分塊區域三維地質建模方法

薛林福，李文慶，張 偉，柴社立，劉正宏

吉林大學地球科學學院，長春 130061

分塊區域三維地質建模方法

薛林福，李文慶，張 偉，柴社立，劉正宏

吉林大學地球科學學院，長春 130061

區域三維地質建模是區域三維地質調查的關鍵。在大量反復實踐的基礎上，提出了分塊三維地質建模方法，該方法的主要步驟為：以斷裂、巖體邊界和不整合等為邊界，把復雜的三維地質建模區域分解為內部構造相對簡單的建模塊或建模地質單元；分別對各建模塊進行地質地球物理綜合研究，編制深部地質剖面，揭示深部地質結構；采用基于剖面的建模方法按照全區統一的坐標系統構建三維地質模型；在完成全區所有建模塊三維地質模型構建之后，把各個建模塊的三維地質模型集成在統一的三維空間框架下，形成全區的三維地質模型。該方法具有能夠簡化三維地質建模過程、易于修改完善模型、易于集成模型等優勢，能夠克服常規的基于剖面的三維地質建模方法中存在的問題，突破了大規模區域三維地質建模的瓶頸。在本溪—臨江深部地質調查中的應用表明，采用該方法可以有效構建研究區的三維地質模型，并能充分表達復雜的地下深部地質結構，為開展復雜地區大規模區域三維地質建模提供了一個重要途徑。

分塊建模；綜合約束；組裝集成；IGeoMod；三維地質建模

0 引言

在區域地質、地球物理資料的基礎上，針對重要成礦帶或礦集區，建立區域三維地質模型對于認識深部地質結構、尋找隱伏礦床具有十分重要意義。中國地質調查局2012年啟動的“三維填圖與深部地質調查”試點項目標志著我國區域地質調查正在向3.0時代邁進。

我國數十年地質工作積累了豐富的地質資料。通過深部地質調查與綜合三維地質研究構建三維地質模型，可以加深我國地質研究程度，為深部地質找礦提供支撐條件。

區域三維地質建模是一項高度綜合和非常復雜的系統性地質研究工作。區域三維地質建模的基礎數據與資料主要是區域地質調查、區域地球物理、少量鉆孔、非震地球物理剖面等方面的資料，如何在這些資料的基礎上構建起地下一定深度范圍內的三維地質模型是一項具有挑戰性的工作；雖然世界許多國家的科學家做了大量探索性的研究工作，但目前尚缺乏有效開展大規模區域三維地質模型構建的方法[1-3]。

目前在礦體三維地質建模[4-5]和油藏三維地質建模[6-7]方面開展的研究工作較多，在市場上有多款成熟的三維地質建模軟件。雖然在區域三維地質建模方面也開展了一些工作，但沒有有效方法用于構建區域三維地質模型[8-11]。

實現從二維區域地質調查到三維區域地質調查主要面臨著兩個難題：1)如何充分利用已有地質、地球物理、地球化學資料進行地下地質推斷，獲取深部地質信息；2)如何通過綜合已有的地質、地球物理資料構建區域三維地質模型。筆者主要針對第二個問題提出構建區域三維地質建模的方法。

基于地質剖面的三維地質建模方法[12-13](簡稱剖面建模法)是構建區域地質模型的主要方法之一。在建模區域小、構造簡單的情況下，構建三維地質結構模型相對容易實現。但對于大面積的復雜區域(例如一個1∶25萬圖幅范圍)，采用通常的剖面法很難進行區域三維地質模型構建，主要困難在于：一般三維地質建模方法是通過在一個地區編制一系列指定方向的地質剖面，然后在這些剖面的基礎上建立三維地質模型。采用這種方法主要面臨3個問題：1)指定的剖面方向很難保證剖面走向垂直于主要構造線方向，從而造成剖面繪制的復雜性，并且不易沿剖面進行地球物理反演；2)在三維地質建模過程中，需要對剖面間的地質界線進行連接，形成三維地質界面，但由于存在斷裂切割和巖體侵入等復雜情況，地質建模的復雜性增加，甚至難以控制；3)面對一個大的復雜的建模區域，難以進行有效合理的建模任務分配。

在大量反復實驗的基礎上，筆者提出了分塊三維地質建模方法，該方法適合構建大區域復雜的三維地質結構模型，經在“本溪--臨江深部地質調查”項目中的應用，證實該方法行之有效。

1 分塊三維地質建模方法及其優勢

1.1 分塊三維地質建模方法

分塊(或分單元)三維地質建模方法(block-divided 3D geologic modeling)是指以斷裂、巖體邊界和不整合等地質界線為邊界，把研究區劃分為一系列區塊或地質單元(稱之為塊，或建模塊、或建模地質單元)；分別對這些區塊和地質對象(斷裂構造和巖體)進行地質地球物理綜合研究，編制深部地質剖面，揭示深部地質結構，按照全區統一的坐標系統構建三維地質模型；在完成全區所有區塊和地質對象三維地質模型之后，把單個模型組合在統一的三維空間框架下，形成全區的三維地質模型。分塊三維地質建模的核心思想是“分塊建模、綜合約束、統一集成、逐步完善”。綜合約束是指在地質理論和地質認識的基礎上，在進行深部地質推斷解釋的過程中，充分利用地質、地球物理、鉆探等資料作為已知約束條件，盡可能保證深部地質推斷解釋的可靠性。統一集成是指在統一的三維空間框架下，把分別建立的地質單元模型組裝集成到三維空間框架下，形成具有不同深度范圍、不同詳細程度的三維地質模型。

一個地區地下三維地質結構模型需要經過長期工作積累，不斷獲取地下地質信息，才能夠逐步完善。

1.2 分塊三維地質建模的優勢

分塊三維地質建模方法是針對上述問題提出的一種更加有效的區域三維地質建模方法。該方法的主要優勢表現在以下方面。

1)簡化了建模過程。分塊建?？梢园岩粋€復雜的大區域三維地質建模過程簡化為一個局部的、內部地質結構相對簡單的小區域，對小區域進行地質研究及建模相對簡單。分塊建模的概念使在大區域開展團隊合作進行三維地質建模研究更加方便，可以為團隊中的每個成員分配建模塊，最后統一集成。該方法大大簡化了三維地質建模和可視化的復雜性，使地質研究人員經過短時間的培訓就可基本掌握復雜區域三維地質建模與可視化的流程。同時，在三維信息系統中，分塊、分對象的三維地質對象表示方法，有利于三維信息的管理與信息傳輸，使大規模的三維信息系統能夠有效運行。

2)易于完善模型。三維地質調查是一項長期的工作，隨著獲得的深部地質信息不斷增多，對地下地質的認識不斷深入，已有模型需要逐步修改。分塊三維地質調查方法允許對特定地質單元進行修改完善，而不需要對整個模型進行修改。

3)易于集成模型。易于把不同尺度、不同內容的三維地質調查成果按照統一的三維空間坐標系統，集成到統一的三維地質信息系統中。目前在我國已開展了許多不同比例尺和不同深度的三維地質調查，這些工作在本質上是一致的，主要是為了揭示地下地質結構，其差異在于研究對象不同。通過建立統一的三維空間參考系統，不同類型與不同尺度的三維地質調查與深部地質調查結果均可集成到統一的三維地質調查信息系統中。

分塊三維地質調查方法是在我國開展深部地質調查，使地質研究從二維走向三維的有效方法。采用該方法，在現有區域調查資料的基礎上，進一步開展地球物理工作和地表地質工作，獲取地質體空間展布信息，可以建立我國區域三維地質模型及三維地質信息系統。

2 分塊三維地質建模流程

分塊三維地質建模是在建模區塊(或單元)劃分的基礎上開展的，主要包括：建模塊劃分、分塊圖切剖面、地球物理反演、把剖面導入三維地質建模系統、構建塊三維地質模型、模型修改與集成等步驟(圖1)。

2.1 建模塊劃分

原則上以斷裂、巖體邊界和不整合作為建模塊的劃分邊界，一個建模塊是由斷裂和巖體邊界圍限的閉合區域，可以根據建模塊區域的中心地理坐標進行建模塊編碼。在實際進行建模塊劃分的過程中，存在一些特殊情況需要考慮：1)一個較大區域不存在由斷裂和巖體所圍限的閉合區域，可以根據實際情況，通過輔助線進行建模塊劃分。2)一個較小區域存在大量的小巖體侵入，可以暫時忽略巖體的存在，在巖體模型建立后對原地層塊模型進行交切處理。

區域三維地質調查過程中主要包括地層、斷裂、巖體三類地質對象，斷裂和巖體可以作為單獨地質對象進行三維地質建模。地層常遭受褶皺并被斷裂切割、巖體侵入，對地層進行三維建模的核心問題之一是進行褶皺構造分析。所謂分塊既包括了地層單元塊的劃分，又包括了巖體單元和斷裂構造的劃分。

2.2 分塊圖切剖面

根據每個塊地層的總體走向設計圖切剖面的方向。圖切剖面可以設計為一系列平行剖面，也可設計為隨地層走向變化而變化的剖面。剖面與剖面不能相交。剖面間距取決于地質情況的復雜度，在地質界線變化復雜的地區剖面的間距適當減小，在地質情況簡單的部位可以加大剖面間距。一個建模塊的第一條剖面和最后一條剖面應盡可能控制建模塊的范圍。圖2為進行分塊圖切剖面三維地質建模軟件IGeoMod用戶界面。IGeoMod是課題組成員擁有自主知識產權的三維地質建模系統，該系統集成了地質知識庫，實現了地質數據管理、塊管理、圖切剖面、剖面管理、三維地質對象生成、地球物理模型導出等功能。

a.地質圖；b.劃分建模塊后的地質圖；c.IGeoMod軟件圖切剖面；d.重磁剖面聯合反演；e.GoCAD中導入三維剖面；f.GoCAD中形成單個建模塊；g.建模塊的組合與拼接。圖1 分塊三維地質建模流程圖Fig.1 Flow diagram of block-divided 3D geologic modeling

地質剖面可以分為主干剖面、聯絡剖面和約束剖面三類。主干剖面是垂直于構造線的剖面，用于構建三維地質模型；聯絡剖面為平行于構造線的剖面，用于建立主干剖面之間的關系；約束剖面是指需要進行地球物理反演的剖面，用于對建模塊內的地質結構進行約束的剖面。

2.3 綜合約束地下地質推斷解釋

在一個建模塊內，在構造主體部位選擇若干條剖面進行地球物理反演，約束由區域地質資料推斷的地下地質情況。地震和非震地球物理資料對約束地下地質情況具有重要作用。可以地震剖面解釋的地質界面構建地下地質界面。對非震地球物理資料而言，可以采用MT-重力-磁測資料聯合反演獲取地下地質信息，對比圖切地質剖面與非震地球物理聯合反演剖面解釋結果，對圖切剖面進行適當修改。

多種方法研究表明，現有地球物理方法及組合均難以直接揭示地下地質結構。深部地質情況在大多數情況下需要在各種約束條件下，采用地質、地球物理綜合方法手段進行深部地質結構推斷解釋。其約束條件主要有：概念地質模型、地表地質特征、地球物理資料、鉆孔資料等。

2.4 三維地質建模

在圖切剖面的基礎上，分別把各建模塊的剖面導入三維建模系統(如GoCAD、EarthVision等)中，采用由線到面的建模工具，把相同地質界線連接起來形成三維地質界面。

2.5 模型修改與模型集成

隨著資料的不斷更新及地質認識的不斷深入，可以在分塊建模的基礎上，對模型中不合理的地方進行逐塊逐對象單獨修改。將已構建的塊或地質對象模型統一于同一個三維空間坐標系，編輯修改地質對象之間的三維空間拓撲關系，形成研究區范圍內的三維地質模型。

圖2 三維地質建模軟件IGeoMod用戶界面Fig.2 User interface of IGeoMod for 3D geologic modeling sofeware

圖3 地質圖及建模塊劃分Fig.3 Geological map and built block division

3 分塊三維地質建模方法應用

為了進一步說明分塊三維地質建模的基本方法與流程，選擇遼寧省本溪市橋頭鎮--南芬鄉地區作為實例，進行了三維地質建模研究。

3.1 地質背景

遼寧省本溪市橋頭鎮--南芬鄉位于龍崗地塊太子河坳陷，基底為太古宙表殼巖及花崗質巖石，以及古元古代遼河群，沉積蓋層為新元古代青白口系--古生界。該區主要發育北東和北西向兩組斷層，其中寒嶺--偏嶺斷層(F1)為該區重要的斷裂構造[14]，對太古宙條帶狀含鐵建造(BIF)型鐵礦具有明顯控制作用。由于斷裂切割作用強烈，研究區表現為明顯的斷塊構造格局。

研究區(圖3)總體呈現為一個復背斜，褶皺軸近南北向，核部發育了青白口系釣魚臺組(Qnd)、南芬組(Qnn)和橋頭組(Qnq)，局部出露太古宙變質基底巖系。翼部分別發育了震旦系康家組(Zk)、堿廠組--饅頭組(∈j-m)、張夏組(∈z)、崮山組-炒米店組(∈gs-cm)、冶里組--亮甲山組(∈Oy-l)、馬家溝組(Om)、月門溝群(包括本溪組Cb、太原組CPt、山西組CPs)。

3.2 分塊與圖切剖面

以斷裂為邊界，可以把研究區劃分為一系列建模塊或建模地質單元，建模塊以其中心地理坐標進行編碼(圖3)，如南芬鄉所在建模塊的編號為55214、橋頭鎮所在的建模塊編號為56808。

a.由a、b、c、d四塊模型的組合；b.模塊55113；c.模塊56808；d.模塊55214；e.模塊56209。圖4 三維地質模型圖Fig.4 3D geological model diagram

3.3 三維地質模型

圖4a中的模型是由55113、56808、55214和56209四個建模單元組裝而成的，這四個建模塊所在位置如圖3所示。建模塊55113位于橋頭鎮西南，其西側、北側、東側邊界為逆斷層，東側邊界與連山關巖體相關的邊界為所謂的變質核雜巖構造[15]。古元古界浪子山組(Pt1l)和里爾峪組(Pt1lr)構成了以連山關巖體為背斜核部的穹窿狀背斜構造東南翼的一部分(圖4b)。釣魚臺組--橋頭組呈傾向西北的單斜構造，綜合地質和地球物理分析，該建模塊所在區域最大基底埋深約為4.4 km。

建模塊56808位于橋頭鎮(圖4c)，其東南側邊界為傾向西南的逆斷層F2，西北側邊界斷裂為寒嶺--偏嶺斷裂F1，西南側斷裂為F5，東北端邊界斷裂為F4，傾向西南，傾角55°。該塊的西南部為一個向斜構造，核部為張夏組，翼部為寒武系堿廠--饅頭組、震旦系康家組；中部發育新元古青白口系，東北部出露中太古宙大峪溝組(Ar2d)、茨溝組(Ar2c)，以及新太古代齊大山片麻巖。三維建模表明，含鐵建造茨溝組延伸在F4斷裂之下，在牛心臺斷裂之下仍有發育，最大埋深<2.4 km。

建模塊55214位于本溪南芬區(圖4d)，圍限在斷裂F2、F6和F7之間，為橋頭--南芬復背斜核部的重要組成部分，主要發育青白口系，在青白口系下發育古元古界浪子山組。

建模塊56209位于思山嶺地區(圖4e)，圍限在斷裂F2、F3和F7之間。該塊地層條帶的總體呈NE向，東南側發育一個褶皺軸呈NE向的向斜構造，向斜核部為寒武系固山組--米店組。在該向斜下存在含鐵建造，根據該建模塊兩側的含鐵建造的發育情況及地球物理反演結果，推測該建模塊深部存在含鐵建造，含鐵建造的最大埋深為2.9 km，具有深部鐵礦找礦遠景。

4 結論

1)分塊三維地質建模方法通過把復雜的三維地質建模區域分解為內部構造相對簡單的建模塊或建模地質單元，分別對這些建模塊進行建模，從而為開展大規模區域三維地質建模提供了一個重要途徑。

2)分塊三維地質建模方法具有符合地質研究習慣、簡單、易于管理和分工協作、易于修改完善等特點。這些特點對開展大規模構建三維地質模型、方便模型管理、易于建立三維地質信息系統均具有重要意義。

3)實際應用表明，分塊三維地質建模方法適用于構建復雜大區域的三維地質模型，為區域地質調查由二維走向三維提供了重要方法和工具。通過區域三維地質建模，可以揭示深部地質結構，為深部地質研究和深部找礦提供重要參考依據。

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A Method of Block-Divided 3D Geologic Modeling in Regional Scale

Xue Linfu, Li Wenqing, Zhang Wei, Chai Sheli, Liu Zhenghong

College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China

3D geological modeling in regional scale is the key to regional 3D geological survey. On the basis of a large number of practices, we have put forward the method of block-divided 3D geological modeling. The steps of the method include: dividing complex 3D model-building region into simple model-building blocks or model-building units, conducting geological and geophysical comprehensive researches and drawing geological cross sections and revealing deep geological structures in every model-building block, constructing 3D geological model for every model-building block with unified coordinate system by the model-building method based on cross section, and creating 3D model for whole region by integrating the model of every model-building block into unified 3D space framework after all models have been constructed in study region. There are three advantages for the method, which is easy to simplify the processes for constructing models, easy to modify models and easy to integrate models. The method able to overcome the problems of general 3D geological modeling method based on the cross section, and to break the bottleneck for large scale regional 3D geological modeling. The application of the method to deep geological survey in Benxi-Linjiang area has showed the method can effectively construct a 3D geological model of the study area, can fully depict complex deep underground geological structures, and provide an important way for constructing 3D model in a large complex region.

block-divided modeling; synthesis constraints; integrated assembly; IGeoMod;3D geologic modeling

10.13278/j.cnki.jjuese.201406305.

2014-02-27

中國地質調查局地質大調查項目(1212011220247)

薛林福(1962--)，男，教授，博士生導師，主要從事數字地質及地質地球物理綜合的研究，E-mail:190780877@qq.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201406305

P628.3

A

薛林福，李文慶，張偉，等. 分塊區域三維地質建模方法.吉林大學學報:地球科學版,2014,44(6):2051-2058.

Xue Linfu, Li Wenqing, Zhang Wei, et al. A Method of Block-Divided 3D Geologic Modeling in Regional Scale.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2014,44(6):2051-2058.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201406305.