三維地質(zhì)建模技術(shù)及其在煤田地質(zhì)構(gòu)造中的應(yīng)用

王艷華

山東省煤田地質(zhì)局第二勘探隊 山東 濟寧 272000

隨著人類社會的不斷發(fā)展，資源短缺以及環(huán)境污染問題正在不斷加重，越來越多的國家對能源利用、地球空間等方面研究給予了高度的重視，這使得地球空間信息科學(xué)獲得了快速的發(fā)展，三維地質(zhì)建模是該領(lǐng)域的熱點技術(shù)之一，它將地質(zhì)理論知識和計算機三維可視化有機結(jié)合在一起，為地質(zhì)空間建模提供更加高效精確的方法。煤田地質(zhì)構(gòu)造是三維建模技術(shù)在我國的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。

一、三維地質(zhì)建模技術(shù)的發(fā)展概述

三維地質(zhì)建模技術(shù)存在廣義和狹義兩種概念，從廣義上來看，三維地質(zhì)建模是指采用各類勘探技術(shù)，基于綜合性探測數(shù)據(jù)構(gòu)建三維地質(zhì)模型的過程。通常情況下，地質(zhì)勘探工作的研究對象在空間分布上多呈現(xiàn)出三維特點，因此需要采用各類勘探手段對研究區(qū)域的三維地質(zhì)條件進行了解掌握。從狹義的角度來看，三維地質(zhì)建模則是指單純的計算機三維地質(zhì)建模，也就是利用計算機對地質(zhì)勘探資料進行整合處理，轉(zhuǎn)化為三維地質(zhì)模型。

在上世紀(jì)八十年代就已經(jīng)出現(xiàn)了三維地質(zhì)建模的雛形，在一些針對大中型機環(huán)境的油氣地震勘探資料處理軟件中就具備對地震勘探資料處理結(jié)果構(gòu)建“三維數(shù)據(jù)體”的相關(guān)功能。進入到九十年代之后，由澳大利亞Mincom公司所研發(fā)的一款采礦設(shè)計軟件Minescape中就已經(jīng)形成了三維地質(zhì)建模功能。1994年，三維地質(zhì)建模的概念正式被加拿大學(xué)者提出。在此之后，計算機技術(shù)在采礦設(shè)計、油氣勘探中的應(yīng)用變得越來越深入和廣泛，對三維建模功能持續(xù)提出了新的要求加之三維幾何造型理論的不斷完善，三維地質(zhì)建模技術(shù)獲得了快速的發(fā)展。

我國針對三維地質(zhì)建模的研究開始于上世紀(jì)九十年代，在經(jīng)過二十多年的實踐研究之后，已經(jīng)形成了功能齊全且穩(wěn)定的產(chǎn)品，雖然整體上來看，和國際上先進水平產(chǎn)品之間仍舊存在一定的差距，但也有效的改善了我國對國外三維地質(zhì)建模產(chǎn)品的過度依賴。由中國地質(zhì)調(diào)查局組織、中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心牽頭，集合多個專業(yè)單位編寫的《三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)交換格式》標(biāo)準(zhǔn)的實施進一步推動了我國三維地質(zhì)建模技術(shù)的應(yīng)用。

二、三維地質(zhì)建模技術(shù)在煤田地質(zhì)構(gòu)造中的應(yīng)用

(一)煤田勘探中三維地質(zhì)建模的數(shù)據(jù)源分析。在煤田勘探過程中涉及的數(shù)據(jù)主要包括航天/航空遙感資料、采樣資料、鉆孔資料、物探資料、化驗分析資料等，其種類十分復(fù)雜，且結(jié)構(gòu)類型各異，采用具有三維地質(zhì)建模功能的三維地理信息系統(tǒng)進行管理更加高效。

通過鉆孔勘探對區(qū)域煤、巖層進行對比是煤田構(gòu)造研究的基礎(chǔ)內(nèi)容，重點內(nèi)容則是對各個地質(zhì)曲面進行確定，掌握地質(zhì)界面所圈定地層的空間幾何形態(tài)以及分布規(guī)律。因此鉆孔數(shù)據(jù)是三維地質(zhì)建模過程中的重要部分，在具體操作中，是通過取芯以及測井，獲得鉆孔軌跡經(jīng)過巖層和煤層的實物樣本，這樣就可以掌握具體采樣位置的巖層和煤層產(chǎn)狀。一般情況下，鉆孔柱狀圖所記錄的詳細分層對于三維地質(zhì)建模過于細致，這需要技術(shù)人員對巖層和煤層分層進行適當(dāng)?shù)木C合和概括。

地震勘探數(shù)據(jù)同樣是煤田三維地質(zhì)建模不可缺少的一項數(shù)據(jù)，在地震剖面上，同相軸連線可以作為勘探區(qū)域巖層或煤層物性界面和剖面的交線，其波形和振幅則可以用于界面兩側(cè)物性的判斷。

(二)煤田勘探三維地質(zhì)建模的功能需求分析。煤礦屬于典型的層狀礦藏，其礦層通常具有層厚偏小且橫向相對穩(wěn)定的特征，在煤炭勘探中，三維地質(zhì)建模的進行時機可以分為兩類，一是用于勘探，即使用三維地質(zhì)建模軟件基于地形和鉆孔數(shù)據(jù)構(gòu)建是三維地質(zhì)模型的原型系統(tǒng)?；谠撓到y(tǒng)，可以進行勘探線剖面圖的制作。二是用于勘探后，基于已經(jīng)完成的地形地質(zhì)圖、儲量計算圖、勘探線剖面圖等，進行更加精細的三維地質(zhì)建模，用于礦井設(shè)計、數(shù)字礦山建設(shè)等領(lǐng)域。

(三)煤田勘探中三維地質(zhì)建模的工作流程。在三維地質(zhì)建模實際應(yīng)用中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)由兩種，其一是不規(guī)則三角網(wǎng)結(jié)構(gòu)的建立。利用特征線、特征點，通過三角網(wǎng)連接算法形成一系列的三角面。不規(guī)則的三角網(wǎng)模型由不規(guī)則三角形網(wǎng)構(gòu)成，三角形的結(jié)點主要從等高線或離散高程測量點中獲得。如圖1所示，為某勘探區(qū)煤層底板鉆孔樣點進行三角剖分練成不規(guī)則的三角網(wǎng)。在實體模型建立中主要使用的三種方法為剖面法、合并法以及相連段法。剖面法是將煤層傾向勘探線的剖面線放入到三維空間中，相鄰勘探線按照礦體的趨勢連成三角網(wǎng)，最后在煤層控制剖面線的兩端封閉起來。合并法是將煤層上、下表面做成面模型，之后配合上下面的邊界連成三角網(wǎng)，最后將三個文件合并形成實體。相連段法則是利用礦體的輪廓線、輔助線以及邊界線，在線之間連成三角網(wǎng)，最后建立礦體模型。

圖1 某勘探區(qū)煤層底板鉆孔樣點進行三角剖分練成不規(guī)則的三角網(wǎng)

工作流程如下：首先，在勘探工作的過程中，利用三維地質(zhì)建模軟件構(gòu)建原型系統(tǒng)。由于鉆孔資料過于細致，因此需要進行適當(dāng)?shù)暮喜?，形成幾個可以進行對比的區(qū)域界面，之后基于界面上的鉆孔樣點，構(gòu)建三維曲面。同時，對鉆孔中確定的地質(zhì)界面樣點進行三角剖分，構(gòu)建地質(zhì)界面三角網(wǎng)，在此基礎(chǔ)上進行進一步加密和細分，形成地質(zhì)界面高次曲面三角網(wǎng)，在借由三角網(wǎng)插值追蹤生成曲面的高等線。采用分層設(shè)色的方法使曲面呈現(xiàn)出高低起伏的狀態(tài)，這即實現(xiàn)了曲面的三維可視化?；谕瑯拥姆椒ㄍ瓿傻孛?、松散層底面等構(gòu)建工作，在三維地質(zhì)模型的原型系統(tǒng)上指定勘探線上的鉆孔號構(gòu)建勘探線鉆孔剖面圖，最后通過一定的加工和修改獲得儲量計算圖和勘探線剖面圖。

其次，在煤田勘探之后，利用三維地質(zhì)建模軟件進行精細化建模。在勘探階段，已經(jīng)獲得了的儲量計算圖、煤層底板等高線圖以及勘探線剖面圖等圖件資料。在勘探完成后，則需要對這些圖件進行深加工，以滿足三維地質(zhì)建模的要求。以煤層底板等高線圖等為例，首先，應(yīng)將需要連接但未連接的等高線和斷面交線進行連接，因為在勘探中，制圖工作人員為了方便標(biāo)注通常會將等高線打斷。其次，對底板等高線和斷面交線進行重采樣，這樣是為了調(diào)整等高線的間距，避免其過密或是稀疏不利于三維曲面的構(gòu)建。其三，為各條等高線賦予高程值。其四，以等高線和斷面交線為限定線對限定三角進行剖分，完成限定三角網(wǎng)的構(gòu)建。其五，提取限定三角網(wǎng)中的地性線，將其添加到曲面構(gòu)建的限定線中，對三角網(wǎng)進行重構(gòu)。最后，基于上下煤層底板的斷面交線構(gòu)建斷層面。

結(jié)束語

綜上，三維地質(zhì)建模技術(shù)具有多源、多類型數(shù)據(jù)集成同化、構(gòu)造要素表達直觀立體以及平面和剖面構(gòu)造形態(tài)空間一致等多項優(yōu)勢，可以幫助地質(zhì)工程師更好的理解、分析以及表達各種復(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象。