GOCAD在三维地质建模中的应用进展综述

窦帆帆，林子瑜

(东华理工大学 地球科学院，江西 南昌 330013)

GOCAD在三维地质建模中的应用进展综述

窦帆帆，林子瑜

(东华理工大学 地球科学院，江西 南昌 330013)

GOCAD是当前主流的三维地质建模软件，自1990年软件诞生，国内众多专家学者在多个领域开展了广泛而深入的研究工作，取得了丰硕的研究成果。在前人的研究基础上总结GOCAD软件的特点、核心技术和建模思路并从深部矿产勘察这一应用领域热点为例进行详细说明。

GOCAD；三维地质建模；应用进展

1 GOCAD软件概述

GOCAD是世界公认的最好的三维地质建模软件软件，功能强大且易学易用，在三维地质建模领域已达到了半智能化建模的最高水平，尤其是其软件专利，基于法国Nancy大学Mallet教授提出的DSI(离散光滑插值)理论，得到国际地球物理勘探学会和欧洲地球物理勘探学会以及全球的几十家大公司和大学的认可，成为该软件的最大亮点之一。自1990年GOCAD推向世界以来，得到了世界石油、地矿、工程等多个领域数百家公司的使用，从简单的地层建模，到如今复杂地质背景的三维构造地层建模和三维岩相分析，GOCAD软件不断提高地质建模的精度和效率，取得了飞速的发展。强大的统计功能、工作流程驱动建模、能够构建复杂地质模型是软件最为主要的特点[1]。

2 GOCAD软件相关研究领域与论文数量

本文统计了自2010年开始至2016年结束这7年内期刊中GOCAD软件在三维地质建模中的应用情况，具体情况如下：如图1所示，2010年(29篇)、2011年(27篇)、2012年(33篇)、2013年(36篇)、2014年(41篇)、2015年(45篇)、2016年(51篇)；从研究年份看，从2010年至2016年论文数量呈逐渐上升的趋势。按主要学科专业统计可见，如图2所示，涉及矿产勘查方面的论文最多(98篇)，其他依次为工程地质(87篇) 、矿山开采(42篇) 、环境地质(16篇) 、灾害(12篇) 和其他(7篇)，矿产勘查和工程地质的应用占总数的2/3。

图1 2010-2016每年期刊收录的稿件数

图2 2010-2016年主要领域期刊收录的稿件数

3 GOCAD软件的核心技术

针对地质数据具有的不连续性、不确定性特点，GOCAD 软件的主要研发者之一法国Nancy大学Mallet教授提出的DSI(离散光滑插值)理论。该理论可以概括表述为：假设一个已经离散化的自然体模型，在这个自然体模型中能够建立一个可以相互连接的网络，如果在这个互相连接的网络上的点值能够满足某种约束条件或关系，那么可以通过解一个线性方程的方式得到这个网络上未知结点上的值[2]。离散平滑差值(DSI)类似于就解这种微分方程，他是一种只依赖于网络结点间的拓扑关系，不以空间坐标为参数无维数的插值方法，这是他与其他空间插值方法的主要区别之一，因此DSI插值适用于自然物体的模拟。

4 GOCAD软件的基本对象与建模思路

4.1 基本对象

在三维地质建模过程中不仅仅需要对地质目标的几何形态进行描述，也需要描述地质目标所包含的地质属性特征。但是在自然界中不管是多么复杂形态的地质目标，都可以用点、线、面、体这4种类型的数据来描述[3]。比如说点主要用来描述如高程点等的离散数据；线主要用来描述类似钻孔轨迹、构造线等线状数据；面主要用来描述地层面和构造面等具有面状特征的数据；体主要用来描述岩体、透镜体等封闭的数据体。

4.2 建模思路

GOCAD中常见的三维地质建模方法包括：基于钻孔数据的三维地质建模方法、基于剖面数据的三维地质建模方法、基于数字地质填图的三维地质建模方法[4]。

4.2.1 基于钻孔数据的三维地质建模方法

钻孔通常作为地质资料的第一手资料，记录了大量地质工作过程中的原始信息，是研究地下地质体单元结构和构造的最基本的资料之一；也是构建真三维地质体不可或缺的原始数据。该方法主要适用于地层变化不大或有明显趋势的地带且需要获得大量的钻探数据的支持。具体步骤如下：在GOCAD中通过钻孔导入后提取每一地层的Marker，生成相应的点文件，根据点生成面的方式进行构建面模型，之后再继续构建实体模型等。

4.2.2 基于剖面数据的三维地质建模方法

基于剖面数据的建模方法主要采用二维剖面作为建模的依据，由二维剖面生成三维地质模型[5]。具体思路如下：

1)剖面数据的解译

将二维地质剖面上的信息进行解译，解译出研究区的地层线和断层线，并将解译数据导入三维地质建模软件中，如果是勘探工程绘制的二维剖面图则需要将其中显示的构造和地层信息进行矢量化并全部导入三维地质建模软件中。

2)导入二维剖面图

为了进一步的的观察和分析，需要将二维剖面图导入三维地质建模软件，在三维空间下观察地质体形态的变化，进而调整导入的断层线和地层界线。

3)构建三维面模型

将导入地层线和断层线按组别分别进行分组，以组别的分类进行三维面模型的构建。由于建模数据源可能出现的稀疏性，使得构建出的三维地质面模型较为粗糙，需要运用建模软件中的平滑功能，进行面模型的平滑。

4)构建三维实体模型

将构建好的三维地层和构造模型并参照钻孔约束共同参与建模，构建出研究区范围的三维地质实体模型和块体模型。

4.2.3 基于数字地质填图的三维地质建模方法

数字地质填图建模，是基于三维地质建模专业软件，利用数字地质填图系统的野外路线PRB 数据(P 为地质点，R 为分段路线，B 为点间地质界线)直接进行三维地质建模的技术方法。数字地质填图建模的技术方法，主要由3大部分组成：根据野外数字填图路线数据构建界面，将界面组合成面模型，将面模型生成体模型具体实现途径是：在GOCAD 软件平台上，先利用PRB 数据中的B数据及其对应的产状生成各个分段地质界面，再把同类分段地质界面组合生成更大范围的地质界面；对建立好的地质界面尽可能利用已有的钻孔、坑道等勘探数据进行约束、离散平滑插值等处理，生成符合实际地质情况的地质界面；用建立好的地质界面组合成面模型和体(网格)模型。数字地质填图建模所需的基本源数据是填图过程中的野外路线数据和地形数据，比较容易获取，建模成本低，因而具有广阔的应用前景。

5 GOCAD三维地质建模实例

深部矿产勘察是在二维地表填图的基础上，利用二维平面图和剖面图等表达方式，分析关键地质要素(如构造、地层等)在三维空间的结构特征，并结合已获得的钻孔数据、地球物理数据以及二维地质剖面数据，在GOCAD 软件平台中实现三维可视化，建立可靠的三维地质模型，开辟第2找矿空间[6]。

1)地表三维的建立

通过地理信息系统软件(如Mapgis、Arcgis等)将研究区地质填图过程中获得的等高线高程数据编辑形成文本格式文件导入GOCAD到 软件中形成点数据集，再对导入软件中的点数据集进行边界约束、优化，去除异常点，通过点生成面的方式生成地表形态的DEM[6]。最后可以利用“贴图”的方式使研究区的遥感影像和平面地质图叠加在DEM 上，形成遥感影像和平面地质图与三维地质图地表一致性。

2)断裂及地层的建立

地层面和断裂面的建立主要根据工作中获得的二维剖面图，首先需要根据研究区地质背景的认识对获得的物探二维剖面进行构造和地层的解译，如果是勘探工程绘制的二维剖面图则需要将其中显示的构造和地层信息进行矢量化并全部导入GOCAD软件中；然后通过赋角点坐标的方式将二维剖面转换为三维剖面导入到GOCAD 中，确定好剖面的位置；最后将各个剖面中所有相同的地质界线相连接，利用先生成面的功能生成各个地层界面，同样的将相同的断层线连接以线生成面的方式构建出断层面。

3)三维实体模型的建立

根据已建的各个地层和构造的三维面模型，通过软件自带的工作流(workflow)如构造地层建模工作流来建立研究区的三维地质块体模型。对已建立的三维地质块体模型可以在各个方向上切剖面来观察地下深部的地质结构[7]。

6 结 语

如今GOCAD已发展成为世界最主流的三维地质建模软件之一，凭借其地质建模精度高、效率快并且几乎可以满足用户对各种复杂地质区域的建模要求，正被越来越多的人所使用。其应用范围也不断扩大，涵盖了包括矿产勘查、工程地质和灾害等众多领域。本文通过对GOCAD软件的核心技术、建模思路以及应用实例的介绍，期望更多的人能够了解这一优秀的三维地质建模软件，并能更好地使用他。

[1] 钟登华, 李明超, 杨建敏. 复杂工程岩体结构三维可视化构造及其应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(4): 575-580.

[2] 许国, 李敦仁, 王长海, 等. GOCAD 地质三维建模技术及其在水电工程中的应用[J]. 红水河, 2007, 26(s1): 113-116.

[3] 王长海, 许国. GOCAD 地质建模在某工程的应用[J]. 红水河, 2011, 30(6): 165-167.

[4] 潘懋, 方裕, 屈红刚. 3D地质建模若干基本问题探讨[J]. 地理与地理信息科学, 2007, 23(5): 1-5.

[5] 武强, 徐华. 三维地质建模与可视化方法研究[J]. 中国科学(D辑), 2004, 34(1): 54-60.

[6] 杨建宇, 秦德先, 康泽宁, 等. 北衙金矿三维模型的建立及研究[J]. 有色金属: 矿山部分, 2006, 58(2): 17-20.

[7] 陈建平, 陈勇, 曾敏, 等. 基于数字矿床模型的新疆可可托海3号脉三维定位定量预测研究[J]. 地质通报, 2008, 4(4): 552-559.

An Application of GOCAD in Three-dimensional Geological Modeling

DOU Fanfan, LIN Ziyu

(CollegeofEarthScience,EastChinaUniversityofTechnology,Nanchang,Jiangxi330013,China)

GOCAD is the most mainstream in three-dimensional geological modeling. Extensive researches have been carried out in many fields by many experts and scholars in China. Many fruitful research results have been acquired. The paper tells of the characteristics、core technologies and modeling ideas of GOCAD software on the base of previous work in mineral exploration.

GOCAD; Three-dimensional geological modeling; Application

2017-05-09

窦帆帆(1992-)，男，江苏镇江人，在读硕士研究生，研究方向：三维地质建模与地学信息处理，手机：18305113393，E-mail：469255069@qq.com.

P623

B

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.04.040