優(yōu)點(diǎn)。模型不但可以對整個(gè)模型進(jìn)行不同角度、不同距離的三維展示，觀察地質(zhì)體之間的穿插關(guān)系，而且可以有針對性地選擇單個(gè)或多個(gè)地質(zhì)體進(jìn)行三維呈現(xiàn)，了解單個(gè)地質(zhì)體的三維展布形態(tài)、多個(gè)地質(zhì)體之間的空間接觸關(guān)系。也可以對地質(zhì)體進(jìn)行不同程度的透明顯示，透過外部的地質(zhì)體觀察里面的地質(zhì)體。

4.2 實(shí)體模型的構(gòu)建

面模型是用地質(zhì)界面對地質(zhì)體進(jìn)行密閉包裹的模型，重點(diǎn)顯示地質(zhì)體的邊界輪廓，而不能體現(xiàn)單個(gè)地質(zhì)體內(nèi)部屬性的變化，而實(shí)體(網(wǎng)格)模型重點(diǎn)呈現(xiàn)模型內(nèi)部屬性特征，因此實(shí)體模型也常稱之為屬性模型。通過對面模型網(wǎng)格充填和賦予屬性值來構(gòu)建實(shí)體模型，但實(shí)體模型要轉(zhuǎn)變成面模型較為困難，因此在構(gòu)建面模型之后構(gòu)建實(shí)體模型。

在GOCAD軟件中，實(shí)體模型(Sgrid模型)就是用帶了屬性值的立方體或網(wǎng)格將整個(gè)模型填充，不同的屬性值通過不同的顏色來呈現(xiàn)(圖10)，實(shí)體模型的數(shù)據(jù)量大，對計(jì)算機(jī)硬件要求高。實(shí)體模型中的網(wǎng)格越小，實(shí)體模型中的地質(zhì)體邊界與面模型中的地質(zhì)體邊界越接近，實(shí)體模型的數(shù)據(jù)量越大，對計(jì)算機(jī)的硬件要求越高。

在實(shí)體模型進(jìn)行賦屬性之前，應(yīng)創(chuàng)建與屬性值對應(yīng)的屬性表，屬性表中可以包含屬性編號、建模單元、地質(zhì)體代號、顏色、花紋等信息，屬性表中的所有信息都是通過屬性編號進(jìn)行鏈接，也可以單獨(dú)創(chuàng)建元素含量、巖石密度等屬性表信息。通過面模型、單個(gè)地質(zhì)界面、地質(zhì)界線、離散點(diǎn)創(chuàng)建區(qū)域(region)的方式對實(shí)體模型中的網(wǎng)格進(jìn)行賦屬性值，也可以創(chuàng)建不同屬性名的方式對同一個(gè)網(wǎng)格賦予不同的屬性值。實(shí)體模型可以進(jìn)行任意剖切，也可以對模型中的屬性值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與計(jì)算，這是三維地質(zhì)模型進(jìn)行控礦因素定量分析、深部成礦預(yù)測的前提。

圖9 相山火山盆地三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)面模型Fig.9 3D geological structural planar model of Xiangshan volcanic basin 1-第四系殘坡積物; 2-上白堊統(tǒng)紅層; 3-下白堊統(tǒng)鵝湖嶺組碎斑熔巖; 4-鵝湖嶺期火山通道; 5-下白堊統(tǒng)打鼓頂組流紋英安巖;6-下泥盆統(tǒng)云山組砂巖; 7-青白口系上施組千枚巖; 8-青白口系庫里組片巖; 9-青白口系神山組千枚巖; 10-早白堊世二長花崗斑 巖; 11-早泥盆世二長花崗巖; 12-斷層1-Quaternary residual-slope wash materials; 2-Upper Cretaceous red bed formation; 3-crushed lava of the lower Cretaceous Ehuling formation; 4-conduit of Ehuling period; 5-rhyodacite of the Lower Cretaceous Daguding formation; 6-sandstone of the Lower Devonian Yushan formation; 7-phyllite of the Qingbaikouan system Shangshi formation; 8-schist of the Qingbaikouan system Kuli formation; 9-phyllite of the Shenshan system Shangshi formation；10-Early Cretaceous monzonite granitic porphyry; 11-Early Cretaceous monzonite granite; 12-fault

圖10 相山火山盆地三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)體模型切片顯示Fig.10 Slice display of 3D geological structural entity model for Xiangshan volcanic basin 1-第四系殘坡積物; 2-上白堊統(tǒng)紅層; 3-下白堊統(tǒng)鵝湖嶺組碎斑熔巖; 4-鵝湖嶺期火山通道; 5-下白堊統(tǒng)打鼓頂組流紋英安巖;6-下泥盆統(tǒng)云山組砂巖;7-青白口系上施組千枚巖;8-青白口系庫里組片巖;9-青白口系神山組千枚巖;10-早白堊世二長花崗斑 巖;11-早泥盆世二長花崗巖;12-斷層1-Quaternary residual-slope wash materials;2-Upper Cretaceous red bed formation;3-crushed Lava of the lower Cretaceous Ehuling formation;4-conduit of Ehuling period;5-rhyodacite of the Lower Cretaceous Daguding formation;6-sandstone of the Lower Devonian Yushan formation;7-phyllite of the Qingbaikouan system Shangshi formation;8-schist of the Qingbaikouan system Kuli formation;9-phyllite of the Shenshan sys-tem Shangshi formation；10-Early Cretaceous monzonite granitic porphyry;11-Early Cretaceous monzonite granite;12-fault

5 結(jié)論

在模型構(gòu)建之前，統(tǒng)一各建模數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系和比例尺，建立原始資料數(shù)據(jù)庫。為了便于各數(shù)據(jù)比例尺的統(tǒng)一和數(shù)據(jù)庫中坐標(biāo)的讀取與管理，建議數(shù)據(jù)庫比例尺設(shè)置為1:1000，單位為米，橢球參數(shù)為北京54或西安80，投影分帶為3°帶。

構(gòu)建三維地質(zhì)模型的難點(diǎn)是不同地質(zhì)界面的構(gòu)建，尤其是復(fù)雜地質(zhì)界面的構(gòu)建。本文詳細(xì)介紹了模型邊界面、斷層面、地層界面、巖體界面等4種不同主要地質(zhì)界面的構(gòu)建方法，對褶皺構(gòu)造、地層的斷層效應(yīng)、復(fù)雜巖體界面的構(gòu)建進(jìn)行了重點(diǎn)闡述。在褶皺核部增加“節(jié)點(diǎn)連接”的方式，控制相鄰剖面地質(zhì)界線的連接方向，運(yùn)用“連接線生成面”的方法構(gòu)建地質(zhì)界面。斷層切穿整個(gè)地層界面時(shí)，斷層兩側(cè)的地層界面應(yīng)分別進(jìn)行構(gòu)建。斷層只切割地層面的局部時(shí)，將斷層兩側(cè)的剖面地質(zhì)界線順勢相連，在SMW中構(gòu)建一個(gè)初始地層面。運(yùn)用斷層面切割初始地層面，將斷層面、初始剖面地質(zhì)界線、地層面四周邊界線作為該地層面的約束條件，約束后對該面進(jìn)行DSI處理。將復(fù)雜巖體簡化成數(shù)個(gè)相對簡單的巖體，再對單個(gè)簡單巖體界面進(jìn)行逐個(gè)構(gòu)建，將建好的所有簡單巖體界面進(jìn)行合并，并對簡單巖體之間的拼接部位進(jìn)行局部平滑處理，使簡單巖體界面之間的接觸部位能夠平滑過渡。單個(gè)簡單巖體界面的構(gòu)建，首先構(gòu)建一系列垂直于巖體延伸方向的平面，巖體變化大的部位適當(dāng)增加平面，然后提取剖面地質(zhì)界線與平面的交點(diǎn)，生成不同平面上交點(diǎn)的包絡(luò)線，對包絡(luò)線進(jìn)行DSI處理構(gòu)建不同平面上的地質(zhì)界線，最后根據(jù)不同平面上的地質(zhì)界線生成巖體地質(zhì)界面。

運(yùn)用已構(gòu)建好的地質(zhì)界面按先新后老的順序依次、逐個(gè)構(gòu)建單個(gè)地質(zhì)體面模型，最后將所有單個(gè)地質(zhì)體面模型重新組合成模型的面模型。通過對面模型網(wǎng)格(實(shí)體)填充和對賦予相應(yīng)的屬性值來構(gòu)建實(shí)體模型，賦予了屬性值的實(shí)體模型也稱為屬性模型，實(shí)體模型具有可以任意剖切、屬性值統(tǒng)計(jì)分析、深部成礦預(yù)測等功能。

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王國燦,徐義賢,陳旭軍,郭紀(jì)盛,郁軍建,龔一鳴,肖 龍,劉修國,花衛(wèi)華.2015.基于地表地質(zhì)調(diào)查剖面網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的復(fù)雜造山帶三維地質(zhì)調(diào)查與建模方法[J]. 地球科學(xué)—中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào),40(3):397-406

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吳志春,郭福生,鄭 翔,張洋洋,羅建群,侯曼青.2015.基于PRB數(shù)據(jù)構(gòu)建三維地質(zhì)模型的技術(shù)方法研究[J]. 地質(zhì)學(xué)報(bào),89(7):1318-1330

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Methods of Three-dimension Geological Modeling Based on Geological Sections

WU Zhi-chun1,2,3，GUO Fu-sheng2，JIANG Yong-biao2，LUO Jian-qun1,2,3，HOU Man-qing1,2,3

(1.FundamentalScienceonRadioactiveGeologyandExplorationTechnologyLaboratory,EastChinaInstituteofTechnology,Nanchang,Jiangxi330013；2.CollegeofEarthSciences,EastChinaInstituteofTechnology,Nanchang,Jiangxi330013,;3.JiangxiProvinceKeyLabforDigitalLand,EastChinaInstituteofTechnology,Nanchang,Jiangxi330013)

Geological section data is an important data source of 3D geological modeling. The method using geological sections has been widely applied to construction of three-dimensional geological models. Before building a model, a unified coordinate system and scale of each modeling data are chosen to establish original database. Building different geological interfaces is the key to construct a 3D geological model. This paper introduces the building process and method of the four main geological interfaces, i.e. boundary surface, fault plane, formation interface and rock mass interface, especially expounding the building of the fold structure, fault effect of strata interface and the complex rock mass body. According to the sequence of boundary surfaces (around the bottom interface and the boundary interfaces), DEM surface and fault plane on the surface of the other geological interfaces, all geological interfaces are constructed in turn. The building of the fault plane and other geological interfaces should strictly follow the order of the old first and the new next. This principle is also applicable for building 2D geological units or planar models using the interfaces constructed already. Then all the 2D geological units are integrated into the whole 2D model. Finally filling the 2D model grids (entity) and assigning all the grids with the corresponding attributes yield the final 3D geological model.

3D geological modeling, geological section, GOCAD software, planar model, entity model

2015-10-31；

2016-01-28；[責(zé)任編輯]陳偉軍。

中國地質(zhì)調(diào)查局工作項(xiàng)目(1212011120836; 1212011220248)、江西省贛鄱英才555工程領(lǐng)軍人才項(xiàng)目、放射性地質(zhì)與勘探技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(RGET1305)、江西省數(shù)字國土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(DLLJ201614)聯(lián)合資助。

吳志春(1986年—),男,碩士,講師,主要從事多元地學(xué)數(shù)據(jù)融合與成礦預(yù)測教學(xué)與研究。E-mail:wuzhch_ecit@163.com。

P623

A

0495-5331(2016)02-0363-13

Wu Zhi-chun, Guo Fu-sheng, Jiang Yong-biao, Luo Jian-qun, Hou Man-qing. Methods of three-dimensional geological modeling based on geological sections [J]. Geology and Exploation, 2016, 52(2):0363-0375