基于多源數據的三維地質建模與應用

田雪峰，王金林，張征峰，石洞，周可法，周曙光

（1.中國科學院新疆生態與地理研究所，荒漠與綠洲生態國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆礦產資源與數字地質重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；3.吐魯番金源礦冶有限責任公司，新疆 昌吉 831100；4.中國科學院大學 北京 100049）

隨著人類社會的不斷發展，對礦產資源的消耗快速增長，礦產資源勘探從地表礦、淺伏礦逐漸轉向深部空間。在找礦深度和難度急劇提升的情況下，三維地質建模技術是將多種勘探數據進行集中處理和定量分析的有效手段，眾多學者進行了卓有成效的探索。三維地質建模方法按數據源不同可分為以下幾種：①利用鉆孔中的巖性分界點生成曲面[1-7]；②利用剖面中的曲線生成曲面[8-12]；③基于鉆孔、剖面和化探等多源數據結合的方法[13,14]。同時針對復雜地質體建模，前人基于剖面提出了“切片法”和“拆分法”[15，16]。已有研究通常忽視建模數據的管理和提取，基于鉆孔的方法難以建立復雜地質體的多值曲面輪廓，基于剖面的方法可表現復雜輪廓但缺乏硬性約束條件，而如何基于多源數據建立復雜地質體已成為熱點問題。

為簡化操作步驟，加快建模速度，提高模型精度，本文提出基于多源信息數據庫的快速建模信息提取方法和基于多源數據的“剖面-鉆孔快速遞進法”。本文以東天山XX礦區為研究對象，在收集了鉆孔、剖面和地球化學分析數據等資料的基礎上，利用本研究的方法建立了礦區的巖體和礦體三維模型。同時，依據建立的三維地質模型開展了金屬資源量估算對比分析和可視化分析探討，以期為同類型金屬礦床的成礦預測提供技術支撐。

1 XX礦區地質概況

東天山成礦帶位于塔里木古陸緣地塊與準噶爾南緣活動帶結合部位（圖1-a），為新疆重要的銅鎳多金屬礦集區。東天山地區地層以康古爾塔格大斷裂為界，以北為準噶爾地層區哈爾里克地層小區，以南為北天山地層區秋格明塔什-黃山地層小區[17,18]。區內侵入巖較為發育，根據時代將侵入巖分為泥盆紀侵入巖、石炭紀侵入巖和二疊紀侵入巖。區內二疊紀基性-超基性巖體中發育黃山、香山、白鑫灘等一系列銅鎳礦床，具重要的經濟價值和研究意義。XX礦床大地構造位置位于東天山康古爾-黃山斷裂北側大南湖-頭蘇泉島弧。礦區出露地層主要為奧陶系恰干布拉克組（圖1-b）。侵入巖發育，北部為石炭—二疊紀基性-超基性雜巖體，南部為泥盆紀花崗巖。基性-超基性雜巖體長2 800 m，最寬760 m，最窄250 m，面積約1.5 km2。雜巖體在平面上由北向南表現為輝長巖-橄欖輝長巖-輝石橄欖巖-角閃橄欖輝石巖；在勘探線剖面的垂向分異總體表現為輝長巖-橄欖輝長巖-橄欖輝石巖-角閃橄欖輝石巖-角閃橄欖輝長巖或角閃輝長巖[19]。礦體賦存于石炭—二疊紀基性-超基性雜巖體，平面上似葫蘆狀，兩側較寬，中間較窄[17,20]。礦區主要賦礦巖石為角閃橄欖輝石巖，次要賦礦巖石為角閃橄欖輝長巖。

圖1 研究區地質礦產簡圖（a）和XX礦區地質簡圖（b）Fig.1 Geological and mineral map of the study area(a)and Geological map of mining area(b)

2 礦區三維地質模型

本研究采用SKUA-GOCAD（Geological Object Computer Aided Design）作為三維建模軟件，該軟件具有流程化的建模功能和自由的三維模型編輯功能，同時可兼容多種主流地質數據格式，可較好的滿足基于多源數據的復雜三維地質體建模需求。

2.1 快速提取建模信息

由于地下信息的不可見性，建立理想的地質模型需要有豐富的數據準備[21]。建模數據（如鉆孔、剖面和品位等）的原始格式各不相同，既有文本形式，也有圖件形式，需對數據進行建模，形成多源信息數據庫。數據庫以工程信息表為基礎，分為鉆孔信息表和剖面信息表兩部分。鉆孔信息可以分為3 類，即孔口位置、測斜信息和分層信息。鉆孔和剖面圖之間以勘探線編號進行關聯。剖面圖以文件數據庫的形式進行保存，通過剖面元數據表進行管理。

利用多源信息數據庫可快速提取多源建模信息，確定地質體涉及的巖性分層、剖面或鉆孔等任意一種建模信息，利用表間關系即可查出其他相關地質信息。本研究確定了穿過巖體和礦體的剖面后，可查出鉆孔信息及涉及的品位信息。

同時利用多源信息數據庫可快速獲取符合目標地質體的分層數據。依據巖石命名規則，采用修飾詞+基本名稱的原則，故原始鉆孔編錄數據揭露了177種不同巖性，合計534條分層數據。但對于目標地質體建模，該分類過于細致會造成數據量不夠。根據研究程度，通過去除修飾詞可獲取符合研究需要的鉆孔數據。基于數據庫使用結構化查詢語言（Structured Query Language-SQL）可快速達到該目的。按以下步驟，利用SQL 語句可快速清洗和挑選數據：①去除顏色修飾詞，177 種巖性縮減為68 種；②去除“細粒”、“浸染狀”等巖石結構修飾詞，巖性縮減為51種；③去除蝕變、礦化相關修飾詞，巖性縮減為21種。提取雜巖體時，由于雜巖體不只包含一種巖性，應依照所涉及巖性，按該方法提取相應的分層數據；提取礦體時，鉆孔分層名稱為礦石的分層數據。

為建立巖體和礦體模型，鉆孔信息導入軟件時需導入鉆孔分層的上下界面信息，通過上下兩個邊界約束地質體形態，這與地層建模時只導入上界面或下界面的方法不同。剖面圖以voxet 的形式導入軟件，導入的剖面圖須進行裁剪，只保留能映射坐標的范圍。

2.2 利用多源數據建立復雜地質體

巖體和礦體不同于沉積地層，通常是非層狀、不規則的。因此，巖體和礦體建模較為困難[22,23]。故提出基于多源數據的“剖面-鉆孔快速遞進法”，其核心思想如下：首先通過剖面建立地質體模型，再以鉆孔分層數據作為硬性約束，最后利用離散光滑插值算法（discrete smooth interpolation method，DSI）控制地質體的形態。

“剖面-鉆孔快速遞進法”的具體流程如下：①利用剖面形成地質體模型。在剖面圖中按接觸關系對地質體的界線進行拆分矢量化[16]，利用曲線成面功能形成地質體模型；②生成鉆孔凸包外接曲面。根據鉆孔的孔口和尾部位置形成兩條凸包曲線，再利用凸包曲線形成外接曲面；③利用外接曲面切割模型。切割模型時須取消“將模型交線設置為約束”這一設置。刪除超出外接曲面的模型部分后，剩余的地質體模型會產生空洞，可利用工具自動填補空洞。最終得到受控于鉆孔凸包范圍的模型；④將鉆孔分層信息轉換成點集信息。鉆孔分層不能直接設置為約束，須將其轉換成點集；⑤設置點集信息為模型約束后，利用DSI 對模型進行插值，獲得最終模型。利用“剖面-鉆孔快速遞進法”生成的XX礦區的巖體和主礦體模型如圖2所示。

圖2 巖體和主礦體模型Fig.2 Rock mass and main ore body model

3 三維地質模型應用

3.1 金屬資源量快速估算

對地質結構模型進行空間網格剖分是地質模型定量分析的基礎[26]。利用多源信息數據庫分析得到本研究區鉆孔中的采樣間距大部分為2 m，故選擇2 m 作為立方體單元的高，水平方向上選擇2 m×2 m作為立方體單元的長和寬。用立方體單元對礦體進行網格剖分，獲得單元格214 808個，體積為1.71×106m3。

利用鉆孔品位數據，建立變異函數和搜索橢球體（球狀模型，方位角41°，垂向距離7.71 m，長軸359.94 m，短軸193.14 m），選擇普通克里格（Ordinary Kriging）插值得到礦體品位模型（圖3-a），其克里格方差如圖3-b 所示（均值為0.004）。插值結果顯示，品位最低值為0.06%，最高值為1.7%，平均0.59%，證明該技術方法具有應用前景。

圖3 礦體品位模型與克里格方差模型Fig.3 Ore body grade model and Kriging variance model

資源量計算公式為：金屬量（t）=品位（10-2）×體積（m3）×體重（t/m3）。由礦體網格模型和品位模型得到品位和體積，根據礦石體重2.8 t/m3，估算得到礦體金屬資源量為2.86×104t。

3.2 深部空間可視化與分析

三維地質模型的一個主要應用就是地質信息的可視化。已有研究表明，該類礦床中品位會沿巖漿流向逐漸降低[20]。本研究的品位模型顯示（圖3-a），礦體西段和中段的品位均高于東段，推測巖漿流向為自西向東。另取品位模型中11 672 個品位大于1%的單元格（占全部單元格5.3%）與巖體進行分析（圖4）。該部分單元格呈階梯狀，可劃分為A、B、C三段，分別位于礦體的西段頂部、中段中部和東段底部，即高品位部分深度逐漸下降。結合巖漿流向的推測，認為巖體西段及深部和東段深部仍具一定的成礦潛力，有必要進一步勘查。

圖4 巖體(70%透明度）與部分礦體(品位大于1%)的關系Fig.4 Relationship between rock mass(70%transparency)and some ore bodies(grade greater than 1%)

4 結論

本研究利用三維地質建模技術，通過XX礦區的巖體模型和礦體模型構建，實現了鉆孔、勘探線剖面圖和地球化學等多源數據的融合與可視化，為成礦預測研究提供了三維可視化數據基礎，并取得了如下認識：

（1）提出一種基于多源信息數據庫的快速建模信息提取方法，基于數據庫可按照研究目的快速提取數據進行實驗，提高了建模效率。

（2）提出“剖面-鉆孔快速遞進法”，建立了XX礦區的巖體和礦體模型。該方法具有步驟清晰明確、效率高、適合大范圍復雜地質體建模等特點，且能夠充分利用多源數據進行相互約束。

（3）利用品位模型估算了礦區主礦體的金屬資源量，估算資源量速度更快，能夠隨礦區工作程度的加深及時更新模型。