真实三维地质建模,真实三维地质建模图

三维地质建模任务

三维地质建模的核心任务是建立地质对象的三维地质模型，使其能够完整准确地表达各种地质现象，描述地质对象的空间分布特征、空间关系及其属性特征等，使地质模型对地质分析、工程决策等实际工作具有宏观指导作用。

所谓三维地质模型是采用适当的数据结构在计算机中建立的能反映地质构造的形态、各构造要素之间的关系以及地质对象物理、化学属性分布等地质特征的数字化模型(宫法明，2002)。简单地说，就是描述地质体的空间分布特征、属性特征及其空间关系特征(侯恩科等，2002)。三维地质模型应具有确定性、可视性、可动态修正等基本特征(McInerney et al.，2005a，b；Kaufmann et al.，2008)。利用三维地质模型可以以三维真实感图形的形式形象地表达地质构造的真实形态、特征以及三维空间物化参数的分布规律。

然而，地质对象的形态结构差别较大，内部属性不均一，尽管如此，仍可以用两类特性来表达地质对象：即实体的几何形态及其内部参数变化(Mallet，2002；郑贵洲等，2004)，也就是通常所说的地质对象的几何特征与属性特征。潘懋等(2007)指出，地质建模可分为两类：一类是地质体结构构造模型，即结构模型，另一类是地质体内部的物理、化学属性参数模型，即属性模型。通常应该是在三维地质体结构模型的基础上构建属性模型，并建立属性数据与地质体几何结构模型的对应关系。总之，将地质建模分为结构建模和属性建模，张发明(2007)持同样观点，强调地质结构建模的重要性。因此，本书的研究重点为地质对象的结构建模。

这里，强调地质结构建模的重要性，则必须从地质对象的几何形态方面考虑。地质对象根据几何形态特征可分为层状实体和非层状实体(郑贵洲等，2004)，层状实体占据地球表面的大部分，包括沉积岩及部分变质岩。按照地质体的连续性和复杂程度，可将层状地质体分为简单层状地质体(连续层状地质体)和复杂层状地质体(非连续层状地质体)两类。简单层状地质体，是指未经变形或轻微变形、形态相对简单、连续的地质实体，它没有被断层或节理切割，层与层之间为整合接触，在每一层内没有垂直方向的属性变化，如构造简单区内较为完整连续的地层，它们具有水平或倾斜的状态，形态较为规则。复杂层状地质体即非连续层状地质体，是指被断层或节理切割的地层，断层两侧的地层发生了显著的位移。复杂层状地质体包括被褶皱、断层破坏的地层、受岩浆岩侵入或盐丘挤入而产生的具有不规则形态的地层、内部存在复杂变化的地层等，这类地层虽然形态复杂，但仍具有成层性。复杂层状地质体又可分为断裂型复杂层状地质体、褶皱型复杂层状地质体等。

从地质构造的角度，Pinto和Casas总结了地质体的形态(郑贵洲等，2004)，归纳为五类：褶皱构造、岩脉和岩矿构造、断层构造、透镜体结构、丘状构造。这五类模型能够很全面地代表实际地质模型。因此，整个建模的研究重点是对图2.14所示地质对象的模拟。考虑到问题的复杂性，只对层状地质体和断层、褶皱构造进行重点研究，研究其空间形态、分布等结构性特征。

图2.14 地质建模分类

事实上，早期的地质学家考虑直接采用计算机技术进行地质建模研究。Kelk＆Challen(1992)曾经尝试利用CAD系统建立地质模型，结果很不理想。CAD是基于多项式的连续函数的方法，目的是为建立漂亮的曲线或曲面(Mallet，2002)，而地质对象具有复杂的几何形状、拓扑关系、尺度依赖性与属性特征，难以用简单的数学函数来表达各种地质构造现象。例如，倒转褶皱构造的几何形状和拓扑关系非常复杂，其边界难以确定，但是工人制造零部件，形状规则，各向同性，非常适合用CAD来设计(Turner，2005)。地质体是由各种地质结构面(不连续面、虚拟边界面)包围所形成的实体对象(张发明，2007)，是一种离散的结构体系，必须摈弃传统的CAD方法而采用一种新的视野来考虑(Mallet，2002)。因此，最好的方法是从地质构造出发来研究地质建模方法。

三维地质建模

一、内容概述

随着世界各国对资源需求日益上升以及对地质环境问题的日益重视，各国研究机构都将提高资源保障能力、缓解环境压力的目光逐步转向了地球深部，这就需要对地下空间有更详细、更好地了解。正是这种社会需求的不断增长，以及地理信息系统（GIS）、数字制图、数据存储和分析、可视化技术上显著的技术进步，直接促使了从传统的二维向三维地质填图（也称为三维地质建模）的过渡成为必然。

三维地质图是传统的二维地质图向三维的延伸。这些地图可以描绘三维空间内地下层叠地层的深度、厚度和物质性质。输出的结果是通过地质解译，以及严格应用原始数据、地质知识和统计方法而创建的完全属性化和数字化的三维模型。

二维和三维输出结果都采用了相似的地质构造单元分类，并针对特定用途和相关机构的需要，按照一定的比例尺和分辨率加以呈现。三维填图完成的三维地质模型可以为需要解决地球科学问题的客户提供信息，因为：①完成的三维地质图，可以以可理解的格式、用多种地图视图解释和描绘复杂的地质情况；②当有新信息可用时，可以制作和更新各种衍生或解译图；③针对地球资源信息的特定需求，根据客户需要进行发布和定制（Berg et al.，2011）。

二、应用范围及应用实例

目前，美国地质调查局的科学家使用三维/四维工具来进行以下工作：①可视化和解释地质信息；②验证数据；③验证他们的解译和模型。三维地质填图的例子包括对面向资源评价的地下空间描述，如美国中部的含水层描述，以及作为过程模型的输入参数，如美国西部的地震。同时，USGS希望通过开发新的三维/四维工具和框架，以及通过对现有技术的提高和更有效的利用，扩大其三维/四维处理能力来监测、解译和分发自然资源信息。

加拿大地质调查局已经将三维地质填图融入了各项工作。然而，地下水研究对于三维地质填图的需求还没有从传统的地质调查上完全转变过来。盆地分析的概念是加拿大地质调查局开展三维地质填图的基础。在此框架下，工作重点放在了数据收集和了解盆地的地质历史。盆地分析在地下水研究项目中已经作为一种常见的三维研究方法。后续在GIS软件中的数据处理、插值、可视化仍然酌情根据地理和地质的复杂性、研究目标和需求而定。

英国地质调查局的三维地质模型名为LithoFrame。它代表了地质图从二维扩展到三维（表1）。LithoFrame概念的核心是不同分辨率的模型彼此对应，形成从一般的全国模型到详细的现场模型的无缝过渡。

表1 LithoFrame分辨率的主要特点

注：LithoFrame比例尺：1M为1∶100万；250为1∶25万；50为1∶5万；10为1∶1万。

法国地质调查局的三维建模主要涉及3个领域：公共服务、国际合作项目以及与许多合作伙伴和客户合作开展的科研活动：

1）公共服务：欧盟、法语国家、地区政府和城镇机关；

2）国际项目：私营公司和外国政府；

3）研究：实验室和合作大学。

法国地质调查局的三维建模活动的主要应用领域是地质调查、含水层的保护和管理、城市地质、地震风险评价、土木工程、碳捕获和存储研究、地热潜力、矿产资源开采和采后评价。

国外地质调查机构用于创建三维地质图和模型最常用的软件套件包括ArcGIS、Gocad、EarthVision、三维GeoModeller，GSI3 D、Multilayer-GDM和Isatis。这些软件中，GSI3 D、三维GeoModeller和Multilayer-GDM由地质调查机构自行开发，并根据其机构对地质填图和建模的需求进行定制。许多其他软件包也用在地质调查机构的部分建模工作流程中，其中包括GIS、统计学分析、地震深度转换、可视化和属性建模的软件。

三、资料来源

Berg R C，Mathers S J et al.2011.Synopsis of Current Three Dimensional Geological Mapping and Modeling in Geological Survey Organizations.Ilinois State Geological Survey Circular，104

矿区三维地质建模的技术流程

通过具体软件（包括Micromine与Surpac）对普朗矿区的三维地质建模示范研究，总结出矿区三维地质建模的技术流程主要包括资料收集整理、数据库建立、轮廓线生成、实体模型构建、块体模型构建、估算资源量与模型应用等方面（图3—4），在建模过程中质量控制贯穿始终。

（一）资料收集整理与地质数据库的建立

资料的收集整理非常重要，根据矿体建模的需求，至少需要收集如下资料：

（1）探矿工程相关的成果数据；

（2）矿区地形地质图；

图3—4 矿区三维地质建模流程

（3）勘探线剖面图；

（4）其他相关数据，如工业指标、体重、断层、矿相分界线等。

将这些数据进行整理，使之符合矿区三维地质建模的数据组织要求，在三维建模软件支持下建立地质数据库。根据探矿工程、采样数据等建立工程坐标表、测斜数据表、岩性数据表与化验数据表的工作量大，也容易出错，这4个表的数据正确与否，直接关系到地质模型的正确与否。因此，在整理生成这些表时，应双份录入与校对，以保证原始数据的正确性。

一旦地质数据库建立，就可以在三维空间中操作显示地质数据，包括钻孔的轨迹线、品位值、岩性及其代码、岩层走向等，总之，几乎所有的地质信息都可以以字符、图表、图案等方式显示。

（二）轮廓线生成

所谓轮廓线就是指在一个地质剖面图中，所圈定的地质现象的边界线，如岩石边界线、矿体边界线、储量级别界线等等。因地质体或矿体的复杂性与不确定性，为了建立实用的地质体或矿体的三维模型，需要采用交互式的建模方法。生成轮廓线有两种方法：一是根据原始探矿工程数据如钻孔数据，在三维建模软件支持下，按工业指标和矿石类型在钻孔剖面上交互式连矿体轮廓线，或根据岩石类型交互式连岩体轮廓线；二是在已有地质剖面图的情况下，通过建模软件进行转换，并提取岩石或矿体等的轮廓线。

交互式解译轮廓线流程简单，但工作量大，并且对于不同类型的地质现象要分别进行解译。若有断层，需要分别对断层的不同盘的地质现象分开进行解译。

对于矿区三维建模来说，应专注于圈定矿体。圈定矿体时，应遵循如下原则：

（1）应根据《中华人民共和国地质矿产行业标准》进行；

（2）对于双指标或多指标的矿体圈定，可设置任意多元素之间的条件组合，来确定是否为矿体；

（3）夹石剔除原则：根据回采工艺，确定夹石的剔除厚度；

（4）手工确定原则：软件只提供工具，至于矿体在钻孔之外的形态，是根据地质师对矿体的认识，人为圈定的。

总之，对于如何圈定矿体的问题，在更大程度上属于地质专业范畴，其处理方案应以满足地质工作的要求为原则，应用三维建模软件时也应以此为准。在具体操作时，考虑到软件功能的实际情况，建议尽可能采用单指标圈连矿体。

对于一个新矿区，可根据地质工程资料，交互式建立地质体或矿体的轮廓线。而实际上，目前有大量的地质剖面图。针对该情形，首先将纸质剖面图通过扫描矢量化而生成数字化形式的剖面图，然后通过文件转换方式转为DXF文件格式，最后在三维建模软件中导入，并进行转换即可。主要分为两大步骤，首先将二维形式的地质剖面图转换为具有真实三维坐标的地质剖面图；然后按照三维建模软件的要求，提取轮廓线。

将所有勘探线剖面图转换与提取完，即完成了轮廓线创建工作。该项工作非常重要，当然也很繁琐，工作量较大。为了保证转换与提取的正确性，需要将转换结果与勘探线、钻孔等信息在三维空间中显示，并与原图进行比较。

（三）实体模型构建

这里的实体模型确切地讲应为线框模型。线框建模（wireframe modeling）技术实质是把目标空间轮廓上两两相邻的采样点或特征点用直线连接起来，形成一系列多边形；然后把这些多边形面拼接起来形成一个多边形网格来模拟地质边界或开挖边界。许多系统则以TIN来填充线框表面。它的优点是可以精确描述矿体边界，没有边界误差，输出的图形是“线条图”，符合工程习惯；其缺点是无法有效地管理矿石质量信息。也就是说，线框模型解决矿体或地质体的形状问题。

鉴于地质体或矿体的复杂性与不确定性，根据地质规律、地质知识、已有轮廓线交互式建立地质体或矿体的实体模型（或称为线框模型）具有实用性。也就是说，在矿区三维地质建模中，采用根据轮廓线交互式的技术来建立矿体或地质体的三维模型。

（四）块体模型的构建

线框模型只能解决矿体或地质体的三维形状问题，而块体模型能处理矿岩质量信息。块体（block）建模技术的研究和应用始于20世纪60年代初，是一种传统的地质建模方法。60年代和70年代开发的一些地质体模拟系统采用这种建模技术。这类建模技术是把要建模的空间分割成3D立方网格，称为Block，每个块体在计算机中的存储地址与其在自然矿床中的位置相对应，每个块体被视为均质同性体，由克立格法、距离加权平均法或其他方法确定其品位或岩性参数值。该模型用于属性渐变的3D空间（如侵染状金属矿体）建模很有效，对于有边界约束的沉积地层、地质构造和开挖空间的建模则必须不断降低单元尺寸，从而引起数据急速膨胀。解决方式是只在边界区域进行局部的单元细化。

在建立块体模型时，会遇到组合样品长度的确定、特高品位的处理、矿块、次分块规格（长×宽×高）确定以及搜索椭球体各参数确定等方面的问题。下面根据建模经验以及软件公司的建议，提供处理问题的一般原则。

对于组合样品长度的确定来说，样品组合的目的是，按等间距的原则给样品加权插值，确保今后在给矿块插值时符合地质统计学的要求。样品组合长度的确定，应根据实际中大多数样品的取样间距来确定。如：在实际中，90%的样品的取样距离为1.5m，可以将1.5m作为样品组合长度。

对于特高品位的处理来说，首先对组合样进行基本数学统计分析，如方差、均值、频率分布、峰度等，分析品位分布规律；然后地质师根据统计分析结果，确定特高品位值：

（1）取平均品位的6～8倍。

（2）百分比原则：例如把累积频率为98%处的样品值作为特高品位值。

（3）数学模型法：如果发现品位分布符合某个数学模型（如正态分布），则拟合成该数学方程式，再用以上方法确定特高品位。

对于矿块、次分块规格（长×宽×高）确定来说，可根据勘探线的网度、矿体的大小、矿体边界的复杂度以及采矿设计的要求来确定。一般矿块大小取勘探线间距的1/5～1/10，或矿块大小可以设置为采矿时的一个矿块大小（如一个台阶）等。

对于搜索椭球体各参数确定来讲。不同软件其设置不尽相同。

对于Micromine软件来讲：

（1）半径一般设置为勘探线平均间距的1.25～1.5倍；

（2）方位角是矿体的走向，以正北为起点，顺时针为方向，在0～360度间；

（3）倾伏角是矿体沿走向上的倾斜角度，正值，在0～90度间；

（4）方位角因子一般设置为1，它乘以半径反映椭球体的长轴；

（5）倾角为矿体倾斜方向与水平面的夹角，值在-90～90度之间；

（6）倾角因子和厚度因子设置在0～1之间，它们乘以半径反映椭球体的短轴和倾向上的尺寸。

对于Surpac软件来讲（以下参数可自动计算）：

（1）长轴长度：变程长度，同时保证块体在该半径内能搜索到样品点；

（2）长轴方位：在该方向具有最好的变异函数连续性；

（3）次轴方位：垂直于长轴面内，在该方向具有最好的变异函数连续性；

（4）长轴/次轴：长轴方向变程/次轴方向变程；

（5）长轴/短轴：长轴方向变程/短轴方向变程。

（五）估算资源量

资源量估算时，首先地质师根据地质可靠程度和经济意义对储量进行分级，建立每个储量级别的实体模型，然后根据块体模型，按储量级别的实体模型进行约束或赋值即可获得各级别的资源量。在估算资源量时，应采用多种方法（如距离反比加权法、克里格法）进行计算，并对结果进行比较，以保证计算的可靠性。

（六）模型应用

模型建立后，可进行多种应用，如进行剖面分析、采矿设计、进度计划与生产管理等。

地质体三维建模与可视化

地质体三维建模是指利用计算机对与矿床形成和分布相关的各种地质对象的几何形态和空间分布进行三维定量描述。地质体三维建模将实现地质对象表征的数字化和计算机化，是开展控矿因素定量分析和实现隐伏矿体立体定量预测的前提。

采用 Datamine Studio 软件进行三维地质建模的流程如图 11 －5 所示。

图11－5 地质体三维建模与可视化流程图

按照该流程可构建所有地质体的三维线框模型和三维块体模型。

线框模型是由许多三角形连接在一起形成的一个连续封闭的表面包围而成的三维实体，而每个三角形又是由三个三维顶点连接而成 ( 称为三角面片) 。线框模型可用三角形文件和顶点文件来描述。在三角形文件中，用三个顶点来定义一个三角形; 在顶点文件中，三个坐标值定义一个定点，三角形文件和顶点文件的表结构如表 11-5、表 11-6所示。

表11－5 线框模型三角形文件表结构

表11－6 线框模型顶点文件表结构

块体模型是由规则的小块或单元 ( 称为体元) 集合对地质体实体进行描述的模型，每一个小块或单元都具备一定的属性，如品位、岩石类型等。一个母单元是模型中允许的最大单元。实际上，块体模型是一种以正六面体作为体元的栅格模型。块体模型由原型表和模型表描述，其表结构如表 11 －7、表 11 －8 所示。

表11－7 块体模型的原型表结构

表11－8 块体模型的模型表结构

为了建立线框模型和块体模型，需先在剖面上对地质体的边界线进行人机交互圈定，边界线的圈定主要基于所在剖面的单项工程数据、物化探推断剖面和地质经验。图 11 －6所示为在所有剖面上圈定的凤凰山矿田新屋里岩体边界线。

图11－6 凤凰山矿田新屋里岩体边界线的剖面圈定

在剖面地质界线圈定的基础上，通过对相同地质体的边界线依剖面顺序连接，即可建立地质体的线框模型。利用软件的三维栅格化功能，可对线框模型描述的地质体实体进行块体 ( 体元) 分割，即可得到地质体的块体模型。

按照上述流程对凤凰山矿田的全部地质体均建立了线框模型和块体模型，包括地形、新屋里岩体 ( 图 11 －7、图 11 －8) 、地层 ( 图11 －9、图11 －10) 、断层 ( 图11 －11、图11-12) 、矿体 ( 图 11-13、图 11-14) 。

图11－7 凤凰山矿田新屋里岩体线框模型

三维地质建模的简介

三维地质建模（Three-dimensionalgeological modeling ）是一个基于数据/ 信息分析，合成的学科，或者说是一个整合各种学科的学科。这样建立的地质模型汇总了各种信息和解释结果。所以是否了解各种输入数据/ 信息的优势和不足是合理整合这些数据的关键。我们的储层一般都会有多尺度上的非均质性和连续性，但是由于各种原因我们不可能直接测量到所有的这些细节。

那么借助于地质统计技术来生成比较真实的，代表我们对储层非均质性和连续性的认识的模型是一个比较有效的研究储层的手段。同一套数据可以生成很多相似的但是又不同的模型，这些模型就是随机（stochastic）的。

那么什么是地质模型呢？地质模型是一个三维网格体。这些网格建立在surface，断层和层位的基础之上。它决定了储层的构造和几何形态。网格中的每一个节点都有一系列属性，比如孔隙度，渗透率，含水饱和度等等。一般来说，节点的尺度为200英尺×200英尺×1英尺。不过具体的模型节点尺度要取决于油田的大小，要解决的关键地质问题的尺度以及模型的商业用途。不同情况下建立的地质模型节点尺度会有很大差别。地质模型的建立可以细分为三步：建立模型框架，建立岩相模型，建立岩石物性模型。

地质体三维建模方法及流程

以建立的综合地质数据库作为数据基础，并综合利用 Vulcan 7.5和 Datamine Studio 3 软件各自的优点来进行地质信息三维可视化建模，主要工作内容包括：(1)地质建模数据（Geodatabase）的导入；(2)剖面地质界线圈定；(3)地质体线框模型建立；(4)地质体块体模 型建立。

通过综合地质数据库的建立，将繁杂的各类地质数据进行了分类并利用关系数据库进 行了存储与管理（见第2章）。因此，进行地质体三维建模是从综合地质数据库中导入各 类地质建模数据并采用 Vulcan 和Datamine 软件来进行地质体三维建模，并在不同的地质 剖面上对各类地质体界线进行圈定，并最终形成各类地质体的线框模型和块体模型。其具 体流程如图4.1所示。