1∶5萬三維地質填圖方法技術在本溪礦集區的應用

滕壽仁，董哲，王營，李巍，趙文菊，周俊鵬

1.遼寧省地質礦產調查院，遼寧沈陽 110031；2.遼寧省地質礦產勘查局，遼寧沈陽 110031；3.遼寧省核工業地質局，遼寧沈陽 110031

1∶5萬三維地質填圖方法技術在本溪礦集區的應用

滕壽仁1，董哲2，王營3，李巍1，趙文菊1，周俊鵬1

1.遼寧省地質礦產調查院，遼寧沈陽 110031；2.遼寧省地質礦產勘查局，遼寧沈陽 110031；3.遼寧省核工業地質局，遼寧沈陽 110031

礦集區三維地質填圖是采用1∶5萬的調查尺度，提交地表地質圖及具有一定精度的深部地質圖，為圈定含礦建造、控礦構造等主要目標地質要素提供基礎地質依據.通過在本溪礦集區開展的三維地質填圖工作，認為構造填圖是三維地質填圖的基礎，提出“分級分塊”的三維地質建模方法，并總結了礦集區三維地質填圖方法技術流程.

三維地質填圖；地質信息集成；地質概念模型；本溪礦集區；遼寧省

0 前言

三維地質填圖在國外已經進行了近半個世紀，而我國在此方面差距較大.圍繞三維地質填圖各國相繼制定并實施了國家填圖計劃，多數發達國家都已經完成了中、大比例尺的地質填圖，印度、日本、韓國等國基本完成可測面積的1∶5萬區調［1］.美國、加拿大、英國、澳大利亞、荷蘭、意大利等國家目前正在實施的各類三維地質調查計劃主要有巖石圈尺度三維結構圖、城市三維地質填圖、大型活動斷裂帶三維地質填圖、復雜變形區三維地質礦產填圖、含油氣盆地三維地質填圖.

早在上世紀80年代，我國便提出過深部地質填圖的概念，在局部礦山也建立了三維找礦模型，繪制了一大批“三度空間立體地質圖”，但該種圖件存在很大的缺陷，無法根據地質認識程度的加深而修改，不能有效地進行信息提取［2］.從2002年開始，北京、上海、天津、杭州、南京、廣州等六市相繼開展了三維地質調查工作，以基礎地質三維結構為基本框架，統一構建城市地質、水文、工程地質的三維結構并建立了完善的城市地質數據庫和先進的三維可視化系統.在此基礎上，2011年我國首次開始嘗試成礦帶、礦集區的三維地質填圖工作，真正意義上進入了三維地質時代.

1 目標地質要素確定

由于地質數據及其應用本身所具有的復雜性、不確定性等特點，三維地質填圖有別于傳統意義上的地表填圖.前者較后者更具目的性.本溪礦集區位于鞍山-本溪鐵成礦帶之東段，區內廣泛分布太古宙含鐵變質巖系，其中賦存有豐富的鐵礦資源（鞍山式鐵礦），為遼寧省重要的鐵礦產地之一.因此，本溪礦集區目標地質要素為“鞍山式”含鐵建造（太古宇結晶基底）、控礦構造和大型巖體.1∶5萬地表填圖為我們提供了地層層序、蓋層沉積厚度、構造型式、變質變形等基礎地質地表信息，但從實踐工作中來看，三維地質填圖不可能將所有的地表地質信息全都反映在深部三維地質圖中.主要原因是：（1）數據量大，信息過多；（2）蓋層中組、段地層間缺少巖石物性差異；（3）單從地表產狀下延精度過低；（4）鞍山式鐵礦主要產于太古宇鞍山群表殼巖中，呈捕擄體形式賦存于太古代深成侵入體中.

2 工作方法選擇

三維地質填圖的技術方法包括地質、物探、化探、遙感及鉆探等綜合勘查技術，如何采用深部探測技術、方法組合是尋找含礦建造、控礦構造及其三維空間展布規律，提高深部地質體建模精度的關鍵.要想更為有效、準確地解決地下2 km之內目標地質要素三維空間展布特征，筆者通過工作實踐認為，地質填圖是基礎，深部探測技術是關鍵，三維地質建模是表達手段.

2.1 地質填圖

地質填圖在三維工作中要有所側重，傳統意義上的地質填圖面面俱到，并側重于地層、巖體及構造的信息描述.在三維地質填圖工作中，為了建立區域上的三維地質模型，我們側重于地層厚度、產狀、構造格架及構造演化史研究.在成果表達上側重構造綱要圖的編制與表達.以本溪礦集區為例，三維建模的底圖已由傳統的地質圖演變成構造綱要圖.我們總結有幾個優點：（1）構造綱要圖剝離了淺表覆蓋層，更多地反映了深部地層特征；（2）在地質圖中，實地調查繪制出的斷斷續續的斷裂構造連成的一體，更加符合斷層的發育模式及地質規律；（3）蓋層中的組段被合并，大大降低了三維建模工作量，也突出了目標地質要素（見圖1）.

2.2 巖石物性采集

本溪礦集區內巖礦石物性測定是沿重、磁、電綜合物探剖面實測的，是目標層的選擇及重、磁、電深部地層綜合反演的依據和基礎.1300塊標本包含了17個組級地層單元和4種侵入巖單元.收集到的物性僅僅能夠提供參考，因為在不同地區，相同時代、相同組段的巖石組合特征由于沉積環境、構造環境、變質程度的不同而產生礦物成分含量的差異，導致其密度、磁性及電性都存在一定差異.

圖1 寒嶺-偏嶺斷裂在地質圖及構造綱要圖上的對比Fig.1 Comparison of Hanling-Pianling fault in geological map with structure outline map

2.3 深部探測技術

本溪礦集區目標地質要素為“鞍山式”含鐵建造，與其上覆蓋層存在明顯的磁性差異，因此首先采用磁法測量.中酸性巖體與其圍巖存在的密度差異明顯，可以采用重力測量工作.但這兩種方法又都存在一定的缺陷，許多地下埋藏較深的礦體、巖體在重、磁測量過程中無法被區分，或者反映出一定的異常，但不能有效地進行定量、半定量計算，降低了三維地質建模的精度.采用電法測量的目的就是要解決這一問題.當然，不同深部探測方法都有一定的局限性，要根據地區、礦種及目標地質要素具體分析，采用具有針對性的方法手段，在這里不一一累述.

3 三維地質建模

三維地質建模是計算機三維技術在地學領域的具體應用.廣義的三維地質建模包括三維地質模型的生成、可視化、空問分析和應用等，狹義的三維地質建模主要指三維地質模型的生成［3-4］.本文的三維地質建模主要指廣義的三維地質建模.

3.1 建模方法及對比選擇

三維地質建模雖然軟件繁多，但方法大同小異，大致可分為基于鉆孔的數據建模法、剖面柵格法.近年來，又有專家提出來基于數字地質圖的三維建模方法.基于鉆孔數據建模法是利用鉆孔中地層分層信息進行連接，配合地震等物探資料對鉆空間的信息補充，建立三維地質模型［5-7］.主要應用于礦區及鉆孔豐富的油田地區，其可信度較高，但在鉆孔較少地區不適用.

剖面柵格法是在地質實測剖面或圖切地質剖面基礎上，輔以物探剖面的修正后連接成層，主要應用于鉆孔較少地區，但在構造復雜地區，例如本溪礦集區則不適用.主要原因是柵格化的剖面與地層常常存在一定的夾角，不能真實反映地層及構造的下延產狀.同時，復雜構造區巖性變化大，柵格剖面間距大會導致剖面間地層單元差異過大，無法連接成體，形成三維模型［8］；柵格剖面間距過小又會大大增加三維建模工作量，影響工作效率.

基于數字地質圖的三維建模方法是近年來隨著GIS信息技術的發展而提出的，主要是利用地質填圖劃分的填圖單元沿地層、構造等產狀信息進行深部下延，但深部地層展布、構造下延深度、錯動關系等需人工干預［9-10］.而在構造復雜區，利用軟件平臺解決構造及兩盤地質體相交等問題時存在許多弊端，這種方法目前還在進一步研究過程中，并不完善.

圖2 本溪礦集區大地構造位置Fig.2 The geotectonic position of Benxi ore concentration area

基于這樣一個現狀，我們提出了礦集區三維建模的一種新方法，即“分級分塊”建模方法.所謂“分級分塊”的概念就是“自上而下分級分區，自下而上分塊建模”的方法.具體講就是按照不同的分區界線將研究區分為幾個主要建模區域，然后在主要建模區域內再進行詳細劃分.按照分區界線的重要程度將建模分區劃分成不同的級別，直到能夠在三維操作平臺上順利實現.不同尺度的三維地質填圖應該有不同分區標準，以本溪礦集區1∶5萬尺度為例，按照主要斷裂構造、巖體邊界、次一級貫通構造將礦集區分為3個級別的分區.從最小級別的三級分區開始建模，之后組成礦集區整體三維地質結構模型的方法.

3.2 “分級分塊”建模方法

本溪礦集區地處柴達木-華北板塊（一級構造單元）東北部，華北陸塊（二級構造單元）東北緣，遼東新元古代—古生代拗陷帶（三級構造單元）中西部，跨越龍崗微陸塊、太子河新元古代—古生代拗陷、遼吉古元古代古裂谷、鞍山古陸核4個四級構造單元（見圖2）.研究區地質構造經歷了從太古宙至新生代復雜的構造演化史，因此為了更加真實地利用三維建模表達出工作區內復雜的構造演化歷史，將重點解剖區分級分區（見圖3）.

圖3 重點解剖區分級分區圖Fig.3 The“grading and blocking”map of important anatomic area

三級分區：以次一級的斷裂構造為邊界將研究區劃分出三級分區分別建模.這一級別的模型展示出來的是地質體受到多期次構造變形疊加后的產出形態，當然最直觀的是地質體受到最后一期構造變形的產出形態.

二級分區：是以巖體邊界劃分出二級分區分別建模.這一級別的模型是通過巖體之間的侵入接觸界線或巖體與地層間的接觸界線在地下的三維起伏形態，對三級分區的一個制約.

一級分區：是以重點解剖區內大型的走滑斷裂構造——寒嶺-偏嶺、弓長嶺-大臺溝-思山嶺兩條大型北東向斷裂為界劃分出一級分區.一級分區是在三級分區與二級分區建立完成基礎上考慮這幾條大型走滑斷裂構造對分區地質體整體的錯動位移關系，最終以客觀地質事實為依據合并到一起，完成整個區域的三維地質結構模型（見圖4）.

4 三維地質填圖流程總結

在區域地質調查成果基礎上，利用大比例尺剖面測量深入研究區內大型斷裂、褶皺構造、重要巖體及鞍山式鐵礦的產狀、規模及發育模式；結合具有針對性的路線地質調查資料，建立解剖區2 km以淺三維地質概念模型；利用重、磁、電綜合物探解譯對斷裂、褶皺構造深部展布形態以及巖體深部發育特征和侵入接觸界線、巖體與地層間接觸界線、特別是太古宙結晶基底在深部的起伏形態進行推斷解譯；合并同一物性層，修改完善三維地質概念模型；依據鉆探驗證成果，修改、完善測區三維地質概念模型，形成最終三維地質模型（見圖5）.

采用GOCAD等三維可視化軟件，建立2 km以淺的三維數字地質模型，直觀展示深部地質特征；采用Micromine等軟件建立重點遠景區三維地質結構模型，結合礦體空間展布特征及物探信息，預測資源量.

在建立1∶5萬地質填圖空間數據庫基礎上，全面整理分析區內DEM、遙感影像、地質、物探、鉆探資料，進行資料處理，篩選空間數據與非空間數據，完善數據屬性，規范數據表格，并最終入庫.

專題研究是三維地質填圖工作的一項重要目標，也是研究成果的深入細化，是對研究區內重大地質問題的進一步探討，從三維的角度去研究地質問題會更加直觀、明了，讓三維地質填圖的成果可以更加容易地被服務對象接受.因此，專題研究應該成為三維地質填圖中必不可少的一項工作.

圖4 礦集區1∶5萬三維地質建模流程示意圖Fig.4 The 1∶50000 3D geological modeling process in ore concentration area

圖5 技術流程圖Fig.5 Technical process

5 結論

綜上所述，可以得出如下認識：

（1）多元數據集成是三維地質填圖工作的特點，充分利用諸如鉆孔資料、地質圖、地質剖面圖、地形圖、遙感數據、物化探數據、DEM等可利用的數據和資料.三維地質建模可利用的數據源涉及多種來源、多種類型、多種數據格式等多元數據.因此，在三維地質建模過程中，一個關鍵問題就是如何有效地集成并使用好這些多元數據.

（2）多方法集成是實現深部地質調查的有效手段.由于地質情況的復雜性等特點，寄希望于尋求一種普適的方法解決所有地質模型的構建是不現實的，更現實的方法是針對不同的地質復雜程度、不同的工作階段、不同的資料豐富程度等，提出多方法集成的綜合解決方案.

（3）適用的三維地質建模方法是提高模型精度及三維可視化效率的關鍵.針對礦集區構造復雜、地層走向變化大的特點，本研究提出“分級分塊”地質建模方法.實踐證明這種方法既考慮了建模精度，又權衡了建模效率，提高了三維建模的可操作性.

（4）構造復雜的礦集區三維建模工作首要解決的問題是構造格架.三維模型的建立及綜合研究工作都是基于構造格架基礎上進行的，因此我們提出三維地質填圖的底圖應該為構造綱要圖.

（5）礦集區三維地質填圖在我國還處在實驗階段，沒有可以直接參考的技術規范，通過本次在礦集區開展1∶5萬三維地質填圖工作，試驗性總結了方法技術流程，為規范及技術要求的制定提供了具有實踐意義的參考.

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APPLICATION OF 1∶50000 THREE-DIMENSIONAL GEOLOGICAL MAPPING METHOD IN BENXI ORE CONCENTRATION AREA

TENG Shou-ren1,DONG Zhe2,WANG Ying3,LI Wei1,ZHAO Wen-ju1,ZHOU Jun-peng1

1.Liaoning Institute of Geological and Mineral Survey,Shenyang 110031,China;2.Liaoning Bureau of Geology and Mineral Exploration,Shenyang 110031, China;3.Liaoning Bureau of Nuclear Geology,Shenyang 110031,China

The 3D geological mapping in ore concentration areas adopts the 1∶50000 survey scale and submits surface and deep geological maps with certain precision,which provides geological basis for the delineation of main geological targets like ore-bearing formation and ore-controlling structure.With the 3D geological mapping work in Benxi ore concentration area,the authors think that the structural mapping is the basis for 3D geological mapping.The authors also propose the 3D geological modeling method of“grading and blocking”,and summarize the 3D geological mapping method and technique process in ore concentration areas.

3Dgeologicalmapping;geologicalinformation integration;geologicalconceptualmodel;Benxiore concentration area;Liaoning Province

1671-1947（2015）04-0383-06

P628

A

2014－09－20；

2015-08-07.編輯：張哲．

滕壽仁（1981—），男，碩士，工程師，從事基礎地質、礦產勘查工作，通信地址遼寧省沈陽市皇姑區寧山中路42號2612，E-mail//11995767@qq.com