河南郁山铝土矿三维地质建模软件工作流程与对比研究

苗晋祥，宋要武，李中明，黄俊雅，丁 浩，陈 新，罗 雪，乔东辉

(1.河南省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室，河南郑州 450001; 2.河南省地质调查院，河南郑州 450001)

1 序言

三维地质建模的科学价值:成果表达由平面转向立体是传统地质改革创新的新方向。三维地质建模技术把浩如烟海的地质数据描绘成数据“风景画”和三维地质模型，使地质图件形象生动、直观易懂，易于被非专业人士理解与应用，是地质调查、城市发展和社会信息化的必然趋势。受河南省探矿权采矿权使用费及价款地质勘查“河南省新安县郁山铝土矿详查”项目支助，开展了河南省新安县郁山铝土矿三维地质建模专题研究，进行三维地质建模技术的推广应用的探索。

国内外研究现状:自20世纪80年代以来，地质、矿山及计算机等领域的专家学者，围绕矿床地质、工程地质和矿山工程等问题，对三维地质模拟的空间构模问题进行了理论与技术研究，美国、法国、加拿大、澳大利亚、英国等国还相继推出了一批在地质、石油及矿山等领域得到广泛应用的三维地质模拟软件(李友柱等，2003;王淑红等，2006;尚建嘎等，2006;陈建平等，2011)。其中较具代表性的是:1988年由法国Nancy大学的J.L.Mallet教授推出的GOCAD(地质对象计算机辅助设计)系统，该系统采用G－Map图作为表达三维空间地质对象拓扑关系的基本数据模型，可满足地质、地球物理和油藏工程的三维模拟与辅助设计需要，并提供强大的二次开发功能;美国DGI公司的地球可视模拟系统(Earth Vision Modelling Sysytem)软件包，主要用于生成静态三维块体模型，反映结构面(断层、破碎带、节理、岩脉和岩墙)之间的交切关系;加拿大LYNX GEOSYSTEM公司开发的LYNX软件系统采用棱柱体体元建模法，可以对钻孔、测井记录、TIN模型、三维格网结构等综合管理，广泛应用于矿山、地质的三维建模及可视化方面;美国CTECH公司开发的 MVS、EVSPRO、MAS、EVS Standard及EVS for ArcWiew;澳大利亚Micromine集团的Micromine 2010软件等。此外，国内在商业化三维地质建模系统研发方面，有北京理正软件设计研究院开发的地理信息系统－地质专题软件;北京东方泰坦科技有限公司在国际著名的加拿大阿波罗科技集团GIS软件基础上，基于框架建模的思路研制开发而成的TITANT 3D;中科院武汉岩土所开发的三维地层地理信息系统(3DSIS);武汉中地数码公司在MAPGIS基础平台基础上开发的三维可视化地质勘察信息系统MAPGIS_G3dProject。

本文根据郁山铝土矿的三维地质建模的经验，对MVS、Micromine、MAPGIS_G3dProject三种软件的特点进行对比讨论。

1.1 美国CTech公司的MVS 8.2软件具有以下特点

(1)真三维软件，智能化强，应用领域广泛(除地质外，还包括环境、海洋、考古与大气等学科);

(2)注重三维地质建模的质量，并可提供了不同的三维可信度(Confidence)的地质模型;

(3)矿体储量计算、品位估算、矿产的评价; (4)提供地质模型4维交互动画展示功能;

(5)矿体三维属性 (物探、化探、水文地质参数、工程地质参数、环境地质参数，等等)模型，三维空间等值线。

1.2 澳大利亚Micromine国际矿业软件及咨询集团Micromine软件具有以下特点

真三维软件，模拟了传统的矿体储量计算，并考虑了矿体储量计算规范，人为参与半智能化建模，此种方法得到了地质专家的认可，软件得到了国际证券市场、国际矿业公司、投融资机构和风险勘探公司的认可，这将有利于地勘企业和矿业公司所拥有矿业权的流转和国际合作，以及在股票市场上市筹集资金等。

1.3 中地数码公司(武汉)的MAPGIS_G3dProject软件具有以下特点

真三维软件，类似于澳大利亚的Micromine软件，具有中国自主知识产权的软件，实现了从勘探数据管理，矿体圈定、储量估算到地质成图一条龙的技术流程。本软件考虑了中国的矿体储量计算规范，包含了国内应用较为广泛的剖面法、地质块段法、和地质统计学等三种方法。

2 研究区地质概况

河南省新安县郁山铝土矿属华北陆块南部渑池－确山陷褶断束的西北端，为构造隆起与坳陷的接合部位。属晋冀鲁豫地层区豫陕地层分区渑池－确山地层小区，出露地层有中元古界洛峪群、下古生界寒武－奥陶系、上古生界石炭－二叠系、中生界三叠系、新生界新近系和第四系。本溪组沉积环境属豫西渑池泻湖东部的潮坪－沼泽相(李中明等，2009;翟东兴等，2002)。断裂和褶皱构造较发育，岩浆活动微弱(邓军等，2010;刘学飞等，2010;王庆飞等，2011)。

河南省新安县郁山矿床位于三门峡－渑池－新安四级铝土矿成矿区的杜家沟－郁山铝土矿成矿带的东端，为河南省富铝土矿最集中区。区域上已发现煤、铝、铁等沉积矿产。铝土矿赋矿层位为上石炭－下二叠统的本溪组。

河南省新安县郁山矿床含矿地层为石炭－二叠系本溪组，与下伏马家沟组呈平行不整合接触，含铝岩系厚度1.18～26.06 m，平均8.65 m。一般自下而上分为四个岩性层:一层为灰褐色中薄菱铁矿层或含菱铁矿铝土质泥岩，以铁质粘土岩建造为主，厚0～4.80 m;二层为灰色中薄层含豆鲕、粒屑铁铝质粘土岩层，局部含炭质而呈深灰色，黄铁矿零星发育，菱铁矿以豆鲕状，团粒状产出，层理发育，可发育成耐火粘土，为矿层直接底板，厚0～4.56 m;三层为主矿层，为灰－深灰色中厚层状碎屑－豆鲕状铝土矿及泥晶铝土矿，偶尔见层理构造，厚0～10.18 m;四层为深灰－灰黑色中薄层含炭质铝土质泥岩或炭质泥岩或矸石，为矿层直接顶板，可见层理，含植物化石，普遍含黄铁矿团块，厚0～3.35 m。四层组合为一个完整的沉积旋回，矿区内一般可见两个沉积旋回。上部与太原组整合接触。

3 三维地质建模的工作流程

本文重点以MVS8.2软件进行讨论。

3.1 资料的收集整理，建立地层层序

依据《中国地层指南及中国地层指南说明书》.综合使用同位素地质学、古生物学与微体生物学方法、沉积学方法、测井地质学方法、地球化学过程分析等等方法。工作则由原先的野外填图法逐步过渡到据航片、卫片解译、地貌学研究、钻孔验证。在此基础上建立工作区地层层序(表1)。

3.2 数据处理与三维地质建模工作流程

工作流程为:按地层层序处理钻孔与不同地层面数据，并建立数据库→地质解译→三维地质建模→储量计算(苗晋祥等，2008;雷赟等，2008)。

表1 河南新安郁山铝土矿地层层序表Table 1 Stratigraphic sequence in the Yushan bauxite deposit，Xin’an County，Henan Province

3.2.1 MVS8.2软件的工作流程

工作流程:数据处理→三维地质建模网络流程的建立。

数据处理:本专题研究就是按地层分层的顶底面整理的gmf格式文件。根据表1的地层层序对钻孔进行分层，按X，Y，TOP(地面标高)，BOT_1(分层序号为1地层的底板标高，以此类推)、BOT_2、BOT _3、BOT_4、BOT_5、BOT_6、BOT_7、BOT_8、BOT_9、BOT_10、BOT_11、Boring_ID(钻孔编号)的顺序对每一钻孔进行编辑，再加上辅助的解释内容，便生成gmf格式文件。

三维地质建模网络流程:MVS 8.2软件是一款模块化流程式软件，本专题三维地质建模需要以下模块(见图1)。现将主要模块的功能进行论述。

Krig 3D Geology:读入整理好的*.geo或*.gmf文件，克立格法创建所有三维地层面。

3D_Geology_Map:从二维的地层面创建三维的体模型。

Volumetrics:矿体储量计算模块。

Explode_and_Scale:对模型在Z方向的扩张值以及地层模型中各个地层之间的间距的设定。

isovolume:它是子模块中的一个模块，它可提取体数据的某一部分(大于或小于阈值)。

Legend:模型图例的创建。

图1 MVS三维地质建模工作流程图Fig.1 Workflow of MVS three－dimensional geological modeling1－输出到视窗模块的数据;2－克里格三维差值模块输出的数据;3－各模块之间的数据流1－output data of view model;2－output data from Krig 3D geological module;3－data－stream among different modules

axes:模型坐标系的创建。

viewer:视图窗口模块。

河南郁山铝土矿三维地质特征:

(1)构造的展示:矿区整体为一背斜，总体轴走向为北西－南东向，轴向西北方向倾伏，北翼地层倾向北东，南翼地层倾向南西，核部地层为寒武系和奥陶系，两翼依次均为本溪组、太原组、山西组、石盒子组一段、石盒子组二段、石盒子组三段等地层(见图2、图3、图5、图6)。

图2 三维地质结构模型(旋转90°)Fig.2 Three－dimensional geological－structure model(rotating 90°)1－第四系;2－第四系底板至矿体顶板;3－矿体; 4－矿体底板至奥陶系顶板;5－奥陶系1－Quaternary;2－Quaternary floor to roof of ore body;3－ore body;4－ore body floor to Ordovician roof;5－Ordovician

(2)地层的叠置关系:地层为11层，为正常序列叠置，地层总体呈平滑连续延伸，但也有较小的波状起伏(见图4、图5、图6)。

(3)矿体下伏奥陶系地层(O)三维空间展示:同背斜的产状基本一致，轴部走向为北西－南东向，轴部向西北方向倾伏，北翼倾向北东，南翼倾向南西(见图2、图3、图5、图6)。

(4)铝土矿矿体三维空间展示:矿体分布于西郁山的北坡，主要赋存于石炭系本溪组含铝岩系的中上部，呈隐伏状分布。主矿体为一层，形状受背斜与下覆奥陶系马家沟组界面控制，总体呈上凸的弧形，向西部矿体呈扇形展布，为层状平滑连续分布，但也有较小的波状起伏，轴部走向为北西—南东向，轴部向西北方向倾伏，南翼倾向南西且倾角较大，北翼倾向北东，矿体总体向西、北西、北倾斜，倾角平缓，局部有起伏，矿体埋深中东部浅，向南、西、北三个方向埋深逐渐增大。主矿体规模为大型，北西—南东向长大于2555 m，北东—南西向宽大于1900 m，矿体真厚度0.48～9.65 m，平均真厚度2.79 m，矿体厚度集中在1.5～3.5 m，顶板最高标高为339 m，顶板最低标高为－278.33 m(见图7)。

3.2.2 MICROMINE 2010软件的工作流程

工作流程:文件准备→钻孔校验并建立数据库→地质解译→地质模型的建立→块模型的建立与储量估算。

文件准备:建立井口文件、测斜文件、样品分析文件、岩性文件4个文件。

图7 三维矿体模型图(旋转135°)Fig.7 Three－dimension orebody model(rotating 135°)1－矿体1－orebody

钻孔校验并建立数据库:检查钻孔四个文件的一致性和逻辑错误。

地质解译:按剖面连接矿体和地质体。

地质模型的建立:生成线框文件，建立地质模型或矿体模型。

块模型的建立与储量估算:生成矿体块模型，按不同品位进行储量估算。

生成的模型见图8。

图8 MICROMINE生成的三维地质柱状模型Fig.8 Three－dimensional geological_post model generated by software MICROMINE

3.2.3 MAPGIS_G3dProject软件的工作流程

工作流程类似于MICROMINE软件，为:勘探数据管理→地质解译→矿体圈定→储量估算→矿量和品位统计→三维可视化分析→成果数据管理和输出。生成的模型见图9。

图9 MAPGIS_G3dProject生成的三维地层模型Fig.9 Three－dimension stratum model generated by MAPGIS_G3dProject

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