淘錫坑礦區(qū)三維地質(zhì)建模與可視化研究

紀(jì)海東,杜子濤,邢衛(wèi)民

(1．天津市勘察院,天津 300191; 2．河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,天津 300401)

淘錫坑礦區(qū)三維地質(zhì)建模與可視化研究

紀(jì)海東1?,杜子濤2,邢衛(wèi)民1

(1．天津市勘察院,天津 300191; 2．河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,天津 300401)

三維地質(zhì)建模與可視化能清晰直觀地展示地下礦體或構(gòu)造形態(tài)、空間位置和相互關(guān)系及空間變化規(guī)律,實(shí)現(xiàn)礦山三維分析、礦體解譯、地學(xué)統(tǒng)計(jì)、地質(zhì)預(yù)測(cè)、數(shù)據(jù)信息管理以及圖像三維顯示等功能。本文以淘錫坑礦區(qū)為研究區(qū),結(jié)合礦區(qū)實(shí)際情況以及收集整理的礦區(qū)數(shù)據(jù),探討礦區(qū)三維地質(zhì)模型建立過(guò)程,研究總結(jié)一套建立礦山三維可視化模型的方法,為礦山數(shù)字化建設(shè)提供參考。

Surpac;淘錫坑;三維地質(zhì)建模;可視化

1　引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,能源及礦產(chǎn)資源的開(kāi)采和利用在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中所處的地位越來(lái)越突出。經(jīng)過(guò)多年的研究、實(shí)踐和發(fā)展,地質(zhì)工作者已經(jīng)能夠通過(guò)物理和數(shù)學(xué)方法較準(zhǔn)確地對(duì)地下礦藏進(jìn)行分析和解釋。然而,地下礦藏分布十分復(fù)雜,地質(zhì)工作者需參考的數(shù)據(jù)量很大,利用這些數(shù)據(jù)推斷工作區(qū)域內(nèi)礦產(chǎn)資源的分布規(guī)律以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常困難,而且效率低下。

三維地質(zhì)建模與可視化能清晰直觀地展示地下礦體或構(gòu)造形態(tài)、空間位置和相互關(guān)系及空間變化規(guī)律,實(shí)現(xiàn)礦山三維分析、礦體解譯、地學(xué)統(tǒng)計(jì)、地質(zhì)預(yù)測(cè)、數(shù)據(jù)信息管理以及圖像三維顯示等功能。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外在這方面已有不少研究與探索,許多公司先后推出了一系列的三維建模可視化軟件,其中,應(yīng)用最為廣泛的是加拿大Gemcon公司開(kāi)發(fā)的大型數(shù)字化礦山軟件Surpac。該軟件具有強(qiáng)大的三維建模功能、精細(xì)的模型可視化和舒適的交互設(shè)計(jì)以及二次開(kāi)發(fā)功能,并能夠建立地質(zhì)體和工程設(shè)施的直觀準(zhǔn)確的三維可視化模型,便于地質(zhì)工程師、采礦工程師和其他工作人員,甚至與非專業(yè)人員之間的技術(shù)交流和方案展示,提高生產(chǎn)效率。

2　礦區(qū)介紹

淘錫坑礦區(qū)坐落于被譽(yù)為“世界鎢都”的贛南地區(qū),位于江西省崇義縣城西南約15 km,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,可分為:寶山、西山(棋洞)、爛埂子、楓嶺坑四大脈組,其中寶山、西山(棋洞)、爛埂子三個(gè)脈組位于礦區(qū)的北西部,是礦山歷年的主采對(duì)象;而楓嶺坑的北邊、東邊尚有規(guī)模較大的礦化標(biāo)志帶,2008年后坑道工程揭露證實(shí)賦存一定數(shù)量的工業(yè)礦體,目前正在開(kāi)采。礦體工業(yè)類型屬黑鎢礦-石英大脈型。礦區(qū)地理坐標(biāo):東經(jīng)114°12′45″～114°14′56″,北緯25°37′45″～25°40′00,面積15．212 km2。

淘錫坑鎢礦東鄰崇義鉛廠南北向斷裂坳陷帶,屬九龍腦成礦巖體北部的中遠(yuǎn)接觸帶。淘錫坑的花崗巖體呈隱伏狀,實(shí)屬九龍腦成礦巖體自南往北沿有利構(gòu)造的侵入延伸,九龍腦巖體屬燕山期“S”型花崗巖,受區(qū)域性北北東與東西向構(gòu)造的復(fù)合控制,巖體南端為粗粒黑云母花崗巖,往北逐漸為中細(xì)粒二云母花崗巖,在巖體的南北近、中、遠(yuǎn)三層接觸帶形成一大批鎢錫礦床,如圖1所示。

3　Surpac軟件介紹

Surpac軟件是由GEMCOM國(guó)際礦業(yè)軟件公司推出的一款全面集成地質(zhì)勘探信息管理、礦體資源模型建立、礦山生產(chǎn)規(guī)劃及設(shè)計(jì)、礦山測(cè)量及工程量驗(yàn)算、生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃編制等功能的大型三維數(shù)字化礦山軟件。主要核心功能包括:地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)、鉆孔編錄、數(shù)據(jù)分析工具、數(shù)字地形建模和等高線繪制、基礎(chǔ)的和高級(jí)的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析、格狀解釋模型和等值線繪制、塊模型、斷層建模等。Surpac進(jìn)入我國(guó)后,隨著多家礦業(yè)公司和相關(guān)科研機(jī)構(gòu)的探索,其強(qiáng)大的圖形繪制處理功能和地質(zhì)三維模型構(gòu)建功能日益顯現(xiàn),地學(xué)領(lǐng)域中遇到的三維問(wèn)題,如三維地層、斷裂、礦體和巷道的真三維動(dòng)態(tài)顯示、剖面的生成、三維巷道的空間拓?fù)浞治?、三維礦體的體積、儲(chǔ)量的估算等,有望得到更好的解決,這些關(guān)鍵問(wèn)題正是日后礦山數(shù)字信息化的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖1　淘錫坑區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖

4　地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)是建立三維地質(zhì)模型的基礎(chǔ),收集的礦山資料的完整性、代表性和準(zhǔn)確性直接影響到整個(gè)地質(zhì)模型的效果,甚至影響后期的編輯查詢、統(tǒng)計(jì)分析、生產(chǎn)規(guī)劃。根據(jù)Surpac建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的格式要求,對(duì)收集到的淘錫坑礦區(qū)32個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析、提取和整理,分別建立了井口坐標(biāo)表(collar)、測(cè)斜表(survey)、巖性表(geology)和化驗(yàn)表(sample)4個(gè)?．csv格式的常用表,數(shù)據(jù)整理時(shí)每個(gè)常用表設(shè)置字段名稱、順序,對(duì)應(yīng)關(guān)系遵循如圖2所示。

根據(jù)建立的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行鉆孔三維可視化顯示(如圖3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(shí)間,同時(shí)為進(jìn)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(kù)對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

圖3　鉆孔三維顯示

5　三維模型構(gòu)建

5．1地表模型

三維地表模型能夠完整準(zhǔn)確地表達(dá)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(qiáng)地質(zhì)分析的直觀性和準(zhǔn)確性,是三維礦山模型建模不可缺少的一部分。在構(gòu)建淘錫坑礦區(qū)地表模型時(shí),本研究采用了礦區(qū)1∶5 000 Mapgis格式的實(shí)測(cè)地形圖,經(jīng)過(guò)以下步驟處理:

(1)首先在MapGIS中進(jìn)行預(yù)處理:①連接線,清理線出現(xiàn)的重復(fù)點(diǎn)、跨接和聚結(jié)點(diǎn);②選取等高線并將等高線賦予高程值;③將地形圖比例尺變換形成符合Surpac要求的1∶1 000,并根據(jù)圖面坐標(biāo)和實(shí)際坐標(biāo)計(jì)算差值,將地形圖移動(dòng)到實(shí)際位置,輸出?．dxf格式文件;

(2)將文件導(dǎo)入CAD進(jìn)行再次編輯:①將無(wú)關(guān)的圖層或信息刪除;②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(dǎo)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,如圖4所示。

圖4　地表模型

5．2礦體模型

礦體模型的建立不僅能準(zhǔn)確地描述礦體的幾何空間賦存形態(tài),還可用于體積計(jì)算、剖面圖繪制、隱伏礦體預(yù)測(cè)。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(lái)選擇合適的方法,但要準(zhǔn)確反映實(shí)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(dǎo),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)淘錫坑鎢礦中段9張地質(zhì)編錄圖和16張勘探線剖面圖,經(jīng)過(guò)Mapgis比例尺變換、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、礦體圖層更換、礦體邊界提取;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(duì)礦體邊界數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯,如刪除重復(fù)點(diǎn)、刪除聚結(jié)點(diǎn)、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(duì)生成的模型驗(yàn)證和修正,得到最終的礦體模型,如圖5所示。5．3 斷層模型

圖5　礦體模型

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(zhǔn)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(duì)區(qū)域的成礦因素推測(cè)、礦體分布預(yù)測(cè)以及對(duì)地質(zhì)工作經(jīng)驗(yàn)積累有重要幫助。應(yīng)用淘錫坑礦區(qū)17張勘探線剖面圖和9個(gè)縱段原始地質(zhì)編錄圖中斷層數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理,構(gòu)建了淘錫坑礦區(qū)斷層模型,展現(xiàn)了礦區(qū)斷層與礦體的位置關(guān)系,如圖6所示。

圖6　組合模型

5．4建模操作問(wèn)題討論

在構(gòu)建淘錫礦區(qū)地質(zhì)模型過(guò)程中,遇到了多個(gè)操作問(wèn)題,現(xiàn)列舉4個(gè)實(shí)際問(wèn)題及應(yīng)用的處理方法,供讀者參考。

(1)在CAD合并斷線時(shí)出現(xiàn)線不能合并的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)多次實(shí)際操作要解決此問(wèn)題要注意或解決以下三個(gè)方面:①標(biāo)高:在右擊屬性里,要合并的不同線段“標(biāo)高”要一致,否則無(wú)法合并;②厚度:同樣是右擊屬性里線段的“厚度”要一致;③重疊線:當(dāng)不同線段的“標(biāo)高”、“厚度”都一致但還是不能合并線段這時(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)操作編輯時(shí),需要在主圖層(main graphics layer)下。按下“Ctrl”直接拖拽文件到軟件圖形工作區(qū),文件自動(dòng)進(jìn)入主圖層,實(shí)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(shí)應(yīng)用到勘探線剖面圖,由于剖面圖是在平面坐標(biāo)系下繪制的,在操作應(yīng)用時(shí)要進(jìn)行剖面轉(zhuǎn)換,即原二維坐標(biāo)下的Y坐標(biāo)值賦值到Surpac三維坐標(biāo)系下的Z坐標(biāo)值上。在編輯—線串—運(yùn)算輸入公式(如圖)實(shí)現(xiàn)了剖面圖轉(zhuǎn)換。由于實(shí)際剖面圖的剖切方位的不同,可能需要進(jìn)行第二次運(yùn)算或旋轉(zhuǎn),在淘錫坑礦區(qū)剖面轉(zhuǎn)換操作過(guò)程中進(jìn)行了y=-x,-x=y的第二次運(yùn)算。

(4)在實(shí)體模型創(chuàng)建三角網(wǎng)時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)“點(diǎn)位移距離小于0．05,不能創(chuàng)建三角面”的提示,此問(wèn)題最簡(jiǎn)便快捷地解決方式是將線文件進(jìn)行“光滑”、“標(biāo)準(zhǔn)化分割”處理,將“標(biāo)準(zhǔn)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。

6　分析與總結(jié)

三維地質(zhì)建模與可視化是對(duì)地下空間實(shí)體近乎真實(shí)地再現(xiàn),清晰直觀地展示地下礦體或構(gòu)造的形態(tài)、空間位置和相互關(guān)系及空間變化規(guī)律,形象直觀科學(xué)地解決了地學(xué)領(lǐng)域通常遇到的諸如礦體走向、礦體形態(tài)、分布特征,位置關(guān)系等問(wèn)題?；跇?gòu)建的三維地質(zhì)模型,可以進(jìn)一步計(jì)算出礦體體積、礦體儲(chǔ)量、品位等,這將有助于礦區(qū)地質(zhì)人員更精準(zhǔn)地分析礦區(qū)控礦因素及找礦標(biāo)志帶,確定找礦靶區(qū),為礦區(qū)成礦規(guī)律的研究和深邊部隱伏礦體的預(yù)測(cè)提供有效的技術(shù)手段和數(shù)據(jù)支持,確保礦區(qū)勘探設(shè)計(jì)的科學(xué)性,進(jìn)一步提高資源利用率,降低了生產(chǎn)成本,緩解礦區(qū)面臨資源枯竭危機(jī),使礦產(chǎn)資源得到更好地利用和保護(hù)。

致謝:感謝中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所、崇義章源鎢業(yè)股份有限公司對(duì)本研究提供的機(jī)會(huì)與支持。

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Study of Tree-dimensional Geological Modeling and Visualization in TaoxiKeng Mine

Ji Haidong1,Du Zitao2,Xing Weimin1

(1．TianJin Institute Of Geotechnical Investigation&Surverying,Tianjin 300191,China; 2．College of Civil Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)

The display of underground ore body、structure、spatial position and relation and spatial variation law can be displayed by 3D geological modeling and visualization．In this way,3D analysis,interpretation of ore bodies,geological statistics,geological prediction,data information management and 3D display of images are realized．With Taoxikeng Mine as the study area,by using the field data collected,This research try to study three-dimensional modeling of mines on the basis of Surpac software．The study serves as the foundation for the digitalization of Taoxikeng Mine and reference to the digitalization of other mines．

surpac;taoxikeng mine;three-dimensional geological modeling;visualization

1672-8262(2016)01-172-05

P628．4,P208．2

B

?2015—06—30

紀(jì)海東(1981—),男,工程師,主要從事變形監(jiān)測(cè)、圖像處理、三維建模以及環(huán)境遙感研究工作。