基于多源數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)建模與應(yīng)用

田雪峰，王金林，張征峰，石洞，周可法，周曙光

（1.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆礦產(chǎn)資源與數(shù)字地質(zhì)重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；3.吐魯番金源礦冶有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100；4.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

隨著人類社會的不斷發(fā)展，對礦產(chǎn)資源的消耗快速增長，礦產(chǎn)資源勘探從地表礦、淺伏礦逐漸轉(zhuǎn)向深部空間。在找礦深度和難度急劇提升的情況下，三維地質(zhì)建模技術(shù)是將多種勘探數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理和定量分析的有效手段，眾多學(xué)者進(jìn)行了卓有成效的探索。三維地質(zhì)建模方法按數(shù)據(jù)源不同可分為以下幾種：①利用鉆孔中的巖性分界點生成曲面[1-7]；②利用剖面中的曲線生成曲面[8-12]；③基于鉆孔、剖面和化探等多源數(shù)據(jù)結(jié)合的方法[13,14]。同時針對復(fù)雜地質(zhì)體建模，前人基于剖面提出了“切片法”和“拆分法”[15，16]。已有研究通常忽視建模數(shù)據(jù)的管理和提取，基于鉆孔的方法難以建立復(fù)雜地質(zhì)體的多值曲面輪廓，基于剖面的方法可表現(xiàn)復(fù)雜輪廓但缺乏硬性約束條件，而如何基于多源數(shù)據(jù)建立復(fù)雜地質(zhì)體已成為熱點問題。

為簡化操作步驟，加快建模速度，提高模型精度，本文提出基于多源信息數(shù)據(jù)庫的快速建模信息提取方法和基于多源數(shù)據(jù)的“剖面-鉆孔快速遞進(jìn)法”。本文以東天山XX礦區(qū)為研究對象，在收集了鉆孔、剖面和地球化學(xué)分析數(shù)據(jù)等資料的基礎(chǔ)上，利用本研究的方法建立了礦區(qū)的巖體和礦體三維模型。同時，依據(jù)建立的三維地質(zhì)模型開展了金屬資源量估算對比分析和可視化分析探討，以期為同類型金屬礦床的成礦預(yù)測提供技術(shù)支撐。

1 XX礦區(qū)地質(zhì)概況

東天山成礦帶位于塔里木古陸緣地塊與準(zhǔn)噶爾南緣活動帶結(jié)合部位（圖1-a），為新疆重要的銅鎳多金屬礦集區(qū)。東天山地區(qū)地層以康古爾塔格大斷裂為界，以北為準(zhǔn)噶爾地層區(qū)哈爾里克地層小區(qū)，以南為北天山地層區(qū)秋格明塔什-黃山地層小區(qū)[17,18]。區(qū)內(nèi)侵入巖較為發(fā)育，根據(jù)時代將侵入巖分為泥盆紀(jì)侵入巖、石炭紀(jì)侵入巖和二疊紀(jì)侵入巖。區(qū)內(nèi)二疊紀(jì)基性-超基性巖體中發(fā)育黃山、香山、白鑫灘等一系列銅鎳礦床，具重要的經(jīng)濟(jì)價值和研究意義。XX礦床大地構(gòu)造位置位于東天山康古爾-黃山斷裂北側(cè)大南湖-頭蘇泉島弧。礦區(qū)出露地層主要為奧陶系恰干布拉克組（圖1-b）。侵入巖發(fā)育，北部為石炭—二疊紀(jì)基性-超基性雜巖體，南部為泥盆紀(jì)花崗巖?；?超基性雜巖體長2 800 m，最寬760 m，最窄250 m，面積約1.5 km2。雜巖體在平面上由北向南表現(xiàn)為輝長巖-橄欖輝長巖-輝石橄欖巖-角閃橄欖輝石巖；在勘探線剖面的垂向分異總體表現(xiàn)為輝長巖-橄欖輝長巖-橄欖輝石巖-角閃橄欖輝石巖-角閃橄欖輝長巖或角閃輝長巖[19]。礦體賦存于石炭—二疊紀(jì)基性-超基性雜巖體，平面上似葫蘆狀，兩側(cè)較寬，中間較窄[17,20]。礦區(qū)主要賦礦巖石為角閃橄欖輝石巖，次要賦礦巖石為角閃橄欖輝長巖。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)簡圖（a）和XX礦區(qū)地質(zhì)簡圖（b）Fig.1 Geological and mineral map of the study area(a)and Geological map of mining area(b)

2 礦區(qū)三維地質(zhì)模型

本研究采用SKUA-GOCAD（Geological Object Computer Aided Design）作為三維建模軟件，該軟件具有流程化的建模功能和自由的三維模型編輯功能，同時可兼容多種主流地質(zhì)數(shù)據(jù)格式，可較好的滿足基于多源數(shù)據(jù)的復(fù)雜三維地質(zhì)體建模需求。

2.1 快速提取建模信息

由于地下信息的不可見性，建立理想的地質(zhì)模型需要有豐富的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備[21]。建模數(shù)據(jù)（如鉆孔、剖面和品位等）的原始格式各不相同，既有文本形式，也有圖件形式，需對數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，形成多源信息數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫以工程信息表為基礎(chǔ)，分為鉆孔信息表和剖面信息表兩部分。鉆孔信息可以分為3 類，即孔口位置、測斜信息和分層信息。鉆孔和剖面圖之間以勘探線編號進(jìn)行關(guān)聯(lián)。剖面圖以文件數(shù)據(jù)庫的形式進(jìn)行保存，通過剖面元數(shù)據(jù)表進(jìn)行管理。

利用多源信息數(shù)據(jù)庫可快速提取多源建模信息，確定地質(zhì)體涉及的巖性分層、剖面或鉆孔等任意一種建模信息，利用表間關(guān)系即可查出其他相關(guān)地質(zhì)信息。本研究確定了穿過巖體和礦體的剖面后，可查出鉆孔信息及涉及的品位信息。

同時利用多源信息數(shù)據(jù)庫可快速獲取符合目標(biāo)地質(zhì)體的分層數(shù)據(jù)。依據(jù)巖石命名規(guī)則，采用修飾詞+基本名稱的原則，故原始鉆孔編錄數(shù)據(jù)揭露了177種不同巖性，合計534條分層數(shù)據(jù)。但對于目標(biāo)地質(zhì)體建模，該分類過于細(xì)致會造成數(shù)據(jù)量不夠。根據(jù)研究程度，通過去除修飾詞可獲取符合研究需要的鉆孔數(shù)據(jù)?；跀?shù)據(jù)庫使用結(jié)構(gòu)化查詢語言（Structured Query Language-SQL）可快速達(dá)到該目的。按以下步驟，利用SQL 語句可快速清洗和挑選數(shù)據(jù)：①去除顏色修飾詞，177 種巖性縮減為68 種；②去除“細(xì)?！薄ⅰ敖緺睢钡葞r石結(jié)構(gòu)修飾詞，巖性縮減為51種；③去除蝕變、礦化相關(guān)修飾詞，巖性縮減為21種。提取雜巖體時，由于雜巖體不只包含一種巖性，應(yīng)依照所涉及巖性，按該方法提取相應(yīng)的分層數(shù)據(jù)；提取礦體時，鉆孔分層名稱為礦石的分層數(shù)據(jù)。

為建立巖體和礦體模型，鉆孔信息導(dǎo)入軟件時需導(dǎo)入鉆孔分層的上下界面信息，通過上下兩個邊界約束地質(zhì)體形態(tài)，這與地層建模時只導(dǎo)入上界面或下界面的方法不同。剖面圖以voxet 的形式導(dǎo)入軟件，導(dǎo)入的剖面圖須進(jìn)行裁剪，只保留能映射坐標(biāo)的范圍。

2.2 利用多源數(shù)據(jù)建立復(fù)雜地質(zhì)體

巖體和礦體不同于沉積地層，通常是非層狀、不規(guī)則的。因此，巖體和礦體建模較為困難[22,23]。故提出基于多源數(shù)據(jù)的“剖面-鉆孔快速遞進(jìn)法”，其核心思想如下：首先通過剖面建立地質(zhì)體模型，再以鉆孔分層數(shù)據(jù)作為硬性約束，最后利用離散光滑插值算法（discrete smooth interpolation method，DSI）控制地質(zhì)體的形態(tài)。

“剖面-鉆孔快速遞進(jìn)法”的具體流程如下：①利用剖面形成地質(zhì)體模型。在剖面圖中按接觸關(guān)系對地質(zhì)體的界線進(jìn)行拆分矢量化[16]，利用曲線成面功能形成地質(zhì)體模型；②生成鉆孔凸包外接曲面。根據(jù)鉆孔的孔口和尾部位置形成兩條凸包曲線，再利用凸包曲線形成外接曲面；③利用外接曲面切割模型。切割模型時須取消“將模型交線設(shè)置為約束”這一設(shè)置。刪除超出外接曲面的模型部分后，剩余的地質(zhì)體模型會產(chǎn)生空洞，可利用工具自動填補空洞。最終得到受控于鉆孔凸包范圍的模型；④將鉆孔分層信息轉(zhuǎn)換成點集信息。鉆孔分層不能直接設(shè)置為約束，須將其轉(zhuǎn)換成點集；⑤設(shè)置點集信息為模型約束后，利用DSI 對模型進(jìn)行插值，獲得最終模型。利用“剖面-鉆孔快速遞進(jìn)法”生成的XX礦區(qū)的巖體和主礦體模型如圖2所示。

圖2 巖體和主礦體模型Fig.2 Rock mass and main ore body model

3 三維地質(zhì)模型應(yīng)用

3.1 金屬資源量快速估算

對地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行空間網(wǎng)格剖分是地質(zhì)模型定量分析的基礎(chǔ)[26]。利用多源信息數(shù)據(jù)庫分析得到本研究區(qū)鉆孔中的采樣間距大部分為2 m，故選擇2 m 作為立方體單元的高，水平方向上選擇2 m×2 m作為立方體單元的長和寬。用立方體單元對礦體進(jìn)行網(wǎng)格剖分，獲得單元格214 808個，體積為1.71×106m3。

利用鉆孔品位數(shù)據(jù)，建立變異函數(shù)和搜索橢球體（球狀模型，方位角41°，垂向距離7.71 m，長軸359.94 m，短軸193.14 m），選擇普通克里格（Ordinary Kriging）插值得到礦體品位模型（圖3-a），其克里格方差如圖3-b 所示（均值為0.004）。插值結(jié)果顯示，品位最低值為0.06%，最高值為1.7%，平均0.59%，證明該技術(shù)方法具有應(yīng)用前景。

圖3 礦體品位模型與克里格方差模型Fig.3 Ore body grade model and Kriging variance model

資源量計算公式為：金屬量（t）=品位（10-2）×體積（m3）×體重（t/m3）。由礦體網(wǎng)格模型和品位模型得到品位和體積，根據(jù)礦石體重2.8 t/m3，估算得到礦體金屬資源量為2.86×104t。

3.2 深部空間可視化與分析

三維地質(zhì)模型的一個主要應(yīng)用就是地質(zhì)信息的可視化。已有研究表明，該類礦床中品位會沿巖漿流向逐漸降低[20]。本研究的品位模型顯示（圖3-a），礦體西段和中段的品位均高于東段，推測巖漿流向為自西向東。另取品位模型中11 672 個品位大于1%的單元格（占全部單元格5.3%）與巖體進(jìn)行分析（圖4）。該部分單元格呈階梯狀，可劃分為A、B、C三段，分別位于礦體的西段頂部、中段中部和東段底部，即高品位部分深度逐漸下降。結(jié)合巖漿流向的推測，認(rèn)為巖體西段及深部和東段深部仍具一定的成礦潛力，有必要進(jìn)一步勘查。

圖4 巖體(70%透明度）與部分礦體(品位大于1%)的關(guān)系Fig.4 Relationship between rock mass(70%transparency)and some ore bodies(grade greater than 1%)

4 結(jié)論

本研究利用三維地質(zhì)建模技術(shù)，通過XX礦區(qū)的巖體模型和礦體模型構(gòu)建，實現(xiàn)了鉆孔、勘探線剖面圖和地球化學(xué)等多源數(shù)據(jù)的融合與可視化，為成礦預(yù)測研究提供了三維可視化數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并取得了如下認(rèn)識：

（1）提出一種基于多源信息數(shù)據(jù)庫的快速建模信息提取方法，基于數(shù)據(jù)庫可按照研究目的快速提取數(shù)據(jù)進(jìn)行實驗，提高了建模效率。

（2）提出“剖面-鉆孔快速遞進(jìn)法”，建立了XX礦區(qū)的巖體和礦體模型。該方法具有步驟清晰明確、效率高、適合大范圍復(fù)雜地質(zhì)體建模等特點，且能夠充分利用多源數(shù)據(jù)進(jìn)行相互約束。

（3）利用品位模型估算了礦區(qū)主礦體的金屬資源量，估算資源量速度更快，能夠隨礦區(qū)工作程度的加深及時更新模型。