河南郁山鋁土礦三維地質建模軟件工作流程與對比研究

苗晉祥，宋要武，李中明，黃俊雅，丁 浩，陳 新，羅 雪，喬東輝

(1.河南省金屬礦產成礦地質過程與資源利用重點實驗室，河南鄭州 450001; 2.河南省地質調查院，河南鄭州 450001)

1 序言

三維地質建模的科學價值:成果表達由平面轉向立體是傳統地質改革創新的新方向。三維地質建模技術把浩如煙海的地質數據描繪成數據“風景畫”和三維地質模型，使地質圖件形象生動、直觀易懂，易于被非專業人士理解與應用，是地質調查、城市發展和社會信息化的必然趨勢。受河南省探礦權采礦權使用費及價款地質勘查“河南省新安縣郁山鋁土礦詳查”項目支助，開展了河南省新安縣郁山鋁土礦三維地質建模專題研究，進行三維地質建模技術的推廣應用的探索。

國內外研究現狀:自20世紀80年代以來，地質、礦山及計算機等領域的專家學者，圍繞礦床地質、工程地質和礦山工程等問題，對三維地質模擬的空間構模問題進行了理論與技術研究，美國、法國、加拿大、澳大利亞、英國等國還相繼推出了一批在地質、石油及礦山等領域得到廣泛應用的三維地質模擬軟件(李友柱等，2003;王淑紅等，2006;尚建嘎等，2006;陳建平等，2011)。其中較具代表性的是:1988年由法國Nancy大學的J.L.Mallet教授推出的GOCAD(地質對象計算機輔助設計)系統，該系統采用G－Map圖作為表達三維空間地質對象拓撲關系的基本數據模型，可滿足地質、地球物理和油藏工程的三維模擬與輔助設計需要，并提供強大的二次開發功能;美國DGI公司的地球可視模擬系統(Earth Vision Modelling Sysytem)軟件包，主要用于生成靜態三維塊體模型，反映結構面(斷層、破碎帶、節理、巖脈和巖墻)之間的交切關系;加拿大LYNX GEOSYSTEM公司開發的LYNX軟件系統采用棱柱體體元建模法，可以對鉆孔、測井記錄、TIN模型、三維格網結構等綜合管理，廣泛應用于礦山、地質的三維建模及可視化方面;美國CTECH公司開發的 MVS、EVSPRO、MAS、EVS Standard及EVS for ArcWiew;澳大利亞Micromine集團的Micromine 2010軟件等。此外，國內在商業化三維地質建模系統研發方面，有北京理正軟件設計研究院開發的地理信息系統－地質專題軟件;北京東方泰坦科技有限公司在國際著名的加拿大阿波羅科技集團GIS軟件基礎上，基于框架建模的思路研制開發而成的TITANT 3D;中科院武漢巖土所開發的三維地層地理信息系統(3DSIS);武漢中地數碼公司在MAPGIS基礎平臺基礎上開發的三維可視化地質勘察信息系統MAPGIS_G3dProject。

本文根據郁山鋁土礦的三維地質建模的經驗，對MVS、Micromine、MAPGIS_G3dProject三種軟件的特點進行對比討論。

1.1 美國CTech公司的MVS 8.2軟件具有以下特點

(1)真三維軟件，智能化強，應用領域廣泛(除地質外，還包括環境、海洋、考古與大氣等學科);

(2)注重三維地質建模的質量，并可提供了不同的三維可信度(Confidence)的地質模型;

(3)礦體儲量計算、品位估算、礦產的評價; (4)提供地質模型4維交互動畫展示功能;

(5)礦體三維屬性 (物探、化探、水文地質參數、工程地質參數、環境地質參數，等等)模型，三維空間等值線。

1.2 澳大利亞Micromine國際礦業軟件及咨詢集團Micromine軟件具有以下特點

真三維軟件，模擬了傳統的礦體儲量計算，并考慮了礦體儲量計算規范，人為參與半智能化建模，此種方法得到了地質專家的認可，軟件得到了國際證券市場、國際礦業公司、投融資機構和風險勘探公司的認可，這將有利于地勘企業和礦業公司所擁有礦業權的流轉和國際合作，以及在股票市場上市籌集資金等。

1.3 中地數碼公司(武漢)的MAPGIS_G3dProject軟件具有以下特點

真三維軟件，類似于澳大利亞的Micromine軟件，具有中國自主知識產權的軟件，實現了從勘探數據管理，礦體圈定、儲量估算到地質成圖一條龍的技術流程。本軟件考慮了中國的礦體儲量計算規范，包含了國內應用較為廣泛的剖面法、地質塊段法、和地質統計學等三種方法。

2 研究區地質概況

河南省新安縣郁山鋁土礦屬華北陸塊南部澠池－確山陷褶斷束的西北端，為構造隆起與坳陷的接合部位。屬晉冀魯豫地層區豫陜地層分區澠池－確山地層小區，出露地層有中元古界洛峪群、下古生界寒武－奧陶系、上古生界石炭－二疊系、中生界三疊系、新生界新近系和第四系。本溪組沉積環境屬豫西澠池瀉湖東部的潮坪－沼澤相(李中明等，2009;翟東興等，2002)。斷裂和褶皺構造較發育，巖漿活動微弱(鄧軍等，2010;劉學飛等，2010;王慶飛等，2011)。

河南省新安縣郁山礦床位于三門峽－澠池－新安四級鋁土礦成礦區的杜家溝－郁山鋁土礦成礦帶的東端，為河南省富鋁土礦最集中區。區域上已發現煤、鋁、鐵等沉積礦產。鋁土礦賦礦層位為上石炭－下二疊統的本溪組。

河南省新安縣郁山礦床含礦地層為石炭－二疊系本溪組，與下伏馬家溝組呈平行不整合接觸，含鋁巖系厚度1.18～26.06 m，平均8.65 m。一般自下而上分為四個巖性層:一層為灰褐色中薄菱鐵礦層或含菱鐵礦鋁土質泥巖，以鐵質粘土巖建造為主，厚0～4.80 m;二層為灰色中薄層含豆鮞、粒屑鐵鋁質粘土巖層，局部含炭質而呈深灰色，黃鐵礦零星發育，菱鐵礦以豆鮞狀，團粒狀產出，層理發育，可發育成耐火粘土，為礦層直接底板，厚0～4.56 m;三層為主礦層，為灰－深灰色中厚層狀碎屑－豆鮞狀鋁土礦及泥晶鋁土礦，偶爾見層理構造，厚0～10.18 m;四層為深灰－灰黑色中薄層含炭質鋁土質泥巖或炭質泥巖或矸石，為礦層直接頂板，可見層理，含植物化石，普遍含黃鐵礦團塊，厚0～3.35 m。四層組合為一個完整的沉積旋回，礦區內一般可見兩個沉積旋回。上部與太原組整合接觸。

3 三維地質建模的工作流程

本文重點以MVS8.2軟件進行討論。

3.1 資料的收集整理，建立地層層序

依據《中國地層指南及中國地層指南說明書》.綜合使用同位素地質學、古生物學與微體生物學方法、沉積學方法、測井地質學方法、地球化學過程分析等等方法。工作則由原先的野外填圖法逐步過渡到據航片、衛片解譯、地貌學研究、鉆孔驗證。在此基礎上建立工作區地層層序(表1)。

3.2 數據處理與三維地質建模工作流程

工作流程為:按地層層序處理鉆孔與不同地層面數據，并建立數據庫→地質解譯→三維地質建模→儲量計算(苗晉祥等，2008;雷赟等，2008)。

表1 河南新安郁山鋁土礦地層層序表Table 1 Stratigraphic sequence in the Yushan bauxite deposit，Xin’an County，Henan Province

3.2.1 MVS8.2軟件的工作流程

工作流程:數據處理→三維地質建模網絡流程的建立。

數據處理:本專題研究就是按地層分層的頂底面整理的gmf格式文件。根據表1的地層層序對鉆孔進行分層，按X，Y，TOP(地面標高)，BOT_1(分層序號為1地層的底板標高，以此類推)、BOT_2、BOT _3、BOT_4、BOT_5、BOT_6、BOT_7、BOT_8、BOT_9、BOT_10、BOT_11、Boring_ID(鉆孔編號)的順序對每一鉆孔進行編輯，再加上輔助的解釋內容，便生成gmf格式文件。

三維地質建模網絡流程:MVS 8.2軟件是一款模塊化流程式軟件，本專題三維地質建模需要以下模塊(見圖1)。現將主要模塊的功能進行論述。

Krig 3D Geology:讀入整理好的*.geo或*.gmf文件，克立格法創建所有三維地層面。

3D_Geology_Map:從二維的地層面創建三維的體模型。

Volumetrics:礦體儲量計算模塊。

Explode_and_Scale:對模型在Z方向的擴張值以及地層模型中各個地層之間的間距的設定。

isovolume:它是子模塊中的一個模塊，它可提取體數據的某一部分(大于或小于閾值)。

Legend:模型圖例的創建。

圖1 MVS三維地質建模工作流程圖Fig.1 Workflow of MVS three－dimensional geological modeling1－輸出到視窗模塊的數據;2－克里格三維差值模塊輸出的數據;3－各模塊之間的數據流1－output data of view model;2－output data from Krig 3D geological module;3－data－stream among different modules

axes:模型坐標系的創建。

viewer:視圖窗口模塊。

河南郁山鋁土礦三維地質特征:

(1)構造的展示:礦區整體為一背斜，總體軸走向為北西－南東向，軸向西北方向傾伏，北翼地層傾向北東，南翼地層傾向南西，核部地層為寒武系和奧陶系，兩翼依次均為本溪組、太原組、山西組、石盒子組一段、石盒子組二段、石盒子組三段等地層(見圖2、圖3、圖5、圖6)。

圖2 三維地質結構模型(旋轉90°)Fig.2 Three－dimensional geological－structure model(rotating 90°)1－第四系;2－第四系底板至礦體頂板;3－礦體; 4－礦體底板至奧陶系頂板;5－奧陶系1－Quaternary;2－Quaternary floor to roof of ore body;3－ore body;4－ore body floor to Ordovician roof;5－Ordovician

(2)地層的疊置關系:地層為11層，為正常序列疊置，地層總體呈平滑連續延伸，但也有較小的波狀起伏(見圖4、圖5、圖6)。

(3)礦體下伏奧陶系地層(O)三維空間展示:同背斜的產狀基本一致，軸部走向為北西－南東向，軸部向西北方向傾伏，北翼傾向北東，南翼傾向南西(見圖2、圖3、圖5、圖6)。

(4)鋁土礦礦體三維空間展示:礦體分布于西郁山的北坡，主要賦存于石炭系本溪組含鋁巖系的中上部，呈隱伏狀分布。主礦體為一層，形狀受背斜與下覆奧陶系馬家溝組界面控制，總體呈上凸的弧形，向西部礦體呈扇形展布，為層狀平滑連續分布，但也有較小的波狀起伏，軸部走向為北西—南東向，軸部向西北方向傾伏，南翼傾向南西且傾角較大，北翼傾向北東，礦體總體向西、北西、北傾斜，傾角平緩，局部有起伏，礦體埋深中東部淺，向南、西、北三個方向埋深逐漸增大。主礦體規模為大型，北西—南東向長大于2555 m，北東—南西向寬大于1900 m，礦體真厚度0.48～9.65 m，平均真厚度2.79 m，礦體厚度集中在1.5～3.5 m，頂板最高標高為339 m，頂板最低標高為－278.33 m(見圖7)。

3.2.2 MICROMINE 2010軟件的工作流程

工作流程:文件準備→鉆孔校驗并建立數據庫→地質解譯→地質模型的建立→塊模型的建立與儲量估算。

文件準備:建立井口文件、測斜文件、樣品分析文件、巖性文件4個文件。

圖7 三維礦體模型圖(旋轉135°)Fig.7 Three－dimension orebody model(rotating 135°)1－礦體1－orebody

鉆孔校驗并建立數據庫:檢查鉆孔四個文件的一致性和邏輯錯誤。

地質解譯:按剖面連接礦體和地質體。

地質模型的建立:生成線框文件，建立地質模型或礦體模型。

塊模型的建立與儲量估算:生成礦體塊模型，按不同品位進行儲量估算。

生成的模型見圖8。

圖8 MICROMINE生成的三維地質柱狀模型Fig.8 Three－dimensional geological_post model generated by software MICROMINE

3.2.3 MAPGIS_G3dProject軟件的工作流程

工作流程類似于MICROMINE軟件，為:勘探數據管理→地質解譯→礦體圈定→儲量估算→礦量和品位統計→三維可視化分析→成果數據管理和輸出。生成的模型見圖9。

圖9 MAPGIS_G3dProject生成的三維地層模型Fig.9 Three－dimension stratum model generated by MAPGIS_G3dProject

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