三维地质建模在乌当地质实习教学中的应用

夏鹏，周涌，蒋玺，唐波，郭川，杨宇宁

（贵州大学资源与环境工程学院，贵州贵阳 550025）

地质学是一门实践性很强的学科，地质实习是地质学教学过程中非常重要的实践环节。地质实习对于学生巩固和深化所学专业理论知识、加强感性认识和培养野外工作能力等有重要意义[1-3]。随着信息化技术的快速发展，传统的野外地质工作模式也不断地发生着变革，数字地质图、空间数据库和三维地质模型等已成为目前野外地质填图的主要手段，第一手地质资料逐渐由手书+素描向电子文档+照片转变[4-6]。因此，高校野外地质实习模式迫切需要根据行业需求进行调整，在满足传统地质实习教学目标的基础上，给学生提供图件矢量化、空间数据库构建与管理、三维地质模型构建等相关领域的学习和锻炼机会，确保未来能够更好、更快地适应工作岗位。

一、乌当地质实习现状

乌当地质实习是贵州省高校地质类专业的重要实践教学环节，重要性在于为学生提供了将专业理论知识与实际地质现象相结合的宝贵学习机会，目的是使学生掌握野外地质工作的程序和方法。原贵州工学院（现合并为贵州大学）从1958年建校，开设乌当地质实习课程。实习基地位于贵阳市乌当区东风镇，面积约20km2。乌当实习基地内出露地层较全，包括古生界寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系和二叠系，中生界三叠系和白垩系以及新生界第四系的沉积地层，加之区内构造现象丰富且形迹保存完好，古生物化石种类齐全，地貌类型多样且典型，在沉积岩地区十分罕见，被评为“全国科普教育基地”和“省级地质公园”[7]。

乌当地质实习课程具有基础性和实践性强、综合度高、受自然环境和社会发展影响大等典型特征。近年来，学校在教学过程陆续出现一些较为突出的问题，主要体现在以下3个方面：

1.开发建设带来的不良影响。实习区距离贵阳市主城区近（约16km），城市建设的高速发展和生活垃圾填埋改变了区内局部的地形地貌和地质特征，直接导致许多重要教学地质点的破坏甚至消失，造成目前实习区范围狭窄、实习路线逐渐减少等严重问题[8-10]。

2.学生学习主动性减弱。学生由于学习兴趣、理解能力、知识结构不同，对前期各门基础和专业课程的掌握程度存在明显差异，导致部分学生在综合性教学中接受知识和技能训练时较为被动，加之野外地质工作量大，实习过程翻山涉水，十分辛苦，所以，部分学生主动性和自觉性难以很好调动起来。

3.实习方法手段更新不足。目前，国内外野外地质填图工作已进入“数字地质图+空间数据库+三维地质模型时代”[4]，地质工作“三大件”已经由传统的地质锤、罗盘和放大镜转变为掌上电脑、GPS定位仪和数码相机，第一手地质资料逐渐由“手书+素描”向“电子文档+照片”转变。乌当地质实习对这些新方法和新技术的应用程度还不足[5]。

综上，笔者将三维地质建模方法带入乌当地质实习，不仅能够弥补教学体系中缺少的新方法和新技术，给实习注入数字化和信息化元素，而且能通过三维地质模型的空间可视化优势，带给学生实习区地层、构造空间分布特征的直观认识，提高他们对该课程的学习兴趣。

二、三维地质建模教学环节的引入

（一）三维地质建模概述

三维地质建模是进行三维地质调查、深部找矿勘探、深部地质研究等地下地质研究的基础性工作，是一门基于数据进行信息分析与合成的新技术，利用地质调查、矿产勘探、地球物理探测等方法手段获取可靠的地质数据，使用空间插值、几何重建、计算机图形图像、空间分析等技术构建地下地质体的三维地质模型，研究地下地质体的空间形态、结构及其相互关系，解释和分析相关的地质现象和地质过程[11-12]。由于地质条件复杂、地质资料多源，前人根据实际地质条件和资料情况，针对不同尺度、不同目的的三维地质建模，提出多种建模方法（如表1）。其中，常用的三维地质建模方法主要包含四类，即基于钻孔数据的建模方法、基于平行剖面的建模方法、基于网格交叉剖面的建模方法和基于多源数据交互的建模方法[13-16]。

分类依据 建模类型 描述

表1 基于不同数据和任务的三维地质建模方法分类

（二）三维地质建模教学内容

本课程教学涉及三维地质建模教学内容，包括资料整理、图文数字化、数据存储与管理、三维地质模型构建、地质特征解释。

1.资料整理

学生整理实习成果资料，收集并整理岩芯钻孔资料。

2.图文数字化方法

学生通过Map GIS和Office软件对图文资料开展数字化工作和成图工作。

3.数据存储与管理

学生将数字化的图文资料导入到建模软件（如Petrel），根据后续工作修改、补充、完善数据。

4.三维地质模型构建方法

学生基于第3阶段的数据，以Petrel等专业建模软件构建三维地质模型，主要流程包括加载数据、圈定边界、层面模型、断层模型、地质模型共5个环节。

（1）加载数据包括点位数据、钻孔位置数据、分层数据和断层数据。

（2）圈定边界确定实习区地质模型的范围和边界条件。

（3）层面模型以实习课程安排的填图单元为基本单位，建立每一填图单元的层面模型。

（4）断层模型根据野外、钻孔以及其他信息数据提取断层面空间数据，构建断层模型。

（5）地质模型将层面模型与断层模型结合，建立三维地质模型。

5.地质特征解释

学生基于构建的实习区三维地质模型，对实习区地质特征（地层发育特征及分布、断层分布及性质、构造形态及构造演化历史等）进行介绍，作为课程综合考核的一部分，计入最终课程成绩。

（三）三维地质建模引入及与其他教学环节的衔接

乌当地质实习课程目前主要包括实习动员、课程讲解、剖面测量、剖面图绘制、地质填图、综合图件绘制、报告撰写、阶段考核、终期考核等环节（图1）。其中，根据实习记者进程，课程讲解分4次进行，分别讲解实习区地层发育特征及剖面测量方法、剖面图绘制方法、地质填图方法、综合图件绘制方法及报告撰写注意事项。阶段考核主要包括3次，分别考核学生对实习区地层发育特征、剖面测量方法及剖面图绘制、实习区构造发育特征。

教师引入三维地质建模后将增加绘图及建模软件使用、图文资料矢量化、数据存储与管理、三维地质模型构建等教学内容，新增教学内容与现有教学内容衔接关系，如图1。

图1 乌当地质实习引入三维地质建模课程内容衔接关系示意图

1.教师在地质工具（罗盘、放大镜）使用方法和剖面测量方法介绍环节，同时进行相关地质图件绘制软件（如Map GIS）和三维建模软件（如Petrel）使用方法的讲解。学生根据课程讲解开展剖面测量工作，整理测量资料并熟悉软件使用方法。

2.教师在剖面图绘制环节，除了手绘剖面图外，增加剖面数据的数字化和矢量图绘制工作。

3.学生在地质填图过程中，将新获得的地层控制点、断层控制点和文字描述等资料加载到三维地质建模软件中，存储数据，形成数据库，根据后续填图认识不断修改、补充、完善数据库。

4.在综合图件绘制环节，学生基于数据库和综合图件资料，构建实习区三维地质模型，并在实习报告中介绍模型构建过程及结果。

三、结束语

乌当地质实习是贵州省高校地质类专业的重要实践教学环节，课程教学面临城市开发建设压缩实习区范围、学生学习主动性减弱、实习方法手段更新不足等问题。笔者分析认为引入三维地质建模教学内容，能够弥补乌当地质实习教学体系中缺少的新方法和新技术，给实习注入数字化和信息化元素，带给学生实习区地层、构造空间分布特征的直观认识，有助于增强他们对该课程的学习兴趣。三维地质建模教学内容包括绘图与建模软件讲解和入门、图文资料矢量化、数据存储与管理和三维地质模型构建4个环节，终期考核要求学生基于自己构建的三维地质模型，对实习区地层发育、断层分布、构造形态和构造演化历史等进行介绍。