GOCAD在三維地質建模中的應用進展綜述

竇帆帆，林子瑜

(東華理工大學 地球科學院，江西 南昌 330013)

GOCAD在三維地質建模中的應用進展綜述

竇帆帆，林子瑜

(東華理工大學 地球科學院，江西 南昌 330013)

GOCAD是當前主流的三維地質建模軟件，自1990年軟件誕生，國內眾多專家學者在多個領域開展了廣泛而深入的研究工作，取得了豐碩的研究成果。在前人的研究基礎上總結GOCAD軟件的特點、核心技術和建模思路并從深部礦產勘察這一應用領域熱點為例進行詳細說明。

GOCAD；三維地質建模；應用進展

1 GOCAD軟件概述

GOCAD是世界公認的最好的三維地質建模軟件軟件，功能強大且易學易用，在三維地質建模領域已達到了半智能化建模的最高水平，尤其是其軟件專利，基于法國Nancy大學Mallet教授提出的DSI(離散光滑插值)理論，得到國際地球物理勘探學會和歐洲地球物理勘探學會以及全球的幾十家大公司和大學的認可，成為該軟件的最大亮點之一。自1990年GOCAD推向世界以來，得到了世界石油、地礦、工程等多個領域數百家公司的使用，從簡單的地層建模，到如今復雜地質背景的三維構造地層建模和三維巖相分析，GOCAD軟件不斷提高地質建模的精度和效率，取得了飛速的發展。強大的統計功能、工作流程驅動建模、能夠構建復雜地質模型是軟件最為主要的特點[1]。

2 GOCAD軟件相關研究領域與論文數量

本文統計了自2010年開始至2016年結束這7年內期刊中GOCAD軟件在三維地質建模中的應用情況，具體情況如下：如圖1所示，2010年(29篇)、2011年(27篇)、2012年(33篇)、2013年(36篇)、2014年(41篇)、2015年(45篇)、2016年(51篇)；從研究年份看，從2010年至2016年論文數量呈逐漸上升的趨勢。按主要學科專業統計可見，如圖2所示，涉及礦產勘查方面的論文最多(98篇)，其他依次為工程地質(87篇) 、礦山開采(42篇) 、環境地質(16篇) 、災害(12篇) 和其他(7篇)，礦產勘查和工程地質的應用占總數的2/3。

圖1 2010-2016每年期刊收錄的稿件數

圖2 2010-2016年主要領域期刊收錄的稿件數

3 GOCAD軟件的核心技術

針對地質數據具有的不連續性、不確定性特點，GOCAD 軟件的主要研發者之一法國Nancy大學Mallet教授提出的DSI(離散光滑插值)理論。該理論可以概括表述為：假設一個已經離散化的自然體模型，在這個自然體模型中能夠建立一個可以相互連接的網絡，如果在這個互相連接的網絡上的點值能夠滿足某種約束條件或關系，那么可以通過解一個線性方程的方式得到這個網絡上未知結點上的值[2]。離散平滑差值(DSI)類似于就解這種微分方程，他是一種只依賴于網絡結點間的拓撲關系，不以空間坐標為參數無維數的插值方法，這是他與其他空間插值方法的主要區別之一，因此DSI插值適用于自然物體的模擬。

4 GOCAD軟件的基本對象與建模思路

4.1 基本對象

在三維地質建模過程中不僅僅需要對地質目標的幾何形態進行描述，也需要描述地質目標所包含的地質屬性特征。但是在自然界中不管是多么復雜形態的地質目標，都可以用點、線、面、體這4種類型的數據來描述[3]。比如說點主要用來描述如高程點等的離散數據；線主要用來描述類似鉆孔軌跡、構造線等線狀數據；面主要用來描述地層面和構造面等具有面狀特征的數據；體主要用來描述巖體、透鏡體等封閉的數據體。

4.2 建模思路

GOCAD中常見的三維地質建模方法包括：基于鉆孔數據的三維地質建模方法、基于剖面數據的三維地質建模方法、基于數字地質填圖的三維地質建模方法[4]。

4.2.1 基于鉆孔數據的三維地質建模方法

鉆孔通常作為地質資料的第一手資料，記錄了大量地質工作過程中的原始信息，是研究地下地質體單元結構和構造的最基本的資料之一；也是構建真三維地質體不可或缺的原始數據。該方法主要適用于地層變化不大或有明顯趨勢的地帶且需要獲得大量的鉆探數據的支持。具體步驟如下：在GOCAD中通過鉆孔導入后提取每一地層的Marker，生成相應的點文件，根據點生成面的方式進行構建面模型，之后再繼續構建實體模型等。

4.2.2 基于剖面數據的三維地質建模方法

基于剖面數據的建模方法主要采用二維剖面作為建模的依據，由二維剖面生成三維地質模型[5]。具體思路如下：

1)剖面數據的解譯

將二維地質剖面上的信息進行解譯，解譯出研究區的地層線和斷層線，并將解譯數據導入三維地質建模軟件中，如果是勘探工程繪制的二維剖面圖則需要將其中顯示的構造和地層信息進行矢量化并全部導入三維地質建模軟件中。

2)導入二維剖面圖

為了進一步的的觀察和分析，需要將二維剖面圖導入三維地質建模軟件，在三維空間下觀察地質體形態的變化，進而調整導入的斷層線和地層界線。

3)構建三維面模型

將導入地層線和斷層線按組別分別進行分組，以組別的分類進行三維面模型的構建。由于建模數據源可能出現的稀疏性，使得構建出的三維地質面模型較為粗糙，需要運用建模軟件中的平滑功能，進行面模型的平滑。

4)構建三維實體模型

將構建好的三維地層和構造模型并參照鉆孔約束共同參與建模，構建出研究區范圍的三維地質實體模型和塊體模型。

4.2.3 基于數字地質填圖的三維地質建模方法

數字地質填圖建模，是基于三維地質建模專業軟件，利用數字地質填圖系統的野外路線PRB 數據(P 為地質點，R 為分段路線，B 為點間地質界線)直接進行三維地質建模的技術方法。數字地質填圖建模的技術方法，主要由3大部分組成：根據野外數字填圖路線數據構建界面，將界面組合成面模型，將面模型生成體模型具體實現途徑是：在GOCAD 軟件平臺上，先利用PRB 數據中的B數據及其對應的產狀生成各個分段地質界面，再把同類分段地質界面組合生成更大范圍的地質界面；對建立好的地質界面盡可能利用已有的鉆孔、坑道等勘探數據進行約束、離散平滑插值等處理，生成符合實際地質情況的地質界面；用建立好的地質界面組合成面模型和體(網格)模型。數字地質填圖建模所需的基本源數據是填圖過程中的野外路線數據和地形數據，比較容易獲取，建模成本低，因而具有廣闊的應用前景。

5 GOCAD三維地質建模實例

深部礦產勘察是在二維地表填圖的基礎上，利用二維平面圖和剖面圖等表達方式，分析關鍵地質要素(如構造、地層等)在三維空間的結構特征，并結合已獲得的鉆孔數據、地球物理數據以及二維地質剖面數據，在GOCAD 軟件平臺中實現三維可視化，建立可靠的三維地質模型，開辟第2找礦空間[6]。

1)地表三維的建立

通過地理信息系統軟件(如Mapgis、Arcgis等)將研究區地質填圖過程中獲得的等高線高程數據編輯形成文本格式文件導入GOCAD到 軟件中形成點數據集，再對導入軟件中的點數據集進行邊界約束、優化，去除異常點，通過點生成面的方式生成地表形態的DEM[6]。最后可以利用“貼圖”的方式使研究區的遙感影像和平面地質圖疊加在DEM 上，形成遙感影像和平面地質圖與三維地質圖地表一致性。

2)斷裂及地層的建立

地層面和斷裂面的建立主要根據工作中獲得的二維剖面圖，首先需要根據研究區地質背景的認識對獲得的物探二維剖面進行構造和地層的解譯，如果是勘探工程繪制的二維剖面圖則需要將其中顯示的構造和地層信息進行矢量化并全部導入GOCAD軟件中；然后通過賦角點坐標的方式將二維剖面轉換為三維剖面導入到GOCAD 中，確定好剖面的位置；最后將各個剖面中所有相同的地質界線相連接，利用先生成面的功能生成各個地層界面，同樣的將相同的斷層線連接以線生成面的方式構建出斷層面。

3)三維實體模型的建立

根據已建的各個地層和構造的三維面模型，通過軟件自帶的工作流(workflow)如構造地層建模工作流來建立研究區的三維地質塊體模型。對已建立的三維地質塊體模型可以在各個方向上切剖面來觀察地下深部的地質結構[7]。

6 結 語

如今GOCAD已發展成為世界最主流的三維地質建模軟件之一，憑借其地質建模精度高、效率快并且幾乎可以滿足用戶對各種復雜地質區域的建模要求，正被越來越多的人所使用。其應用范圍也不斷擴大，涵蓋了包括礦產勘查、工程地質和災害等眾多領域。本文通過對GOCAD軟件的核心技術、建模思路以及應用實例的介紹，期望更多的人能夠了解這一優秀的三維地質建模軟件，并能更好地使用他。

[1] 鐘登華, 李明超, 楊建敏. 復雜工程巖體結構三維可視化構造及其應用[J]. 巖石力學與工程學報, 2005, 24(4): 575-580.

[2] 許國, 李敦仁, 王長海, 等. GOCAD 地質三維建模技術及其在水電工程中的應用[J]. 紅水河, 2007, 26(s1): 113-116.

[3] 王長海, 許國. GOCAD 地質建模在某工程的應用[J]. 紅水河, 2011, 30(6): 165-167.

[4] 潘懋, 方裕, 屈紅剛. 3D地質建模若干基本問題探討[J]. 地理與地理信息科學, 2007, 23(5): 1-5.

[5] 武強, 徐華. 三維地質建模與可視化方法研究[J]. 中國科學(D輯), 2004, 34(1): 54-60.

[6] 楊建宇, 秦德先, 康澤寧, 等. 北衙金礦三維模型的建立及研究[J]. 有色金屬: 礦山部分, 2006, 58(2): 17-20.

[7] 陳建平, 陳勇, 曾敏, 等. 基于數字礦床模型的新疆可可托海3號脈三維定位定量預測研究[J]. 地質通報, 2008, 4(4): 552-559.

An Application of GOCAD in Three-dimensional Geological Modeling

DOU Fanfan, LIN Ziyu

(CollegeofEarthScience,EastChinaUniversityofTechnology,Nanchang,Jiangxi330013,China)

GOCAD is the most mainstream in three-dimensional geological modeling. Extensive researches have been carried out in many fields by many experts and scholars in China. Many fruitful research results have been acquired. The paper tells of the characteristics、core technologies and modeling ideas of GOCAD software on the base of previous work in mineral exploration.

GOCAD; Three-dimensional geological modeling; Application

2017-05-09

竇帆帆(1992-)，男，江蘇鎮江人，在讀碩士研究生，研究方向：三維地質建模與地學信息處理，手機：18305113393，E-mail：469255069@qq.com.

P623

B

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.04.040