蒙其古爾鈾礦床三維地質(zhì)模型構(gòu)建及應(yīng)用

張浩浩，李旭

（核工業(yè)二一六大隊，新疆 烏魯木齊 830011）

三維地質(zhì)建模技術(shù)是在20世紀80年代中期隨著計算機數(shù)據(jù)處理、圖像顯示等多項技術(shù)的發(fā)展，在三維處理環(huán)境下，將空間信息、地質(zhì)解釋、地學(xué)統(tǒng)計以及圖形可視化結(jié)合起來，是一門新興的前緣技術(shù)，集地質(zhì)勘探、數(shù)學(xué)地質(zhì)、地球物理等學(xué)科交叉而成的，是對研究的地質(zhì)空間對象，進行全信息數(shù)字化的綜合描述和可視化表達［1-3］。

蒙其古爾鈾礦床是伊犁盆地南緣鈾礦田的重要組成部分，是層間氧化帶型可地浸砂巖型鈾礦的典型代表。該礦床具有開采成本低、易出、礦量大等優(yōu)點，勘探開發(fā)以鉆孔工程控制為主，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，砂體、層間氧化帶、礦體的空間位置難以觀察分析，不易控制。三維建模技術(shù)可以將地質(zhì)空間對象進行全信息數(shù)字化綜合描述和可視化綜合表達，在三維虛擬地質(zhì)環(huán)境中，讓勘查技術(shù)人員能夠直觀地理解地下復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，進行深入的礦床地質(zhì)分析和成礦預(yù)測分析，便于礦山開采部門直接進行三維礦山設(shè)計，制定生產(chǎn)計劃，從而在新的高度上支撐礦產(chǎn)勘查、開發(fā)的信息化和智能化［4-5］。

1 礦床概況

蒙其古爾鈾礦床位于伊犁盆地南緣中部礦集區(qū)，發(fā)現(xiàn)于20世紀50年代中期，按照統(tǒng)一部署、分段勘查、開發(fā)銜接的要求，歷經(jīng)23年的勘查與開發(fā)，落實了一個開發(fā)效益良好的超大型可地浸砂巖型鈾礦床。

研究區(qū)位于伊犁盆地南部斜坡帶以東構(gòu)造相對活動區(qū)，次級構(gòu)造單元位于扎吉斯坦向斜東南翼，礦床夾持于控盆F1斷裂和F3斷裂之間，中生代地層呈向北東傾斜的單斜產(chǎn)出，產(chǎn)狀相對平緩［6-7］。研究區(qū)地層主要由中新生代蓋層的中－下侏羅統(tǒng)、新近系和第四系組成，缺失三疊系和上侏羅統(tǒng)，該地層不整合覆蓋于石炭系－二疊系中酸性火山巖、火山碎屑巖之上。地層從老到新依次為：下侏羅統(tǒng)三工河組（J1s）：分為上、下兩段，勘查區(qū)P11～P23線及557線北東側(cè)存在局部合并現(xiàn)象［8-9］；中侏羅統(tǒng)西山窯組（J2x）：可分為上、中、下3段，上段和下段為區(qū)內(nèi)主要含礦目的層，下段和中段中間穩(wěn)定發(fā)育的第八煤層、中段和上段中間穩(wěn)定發(fā)育的第十煤層為區(qū)域標志層；中侏羅統(tǒng)頭屯河組（J2t）：區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育，南部受地層剝蝕影響，該層位缺失；新近系（N）：區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育，南部部分缺失；第四系（Q）：全區(qū)覆蓋。

鈾礦化主要賦存于三工河組下段（J1s1）與上段（J1s2）、西山窯組下段（J2x1）與上段（J2x3）4個層位的層間砂體中，在空間上連續(xù)產(chǎn)出，泥巖隔水層穩(wěn)定分布，砂體相對獨立發(fā)育，呈層狀、似層狀或帶狀產(chǎn)出的特征。含礦主砂體多呈現(xiàn)正韻律或復(fù)合正韻律特征，由下向上依次為砂礫巖或含礫粗砂巖至中、細砂巖，頂部為泥巖、粉砂巖及煤層［10-14］。

2 數(shù)據(jù)收集及預(yù)處理

本文采用“數(shù)字鈾礦勘查系統(tǒng)（QuantyU）”建立三維地質(zhì)模型，該系統(tǒng)是在地質(zhì)大數(shù)據(jù)的背景下，由武漢地大坤迪科技有限公司專門針對鈾礦勘查的信息化而開發(fā)的鈾礦勘查信息化平臺。其中建模與可視化子系統(tǒng)（QuantyU-3D）是一個高性能的交互式的體系結(jié)構(gòu)，能夠提供快速、準確、可信的三維可視化環(huán)境以及更加廣闊的設(shè)計空間和靈活的設(shè)計方法，更加直觀、形象、準確地把握實體模型的局部和整體概念。

本次研究收集蒙其古爾礦床的主要圖件包括：區(qū)域地質(zhì)圖、工作程度圖、地形地質(zhì)圖、控制點分布圖、綜合成果圖、礦體水平投影圖、砂體厚度圖、勘探線剖面圖等。收集各類表格數(shù)據(jù)主要有：鉆孔見礦一覽表、礦體單工程參數(shù)計算表、資源量估算參數(shù)表、資源量估算總表、特高品位處理結(jié)果一覽表。

QuantyU 軟件三維建模是基于剖面資料建立的三維數(shù)字地質(zhì)體模型，通過人工交互作業(yè)的方式建立。首先進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，在QuantyU 二維系統(tǒng)整理檢查建模數(shù)據(jù)（等高線、地層界線、礦體邊界）：勘探線剖面圖需整理出地層界線、礦體邊界、斷層線等，地形地質(zhì)圖需整理出等高線、地質(zhì)界線、建模范圍線、斷層線、礦體露頭線等，礦床綜合成果圖需整理出氧化帶前鋒線（氧化帶范圍）、主含礦砂巖范圍、泥巖隔水層范圍等；其次進行圖幅校正，原始圖件種類多，不同的圖件可能原始坐標不一樣（帶號），因此必須統(tǒng)一所有數(shù)據(jù)的坐標，對不同的坐標系進行圖幅校正。最后將整理后所需要的數(shù)據(jù)導(dǎo)出為GEO 格式文件，從QuantyU 二維系統(tǒng)導(dǎo)入三維系統(tǒng)QuantyU-3D，提取整合各類線條，處理完成進行模型構(gòu)建。

3 三維模型構(gòu)建

本次建模范圍為扎吉斯坦礦床和蒙其古爾礦床（P48—P55 線），建模面積16.2 km2，建模深度1 km，以88 條勘探線剖面（851 個鉆孔柱狀圖）為基礎(chǔ)，結(jié)合礦區(qū)地形地質(zhì)圖、綜合成果圖、礦床砂體等厚圖、礦體水平投影圖等，建立如下地質(zhì)模型：三維地表模型、三維鉆孔模型、三維構(gòu)造模型、三維地層模型、三維含礦砂體模型、三維氧化帶模型、三維礦體模型（圖1）。

圖1 蒙其古爾鈾礦床三維地質(zhì)模型Fig.1 Three-dimensional geological model of Mengqigur uranium deposit

建模原理是基于TIN（Triangular Irregular Network，不規(guī)則三角網(wǎng)格）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建三維地質(zhì)模型。TIN 是一種面元型典型矢量數(shù)據(jù)模型，最初由蘇聯(lián)科學(xué)家Delaunay 于1934 年提出，其按照一定的準則將二維空間剖分成一系列三角形面片，然后連接成互相連續(xù)、互不交叉、互不重疊的網(wǎng)格，并使區(qū)域內(nèi)的點都落在三角形面片的頂點、邊、或三角形內(nèi)，生成相應(yīng)的曲面。這種方法可方便推廣到三維空間中，在建模時可根據(jù)表面的復(fù)雜程度調(diào)整三角面片的大小和數(shù)量，消除冗余并保持較高的擬合精度，方法便捷靈活［15］。

具體建模方法如下：在QuantyU-3D 系統(tǒng)中設(shè)定勘探區(qū)和分析項目，系統(tǒng)自動讀取數(shù)據(jù)，生成鉆孔三維模型，提取礦體線圈，由線成面，由面成體，建立礦體模型；QuantyU 二維系統(tǒng)GEO 格式文件轉(zhuǎn)為GVX 格式文件，導(dǎo)入Quanty-3D 中，利用地形圖中等高線生成地表面，貼高清遙感圖形成地表模型；利用地表面和圈定的模型范圍線，生成模型包圍盒，形成礦床范圍模型；利用斷層線，生成斷層面，切割礦床范圍體，形成構(gòu)造模型；利用地層線，生成地層面，切割構(gòu)造體，形成地層模型；利用砂體線，生成砂體面，切割地層體，形成砂體模型；利用氧化帶線，生成氧化帶面，切割砂體體，形成氧化帶模型；最后將所有模型整合，組成礦床三維地質(zhì)模型，進行模型分析應(yīng)用（圖2）。

3.1 地表三維建模

根據(jù)地質(zhì)資料查明地層出露情況，確定建模范圍，三維地表建模是以礦區(qū)地形地質(zhì)圖為基礎(chǔ)，將賦有高程值的等高線整理好后，在QuantyU-3D系統(tǒng)中打開，對其可以生成DEM 模型，也可以生成TIN 模型，等高線精度越高生成的曲面效果越好，然后在該面上貼紋理貼圖（高分辨率衛(wèi)星遙感影像圖），就建成了三維地表模型（圖3）。

3.2 礦床邊界三維建模

礦床范圍建模是利用建模的范圍大小及建模深度生成的一個大體，明確整體模型在空間中的范圍。建模流程為：首先，確定勘探區(qū)地層的范圍和厚度；其次，利用地層的范圍和厚度線生成輔助面；再次，通過地表等高線生成地表面，將地表面向下按一定厚度生成體；最后，利用范圍線成面后將地表體超出的范圍及厚度切割（圖4）。

3.3 構(gòu)造三維建模

圖2 三維地質(zhì)模型構(gòu)建流程圖Fig.2 Flowchart of 3D geological model construction

圖3 蒙其古爾鈾礦床三維地表建模Fig.3 Three-dimensional surface modeling process of Mengqigur uranium deposit

圖4 蒙其古爾鈾礦床礦床范圍建模Fig.4 Modeling process of the boundary of Mengqigur uranium deposit

根據(jù)地質(zhì)資料確定斷層性質(zhì)、斷距以及斷層產(chǎn)狀，理清斷層期次關(guān)系。構(gòu)造建模是以勘探線剖面圖中的斷層線為基礎(chǔ)，結(jié)合礦床地形地質(zhì)圖中斷層線建立三維構(gòu)造模型。首先，提取勘探線剖面的斷層線和地表的斷層線，轉(zhuǎn)入三維系統(tǒng)；其次，利用斷層線，生成斷層面；再次，根據(jù)斷層的期次關(guān)系，用斷層面與礦區(qū)范圍模型從老到新進行面剪切體；最后，體面互剪，建立三維構(gòu)造模型（圖5）。本次共建立3 個斷層面（F1、F2、F3）模型，可實現(xiàn)斷層性質(zhì)、斷距、規(guī)模與地質(zhì)體關(guān)系信息等三維可視化。

3.4 地層三維建模

圖5 蒙其古爾鈾礦床構(gòu)造三維建模Fig.5 Modeling process of 3D structure of Mengqigur uranium deposit

根據(jù)地質(zhì)資料確定建模范圍、地層出露情況、理清地層新老關(guān)系。三維地層建模是以勘探線剖面圖中的斷層線為基礎(chǔ)，結(jié)合礦床地形地質(zhì)圖中地層出露范圍。首先，提取勘探線剖面的地層線和地形地質(zhì)圖上的地質(zhì)界線，轉(zhuǎn)入三維系統(tǒng)；其次，利用勘探線剖面的地層線和地形地質(zhì)圖上的地質(zhì)界線來擬合生成地層面；再次，用地層面與礦區(qū)范圍模型從新到老進行面剪切體切割；最后，將分割后的小體組合就建立了三維構(gòu)造模型（圖6）。本次共建立了12 層地層模型（圖7），從上到下依次為：第四系（Q）、新近系（N）、中侏羅統(tǒng)頭組屯河（J2t）、中下侏羅統(tǒng)西山窯組上段（J2x3）、第十煤層（M10）、中下侏羅統(tǒng)西山窯組中段（J2x2）、第八煤層（M8）、中下侏羅統(tǒng)西山窯組下段（J2x1）、中下侏羅統(tǒng)三工河組上段（J1s2）、中下侏羅統(tǒng)三工河組上段（J1s1）、下石炭統(tǒng)（C2n）和模型底板，實現(xiàn)了地層數(shù)據(jù)地上—地下一體三維可視化。

3.5 含礦砂體及氧化帶三維建模

含礦砂體三維建模是根據(jù)地質(zhì)資料確定主要含礦砂體、砂體出露情況、砂體厚度及砂體中泥巖夾層范圍。三維含礦砂體建模是以勘探線剖面圖中的砂體界線為基礎(chǔ)，結(jié)合地形地質(zhì)圖上的砂體地表界線和礦床砂體等厚圖中砂體中泥巖夾層范圍界線來擬合生成含礦砂體面，用含礦砂體面與地層范圍模型從新到老進行面剪切體切割，最后將分割后的小體組合，建立三維含礦砂體模型。

氧化帶三維建模是根據(jù)地質(zhì)資料確定主要氧化砂體、氧化砂體出露情況、氧化砂體厚度及氧化砂體中非氧化砂體和泥巖夾層范圍。三維層間氧化帶建模是以勘探線剖面圖中的氧化砂體界線為基礎(chǔ)，結(jié)合地形地質(zhì)圖上的氧化砂體地表界線和礦區(qū)綜合成果圖層間氧化帶范圍來擬合生成層間氧化帶面，用層間氧化帶面與砂體范圍模型從新到老進行面剪切體切割，最后將分割后的小體組合，建立層間氧化帶模型。

圖6 蒙其古爾鈾礦床地層三維建模Fig.6 Three-dimensional stratigraphic modeling process of Mengqigur uranium deposit

圖7 蒙其古爾鈾礦床地層-斷層三維模型Fig.7 3D model of stratigraphic fault-borehole model of Mengqigur uranium deposit

圖8 蒙其古爾鈾礦床三工河組下段三維砂體-氧化帶-礦體模型（俯視圖）Fig.8 3D model of sand body-oxidation zone-ore body in the lower member of Sangonghe Formation in Mengqigur uranium deposit（top view）

本次共建立了4層含礦砂體和氧化帶模型（圖8），從上到下依次為：中下侏羅統(tǒng)西山窯組上段（J2x3）、中下侏羅統(tǒng)西山窯組下段（J2x1）、中下侏羅統(tǒng)三工河組上段（J1s2）和中下侏羅統(tǒng)三工河組上段（J1s1），實現(xiàn)了含礦砂體和層間氧化帶數(shù)據(jù)地上—地下一體三維可視化。

3.6 礦體三維建模

根據(jù)地質(zhì)資料確定礦化類型、礦體規(guī)模、礦體在空間上的展布，三維礦體建模是整個建模過程最難的部分?？傻亟皫r型鈾礦體在空間上呈薄、散、小的特點，針對該特點，數(shù)字鈾礦勘查系統(tǒng)（QuantyU）在建模與可視化（QuantyU-3D）子系統(tǒng)中開發(fā)了鈾礦體精細化建模模塊。該模塊以勘探線剖面圖中的礦體線圈為基礎(chǔ)，將礦體線圈從二維投到三維空間中，根據(jù)可地浸砂巖型鈾礦礦體圈定規(guī)則，結(jié)合礦體水平投影圖相鄰勘探線中礦體線圈組成一個中間面（邊界根據(jù)圈定規(guī)則外推），礦體邊界兩個線圈成頂?shù)酌妗? 個中間面和兩個頂?shù)酌婀餐M成一個礦體模型，最后將分散的模型整合，建立整體礦體模型（圖9）。本次共建立了4 層礦體模型，從上到下依次為：中下侏羅統(tǒng)西山窯組上段（J2x3）、中下侏羅統(tǒng)西山窯組下段（J2x1）、中下侏羅統(tǒng)三工河組上段（J1s2）和中下侏羅統(tǒng)三工河組上段（J1s1），實現(xiàn)了礦體數(shù)據(jù)地上—地下一體三維可視化（圖9）。

4 三維模型應(yīng)用

地表模型可實現(xiàn)地形地貌、河流、地表地質(zhì)體等三維可視化，可以很清楚的知道礦床地面的地形特征和地面采礦工程分布地點。利用地表模型礦床可以解決礦床開采設(shè)備進入的路線以及礦產(chǎn)輸出路線等交通問題，同時也可以與采礦權(quán)模型疊合，監(jiān)管是否越界采礦。

地層模型和構(gòu)造模型可以很形象清晰地反映出礦床的地層、巖性及構(gòu)造分布特征，同時可以直接查看地層的屬性，直接獲取地層的XYZ 坐標，了解地層相應(yīng)位置及其深度。地層（巖性）模型的建立可以輔助用于礦床的開采，和穿層越界的監(jiān)管。

砂體模型和氧化帶模型是礦床三維模型的一個重要組成部分。含礦砂體模型可以很形象清晰地反映出砂體在空間上的范圍、巖性及連通性，有助于礦床沉積相研究。氧化帶模型可以直觀展示氧化砂體的范圍、巖性及氧化帶前鋒線的位置，可直觀表達出礦體與砂體、氧化帶之間的相互關(guān)系。

礦體模型同樣是礦床三維模型的一個重要組成部分，其可描述和再現(xiàn)地下礦體的三維展布情況和礦石品位、類型的分布狀況，是礦床管理的核心。三維礦體模型可以直觀表達礦床可采資源的地下賦存狀況，對礦床管理和評估有著一定的決策作用。

將建好的地表模型、鉆孔模型、地層模型、構(gòu)造模型等綜合在一起，進行三維可視化分析，可直觀的表達出蒙其古爾鈾礦床地上—地下一體模型。利用數(shù)字鈾礦勘查系統(tǒng)（QuantyU）的建模與可視化（QuantyU-3D）子系統(tǒng)，將三維地質(zhì)模型炸開，單獨觀察每層模型的具體細節(jié)。建立三維柵欄面模型，實現(xiàn)任意剖面切割。建立虛擬鉆孔模型，模擬任意位置鉆孔（圖10）。還可開挖隧道，獲取礦床任意位置的地質(zhì)信息。

圖9 礦體三維建模Fig.9 Flow chart of 3D modeling of orebody

圖10 蒙其古爾鈾礦床三維地質(zhì)應(yīng)用模型Fig.10 Three-dimensional geological application model for Mengqigur uranium deposit

在上述模型基礎(chǔ)上進行露采、井采和堆場設(shè)計，根據(jù)露采設(shè)計數(shù)據(jù)建立三維露采開挖模型，根據(jù)地下開采設(shè)計數(shù)據(jù)建立地下三維礦井巷道模型，然后利用矢量剪切技術(shù)實現(xiàn)這些設(shè)計模型在虛擬礦床地質(zhì)模型中的最終表達。通過開發(fā)與其他系統(tǒng)間的接口，將各種模型和分析結(jié)果輸送給相關(guān)部門，滿足礦山工程勘測、設(shè)計和開采的需要。

5 結(jié)論

1）本文利用數(shù)字鈾礦勘查系統(tǒng)中的各個建模功能，基于TIN 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通過人工交互作業(yè)的方式，剖面圖結(jié)合礦區(qū)地形地質(zhì)圖、綜合成果圖、礦床砂體等厚圖、礦體水平投影圖等，建立礦床的地形地貌模型、地層模型、砂體模型、氧化帶模型、斷層模型以及鉆孔模型等一系列三維地質(zhì)模型，著重根據(jù)鈾礦體圈定規(guī)則對鈾礦體精細化建模，梳理了建模流程。

2）三維地質(zhì)模型使地質(zhì)特征從二維層面上升到了實際具體的三維層面，使地質(zhì)現(xiàn)象更形象、更具體、更有代表性。通過三維可視化分析對礦體展布、礦體延伸、礦體預(yù)測等方面的研究起到了促進作用，使地質(zhì)體的空間展布及礦體的細微變化一覽無余，為揭露工程部署和礦床開采提供了可視化依據(jù)。