三維可視化礦體模型的構(gòu)建
——基于非標準空間網(wǎng)格化建模技術(shù)

黃 麗，蔡恩琪，魏麗瓊

(1. 青海省青藏高原北部地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源重點實驗室 青海省地質(zhì)調(diào)查院，青海 西寧 810000；2.青海省地質(zhì)調(diào)查局，青海 西寧 810000)

礦山勘測是礦山開采中十分重要的內(nèi)容，勘測的合理性必須得到有力保證，如若不然，可能導(dǎo)致事故的發(fā)生或礦山效益的大幅降低。所以，礦山規(guī)劃與勘測工作的開展必須以先進、科學(xué)的方法及技術(shù)作支撐。以往的礦山勘測會在紙質(zhì)圖上或利用Autocad等軟件，以二維圖形的方式抽象地表示三維地質(zhì)情況與多變的井筒巷道布局，無法給人以形象、直觀的感觸，勘測人員想要進行礦山空間具體形態(tài)及相關(guān)關(guān)系的準確理解與把握，進而完成正確的施工十分困難[1]。以現(xiàn)有的測量和地質(zhì)資料為依托構(gòu)建三維可視化模型，對礦體形態(tài)進行直觀的展示是比較理想的解決思路。

三維可視化建模技術(shù)是地球空間信息科學(xué)的重要組成內(nèi)容，作為地質(zhì)理論與計算機三維可視化技術(shù)有機結(jié)合的產(chǎn)物，他在三維環(huán)境下對地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)、空間信息管理技術(shù)、空間分析與預(yù)測技術(shù)予以綜合運用，構(gòu)造地質(zhì)體的三維空間，并做出地質(zhì)解釋[2]。而礦體大都是在地下埋藏的，難以估測的因素有很多，受到復(fù)雜勘測條件與稀疏采樣數(shù)據(jù)等不利條件的限制，地質(zhì)勘測人員只能通過分析、解釋、推斷等帶有主觀色彩的方式對不完整或連續(xù)性不佳的地質(zhì)信息做出想象，以此構(gòu)建精確性與完整性較低的三維可視化模型，這種情況下，失真問題必然存在，這樣的礦山數(shù)字化本身就自帶缺陷。對此，楊成杰等采用實體與塊體混合的建模方法進行礦山真三維模型的構(gòu)建研究，其中，實體/客體模型代表的是礦體的邊界，用塊體模型對實體模型進行填充，可進一步反映礦體的比重、品位以及巖性等更加詳細的屬性信息。按照這一思路，國外礦業(yè)公司進行了Minesight、Datamine、Surpac、Micromine等多種礦山開采數(shù)據(jù)化軟件的開發(fā)，在三維空間模型問題的解決中得到了較好的應(yīng)用。近30年以來，我國也自主研發(fā)了3DMine軟件、Dimine軟件、龍軟GIS、采礦CAD等代表性較強的礦業(yè)軟件，大都能夠?qū)崿F(xiàn)三維可視化地表/地下模型的快捷創(chuàng)建，且在國內(nèi)勘測與采礦人員的使用習(xí)慣與思維方式上更為適用。

文章利用DIMINE平臺對某金礦已有地質(zhì)資料與鉆孔數(shù)據(jù)進行預(yù)處理并建立三維鉆孔數(shù)據(jù)庫與數(shù)字地表模型，基于非標準空間網(wǎng)格化技術(shù)建立三維可視化礦體模型，能夠?qū)?fù)雜結(jié)構(gòu)礦體的三維形態(tài)予以直觀反映。

1 礦帶地質(zhì)概況

控礦構(gòu)造帶總長約30 km，寬3～5 km，由于受到多期次的擠壓拉伸作用，構(gòu)造變形十分復(fù)雜，巖石嚴重破碎，呈現(xiàn)出NEE與NWW向的主要構(gòu)造形跡，如圖1所示。其中，主斷裂(F0、F1、F2、F3)為含礦斷裂，與NEE方向接近，向南表現(xiàn)出150(°)～210(°)的傾斜，傾角大約在55(°)～70(°)之間；NWW向的斷裂與F2、F3兩處主斷裂存在較多的交匯，這些區(qū)域的礦體比較豐富。泥盆系下統(tǒng)橋頭巖組(Dq)為礦區(qū)主要含礦底層，其巖性主要表現(xiàn)為絹云、粉砂質(zhì)、鈣泥質(zhì)與炭質(zhì)千枚巖。礦區(qū)內(nèi)巖漿主要是變質(zhì)花崗斑巖，多出現(xiàn)于斷裂帶內(nèi)部及其周圍較近的地方。斷裂現(xiàn)象的發(fā)生為巖漿開辟了活動空間，巖脈順層產(chǎn)出的頻率比較高，在次級斷裂的不間斷發(fā)育過程中，復(fù)脈帶的形成也成為一種常見之事。

1 第四系；2 D2灰?guī)r；3 D2砂巖夾千枚巖；4 D2千枚巖；5 D2灰?guī)r夾硅質(zhì)巖；6 斜長花崗斑巖；7 金礦化體與編號；8 斷層；9 (復(fù))背形；10 (復(fù))向形

圖1 礦帶地質(zhì)簡圖(據(jù)周潔，2017)

2 三維可視化模型建立

2.1 建模流程

對以往勘測與研究工作得到的礦帶鉆孔數(shù)據(jù)以及地形地質(zhì)圖等相關(guān)材料進行收集與整理，保證地表與地下礦體模型創(chuàng)建過程中的資料要求得到有效的滿足[3]。對所得數(shù)據(jù)進行矢量化處理，借助DIMINE軟件依次建立鉆孔數(shù)據(jù)庫與地面/地下實體模型，之后，離散化處理礦體的實體模型，將其以塊體模型的形式表現(xiàn)出來，獲得三維可視化礦體模型。圖2所示為其建模流程圖。

圖2 三維可視化建模流程

2.2 建模準備

此次三維可視化地質(zhì)建模主要對礦帶地質(zhì)界面的三維空間形態(tài)與基于界面的三維地質(zhì)體空間展布進行研究，以怎樣構(gòu)建“界面”為重點，地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單的位置，根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)源推測合理界面。地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的位置則采用多類數(shù)據(jù)進行綜合分析，建模過程需提高對以下問題的注意。

1)全面分析與概化處理，建模前，應(yīng)收集詳細資料，事先分析地質(zhì)體的成因、結(jié)構(gòu)及其與周邊地質(zhì)體的關(guān)系等相關(guān)信息。基于工作程度、地質(zhì)認識等因素的制約，礦帶模型無法對全部地質(zhì)現(xiàn)象進行精細表達，故需結(jié)合模型的應(yīng)用目的精細構(gòu)建主要建模對象，適當概化其他對象。

2)數(shù)據(jù)綜合分析，地質(zhì)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，數(shù)據(jù)信息越豐富，這要求更加準確地認知地質(zhì)現(xiàn)象[4]。然而，來源不同的數(shù)據(jù)經(jīng)常發(fā)生解釋性沖突?；诋斍吧畈刻綔y方式及工作周期的影響，足夠的樣本數(shù)據(jù)采集比較難，所以，在綜合研究數(shù)據(jù)時要基于地質(zhì)調(diào)查、鉆探等高可信度數(shù)據(jù)，聯(lián)合采用重力、磁法、ATM等探測方法做出相應(yīng)解釋。

3)構(gòu)建概念模型，概念模型以深入研究地質(zhì)現(xiàn)象為源，經(jīng)抽象、簡化與總結(jié)后形成地質(zhì)認知，然后，利用先驗知識說明地質(zhì)作用與形成原理，或提出相關(guān)假設(shè)，采用文字、圖形等方式進行表達。利用概念模型對基本地質(zhì)結(jié)構(gòu)與成礦模式做出解釋與勾畫，為建模方向的準確理解與把握提供便利。

2.3 建立三維鉆孔數(shù)據(jù)庫

鉆孔數(shù)據(jù)庫對礦帶地質(zhì)勘探與生產(chǎn)勘探的詳細信息予以承載，主要包括孔口坐標信息、測斜信息、樣品信息與巖性信息，為地質(zhì)解釋、品位推估、采礦設(shè)計等奠定重要基礎(chǔ)。

2.3.1 收集原始數(shù)據(jù)

在對鉆探工程進行原始編錄之時，所需提交的數(shù)據(jù)與信息比較多，通常有鉆孔孔口坐標、角度、深度、勘探線號、礦體巖性、產(chǎn)狀、取樣工作的起始與終止位置、化驗所得數(shù)據(jù)、測斜深度與角度。收集數(shù)據(jù)后，將其錄至Excel中，以Excel file(*.csv)格式對其進行保存，該格式文件能夠被DIMINE軟件識別與處理。

具體數(shù)據(jù)格式表示為：

1)開口文件(COLLAR表)，用以記錄探礦工程的開口坐標及深度等相關(guān)信息，含鉆孔名、時間、北(東)坐標N(E)、高程H、孔深等。

2)測斜文件(SURVEY表)，進行測斜信息的記錄，含鉆孔名、測斜深度、方位角、傾角等。

3)樣品文件(ASSAY表)，進行樣品化驗信息的記錄，含鉆孔名、樣號、FROM、TO、樣長、化驗品位、SG、巖性等。

4)巖性文件(GEOLOGY表)，用以記錄巖性與相關(guān)力學(xué)參數(shù)等信息，含鉆孔名、巖性代碼與名稱、起止等。

2.3.2 生成數(shù)據(jù)庫

按照標準格式整理得到的各項地質(zhì)資料，以*.csv格式進行保存，然后，利用軟件校驗數(shù)據(jù)間的相互對應(yīng)關(guān)系，確保關(guān)聯(lián)的準確性。

1)將所得數(shù)據(jù)導(dǎo)入鉆孔數(shù)據(jù)庫，以.dmt格式進行基礎(chǔ)表的保存。

2)生成與組合鉆孔數(shù)據(jù)庫，校驗無誤后調(diào)入相應(yīng)文件，生成鉆孔數(shù)據(jù)庫，可用顏色進行巖性與礦石品級的區(qū)分，同時，還可對品位值及巖性名稱等屬性予以顯示。

2.4 建立地表模型

利用全站儀采集礦帶數(shù)據(jù)，然后用CASS軟件制作平面圖與地形圖。以此為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維環(huán)境，經(jīng)測點賦高程完成對數(shù)字地表模型的構(gòu)建任務(wù)，然后，按照礦帶建筑物高程與材質(zhì)等數(shù)據(jù)及信息，將地物輪廓線、道路、地類界等內(nèi)容準確、直觀地添加到地表模型之上，由此完成數(shù)字地表模型的完整建立。如圖3所示。

圖3 地表模型空間三維展布

2.5 建立礦體模型

以已有平剖面圖顯示的礦體界線為依據(jù)執(zhí)行礦體模型的建立任務(wù)。首先，采用數(shù)字化與三維空間化手段進行傳統(tǒng)平剖面的處理，然后，用三角面片將礦體線框連接起來，得到所需模型。

1)根據(jù)編號依次建立礦體，顯示礦體線框圖層，進行線框連接以實現(xiàn)剖面間礦體的圈定。

2)合并各個模塊已得到礦體的整體形態(tài)，對其有效性進行檢測，判斷模型中是否有無效邊或不封閉邊以及相交三角形等的存在，若所測結(jié)果為存在，需對合并方式做出相應(yīng)的修改，直到得到滿意結(jié)果。

圖4所示為滿意狀態(tài)下的三維可視化礦體模型，該模型清楚地顯示了礦體受到NEE方向的構(gòu)造控制，展布形態(tài)相符于實際情況。

圖4 三維可視化礦體空間展布狀態(tài)

2.6 建立塊段模型

塊段模型以實體模型為約束，可借助于嵌套技術(shù)，以單元塊的形式對實體模型進行填充完成創(chuàng)建[5]。采用較大固定尺寸單元塊進行實體模型的填充難以擬合模型的邊界。DIMINE運用變塊技術(shù)，在創(chuàng)建塊段模型之時根據(jù)事先規(guī)定好的細分方案對實體的每條邊界執(zhí)行單元塊的自動細分與取舍操作，確保每一個塊段模型都能對實體的幾何形態(tài)予以真實反映。

塊段模型范圍的確定需對礦帶在空間上的延伸方向與長度進行把握。為進行品位插值，將礦體分布的空間范圍劃分成一個個小的單元塊，單元塊的大小取決于勘探線間距、開采段高以及礦體形態(tài)復(fù)雜程度等因素。理想狀態(tài)下，單元塊的尺寸應(yīng)能夠整除勘探線距與開采段高。以進路間距與炮排間距反映此礦的分層高度，分別為15，18，1.7 m，基本塊尺寸10 m×10 m×10 m，為了對礦體的邊界進行更加準確與真實的描述，應(yīng)用次級分塊技術(shù)，設(shè)定尺寸為5×5×5，即可得到與礦體模型對應(yīng)的塊段模型。

3 礦體形態(tài)及其構(gòu)造意義

第一，EN面顯示為與礦體的淺部位置相較，深部位置要更加靠近北方，整體上的北傾形態(tài)比較明顯；在平面上，這一形態(tài)顯示為與NEE向接近的板面形狀，核部呈隆起狀態(tài)，沿東西方向，兩端越來越薄。之所以會出現(xiàn)板狀形態(tài)，原因可能在于礦帶受到EW向F1、F2、F3斷層的控制，而在礦體核部，F(xiàn)2對很多來自自身與F1、F3的次級斷裂以及張裂脈予以匯聚，這樣又加劇了核部的隆起。

第二，NH面顯示為礦體主要為北傾，傾角比較大，大約達到50(°)～70(°)。觀察地表露頭，斑巖體也主要是北傾，南傾比較少見。北傾斑巖體含礦量比較豐富，這可能受到其張性的影響，礦液轉(zhuǎn)移與儲藏比較方便，而受到壓性性質(zhì)的影響，南傾斑巖體礦液并不容易進入，這導(dǎo)致礦體邊部千枚巖比較多。另外，破碎帶內(nèi)的礦體南北傾向同時存在，但主要仍是北傾，傾角比較小，大約在20(°)～40(°)之間，南傾傾角較大，約在55(°)～70(°)的范圍。此區(qū)域F1、F2、F3為控礦斷裂，一系列次級構(gòu)造(如北傾次級斷裂與張裂脈、南傾次級斷裂與張裂脈)集中在F2位置處，內(nèi)含礦熱夜的沉積場所得以形成。千枚巖中礦體的發(fā)育多沿破碎帶進行，分布并不集中，礦體數(shù)量多、規(guī)模小。觀察實際露頭，千枚巖中礦體的品位并不高，以破碎帶為核心，向四周分散并降低。

EH面顯示為礦體的深部存在有長達400 m的延伸，且厚度比較穩(wěn)定，變化不大，這可能受到工程控制程度的影響，如果加強外圍工程對礦體的控制，礦體的延伸與厚度變化有可能會變得更加平緩[6]。

4 結(jié) 論

利用系統(tǒng)進行礦帶地質(zhì)資料的收集，經(jīng)數(shù)字化處理完成地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建，應(yīng)用DIMINE平臺建立三維礦體模型，并對模型形態(tài)及礦帶構(gòu)造進行研究，得出以下結(jié)論：

1)DIMINE平臺構(gòu)建三維可視化礦體模型可直觀且全面地反映礦帶地質(zhì)信息，既有利于對礦帶地質(zhì)狀況的重新把握，又能實現(xiàn)對礦體形態(tài)及展布規(guī)律的深入了解，發(fā)展傳統(tǒng)平面地質(zhì)，為以后礦產(chǎn)開采提供理論參考。

2)三維地質(zhì)模型能夠反映礦體三維分布狀態(tài)與礦帶三維地形態(tài)勢，詳細與細致地呈現(xiàn)礦帶的實際情況。

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[3] 邵亞建，饒運章，何少博.基于3DMine軟件的復(fù)雜礦體三維建模及儲量估算[J].有色金屬科學(xué)與工程，2016(4)：98-102.

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[6] 周潔，王根厚，崔玉良，等.基于3D Mine的陽山金礦安壩礦段三維建模研究及礦體形態(tài)分析[J].地質(zhì)與勘探，2017(2)：390-397.