江西相山铀矿田科研成果在本科地质教学中的应用

吴志春， 郭福生， 张树明， 谭凯旋， 王国灿，薛林福， 谢焱石， 周万蓬

(1.东华理工大学 地球科学学院，江西 南昌 330013；2. 南华大学 资源环境与安全工程学院，湖南 衡阳 421001；3.中国地质大学(武汉) 地球科学学院，湖北 武汉 430000；4.吉林大学 地球科学学院，吉林 长春 130061)

相山铀矿田是我国最大最富的火山岩型铀矿田，是东华理工大学资源勘查工程、地球化学等地质专业重要的实习基地。东华理工大学在相山铀矿田开展科研与教学工作已有近60年的历史，取得了丰硕成果。特别是在近10年，相山地区1∶5万地表地质调查、深部地质调查及一大批国家、省部级项目的开展，在地质、地球物理勘探、遥感、数字地质填图、三维地质建模等方面取得了许多成果。在本科地质教学过程中，综合运用这些多学科科研成果，达到拓宽学生知识面、提升专业知识水平的目的，让学生掌握新技术、新方法，培养社会急需的新型地质人才。

随着社会经济的发展及社会对地质人才需求的变化，地质工作不断由传统走向现代，单一走向综合，二维走向三维。目前，地质人员应掌握的知识由原来的单一方法找矿、浅部找矿向多方法综合找矿、深部找矿、大数据找矿等方向发展，同时朝着新能源开发、环境保护和治理、国土资源整治、城市规划与工程建设、地质灾害预测与防治、地学信息工程等领域不断拓宽[1]。地质人才的培养需要跟上社会需求的变化，及时将科研取得的新技术、新方法、创新性成果用于本科生教学，拓宽学生的知识面，提升学生不同学科的理论知识水平和动手能力，使其具备跨学科创新性工作的能力。本文以江西相山火山盆地在“江西1∶5万陀上、鹿冈、乐安县幅区调”“相山三维地质调查”等项目基于区域地质调查、三维地质调查、遥感地质解译等方面取得的科研成果在教学中的应用为例，简要介绍科研成果在本科地质教学中的应用。

1 区域地质调查成果的应用

1.1 数字地质填图技术

2010—2015年，东华理工大学在相山地区承担了“江西省1∶5万陀上、鹿冈、乐安县幅区调”和“相山火山盆地三维地质填图”项目，30余位教师和50余位学生(本科生、硕士研究生、博士研究生、博士后)参与了该项目，培养了一批能够熟练使用数字地质填图系统的教师和学生。数字地质填图技术的使用，使区域地质调查从实测地质剖面、路线地质数据采集、室内成图等过程全部实现了数字化[2，3]。在此基础之上，东华理工大学率先将数字地质填图技术引入到江山区域地质调查实习中[4]，并在“地学计算机制图”课程中增加该部分教学内容。在课堂教学的基础上，同时参与科研项目，学生得到很好的培养，在各类比赛中获得众多荣誉，仅在全国地质技能比赛中就获得一等奖3项、二等奖9项、三等奖3项的好成绩。

1.2 区域地质调查数据和岩石标本

通过区域地质调查，获取了大批地表地质数据，构建了相山铀矿田的地表填图资料数据库。地表填图数据库包含PRB库、实际材料图库、编稿原图库、成果数据库等内容。实际材料图库中还包含样品数据库。成果数据库包含基本要素类、综合要素类、对象数据等内容。整个数据库包含原始资料数据、过程数据和成果数据。数据格式规范，层次明晰。地表填图路线包含地质点、分段路线、点间界线、产状、素描、化石、照片、样品等信息，每个点、线、面都有相应的属性内容，可以轻松查询到任意位置的岩性及描述、填图单元、产状、素描、照片、样品等信息。

构建的数据库在相山实习中应用，一是满足学生实习期间相关数据的查询，全面了解填图区的地质信息；二是提升学生对数字化地质产品的利用能力。在江山区调实习之后的相山实习，又可以再一次深入学习数字地质填图系统的使用方法；三是熟练掌握相关国家、行业地质规范，达到常用地质规范牢记于心的目的，如不同比例尺地质填图中的点距、线距要求，不同地质点、样品、化石类型对应的子图，地质点、分段路线、点间界线等属性信息记录内容及格式等。

在相山区域地质调查过程中，实测了一批地质剖面，填绘了大量地质路线，查明了盆地内主要地质体的分布特征及产状。根据实测地质剖面和地质填图路线，对以往实习路线中的地质内容及地质认识进行了丰富和完善，更新了部分实习路线，并遴选出了一批具有代表性的岩性、地质界线、构造、蚀变、矿化等实习观测点，丰富了实习内容，提升了实习质量。同时，系统采集了一批相山地区的典型岩石、矿石、蚀变岩、构造岩等标本，建立了相山火山盆地岩石标本库。这些标本有来自地表地质填图所采集的，也有来自地下坑道和岩芯中采集的，标本种类齐全，且数量多。这不仅可以用于“普通地质学”“构造地质学”“铀资源地质学”“矿床学”等课程课堂教学和相山实习前的岩性认识学习，而且还可以供课后学生参观学习。

2 三维地质调查成果的应用

2.1 三维建模数据

利用收集到的前人资料和实测数据，建立了相山火山盆地三维原始资料电子数据库。数据库中包含钻孔1 459孔、勘探线剖面图349幅、中段平面图34幅、MT剖面19条、CSAMT剖面14条、矿床综合地质图10幅等数据，数据种类多而全。通过统一坐标系和比例尺，将所有数据统一到了同一个三维空间内，使所有数据都能够三维显示。在数据库中，不仅可以清晰呈现勘探数据分布情况，还可以了解不同勘探阶段工程的布置及其与地质体、矿体之间的关系。在传统课堂教学过程中，常用平面数据、单一数据进行教学，缺乏宏观联系。现在运用三维数据库教学可有效改善该问题。如数据库在“铀矿勘查学”等课程教学中，能够更好地讲授矿体三维形态特征、矿体与地质体之间的关系、不同勘探阶段工程布置特点、钻孔的合理设计、勘探线剖面图和中段平面图的制作、井巷工程的布置等知识内容，使学生能更好地理解地下地质体的三维空间形态特征，有利于提升学生对相关知识点的理解，激发学生的课堂教学兴趣。

2.2 三维地质建模技术

在项目实施过程中，运用计算机技术和三维地质建模技术集成了地质、物探、化探、遥感、钻探、采矿等数据，构建了相山盆地4个层次的6个模型(陀上幅三维地质模型、邹家山矿床模型、沙洲矿床模型、云际矿床模型、邹家山—居隆庵地区三维地质模型、相山火山盆地三维地质结构模型)。第一个层次的模型是利用地质填图技术获取的地质填图路线数据和实测地质剖面数据直接构建的陀上幅三维地质模型。该模型厚度500 m，精度高，建模单元与地质填图单元相一致，是具有深部地质信息的立体地质图；第二个层次的模型是3个典型铀矿床模型(邹家山矿床模型、沙洲矿床模型和云际矿床模)，这些模型是利用勘探线剖面图、中段平面图、钻孔等数据采用剖面建模方法构建的；第三个层次的模型是用14条CSAMT剖面为主要数据构建的邹家山—居隆庵地区三维地质模型；第四个层次的模型是以19条MT剖面为主要建模数据，结合地表填图数据、勘探线剖面图、中段平面图、钻孔等数据进行多源数据约束融合建模的相山火山盆地三维地质结构模型。首创了基于GOCAD软件平台的“数字地质填图建模”方法，改进了“地质剖面建模”技术，丰富了“多源数据约束融合建模”方法[5-9]。

3个典型铀矿床模型(邹家山矿床模型、沙洲矿床模型和云际矿床模型)、相山火山盆地三维地质结构模型和三维地质建模技术应用于相山铀矿田实习，并在“相山铀矿田地质实习教程”中新增了该部分实习内容。主要实习内容有剖面图的几何校正、钻孔数据的录入、不同类型地质界面的构建、井巷工程的构建、模型的组合、模型的整饰等内容。通过该部分内容的学习，让学生掌握剖面建模技术，并能够独立完成铀矿床的三维地质建模工作。

基于填图路线剖面的三维地质建模技术已成功应用于江山区域地质调查实习，并取得了很好的应用效果[10，11]。如资源勘查工程专业学生在江山区域地质调查实习中，需要运用数字地质填图技术独立完成10 km2的数字地质填图任务，并根据采集的地质填图路线数据构建深度为500 m的三维地质模型。在36天(8周，除去周末和节假日的时间)的实习过程中需要经历区域地质、数字地质填图技术、三维地质建模技术等内容的室内学习→野外现场学习→运用数字地质填图技术进行野外地质数据(实测地质剖面和地质填图路线)采集→构建数字地质填图数据库(包括图幅PRB库、实际材料图库、样品数据库、编稿原图库、成果数据库)→三维地质建模→专题图件制作→实习报告编写及提交等7个关键环节。在区域地质调查实习中，将区域地质、计算机技术、数字地质填图技术、三维地质建模技术等多学科技术交叉融合，培养地质、计算机相结合的多学科复合型人才，为我国以后深部地质调查的实施储备人才。经过本次区域地质调查实习，学生在以下几个方面的能力得到了明显的提升：(1)掌握新技术、新方法，拓宽知识面，多学科技术交叉融合运用能力；(2)综合运用知识的能力、实践动手能力和独立工作的能力；(3)运用新技术、新方法创新性开展科研工作的能力；(4)通过独立完成填图区三维地质建模，加深了对区内深部地质的理解，培养学生的地质时空思维能力，为将来从事地质科研与生产打下了扎实的工作基础。

在课程教学和实习的基础上，笔者从资源勘查工程和软件工程专业大三学生中组建了由5个人组成的“地质+”创新团队。该团队主要开展三维地质建模技术与AR技术相结合的研究工作，组建3年来，成功开发了基于AR技术的三维地质模型展示平台，并在近2年间荣获了江西省大学生科技创新与职业技能竞赛本科组一等奖、江西省大学生计算机作品赛一等奖、第一届中国地球科学大数据挖掘与人工智能挑战赛一等奖、首届“地质+”全国大学生创新创业大赛银奖，获批软件著作权1项，校级、省级创新创业项目多项。该团队被评为东华理工大学“2018年度十佳创新创业团队”，成员被评为东华理工大学“2018年度双创之星”。总之，该方法在本科生科研创新培养方面取得了较好的教学效果。

2.3 三维地质模型

通过深部地质调查，查明了相山火山盆地3 000 m以浅的主要地质体三维形态[12]：(1)相山火山盆地具有明显的三层结构，即变质岩、火山杂岩、红层组成的三层结构；(2)流纹英安岩主要呈岩床状(似层状)；(3)碎斑熔岩主要呈蘑菇状；(4)粗斑二长花岗斑岩主要为岩墙—岩床组合体，横剖面常构成“T”或“7”字型；(5)鹅湖岭期火山通道位于相山主峰北西1 km至巴山一带，地表出露面积约2 km2，在空间上总体向南东倾伏；(6)石宜坑—书堂—芙蓉山—浯漳南西侧存在变质岩、加里东花岗岩双基底。运用三维地质建模技术将这些复杂的三维地质体进行直观呈现，改变过去以二维或“伪”三维模型展示的方式。将这些新成果、新认识以三维地质模型的形式应用于课堂教学和实践教学，很大程度上提升了学生对相山火山盆地的新认识[3]。

针对三维地质模型在课堂教学中应用存在的专业三维地质建模软件价格昂贵、操作复杂等问题，笔者开发了基于AR技术和PDF软件的三维地质教学模型展示平台[14]，并在“构造地质学”课程中得到了试运行。该展示平台具备以下功能：(1)可对三维地质模型进行动态平移、旋转、翻滚，可从任意方向、任意角度查看模型；(2)可动态改变模型的大小，按需观察模型局部特征；(3)可对模型进行任意切割，并输出图像；(4)可对地质体进行可视、隐藏、透明等设置，也可在模型中选择单个或多个地质体进行突出显示；(5)可改变光照效果，让模型显示在设定的光线环境中，并实现三维地质模型的编辑、场景灯光设置等功能；(6)可查看任意位置的属性信息。运用三维地质教学平台进行课堂教学，可将复杂、难理解的三维地质模型进行直接呈现，有利于教师讲授复杂的、多变的三维空间地质现象，从而提高教学效率和效果；三维地质教学模型具有动态显示、色彩丰富、生动直观等优势，更容易吸引学生的注意力，激发学生对课堂的兴趣。同时，学生能够准确地理解三维空间地质现象，更好地培养学生三维地质时空演化思维。由此可见，三维地质教学模型展示平台在很大程度上提高了教学质量。

3 遥感地质解译成果的应用

3.1 多源遥感数据

相山地区包含沉积岩、变质岩、岩浆岩三大岩，岩石类型多样，地质现象类型丰富。运用SVC HR-768便携式光谱仪采集了相山主要岩石、蚀变矿物的光谱曲线，编写了SVC HR-768便携式光谱仪简明操作手册和相山地区主要岩石光谱特征图集。在资源勘查工程、遥感科学与技术等本科专业“遥感地质学”课程的地物波谱知识点讲授过程中，增加了SVC HR-768便携式光谱仪的使用方法和相山主要岩石和矿化蚀变岩石的光谱特征介绍，学生掌握了遥感光谱仪的正确使用方法，能够对光谱数据进行初步的处理和分析，部分学生还能利用该仪器开展本科毕业论文研究和参与相关科研项目研究。

在相山地区开展科研的过程中，收集了大量不同类型的遥感影像，主要有MODIS、TM、ETM+、OLI、ASTER、ALOS、GF-1、GF-2、EO-1 hyperion等影像数据。这些影像数据类型多，涵盖不同成像时间、不同光谱分辨率和不同空间分辨率的影像，为“遥感原理”“遥感技术与应用”“遥感地质学”等课程教学提供了丰富的素材，在遥感影像特征、遥感图像处理、动态变化与监测等教学中得到了较为充分的应用，也取得了较好的教学效果。

3.2 地质解译成果

在遥感地质方面，相山地区主要开展了遥感岩性解译、构造解译、矿化蚀变解译等工作。根据岩石地层遥感可解译程度，共建立了12个地层解译单元、3个侵入岩解译单元，并建立了各单元的遥感解译标志，制作了遥感解译卡片[15]。遥感影像具有宏观性好的特点，在构造解译方面具有很好的应用效果，在相山盆地内共解译出了北东向、北东东向、北西向、近南北向4组不同方向的断裂构造，这些构造主要以色调、岩性地层、地貌、水系等异常显示出来。在相山盆地西部，北东向与北西向断裂构造将地形切割成“菱形”块体，线性构造遥感解译标志明显，尤其是水系异常与线性构造的相关性明显，如菱形格状水系、干流两侧的冲沟密度和冲沟均匀性差异大、干流水系直线状展布、支流与干流直角或钝角相交(锐角指向上游)、冲沟沿某一方向定向发生变形、河流突然呈近90°急转弯后，继续做直线状流动、冲沟横剖面形态呈“V”字型等[16]。该地区的岩性、构造遥感解译标志较为典型，已作为“遥感地质学”课程课堂教学中解译案例；以“ETM+影像数据”为数据源，综合运用标准主成分分析、特征向量主成分分析、定向主成分分析、二次主成分分析等方法，解译出了相山盆地铁化、泥化蚀变分带信息。据解译结果可知，铁化、泥化蚀变呈环状分布，铁化蚀变东北部沙洲地区最强，其两侧呈环带向南部逐渐减弱，泥化蚀变具有从西部→北部→东部→南部顺时针方向蚀变逐渐减弱的趋势。以ASTER影像数据为数据源，运用复合法提取了植被覆盖区的绿泥石化和水云母化蚀变信息。运用遥感技术提取植被覆盖区的蚀变异常信息属于探索性研究，目前没有较为成熟的技术方法。该部分内容用于“遥感地质学”矿化蚀变信息提取实验教学，目的有三点：一是鼓励学生敢于质疑，勇于挑战权威，需要有自己的观点，运用所学知识提出自己的设想；二是遥感解译具有多解性，没有哪一种方法适用于所有环境条件下的蚀变信息提取，常需要多种方法相结合才能得到更佳的效果，培养学生勇于尝试，不怕失败的精神；三是让学生进一步深入了解火山岩型铀矿热液蚀变分带特征。

4 结语

(1)将科研过程中取得的数字地质填图、三维地质建模、计算机、VR等新技术与新方法用于本科教学和学生培养，让学生在校期间就掌握新技术与新方法，拓宽学生的知识面，使其具备开展多学科交叉融合研究的工作能力，增强学生综合实践能力与就业竞争力。

(2)探索了将科研项目中构建的岩石标本库、数字地质填图数据库和三维地质原始资料数据库应用于课堂教学，为“普通地质学”“铀资源地质学”“铀资源勘查学”“构造地质学”“遥感地质学”等课程提供了更加丰富的教学素材，对教学质量具有一定的提升作用。

(3)区域地质调查、深部地质调查、遥感地质解译等取得的成果，丰富、完善了前期的相山实习教学内容。特别是三维地质建模方面取得的研究成果在地质教学中应用效果良好，弥补了传统平面图件和“伪”三维模型教学的不足，具有动态显示、色彩丰富、生动直观等优势的三维地质模型对学生更具吸引力，容易激发学生对课堂的兴趣。同时，更能够让学生准确理解复杂的三维地质现象，培养了学生三维地质时空演化思维能力。

新技术、新方法、新成果的应用，虽然优点众多，但也存在着一些不足。(1)与平面图件相比，三维地质模型具有很强的三维可视化，拥有多视角、多层面的可视化效果，但是三维地质模型的构建需要专业人员才能够完成，构建过程复杂、速度慢、工作量大。因此，目前三维地质建模的速度还难以很好地满足课堂教学中对大量地质模型的需求。(2)基于PDF和VR的三维地质教学展示平台功能还不够齐全，界面不够美观，平台还有待于进一步完善。(3)新技术、新方法、新成果在理论教学和实践教学中的探索性应用，其教学方法和教学手段还不够成熟，有待于进一步丰富完善，以便最大限度地提高教学质量。