基于GOCAD的三维地质建模方法

贾 娒，刘 星

(安徽理工大学 地球与环境学院， 安徽 淮南 232001)

由于地质空间分布的模糊性、复杂性以及不确定性，在仅具有钻孔或少量的地质离散点数据的区域，很难得到直观有效的地质信息。如果能将地质体进行三维可视化表达，构建出实体模型，则将有力地支持工作者对地质空间的认识。近年来随着计算机技术的快速发展与广泛应用，三维建模软件在地质工程、矿业工程等领域的应用也日渐完善，从地质、测绘、采矿到矿山设计、矿产预测、投资评价，几乎可以做到全流程覆盖。三维地质模型能够全面具体地展现复杂的地质情况，使得以前比较复杂、抽象的专业性问题变得简洁、直观和易于被广泛地接受，在很多工程领域发挥着极其重要的作用。本文以顾北煤矿南一矿区为例，利用已有地质资料，建立矿区三维地质模型，意在清晰、全面地展现研究区地质信息，方便后续对矿区地质的研究。

1 研究区概况

顾北煤矿南一1煤采区，位于安徽省淮南市凤台县西北23 km处，采区北起港河闸保护煤柱线，南止F109断层，西自1煤层风氧化带，东至1煤-650 m底板等高线，走向长1 576.7 m，倾向长2 728.6 m，面积4 230 470 m2. 据钻孔揭露，采区地层自上而下依次为：新生界(第四系、第三系)松散层、二叠系煤系、石炭系(上统)和奥陶系海相地层。地层总体走向近南北，倾向东，倾角较缓，一般4°～14°，平均7°.

2 建模流程

2.1 建模数据整理

数据导入GOCAD软件前应当对数据进行预处理，以便保证数据的准确性和有效性。按照建模层面顺序及相邻层面的接触关系，从钻孔中提取各个地层分层界限的三维坐标，并按照(X,Y,Z)的格式保存成文本文件，每个地层面的点集保存于同一个文本文件中。确定研究对象的范围，它决定了模型在横向上的分布，限定了所需建模数据的范围，利用autocad对研究区边界进行处理后以DXF格式导出。

2.2 面模型的构建

2.2.1 生成地层界面

地层界面构建是三维地质建模中最为重要的一步，面模型既可以表现地层层面的展布情况、层面高低起伏情况,也可以展现地层间的相互位置关系，面模型的构建直接决定了地质模型的质量。GOCAD软件是采用Delaunay三角剖分算法形成不规则的三角网格来构建曲面，但是直接利用这些分布稀疏的钻孔点生成的三角网格棱角分明，得出的地层模型也比较粗糙，难以真实地反映地层的实际情况，为解决这些问题，需要对离散点进行插值处理。

目前常用的插值方法包括距离幂次反比法、克里金插值法以及离散光滑插值法等。距离幂次反比法是根据已知点与待估点的距离为权重进行滑动加权平均估计，能够简单模拟地质属性随空间距离变化的情况，缺点是该方法没有考虑样本点本身之间的空间关系，并且容易出现孤立点属性值异常的情况。克里金法是根据有限领域内的若干已知样本点数据，在考虑了样本点的形状、大小和空间位置，与未知样点的相互空间关系，再结合变异函数提供的结构信息，对未知样点进行的一种线性无偏差最优估计。克里金法优点是对原始点的数量和分布不敏感，生成网格点的时间短、数据点个数较多，插值密度、精度较高。但是这两种方法都存在同样缺陷，对于地层局部的变化具有明显的平滑效应，即插值后形成的层面与原始控制点并不能完全吻合，较适用于没有明显变化起伏的地层,不能满足不规则的复杂地层或地质体的建模要求。针对以上问题,GOCAD专门研制了一种新的插值方法, 即离散光滑插值(DSI). 它能将插值结果同原始数据点再次进行匹配，修正插值过程中存在的几何畸变，使得原始数据点全部落在地层曲面上，能实现对非连续的地质体模型的构建，例如断层、尖灭等区域。

利用向导菜单Applications下的Wizards命令便可根据原始点数据集和研究区域范围构建网格化曲面，它是以地层原始离散点为控制点，以研究区范围轮廓线为约束，通过采用DSI方法调整地层界面，多次反复直到曲面模型符合要求，使生成的曲面通过所有控制点，达到地层分界面严格遵循原始钻孔分层信息的目的。

2.2.2 调整地层界面

因为各层数据点个数并不相同，数据点在平面上(x,y)的位置也不同，层面构建过程中会造成同一地层的底层压盖住顶层，产生不合理的现象。这时利用软件的属性传递功能，把上层层面Z值垂直投影到下层层面上，并令其为UPZ，在下层层面通过比较UPZ值Z值的大小，利用脚本语言：if(Z>UPZ){Z=UPZ;}强令上下界面交叉部分发生改变，从而使界面位置更准确，有利于后期模型的建立。逐个检查地质体层面之间的压盖关系，利用同样的方法对剩余的地质层面做处理。确保各个地层面之间不存在交叉的情况，最终生成符合地质认知的地层界面(图1).

图1 地层界面模型图

2.2.3 生成表面模型

建立地质实体的表面模型，需要生成地层的侧面。可以利用surface mode工具的New-Two surface borders选项，选中相邻地层界面，便会自动生成地层侧面。选择同一地层的侧面和上下地层界面，将3个面合并为一个整体，由此形成了一个闭合的地层表面模型，设置透明度，自新到老，依次完成各个地质实体的表面模型。

2.2.4 地层尖灭处理

在复杂的地质作用下，地质体形态各异，产生诸如断层、尖灭、褶皱等地质构造现象。此研究区域避开了落差大的主要断层，故层面可以近似看作连续界面，但有可能存在局部尖灭现象。地层尖灭指的是岩层的厚度在沉积盆地边缘变薄以至消失的现象，因此可以理解为两个相邻的地层面在尖灭处相交或者重合，此时该地层的厚度则为0. 在地层建模中厚度为0地层默认仍然会生成模型，只是在厚度上产生了重合，也就是说可以通过调整地层厚度来控制尖灭的情况。利用脚本语言可以计算出地层上下界面Z的差值，即地层厚度，并将其作为空间属性传递给region，可以定义一个地层厚度，将小于这一厚度的地层作为尖灭区域清除(图2). 用此方法处理地层，只是对尖灭区域进行“隐藏”而不是彻底剔除，这样可以保证地层的完整性和一一对应。

图2 尖灭地层模型图

2.3 体模型的构建

面模型具有精度高、美观性好等特点，但是面模型中的地质体内部未进行网格充填，它只是一个外表面所围成的真空地质体,不具备实体。在对模型剖切后只能显示出地质体的轮廓线，而且面模型也不能对地质体内部赋予属性和进行相关计算，因此在面模型构建之后还需要构建地质体的实体模型。

在GOCAD软件中生成体对象主要有两种方法，分别是实体模型对象(Solid)和网格模型对象(SGrid)，本文选用网格模型对象来构建三维体模型(图3). 网格对象模型是用六面体格子组成的集合，在确定地层界面及网格的密度后软件将使用六面体格子来填充层面间的地层。在填充过程中，可根据模型精度选择填充所用立方体的体积。立方体体积越小，精度越高，拟合效果越好，锯齿现象越不明显，同时模型的数据量也更大。

图3 三维地质实体模型图

可以在Workflow中的3Dreservoir Grid Builder任务下完成体模型的构建。主要步骤如下： 1) Select Reference Horizon,选择地层的顶面作为参考面，此后的模型都是在这个参考面的基础上完成。2) 由于研究区没有断裂，点击Areal Gridding Specifications，根据流程导向创建平面网格，并制定网格方向。3) Create Straight Pillars，选择地层底面，这一步将在地层的两个顶底层面之间构建支柱，进行顶底板的对接估算，自动连接上下两个界面。4) Build Stratigraphic Grid，该步骤是对三维网格进行分配,设置纵向和横向上的参数，表示地质体可以划分为多少个网格，一般要根据建模精度设定，由此形成的体模型便可以对其赋予属性和相关计算。

3 模型检验

矿区三维地质模型构建的目的是为智能开采提供精准的地质导向，因此必须有较高的精度和实用价值。模型检验是衡量所建模型的精度，确定模型与实际的地质情况是否相符。由于是基于钻孔数据建立的模型，所以模型检验主要是对相同位置处实际数据与模型中的数据进行比较，从而确定模型是否准确。本次检验利用预留的3个钻孔与模型同一位置的钻孔相对比，为了获取模型中的信息，借助属性截面法对模型的钻孔处进行剖切(图4)，然后提取出各个地层的高程数据与实际数据比较。

图4 属性截面法切割剖面图

原始数据与模型数据对比见表1. 从表1可以看出，原始数据与实际数据基本一致，证明模型精度较高。但是其中也存在一些差异，原因可能是与建模过程中所使用的插值方法有关，离散光滑插值的特点是采样点距离越近，其插值越接近真实值，而数据量少和数据分布不均匀，会造成插值出的点误差增大，所以会使得模型与实际情况出现偏差。

表1 原始数据与模型数据对比表

4 结 论

1) 相比与其他的插值方法，GOCAD专有的离散光滑插值对地层模型构建更为有利，它可以对不连续的地质体进行建模，更好地解决复杂地质体模型构建中存在的问题。

2) 对建模过程中由于地层上下层面数据点的不一致造成的层面交叉，可以利用脚本语言强令地质界面发生改变，从而得到合理的界面模型。

3) 地层尖灭可以理解为厚度为零的地层，可以计算出地层的厚度，将其属性传递给regions，通过控制地层厚度来控制尖灭区域。

4) 数据点稀少和分布不均，会对插值结果产生影响，从而影响模型的精度。