GOCAD三維可視化在深部地質調查中的應用

趙文菊，王營，滕壽仁，周俊鵬

1.遼寧省地質礦產調查院，遼寧沈陽 110031；2.遼寧省核工業地質局，遼寧沈陽 110031

GOCAD三維可視化在深部地質調查中的應用

趙文菊1，王營2，滕壽仁1，周俊鵬1

1.遼寧省地質礦產調查院，遼寧沈陽 110031；2.遼寧省核工業地質局，遼寧沈陽 110031

通過介紹三維地質建模的意義以及應用GOCAD軟件進行三維建模的原理和方法，以本溪地區深部地質調查為例，對本溪地區的地層、構造、巖體進行分析并建立三維模型.每個地質三維模型都能更好地反映地質體在三維空間的分布形態，同時也可以根據研究目標不同，建立所需的目標地質體的三維形態.深部地質三維模型的建立除了依靠地表信息外，還要靠鉆孔、地球物理等先進的技術手段的約束來不斷修正、完善模型，共同建立一個符合地質規律、能真正反映客觀地質現象的三維模型，為以后地質技術人員認識地質現象提高效率.

GOCAD；深部地質；三維建模；本溪地區

0 前言

隨著信息化時代的不斷發展，計算機技術在地質領域的應用越來越廣泛，人們認識地質規律、發掘地質現象也逐漸從平面、剖面上的二維形式向三維空間轉變。因此，三維地質建模及可視化在行業中開始漸漸涌現，最早提出三維地質建模和可視化概念的是加拿大Simon W.Houlding（1993）.所謂三維地質建模（3D Geosciences Modeling），是指采用適當的數據結構在計算機中建立能反映地質構造的形態和各要素之間關系以及地質體物理、化學屬性空間分布等地質特征的數學模型.隨著計算機軟硬件技術的飛速發展，三維地質建模技術備受關注，并得到了廣泛的研究和應用.

三維地質建模及可視化在澳大利亞、加拿大、美國等國家早已開始投入到實際應用中.而我國三維地質建模也隨著2012年國家“深部地質調查與三維地質填圖”試點項目的啟動進入了快速發展時期.要進一步開展礦產資源評價和地下空間管理，就必須查明地下空間的基本結構特征，增強對地質結構的認識.建立地下三維地質可視化模型，不但方便了地質人員進行專業領域知識的討論、傳播和發展，而且還能將專業領域復雜的、抽象的或專業性過強的成果及結論用簡潔的、直觀的、易于被廣泛接受的方法和形式表現出來，建立逼真的空間立體地質模型［1］.這樣可以更高效地描述各種地質信息（如某一區域地層厚度），直觀有效地表達各種地質現象間的拓撲關系（如地層接觸關系等），從而大大加快專業技術人員對地質現象的認識，提高工作效率，充分利用地質資料的寶貴價值.本文依托本溪-臨江深部地質調查項目，對本溪地區深部地質體進行分塊分析、討論，逐漸建立各個地質體的三維模型，進而為建立本溪地區整體深部地質結構模型奠定基礎，為后續地質人員了解該區域的地質結構提供三維展示.

1 GOCAD軟件簡介

GOCAD（Geological Object Computer Aided Design）地質建模軟件由法國Nancy大學研發.自1989年開始，歷經10年發展，GOCAD軟件正式發行，該軟件具備強大的三維模型構建和分析功能，能夠直接導入各種專業軟件數據，實現交叉學科團隊統一協作，并且提供了非常全面的三維空間分析支持，從數據結構、工作模式到功能設置都實現了真三維化.通過系統提供的虛擬現實接口，甚至能實現生成虛擬地質構造環境，增強使用者對數據的操作和控制能力，從而提高研究人員對地質構造的認識水平.GOCAD不僅支持空間對象的幾何建模，還提高了屬性建模的工具，使用者能夠建立地質體或地下空間的地球物理、地球化學和地下流體等方面的專業模型.

DSI（Discrete Smooth Interpolation）空間插值法是GOCAD軟件使用的計算方法.其他插值方法不能滿足三維空間插值的需要，對斷裂等空間不連續現象支持不足.而DSI方法類似于解微分方程的有限元方法，用一系列具有空間實體幾何和物理特性、相互連接的空間坐標點來模擬地質體，已知節點的空間信息和屬性信息被轉化為線形約束，引入到模型生成的全過程.此外，GOCAD還具備良好的軟硬件平臺兼容性，可穩定運行于32位或64位操作系統，在Windows NT、UNIX和Linux環境中具有類似的擁護界面和相同的數據結構，使工作能夠在PC或高端圖形工作站等各種平臺順利進行.完善的地質統計分析功能使GOCAD提供了多種地質統計分析模塊，如空間數據分析、克里格估計、序貫高斯模擬等.這些保證了GOCAD軟件運行的穩定性與可靠性［2-3］.

2 GOCAD在深部地質調查中建模流程與方法

深部地質調查是在二維地表填圖的基礎上，利用二維平面圖和剖面圖等表達方式，分析關鍵地質要素地層、構造、巖體等在三維空間的展布形態，結合鉆孔資料、地質剖面、地球物理資料，應用GOCAD軟件平臺實現三維可視化，建立可靠的三維地質模型，充分揭示地下地質情況.建模方法的選擇極為關鍵.

2.1 地表三維建立

二維填圖過程中使用的等高線是建立地表三維的基礎，應用MapGIS軟件將等高線的高程數據屬性導出，編輯形成文本文件（.txt），將文件導入GOCAD軟件中形成點文件，再對點文件加以優化及邊界約束，最終由點創建面，生成地表形態的DEM.為了使三維地表與平面地質圖相統一，還可以將平面地質圖或者遙感影像疊加在DEM上（圖1、2），形成平面地質圖與三維地質圖地表一致性.

圖1 DEM疊加遙感影像Fig.1 Superimposition of remote sensing image and DEM

圖2 DEM疊加地質圖Fig.2 Superimposition of geologic map and DEM

2.2 斷裂及地層建立

斷裂與地層的建立主要依托剖面圖，首先要根據地質復雜程度及需求確定剖面間距及剖切方向，采用地質下推方法對地下地質結構進行反演，勾繪出地層形態與斷裂走向；再將二維剖面轉換為三維剖面導入到GOCAD中，確定好剖面的位置；最后將相鄰剖面所有相同地質界線連接成地層界面，將相同的斷層線連接成斷層面.

2.3 巖體建立

利用GOCAD建立巖體的方法是：首先，在MapGIS中將巖體邊界線轉出成為一條封閉曲線，并將z值統一賦予固定值（如500 m）導入到GOCAD中；其次，依據產狀繪制一定深度下該巖體邊界線，也形成一條封閉的曲線對象，利用“Create form several curves”將兩條封閉曲線連接成一個封閉的曲面；最后，依據巖體與地層、斷層、地表面的切割關系，并將多余的部分切割、刪除處理，即可形成三維巖體對象模型［4］.巖體頂部采用地表DEM覆蓋的方法，這樣既可以避免因為直接封閉形成一個水平巖體頂面，不符合地表起伏形態，又可以避免巖體封頂與地表面重疊.

3 GOCAD三維建模成果

3.1 斷裂

圖3 研究區構造綱要圖Fig.3 Tectonic outline map of the study area

本次成果展示以本溪為例，該區大地構造位于塔里木-華北板塊內的華北陸塊北緣東段，膠遼隆起帶的太子河-渾江拗陷、遼陽-本溪凹褶斷束上.地質構造經歷了從太古宙至新生代復雜的構造演化史，不同演化階段，形成了不同的構造形跡及構造組合樣式，反映出不同的動力學機制和運動學特征（圖3）.從圖3中可以看出全區斷裂構造極其發育，以北東—北北東向構造發育為主，斷裂傾角陡立，規模較大，長達幾十千米，寬達幾十米.帶內局部褶皺，地層倒轉，斷層兩側地層依次左行平移.該斷裂帶具有多期活動特點，既控制了中生代盆地的形成、沉積、發展、演化，又切割了中生界地層.其中主要的控礦構造包括寒嶺-偏嶺斷裂、弓長嶺-大臺溝-思山嶺斷裂、廟溝-連家溝斷裂，斷裂走向40～55°，具壓扭性左行走滑性質，對全區的構造格局具有重要的控制作用.斷裂切割全區的地層及巖體，建立全區斷裂模型是深部地質建模的基礎（圖4），它可作為以后分塊建模的基礎，從直觀上反映斷裂的空間展布形態、主斷裂與次級斷裂關系等.

圖4 全區構造三維模型Fig.4 3D structural model of the whole region

3.2 褶皺

（1）棒錐砬子向斜

位于研究區東南部胡把什巖體、石碑嶺巖體北側的棒槌砬子-陳家堡子一帶，呈北西向展布，出露面積較大，長約4.2 km，寬1 km左右.褶皺核部為里爾峪巖組，兩翼地層為浪子山巖組.褶皺傾向南西，南東端揚起.褶皺南東端受到北東向斷裂構造控制，褶皺類型為開闊褶皺.依據地層分布特征及蓋層之下的巖體延伸情況建立三維模型（見圖5）.根據地質出露情況并結合周邊鉆探資料推斷，浪子山巖組下部地層為新太古代侵入巖，北部被逆斷層切斷.

（2）郭家堡子復式褶皺

位于研究區的東南角，東南部大部分出露的均是巖體，只有在東南角出露比較齊全的中生代至古生代地層.該復式褶皺由一個向斜和兩個背斜組成，走向均為北西向，向斜核部地層發育齊全，形態完好，兩側背斜附近受斷裂控制，翼部略有錯動，但整體影響不大.根據地層的新老關系及褶皺形態建立局部三維模型（見圖6）.該處蓋層發育齊全，厚度較大，從模型中可以看出最底部的釣魚臺巖組基本達到了地下2 km深處，據此可以推斷巖體或者太古代基底界面應該在2km以下.

3.3 巖體

巖體是深部地質調查中一個重要組成部分，侵入巖反映了不同時期的巖漿活動.巖漿噴發對早期形成的地層有破壞改造的作用，查明巖體之間的侵入關系并建立三維模型，可直觀展示侵入巖空間分布情況.侵入巖模型建立以后，就可以結合斷裂組建分區分塊，形成模型分區，為下一步地層模型建立提供框架基礎.

3.4 地層

本溪地區地層分布廣泛，從古生界到新生界都有分布，地層年代最新的分布在本溪市周圍，出露小嶺組地層.中生代地層沿寒嶺-偏嶺一帶出露較多，且受分支構造的控制發生了地層的倒轉、錯動.基于深部地質調查對地層建立三維模型，這樣不僅可以反映整個區域地層的分布狀況，還可以借助地層的空間分布情況來直觀了解構造的性質.圖6所示為地層與構造相結合建立的三維模型，從地層的分布可以明顯看出構造的性質.

圖5 棒槌砬子向斜三維構造特征Fig.5 3D structural features of Bangchuilazi syncline

圖6 郭家堡子復式褶皺三維模型Fig.6 3D model of Guojiapuzi complex fold

4 GOCAD三維可視化在深部地質調查中的優勢

現今，國內外各種可以建立三維可視化的軟件層出不窮，有的是專門針對礦區或者水文地質、工程地質等領域而研發的，所以各自軟件都有獨特的擅長方面.深部地質調查所面臨的問題是要研究地下斷裂的分布、延伸形態，地層的接觸關系，巖體的侵入先后順序以及對地層的破壞改造情況，重點調查的目標地質體（如含鐵建造、太古宙結晶基底）起伏形態等等，并對這些研究的不同要素建立地下一定深度的三維地質模型.這些要素相互影響、相互制約，這對軟件的計算方法有很高的要求，普通的計算方式不能滿足多種要素接觸部位關系的處理，建立起的模型生硬、刻板，不能很好地反映地質體的接觸形態，這不利于后來技術人員正確認識地質現象.而GOCAD軟件采用的是DSI空間插值法，是應用一系列具有空間實體幾何和物理特性、相互連接的空間坐標點來模擬地質體，將已知節點的空間信息和屬性轉化為線形約束,這樣更精細地處理了接觸關系.GOCAD在模型展示過程中可以沿任意角度、任意方向對模型進行剖切，這樣可以使技術人員全方位無差別觀看地下結構.

此外，深部三維地質模型只靠地下的下延處理還遠不能滿足研究精度的要求，因此，還要結合鉆孔資料、地球物理資料的約束和校準.通過實際應用已經驗證了GOCAD對鉆孔資料和地球物理資料的容納分析也是比較理想的，可以同時將地球物理反映出的形態與建立好的模型進行對比，同步進行模型的修改、校正.

5 幾點認識

（1）GOCAD作為三維建模的一個成熟軟件，在選好建模技術方法與流程情況下是比較理想的應用軟件，可操作性較強.

（2）深部地質調查所要解決的問題是建立起地下各種地質要素之間的相互切割關系，并同地球物理資料、鉆孔資料結合才能更好地約束、修正模型.通過實踐證明，GOCAD軟件可以實現地球物理、鉆孔、初始模型的同步對比與校正，對于解決深部地質調查三維建模的問題是非常可行的.

（3）GOCAD軟件的使用需要操作人員熟悉區域地質特征，采用計算機方法實現地質人員對區域地質認識的過程，展現構造、巖體、地層、目標地質體在三維空間的分布規律，進而為查明其他地質問題提供支撐.

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［1］楊東來，張永波，王新春，等.地質體三維建模方法與技術指南［M］.北京：地質出版社,2007.

［2］童亮，胡卸文，汪雪瑞.GOCAD在某橋基邊坡三維地質建模中的應用研究［J］.地質災害與環境保護,2009,20（1）:60—65.

［3］董梅，慎乃齊，胡輝，等.基于GOCAD的三維地質模型構建方法［J］.桂林工學院學報,2008,28（2）:188—192.

［4］張偉，薛林福，彭沖，等.基于剖面三維地質建模方法及在本溪地區應用［J］.地質與資源,2013,22（5）:403—408.

APPLICATION OF GOCAD THREE-DIMENSIONAL VISUALIZATION IN DEEP GEOLOGICAL SURVEY

ZHAO Wen-ju1,WANG Ying2,TENG Shou-ren1,ZHOU Jun-peng1

1.Liaoning Institute of Geological and Mineral Survey,Shenyang 110031,China;2.Liaoning Bureau of Nuclear Geology,Shenyang 110031,China

By introducing the 3D geological modeling with principle and method of application of GOCAD software,taking deep geological survey in Benxi region for example,the authors analyze the stratum,structure and rock mass and establish 3D models.Each geological 3D model can reflect the distribution pattern of geological bodies in 3D space better,meanwhile the 3D shape of required target geological body can be established according to different research objects.Deep geology 3D modeling relies not only on surface information,but also the technical constraint of drilling and geophysical data to improve the model,which would conform to geological regularity and truly reflect geological phenomena,and could help geologists recognize geological occurrence and improve work efficiency in the future.

GOCAD;deep geology;3D modeling;Benxi region

1671-1947（2015）04-0378-06

P628

A

2014－09－20；

2015-03-28.編輯：張哲．

中國地質調查局“本溪-臨江地區深部地質調查”項目（1212011220246）.

趙文菊（1986—），女，碩士學位，從事地質礦產勘查及三維可視化研究工作，通信地址遼寧省沈陽市皇姑區寧山中路42號羽豐大廈，E-mail//lnddyzgb@126.com