三维地质建模应用于以钻代槽的方法研究

赵洪波， 何远信， 张俊岭

(1.中国地质大学〈北京〉，北京 100083； 2.北京探矿工程研究所,北京 100083； 3.中国科学院广州地球化学研究所,广东 广州 510640)

0 引言

以钻代槽技术是绿色勘查关键技术方法之一，是实现地质勘查全过程的“绿色化”、“生态化”的重要途径，对生态文明建设会起到积极的作用，是当前和今后绿色勘查的重要方向[1-5]。在开展“以钻代槽”勘查方法可行性研究中，由于浅钻钻孔柱状图、二维地质剖面图使得地质信息之间的相互关系和地质约束性不明显，不够形象直观，无法整体呈现工作区的三维地质情况，不能动态提取产状。通过三维钻孔模型可以直观验证以钻代槽的可行性，模拟地质地层三维结构，与原先槽探资料对比，可以用来验证槽探与钻探的一致性，主要包含3个方面：(1)样品测试值空间分布曲线的一致性；(2)同等位置产状对比的一致性；(3)同等测线剖面对比的一致性。

1 钻孔数据特点

钻孔数据是目前获取地层信息的主要手段，与地质平面图和地质剖面图相比，钻孔资料因其直观、准确、详细的特性在三维地层建模中具有至关重要的意义。钻孔数据在空间上一般是散乱分布的。总体上说,钻孔通常不规则地分布于研究区范围内,钻孔数据是空间上离散的三维数据,各数据在空间位置的分布无规律可循。钻探方法野外获得的现场资料为钻孔编录数据,它详细记录了孔号、钻孔时间、钻孔的位置(孔口坐标,用大地坐标记录)、孔口高程、孔深及地层信息[6-7]。

基于钻孔数据的三维地质建模是指以钻孔数据、地层岩性分析、样品分析为依据，使用三维建模软件拟合各钻孔间未知区域形成的三维地质模型。三维模型构建需要注意的问题有：(1)如多个钻孔揭露的地质单元有穿插关系，部分钻孔揭露的深度地质信息不够，在建模时，需要引入人工地质推断；(2)当构造单元以破碎带体的形式存在时，如破碎带形状比较特殊，则必须引入多一些钻孔控制或交叉剖面人工推断。基于槽探工作建立的三维地质模型同样存在上述两个问题，但利用钻孔数据，更加方便灵活。

2 三维地质建模研究方法

为充分利用试验区地质资料，更好的支持“以钻代槽”可行性研究工作，满足动态切割剖面和提取产状的要求，建立试验区三维地质模型。研究步骤如下：

(1)资料收集。系统收集两个试验区的地形地质、物探、化探、剖面、钻孔、科研报告等地质资料，了解试验区地质规律。

(2)钻孔地质数据库建库工作。按照孔口表、测斜表、岩性表、样品表等表格整理钻孔资料，建立钻孔地质数据库，并基于Gocad软件建立三维钻孔模型。

(3)地质剖面整理。对已有试验区的地质剖面利用Mapgis软件进行整理，包括赋属性、删除无关要素、进行拓扑处理、1∶1缩放、二维仿射变换等工作，将已有剖面按不同岩性特征，放置于三维地质空间。

(4)地质剖面绘制。根据已知钻孔空间分布及地质体控制特征，结合试验区三维地质建模及以钻代槽研究需要，补充绘制试验区交叉剖面，实现对三维地质体的准确控制。

(5)三维地质建模。根据钻孔、剖面、地质地形图等地质资料，利用Gocad软件建立试验区三维地质模型，满足以钻代槽提取产状信息的需要。其技术路线见图1。

3 地质数据库建设

本次工作是基于野外施工所获取的钻孔数据中的地质体分层信息，构建其相应的三维地质结构模型，满足产状提取、图切剖面及体积计算的需要。通过在云南云龙县漕涧锡矿区、海南东方市风塘岭矿区两个工作区开展浅钻施工，获取了详细的钻孔资料、地质剖面[8-9]。选取云南试验一区、试验二区以及海南试验一区(海南风塘岭金矿区00号勘探线浅钻地质剖面区)、海南试验二区(TCF01槽探与浅钻对比试验区)共4个试验区的数据。所收集的钻孔工程资料有30个，明细见表1。

图1 基于钻孔数据的三维地质建模技术路线

表1 三维建模钻孔资料汇总

通过对各试验区钻孔数据的清理，并按照Surpac地质数据库的建设要求，将其拆分成开孔坐标表、测斜表、岩性分析表和样品分析表，然后将其导入到Surpac地质数据库，经过反复检查修正，最终建立云南、海南试验区的三维钻孔模型(见图2～5)。

图2 海南试验一区三维钻孔模型

图3 海南试验二区三维钻孔模型

图4 云南试验一区三维钻孔模型

图5 云南试验二区三维钻孔模型

4 三维地质建模步骤

首先，从钻孔三维地质模型中提取可用于建模的地质体的分界点，用于构建地质体分界面DTM；其次，利用可描述地质体分界面的点，在Surpac软件中直接构建其DTM面，该DTM面将来用于构建三维实体模型；最后，构建不同地质体封闭的三维实体模型。参见图6、图7。

图6 海南试验一区和试验二区三维地质模型

图7 云南试验一区和试验二区三维地质模型

5 三维地质建模在以钻代槽的应用

5.1 可视化应用

5.1.1 三维钻孔模型可视化

通过对以钻代槽实施的浅钻钻孔开展三维地质建模，利用符号化、三维标注等技术手段，可直接在三维空间中清晰、直观、形象的展示钻孔所包含的深度信息、地层信息、岩性信息、样品测试分析信息等信息。在绘制孔界面中，可以对孔迹线风格、孔口风格、地质图案、标注、图表、深部标记、视倾斜指示器进行设置，以不同风格显示三维钻孔模型。

5.1.2 三维地质体可视化

可直接利用Surpac软件打开地质体的三维实体模型，通过符号化技术，赋予不同地质体的外观表现特征不同，可在三维空间内直观形象展示其地质体的三维结构特征，可以任何角度浏览三维地质体，也可在一个窗口中以不同的视图展示地质体的不同特征(见图8)。

图8 不同视图三维地质模型展示

5.2 求解地质产状

加载一个地质体的三维地质模型，通过产状提取小工具(图9)，选中一个三角形，即可查看该三角形的倾向、倾角。

图9 在工具栏上配载产状提取工具

点击工具栏上的产状提取工具按钮，然后按照提示选择一个三角网面，即可查询该三角形的产状。参见图10。

图10 三角形产状结果界面

5.3 快速绘制地质剖面

在以上地质体界面和地质体模型的基础上，生成任意方向的剖面图。通过“实体模型—实体工具—创建剖面或由中线生成剖面”功能，可针对一个地质体实体模型创建所需要的剖面。参见图11～13。

图11 剖面创建工具

图12 定义轴线界面

图13 生成好的组合剖面

5.4 模拟储量计算

符合封闭原则要求的三维地质模型的体积估算在Surpac软件中是非常简单的，也是进行矿产储量计算的基础性工作，其体积计算过程如图14、15所示。

图14 报告实体体积功能界面

图15 三维实体体积求解结果

6 结语

通过三维地质建模应用于以钻代槽来解读地质体，进一步验证了以钻代槽的可行性与有效性，形成了以钻代槽装备及取样工艺方法+钻孔布设方法+三维地质建模为主要特征的以钻代槽勘查技术方法。采用浅钻揭露的垂向地质体信息丰富，形成的三维模型形象、直观、易用；可以实现任意拉剖面，任意测量两点距离、走向，三点倾向，间接快速求产状；利用钻孔样品值，在三维空间内约定地质单元内快速插值，可用于求储量。