基于真三維GIS的地質構造模型與空間分析

劉 星，劉瑩瑩

(安徽理工大學，安徽 淮南 232001)

基于真三維GIS的地質構造模型與空間分析

劉 星，劉瑩瑩

(安徽理工大學，安徽 淮南 232001)

帶有斷層的地質體建模難于層狀地層，是當前研究的難點，模型完成后的三維空間分析功能目前也處于研究階段，是當前研究的熱點。以某石膏礦為例，介紹了利用存在地層倒轉、地層缺失等復雜鉆孔數據進行三維建模的流程以及模型建立后的三維空間分析方法和地學應用，嘗試了三維GIS空間－屬性查詢、空間裁剪、縱剖面橫切面的自動生成方法和實例研究。結果表明，地質體和構造的特征的三維建模和空間分析有利于地質演化的理解和開采設計的優化。

真三維;GIS;空間分析;地學應用

0 引言

一個典型的三維地質模型是由1個或多個地層、結構面、斷層等組成的(趙曉東等，2009;明鏡等，2009)。對于平原區的地質分析模型主要涉及第四系土層、地下水等。地層之間的關系一般比較簡單，地層相互平行。在構造復雜的情況下，存在地層相交、錯斷、尖滅、透鏡體、夾層等地質現象，使三維地質建模過程復雜化(趙曉東等，2009;李燦輝等，2010)。

三維GIS作為一種建模工具，能夠大大提高地質建模的效率和精度，可以滿足對復雜地質區域的建模要求。當前，具備三維空間分析的軟件最有代表性的是法國南希大學開發的GOCAD(李燦輝等，2010;劉光偉等，2010)，筆者試圖研究利用該軟件建立三維地質模型一般流程：數據的分析和預處理、插值、建立三維地層界面、建立三維地層實體、剖面圖對比等步驟。

1 三維地層數據模型

目前，構建三維地質模型的方法可分為兩大類：基于面模型的構建方法和基于體模型的構建方法(向中林等，2009)。前者側重于用地質實體分界面(如地層面、接觸面和邊界面)來形成地質實體的空間輪廓;后者則側重于三維空間中地質實體邊界與內部的整體表示，通過對三維空間進行體元分割來實現地質實體的真三維表達和分析。在實際建模過程中，經常將這兩種方法結合起來，例如，可先利用基于面模型的構建方法形成地質實體的分界面，然后再對其進行體分割。因此，無論是面模型還是體模型，都需要先構建出地質體的分界面。

地質實體和地質界面一起組成三維地質模型，它的建立過程直接影響模型的精確度。在GOCAD中，若直接利用Solid功能生成地質實體(Solid)，是非常困難且無實際意義的。而使用GOCAD Solid功能，也可以生成滿足要求的地質實體，該法與Solid相比有許多優勢，主要表現在以下3個方面。

(1)采用SGrid(柵格)形成實體，它的實現方法簡單易操作，利用先前生成的層面即可完成。

(2)插值過程中得到的相關數據是用于工程計算的寶貴資料。進行地質建模的目的，將地質結構更鮮明直觀地展現出來，是將插值過程中得到的相關數據用于進一步的地質評價，SGrid則將這二者完美地結合起來。

(3)柵格的節點信息和拓撲關系可以Excel表格的形式導出，SGrid導出的節點信息和拓撲關系可以通過簡單的程序轉換，進而導入到 ANSYS和ABAQUS等有限元程序中，實現交互式計算，拓展了軟件功能。

2 鉆孔數據分層與可視化

本次研究的主要數據來源于鉆孔柱狀圖，共24個鉆孔，其中的層面和標志層劃分不夠詳細。因此，首要任務是將每個鉆孔按照建模的要求，重新厘定劃分，重新劃分的地層序列為松散層(Q+N)、白堊系(K)、銅頭尖組(T2t)和 月山組(T2y)，上面兩組為砂泥巖，東馬鞍山組第三段(T2d3)，為巖溶灰巖，東馬鞍山組第二段(T2d2)，為石膏層位，東馬鞍山組第一段(T2d1)，為灰巖或硅質灰巖，最下部為南陵湖組(T1n1)灰巖。

根據上述分層原則，將每個鉆孔的分層界面轉換為真深度，建立各個鉆孔的分層數據庫。首先根據鉆孔開孔坐標生成井位分布圖，然后將每個鉆孔分層數據輸入對應的鉆孔，形成鉆孔模擬圖。在此基礎上，將每個鉆孔的相鄰分層組合成為區，模擬不同的地層。將存在地層次序倒轉(黃色)、缺失(綠色)的鉆孔用不同標志表明，有利于從總體上把握構造的分布(圖1)。

圖1 地層缺失和地層倒轉的鉆孔位置

3 非連續層面地層的地質模型

以上方法在針對層狀連續地層的模型建立中十分方便，但在構造發育導致層面錯斷時很難應用，究其原由，則是基于地表的數字高程模型不能適應地下地層、構造面等非連續、重復性地層(陳冰凌等，2009;Apel，2005)。在該石膏礦研究區，要建立地質三維模型，必須首先劃分塊段，確定每個層面的斷塊邊界，針對單個連續的斷塊建立模型，然后在空間上進行耦合。

該石膏礦的地層和構造在空間上的分布特征還不完全清楚，尤其是東部地區，鉆孔數量偏少，難以控制其地層變化規律。但通過已有鉆孔揭示的信息來建模，在三維空間觀察其變化特征，比在二維狀態下分析地質構造的變化要直觀、有效。

研究將石膏礦劃分為4個斷塊，這在三維模型中非常明顯。當然可能還存在小的斷裂構造，但不影響地質建模與分析(圖2)。

圖2 某石膏礦的塊段初步劃分

將地層建模的層序劃分為第四系、白堊系，以上兩套地層在本區域具有統一的界面，既可以通過鉆孔中的層面分界直接插值形成一個連續統一的界面。下面的地層分層比較復雜，西南角的斷塊1，白堊系之下的地層系列為：Tt3、Ty3、Td3、Td2、Td1，屬于正常層序。而斷塊2的層序序列自上而下分別為：Tt3、Ty3、Td3、Td2、Td1，也屬于正常序列，但不完整，不是全局分布的。斷塊3的地層自白堊系之下分別為Td3、Td2、Td1，在與斷塊2接觸之處形成逆斷層，部分鉆孔地層倒轉。斷塊4的地層與斷塊3類似。在4個塊體之外，分別為左上角和右下角，存在橫穿全區的大型斷裂，左上角的斷塊是一個逆斷層上盤(上升盤)，出露老的T1n1(南陵湖組)和T3d1(東馬鞍山組下段)，石膏層被剝蝕殆盡，該處的鉆孔出現地層順序倒轉現象，即石膏層之上出現南陵湖組老地層，說明鉆孔位于斷層之上。圖中黃色標志說明是有地層次序倒轉的鉆孔。右下角為一個大型正斷層，在該斷層附近，出現地層缺失現象，即在白堊系之下，直接與南陵湖組地層接觸，表明該斷層下盤為上升盤，顏色為綠色的鉆孔即為地層缺失的鉆孔。按照該建模思路，需要分別界定各個斷塊每個地層在空間上的邊界，保證界線在空間上分布合理，否則建立的模型在空間上會存在交叉、分離等不合理現象。首先是確定斷裂切穿的層位，在本研究區，斷裂切穿了自白堊系以下的所有地層。這樣將白堊系底作為模型的最上界面，在斷塊1下，按照計算的基巖地層邊界，依次產生 T2t、T2y、T2d3、T2d2、T2d1、T1n 界面。

對于斷塊2，按照地質資料分析，基巖依然存在4套地層，但本塊段只有1個鉆孔控制，無法利用數據插值方法形成層面，需要采用地質推斷方法產生各個地層的層面，其依據是根據單個鉆孔將礦體頂板等高線上移一定高度，產生新的地層界面。本塊段產生的地質層面自上而下依次為T2t、T2y、T2d3、T2d2(石膏層)、T2d1，其層面邊界的確定如圖3。

圖3 塊段2地層邊界確定和層面建立

利用上述插值方法或推算的方法得到的層面，通常會產生不合理的現象，例如由于地層的尖滅，第四系和白堊系地層在東北部產生重合現象，但插值會造成微小的K底界位于Q底界之上，這樣的層面在后面無法構成空間體模型，需要采用腳本語言強令K底界位于Q底界之下，但由于兩個層面在垂向上不完全耦合，腳本語言不能夠將有效的兩個層面Z值對比，必須借助于其他方式加以解決。

同樣，塊段2的K底面有一部分位于銅頭尖組之上，這是不合理的，可以強令銅頭尖組地層Z值小于等于K底面的Z值，這樣銅頭尖組地層自西南向東北尖滅于白堊系之下，這與地質演化和后期保存狀態是相符合的。

斷塊3范圍比較大，基巖地層埋深較淺，并且東北高西南低，自白堊系之下地層為東馬鞍山組第三段，東馬鞍山組第二段和東馬鞍山組第一段，缺失銅頭尖組(T2t)和月山組(T2y)，地層次序正常。

斷塊4的地層分布次序與斷塊3相似，基巖地層埋深也較淺，自白堊系之下地層為東馬鞍山組第三段、東馬鞍山組第二段、東馬鞍山組第一段，缺失銅頭尖組(T2t)和月山組(T2y)，地層次序也正常。

4 礦區真三維地層模型構建

利用塊段劃分建立的各個地質界面，建立該研究區的三維實體模型，三維實體模型的建立，有利于后續的地質切面分析，地質屬性分析，夾層分布，巖溶水分布可視化和礦體綜合評價，儲量估計(朱發華等，2009;Andrea et al，2009)等。具體步驟如下。

(1)根據鉆孔分層資料，提取分層的高程數據，導入到GOCAD中，生成原始點分布圖。

(2)進行克里金插值，導入到GOCAD中后，生成加密后的數據點分布圖。

(3)以各個鉆孔分層點作為控制點，在地層尖滅、缺失處獲得交線。

(4)形成Delaunay三角網格化的層面。利用GOCAD中里的DSI插值算法優化各層初始層面，用交線約束修改原尖滅、缺失地層層面，從而最終建立各地層的層面。

(5)通過上下面，生成體模型。由于上下面形狀不對稱，必須使用Workflow方法，控制上下層面的連接部位。

同一斷塊自上而下存在多個地層體，依次建立各個地層體，然后融合(圖4)。

圖4 某石膏礦三維立體模型

(6)體模型的屬性傳遞。將鉆孔中石膏層的層位，夾層厚度，作為點元素輸入，將各個點的厚度值作為屬性，傳遞給體模型，利用空間三維插值方法，將夾層數目展現在切片中。

(7)三維切片。將每個地層自新到老，依次賦予一定的數值，例如Q賦值為0，K賦值為1，T2t賦值為2，T2y賦值為 3，T2d3賦值為 4，T2d2賦值為 5，T2d1賦值為6。切片可以在3個方向進行，可以顯示地層間的接觸關系、空間分布狀況和構造的控制情況(圖 5)。

圖5 某石膏礦三維任意切片圖

通過構造單個的任意面，生成斷面，輸入到CAD軟件進行編輯整飾(圖6)。

圖6 通過層面推斷構造

5 三維圖形地質分析

5．1 地層的三維空間分布特征

由于連續層序的界面在沉積上是連續整合的，除非后期受構造抬升發生剝蝕，其層面才會造成起伏，排除這種情況，如果沒有遭受剝蝕的層面，也會發生起伏變化，究其原因有兩種：一是沉積基底的不平，二是構造運動造成的斷層。對于前者，其起伏應當是光滑的曲面，而斷層造成的層面起伏，則在曲率上比較大。根據該原則，利用三維空間的地質體變化特征，利用人工解釋或者二次導數的方法，可以提取出未經鉆孔驗證的斷裂分布的特征(黃瑞婕等，2010)，供勘探布網參考和為采礦工程提供依據。

圖7是礦體底面，其沉積時期應該適合下覆底層整合接觸，層面與礦體形態的不協調應當是后期構造運動造成，現用紅色標注于上圖，將來的鉆孔應當優先考慮紅色區域。

圖7的地質體難以反映層內構造形跡，但清楚地表明兩斷塊抬升速度有差異，上部斷塊由于出露地表剝蝕殆盡，下面的斷塊是西部抬升的較高。它們的上層面基本表明是后期的侵蝕面。

圖7 地質體的不均衡構造抬升

5．2 地質構造空間分布與解釋

通過構造三維模型，能夠發現先前工作中構造解釋的不合理性，為下一步布置勘探鉆孔提供依據。圖8為石膏礦底板三維圖，在鉆孔4—4處，底板連續性與其他各孔不協調，應該存在1條正斷層，才造成礦體減薄。下一步鉆孔位置應在此附近布置，以便控制礦體變化，探明構造變化特征。

圖8 通過三維層面推斷構造特征

通過前后兩期構造解釋情況下的模型對比，可以發現在實施物探措施之后，斷裂解譯的合理性比前期解譯合理。圖9是解譯前的構造特征，中間的斷塊起伏太大，礦體扭曲得非常嚴重，難以真實存在，而右圖則是后期解譯的構造，中間的斷塊過渡自然，礦體平穩過渡。

圖9 通過三維模型推斷前期構造的合理性

5．3 物性及巖溶水空間分布與解釋

通過將巖溶水分別特征與三維模型結合，進行切片觀看，能夠預先了解巖溶水的空間立體分布。將石膏層的灰巖夾層作為立體模型的屬性，能夠利用切片的方式觀察石膏層中的夾層分布情況，有利于總體把握礦體豐度分布(圖10、圖11)。

圖10 三維切片的地質屬性觀察

圖11 某石膏礦－300 m切面含水分布、石膏中夾層分布圖

5．4 礦石量的計算

通過三維模型的建立，能夠精確計算該研究區的石膏資源量，本次計算大約為0．84億m3，該資源量是沒有扣除灰巖夾層、含水層和采礦設計的總體資源量。

6 結論

介紹了非連續斷塊地層的三維模型建立方法，利用某石膏礦的鉆孔資料，從分層厘定、數據庫建立到三維模型的展現以及地質屬性空間分析，詳細敘述了建模的整個過程。

通過模型的建立和屬性分析，不僅可以方便數據管理，便于地下數據可視化，還可以從真實角度分析構造特征，重新解譯斷裂邊界，掌握礦體真實賦存狀態，為總體分析把握礦體豐度分布提供可信的數據模型。

通過切片方式，很容易計算和分析石膏礦中夾層的分布和含水層位的空間分布，為地質勘探和采礦工程提供依據。

陳冰凌，王曉鵬．2009．真三維地質體建模技術及其在煤田地質勘探的應用［J］．中國煤炭地質，(增刊2)：123 －126．

黃瑞婕，劉紅欣．2010．基于三維地質建模的斷裂構造識別技術［J］．石油天然氣學報，32(4)：217－220．

李燦輝，潘勇，吳強．2010．復雜礦床三維建模與地質自動繪圖技術研究［J］．計算機應用研究，27(10)：3961 －3963．

劉光偉，白潤才，呂進國，等．2010．基于三維地質實體模型生成地質剖面圖的應用［J］．遼寧工程技術大學學報，29(4)：557 －559．

明鏡，潘懋，屈紅剛，等．2009．北京市新生界三維地質結構模型構建［J］．北京大學學報：自然科學版，(1)：111－119．

向中林，白萬備，王妍，等．2009．基于Surpac的礦山三維地質建模及可視化過程研究［J］．河南理工大學學報：自然科學版，28(3)：307 －311，320．

趙曉東，李利崗，彭林軍．2009．GIS和GOCAD支持下的礦山3D 地質建模［J］．地理與地理信息科學，25(2)：34－38．

朱發華，賀懷建．2009．基于地質雷達和鉆孔數據的三維地層建模［J］．巖土力學，30(增刊1)：267 －270．

ARNAUD BERLIOUX．1994．Building models with GOCAD［J］．Stanford Exploration Project，(80)：588 －607．

APEL M．2005．A 3D geological information system framework［J］．Geophysical Research Abstracts，7：05732．

ANDREA ZANCHI， SALVIFRANCESCAC， ZANCHETTA STEFANO，et al．2009．3D reconstruction of complex geological bodies：Examples from the Alps［J］．Computers ＆Geosciences，35(1)：49 －69．

OLIVIER KAUFMANN，THIERRY MARTI．2008．3D geological modeling from boreholes，cross-sections and geological maps，application over former natural gas storages in coal mines［J］．Computers ＆ Geosciences，34(3)：278 －290．

Geological structure model and spatial analysis based on true 3D GIS

LIU Xing，LIU Ying-ying

(Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，Anhui)

The geologic modeling for geologic bodies with faults was a difficulty，which was more complicated than those layered strata and its spatial analysis function after the achievement of the model was also a new research arena．Taking a gypsum mine as an example，the authors introduced a flowsheet of building a 3D model by complicated borehole data with strata loss and strata reverse，3D spatial analysis methods on those models and their geologic application．It was concluded that 3D modeling and its spatial analysis for geologic bodies and structure properties were advantageous to the understanding of geologic evolution and optimization of mining design．

True 3D;GIS;Spatial analysis;Geological application

TP391

A

1674－3636(2012)03－0274－06

10．3969/j．issn．1674-3636．2012．03．274

2012－05－20;編輯：侯鵬飛

國家自然科學基金項目(40872103)資助

劉星(1974— )，男，博士研究生，主要從事成礦預測研究，E-mail：liuxing0795@126．com