工程地質(zhì)三維空間建模技術(shù)及應(yīng)用實踐探究

張漢儒

（大理禹光工程監(jiān)理咨詢有限公司云南 大理 671000）

工程地質(zhì)三維空間建模技術(shù)及應(yīng)用實踐探究

張漢儒

（大理禹光工程監(jiān)理咨詢有限公司云南 大理 671000）

隨著科學技術(shù)水平的不斷提高，地質(zhì)勘察技術(shù)不斷完善，提高了勘察效率，為工業(yè)生產(chǎn)提供了有利條件。本文首先對三維地質(zhì)建模進行概述，并在此基礎(chǔ)上對三維地質(zhì)建模技術(shù)在地質(zhì)開發(fā)工作中的具體應(yīng)用進行研究。

三維地質(zhì)建模技術(shù)；地質(zhì)構(gòu)造；應(yīng)用

1 引言

三維地質(zhì)建模技術(shù)的主要功能體現(xiàn)在可以對地質(zhì)勘察信息進行集成樹立，保證信息數(shù)據(jù)的一致性。地質(zhì)構(gòu)造要素的表達必須具有三維立體性與直觀性，地質(zhì)構(gòu)造中的斷層在三維環(huán)境下既可以表達成一個平面，也可以較好的反映出地層和斷層、斷層之間的切割關(guān)系，進而彌補剖面圖中的不足。地質(zhì)勘探工作研究對象在空間分布方面是三維的，要勘探地質(zhì)情況，必須運用各種勘探方法，深入調(diào)查礦床儲存條件和三維地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件及開采技術(shù)條件。地質(zhì)勘探工作的實質(zhì)就是構(gòu)建勘探區(qū)的三維地質(zhì)模型。

2 工程地質(zhì)三維空間建模技術(shù)概述

所謂的工程地質(zhì)三維空間建模技術(shù)指利用適當?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在計算機中建立起一個能夠真實反映地質(zhì)構(gòu)造的形態(tài)和各個要素之間關(guān)聯(lián)和地質(zhì)體空間物性的具體分布等多種地質(zhì)特征的幾何模型。三維地質(zhì)建?？梢詣澐譃槎鄠€類型，其重點在于反饋出地質(zhì)體表面形態(tài)的表面建模，可以反映地質(zhì)體內(nèi)部的變化規(guī)律的實體建模；依據(jù)建模對象的不同，其空間尺度會有所不同，需要針對礦區(qū)整體建模的宏觀建模以及對于巖石和化石建模的微觀建模；根據(jù)規(guī)定時間的靜態(tài)建模以及較適用于地下水流動模擬的動態(tài)建模；可以促進地質(zhì)界面以及地質(zhì)體空間形態(tài)的拓撲差異建模，也可以對體元進行插值模擬，也支持空間分析的拓撲一致建模；對于單獨地質(zhì)體建模的單個建模以及對于多個地質(zhì)體進行建模的多體建模；對于分層較為明顯的地質(zhì)體的單值建模和對于倒轉(zhuǎn)褶皺地質(zhì)形態(tài)的多值建模。

3 實例三維地質(zhì)建模的主要工作程序

3.1 工程概述

某礦區(qū)表現(xiàn)為外帶石英脈型黑鎢礦化，以主產(chǎn)易采易選的黑鎢礦聞名，按脈組的空間展布位置，礦體工業(yè)類型屬黑鎢礦-石英大脈型。礦區(qū)地理坐標：東經(jīng)114°12′45″～114°14′56″，北緯25°37′45″～25°40′00，面積15．212km2。該礦屬九龍腦成礦巖體北部的中遠接觸帶。

3.2 地質(zhì)建模數(shù)據(jù)源

在礦區(qū)勘探中，會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息，例如地面采樣資料、航天遙感信息、航空遙感資料、地震剖面圖和鉆孔資料信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。因此，煤田地質(zhì)勘探的原始數(shù)據(jù)需要進行分類管理。因為數(shù)據(jù)信息量較大，三維空間分布較為復雜，所以應(yīng)用三維地理信息系統(tǒng)管理的效果最佳。需要對煤田構(gòu)造進行深入研究，對勘探區(qū)域以及鉆孔內(nèi)部的巖層以及煤層進行詳細比對，對地形面、斷層面和地層界面等地質(zhì)曲面的分布形態(tài)以及分布規(guī)律等進行探析。三維地質(zhì)建模信息中最為重要的就是鉆孔的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過取芯和測井等就能夠獲取鉆孔經(jīng)過的煤層以及巖層中的采樣位子、實物采樣煤層的相關(guān)特征。地震勘探是地質(zhì)建模中的核心數(shù)據(jù)，尤其是高分辨率的地震看眼可以大幅度提高煤田構(gòu)造的準確性。地震剖面方面、地震勘探的同相軸連線也可以作為巖煤層界面以及剖面之間的交接線，同相軸振幅和波形都可以客觀反映出界面兩側(cè)物性存在的差異，鉆探信息也可以轉(zhuǎn)化為勘探線剖面圖和地震剖面圖使用，通過不斷糾正之后都可以作為地質(zhì)建模的核心數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)整理時每個常用表設(shè)置字段名稱、順序，對應(yīng)關(guān)系遵循如圖1所示。

圖1 鉆孔基本表字段與鉆孔數(shù)據(jù)庫對應(yīng)關(guān)系圖

根據(jù)建立的數(shù)據(jù)庫進行鉆孔三維可視化顯示（如圖2所示），根據(jù)顯示結(jié)果可以直觀地了解鉆孔軌跡、方位及品位值，推算礦體分布規(guī)律，提高勘探效果和質(zhì)量，節(jié)省成本和節(jié)約時間，同時為進一步的地質(zhì)建模研究奠定基礎(chǔ)。

圖2 鉆孔基本表字段與鉆孔數(shù)據(jù)庫對應(yīng)關(guān)系圖

3.3 三維模型構(gòu)建

3.3.1 地表模型

三維地表模型能夠完整準確地表達出地質(zhì)構(gòu)造的邊界現(xiàn)象以及與其他空間體的三維位置關(guān)系，最大限度地增強地質(zhì)分析的直觀性和準確性，是三維礦山模型建模不可缺少的一部分。在構(gòu)建該礦區(qū)地表模型時，本研究采用了礦區(qū)1：5000Mapgis格式的實測地形圖，經(jīng)過以下步驟處理：①首先在MapGIS中進行預處理：a.連接線，清理線出現(xiàn)的重復點、跨接和聚結(jié)點；b.選取等高線并將等高線賦予高程值；c.將地形圖比例尺變換形成符合Surpac要求的1：1000，并根據(jù)圖面坐標和實際坐標計算差值，將地形圖移動到實際位置，輸出*.dxf格式文件；②將文件導入CAD進行再次編輯：a.將無關(guān)的圖層或信息刪除；b.修改線性，連接遺漏的斷線、賦予未賦予高程值的等高線；③最后導入Surpac保存*.str線文件，并生成數(shù)字高程模型（DEM），完成地表模型的構(gòu)建。

3.3.2 礦體模型

礦體模型的建立不僅能準確地描述礦體的幾何空間賦存形態(tài)，還可用于體積計算、剖面圖繪制、隱伏礦體預測。礦體建模一般基于以下三種方法：①利用礦體邊界線大概確定礦體范圍；②基于勘探線剖面圖的礦體模型構(gòu)建；③基于鉆孔數(shù)據(jù)的礦體模型構(gòu)建。通常應(yīng)根據(jù)建模目的來選擇合適的方法，但要準確反映實際礦體形態(tài)，往往需要綜合采用多種方法。本研究以礦體邊界為主導，結(jié)合勘探線剖面圖，構(gòu)建礦區(qū)礦體模型。具體步驟如下：①根據(jù)該坑鎢礦中段9張地質(zhì)編錄圖和16張勘探線剖面圖，經(jīng)過Mapgis比例尺變換、坐標轉(zhuǎn)換、礦體圖層更換、礦體邊界提??；②將提取出的礦體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CAD支持的*.dxf格式文件；③在CAD中對礦體邊界數(shù)據(jù)進行編輯，如刪除重復點、刪除聚結(jié)點、連接閉合斷線、修改線性以及賦予相應(yīng)高程值等；④將礦體邊界數(shù)據(jù)保存*.str線文件后，生成礦體模型；⑤對生成的模型驗證和修正，得到最終的礦體模型，如圖3所示。

3.3.3 斷層模型

褶皺斷裂構(gòu)造是成礦的主要控制因素之一，斷層模型可直觀準確地展現(xiàn)地下斷層構(gòu)造的形態(tài)、分布特征等空間位置關(guān)系，對區(qū)域的成礦因素推測、礦體分布預測以及對地質(zhì)工作經(jīng)驗積累有重要幫助。應(yīng)用該礦區(qū)17張勘探線剖面圖和9個縱段原始地質(zhì)編錄圖中斷層數(shù)據(jù)，經(jīng)過進一步處理，構(gòu)建了該礦區(qū)斷層模型，展現(xiàn)了礦區(qū)斷層與礦體的位置關(guān)系。

圖3 礦體模型

3.3.4 建模操作問題討論

在構(gòu)建該礦區(qū)地質(zhì)模型過程中，遇到了多個操作問題，現(xiàn)列舉4個實際問題及應(yīng)用的處理方法。①在CAD合并斷線時出現(xiàn)線不能合并的問題。經(jīng)過多次實際操作要解決此問題要注意或解決以下三個方面：a.標高：在右擊屬性里，要合并的不同線段“標高”要一致，否則無法合并；b.厚度：同樣是右擊屬性里線段的“厚度”要一致；c.重疊線：當不同線段的“標高”、“厚度”都一致但還是不能合并線段這時就要注意是不是有重疊的線，刪除重疊的線就可以合并了。②用Surpac軟件進行數(shù)據(jù)操作編輯時，需要在主圖層（maingraphicslayer）下。按下“Ctrl”直接拖拽文件到軟件圖形工作區(qū)，文件自動進入主圖層，實現(xiàn)快速便捷操作的目的。③在建立礦體模型和地層模型時應(yīng)用到勘探線剖面圖，由于剖面圖是在平面坐標系下繪制的，在操作應(yīng)用時要進行剖面轉(zhuǎn)換，即原二維坐標下的Y坐標值賦值到Surpac三維坐標系下的Z坐標值上。在編輯—線串—運算輸入公式（如圖）實現(xiàn)了剖面圖轉(zhuǎn)換。由于實際剖面圖的剖切方位的不同，可能需要進行第二次運算或旋轉(zhuǎn)，在該礦區(qū)剖面轉(zhuǎn)換操作過程中進行了y=-x，-x=y的第二次運算。④在實體模型創(chuàng)建三角網(wǎng)時，可能會出現(xiàn)“點位移距離小于0．05，不能創(chuàng)建三角面”的提示，此問題最簡便快捷地解決方式是將線文件進行“光滑”、“標準化分割”處理，將“標準化分割”處理的數(shù)值根據(jù)建模的精度和建模的要求調(diào)節(jié)成大于0．05的數(shù)值。

4 結(jié)束語

綜上所述，在應(yīng)用三維地質(zhì)建模技術(shù)時，需要技術(shù)人員具備較高的專業(yè)素質(zhì)，對地質(zhì)信息做出準確判斷和詳細處理，在三維地質(zhì)建模技術(shù)的支持下更好的分析、表達和理解各種復雜的地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象，并制作求交、虛擬切割等具有精準要求的圖形或計算，使地質(zhì)工程師將更多的精力與時間置于地質(zhì)構(gòu)造規(guī)律的研究工作中。

[1]田小甫，張碩，陳軍，等.三維建模技術(shù)在區(qū)域工程地質(zhì)勘查中的應(yīng)用研究[J].城市地質(zhì)，2012，7（1）：20～25.

[2]田小甫，張碩，賈雷，等.三維地質(zhì)建模技術(shù)在北京地鐵建設(shè)工程中的應(yīng)用研究——以車公莊西站為例[J].科學技術(shù)與工程，2012，12（25）：6362～6368.

[3]何雙鳳，于群，韓冬冰，等.有關(guān)GMS支持下城市地下空間三維工程地質(zhì)地層建模的研究[J].吉林地質(zhì)，2013，32（1）：146～147.

P642

A

1004-7344（2016）16-0137-02

2016-5-21

張漢儒（1965-），男，白族，云南大理人，高級工程師，本科，主要從事工程地質(zhì)與水文地質(zhì)專業(yè)技術(shù)工作。