基于GOCAD的三維地質建模方法

賈 娒，劉 星

(安徽理工大學 地球與環境學院， 安徽 淮南 232001)

由于地質空間分布的模糊性、復雜性以及不確定性，在僅具有鉆孔或少量的地質離散點數據的區域，很難得到直觀有效的地質信息。如果能將地質體進行三維可視化表達，構建出實體模型，則將有力地支持工作者對地質空間的認識。近年來隨著計算機技術的快速發展與廣泛應用，三維建模軟件在地質工程、礦業工程等領域的應用也日漸完善，從地質、測繪、采礦到礦山設計、礦產預測、投資評價，幾乎可以做到全流程覆蓋。三維地質模型能夠全面具體地展現復雜的地質情況，使得以前比較復雜、抽象的專業性問題變得簡潔、直觀和易于被廣泛地接受，在很多工程領域發揮著極其重要的作用。本文以顧北煤礦南一礦區為例，利用已有地質資料，建立礦區三維地質模型，意在清晰、全面地展現研究區地質信息，方便后續對礦區地質的研究。

1 研究區概況

顧北煤礦南一1煤采區，位于安徽省淮南市鳳臺縣西北23 km處，采區北起港河閘保護煤柱線，南止F109斷層，西自1煤層風氧化帶，東至1煤-650 m底板等高線，走向長1 576.7 m，傾向長2 728.6 m，面積4 230 470 m2. 據鉆孔揭露，采區地層自上而下依次為：新生界(第四系、第三系)松散層、二疊系煤系、石炭系(上統)和奧陶系海相地層。地層總體走向近南北，傾向東，傾角較緩，一般4°～14°，平均7°.

2 建模流程

2.1 建模數據整理

數據導入GOCAD軟件前應當對數據進行預處理，以便保證數據的準確性和有效性。按照建模層面順序及相鄰層面的接觸關系，從鉆孔中提取各個地層分層界限的三維坐標，并按照(X,Y,Z)的格式保存成文本文件，每個地層面的點集保存于同一個文本文件中。確定研究對象的范圍，它決定了模型在橫向上的分布，限定了所需建模數據的范圍，利用autocad對研究區邊界進行處理后以DXF格式導出。

2.2 面模型的構建

2.2.1 生成地層界面

地層界面構建是三維地質建模中最為重要的一步，面模型既可以表現地層層面的展布情況、層面高低起伏情況,也可以展現地層間的相互位置關系，面模型的構建直接決定了地質模型的質量。GOCAD軟件是采用Delaunay三角剖分算法形成不規則的三角網格來構建曲面，但是直接利用這些分布稀疏的鉆孔點生成的三角網格棱角分明，得出的地層模型也比較粗糙，難以真實地反映地層的實際情況，為解決這些問題，需要對離散點進行插值處理。

目前常用的插值方法包括距離冪次反比法、克里金插值法以及離散光滑插值法等。距離冪次反比法是根據已知點與待估點的距離為權重進行滑動加權平均估計，能夠簡單模擬地質屬性隨空間距離變化的情況，缺點是該方法沒有考慮樣本點本身之間的空間關系，并且容易出現孤立點屬性值異常的情況?？死锝鸱ㄊ歉鶕邢揞I域內的若干已知樣本點數據，在考慮了樣本點的形狀、大小和空間位置，與未知樣點的相互空間關系，再結合變異函數提供的結構信息，對未知樣點進行的一種線性無偏差最優估計。克里金法優點是對原始點的數量和分布不敏感，生成網格點的時間短、數據點個數較多，插值密度、精度較高。但是這兩種方法都存在同樣缺陷，對于地層局部的變化具有明顯的平滑效應，即插值后形成的層面與原始控制點并不能完全吻合，較適用于沒有明顯變化起伏的地層,不能滿足不規則的復雜地層或地質體的建模要求。針對以上問題,GOCAD專門研制了一種新的插值方法, 即離散光滑插值(DSI). 它能將插值結果同原始數據點再次進行匹配，修正插值過程中存在的幾何畸變，使得原始數據點全部落在地層曲面上，能實現對非連續的地質體模型的構建，例如斷層、尖滅等區域。

利用向導菜單Applications下的Wizards命令便可根據原始點數據集和研究區域范圍構建網格化曲面，它是以地層原始離散點為控制點，以研究區范圍輪廓線為約束，通過采用DSI方法調整地層界面，多次反復直到曲面模型符合要求，使生成的曲面通過所有控制點，達到地層分界面嚴格遵循原始鉆孔分層信息的目的。

2.2.2 調整地層界面

因為各層數據點個數并不相同，數據點在平面上(x,y)的位置也不同，層面構建過程中會造成同一地層的底層壓蓋住頂層，產生不合理的現象。這時利用軟件的屬性傳遞功能，把上層層面Z值垂直投影到下層層面上，并令其為UPZ，在下層層面通過比較UPZ值Z值的大小，利用腳本語言：if(Z>UPZ){Z=UPZ;}強令上下界面交叉部分發生改變，從而使界面位置更準確，有利于后期模型的建立。逐個檢查地質體層面之間的壓蓋關系，利用同樣的方法對剩余的地質層面做處理。確保各個地層面之間不存在交叉的情況，最終生成符合地質認知的地層界面(圖1).

圖1 地層界面模型圖

2.2.3 生成表面模型

建立地質實體的表面模型，需要生成地層的側面。可以利用surface mode工具的New-Two surface borders選項，選中相鄰地層界面，便會自動生成地層側面。選擇同一地層的側面和上下地層界面，將3個面合并為一個整體，由此形成了一個閉合的地層表面模型，設置透明度，自新到老，依次完成各個地質實體的表面模型。

2.2.4 地層尖滅處理

在復雜的地質作用下，地質體形態各異，產生諸如斷層、尖滅、褶皺等地質構造現象。此研究區域避開了落差大的主要斷層，故層面可以近似看作連續界面，但有可能存在局部尖滅現象。地層尖滅指的是巖層的厚度在沉積盆地邊緣變薄以至消失的現象，因此可以理解為兩個相鄰的地層面在尖滅處相交或者重合，此時該地層的厚度則為0. 在地層建模中厚度為0地層默認仍然會生成模型，只是在厚度上產生了重合，也就是說可以通過調整地層厚度來控制尖滅的情況。利用腳本語言可以計算出地層上下界面Z的差值，即地層厚度，并將其作為空間屬性傳遞給region，可以定義一個地層厚度，將小于這一厚度的地層作為尖滅區域清除(圖2). 用此方法處理地層，只是對尖滅區域進行“隱藏”而不是徹底剔除，這樣可以保證地層的完整性和一一對應。

圖2 尖滅地層模型圖

2.3 體模型的構建

面模型具有精度高、美觀性好等特點，但是面模型中的地質體內部未進行網格充填，它只是一個外表面所圍成的真空地質體,不具備實體。在對模型剖切后只能顯示出地質體的輪廓線，而且面模型也不能對地質體內部賦予屬性和進行相關計算，因此在面模型構建之后還需要構建地質體的實體模型。

在GOCAD軟件中生成體對象主要有兩種方法，分別是實體模型對象(Solid)和網格模型對象(SGrid)，本文選用網格模型對象來構建三維體模型(圖3). 網格對象模型是用六面體格子組成的集合，在確定地層界面及網格的密度后軟件將使用六面體格子來填充層面間的地層。在填充過程中，可根據模型精度選擇填充所用立方體的體積。立方體體積越小，精度越高，擬合效果越好，鋸齒現象越不明顯，同時模型的數據量也更大。

圖3 三維地質實體模型圖

可以在Workflow中的3Dreservoir Grid Builder任務下完成體模型的構建。主要步驟如下： 1) Select Reference Horizon,選擇地層的頂面作為參考面，此后的模型都是在這個參考面的基礎上完成。2) 由于研究區沒有斷裂，點擊Areal Gridding Specifications，根據流程導向創建平面網格，并制定網格方向。3) Create Straight Pillars，選擇地層底面，這一步將在地層的兩個頂底層面之間構建支柱，進行頂底板的對接估算，自動連接上下兩個界面。4) Build Stratigraphic Grid，該步驟是對三維網格進行分配,設置縱向和橫向上的參數，表示地質體可以劃分為多少個網格，一般要根據建模精度設定，由此形成的體模型便可以對其賦予屬性和相關計算。

3 模型檢驗

礦區三維地質模型構建的目的是為智能開采提供精準的地質導向，因此必須有較高的精度和實用價值。模型檢驗是衡量所建模型的精度，確定模型與實際的地質情況是否相符。由于是基于鉆孔數據建立的模型，所以模型檢驗主要是對相同位置處實際數據與模型中的數據進行比較，從而確定模型是否準確。本次檢驗利用預留的3個鉆孔與模型同一位置的鉆孔相對比，為了獲取模型中的信息，借助屬性截面法對模型的鉆孔處進行剖切(圖4)，然后提取出各個地層的高程數據與實際數據比較。

圖4 屬性截面法切割剖面圖

原始數據與模型數據對比見表1. 從表1可以看出，原始數據與實際數據基本一致，證明模型精度較高。但是其中也存在一些差異，原因可能是與建模過程中所使用的插值方法有關，離散光滑插值的特點是采樣點距離越近，其插值越接近真實值，而數據量少和數據分布不均勻，會造成插值出的點誤差增大，所以會使得模型與實際情況出現偏差。

表1 原始數據與模型數據對比表

4 結 論

1) 相比與其他的插值方法，GOCAD專有的離散光滑插值對地層模型構建更為有利，它可以對不連續的地質體進行建模，更好地解決復雜地質體模型構建中存在的問題。

2) 對建模過程中由于地層上下層面數據點的不一致造成的層面交叉，可以利用腳本語言強令地質界面發生改變，從而得到合理的界面模型。

3) 地層尖滅可以理解為厚度為零的地層，可以計算出地層的厚度，將其屬性傳遞給regions，通過控制地層厚度來控制尖滅區域。

4) 數據點稀少和分布不均，會對插值結果產生影響，從而影響模型的精度。