基于地表數(shù)據(jù)及產(chǎn)狀數(shù)據(jù)的交切斷層建模方法研究

趙義來, Alison Ord, 湯靜如, 胡榮國, 楊啟軍,汪勁草, 王本達(dá)

基于地表數(shù)據(jù)及產(chǎn)狀數(shù)據(jù)的交切斷層建模方法研究

趙義來1, 2, 3, Alison Ord3, 湯靜如1, 2, 胡榮國1, 2, 楊啟軍1,汪勁草1, 王本達(dá)4

(1. 桂林理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 桂林 541004; 2. 桂林理工大學(xué), 有色金屬礦產(chǎn)勘查與資源高效利用協(xié)同創(chuàng)新中心, 廣西 桂林 541004; 3. Centre for ExplorationTargeting, School of Earth Sciences, University of Western Australia, Perth, WA 6009, Australia; 4. 中國有色集團(tuán)(廣西)平桂飛碟股份有限公司, 廣西 賀州 542800)

三維地質(zhì)建模是地質(zhì)研究的有力工具, 斷層的三維建模比其他地質(zhì)體建模具有更大的難度, 其中一個(gè)主要難題是交切斷層切割關(guān)系的處理。本文以廣西珊瑚礦田為例, 探討了基于地表數(shù)據(jù)和產(chǎn)狀數(shù)據(jù)的交切斷層建模方法, 采用地表斷層線?剖面斷層軌跡?系列斷層線?斷層面的技術(shù)路線進(jìn)行切割斷層建模, 采用初始斷層面?斷后約束條件?交切處理?約束插值的技術(shù)路線進(jìn)行被切割斷層的建模, 并與其他建模方法的建模效果進(jìn)行對(duì)比和討論。最終形成了如下建模方法: ①以旋轉(zhuǎn)法求取部分切割斷層的錯(cuò)開部位約束, 以平移法求取完全切割斷層的錯(cuò)開部位約束; 以斷層錯(cuò)開部位約束、地表斷層線約束及斷層面邊界約束為控制條件, 進(jìn)行斷層面DSI插值, 實(shí)現(xiàn)斷層錯(cuò)動(dòng); ②局部法建模、分段斷層線的平移連接及過度追求完全切割關(guān)系建?？赡芊謩e引起斷層面延展可控性差、斷面整體偏移誤差及沿走向過度延伸問題, 與地質(zhì)事實(shí)相悖, 故本文優(yōu)選采用了整體法建模、順延連接分段斷層線及遵從原有切割關(guān)系的處理方法, 獲得了較好的建模效果。

三維地質(zhì)建模; 交切斷層; 部分切割; 約束插值; 珊瑚礦田

0 引 言

三維地質(zhì)建模是地學(xué)研究的有力工具, 所建模型可服務(wù)于地質(zhì)體空間關(guān)系分析(Zanchi et al., 2009)、地質(zhì)屬性分析(賈卓等, 2021)、地質(zhì)過程數(shù)值模擬(Zou et al., 2019)等研究。不同的研究具有不同的建模目標(biāo): 地質(zhì)體空間關(guān)系分析需要進(jìn)行幾何建模; 地質(zhì)屬性分析和地質(zhì)過程數(shù)值模擬需要進(jìn)行屬性建模。從模型類型來看(吳立新等, 2003): 幾何建模多建立曲面模型; 屬性建模則需建立網(wǎng)格模型; 網(wǎng)格模型一般是在曲面模型的基礎(chǔ)上建立實(shí)體模型, 再對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行剖分得到的。可見, 幾何建模在三維地質(zhì)建模工作中處于基礎(chǔ)性地位, 模型質(zhì)量的好壞不僅會(huì)影響后續(xù)網(wǎng)格模型質(zhì)量, 也影響研究結(jié)論的可信度。

斷層是一類常見的建模對(duì)象, 因其切割其他地質(zhì)體, 控制研究區(qū)的構(gòu)造格架, 而且還記錄構(gòu)造演化信息, 因此, 斷層的建模效果對(duì)模型質(zhì)量有重要影響。從斷層建模的總體思路來看, 其建模方法可分為整體法和局部法(朱良峰和潘信, 2008)。整體法(Wu et al., 2005; 熊天鶴和袁紅旗, 2018)基于對(duì)斷盤標(biāo)志層的恢復(fù)進(jìn)行建模, 通過對(duì)研究區(qū)構(gòu)造發(fā)育歷史進(jìn)行反演, 得出初始未錯(cuò)斷的地質(zhì)模型, 再通過正演計(jì)算構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成的地層或斷層面的位移或應(yīng)變, 該建模過程從地質(zhì)成因視角出發(fā), 所建模型更符合地質(zhì)過程和地質(zhì)規(guī)律。局部法(Wu and Xu, 2003; 王統(tǒng)等, 2020)是基于分區(qū)插值的斷層建模技術(shù), 對(duì)被錯(cuò)斷的地質(zhì)體分別建模, 最終形成研究區(qū)的整體模型, 因該方法進(jìn)行模型分塊處理, 具有較高的靈活性, 但在數(shù)據(jù)不足的情況下, 各曲面、塊體相接部位會(huì)出現(xiàn)與地質(zhì)事實(shí)不符的情況, 須在各斷層模型完成后及時(shí)檢查、修正被切割地質(zhì)體的對(duì)應(yīng)情況。

在建模的具體實(shí)現(xiàn)上, 包括人機(jī)交互建模和自動(dòng)化建模兩種方式。隨著技術(shù)和算法的進(jìn)步, 自動(dòng)化建模的程度不斷提高, 尤其在構(gòu)造簡(jiǎn)單區(qū)的應(yīng)用更為廣泛, 所采用的算法包括序貫高斯模擬(sequential gaussian simulation)及等值面提取(Cherpeau et al., 2010)、斷層表達(dá)式法(孫勁光和高天鵬, 2016)、方向包圍盒(oriented bounding box, OBB)碰撞檢測(cè)法(張慧等, 2018)、Hermite徑向基函數(shù)(HRBF)法和二叉樹結(jié)構(gòu)法(鄒艷紅等, 2020)等。對(duì)于構(gòu)造復(fù)雜區(qū), 則需要依據(jù)地質(zhì)知識(shí)不斷進(jìn)行判斷和干預(yù), 以及時(shí)修正建模方向, 確保地質(zhì)合理性, 因此人機(jī)交互建模仍是不可或缺的手段, Duvinage (2000)通過刪除及重繪多邊形線段, 對(duì)建模過程中生成的斷層多邊形進(jìn)行人機(jī)交互修正, 以避免網(wǎng)絡(luò)空洞及畸變的產(chǎn)生; Tertois and Mallet (2007)探討了有新數(shù)據(jù)加入時(shí)斷層位置的調(diào)整方法, 通過人工拖動(dòng)斷層控制點(diǎn)至更新位置, 再自動(dòng)計(jì)算控制點(diǎn)的變形矢量, 并通過離散光滑插值(DSI)對(duì)鄰近節(jié)點(diǎn)的變形矢量進(jìn)行調(diào)整, 實(shí)現(xiàn)模型網(wǎng)格的局部修改; Guo et al. (2018)基于HRBF方法進(jìn)行斷層及地質(zhì)界面建模, 其中原始數(shù)據(jù)的輸入采用了手動(dòng)描繪和自動(dòng)獲取兩種方式, 提高了對(duì)建模過程的監(jiān)控和地質(zhì)知識(shí)的融入度。

相較于其他地質(zhì)體建模, 斷層建模具有更大的難度, 表現(xiàn)在對(duì)部分切割關(guān)系的處理, 即兩盤標(biāo)志層的建模。如果標(biāo)志層被完全錯(cuò)開, 建模難度相對(duì)較小, 可用局部法對(duì)兩盤標(biāo)志層分別建模, 并將其約束至斷層面; 也可采用整體法先對(duì)錯(cuò)斷前的標(biāo)志層恢復(fù)、建模, 再用斷層截切、平移, 實(shí)現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)。若標(biāo)志層被部分切割、錯(cuò)開, 其錯(cuò)開距離由開裂點(diǎn)向斷層內(nèi)部逐漸增大, 不能簡(jiǎn)單以某個(gè)滑距值對(duì)兩盤進(jìn)行平移處理, 而應(yīng)從標(biāo)志層開裂點(diǎn)到它在斷層內(nèi)的尖滅點(diǎn)進(jìn)行滑距插值, 從而建立部分切割關(guān)系。

斷層建模的難度還表現(xiàn)在其深部位置數(shù)據(jù)和產(chǎn)狀數(shù)據(jù)獲取困難, 導(dǎo)致斷層的延伸/延深與尖滅情況難以確定。對(duì)于這一問題, 有研究者對(duì)斷層進(jìn)行簡(jiǎn)化處理, 方法有三種(Hoffman et al., 2007): ①將斷層依趨勢(shì)延伸/延深至模型邊界, 便于處理斷層與地層、斷層與斷層的截切問題; ②對(duì)于同傾向斷層, 減小斷層延深量, 以避免交切; ③對(duì)于反傾向斷層, 在相交無法避免的情況下, 移動(dòng)或移走個(gè)別斷層。也有研究者通過對(duì)斷層延伸規(guī)模、位移量、剖面幾何特征、標(biāo)志層幾何特征的研究, 由已知參數(shù)推斷未知參數(shù), 進(jìn)行斷層建模(Gillespie et al., 1992; Galera et al., 2003; 宋忠航等, 2015; 劉光偉等, 2018)。若將地質(zhì)模型用于數(shù)值模擬, 一種常見的處理方法是在尊重基本地質(zhì)事實(shí)的前提下, 將模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化, 以使研究工作聚焦于所關(guān)注的地質(zhì)因素及過程, 并在一定程度上降低建模難度。

針對(duì)以上難點(diǎn), 本文以廣西珊瑚礦田為例, 探討基于地表數(shù)據(jù)和產(chǎn)狀數(shù)據(jù)的交切斷層建模方法, 通過人機(jī)交互進(jìn)行曲面建模, 并對(duì)局部法與整體法建模、部分切割關(guān)系插值、斷層的延伸/延深推斷等方面進(jìn)行了建模試驗(yàn)與討論, 以期為斷層三維地質(zhì)建模工作提供思路和參考。

1 地質(zhì)背景

珊瑚礦田位于桂東北富賀鐘成礦帶中部, 是我國重要的鎢錫礦生產(chǎn)基地。礦田內(nèi)出露地層主要為泥盆系, 是礦區(qū)原生鎢錫賦礦地層。區(qū)內(nèi)出露巖漿巖為鹽田嶺花崗巖巖株, 據(jù)推測(cè), 長營嶺和松宮兩處存在隱伏花崗巖體(宋慈安, 2001)。礦田內(nèi)發(fā)育斷裂及褶皺構(gòu)造, 其中斷裂是重要的構(gòu)造類型, 控制該區(qū)的構(gòu)造格架及主要礦化產(chǎn)出。主干斷層F1和F3將該區(qū)分割為西區(qū)EW向褶皺帶、中區(qū)NE向擠壓帶和東區(qū)SN向褶皺帶(圖1)。中區(qū)發(fā)育NE向及NW向斷裂, 形成網(wǎng)狀構(gòu)造格局, 控制了礦田主要礦化類型鎢錫石英脈型礦體的產(chǎn)出; 西區(qū)和東區(qū)產(chǎn)出(近)EW向、(近)SN向、NE向和NW向斷裂; 礦田內(nèi)斷裂具有多期活動(dòng)特征并互有切割, 從現(xiàn)今所展現(xiàn)的交切關(guān)系來看, 具有(近)EW向/NW向斷裂切割NE向斷裂, NE向斷裂切割(近)SN向斷裂的特點(diǎn)。

2 斷層特征及復(fù)雜性

本文所建曲面模型擬服務(wù)于礦田網(wǎng)格建模及成礦過程數(shù)值模擬, 因此, 建立成礦模擬起算時(shí)刻的模型, 而非現(xiàn)今所見地質(zhì)模型。珊瑚礦田主成礦作用發(fā)生在100.2～102.7 Ma(Li et al., 2015; Zhang et al., 2020), 成礦起算時(shí)刻取K1末期, 此時(shí)該區(qū)受NWW-SEE向拉張應(yīng)力場(chǎng)控制(韋昌山等, 1993; 舒良樹, 2012; Wang and Shu, 2012; Mao et al., 2013; 舒良樹等, 2020),出于數(shù)值計(jì)算邊界條件施加的需要, 將模型長軸設(shè)為120°方向。

2.1 斷層切割層位

下文主要以中區(qū)NE向、NW向斷層為例進(jìn)行建模方法探討。據(jù)桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院(2008)關(guān)于本礦區(qū)的地質(zhì)資料, 區(qū)內(nèi)斷層一般切入下泥盆統(tǒng)蓮花山組(D1), 西區(qū)SN向陡傾斷層則切入寒武系。向淺部, NE向、NW向斷層主要形成于燕山早期, 至成礦起算時(shí)刻, 侏羅系已經(jīng)沉積, 并被NE向、NW向斷層切割, 之后下白堊統(tǒng)(K1)基本完成沉積, 相關(guān)文獻(xiàn)、資料未顯示NE向、NW向斷層具有同沉積斷層的特征, 故認(rèn)為其不切割K1。

2.2 斷層性質(zhì)及交切關(guān)系

中區(qū)斷層現(xiàn)今表現(xiàn)的切割關(guān)系為NW向斷層切割NE向斷層, 并呈左行錯(cuò)動(dòng), 根據(jù)兩組斷層的產(chǎn)狀特征推斷, NW向斷層總體表現(xiàn)為張性, 即正向錯(cuò)動(dòng), 模型中, 須在現(xiàn)今關(guān)系的基礎(chǔ)上移除喜山期SN向壓應(yīng)力場(chǎng)及燕山晚期NWW-SEE向弧后伸展的影響。喜山期作用下, NW向斷層和NE向斷層均為壓剪性; 燕山晚期, 應(yīng)力場(chǎng)對(duì)NW向斷層影響不大(2與斷層走向垂直), NE向斷層則呈張性, 消除上述兩期作用的影響后, 成礦起算時(shí)刻, NW向斷層仍為張剪性, 而NE向斷層很大可能為壓剪性(兩期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響相反, 而度量尚未知), 其性質(zhì)與現(xiàn)今觀察一致, 故沿用這一關(guān)系進(jìn)行成礦起算時(shí)刻建模?；谏鲜龇治? 建立該區(qū)典型剖面的概念模型(圖2)。

3 交切斷層三維建模

交切斷層建模流程見圖3, 包括斷層線的編輯與提取、切割斷層建模和被切割斷層建模3個(gè)步驟, 各步驟的詳細(xì)方法介紹如下。

圖3 基于地表數(shù)據(jù)及產(chǎn)狀數(shù)據(jù)的交切斷層建模過程

3.1 斷層線的編輯與提取

以地表數(shù)據(jù)及產(chǎn)狀數(shù)據(jù)作為斷層建模數(shù)據(jù)來源, 地表數(shù)據(jù)為斷層在地表的出露跡線, 產(chǎn)狀數(shù)據(jù)為斷層在地表及坑道出露的傾向、傾角, 未獲得數(shù)據(jù)的斷層參照同組斷層數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。斷層跡線數(shù)據(jù)見圖1, 產(chǎn)狀數(shù)據(jù)見表1。

表1 珊瑚礦田主要斷層產(chǎn)狀數(shù)據(jù)

斷層線的編輯與提取在AutoCAD中完成。在不影響地層單元?jiǎng)澐值那疤嵯? 將同方向的多條斷層適當(dāng)進(jìn)行刪除、簡(jiǎn)化。NE向斷層線被NW向斷層錯(cuò)斷, 對(duì)其進(jìn)行順延聯(lián)結(jié), 恢復(fù)至斷前狀態(tài), 具體做法是: 將兩盤斷點(diǎn)回縮、相連, 回縮量各取滑距的1/2, 調(diào)整斷點(diǎn)鄰近節(jié)點(diǎn), 使聯(lián)結(jié)后的斷層線平滑; NW向斷層線未被錯(cuò)斷, 直接提取使用。

3.2 切割斷層建模

斷層線提取后, 建立斷層曲面模型, 在GOCAD平臺(tái)進(jìn)行曲面建模。GOCAD是一款主要用于油藏、地質(zhì)、地球物理等領(lǐng)域的三維地質(zhì)建模軟件, 它基于離散光滑插值(DSI)技術(shù), 以工作流程為核心, 可以完成點(diǎn)、線、面、體的全方位建模; 軟件采用了對(duì)不規(guī)則地質(zhì)體適應(yīng)能力很強(qiáng)的三角剖分和四面體剖分技術(shù), 尤其適用于建立各種復(fù)雜地質(zhì)體的三維模型。

首先對(duì)切割斷層建模, 本文所述“切割斷層”是指切割其他斷層的斷層, 即NW向斷層。在與斷層總體走向垂直的方向建立剖面, 在剖面中, 基于地表斷層線及產(chǎn)狀數(shù)據(jù)繪制斷層軌跡; 基于前述斷層切割層位的推斷, 將斷層軌跡沿傾向平滑順延; 在剖面斷層軌跡約束下, 將地表斷層線復(fù)制到不同標(biāo)高, 得到系列斷層線。

將斷層線導(dǎo)入到GOCAD軟件, 采用斷面?不規(guī)則三角網(wǎng)(Section-TIN)法建立斷層曲面模型(圖4), 該方法以連續(xù)平、剖面圖上的曲線節(jié)點(diǎn)為數(shù)據(jù)源, 按照一定的插點(diǎn)層數(shù)對(duì)曲線間的空白區(qū)域進(jìn)行不規(guī)則三角面剖分, 從而獲得地質(zhì)體曲面模型(吳立新等, 2003)。曲面三角網(wǎng)尺寸受線上節(jié)點(diǎn)間距及線間插點(diǎn)層數(shù)控制, 本文主要關(guān)注斷層的曲面建模及交切處理方法, 故節(jié)點(diǎn)間距沿用原始數(shù)據(jù), 線間插點(diǎn)層數(shù)采用默認(rèn)設(shè)置, 未做調(diào)整。在后續(xù)基于曲面模型的網(wǎng)格模型建模中, 再對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行拓?fù)湟恢滦詸z驗(yàn)、節(jié)點(diǎn)調(diào)整(網(wǎng)格尺寸控制)及模型二次重構(gòu)。

(a) 剖面斷層軌跡, 灰色面為地表面, 加粗紅線為NW向斷層地表跡線; (b) 系列斷層線, 為便于觀察, 消隱了除NW向斷層外的其他地表斷層線; (c) 斷層曲面模型, 向NW看; (d) 斷層曲面模型, 向W看, 為了便于觀察, 消隱了其余3條斷層。

3.3 被切割斷層建模

被切割斷層, 即NE向斷層, 建模的技術(shù)難點(diǎn)在于錯(cuò)動(dòng)關(guān)系的表達(dá), 通過多種方法的對(duì)比試驗(yàn), 本文基于整體法建模思路, 采用建立初始斷層面?求取斷后約束條件?交切處理?約束插值的技術(shù)路線進(jìn)行建模, 下文以F5斷層為例, 進(jìn)行闡述。

(1) 建立初始斷層面。NE向斷層建模與NW向斷層建模方法類似, 基于地表斷層線及前述典型剖面概念模型, 以Section-TIN法建立F5的初始斷層面, 此時(shí)斷層面為完整曲面, 未被NW向斷層切割。通過三維場(chǎng)景觀察可知, NW向斷層對(duì)F5的切割關(guān)系分為完全切割(F8)和部分切割(F27、F17、F49), 以下將對(duì)兩種情況分別求取斷后約束條件。

(2) 求取斷后約束條件。約束條件包括3類: 斷層錯(cuò)開部位約束、地表斷層線約束及斷層面邊界約束, 將其用于F5初始斷層面插值, 作用在于實(shí)現(xiàn)斷層面交切錯(cuò)動(dòng), 將斷層面擬合至原始數(shù)據(jù), 以及避免曲面邊界畸變的發(fā)生。

斷層錯(cuò)開部位約束控制斷層錯(cuò)動(dòng)后兩盤開裂面的最終位置。對(duì)于部分切割關(guān)系, 以F5被F17切割為例, 如圖5所示, AOB為斷層F5的初始剖面軌跡, F5被F17切割, O為開裂點(diǎn), OB段被錯(cuò)動(dòng)為OC和OD兩部分, C′、D′分別為OC、OD與現(xiàn)今地表的交點(diǎn)。B點(diǎn)的錯(cuò)動(dòng)過程包含沿F17走向和傾向的位移, 因此斷后約束OC和OD的求取可通過斷層面F5沿O點(diǎn)(空間上為一直線, 本文取F5過O點(diǎn)的走向線)的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)。參照地表斷層線的錯(cuò)動(dòng)位置, 將F5分別旋轉(zhuǎn)至過C′及D′點(diǎn), 求取F5與F17的交線, 得到F5開裂部位的斷后約束。對(duì)于完全切割關(guān)系(被F8切割), 依地表所示錯(cuò)動(dòng)量(滑距), 將F5初始斷層面分別平移至兩盤錯(cuò)動(dòng)后的位置, 并提取其與切割斷層(F8)的交線, 即為所求約束(圖6)。

圖5 斷層部分切割關(guān)系示意圖(觀察視角平行于F5走向線)

(a) 俯視圖; (b) F5與F8交切關(guān)系, F5a和F5b分別為斷層F5平移后的曲面位置。觀察框水平剖切至地表高度。

由于對(duì)NE向斷層線進(jìn)行了斷點(diǎn)順延聯(lián)結(jié),對(duì)其鄰近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了位置修改編輯, 斷層面在上述位置偏離建模數(shù)據(jù), 地表斷層線約束的作用是在插值處理中將斷層面擬合回原始建模數(shù)據(jù), 消除誤差。故提取F5的地表分段斷層線, 作為約束條件之一。

斷層面邊界約束的目的是保證曲面插值過程中其邊界不發(fā)生畸變。沿?cái)鄬舆吔缡┘臃ㄏ蚣s束, 使邊界節(jié)點(diǎn)在插值中僅沿?cái)鄬用娣ㄏ蛞苿?dòng), 以避免面網(wǎng)邊界塌陷; 又因初始斷層面的邊界是基于地表數(shù)據(jù)延伸推斷而來的, 無須將其完全約束, 僅沿法向移動(dòng)為插值提供了更為靈活的選擇, 可避免多維度約束下插值導(dǎo)致的面網(wǎng)拓?fù)溴e(cuò)誤。

(3) 交切處理。之所以先提取約束, 再進(jìn)行交切處理, 是因?yàn)榻磺胁僮鲿?huì)增加斷層開裂部位節(jié)點(diǎn)數(shù), 若在此基礎(chǔ)上提取約束條件, 將使約束點(diǎn)大量增加, 不僅對(duì)控制斷層面的錯(cuò)動(dòng)意義不大, 且易于在插值過程造成拓?fù)溴e(cuò)誤。以4條NW向斷層對(duì)F5進(jìn)行交切處理, 獲得相應(yīng)開裂面, 每個(gè)開裂面為斷層面新增兩條邊界, 邊界兩兩重合, 尚未錯(cuò)動(dòng)。

(4) 約束插值。將上述約束條件以控制節(jié)點(diǎn)的形式施加至斷層面, 各約束條件與斷層面的關(guān)系如圖7所示。進(jìn)行約束下曲面插值, 插值方法選用GOCAD內(nèi)置的離散光滑插值(DSI)技術(shù), 該技術(shù)最早由Mallet (1992)提出, 它是根據(jù)約束條件所提供的某些點(diǎn)的目標(biāo)位置, 在這些點(diǎn)的一定鄰域內(nèi), 通過解線性方程組求取待插值點(diǎn)的空間位置, 且插值過程中使全局粗糙度和約束違反度具有最小值。因此, 離散光滑插值生成的曲面既能準(zhǔn)確地?cái)M合約束, 又能有效地控制網(wǎng)格畸變, 對(duì)于地質(zhì)體建模有很強(qiáng)的適應(yīng)性。通過插值實(shí)現(xiàn)錯(cuò)動(dòng), 完成交切斷層建模(圖8、9)。

圖中僅顯示一條NW向斷層F8, 以示其與F5斷層及約束條件的位置關(guān)系; 為便于觀察, 消隱了斷層面三角網(wǎng), F5曲面設(shè)置為半透明。

通過插值, 實(shí)現(xiàn)了各開裂面的錯(cuò)動(dòng); 顯示了F5曲面的三角網(wǎng), 以示約束條件對(duì)三角網(wǎng)及節(jié)點(diǎn)的控制作用; 圖中僅顯示一條NW向斷層F8, 并設(shè)為半透明, 以便于觀察; 各約束條件的說明同圖7。

(a) 向NE看; (b) 俯視, 建模結(jié)果顯示了不同方向斷層的切割關(guān)系, 并完全吻合原始建模數(shù)據(jù)(地表斷層線)。

4 討 論

除了上述優(yōu)選建模方法, 本文還嘗試使用了其他方法進(jìn)行建模, 用來對(duì)比討論。

4.1 局部法與整體法建模對(duì)比

局部法建模是采用分段建模的思路建立F5各段斷層曲面模型, 通過直接提取平面各段斷層線, 分別生成其系列剖面線, 以Section-TIN法建立各段斷層面, 再以NW斷層為邊界, 對(duì)各段斷層面進(jìn)行延伸或剪切處理, 使之限定在對(duì)應(yīng)的斷盤內(nèi)。

通過試驗(yàn)認(rèn)為, 該方法在延伸處理環(huán)節(jié)存在可控性差的問題。因?yàn)榉侄螖鄬用媸前凑崭鞫蔚淖呦蜈厔?shì)進(jìn)行延伸的, 若斷層走向在相鄰斷盤發(fā)生反轉(zhuǎn), 建模結(jié)果無法表達(dá)這一特征(圖10); 另外, 在剖面上也會(huì)引起相鄰盤斷層面的錯(cuò)動(dòng)關(guān)系與地質(zhì)事實(shí)不甚相符, 如淺部右行錯(cuò)動(dòng)、深部左行錯(cuò)動(dòng)(圖11)。欲提高斷面延展的可控性, 須將相鄰盤的斷層線設(shè)置為約束條件進(jìn)行插值修正。相比之下, 將各段斷層線先行連接, 以整體法建模, 再進(jìn)行剪切、錯(cuò)動(dòng)是一個(gè)相對(duì)高效且符合地質(zhì)規(guī)律的做法。

(a) 局部法建模, 斷層沿走向延伸后與相鄰斷盤數(shù)據(jù)不甚相符; (b) 整體法建模, 斷層面與建模數(shù)據(jù)吻合度高。觀察框水平剖切至地表高度。

F5(NE)為斷層F5北東段, F5(SW)為斷層F5南西段, 白色線為斷層F5與F8交線, 向NE看。

4.2 斷層線平移連接與順延連接對(duì)比

進(jìn)行整體法建模, 需要對(duì)地表斷層線進(jìn)行連接, 前文采用了順延連接, 茲討論平移連接方法及其建模效果。以F5斷層為例, 該斷層由北向南被NW向斷層切割為5段, 記為a、b、c、d、e; 保持c段位置不變, b、a段依次向SE平移, d、e段依次向NW平移, 與c段連接, 得F5完整斷層線; 生成系列斷層線, 建立初始斷層面, 求取斷后約束條件, 交切處理及約束插值, 建立模型。

通過對(duì)比, 認(rèn)為該方法存在斷層面整體偏移誤差, 通過約束插值仍然無法消除。雖然借助地表斷層線約束, 可將地表位置的曲面插值擬合至原始數(shù)據(jù), 但在其他高程上, 斷層面仍然存在整體偏移, 即F5的南西段向NW偏, 北東段向SE偏(圖12)。該誤差源自各段地表斷層線平移, 并傳導(dǎo)至系列斷層線和斷層曲面。而順延連接方法對(duì)F5斷層線的修改僅限于各段斷點(diǎn)及其附近節(jié)點(diǎn), 并可通過約束插值進(jìn)行消除, 建模效果較好。

黃色面為斷層線順延連接所建模型, 藍(lán)色面為斷層線平移連接所建模型, 紅色線為地表斷層線。

4.3 斷層面完全切割與部分切割對(duì)比

建模過程中, 依產(chǎn)狀將地表斷層線沿傾向延伸、建模, 常導(dǎo)致地表未交切斷層在其他高程發(fā)生交切, 形成部分切割關(guān)系, 這一現(xiàn)象在緩至中等傾斜斷層區(qū)的表現(xiàn)尤為明顯。因部分切割關(guān)系的建模具有難度, 簡(jiǎn)化起見, 嘗試將切割斷層沿走向順延, 形成完全切割。通過與原始建模數(shù)據(jù)對(duì)比, 認(rèn)為斷層曲面存在過度延伸問題(圖13), 不難推斷, 對(duì)于多組斷層建模, 此方法會(huì)造成不同方向斷層的“攀比式”順延, 導(dǎo)致所有切割斷層均延伸至模型邊界, 大大背離原始建模數(shù)據(jù)?？梢? 斷層建模中, 部分切割關(guān)系往往不可避免, 應(yīng)遵從地質(zhì)事實(shí)開展建模工作; 若須將斷層面沿走向延伸, 則應(yīng)基于斷層規(guī)模、標(biāo)志層特征、位移量等參數(shù)的研究認(rèn)識(shí), 慎重進(jìn)行。

(a) NW向斷層對(duì)NE向斷層的完全切割, 向北東平視; (b) NW向斷層面與地表斷層線的對(duì)比, 斷層面大大超出地表斷層線。觀察框水平剖切至地表。

此外, GOCAD軟件自帶的構(gòu)造建模工作流(workflow)功能具有交互性好、建模精度高等特點(diǎn), 對(duì)于交切斷層等復(fù)雜地質(zhì)體建模具有借鑒意義。

5 結(jié)論及展望

本文以廣西珊瑚礦田為例, 探討了基于地表數(shù)據(jù)和產(chǎn)狀數(shù)據(jù)的交切斷層建模方法, 通過對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的不同建模方法的對(duì)比試驗(yàn)研究, 形成了如下認(rèn)識(shí):

(1) 采用地表斷層線?剖面斷層軌跡?系列斷層線?斷層面的路線進(jìn)行切割斷層建模; 在切割斷層建模路線的基礎(chǔ)上, 采用建立初始斷層面?求取斷后約束條件?交切處理?約束插值的路線進(jìn)行被切割斷層建模。

(2) 在斷后約束條件的求取上, 以旋轉(zhuǎn)法求取部分切割斷層的錯(cuò)開部位約束, 以平移法求取完全切割斷層的錯(cuò)開部位約束; 約束插值方面, 以斷層錯(cuò)開部位約束、地表斷層線約束及斷層面邊界約束為控制條件, 進(jìn)行斷層面DSI插值, 實(shí)現(xiàn)斷層錯(cuò)動(dòng)。

(3) 通過對(duì)比建模試驗(yàn)認(rèn)為, 局部法建模存在斷層走向延伸可控性差的問題, 分段斷層線的平移連接會(huì)引起斷層面的整體偏移誤差, 過度追求完全切割關(guān)系建模將導(dǎo)致斷層沿走向的過度延伸, 因此, 在上述三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)上, 本文優(yōu)選整體法建模、分段斷層線的順延連接及遵從原有切割關(guān)系的建模處理方法。

(4) 本文通過人機(jī)交互的方式建立模型, 若能基于計(jì)算機(jī)編程及軟件平臺(tái)的二次開發(fā), 自動(dòng)擬合斷層曲面方程并求取插值約束條件, 將有助于建模效率的較大提升。此外, 若將模型用于地質(zhì)過程數(shù)值模擬, 還須在斷層格架的基礎(chǔ)上建立地層曲面模型, 并對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行拓?fù)湟恢滦詸z驗(yàn)、節(jié)點(diǎn)調(diào)整(網(wǎng)格尺寸控制)及二次重構(gòu), 以獲得計(jì)算用網(wǎng)格模型, 相關(guān)工作將作它文另述。

致謝:兩位審稿專家中南大學(xué)劉亮明教授及合肥工業(yè)大學(xué)李曉暉副教授為本文提出了寶貴的意見和建議, 使論文質(zhì)量得到了很大的提升, 在此致以誠摯的謝意。

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Study on Modelling Method of Intersecting Faults Based on Surface and Occurrence Data

ZHAO Yilai1, 2, 3, ALISON Ord3, TANG Jingru1, 2, HU Rongguo1, 2, YANG Qijun1, WANG Jincao1, WANG Benda4

(1. Guangxi Key Laboratory of Exploration for Hidden Metallic Ore Deposits, School of Earth Sciences, Guilin University of Technology, Guilin 541004, Guangxi, China; 2. Collaborative Innovation Center for Exploration of Nonferrous Metal Deposits and Efficient Utilization of Resources, Guilin University of Technology, Guilin 541004, Guangxi, China; 3. Centre for Exploration Targeting, School of Earth Sciences, Universityof Western Australia, Perth, WA 6009, Australia; 4. Pinggui Feidie Co. Ltd., China Nonferrous Metal Mining Group, Hezhou 542800, Guangxi, China)

3D geological modelling is one of the powerful tools for geological research. The modelling of faults is more complicated than that of other geological bodies, especially in the modelling of a fault partly cutting and offsetting another one. Taking the Shanhu orefield as an example, this paper studies the methods of modelling the intersecting faults based on their surface and occurrence data. The cutting faults are modelled based on the technical route of fault curves on the surface, fault trajectories on cross section, series of curves, and fault surface. The cut faults are modelled based on the route of initial fault surface, post-fault constraints, faults cutting, and interpolation under constraints. In addition, other modelling methods are also tried for comparison and the following understandings are reached: (1) By rotating or translatinga cut fault surface from its initial position to the post-fault position followed by the cutting operation, the splitting position constraints of the cut fault are obtained. Discrete smooth interpolation on the fault surface is carried out to realize fault dislocation constrained by the splitting borders, fault curves on the surface, and the fault frame. (2) Modelling from parts of a fault (namely the part method) may result in poor controllability in the extension of segmented fault surfaces; Recovery of the offset fault curves through curve translation will cause overall offset error in the resultant fault surface; Excessive pursuit of fully cutting relation may lead to overextension of faults along their strike. Therefore, this paper adopts the methods of modelling each fault as a whole (namely the overall method), recovering the segmented fault curves by moving and connecting the nodes, and verifying the original cutting relationship, which show reasonable modelling results. It is expected that the understandings could contribute ideas to the modelling of intersecting faults and of strata cut by faults as well.

3D geological modelling; intersecting faults; partly cutting relationship; interpolation under constraints; Shanhu orefield

2021-11-29;

2022-05-08;

日期: 2023-09-28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(42362008)、廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2018GXNSFFA281009、2020GXNSFAA297049)和廣西科技創(chuàng)新基地建設(shè)類項(xiàng)目(桂科ZY21195031)聯(lián)合資助。

趙義來(1982–), 男, 副教授, 從事三維地質(zhì)建模及成礦數(shù)值模擬研究。E-mail: zyl@glut.edu.cn

P628

A

1001-1552(2023)06-1256-011

10.16539/j.ddgzyckx.2023.01.305