基于真三维GIS的地质构造模型与空间分析

刘 星，刘莹莹

(安徽理工大学，安徽 淮南 232001)

基于真三维GIS的地质构造模型与空间分析

刘 星，刘莹莹

(安徽理工大学，安徽 淮南 232001)

带有断层的地质体建模难于层状地层，是当前研究的难点，模型完成后的三维空间分析功能目前也处于研究阶段，是当前研究的热点。以某石膏矿为例，介绍了利用存在地层倒转、地层缺失等复杂钻孔数据进行三维建模的流程以及模型建立后的三维空间分析方法和地学应用，尝试了三维GIS空间－属性查询、空间裁剪、纵剖面横切面的自动生成方法和实例研究。结果表明，地质体和构造的特征的三维建模和空间分析有利于地质演化的理解和开采设计的优化。

真三维;GIS;空间分析;地学应用

0 引言

一个典型的三维地质模型是由1个或多个地层、结构面、断层等组成的(赵晓东等，2009;明镜等，2009)。对于平原区的地质分析模型主要涉及第四系土层、地下水等。地层之间的关系一般比较简单，地层相互平行。在构造复杂的情况下，存在地层相交、错断、尖灭、透镜体、夹层等地质现象，使三维地质建模过程复杂化(赵晓东等，2009;李灿辉等，2010)。

三维GIS作为一种建模工具，能够大大提高地质建模的效率和精度，可以满足对复杂地质区域的建模要求。当前，具备三维空间分析的软件最有代表性的是法国南希大学开发的GOCAD(李灿辉等，2010;刘光伟等，2010)，笔者试图研究利用该软件建立三维地质模型一般流程：数据的分析和预处理、插值、建立三维地层界面、建立三维地层实体、剖面图对比等步骤。

1 三维地层数据模型

目前，构建三维地质模型的方法可分为两大类：基于面模型的构建方法和基于体模型的构建方法(向中林等，2009)。前者侧重于用地质实体分界面(如地层面、接触面和边界面)来形成地质实体的空间轮廓;后者则侧重于三维空间中地质实体边界与内部的整体表示，通过对三维空间进行体元分割来实现地质实体的真三维表达和分析。在实际建模过程中，经常将这两种方法结合起来，例如，可先利用基于面模型的构建方法形成地质实体的分界面，然后再对其进行体分割。因此，无论是面模型还是体模型，都需要先构建出地质体的分界面。

地质实体和地质界面一起组成三维地质模型，它的建立过程直接影响模型的精确度。在GOCAD中，若直接利用Solid功能生成地质实体(Solid)，是非常困难且无实际意义的。而使用GOCAD Solid功能，也可以生成满足要求的地质实体，该法与Solid相比有许多优势，主要表现在以下3个方面。

(1)采用SGrid(栅格)形成实体，它的实现方法简单易操作，利用先前生成的层面即可完成。

(2)插值过程中得到的相关数据是用于工程计算的宝贵资料。进行地质建模的目的，将地质结构更鲜明直观地展现出来，是将插值过程中得到的相关数据用于进一步的地质评价，SGrid则将这二者完美地结合起来。

(3)栅格的节点信息和拓扑关系可以Excel表格的形式导出，SGrid导出的节点信息和拓扑关系可以通过简单的程序转换，进而导入到 ANSYS和ABAQUS等有限元程序中，实现交互式计算，拓展了软件功能。

2 钻孔数据分层与可视化

本次研究的主要数据来源于钻孔柱状图，共24个钻孔，其中的层面和标志层划分不够详细。因此，首要任务是将每个钻孔按照建模的要求，重新厘定划分，重新划分的地层序列为松散层(Q+N)、白垩系(K)、铜头尖组(T2t)和 月山组(T2y)，上面两组为砂泥岩，东马鞍山组第三段(T2d3)，为岩溶灰岩，东马鞍山组第二段(T2d2)，为石膏层位，东马鞍山组第一段(T2d1)，为灰岩或硅质灰岩，最下部为南陵湖组(T1n1)灰岩。

根据上述分层原则，将每个钻孔的分层界面转换为真深度，建立各个钻孔的分层数据库。首先根据钻孔开孔坐标生成井位分布图，然后将每个钻孔分层数据输入对应的钻孔，形成钻孔模拟图。在此基础上，将每个钻孔的相邻分层组合成为区，模拟不同的地层。将存在地层次序倒转(黄色)、缺失(绿色)的钻孔用不同标志表明，有利于从总体上把握构造的分布(图1)。

图1 地层缺失和地层倒转的钻孔位置

3 非连续层面地层的地质模型

以上方法在针对层状连续地层的模型建立中十分方便，但在构造发育导致层面错断时很难应用，究其原由，则是基于地表的数字高程模型不能适应地下地层、构造面等非连续、重复性地层(陈冰凌等，2009;Apel，2005)。在该石膏矿研究区，要建立地质三维模型，必须首先划分块段，确定每个层面的断块边界，针对单个连续的断块建立模型，然后在空间上进行耦合。

该石膏矿的地层和构造在空间上的分布特征还不完全清楚，尤其是东部地区，钻孔数量偏少，难以控制其地层变化规律。但通过已有钻孔揭示的信息来建模，在三维空间观察其变化特征，比在二维状态下分析地质构造的变化要直观、有效。

研究将石膏矿划分为4个断块，这在三维模型中非常明显。当然可能还存在小的断裂构造，但不影响地质建模与分析(图2)。

图2 某石膏矿的块段初步划分

将地层建模的层序划分为第四系、白垩系，以上两套地层在本区域具有统一的界面，既可以通过钻孔中的层面分界直接插值形成一个连续统一的界面。下面的地层分层比较复杂，西南角的断块1，白垩系之下的地层系列为：Tt3、Ty3、Td3、Td2、Td1，属于正常层序。而断块2的层序序列自上而下分别为：Tt3、Ty3、Td3、Td2、Td1，也属于正常序列，但不完整，不是全局分布的。断块3的地层自白垩系之下分别为Td3、Td2、Td1，在与断块2接触之处形成逆断层，部分钻孔地层倒转。断块4的地层与断块3类似。在4个块体之外，分别为左上角和右下角，存在横穿全区的大型断裂，左上角的断块是一个逆断层上盘(上升盘)，出露老的T1n1(南陵湖组)和T3d1(东马鞍山组下段)，石膏层被剥蚀殆尽，该处的钻孔出现地层顺序倒转现象，即石膏层之上出现南陵湖组老地层，说明钻孔位于断层之上。图中黄色标志说明是有地层次序倒转的钻孔。右下角为一个大型正断层，在该断层附近，出现地层缺失现象，即在白垩系之下，直接与南陵湖组地层接触，表明该断层下盘为上升盘，颜色为绿色的钻孔即为地层缺失的钻孔。按照该建模思路，需要分别界定各个断块每个地层在空间上的边界，保证界线在空间上分布合理，否则建立的模型在空间上会存在交叉、分离等不合理现象。首先是确定断裂切穿的层位，在本研究区，断裂切穿了自白垩系以下的所有地层。这样将白垩系底作为模型的最上界面，在断块1下，按照计算的基岩地层边界，依次产生 T2t、T2y、T2d3、T2d2、T2d1、T1n 界面。

对于断块2，按照地质资料分析，基岩依然存在4套地层，但本块段只有1个钻孔控制，无法利用数据插值方法形成层面，需要采用地质推断方法产生各个地层的层面，其依据是根据单个钻孔将矿体顶板等高线上移一定高度，产生新的地层界面。本块段产生的地质层面自上而下依次为T2t、T2y、T2d3、T2d2(石膏层)、T2d1，其层面边界的确定如图3。

图3 块段2地层边界确定和层面建立

利用上述插值方法或推算的方法得到的层面，通常会产生不合理的现象，例如由于地层的尖灭，第四系和白垩系地层在东北部产生重合现象，但插值会造成微小的K底界位于Q底界之上，这样的层面在后面无法构成空间体模型，需要采用脚本语言强令K底界位于Q底界之下，但由于两个层面在垂向上不完全耦合，脚本语言不能够将有效的两个层面Z值对比，必须借助于其他方式加以解决。

同样，块段2的K底面有一部分位于铜头尖组之上，这是不合理的，可以强令铜头尖组地层Z值小于等于K底面的Z值，这样铜头尖组地层自西南向东北尖灭于白垩系之下，这与地质演化和后期保存状态是相符合的。

断块3范围比较大，基岩地层埋深较浅，并且东北高西南低，自白垩系之下地层为东马鞍山组第三段，东马鞍山组第二段和东马鞍山组第一段，缺失铜头尖组(T2t)和月山组(T2y)，地层次序正常。

断块4的地层分布次序与断块3相似，基岩地层埋深也较浅，自白垩系之下地层为东马鞍山组第三段、东马鞍山组第二段、东马鞍山组第一段，缺失铜头尖组(T2t)和月山组(T2y)，地层次序也正常。

4 矿区真三维地层模型构建

利用块段划分建立的各个地质界面，建立该研究区的三维实体模型，三维实体模型的建立，有利于后续的地质切面分析，地质属性分析，夹层分布，岩溶水分布可视化和矿体综合评价，储量估计(朱发华等，2009;Andrea et al，2009)等。具体步骤如下。

(1)根据钻孔分层资料，提取分层的高程数据，导入到GOCAD中，生成原始点分布图。

(2)进行克里金插值，导入到GOCAD中后，生成加密后的数据点分布图。

(3)以各个钻孔分层点作为控制点，在地层尖灭、缺失处获得交线。

(4)形成Delaunay三角网格化的层面。利用GOCAD中里的DSI插值算法优化各层初始层面，用交线约束修改原尖灭、缺失地层层面，从而最终建立各地层的层面。

(5)通过上下面，生成体模型。由于上下面形状不对称，必须使用Workflow方法，控制上下层面的连接部位。

同一断块自上而下存在多个地层体，依次建立各个地层体，然后融合(图4)。

图4 某石膏矿三维立体模型

(6)体模型的属性传递。将钻孔中石膏层的层位，夹层厚度，作为点元素输入，将各个点的厚度值作为属性，传递给体模型，利用空间三维插值方法，将夹层数目展现在切片中。

(7)三维切片。将每个地层自新到老，依次赋予一定的数值，例如Q赋值为0，K赋值为1，T2t赋值为2，T2y赋值为 3，T2d3赋值为 4，T2d2赋值为 5，T2d1赋值为6。切片可以在3个方向进行，可以显示地层间的接触关系、空间分布状况和构造的控制情况(图 5)。

图5 某石膏矿三维任意切片图

通过构造单个的任意面，生成断面，输入到CAD软件进行编辑整饰(图6)。

图6 通过层面推断构造

5 三维图形地质分析

5．1 地层的三维空间分布特征

由于连续层序的界面在沉积上是连续整合的，除非后期受构造抬升发生剥蚀，其层面才会造成起伏，排除这种情况，如果没有遭受剥蚀的层面，也会发生起伏变化，究其原因有两种：一是沉积基底的不平，二是构造运动造成的断层。对于前者，其起伏应当是光滑的曲面，而断层造成的层面起伏，则在曲率上比较大。根据该原则，利用三维空间的地质体变化特征，利用人工解释或者二次导数的方法，可以提取出未经钻孔验证的断裂分布的特征(黄瑞婕等，2010)，供勘探布网参考和为采矿工程提供依据。

图7是矿体底面，其沉积时期应该适合下覆底层整合接触，层面与矿体形态的不协调应当是后期构造运动造成，现用红色标注于上图，将来的钻孔应当优先考虑红色区域。

图7的地质体难以反映层内构造形迹，但清楚地表明两断块抬升速度有差异，上部断块由于出露地表剥蚀殆尽，下面的断块是西部抬升的较高。它们的上层面基本表明是后期的侵蚀面。

图7 地质体的不均衡构造抬升

5．2 地质构造空间分布与解释

通过构造三维模型，能够发现先前工作中构造解释的不合理性，为下一步布置勘探钻孔提供依据。图8为石膏矿底板三维图，在钻孔4—4处，底板连续性与其他各孔不协调，应该存在1条正断层，才造成矿体减薄。下一步钻孔位置应在此附近布置，以便控制矿体变化，探明构造变化特征。

图8 通过三维层面推断构造特征

通过前后两期构造解释情况下的模型对比，可以发现在实施物探措施之后，断裂解译的合理性比前期解译合理。图9是解译前的构造特征，中间的断块起伏太大，矿体扭曲得非常严重，难以真实存在，而右图则是后期解译的构造，中间的断块过渡自然，矿体平稳过渡。

图9 通过三维模型推断前期构造的合理性

5．3 物性及岩溶水空间分布与解释

通过将岩溶水分别特征与三维模型结合，进行切片观看，能够预先了解岩溶水的空间立体分布。将石膏层的灰岩夹层作为立体模型的属性，能够利用切片的方式观察石膏层中的夹层分布情况，有利于总体把握矿体丰度分布(图10、图11)。

图10 三维切片的地质属性观察

图11 某石膏矿－300 m切面含水分布、石膏中夹层分布图

5．4 矿石量的计算

通过三维模型的建立，能够精确计算该研究区的石膏资源量，本次计算大约为0．84亿m3，该资源量是没有扣除灰岩夹层、含水层和采矿设计的总体资源量。

6 结论

介绍了非连续断块地层的三维模型建立方法，利用某石膏矿的钻孔资料，从分层厘定、数据库建立到三维模型的展现以及地质属性空间分析，详细叙述了建模的整个过程。

通过模型的建立和属性分析，不仅可以方便数据管理，便于地下数据可视化，还可以从真实角度分析构造特征，重新解译断裂边界，掌握矿体真实赋存状态，为总体分析把握矿体丰度分布提供可信的数据模型。

通过切片方式，很容易计算和分析石膏矿中夹层的分布和含水层位的空间分布，为地质勘探和采矿工程提供依据。

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Geological structure model and spatial analysis based on true 3D GIS

LIU Xing，LIU Ying-ying

(Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，Anhui)

The geologic modeling for geologic bodies with faults was a difficulty，which was more complicated than those layered strata and its spatial analysis function after the achievement of the model was also a new research arena．Taking a gypsum mine as an example，the authors introduced a flowsheet of building a 3D model by complicated borehole data with strata loss and strata reverse，3D spatial analysis methods on those models and their geologic application．It was concluded that 3D modeling and its spatial analysis for geologic bodies and structure properties were advantageous to the understanding of geologic evolution and optimization of mining design．

True 3D;GIS;Spatial analysis;Geological application

TP391

A

1674－3636(2012)03－0274－06

10．3969/j．issn．1674-3636．2012．03．274

2012－05－20;编辑：侯鹏飞

国家自然科学基金项目(40872103)资助

刘星(1974— )，男，博士研究生，主要从事成矿预测研究，E-mail：liuxing0795@126．com