固體勘查開發(fā)信息系統(tǒng)與三維地質(zhì)建模在福泉大灣超大型磷礦勘查中的應(yīng)用

魏世鵬，宋普洪，陸躍榮，劉 波，陳 峰

(貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局104地質(zhì)大隊(duì)，貴州 都勻 558000)

1 引言

數(shù)字礦產(chǎn)勘查是地質(zhì)信息科學(xué)理論和方法論框架下，運(yùn)用集成化的地質(zhì)信息技術(shù)，建立完善的數(shù)據(jù)資源體系，使數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)順暢充分共享，進(jìn)而打通勘查、設(shè)計(jì)、開采、選冶和管理、決策等各個(gè)環(huán)節(jié)，為實(shí)現(xiàn)探采一體化和智能化奠定基礎(chǔ)(吳沖龍等，2021.)。

近十幾年來，隨著礦產(chǎn)傳統(tǒng)行業(yè)領(lǐng)域?qū)ο冗M(jìn)的研究方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷應(yīng)用，地質(zhì)大數(shù)據(jù)與人工智能的時(shí)代已經(jīng)到來(周永章，2021)。人工智能和云服務(wù)技術(shù)將會(huì)逐步應(yīng)用與智能化的地質(zhì)數(shù)據(jù)采集中，甚至可能成為野外地質(zhì)數(shù)據(jù)采集的主流技術(shù)(陳根生等，2019)。長期以來在勘查和礦山單位，海量的地質(zhì)資料多以文本、圖形、圖像等方式以碎片化的狀態(tài)堆積著(張夏林，2020)。地質(zhì)學(xué)本質(zhì)上是一種三維科學(xué)(Diepolder G W，2011)，但地質(zhì)數(shù)據(jù)具有混合、采樣、稀缺、多源、多形、時(shí)空、多變、因果、相關(guān)、定向、局域性、代表性、獨(dú)立性、加和性等特征(趙鵬大等，2021.)，今信息化程度的不斷推進(jìn)，這種大量信息堆積而知識(shí)缺乏的“信息孤島”的狀態(tài)愈發(fā)明顯。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，涌現(xiàn)出越來越多的地質(zhì)類應(yīng)用軟件，這極大提高了勘查的精度和找礦的效率，豐富著地質(zhì)成果的表現(xiàn)性是和服務(wù)方式，其中開展精細(xì)化三維地質(zhì)建?？梢宰尩刭|(zhì)技術(shù)人員更加直觀理解復(fù)雜構(gòu)造關(guān)系，提高分析判斷能力。國產(chǎn)軟件“固體勘查開發(fā)信息系統(tǒng)”(簡稱QuantyPES)孕育而生，與其他地質(zhì)類軟件相比，QuantyPES能更加快速、更加精確的實(shí)現(xiàn)礦區(qū)三維地質(zhì)建模，為礦產(chǎn)資源勘查、資源預(yù)測、礦產(chǎn)資源設(shè)計(jì)、規(guī)劃、建設(shè)和開采的輔助決策提供了快速的直觀反映。能將虛擬的現(xiàn)實(shí)和現(xiàn)實(shí)的現(xiàn)實(shí)完全融合一體，在地理信息和地質(zhì)信息方面做到真正意義上的“所見及所得”?？朔Ｒ?guī)地理信息系統(tǒng)上的抽象。

2 地質(zhì)背景

2.1 區(qū)域地質(zhì)

大灣礦區(qū)位于上揚(yáng)子陸塊上揚(yáng)子地塊黔北隆起區(qū)(王劍等，2012；Zhu et al，2007；劉靜江等，2015)之鳳岡南北向隔槽式褶皺變形區(qū)內(nèi)(圖1)。區(qū)內(nèi)構(gòu)造樣式以隔槽式褶皺為主，具典型的侏羅山式褶皺組合特點(diǎn)；具有近南北向的構(gòu)造線特征，同時(shí)也控制了含磷巖系的展布方向和磷礦體賦存的空間位置。區(qū)內(nèi)出露最老地層為青白口系下江時(shí)期清水江組，出露于白巖-高坪復(fù)背斜之核部；背斜出露的最新地層是中三疊統(tǒng)，區(qū)內(nèi)出露地層由老至新依次是：青白口系、南華系、震旦系、寒武系、石炭系、二疊系及下-中三疊系。第四系僅零星分布，不整合覆于前述各地層之上。缺失奧陶紀(jì)、志留紀(jì)，泥盆紀(jì)時(shí)期的沉積。其含磷巖系主要為陡山沱組第四段(Z1d4)和陡山沱組第二段(Z1d2)。

圖1 大地構(gòu)造位置圖

2.2 礦區(qū)地質(zhì)

區(qū)內(nèi)地表最顯著的構(gòu)造線總體走向主要為SN、NW、NE三組，SN組斷層發(fā)育于礦區(qū)中部和西部，中部斷層規(guī)模較大，對(duì)礦區(qū)礦體破壞作業(yè)較大，西部斷層規(guī)模相對(duì)較小，多被NE斷層切割。NW向斷層主要發(fā)育于圖區(qū)南西部，少部分發(fā)育于圖區(qū)北部，NW向斷層多切割NE向和近SN向斷層，該組斷層為本區(qū)發(fā)育較晚斷層。NE向組斷層主要發(fā)育于圖區(qū)西部，少量發(fā)育于圖區(qū)的北東部和南西部，NE向斷層多被NW向?qū)Υ饲懈睢?/p>

3 軟件系統(tǒng)

固體礦產(chǎn)勘查信息系統(tǒng)(QuantyPES)，是基于國產(chǎn)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三維地質(zhì)信息系統(tǒng)平臺(tái)QuantyView開發(fā)的。這種具有完善的硬、軟件配置的分布式固體礦產(chǎn)資源勘查信息系統(tǒng)，能夠全面支持目前普查、詳查、勘探各個(gè)階段的信息化工作。固體礦產(chǎn)勘查信息系統(tǒng)(QuantyPES)軟件在前期資料搜集整理的基礎(chǔ)上，構(gòu)建原始數(shù)據(jù)庫；采用野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進(jìn)行鉆孔編錄，同時(shí)構(gòu)建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫；在數(shù)據(jù)庫的支持下，采用人機(jī)交互與自動(dòng)化相結(jié)合的方式，進(jìn)行各類勘查圖件的計(jì)算機(jī)輔助編繪；采用知識(shí)驅(qū)動(dòng)、系列剖面拓?fù)渫评砼c多點(diǎn)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的技術(shù)，進(jìn)行地上-地下、地質(zhì)-地理、結(jié)構(gòu)-屬性一體化的礦床精細(xì)、全息三維地質(zhì)建模；同時(shí)采用傳統(tǒng)法和克里格法進(jìn)行三維儲(chǔ)量計(jì)算與對(duì)比。最后，在完成上述各項(xiàng)工作的基礎(chǔ)上，完成成果數(shù)據(jù)庫構(gòu)建(如圖2)。

固體礦產(chǎn)三維建模能夠在較短的時(shí)間內(nèi)，完成整個(gè)礦床及礦區(qū)地下-地上、地質(zhì)-地理、空間-屬性的一體化模型的構(gòu)建，所需的時(shí)間比國內(nèi)外已有軟件更短；可以隨著勘查工作進(jìn)展，對(duì)所建立的大型三維地質(zhì)模型進(jìn)行局部更新，增添一個(gè)鉆孔和剖面無需整體推倒重來；并能夠在該地質(zhì)模型中，融入了所獲得的全部地質(zhì)屬性信息，既包含地層、巖性、巖相、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造信息，也包含礦物成分、地下水、地球化學(xué)和地球物理信息；而且在構(gòu)建三維構(gòu)造-地層格架的基礎(chǔ)上，細(xì)致地刻畫每個(gè)構(gòu)造-地層單元的結(jié)構(gòu)和成分特征。并能夠根據(jù)礦體的特征，進(jìn)行針對(duì)中國固體礦床真實(shí)地質(zhì)特征進(jìn)行真實(shí)模型的構(gòu)建。

4 前期準(zhǔn)備工作

4.1 數(shù)據(jù)庫的建立

固體礦產(chǎn)開發(fā)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫建立依賴于勘查區(qū)的地層、構(gòu)造、賦礦巖系等勘查大數(shù)據(jù)的整理與分析，以及對(duì)礦體基本特征、空間分布形態(tài)、控礦因素及成礦模式的總結(jié)。并通過對(duì)地層、礦體的抽象化和結(jié)構(gòu)化實(shí)現(xiàn)三維精細(xì)化數(shù)字建模。

收集礦區(qū)及毗鄰區(qū)所施工的鉆孔資料，包括鉆機(jī)班報(bào)表、曲度測量記錄、孔深校正、地質(zhì)編錄、采樣記錄及采樣分析結(jié)果等，按照系統(tǒng)給定的模板把鉆孔的詳細(xì)信息錄入到系統(tǒng)內(nèi)，構(gòu)建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。礦區(qū)正在施工的鉆孔，采用鉆孔野外數(shù)據(jù)采集模塊，鉆孔野外數(shù)據(jù)采集模塊是固體礦產(chǎn)勘查數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的重要組成部分。根據(jù)野外工作特點(diǎn)，該模塊可基于手持平板電腦進(jìn)行操作。其設(shè)計(jì)原則是方便、快捷、可靠，有利于在野外取全取準(zhǔn)鉆孔巖性編錄原始數(shù)據(jù)，并可方便地轉(zhuǎn)入室內(nèi)臺(tái)式機(jī)或便攜機(jī)中進(jìn)行處理。完善數(shù)據(jù)庫。構(gòu)建大灣數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵是根據(jù)勘探鉆孔巖芯和勘查線剖面圖，進(jìn)行平衡剖面分析、推理和計(jì)算(毛小平等，1998)。載基于知識(shí)驅(qū)動(dòng)的系列剖面拓?fù)渫评?何珍文等，2012)恢復(fù)成礦區(qū)的古地理格局和沉積模式。

4.2 繪制勘查線剖面圖

通過從數(shù)據(jù)庫中提取各類數(shù)據(jù)和資料，可以實(shí)現(xiàn)柱狀圖、剖面圖、平面圖等圖件的計(jì)算機(jī)輔助編繪。避免數(shù)據(jù)重復(fù)錄入，減輕數(shù)據(jù)處理、圖件編繪的工作量，提高圖件編繪精度和更新速度；保證圖件遵循相關(guān)的國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)圖式、圖例的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。完成四大類礦產(chǎn)地質(zhì)圖件的編繪，包括：柱狀圖類、剖面圖類、平面圖類、投影圖類。利用數(shù)據(jù)庫以人機(jī)交互的方式繪制勘查區(qū)勘查線剖面圖，利用采樣信息和樣品分析結(jié)果人工輔助繪制出礦床及礦層頂?shù)装宓雀呔€(如圖3)。

圖3 勘查線剖面圖

4.3 建模數(shù)據(jù)的整理和預(yù)處理

在數(shù)據(jù)集市的建立方面，需要從已經(jīng)建立的數(shù)據(jù)庫中提取大灣磷礦床的空間數(shù)據(jù)集和屬性數(shù)據(jù)集，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)集進(jìn)行篩選、坐標(biāo)校正和抽取，裝載到礦床三維地質(zhì)建模的主題數(shù)據(jù)集市中的各個(gè)信息表中；在三維地質(zhì)建模相關(guān)的數(shù)據(jù)處理方面，地質(zhì)現(xiàn)象及其控制因素的復(fù)雜且多變，決定了地質(zhì)數(shù)據(jù)的多樣性和不確定性，因而需要首先對(duì)通過露頭調(diào)查、鉆探、槽探、物探、化探、遙感、攝影測量等技術(shù)手段獲得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、建庫，再采用各種二維圖形編輯和數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件。具體步驟：一是針對(duì)不同的勘查手段例如鉆探、槽探、物探、化探、遙感等數(shù)據(jù)的提取，提取所建模所需的地層界線、構(gòu)造、礦層頂?shù)装宓雀呔€等空間數(shù)據(jù)(如圖4、圖5)。二是結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)地形圖，提取地表等高線、地層分層界線、構(gòu)造等空間信息，確定各套地層、構(gòu)造和礦體在空間位置及幾何形態(tài)的關(guān)系。三是再采用各種二維圖形編輯和數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件進(jìn)行綜合處理和編圖，并結(jié)合地質(zhì)專家知識(shí)對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行識(shí)別、解釋、描述、定位等處理；然后通過轉(zhuǎn)換接口把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維地質(zhì)建模軟件可接受的格式。除此之外，還需要考慮不同尺度下勘查線密度的選擇、鉆孔的選擇(考慮鉆孔的信息完整性、對(duì)礦體的控制程度、分布情況)以及勘查區(qū)地理坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換等問題(張夏林，2020；賈然，2021)。

圖4 地質(zhì)界線

圖5 界線立體化

5 基于數(shù)據(jù)庫的三維礦體地質(zhì)建模

5.1 基于地表三維建模

為實(shí)現(xiàn)地上地下地質(zhì)地理一體化建模，其中關(guān)鍵問題是地表地層出露情況與地下模型相互套合，QuantyPES建造地表三維地質(zhì)模型為數(shù)字高程模型(DEM)是利用地表等高線和遙感數(shù)據(jù)建立的，通過提取的地表高程等高線采用不規(guī)則三角網(wǎng)算法(triangular irregular network)生成地表等高面(如圖6、圖7)依據(jù)礦區(qū)內(nèi)鉆探工程達(dá)到的最低標(biāo)高，由地表向下設(shè)置一定深度，生成礦區(qū)概略模型。(如圖8)。

圖6 地表等高線

圖7 地表面

圖8 礦區(qū)概略模型

5.2 斷層模型

圖9 斷層線

圖10 斷層面

5.3 斷層分割礦區(qū)概略模型

利用生成的斷層面切割已構(gòu)建的礦區(qū)概略模型，將礦區(qū)概略模型根據(jù)斷層空間位置分為多個(gè)小體。在斷層面切割概略體時(shí)，斷層面必須要大于概略體，在現(xiàn)實(shí)中，礦區(qū)內(nèi)大多數(shù)為隱伏斷層，為了能夠切開概略體，需要延長構(gòu)造線或者將構(gòu)造線外推到概略體外，然后生成斷層面(如圖11)。在斷層斷距、方位不改變的情況下人為的把斷層擴(kuò)大化。某些斷層未切穿礦體，同樣的認(rèn)為把斷層擴(kuò)大化，使其斷層面超過概略體。未受斷層影響的地層其地層界線是連續(xù)的，在后期處理過程中被擴(kuò)大化的斷層可以恢復(fù)真實(shí)斷層形態(tài)。

圖11 斷層面切割礦區(qū)模型

5.4 地層建模

根據(jù)提取的勘查線剖面地層信息，利用地層線建造地層面，然后用地層面分割已被斷層切個(gè)的小體。這樣依次進(jìn)行分割，直至將礦區(qū)地層及礦層分割完畢(如圖12)。針對(duì)地層的巖性、顏色、應(yīng)力、賦水性等不同的屬性對(duì)各個(gè)地層進(jìn)行賦屬性。最后將地層按照順序依次疊加，并在礦區(qū)地表加上衛(wèi)星圖片。(如圖13)。

圖12 礦區(qū)地層爆炸模型

圖13 礦區(qū)地表貼圖及三維地質(zhì)模型

5.5 礦層建模

礦體三維建模需要提取礦體的邊界線，將不同剖面的礦體邊界線通過控制線連接，生成完整的礦體模型。礦體三維建模的目的是讓礦體能夠多角度、多尺度且直觀、形象地展示在地質(zhì)人員和采礦人員眼前。建模的數(shù)據(jù)來源為地質(zhì)勘查工程數(shù)據(jù)，包括經(jīng)過綜合整理得出的勘探線剖面圖、地質(zhì)工程平面圖和礦體資源量估算圖等。

圖14所示的大灣礦體模型(紅色部分)，是通過克里格法插值方法模擬生成。從統(tǒng)計(jì)意義上說，這是從變量相關(guān)性和變異性出發(fā)，在有限區(qū)域內(nèi)對(duì)區(qū)域化變量的取值進(jìn)行無偏、最優(yōu)估計(jì)的一種方法；而從插值角度講，這是對(duì)空間分布的數(shù)據(jù)求線性最優(yōu)、無偏內(nèi)插估計(jì)一種方法。這種方法對(duì)于形態(tài)較簡單的物體效果不錯(cuò)，但對(duì)于形態(tài)、產(chǎn)狀都較為復(fù)雜的礦體，這種方法達(dá)不到理想效果，甚至違背實(shí)際情況。解決方法是對(duì)于形態(tài)和對(duì)應(yīng)關(guān)系復(fù)雜的對(duì)象，采用人機(jī)交互方式，由地質(zhì)工作人員找出不同剖面間的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，手工給定點(diǎn)與點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系(控制線的方式)，由這些限制條件來保證建立的礦體模型，能夠最大限度地符合實(shí)際地質(zhì)狀況和空間分布規(guī)律。

5.6 地質(zhì)模型驗(yàn)證

開展三維地質(zhì)建模是為了更好的提升三維可視化表達(dá)、分析、設(shè)計(jì)、決策等能力，并有助于感知和發(fā)現(xiàn)隱伏礦體(吳沖龍等，2020；田宜平等，2020).把已做好的礦層模型整合到地層模型中，構(gòu)成完整的礦床三維地質(zhì)模型(如圖13)。最后，利用數(shù)據(jù)庫中的鉆孔信息，利用鉆孔在空間的真實(shí)坐標(biāo)制作鉆孔模型并整合在三維地質(zhì)模型中，通過鉆孔巖芯采樣段標(biāo)注特征和礦層模型、地層模型對(duì)比是否重合，驗(yàn)證礦床三維地質(zhì)模型的正確性。圖14所示，大灣磷礦礦床三維地質(zhì)模型與鉆孔模型完全一致，說明了三維地質(zhì)模型的可靠性。

圖14 礦體模型驗(yàn)證

6 結(jié)論

本文以福泉大灣超大型磷礦為例進(jìn)行精細(xì)化建模。該模型的建立對(duì)該類型礦床成因模式的認(rèn)知從定性上升到定量。運(yùn)用三維建模的方法建立對(duì)應(yīng)的實(shí)體模型，從三維視角對(duì)其產(chǎn)狀、規(guī)模、空間位置關(guān)系等進(jìn)行分析，揭示了該礦床的結(jié)構(gòu)特征、礦體形態(tài)、控礦要素及后期構(gòu)造疊加改造的形況，這有助于更加深刻的認(rèn)識(shí)大灣磷礦的成礦機(jī)制、礦體賦存狀況和分布規(guī)律。建立綜合致礦信息精細(xì)化三維地質(zhì)模型，定量圈定找礦靶區(qū)并評(píng)價(jià)其資源潛力(趙鵬大等，2020)，并進(jìn)行可視化顯示，這對(duì)于指導(dǎo)礦床勘探工作，優(yōu)化礦山持續(xù)性勘探成本有著重要意義。