三维建模在铜绿山铜铁矿区的应用

赵逸君, 毛晓梅, 王 冕

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

三维建模在铜绿山铜铁矿区的应用

赵逸君, 毛晓梅, 王 冕

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

基于MAPGIS固体矿产三维建模系统平台对铜绿山矿区三维建模方法进行研究。在收集和整理矿区地质图、地形图、地质剖面图、钻孔等工程勘查数据的基础上,建立地质数据库,介绍自动化矿体圈定和外部剖面图导入两种不同的三维建模方式,并展示地下矿体的三维展布趋势及精细变化,其相关经验对类似矿区三维建模具有一定的借鉴意义。

MAPGIS；地质数据库；三维建模；铜绿山

三维地质建模是以各种原始数据(包括钻孔、剖面、地质图、地形图、物探数据、化探数据、工程勘察数据等)为基础,建立能够反映地质构造形态、构造关系及地质体内部属性变化规律的数字化模型[1]。三维地质体模型能够提供关于矿体的三维真实形态,地质人员可以多角度任意观察矿体的三维展布趋势及精细变化,同时形成任意方向投影图,进行直观、形象和可控的评价[2-5]。

1 矿区地质概况及矿体地质特征

铜绿山铜铁矿位于湖北省大冶市境内,其大地构造位置属扬子准地台下扬子台褶带西端Ⅳ级构造单元——大冶凹褶带束。该单元是以北西向襄阳—广济断裂、北东向梁子湖断裂和东西向的鸡笼山—高桥断裂所围限的三角地块。

区内地层发育齐全,从元古界—新生界除缺失中、下泥盆统及上侏罗统外,其余均有出露。前震旦系主要为一套中—浅变质岩,分布于南部边缘,震旦系—下三叠统主要为海相碳酸盐岩,次为碎屑岩,其分布除震旦系在南部外,其他主要分布于本区中部广大地区。三叠系中上统、侏罗系和白垩系下统主要分布于黄石—大冶—阳新—灵乡以西,梁子湖以东地区,以陆相碎屑岩为主,局部为火山岩。白垩系上统—第三系、第四系主要分布于长江沿岸和梁子湖、大冶湖、阳新盆地及其附近地区,为陆相碎屑岩,松散沉积物。

铜绿山铜铁矿床属大型接触交代矽卡岩高中温热液矿床,矿体有含铜磁铁矿、含铜大理岩、含铜矽卡岩及铁矿石。矿体受隐伏半岛状大理岩俘虏体与花岗闪长斑岩接触带控制,矿体主要赋存在上、下盘接触带部位,矿体形状呈透镜状,沿走向和倾向分枝复合。矿体顶、底板围岩主要有高岭石化花岗闪长斑岩、斜长石化花岗闪长斑岩、大理岩、白云质大理岩、石榴石透辉石矽卡岩。矿体中夹石主要为大理岩、矽卡岩、高岭石化花岗闪长斑岩或斜长石化花岗闪长斑岩。矿化蚀变主要有硅化、透辉石化、碳酸盐化、绿帘石化、钾长石化、金云母化及钠化,其次是高岭石化、蒙脱石化和铁硅化。矿石类型按自然类型主要有氧化矿石、混合矿石和原生矿石三类,矿石呈致密块状、浸染状、脉状、角砾状、粉末状—砂状等构造形态。矿石结构主要有半自形—自形粒状、固溶体分解、胶状再结晶、熔蚀交代、压力等结构(图1)[6]。

2 MAPGIS在铜绿山铜铁矿区三维建模中的应用

在对铜绿山铜铁矿区进行三维地质建模过程中,以MAPGIS固体矿产三维建模系统为平台,使用了两种不同的数据源,并且采用了两种不同的矿体圈定建模方式:自动化矿体圈定建模和外部剖面图导入建模。

2.1 自动化矿体圈定三维建模

在对铜绿山铜铁矿区进行三维地质建模的全过程中,利用MAPGIS固体矿产三维建模系统,将地质建模数据源、建模过程数据、建模成果采用统一数据格式进行存储,降低三维建模数据准备难度,提高建模效率。铜绿山铜铁矿区三维地质建模包括三个核心工作环节,即“一体化地质数据集成—自动化矿体圈定—地质体三维模型生成”。“一体化地质数据集成”是收集地质勘探等原始资料,进行资料数字化、规范化,建立地质勘探数据库,为矿体圈定、三维建模和资源/储量估算提供数据驱动。“自动化矿体圈定”是利用研究区相关地质信息,在勘探线剖面的基础上逐个圈定表内矿、表外矿界限,为生成三维矿体提供数据框架。“地质体三维模型生成”是在矿体圈定的基础上连接生成三维矿体,从而建立矿体的三维模型(地面模型、矿块模型),为资源储量估算提供三维矿体。其方法流程见图2。

图1 矿区地质简图Fig.1 Generalized geologic map of mining area1.第四系粘土层;2.(沉积岩、变质岩、火成岩)白垩系灰白色火山凝灰岩;3.嘉陵江组第三岩性段灰岩;4.嘉陵江组第二岩性段灰岩;5.嘉陵江组第一岩性段灰岩;6.中下三叠统白色中粗粒大理岩;7.石英二长闪长玢岩;8.钠长斑岩脉;9.矽卡岩;10.矿体编号;11.勘探线编号;12.2006年前施工钻孔及编号;13.接替资源勘查施工钻孔及编号;14.补充勘查工作施工钻孔及编号;15.竖井位置;16.矿界范围。

图2 铜绿山铜铁矿区三维地质体建模流程图Fig.2 Flow chart of modeling of three-dimensional geological body in Tonglvshan copper-iron mining area

2.1.1 建立地质数据库

铜绿山地区地质数据库包括铜绿山铜铁矿区地质地形、测试分析数据、钻孔数据等基础数据库。

地形数据库的建立主要是为了对研究区三维地表模型的建立打下基础。虽然MAPGIS固体矿产三维建模系统可以根据钻孔和勘探线数据模拟地表模型,但由于此种方法是根据采样钻孔的高程数据对地表进行推算,不可避免存在误差较大,无法真实还原矿区地表形态。地表数据库的建立能帮助系统建立更为完善的地表模型,更直观、清楚地表达矿区地表与矿体等其他空间体的三维位置关系。

以矿区地形图为基础,对收集到的铜绿山铜铁矿区地形地质及实际材料图进行图形矢量化,矢量化的要素主要是地形部分。矢量化以后按照图3所示属性结构,针对等高线数据建立MAPGIS数据库。

图3 矿区等高线属性结构示意图Fig.3 Schematic diagram of attribute structure of contour in mining area

地质勘探数据库的建立是地质体三维建模的基础。根据MAPGIS固体矿产三维建模系统的要求,及其提供的模板,建立地质勘探数据库的信息结构表,包括矿区区域边界基本信息表、矿区勘探线基本信息表、矿区勘探线测量数据表、岩层基本信息表、矿区化学分析基本信息表、工程样品分析结果表、钻孔基本信息表、钻孔弯曲信息表、钻孔分层信息表和钻孔取样基本信息表。依据数据库信息表模板,对矿区地质图(平面图、剖面图)、材料图数据、建模边界、钻孔数据、剖面等勘探工程资料进行收集和整理,并按照规定格式填入相应信息表中。这些地质数据包含已施工的27条勘探线剖面图、336个钻孔编录数据、17 283 个钻孔采样分析结果。同时对矿区内27条勘探线的矿体建立了拓扑关系和基本信息数据库,并参阅相关地质报告,建立了研究区的地质勘探数据库。

原始数据导入MAPGIS固体矿产三维建模系统后,用软件进行数据检查,主要包含对数据表中基础数据的格式、顺序、样品区间是否缺失、重复、超过工程长度等进行校验,以保证数据的有效性、正确性及成果编制的正确性。检查通过后的数据直接导入系统形成基础数据库。

2.1.2 构建三维模型

在基础数据库之上,建立基础视图树,生成勘探线剖面图,自动化矿体圈定,建立三维矿体模型。矿区勘探线工程如图4所示,图中点为钻孔,线为勘探线。

图4 矿区勘探线工程示意图Fig.4 Schematic diagram of exploration line project in mining area

铜绿山铜铁矿区的钻孔是沿勘探线进行布置,在矿区勘探线工程基础数据建立之后,需要对每条勘探线进行剖面定义并建立一系列剖面,在此基础上才可以继续进行矿体圈定等工作。图5是利用钻孔及勘探线相关数据,采用系统生成的4号勘探线矿体圈定前的剖面图。

矿体圈定可以采用单一指标或多指标来确定,铜绿山铜铁矿采用单一指标来确定。利用MAPGIS固体矿产三维建模系统进行自动化矿体圈定,需要根据圈定原则设定好圈定方案,包括方案指标、元素特高值/极限值、预赋矿体产状、比例尺、钻孔弯曲绘制方式等内容。系统自动圈定矿体后,针对矿区的某些特殊要求,结合矿区勘探线剖面图进行矿体连接,采用人机交互的方式对剖面上各类矿体的边界进行修改绘制。图6是4号勘探线圈定后的剖面图。

图5 4号勘探线剖面图Fig.5 Profile of No.4 exploration line

图6 4号勘探线圈定剖面图及局部放大图Fig.6 Delineation profile and local enlarging graph of No.4 exploration line

在矿区基本数据(包括地形、勘探线、工程、样品等信息)及矿体圈定的基础上,利用MAPGIS固体矿产三维建模系统提供的人机交互面积控制点添加工具,在剖面图上进行矿体面绘制(对不同剖面上属于同一矿体的边界线采用三角面连接),形成矿体曲面,最终由一系列三角曲面围成复杂曲面并封闭成体,从而形成三维矿体模型。

(1) 地表模型。地表模型主要由等高线或离散高程点获得。等高线通过抽取特征点,转换为离散高程点。离散高程点通过构建不规则三角网(TIN),形成地表模型。具体流程如下:

① 根据铜绿山矿区等高线数据,将原等高线数据库平面图(比例尺为1∶2 000)按1∶1 000投影(系统设定方案的比例尺是1∶1 000),导入到系统(如图7左图所示)。

图7 矿区地形与地表三维模型对比图Fig.7 Contrast diagram of three-dimensional model of topography and surface

② 通过“高程点三角化”和“矿区地形参数配置”模块转化并替代系统自动生成的矿区地形,如图7右图所示,通过对矿区地形数据的计算加工后,可获得更加逼近真实环境的地表模型。

(2) 勘探线模型。勘探线模型的形态由勘探线测量控制点确定,生成的勘探线模型再结合地表模型,显示为地表的曲线(图8)。

图8 铜绿山铜铁矿矿区勘探线模型测量控制点示意图Fig.8 Schematic diagram of surveying control points of exploration line in Tonglvshan copper-iron mining area

(3) 钻孔模型。钻孔模型由系统根据钻孔基本信息、弯曲信息、分层信息自动生成。生成的三维钻孔模型再根据样品化学分析的数据范围进行分段设色,能够直观展现不同成矿元素在Z方向上的变化情况。所建立的钻孔模型可任意放大、缩小,直观显示钻孔空间的位置及变化状态,为三维地质体建模作准备(图9)。

图9 铜绿山铜铁矿矿区钻孔模型示意图Fig.9 Schematic diagram of drilling model in Tonglvshan copper-iron mining area

(4) 矿体模型。通过交互式圈定单工程矿体范围、连接剖面矿体面、剖面间连接矿体等主要过程后,系统自动生成矿体三维模型。矿体三维模型的建立能为矿区资源储量估算等提供数据基础。图10是铜绿山铜铁矿区XI号矿体三维模型建立示意图。

2.2 外部剖面导入三维建模

基于外部剖面导入的建模方式是因为大量的矿区属于已经完成地质勘查工作,且经过评审备案,资源储量估算结果已经得到正式认可。这类矿区建立三维模型必须尊重原来的成果,因此在构建矿体模型的时候,不必再经过单工程矿体圈定的过程,也无需手动连接矿体剖面线,可以直接基于勘查成果中的剖面图完成。具体来说,这种方式的三维建模主要经过数据整理与入库、平面图校正、剖面图校正、矿体连接与模型生成等几个过程(图11)。

图10 铜绿山铜铁矿区XI号矿体模型示意图Fig.10 Schematic diagram of No.11 ore body model in Tonglvshan copper-iron mining area

图11 铜绿山矿区剖面图导入三维建模流程图Fig.11 Flow chart of three-dimensional model in profile

2.2.1 数据整理与入库

数据整理、入库的流程与自动化矿体圈定基本相同,区别在于勘探线、钻孔等信息整理的目的不是为了圈定矿体,而是为了构建相应的勘探线模型、钻孔模型。此外,基于外部剖面图建模的方式还要求整理矿区平面图和勘探线剖面图。

矿区平面图来自于勘查报告的实际材料图或地形地质图。主要包含地理信息、地质信息、勘探线布置、探矿工程布置信息等图层,该图用于地表模型的纹理贴图,可以与生成的勘探线模型、钻孔模型、矿体模型叠加验证。

基于外部剖面图三维建模的关键数据是原成果报告中的勘探线剖面图。需要将所有的勘探线剖面图收集齐全,然后转换为MAPGIS格式的点、线、面。其中矿体边界的图层需要单独提出,并且需要建立拓扑关系。生成矿体剖面面积,并且赋予面积、编号等属性。

2.2.2 平面图校正

收集到的平面地形地质图的位置如果不是实际图幅所在的地理坐标,需要对其进行校正与坐标转换处理,转换到地理坐标系中,确保能与矿区地面模型吻合。

平面图校正采用的是分块校正的方法,精度控制在1e-6,校正的具体过程如下:

(1) 采集控制点进行校正,因钻孔在矿区基础资料中有明确的地理坐标,且在平面图中易识别,因此选取平面图中均匀分布的钻孔作为校正点。

(2) 读取钻孔基本信息表中钻孔的(X,Y)坐标作为校正的理论值。

(3) 校正后,提取勘探线分布文件为单独的线文件,并在属性结构中添加字段“ktx”(字符串,15位)赋值为勘探线号。

2.2.3 剖面图校正、建模数据的计算与提取

(1) 剖面图首先需要转换为MAPGIS格式,然后按图12所示的方法对剖面图进行校正。

(2) 计算并提取建模所需数据,导入基础数据库。

① 需要获取勘探线起始点和终止点坐标,将图12中提取的“勘探线.wl”转换到选择集视图下查看其坐标序列,可得到起始和终止点的X(6位)/Z坐标,填入到勘探线基本信息表中。

② 选择平面图中校正后提取的勘探线文件,选择好勘探线号以及字段ktx,输入已知的X(6位),点击计算交点,得到另一个坐标值Y,同样填入勘探线基本信息表中。

③ 利用系统提供的矿山工具菜单下的“根据设置的信息转换图件”,源数据打开剖面校正处理后提取得到的“勘探线.wl”和“矿体面.wp”,转换后获得一个ktxDot_3D.txt文件,将其中的坐标序列提取至勘探线测量信息表中。

图12 外部剖面导入法建模剖面图的处理方法Fig.12 Processing method of introduction of graph technique profile

2.2.4 矿体连接及模型构建

基于外部勘探线剖面建模的矿体连接,笔者选择对校正后的剖面图上的矿体面进行连接。连接的过程中需仔细观察原勘探线剖面图的表示方法、连接规则、外推规则,依次利用三维系统的矿体连接功能实现,后续的模型连接剖面矿体面、剖面间连接矿体等主要过程后,系统自动生成矿体三维模型。

3 结语

铜绿山铜铁矿床处于中国重要的矿集区内,工作程度高,地质资料丰富,如何有效地利用已有地质资料和现代化技术手段,汇集丰富的地质资料,以三维形态、多维时空动态可变化地展现矿区地表及地下地质情况,是危机矿山找寻接替资源的迫切需求,也是当前热点研究领域。基于MAPGIS固体矿产三维建模系统的两种建模方式,在分析整理大量基础地质资料的基础上,建立了铜绿山铜铁矿区基础地质数据库,包括地表高程数据库、勘探线数据库、钻孔基本信息数据库、样品分析基本数据库等10类,构建了铜绿山铜铁矿区的地表、勘探线、钻孔、矿体等三维模型,在这些三维模型的支持下,比较形象直观地再现了矿区地下矿体单元的空间形态及其相互关系。

两种建模方式,均能比较顺畅地完成矿区三维建模,但适应于不同的工作条件和需要。自动化矿体圈定建模的方法适合于新开展工作就全程使用本系统完成矿区建模全过程的情形,其模型质量较好,精度较高,并且不再需要传统绘制剖面图进行矿体圈定这个流程,能极大地减少矿区勘查过程中室内资料整理的工作量,提高工作效率。外部剖面图导入建模的方式适合于已完成勘查工作的矿区,建立的模型精确度主要依赖于原勘查报告的质量,建模的结果适合于指导矿山生产及深部与外围的再勘探。

总之,三维地质建模已经能够应用于矿区地质资料整理与研究,模型建立以后,系统能够根据地质资料的变化对数据进行修改或调整,相应的三维模型也将自动改变,为地质技术人员研究带来极大的方便,指导矿山生产及深部与外围的再勘探。本次研究为今后三维可视化分析与储量估算等研究打下了坚实的基础,相关经验对类似矿区三维建模具有一定的借鉴意义。

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(责任编辑：陈文宝)

Application of 3D Modeling in Tonglvshan Copper-Iron Mining Area

ZHAO Yijun, MAO Xiaomei, WANG Mian

(HubeiGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430034)

The 3D modeling method based on MAPGIS solid-mineral platform for Tonglvshan mining area is studied in this paper.On the basis of the data,that had been collected and sorted out from geological maps,topographic maps,geological sections,drilling,and other engineering surveys,the geological database is established.Two different 3D modeling methods,automated delineation of ore deposits and importation of external geological section maps,are applied in the study.The trend and fine changes of underground orebody 3D distribution are also demonstrated in the paper.These experiences will have certain reference values for similar mine 3D modeling.

MAPGIS; geological data bank; 3D modeling; Tonglvshan

2015-05-15;改回日期:2015-06-11

赵逸君(1980-),女,工程师,硕士,计算机应用技术专业,从事地理信息和地质信息化工作。E-mail:66479579@qq.com

P628+.4; P618.41

A

1671-1211(2015)04-0503-07

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201504028

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150619.1501.018.html 数字出版日期:2015-06-19 13:33