基于多源数据的三维地质建模与应用

田雪峰，王金林，张征峰，石洞，周可法，周曙光

（1.中国科学院新疆生态与地理研究所，荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011；2.新疆矿产资源与数字地质重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011；3.吐鲁番金源矿冶有限责任公司，新疆 昌吉 831100；4.中国科学院大学 北京 100049）

随着人类社会的不断发展，对矿产资源的消耗快速增长，矿产资源勘探从地表矿、浅伏矿逐渐转向深部空间。在找矿深度和难度急剧提升的情况下，三维地质建模技术是将多种勘探数据进行集中处理和定量分析的有效手段，众多学者进行了卓有成效的探索。三维地质建模方法按数据源不同可分为以下几种：①利用钻孔中的岩性分界点生成曲面[1-7]；②利用剖面中的曲线生成曲面[8-12]；③基于钻孔、剖面和化探等多源数据结合的方法[13,14]。同时针对复杂地质体建模，前人基于剖面提出了“切片法”和“拆分法”[15，16]。已有研究通常忽视建模数据的管理和提取，基于钻孔的方法难以建立复杂地质体的多值曲面轮廓，基于剖面的方法可表现复杂轮廓但缺乏硬性约束条件，而如何基于多源数据建立复杂地质体已成为热点问题。

为简化操作步骤，加快建模速度，提高模型精度，本文提出基于多源信息数据库的快速建模信息提取方法和基于多源数据的“剖面-钻孔快速递进法”。本文以东天山XX矿区为研究对象，在收集了钻孔、剖面和地球化学分析数据等资料的基础上，利用本研究的方法建立了矿区的岩体和矿体三维模型。同时，依据建立的三维地质模型开展了金属资源量估算对比分析和可视化分析探讨，以期为同类型金属矿床的成矿预测提供技术支撑。

1 XX矿区地质概况

东天山成矿带位于塔里木古陆缘地块与准噶尔南缘活动带结合部位（图1-a），为新疆重要的铜镍多金属矿集区。东天山地区地层以康古尔塔格大断裂为界，以北为准噶尔地层区哈尔里克地层小区，以南为北天山地层区秋格明塔什-黄山地层小区[17,18]。区内侵入岩较为发育，根据时代将侵入岩分为泥盆纪侵入岩、石炭纪侵入岩和二叠纪侵入岩。区内二叠纪基性-超基性岩体中发育黄山、香山、白鑫滩等一系列铜镍矿床，具重要的经济价值和研究意义。XX矿床大地构造位置位于东天山康古尔-黄山断裂北侧大南湖-头苏泉岛弧。矿区出露地层主要为奥陶系恰干布拉克组（图1-b）。侵入岩发育，北部为石炭—二叠纪基性-超基性杂岩体，南部为泥盆纪花岗岩。基性-超基性杂岩体长2 800 m，最宽760 m，最窄250 m，面积约1.5 km2。杂岩体在平面上由北向南表现为辉长岩-橄榄辉长岩-辉石橄榄岩-角闪橄榄辉石岩；在勘探线剖面的垂向分异总体表现为辉长岩-橄榄辉长岩-橄榄辉石岩-角闪橄榄辉石岩-角闪橄榄辉长岩或角闪辉长岩[19]。矿体赋存于石炭—二叠纪基性-超基性杂岩体，平面上似葫芦状，两侧较宽，中间较窄[17,20]。矿区主要赋矿岩石为角闪橄榄辉石岩，次要赋矿岩石为角闪橄榄辉长岩。

图1 研究区地质矿产简图（a）和XX矿区地质简图（b）Fig.1 Geological and mineral map of the study area(a)and Geological map of mining area(b)

2 矿区三维地质模型

本研究采用SKUA-GOCAD（Geological Object Computer Aided Design）作为三维建模软件，该软件具有流程化的建模功能和自由的三维模型编辑功能，同时可兼容多种主流地质数据格式，可较好的满足基于多源数据的复杂三维地质体建模需求。

2.1 快速提取建模信息

由于地下信息的不可见性，建立理想的地质模型需要有丰富的数据准备[21]。建模数据（如钻孔、剖面和品位等）的原始格式各不相同，既有文本形式，也有图件形式，需对数据进行建模，形成多源信息数据库。数据库以工程信息表为基础，分为钻孔信息表和剖面信息表两部分。钻孔信息可以分为3 类，即孔口位置、测斜信息和分层信息。钻孔和剖面图之间以勘探线编号进行关联。剖面图以文件数据库的形式进行保存，通过剖面元数据表进行管理。

利用多源信息数据库可快速提取多源建模信息，确定地质体涉及的岩性分层、剖面或钻孔等任意一种建模信息，利用表间关系即可查出其他相关地质信息。本研究确定了穿过岩体和矿体的剖面后，可查出钻孔信息及涉及的品位信息。

同时利用多源信息数据库可快速获取符合目标地质体的分层数据。依据岩石命名规则，采用修饰词+基本名称的原则，故原始钻孔编录数据揭露了177种不同岩性，合计534条分层数据。但对于目标地质体建模，该分类过于细致会造成数据量不够。根据研究程度，通过去除修饰词可获取符合研究需要的钻孔数据。基于数据库使用结构化查询语言（Structured Query Language-SQL）可快速达到该目的。按以下步骤，利用SQL 语句可快速清洗和挑选数据：①去除颜色修饰词，177 种岩性缩减为68 种；②去除“细粒”、“浸染状”等岩石结构修饰词，岩性缩减为51种；③去除蚀变、矿化相关修饰词，岩性缩减为21种。提取杂岩体时，由于杂岩体不只包含一种岩性，应依照所涉及岩性，按该方法提取相应的分层数据；提取矿体时，钻孔分层名称为矿石的分层数据。

为建立岩体和矿体模型，钻孔信息导入软件时需导入钻孔分层的上下界面信息，通过上下两个边界约束地质体形态，这与地层建模时只导入上界面或下界面的方法不同。剖面图以voxet 的形式导入软件，导入的剖面图须进行裁剪，只保留能映射坐标的范围。

2.2 利用多源数据建立复杂地质体

岩体和矿体不同于沉积地层，通常是非层状、不规则的。因此，岩体和矿体建模较为困难[22,23]。故提出基于多源数据的“剖面-钻孔快速递进法”，其核心思想如下：首先通过剖面建立地质体模型，再以钻孔分层数据作为硬性约束，最后利用离散光滑插值算法（discrete smooth interpolation method，DSI）控制地质体的形态。

“剖面-钻孔快速递进法”的具体流程如下：①利用剖面形成地质体模型。在剖面图中按接触关系对地质体的界线进行拆分矢量化[16]，利用曲线成面功能形成地质体模型；②生成钻孔凸包外接曲面。根据钻孔的孔口和尾部位置形成两条凸包曲线，再利用凸包曲线形成外接曲面；③利用外接曲面切割模型。切割模型时须取消“将模型交线设置为约束”这一设置。删除超出外接曲面的模型部分后，剩余的地质体模型会产生空洞，可利用工具自动填补空洞。最终得到受控于钻孔凸包范围的模型；④将钻孔分层信息转换成点集信息。钻孔分层不能直接设置为约束，须将其转换成点集；⑤设置点集信息为模型约束后，利用DSI 对模型进行插值，获得最终模型。利用“剖面-钻孔快速递进法”生成的XX矿区的岩体和主矿体模型如图2所示。

图2 岩体和主矿体模型Fig.2 Rock mass and main ore body model

3 三维地质模型应用

3.1 金属资源量快速估算

对地质结构模型进行空间网格剖分是地质模型定量分析的基础[26]。利用多源信息数据库分析得到本研究区钻孔中的采样间距大部分为2 m，故选择2 m 作为立方体单元的高，水平方向上选择2 m×2 m作为立方体单元的长和宽。用立方体单元对矿体进行网格剖分，获得单元格214 808个，体积为1.71×106m3。

利用钻孔品位数据，建立变异函数和搜索椭球体（球状模型，方位角41°，垂向距离7.71 m，长轴359.94 m，短轴193.14 m），选择普通克里格（Ordinary Kriging）插值得到矿体品位模型（图3-a），其克里格方差如图3-b 所示（均值为0.004）。插值结果显示，品位最低值为0.06%，最高值为1.7%，平均0.59%，证明该技术方法具有应用前景。

图3 矿体品位模型与克里格方差模型Fig.3 Ore body grade model and Kriging variance model

资源量计算公式为：金属量（t）=品位（10-2）×体积（m3）×体重（t/m3）。由矿体网格模型和品位模型得到品位和体积，根据矿石体重2.8 t/m3，估算得到矿体金属资源量为2.86×104t。

3.2 深部空间可视化与分析

三维地质模型的一个主要应用就是地质信息的可视化。已有研究表明，该类矿床中品位会沿岩浆流向逐渐降低[20]。本研究的品位模型显示（图3-a），矿体西段和中段的品位均高于东段，推测岩浆流向为自西向东。另取品位模型中11 672 个品位大于1%的单元格（占全部单元格5.3%）与岩体进行分析（图4）。该部分单元格呈阶梯状，可划分为A、B、C三段，分别位于矿体的西段顶部、中段中部和东段底部，即高品位部分深度逐渐下降。结合岩浆流向的推测，认为岩体西段及深部和东段深部仍具一定的成矿潜力，有必要进一步勘查。

图4 岩体(70%透明度）与部分矿体(品位大于1%)的关系Fig.4 Relationship between rock mass(70%transparency)and some ore bodies(grade greater than 1%)

4 结论

本研究利用三维地质建模技术，通过XX矿区的岩体模型和矿体模型构建，实现了钻孔、勘探线剖面图和地球化学等多源数据的融合与可视化，为成矿预测研究提供了三维可视化数据基础，并取得了如下认识：

（1）提出一种基于多源信息数据库的快速建模信息提取方法，基于数据库可按照研究目的快速提取数据进行实验，提高了建模效率。

（2）提出“剖面-钻孔快速递进法”，建立了XX矿区的岩体和矿体模型。该方法具有步骤清晰明确、效率高、适合大范围复杂地质体建模等特点，且能够充分利用多源数据进行相互约束。

（3）利用品位模型估算了矿区主矿体的金属资源量，估算资源量速度更快，能够随矿区工作程度的加深及时更新模型。