基于GOCAD軟件的工程地質(zhì)三維地質(zhì)實(shí)體模型的建立與研究

張婉秋，熊 宇，李 云，杜子純

（深圳市地質(zhì)環(huán)境研究院有限公司，廣東 深圳 518057）

1 三維地質(zhì)實(shí)體模型的研究背景

三維地質(zhì)模型（3D Geosciences Modeling）是指借助計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度快、計(jì)算精度高以及自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，對(duì)各種地質(zhì)對(duì)象的幾何形態(tài)和空間分布特征進(jìn)行三維定量描述，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)對(duì)象表征的數(shù)字化和計(jì)算機(jī)化。而三維地質(zhì)建模概念最早是由加拿大學(xué)者Houlding S[1]提出，他認(rèn)為三維地質(zhì)建模過(guò)程是以地質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)地質(zhì)特征進(jìn)行抽象和描述的過(guò)程。

大量學(xué)者對(duì)三維地質(zhì)建模理論以及方法進(jìn)行了研究。Mallet J[2-3]提出了基于離散光滑插值的三維地質(zhì)體的曲面重構(gòu)建模方法；吳立新等[4]提出了基于廣義三棱柱（GTP）體元的三維地質(zhì)模型的構(gòu)建方法。鉆孔數(shù)據(jù)直觀、準(zhǔn)確、詳細(xì)的特點(diǎn)，使其成為三維地質(zhì)建模最快捷、最直接的建模方式。朱良峰等[5]以鉆孔數(shù)據(jù)資料作為地層建模的主要數(shù)據(jù)源，提出了一種基于鉆孔數(shù)據(jù)的更加精確且能修正模型的三維地質(zhì)建模方法；徐磊等[6]基于鉆孔數(shù)據(jù)構(gòu)建了相鄰鉆孔之間地層的連接關(guān)系，并在GeoMo3D平臺(tái)上進(jìn)行了地層與推理實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該三維地質(zhì)建模方法的可行性。

目前，國(guó)內(nèi)外研發(fā)出了各種適用于不同領(lǐng)域、不同專業(yè)的三維地質(zhì)建模軟件，比如國(guó)外的GOCAD、EarthVision、Micromine、Surpac等，國(guó)內(nèi)的Dimine、3Dmine、QuantyView、MineExplorer等。這些軟件都具有三維地質(zhì)體的線框建模和塊體建模的功能，能夠在三維地質(zhì)建模的基礎(chǔ)上離散化為塊體單元，為進(jìn)一步開展三維地質(zhì)體形態(tài)定量分析研究奠定了基礎(chǔ)。

本文對(duì)GOCAD三維地質(zhì)建模軟件的建模過(guò)程及其方法原理進(jìn)行了研究，并對(duì)收集到的研究區(qū)工程勘察資料進(jìn)行整理、分析、提取與處理后，借助GOCAD軟件平臺(tái)建立了地下復(fù)雜空間中的三維地質(zhì)實(shí)體模型，并對(duì)該三維地質(zhì)實(shí)體模型的網(wǎng)格單元文件節(jié)點(diǎn)排布的規(guī)律和格式進(jìn)行了研究。

2 GOCAD軟件及建模方法簡(jiǎn)介

GOCAD軟件最初是在1988年由法國(guó)Nancy大學(xué)計(jì)算機(jī)系開發(fā)的用于地質(zhì)對(duì)象建模的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，它主要用于地質(zhì)工程、水利工程、鉆井工程、油藏工程、地球物理等領(lǐng)域構(gòu)建三維地質(zhì)模型。GOCAD軟件具有強(qiáng)大的可視化三維地質(zhì)建模、地質(zhì)解譯分析的功能，能夠建立極為復(fù)雜的三維地質(zhì)體模型，其豐富的屬性模型建模算法使其更加方便、快捷和精確。

GOCAD軟件主要采用離散光滑插值（Discrete Smooth Interpolation，DSI）算法，這是一種專門針對(duì)三維地質(zhì)建模特點(diǎn)的空間插值算法，該算法用一系列具有空間實(shí)體幾何和物理特性、相互連接的空間坐標(biāo)點(diǎn)來(lái)模擬三維地質(zhì)體，已知節(jié)點(diǎn)的空間信息被轉(zhuǎn)化為線性約束,引入到模型生成的全過(guò)程中。此外，DSI算法在構(gòu)建三維地質(zhì)實(shí)體模型的時(shí)候，具有能夠自由調(diào)整剖分網(wǎng)格的尺寸大小、實(shí)時(shí)交互操作、能夠處理一些不確定的數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)，DSI算法的這些優(yōu)點(diǎn)足以使其在三維地質(zhì)建模中廣泛應(yīng)用[7-8]。

GOCAD軟件針對(duì)不同的工程地質(zhì)領(lǐng)域提供了多種模塊，其主要模塊包括：針對(duì)油藏建模的模塊，它提供數(shù)據(jù)加載與管理的功能，能夠構(gòu)建三維地質(zhì)實(shí)體模型且生成對(duì)應(yīng)的三維地質(zhì)實(shí)體模型網(wǎng)格，并添加網(wǎng)格屬性；針對(duì)地質(zhì)解釋的模塊，它主要用于單井解釋、聯(lián)井剖面、平面地質(zhì)解釋；針對(duì)地震屬性分析的模塊，它提供地震解釋與可視化、地震屬性計(jì)算；井位優(yōu)化與鉆井工程模塊，它主要用于井位優(yōu)化設(shè)計(jì)、軌跡設(shè)計(jì)、防撞計(jì)算等；可基于Python、C++等平臺(tái)開發(fā)獨(dú)立功能的模塊等[9]。

3 三維地質(zhì)實(shí)體模型的建立與研究

3.1 三維地質(zhì)實(shí)體模型的建立

3.1.1 數(shù)據(jù)處理

三維地質(zhì)實(shí)體模型的建立可以通過(guò)鉆孔、剖面或者多源數(shù)據(jù)融合的方式進(jìn)行。本文主要用研究區(qū)工程地質(zhì)平面圖以及局部工程地質(zhì)橫斷面圖完成相應(yīng)模型的建立，其具體的技術(shù)流程如下。

1）數(shù)據(jù)源的檢查、解譯及數(shù)字化。首先對(duì)收集到的平面圖和橫斷面圖進(jìn)行檢查，在確定無(wú)誤后選定研究區(qū)范圍內(nèi)連續(xù)的工程地質(zhì)平面圖和橫斷面圖作為數(shù)據(jù)源，根據(jù)平面圖和橫斷面圖上的坐標(biāo)信息，并利用ArcGIS的地理配準(zhǔn)功能使其位于正確的空間坐標(biāo)范圍內(nèi)，隨后對(duì)平面圖和橫斷面圖中的信息進(jìn)行解譯和抽取，最后將解譯的信息進(jìn)行數(shù)字化。

根據(jù)區(qū)域資料和鄰近工程取得的資料，本文選取的研究區(qū)線路走廊及其周邊范圍的地層主要為第四系松散層，基底巖石主要為薊縣系混合花崗巖、混合巖。下面以研究區(qū)范圍內(nèi)的某一工程地質(zhì)橫斷面圖為例（見圖1），該橫斷面圖地質(zhì)界限分明，可以將其劃分為填土（Q4m）、黏土（Q3al+pl）、砂質(zhì)粉質(zhì)黏土（Qel）和風(fēng)化混合花崗巖（Qby）、混合花崗巖這5類，在地理配準(zhǔn)的基礎(chǔ)上完成橫斷面圖信息的解譯和數(shù)字化過(guò)程。

圖1 示例橫斷面圖

2）空間維度轉(zhuǎn)換。上述的數(shù)字化過(guò)程建立的線串模型仍然處于二維平面空間，因此還需要將其轉(zhuǎn)換到三維立體空間中。以橫斷面圖上任意兩個(gè)鉆孔的開孔點(diǎn)為控制點(diǎn)，且它們的三維坐標(biāo)P1(x1，y1，z1)和P2(x2，y2，z2)是已知的，則二維平面空間中的任意一點(diǎn)的三維坐標(biāo)可以表示為

本文對(duì)上述空間映射原理進(jìn)行了編程實(shí)現(xiàn)，完成了空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，并將空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為GOCAD軟件可以識(shí)別的格式。下面以經(jīng)過(guò)上述數(shù)據(jù)處理步驟的研究區(qū)海相沉積層為例，經(jīng)過(guò)數(shù)字化以及空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的連續(xù)工程地質(zhì)橫斷面圖以一系列輪廓線的形式在GOCAD軟件中排布（見圖2）。

圖2 研究區(qū)海相沉積層三維輪廓線示意圖

3.1.2 建模流程

GOCAD軟件是一種面向工程地質(zhì)領(lǐng)域的三維地質(zhì)建模軟件，其最為出色的優(yōu)點(diǎn)是具有較強(qiáng)的建模功能和分析算法且操作簡(jiǎn)單，因此備受研究人員的青睞。該軟件提供了一種叫地層?xùn)鸥穹ǖ娜S地質(zhì)實(shí)體模型的建模方法。與柵格法不同的是，它針對(duì)地質(zhì)系統(tǒng)設(shè)定了一組坐標(biāo)系（見圖3）。由圖3可知，它并不是x-y-z坐標(biāo)系，而是u-v-w坐標(biāo)系，它的優(yōu)越之處在于u-v-w三者的方向可以根據(jù)實(shí)際三維地質(zhì)體的形態(tài)進(jìn)行定義，這種定義方式能夠針對(duì)三維地質(zhì)體選取較優(yōu)的劃分坐標(biāo)系，從而剖分出高質(zhì)量的網(wǎng)格單元。下面將基于實(shí)例數(shù)據(jù)，介紹SGrid三維地質(zhì)實(shí)體模型的具體建立方式。

圖3 SGrid三維地質(zhì)實(shí)體模型的u-v-w坐標(biāo)系示意圖

SGrid三維地質(zhì)實(shí)體模型的建立需要確保在z方向上，有同一地層的上地層面和下地層面兩個(gè)地層面，它通過(guò)在上地層面和下地層面兩個(gè)地層面中剖分出一定數(shù)量的離散單元，從而構(gòu)建相應(yīng)的三維地質(zhì)實(shí)體模型，其主要建立步驟如下。

1）建立原始的地質(zhì)界面。這里以研究區(qū)的更新統(tǒng)沖洪積層SGrid三維地質(zhì)實(shí)體模型建立過(guò)程為例，首先利用GOCAD軟件的DSI算法連接經(jīng)過(guò)數(shù)字化和空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的相鄰輪廓線的更新統(tǒng)沖洪積層巖層的上地層面和下地層面模型（見圖4）。

圖4 研究區(qū)更新統(tǒng)沖洪積層巖層的上地層面和下地層面模型示意圖

2）生成Voxet。利用步驟1）構(gòu)建的更新統(tǒng)沖洪積層巖層的上地層面和下地層面模型，生成一個(gè)包圍盒Voxet（見圖5），這是為防止在構(gòu)建三維地質(zhì)實(shí)體模型時(shí)出現(xiàn)上地層面和下地層面模型之間不貼合、有少量間隙的情況（見圖6中橢圓圈定部分），這種情況的出現(xiàn)會(huì)使得巖體沒(méi)有完全接觸，從而導(dǎo)致后續(xù)進(jìn)行地質(zhì)分析的模擬結(jié)果出現(xiàn)問(wèn)題。

圖5 研究區(qū)更新統(tǒng)沖洪積層巖層的Voxet示意圖

圖6 更新統(tǒng)沖洪積層和全新統(tǒng)沖洪積層模型之間不貼合的示例圖

3）選定剖分方向，設(shè)定網(wǎng)格密度，生成SGrid三維地質(zhì)實(shí)體模型。根據(jù)更新統(tǒng)沖洪積層巖層層面模型的方向，設(shè)定u、v、w 3個(gè)方向，并設(shè)置u、v、w方向的剖分?jǐn)?shù)量分別為31、21、6，生成的SGrid三維地質(zhì)實(shí)體模型見圖7。

圖7 研究區(qū)更新統(tǒng)沖洪積層SGrid三維地質(zhì)實(shí)體模型

4）整體SGrid三維地質(zhì)實(shí)體模型的生成。以更新統(tǒng)沖洪積層巖層層面模型生成的Voxet作為整體SGrid三維地質(zhì)實(shí)體模型的約束范圍，重復(fù)步驟1）和步驟3）兩步，最終建立的實(shí)例礦床的巖體SGrid三維地質(zhì)實(shí)體模型見圖8。

圖8 研究區(qū)工程地質(zhì)的SGrid三維地質(zhì)實(shí)體模型示例圖

3.2 三維地質(zhì)實(shí)體模型網(wǎng)格單元文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

三維地質(zhì)實(shí)體模型的構(gòu)建是后續(xù)地質(zhì)分析進(jìn)行數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，由于市面上的大部分?jǐn)?shù)值模擬軟件更看重模擬分析及其計(jì)算過(guò)程功能的開發(fā)，因此相對(duì)而言，建模功能就顯得比較薄弱，只能建立簡(jiǎn)單的地質(zhì)概念模型。而GOCAD軟件能夠根據(jù)實(shí)際勘探資料，建立復(fù)雜的三維地質(zhì)實(shí)體模型，正好彌補(bǔ)數(shù)值模擬軟件建模功能的不足。但是將三維地質(zhì)實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為數(shù)理模型的過(guò)程中，會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的排列順序以及單元編號(hào)的不同（見圖9）而導(dǎo)致模型在數(shù)值模擬軟件中不能正常顯示。因此，需要對(duì)GOCAD軟件中的SGrid三維地質(zhì)實(shí)體模型的六面體網(wǎng)格單元的排布進(jìn)行相應(yīng)的分析，便于后續(xù)將三維地質(zhì)實(shí)體模型應(yīng)用到相應(yīng)的數(shù)值模擬軟件中。

圖9 GOCAD軟件的六面體網(wǎng)格單元的節(jié)點(diǎn)排列

由于在SGrid中，I、J、K對(duì)應(yīng)于坐標(biāo)軸u、v、w，因此SGrid網(wǎng)格單元位置的表示是由I、J、K坐標(biāo)系所決定的（見圖10）。

圖10 GOCAD軟件中SGrid三維地質(zhì)實(shí)體模型的示例文件

那么，在數(shù)值模擬軟件中導(dǎo)入GOCAD軟件建立的SGrid三維地質(zhì)實(shí)體模型的六面體網(wǎng)格單元，就只需對(duì)該數(shù)值模擬軟件的六面體網(wǎng)格單元的排布進(jìn)行相應(yīng)的分析，并將其與GOCAD軟件導(dǎo)出的網(wǎng)格單元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，編寫相應(yīng)的轉(zhuǎn)換接口，將每一個(gè)網(wǎng)格單元按照需要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可。具體而言，首先將GOCAD軟件的三維地質(zhì)實(shí)體模型的網(wǎng)格單元文件導(dǎo)出，讀取文件中SGrid三維地質(zhì)實(shí)體模型中的所有節(jié)點(diǎn)，并讓文件根據(jù)行號(hào)排列，然后構(gòu)建第一個(gè)brick單元，最后用前沿推進(jìn)的思想逐步生成網(wǎng)格單元。

4 結(jié)論與展望

1）基于GOCAD三維地質(zhì)建模軟件，研究了其地層?xùn)鸥穹ǖ娜S地質(zhì)實(shí)體模型的建模方法，借助該方法建立了某工程地質(zhì)復(fù)雜地質(zhì)空間中的三維地質(zhì)實(shí)體模型。

2）在三維地質(zhì)實(shí)體模型的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)值模擬，本文研究了GOCAD三維地質(zhì)建模軟件中六面體網(wǎng)格單元文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)分析了其節(jié)點(diǎn)排布的規(guī)律和格式，便于不同軟件中三維地質(zhì)實(shí)體模型的相互轉(zhuǎn)換及其正確顯示。