立體地質(zhì)填圖三維建模技術(shù)方法與應(yīng)用研究

朱　威， 王大勇， 王書民， 姚大為， 王　剛

(中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，廊坊　065000)

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立體地質(zhì)填圖三維建模技術(shù)方法與應(yīng)用研究

朱威， 王大勇， 王書民， 姚大為， 王剛

(中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，廊坊065000)

針對綜合地球物理立體地質(zhì)填圖后期進(jìn)行的三維地質(zhì)模型構(gòu)建、圖示展示方法與技術(shù)進(jìn)行了研究。提出了不同屬性體單獨(dú)建模后進(jìn)行切割、融合構(gòu)建三維地質(zhì)模型的復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模方法與技術(shù)；在MAPGIS K9平臺上應(yīng)用該技術(shù)構(gòu)建了九瑞試驗(yàn)區(qū)三維地質(zhì)模型，并通過不同的圖示方法分析與展示構(gòu)建的九瑞試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)模型；結(jié)合該區(qū)域的成礦特征利用三維地質(zhì)模型從深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)出發(fā)圈定了該區(qū)的成礦有利部位。

立體地質(zhì)填圖； 三維圖示； 深部找礦； 九瑞試驗(yàn)區(qū)

0　引言

傳統(tǒng)的地質(zhì)填圖方法只能描述地表或淺部的地質(zhì)信息，對深部地質(zhì)信息的描述有著先天不足。立體地質(zhì)填圖工作在國外早已開展。前蘇聯(lián)早在上世紀(jì)60年代～70年代便開展了立體地質(zhì)填圖的研究工作，出版了有關(guān)1∶50 000地質(zhì)測量的《稀有金屬礦區(qū)立體地質(zhì)填圖》[1]等參考著作，并曾組織專門會議，研討距地表深2 000 m以內(nèi)的礦產(chǎn)預(yù)測問題，提出在典型礦區(qū)開展立體模型研究，并強(qiáng)調(diào)在立體填圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行立體找礦。我國在油氣和煤炭勘查中，采用地震等物探方法與鉆探結(jié)合的勘查摸式，獲得深部立體地質(zhì)構(gòu)造圖，已是常規(guī)的地質(zhì)工作。近年來也開始了城市三維地質(zhì)調(diào)查的淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的立體地質(zhì)填圖試點(diǎn)工作，但甚少涉及深部金屬礦產(chǎn)的立體填圖工作。為提高我國資源的保障能力，配合“加強(qiáng)深部找礦，開辟第二找礦空間”的戰(zhàn)略舉措，許多專家、學(xué)者提出的思路和意見都涉及到立體地質(zhì)填圖問題。

基于綜合地球物理方法的立體地質(zhì)填圖，主要是利用獲取的綜合地球物理資料對地下一定深度范圍內(nèi)具有明顯或較明顯的物性統(tǒng)計(jì)差異的物性-地質(zhì)體(地質(zhì)單元、目標(biāo)地質(zhì)體、填圖地質(zhì)單元等)的分布與結(jié)構(gòu)特征做出立體(三維)推測[1]，并在MAPGIS K9平臺上運(yùn)用先進(jìn)的建模方法和技術(shù)繪制成推斷立體地質(zhì)圖。通過一系列的展示和分析方法對繪制的模型進(jìn)行展示和分析，解決傳統(tǒng)填圖方法不能對深部地質(zhì)信息取得更多準(zhǔn)確認(rèn)識的問題。

1　三維地質(zhì)模型的構(gòu)建

1.1構(gòu)建約束剖面

約束剖面是由綜合地球物理解釋推斷解譯的地質(zhì)剖面而來，在三維地質(zhì)建模中是作為對填圖單元的空間分布進(jìn)行約束的已知信息[2]，約束剖面中通常含有物性單元層、構(gòu)造、地形等信息。依據(jù)三維地質(zhì)建模技術(shù)，在構(gòu)建約束剖面時，需要依據(jù)三維建模平臺所要求的剖面數(shù)據(jù)類型，利用矢量化技術(shù)，構(gòu)建不同屬性(地層屬性剖面、巖體屬性剖面、構(gòu)造屬性剖面等約束剖面，圖1)。矢量化過程中采取簡化剖面矢量化的方法(圖1中綜合地球物理解譯剖面中包含地層、巖體及構(gòu)造等多種屬性)，矢量化地層屬性剖面時，將巖體屬性部分合并到相應(yīng)地層屬性(圖1中綜合地球物理解譯剖面、地層屬性剖面圈出部位)，讓同一屬性地層更為連續(xù)，便于三維模型的構(gòu)建，然后，將不同屬性的剖面分別導(dǎo)入三維建模平臺，構(gòu)建不同屬性的立體地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，圖2為導(dǎo)入后的地層屬性剖面和巖體屬性剖面。

圖1　矢量化后地層、巖體、構(gòu)造屬性剖面圖Fig.1　Vectorisation of stratigraphic, rock and tectonic attributes(a) 綜合地球物理解釋剖面；(b) 地層屬性剖面；(c) 巖體屬性剖面；(d) 構(gòu)造屬性剖面

圖2　三維建模各屬性剖面數(shù)據(jù)導(dǎo)入流程示意圖Fig.2　The import process sketch of attribute profile used for 3D modeling(a)地層屬性剖面導(dǎo)入后陣列顯示；(b)巖體屬性剖面導(dǎo)入后陣列顯示

1.2同屬性剖面構(gòu)建同一屬性體

屬性剖面到屬性體采用基于輪廓線拼接的交互建模方法，其基本思路是從兩個鄰近的剖面中選擇同一地層的邊界線進(jìn)行拼接來構(gòu)建地質(zhì)體的面模型，再由面構(gòu)成地質(zhì)塊體，最后由地質(zhì)塊體組合構(gòu)成完整的地質(zhì)實(shí)體模型。在上述過程中，關(guān)鍵步驟是基于輪廓線數(shù)據(jù)拼接，即找到一個“最佳”的與所給定的輪廓對應(yīng)的曲面，選擇一個與實(shí)際地質(zhì)體對象最為接近的匹配。輪廓線拼接處理的核心是用將相鄰兩斷面的輪廓線連接成由多個三角面組成的輔助面(圖3(b))，再在兩個平面輪廓線間用多個輔助面及兩斷面構(gòu)造出一個多面體。由于輪廓線拼接無法由計(jì)算機(jī)自動、準(zhǔn)確地完成，其本質(zhì)還是由控制點(diǎn)構(gòu)建輔助線，再由封閉的線成面，最后由一圈封閉的面成體的三維建模。三維建模思路：圖4(a)中暗紅色點(diǎn)為輪廓線上的控制點(diǎn)，通過地質(zhì)人員的判斷選擇相鄰兩個或者多個斷面上的輪廓線控制點(diǎn)通過點(diǎn)造線的方法構(gòu)建輔助線(多個斷面之間的輔助線圓滑通過多點(diǎn)插值圓滑實(shí)現(xiàn))；輔助線構(gòu)建完畢后，圖4(b)、圖4(c)中利用斷面上的輪廓線弧段及構(gòu)建的兩斷面間的輔助線可以形成一個封閉線圈，由這封閉的線圈即可構(gòu)建斷面間的輔助面；當(dāng)一個封閉地質(zhì)體所需要的輔助地質(zhì)面構(gòu)建完成后，選中這個地質(zhì)體所包含的輔助地質(zhì)面及斷面本身即可構(gòu)建一個封閉的地質(zhì)體(圖4(e)藍(lán)色部分為選中的構(gòu)建地質(zhì)體所需的部分地質(zhì)面示意圖)；圖4(f)中藍(lán)色部分地質(zhì)體為構(gòu)建完成的一個地質(zhì)體，圖中其他部分地質(zhì)體也是使用類似方法構(gòu)建而成的。圖5分別為地層、巖體等屬性體分別進(jìn)行三維建模的流程示意圖。

圖3　輔助面不同顯示模式示意圖Fig.3　The sketch of auxiliary plane in different display modes(a) 輔助面面模式示意圖；(b) 輔助面線模式示意圖

圖4　單屬性體三維建模流程示意圖Fig.4　The process sketch of single attribute body 3D modeling(a) 構(gòu)建輔助線；(b) 選中輪廓線及輔助線(c) 構(gòu)建輔助面；(d) 類似方法構(gòu)建其他輔助面；(e) 選中構(gòu)建地質(zhì)體所需的地質(zhì)面；(f) 類似方法構(gòu)建全部地質(zhì)體

圖5　不同屬性體三維建模流程示意圖Fig.5　The process sketch of different attribute body 3D modeling

1.3不同屬性體切割、融合構(gòu)建三維地質(zhì)模型

不同類型屬性體分別完成三維建模后，利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存和體切割的功能，將不同屬性體的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行切割合并融合。融合過程就是將不同屬性體模型進(jìn)行三維布爾求交運(yùn)算的過程，采用這種方法可以保證融合后模型的完整性，避免各種屬性體同時建模遇到的公共面不重合帶來的諸多問題。圖6(d)是九瑞填圖試驗(yàn)區(qū)只涉及到地層、巖體、構(gòu)造屬性體通過切割、融合后構(gòu)建的三維地質(zhì)模型，其切割融合方法為構(gòu)造屬性體作為切割屬性體融合巖體被切割屬性體得到第一次融合模型，再使用這個融合模型作為去融合切割地層屬性體，最后得到整個試驗(yàn)區(qū)的三維地質(zhì)模型(圖6(a)、圖6(b)、圖6(c))展示了巖體切割地層的過程)。

圖6　不同屬性體模型相交、融合示意圖Fig.6　The sketch of different attribute body intersect and fusion(a) 被切割的地層屬性體模型；(b) 用于切割的巖體屬性體模型；(c)巖體屬性體切割地層屬性體示意圖；(d) 融合后的三維模型

2　三維地質(zhì)模型的展示與應(yīng)用

三維地質(zhì)模型構(gòu)建完成后，基于MAPGIS K9的三維地質(zhì)建模平臺，模型具備了縮放、平移、剝離、疊加、拾取、紋理貼圖、透明顯示以及虛擬漫游、查詢等功能，從而可以對構(gòu)建的三維地質(zhì)模型進(jìn)行全方位的剖析[3]。這里僅介紹以下幾種展示分析方式：

1)點(diǎn)、線、實(shí)體模式切換。為方便從不同角度分析模型，系統(tǒng)提供了點(diǎn)模式、線模式和實(shí)體模式的互切換功能。

2)交互操作。提供了對三維模型的放大、縮小，適時旋轉(zhuǎn)、平移，前后移動等窗口操作功能，并可應(yīng)用鼠標(biāo)和鍵盤對三維地質(zhì)模型進(jìn)行交互操作，實(shí)現(xiàn)從任意方位、任意角度觀查三維模型。

3)爆炸顯示。通過爆炸顯示操作，可更加清晰地觀察各種屬性地質(zhì)模型體的形態(tài)，及分布情況。在爆炸顯示時可選擇任意爆炸、整體爆炸和延軸向爆炸等爆炸方式，還可以設(shè)置爆炸顯示的坐標(biāo)軸、爆炸距離、爆炸幀數(shù)和爆炸范圍比例等參數(shù)。

4)三維交互定位。利用鼠標(biāo)操作，將仿真定位點(diǎn)在三維空間的適時移動，可獲取定位點(diǎn)處的三維空間坐標(biāo)值。

5)組合顯示(圖7)。任意方向切面組合顯示；切面單屬性體、多屬性體組合顯示。

6)三維模型的任意切割技術(shù)(圖7)。根據(jù)三維模型分析需要，并基于三維模型的幾何和拓?fù)湫畔ⅲY(jié)合三角網(wǎng)相交處理算法TriCut，實(shí)現(xiàn)對三維模型的任意切割，包括：平面斜切、水平剖切，折線垂直剖切，組合切割，以及隧道開挖模擬等多種切割方式。

7)三維模型的局部全屏顯示技術(shù)。全屏技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用相當(dāng)廣泛的技術(shù)。應(yīng)用該技術(shù)，在進(jìn)行系統(tǒng)演示時，使遠(yuǎn)距離的觀看者也能夠清晰地了解系統(tǒng)演示的內(nèi)容。例如景觀系統(tǒng)在進(jìn)行漫游操作時，全屏技術(shù)可起到了很好的播放效果。

結(jié)合九瑞試驗(yàn)區(qū)三維地質(zhì)模型，依據(jù)該試驗(yàn)區(qū)成礦規(guī)律，首先尋找熔融有震旦系-寒武系地層，且深部存在規(guī)模較大的燕山期侵入巖體；其次尋找該類侵入巖體與碳酸鹽巖、碎屑巖的接觸帶；再次依據(jù)侵入巖體與圍巖的接觸關(guān)系及其圍巖的巖性，結(jié)合區(qū)內(nèi)主要控礦因素以及典型控礦層(泥盆系五通組)的分布情況，綜合分析并圈定成礦的有利部位[4-8]。

依據(jù)上述條件，依據(jù)三維地質(zhì)模型圈定成礦有利部位共5處，編號為I～V，其大體位置見圖8、9。

I號位于東雷灣以西至鄧家山一線的西南部地區(qū)，該地區(qū)地表出露有受NW向構(gòu)造控制的小巖珠，深部賦存的侵入巖體為封山洞-東雷灣主巖體及受NW向斷層控制的巖脈；地表出露地層為三疊系灰?guī)r地層，依據(jù)沉積層序，深部應(yīng)存在典型控礦層位即泥盆系五通組地層，立體地質(zhì)填圖結(jié)果顯示泥盆系五通組在該處埋深為1 000 m～1 200 m左右，礦體賦存深度從500 m～1 200 m范圍內(nèi)，圍巖為三疊系-二疊系灰?guī)r時，可能存在的成礦類型以夕卡巖型為主，灰?guī)r地層層間可能存在塊狀硫化物礦體，深度1 200 m左右與五通組地層接觸部位可能存在層狀塊狀硫化物礦體。

II號位于東雷灣侵入巖體的東側(cè)貓母山以西，該處西部有東雷灣巖漿巖體出露，地表出露有三疊系和二疊系灰?guī)r，并存在蝕變，并有NWW向斷層穿越該地區(qū)，結(jié)合立體地質(zhì)填圖結(jié)果，從巖漿巖、圍巖、構(gòu)造以及典型控礦層等因素分析，該處為成礦有利部位。該處典型控礦層(泥盆系五通組)埋深在1 000 m～1 200 m左右，巖漿巖體與三疊系-二疊系灰?guī)r接觸，可能存在的成礦類型以夕卡巖型為主，礦體賦存深度從500 m～1 200 m范圍內(nèi)；巖漿巖體與五通組地層接觸部位在深度1200 m左右，是有利的礦體賦存部位，可能存在層狀塊狀硫化物礦體。

III號位于封山洞——東雷灣巖體北側(cè)，鄧家山東北方向，該處地表出露三疊系-二疊系灰?guī)r，有NE向斷層和NW向斷層交叉存在與該處，立體地質(zhì)填圖結(jié)果顯示該處深部存在隱伏巖漿巖體，且該處地表出露少量受NW向控制的巖脈，其控礦因素的分布規(guī)律符合試驗(yàn)區(qū)典型礦床的規(guī)律，因此認(rèn)為該處為成礦有利部位。該處侵入巖體為封山洞-東雷灣主巖體及靠近主巖體的巖脈，典型控礦層(泥盆系五通組)埋深在800 m～1 200 m左右，巖漿巖體與三疊系-二疊系灰?guī)r接觸，可能存在的成礦類型以夕卡巖型為主，礦體賦存深度從500 m～1 200 m范圍內(nèi)；巖漿巖體與五通組地層接觸部位在深度1 200 m左右，是有利的礦體賦存部位，可能存在層狀塊狀硫化物礦體。

IV號位于武山地區(qū)，涵蓋武山西南部地區(qū)和武山東部地區(qū)，屬武山礦外圍地區(qū)，從立體地質(zhì)填圖結(jié)果看，該處侵入巖體為赤湖主巖體的赤湖-大橋支脈，典型控礦層(泥盆系五通組)在武山西部埋深在800 m～1 100 m左右，在武山南部埋深為1 000 m～1 200 m左右，在武山東部位于復(fù)向斜北翼。依據(jù)主要控礦因素分析，在武山西南部和南部，由于侵入巖體屬于侵入巖脈的尾部，雖然侵入巖體的圍巖為三疊系-二疊系灰?guī)r，但形成大規(guī)模的夕卡巖型礦體的可能性不大，與五通組地層接觸部位形成層狀塊狀硫化物礦體的可能性較大；在武山東部，由于該處侵入巖體更靠近赤湖主巖體，且五通組地層由于受褶皺影響，主要沿復(fù)向斜北翼傾斜分布，故此處礦體賦存深度可從近地表至1 000 m范圍，受地層產(chǎn)狀影響，該處形成規(guī)模較大的夕卡巖型礦體的可能性不大(或規(guī)模不大，主要礦體應(yīng)為五通組控制的層狀塊狀硫化物礦體)。

圖7　三維地質(zhì)模型不同方式顯示示意圖Fig.7　The sketch of 3D geological model displayed in different ways(a) 三方向切片組合顯示；(b) 任意切片、屬性體組合顯示；(c) 任意折面、水平切片組合顯示；(d) 模型地表地質(zhì)圖貼圖；(e) 任意折面、水平切片、單屬性體組合顯示；(f) 單屬性體顯示；(g) 單屬性體水平切片顯示；(h) 模型爆炸顯示；(i) 南北向切片剖面組合顯示；(j) 任意折面切片組合顯示

圖8　五通組地層與巖漿巖體組合俯視圖Fig.8　The combination planform Wutong 　formation and igneous

V號位于太平山東南部至寶山，該處為試驗(yàn)區(qū)內(nèi)主要的NW向與NE向構(gòu)造交匯處，該處地表北部出露志留系地層，南部出露二疊系地層，立體地質(zhì)填圖結(jié)果顯示深部有隱伏巖漿巖體，且該巖漿巖體應(yīng)為寶山巖體，位于復(fù)向斜的北翼且與五通組地層接觸，該部位處于NW和NE向構(gòu)造結(jié)合點(diǎn)范圍內(nèi)，與區(qū)內(nèi)成礦規(guī)律完全符合，然而，此處的侵入巖體規(guī)模較小，不利于形成大型礦體。受褶皺構(gòu)造影響，五通組地層位于復(fù)向斜北翼，因此礦體賦存深度自淺部沿層間滑脫斷層分布，深度可達(dá)1 000 m，成礦類型可能存在夕卡巖型、斑巖型和塊狀硫化物型。

圖9　九瑞試驗(yàn)區(qū)推斷深部找礦有利部位分布圖Fig.9　The distribution of inferred favorable parts in Jiu-Rui deep prospecting(a) 500 m深度水平切面與巖漿巖組合；(b) 1 000 m深度水平切面與巖漿巖組合

3　結(jié)論與建議

1)利用構(gòu)建的九瑞試驗(yàn)區(qū)三維地質(zhì)模型，從深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)出發(fā)，結(jié)合該區(qū)的成礦規(guī)律，依據(jù)侵入巖體與圍巖的接觸關(guān)系及其圍巖的巖性，結(jié)合區(qū)內(nèi)主要控礦因素以及典型控礦層(泥盆系五通組)的分布情況，綜合分析并圈定了一些成礦的有利部位，可以為該區(qū)深部找礦提供有力的依據(jù)。

2)智能化三維地質(zhì)建模技術(shù)是綜合地球物理立體地質(zhì)填圖工作中的一個非常重要的環(huán)節(jié)，是將地球物理解譯的地質(zhì)信息轉(zhuǎn)化為三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的重要表達(dá)手段。目前，國內(nèi)尚沒有適用于復(fù)雜地質(zhì)模型的、成熟完善的三維地質(zhì)建模技術(shù)。這里利用以MAPGIS K9為平臺研發(fā)的、基于二維地質(zhì)剖面構(gòu)建三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的單屬性體手工拼接、多屬性體自動融合的三維復(fù)雜模型建模技術(shù)雖然適合于構(gòu)建復(fù)雜的三維地質(zhì)模型，但是智能化程度不夠，操作繁瑣且需要專業(yè)的地質(zhì)人員來進(jìn)行此項(xiàng)工作。因此，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研發(fā)智能化的三維地質(zhì)建模技術(shù)，提高立體地質(zhì)填圖的工作效率，是以后研究的方向。

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Methods and application research of 3D modelling technology in spatial geological mapping

ZHU Wei, WANG Da-yong, WANG Shu-min, YAO Da-wei, WANG Gang

(Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, Langfang065000, China)

Firstly, this paper conducts some studies on the construction of 3-D geological model and the method ﹠technology of graphic display based upon integrated geophysical 3-D geological mapping, and puts forward a complex geological structure modeling method ﹠ technology, i.e. different attributes modeling separately, then intersecting and fusing. Secondly, a 3-D geological model of Jiujiang-Ruichang test area is constructed by applying the above complex method on MAPGIS K9 platform, and then comprehensive analysis and display are carried out on this 3-D model through different graphic methods. Finally, by using the 3-D geological model, favorable metallogenetic areas of the test area are selected in terms of deep geological structure.

spatial geological mapping; three-dimensional graph; deep ore prospecting; Jiujiang-Ruichang test area

2015-05-05改回日期：2015-11-04

朱威(1987-)，男，碩士，工程師，主要從事綜合地球物理勘探研究， E-mail：zhuwei@igge.cn。

1001-1749(2016)04-0571-08

TP 302.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2016.04.21