基于 GOCAD的三維地質模型構建

張燕飛，朱杰勇，張威

（昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明， 650093）

從上世紀八十年代開始，三維地質建模技術便在國外開始廣泛應用。經過幾十年發展，建立了二十多種空間建模理論。這些理論可以劃分為依靠面元、體元或者混合方式建立模型。如最為常見的規則網格（Grid）、不規則三角網格 （TIN）就是依據面元建立地質體表面模型的常用方法［1］。

目前，市場上用于三維地質建模的軟件有很多，其中發展較為成熟且應用廣泛的有法國Nancy大學研發的GOCAD（Geological Object Computer Aided Design），加拿大阿波羅科技集團公司推出的三維建模與分析軟件Micr，斯倫貝謝公司開發的三維可視化建模軟件Petrel，英國Midiandvalley勘探公司出品的模擬構造運動的3DMove軟件。我國三維地質建模研究雖然相對較晚，但隨著地質領域及計算機技術的發展，量化研究及三維可視化研究漸漸成為發展的趨勢。而GOCAD以其強大的建模功能在國內外占有很大市場。近年來我國很多專家學者將GOCAD應用于石油、地質災害等領域取得了良好效果。

1 GOCAD概述

GOCAD地質建模軟件是主要應用于地質領域的三維可視化建模軟件，是國際上公認的主流建模軟件，具有以下特點［2］:（1）功能強大。GOCAD軟件具有強大的三維建模、可視化、地質解譯和分析的功能。既可以進行表面建模，也可以進行實體建模;既可以設計空間幾何對象，也可以表現空間屬性分布。GOCAD具有離散光滑插值技術（DSI）及多種地質統計算法，可以更加方便準確地模擬復雜地質構造。（2）應用廣泛。GOCAD在地質工程、地球物理勘探、礦業開發、水利工程中都有廣泛的應用，既可以數值模擬、優化設計也可以進行風險評估。（3）界面友好，人機交互能力強，實現了以workflows為主的半自動化建模。（4）數據接口齊全。GOCAD不但可以導入導出多種格式的點、線、面、體或網格文件，而且與很多大型專業軟件如CAD、ER Mapper、ArcView、FLAC3D 等也可以交換數據。

2 應用實例

以三維非拓撲方式建模為主，輔以三維拓撲建模，即先弱化研究對象地質屬性，重點分析各部分空間幾何關系，通過面模型構建三維模型，然后再賦以相應地質屬性如構造面、地層界面、侵入體或與資源相關的控礦（油、水）構造等。只有具有地質屬性的三維模型才能反應地層或塊體間交切、錯動和新老關系，才能為下一步空間分析或劃分網格建立力學模型提供依據。

2.1 地形面模擬

哨牌礦區以山地為主，地表高差變化較大、溝壑縱橫。目前已完成該地區大比例尺地形測量，并在AotoCAD中繪制成圖。GOCAD既可以模擬三維地形面也可以將地表出露的地層、構造等信息賦予地形面，生成三維地形地質面。在模擬地形面時，所有等高線必須賦有正確高程值。由于GOCAD不識別漢字，所以文件名、圖層名應以英文或數字命名。啟動GOCAD，新建項目landform（新項目最好保存于根目錄下或者以非漢字命名的文件夾中，否則GOCAD可能會無法創建或打開）。在項目設置Initizlize Project Units中，Depth axis positive values選擇Upward，其他選項可以保持默認。然后通過File－Important Objects－Cultural Data－DXF加載地形文件，GOCAD會自動分辨DXF中各圖層，并以不同文件名保存為Curve單元（PL文件）中，文件名一般與圖層名相同。勾選等高線所在PL文件，在右側視圖窗口中查看三維等高線是否正確。然后在Pointset選項下，通過New－From PointsSet Curve or Surface命令將等高線離散，并生成PointSet的VS文件（見圖1）。也可以通過MapGIS、Surfer等軟件先將等高線離散，以 X、Y、Z 的坐標形式保于.txt、.det、.xls等文件中。然后直接導入GOCAD生成VS文件。

GOCAD常用兩種方法生成地形曲面:（1）根據離散點分布形式在Curve中擬合地形邊界線，擬合的精度根據需要調整。然后在Surface中通過邊界線和離散點以相似三角（homogeneous triangles）網格構建曲面（見圖2a），即Surface－NEW－From PointsSet and Curve。（2）根據 Wizard－Surface Creation－From Data（without internal Borders）向導生成面，對于地形面與原始控制點吻合較差的區域可以通過增加相應的控制點，再進行局部光滑平順處理（DSI），多次反復直到符合要求（見圖2b）。具體方法為:選擇控制點及邊界線，通過Constrain All Borders On Straight Line將邊界線轉換為模糊控制點，引入插值方向，GOCAD會自動進行DSI插值。

該方法也適用于地層、構造的模擬。哨牌礦區地形面采用Wizard向導中插值法模擬，并對高速公路附近及某些沖溝地區進行了局部光滑處理。將三維地形面按地表出露地層及構造行跡劃分為不同區塊，并賦予不同顏色表示相應地層，見圖3。

2.2 層面、結構面模擬

哨牌礦區處于小江斷裂帶、埡都－水城斷裂帶和彌勒師宗斷裂帶挾持的三角地帶內，受這些深大斷裂帶多期活動影響，礦區地形地質條件復雜。礦區主要出露震旦系上統（Zz2）和寒武系下統（∈1）地層，震旦系上統主要為燈影組（Zz2dn）地層，與下伏寒武系地層整合接觸。寒武系主要是下統的漁戶村組（∈1y）和筇竹寺組（∈1q），該地層為哨牌礦區主要含礦層位。礦區較新地層為中泥盆統海口組（D2h）和上泥盆統宰格組（D3zg）。?？诮M與下伏地層假整合接觸。宰格組下伏地層整合接觸。

哨牌礦區主要斷裂有F1、F2（待補斷裂）、F3、F4和F5斷裂。F1為一逆斷層，斷層面產狀165°∠46°;F2（待補斷裂）以壓性為主，兼具扭性，斷層面產狀約為319°∠62°;F3與F5為平移斷層，產狀分別為:130°∠65°、349°∠45°;F4為張扭性斷層，產狀約為29°∠51°。哨牌礦區地形地質圖見圖4。

地層面和結構面建模是三維地質建模最核心的部分，這些面存在于地質體內部，無法直觀觀察到，因此要想提高模擬精度就需要大量獲取模擬區域地表與地下地質信息，特別是層面和構造面產狀、埋深、厚度等。如果模擬區域通過鉆孔等手段獲取了大量地質信息，此時建立層面、構造面模型相對簡單，只需將同一層面或結構面上的數據以X、Y、Z的形式整理成文本文件并導入GOCAD，然后利用Surface－NEW－From Pointsets命令生成層面或結構面。以這種方式建模，只要地質數據足夠豐富，建立的模型是相對準確的。

在大多數情況下建模所需要的地質信息是通過野外踏勘和少量工程獲得的。哨牌礦區的模擬就屬于這種情況。根據層面和構造面的地表行跡和產狀模擬地表以下較淺范圍內地質體是可行也是準確的。隨著對模擬區域研究的深入，所獲得地質資料也越多。此時可以再次對已有三維模型增加約束精準校正或擴大模擬深度。

在GOCAD中，坐標與地質圖坐標一致，Y軸正向為北，X軸正向為東，向上為Z方向。野外測量的產狀需轉換為對應面的切向量才能利用。設巖層產狀為“傾向∠傾角”（a∠b，O≤a≤360，0≤b≤90），則該層面的切向量為

以哨牌礦區F2斷裂為例，斷層面產狀為319°∠62°，即 a=319°，b=62°，代入上式，得 x=－0.308;y=0.354;z= － 0.882 9;因為哨牌礦區僅模擬地下150 m范圍內的地質體，當斜距大于170 m時F2的深度大于150 m，滿足模擬需求。此時只需將F2的地表控制點沿X、Y、Z分別移動－53 m、61 m和－150 m就得到F2地下150 m深度的控制點。

哨牌礦區的地形地質圖是在MapGIS中繪制成圖的，以.WT、.WL、和.WP 格式保存。

由于GOCAD不能直接識別MapGIS文件，因此需將該線文件轉換為DXF文件。在AotoCAD中打開該DXF文件，進入3D建?？臻g，捕捉各地質界線與等高線的交點并連接成三維曲線。該三維曲線就是地層走向或斷層的地表行跡。在三維視圖中多角度查看所繪三維曲線，檢查與地形面的吻合情況，若存在問題可在AotoCAD或GOCAD中適當增減控制點或調整相關點坐標使之吻合，保存文件。然后將三維曲線所代表層面（構造面）產狀代入式（1），計算出相應切向量，再根據模擬深度，沿切向量方向平移，使z方向的平移距離等于模擬深度，保存文件。

將AotoCAD中繪制的地質界線導入GOCAD，在右側窗口中可以清楚看到各界線相對關系。通過GOCAD中Surface－NEW－Several Curves命令，選擇同一層面（構造面）不同高程的兩條地質界線，生成對應層面（構造面）。由于地表與地下的地質情況不完全相同，因此由地表地質界線與產狀生成的界面可能在交切關系上存在不合理或與實際情況不符的情況。GOCAD具有強大的編輯功能，可以通過增加約束、局部 DSI［3］或reshape Surface命令，調整三角網的控制點來實現曲面的編輯。

由于點集數據的離散性及地層的復雜切割關系，生成的地層（構造）面范圍各不相同，為了將所有地層約束在研究范圍內，生成規則的三維模型，必須為地層面建立統一約束，使地層面限制在同一范圍內。在GOCAD中選擇研究區域的邊界線，通過New－Built InForms－Tube命令建立研究區域邊界的垂向切面，然后利用Tools－Border－Extend或Cut By Surfaces將沒有靠近邊界面的層面、構造面延伸，將超過邊界面的層面、構造面切割刪除。

2.3 鉆孔的生成

鉆孔是三維地質模型制作的重要資料。在GOCAD中，鉆孔屬于測井（well）的一種形式，垂直或傾斜鉆孔的加載方式與直井或斜井相同。但不同文件格式有不同的加載方法，在文本文件中，可以直接加載鉆孔名稱、鉆孔位置（X、Y、Z）、補心海拔KB、孔深等信息。鉆孔生成后可以在其對應maker選項中加載或鍵盤錄入分層、斷裂信息，如:地層名稱、厚度、產狀等。結合哨牌礦區已有探礦工程資料，本文加載了從ZK1到ZK5的5個鉆孔，并且每個鉆孔都生成了相應的maker，見圖5。

2.4 三維體模型創建

GOCAD可以通過SGrid（網格模型對象）和Solid（實體模型對象）兩種方式實現由面模型向體模型的轉化［4］。直接選用Solid功能生成復雜的三維地質體較為困難，因為GOCAD僅能從點集、封閉曲面或單個面及厚度創建Solid。SGrid是由六面體格子組成的單元集，確定地層分界面及網格密度后，GOCAD可以通過六面體單元“充填”兩層面間的地層，所有這些六面體單元組成SGrid。劃分的六面體單元越小，擬合效果越好，鋸齒現象越不明顯。此外，六面體單元的節點信息可以導出，有利于進一步對地質體進行空間分析及數值模擬。

在Workflows中新建3D Reservoir Grid Builder，GOCAD將以向導模式半自動化建立模型。主要步驟如下:（1）Select Horizos，確定模擬地層的范圍，單擊已經建立好的最新地層頂面和最老地層底面。（2）在 Specify Gridding中，可以選擇自動、交互、或已有模式計算網格（Gridding）和地層厚度（Pillars），無特殊要求可以選擇自動計算。（3）Define Units，定義各中間地層，計算各地層等體積線，并將中間地層按新老順序排列。（4）最后在Build Grid中將三維網格細化，減少鋸齒，生成體模型。通過該方法生成的體模型每一個單元都有獨立的八節點坐標和屬性點，可賦予多個屬性值，見圖6。

3 結束語

GOCAD是一款強大的地質建模軟件。一方面可以識別多種數據來源，極大簡化建模，而且在建模時可以采用克里金插值加密點，對于插值產生的畸變可以通過DSI功能修正。因此建立的三維模型更加逼近真實地質體。另一方面，隨著研究的深入常需要在地表、鉆孔或坑道中取樣進行各種物理力學性質試驗或化學元素分析，把試驗所得數據以取樣點屬性的方式賦予三維模型中對應鉆孔上，然后將有限的實驗數據通過GOCAD的DSI功能插值加密，就能繪制相關屬性模型或變量圖，進而對其進行專項分析。

［1］王明華，白云.3D地質建模研究現狀與發展趨勢［J］.土工基礎，2006，20（4）:68－70.

［2］張夏歡，高謙.GOCAD地質三維建模技術在礦山邊坡工程中的應用［J］.礦業快報，2008，9（9）:113－114.

［3］詹 莉，劉聰元.GOCAD及其在烏東德工程的應用［J］.工程地質計算機應用，2009，5（3）:34－35.

［4］管樹巍，A NDREAS PLESCH，李本亮，等.基于地層力學結構的三維構造恢復及其地質意義［J］.地學前緣，2009，7（4）:142－143.