復(fù)雜基巖區(qū)淺層三維地質(zhì)模型構(gòu)建新方法研究

劉 星，劉文中，王興陣

（安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001）

基巖區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與人類生產(chǎn)活動(dòng)密切相關(guān)，其3D地質(zhì)模型的構(gòu)建不同于構(gòu)造簡(jiǎn)單的平原區(qū)，對(duì)該類型區(qū)域進(jìn)行三維地質(zhì)模型的建立的重要性不言而喻[1]。

三維地質(zhì)建模可以應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)，如城市地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、金屬開采等，有助于提高人們開發(fā)地下資源和利用地下空間的效率。

1 三維地質(zhì)模型建立的常用方法

相比二維地質(zhì)填圖，三維地質(zhì)體模型的構(gòu)建需更多來自地表以下的地質(zhì)信息[2]。在實(shí)際工作中，通過鉆孔為主要手段獲取地下地質(zhì)構(gòu)造信息，進(jìn)行地層對(duì)比建立三維模型（圖1），適合于構(gòu)造比較簡(jiǎn)單的層狀地質(zhì)體建模，而且對(duì)于基巖區(qū)而言，地質(zhì)構(gòu)造切割復(fù)雜，同時(shí)難以獲取如此多的鉆孔數(shù)據(jù)，模型精度無(wú)法得到保證。通過剖面圖建立三維地質(zhì)模型，適用于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域，但需要大量的剖面制作和地質(zhì)推斷，并且很多地質(zhì)體和構(gòu)造尖滅位置不一定位于剖面上，并且剖面的假圖面坐標(biāo)難以進(jìn)行三維轉(zhuǎn)換（圖2)。利用地球物理資料進(jìn)行深部巖性約束進(jìn)行三維地質(zhì)模型建立，需要對(duì)地球物理數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋，建立地質(zhì)體的邊界文件，其原理與基于剖面建模是一致的[3]。

地表地質(zhì)信息事實(shí)上也揭示了一定深度的地質(zhì)信息，如果能夠直接利用二維地質(zhì)成果，避開大量剖面的解譯和復(fù)雜的地質(zhì)邊界連接[4]，經(jīng)過簡(jiǎn)單的構(gòu)造和地質(zhì)推斷，建立三維立體模型，不失為一種有效的三維模型建立方法。

圖1 利用鉆孔對(duì)比建立三維地質(zhì)模型

圖2 利用剖面對(duì)比建立三維地質(zhì)模型

2 基于地質(zhì)填圖圖件的三維地質(zhì)模型建立

2.1 產(chǎn)狀對(duì)地質(zhì)邊界的約束

由于數(shù)字化的地質(zhì)平面圖已經(jīng)將地表地質(zhì)體邊界和構(gòu)造行跡展布進(jìn)行了記錄，并且描述了地層和構(gòu)造的產(chǎn)狀[5]，而地層產(chǎn)狀本身就是為了描述地質(zhì)體的空間（包括地下）延展而存在的，三維地質(zhì)模型的建立，需要利用二維填圖成果合理推算地下一定深度的地質(zhì)信息，其流程如下：

假設(shè)存在某段產(chǎn)狀穩(wěn)定的地質(zhì)體，該地質(zhì)體邊界已經(jīng)明確，具備二維坐標(biāo)，如圖3，依據(jù)以下公式：

圖3 地質(zhì)體地下展布的構(gòu)造解析

圖4 三維地質(zhì)模型的建立

可以分別計(jì)算某地質(zhì)體邊界在地下的偏移量dx，dy，式中，h為地質(zhì)體沿產(chǎn)狀向地下延伸的深度，α，β分別表示地質(zhì)體的傾角和傾向。

對(duì)于構(gòu)造形跡尤其是斷裂的地下延展，該方法尤其適用，對(duì)于侵入巖體，由于沒有產(chǎn)狀信息，可以根據(jù)侵入體與圍巖的接觸關(guān)系，進(jìn)行地質(zhì)推斷，估算其邊界在某個(gè)深度的展布，上述方法可以得到不同地質(zhì)體邊界在地下的約束分布。

2.2 地形對(duì)地質(zhì)體層面的約束

地形對(duì)地質(zhì)體、構(gòu)造露頭的約束相對(duì)較為簡(jiǎn)單，將對(duì)應(yīng)的地質(zhì)體的邊界形成面元素，通過垂直投影的方式，將DEM高程影射至面元素的各個(gè)節(jié)點(diǎn)之上，即可完成地形對(duì)地質(zhì)體的約束，同樣，對(duì)于諸如斷裂展布、礦點(diǎn)分布的三維模型均可通過該方法完成。

2.3 地質(zhì)層面構(gòu)體

三維地質(zhì)模型的目標(biāo)是將同類地層體封閉為一個(gè)體，上述方法已經(jīng)生成了各個(gè)地質(zhì)體的地表層面和地下某深度的邊界層面，將同類地質(zhì)邊界的層面進(jìn)行連接，則形成了地質(zhì)體的三維實(shí)體，該實(shí)體可以利用表面模型表達(dá)或者利用三維柵格體元進(jìn)行渲染（圖4）。

該流程可以在GOCAD軟件中完成，從上述過程來看，難度和工作量均比傳統(tǒng)方法降低。

3 三維地質(zhì)模型應(yīng)用

三維地質(zhì)模型的建立，目的是為了應(yīng)用，否則就沒有意義[6]。針對(duì)建立好的三維地質(zhì)模型，可以在以下功能上進(jìn)行應(yīng)用。

3.1 三維顯示功能

對(duì)三維地質(zhì)模型進(jìn)行三維操作，如平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等，便于從不同角度、不同方位、不同比例尺觀看并理解地質(zhì)體之間、地質(zhì)體與構(gòu)造之間的空間展布和聯(lián)系。

3.2 空間檢索

給定一定地理范圍和深度，將滿足條件的三維實(shí)體進(jìn)行提取，結(jié)合三維地質(zhì)屬性模型，對(duì)于了解地質(zhì)體內(nèi)部應(yīng)力分布、品位分布及其與巖性、構(gòu)造之間的聯(lián)系有清晰的作用。也可以通過這種方式展示單個(gè)、多個(gè)地質(zhì)體的組合形態(tài)及地質(zhì)體之間的穿插、接觸關(guān)系。

3.3 開挖計(jì)算

在地質(zhì)工程實(shí)踐中，開挖設(shè)計(jì)及相關(guān)計(jì)算是必不可少環(huán)節(jié)，三維地質(zhì)模型建立后，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行三維分開挖分析和可視化，進(jìn)行土方量計(jì)算，預(yù)判開挖過程會(huì)遇見的不良地質(zhì)和不良地質(zhì)構(gòu)造，降低工程風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 空間切片 （slice）

該功能適合在三維屬性地質(zhì)模型上展示，通過設(shè)定一定深度，將該深度以上的地質(zhì)體剝離，觀察該深度上的地質(zhì)狀況。該切片屬于水平切片，同樣可以指定一段折線，在三維地質(zhì)模型上獲取該折線對(duì)應(yīng)的剖面地質(zhì)信息。

3.5 剖面自動(dòng)成圖

三維地質(zhì)模型上獲取的剖面只適用于觀察，難以進(jìn)行地質(zhì)成圖，需要將剖面上的同類地質(zhì)體進(jìn)行屬性追蹤，形成矢量形式的邊界，導(dǎo)出為CAD格式進(jìn)行編輯整飾。

4 總結(jié)

針對(duì)基巖區(qū)三維地質(zhì)模型建立難度大的問題，在不增加額外工程量的情況下，本文提出了一種簡(jiǎn)易而有效的三維地質(zhì)模型建立方法，并能夠在生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用。其原理和流程是二維地質(zhì)圖的延伸擴(kuò)展，易于理解和掌握，有助于提高地質(zhì)信息進(jìn)一步應(yīng)用，并對(duì)三維地質(zhì)模型的一些應(yīng)用功能進(jìn)行了論述。

由于本文是根據(jù)地表產(chǎn)狀信息推測(cè)地質(zhì)體的延展，因而建模的深度不宜過大。