三維建模在銅綠山銅鐵礦區的應用

趙逸君, 毛曉梅, 王 冕

(湖北省地質調查院,湖北 武漢 430034)

三維建模在銅綠山銅鐵礦區的應用

趙逸君, 毛曉梅, 王 冕

(湖北省地質調查院,湖北 武漢 430034)

基于MAPGIS固體礦產三維建模系統平臺對銅綠山礦區三維建模方法進行研究。在收集和整理礦區地質圖、地形圖、地質剖面圖、鉆孔等工程勘查數據的基礎上,建立地質數據庫,介紹自動化礦體圈定和外部剖面圖導入兩種不同的三維建模方式,并展示地下礦體的三維展布趨勢及精細變化,其相關經驗對類似礦區三維建模具有一定的借鑒意義。

MAPGIS；地質數據庫；三維建模；銅綠山

三維地質建模是以各種原始數據(包括鉆孔、剖面、地質圖、地形圖、物探數據、化探數據、工程勘察數據等)為基礎,建立能夠反映地質構造形態、構造關系及地質體內部屬性變化規律的數字化模型[1]。三維地質體模型能夠提供關于礦體的三維真實形態,地質人員可以多角度任意觀察礦體的三維展布趨勢及精細變化,同時形成任意方向投影圖,進行直觀、形象和可控的評價[2-5]。

1 礦區地質概況及礦體地質特征

銅綠山銅鐵礦位于湖北省大冶市境內,其大地構造位置屬揚子準地臺下揚子臺褶帶西端Ⅳ級構造單元——大冶凹褶帶束。該單元是以北西向襄陽—廣濟斷裂、北東向梁子湖斷裂和東西向的雞籠山—高橋斷裂所圍限的三角地塊。

區內地層發育齊全,從元古界—新生界除缺失中、下泥盆統及上侏羅統外,其余均有出露。前震旦系主要為一套中—淺變質巖,分布于南部邊緣,震旦系—下三疊統主要為海相碳酸鹽巖,次為碎屑巖,其分布除震旦系在南部外,其他主要分布于本區中部廣大地區。三疊系中上統、侏羅系和白堊系下統主要分布于黃石—大冶—陽新—靈鄉以西,梁子湖以東地區,以陸相碎屑巖為主,局部為火山巖。白堊系上統—第三系、第四系主要分布于長江沿岸和梁子湖、大冶湖、陽新盆地及其附近地區,為陸相碎屑巖,松散沉積物。

銅綠山銅鐵礦床屬大型接觸交代矽卡巖高中溫熱液礦床,礦體有含銅磁鐵礦、含銅大理巖、含銅矽卡巖及鐵礦石。礦體受隱伏半島狀大理巖俘虜體與花崗閃長斑巖接觸帶控制,礦體主要賦存在上、下盤接觸帶部位,礦體形狀呈透鏡狀,沿走向和傾向分枝復合。礦體頂、底板圍巖主要有高嶺石化花崗閃長斑巖、斜長石化花崗閃長斑巖、大理巖、白云質大理巖、石榴石透輝石矽卡巖。礦體中夾石主要為大理巖、矽卡巖、高嶺石化花崗閃長斑巖或斜長石化花崗閃長斑巖。礦化蝕變主要有硅化、透輝石化、碳酸鹽化、綠簾石化、鉀長石化、金云母化及鈉化,其次是高嶺石化、蒙脫石化和鐵硅化。礦石類型按自然類型主要有氧化礦石、混合礦石和原生礦石三類,礦石呈致密塊狀、浸染狀、脈狀、角礫狀、粉末狀—砂狀等構造形態。礦石結構主要有半自形—自形粒狀、固溶體分解、膠狀再結晶、熔蝕交代、壓力等結構(圖1)[6]。

2 MAPGIS在銅綠山銅鐵礦區三維建模中的應用

在對銅綠山銅鐵礦區進行三維地質建模過程中,以MAPGIS固體礦產三維建模系統為平臺,使用了兩種不同的數據源,并且采用了兩種不同的礦體圈定建模方式:自動化礦體圈定建模和外部剖面圖導入建模。

2.1 自動化礦體圈定三維建模

在對銅綠山銅鐵礦區進行三維地質建模的全過程中,利用MAPGIS固體礦產三維建模系統,將地質建模數據源、建模過程數據、建模成果采用統一數據格式進行存儲,降低三維建模數據準備難度,提高建模效率。銅綠山銅鐵礦區三維地質建模包括三個核心工作環節,即“一體化地質數據集成—自動化礦體圈定—地質體三維模型生成”?！耙惑w化地質數據集成”是收集地質勘探等原始資料,進行資料數字化、規范化,建立地質勘探數據庫,為礦體圈定、三維建模和資源/儲量估算提供數據驅動。“自動化礦體圈定”是利用研究區相關地質信息,在勘探線剖面的基礎上逐個圈定表內礦、表外礦界限,為生成三維礦體提供數據框架。“地質體三維模型生成”是在礦體圈定的基礎上連接生成三維礦體,從而建立礦體的三維模型(地面模型、礦塊模型),為資源儲量估算提供三維礦體。其方法流程見圖2。

圖1 礦區地質簡圖Fig.1 Generalized geologic map of mining area1.第四系粘土層;2.(沉積巖、變質巖、火成巖)白堊系灰白色火山凝灰巖;3.嘉陵江組第三巖性段灰巖;4.嘉陵江組第二巖性段灰巖;5.嘉陵江組第一巖性段灰巖;6.中下三疊統白色中粗粒大理巖;7.石英二長閃長玢巖;8.鈉長斑巖脈;9.矽卡巖;10.礦體編號;11.勘探線編號;12.2006年前施工鉆孔及編號;13.接替資源勘查施工鉆孔及編號;14.補充勘查工作施工鉆孔及編號;15.豎井位置;16.礦界范圍。

圖2 銅綠山銅鐵礦區三維地質體建模流程圖Fig.2 Flow chart of modeling of three-dimensional geological body in Tonglvshan copper-iron mining area

2.1.1 建立地質數據庫

銅綠山地區地質數據庫包括銅綠山銅鐵礦區地質地形、測試分析數據、鉆孔數據等基礎數據庫。

地形數據庫的建立主要是為了對研究區三維地表模型的建立打下基礎。雖然MAPGIS固體礦產三維建模系統可以根據鉆孔和勘探線數據模擬地表模型,但由于此種方法是根據采樣鉆孔的高程數據對地表進行推算,不可避免存在誤差較大,無法真實還原礦區地表形態。地表數據庫的建立能幫助系統建立更為完善的地表模型,更直觀、清楚地表達礦區地表與礦體等其他空間體的三維位置關系。

以礦區地形圖為基礎,對收集到的銅綠山銅鐵礦區地形地質及實際材料圖進行圖形矢量化,矢量化的要素主要是地形部分。矢量化以后按照圖3所示屬性結構,針對等高線數據建立MAPGIS數據庫。

圖3 礦區等高線屬性結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of attribute structure of contour in mining area

地質勘探數據庫的建立是地質體三維建模的基礎。根據MAPGIS固體礦產三維建模系統的要求,及其提供的模板,建立地質勘探數據庫的信息結構表,包括礦區區域邊界基本信息表、礦區勘探線基本信息表、礦區勘探線測量數據表、巖層基本信息表、礦區化學分析基本信息表、工程樣品分析結果表、鉆孔基本信息表、鉆孔彎曲信息表、鉆孔分層信息表和鉆孔取樣基本信息表。依據數據庫信息表模板,對礦區地質圖(平面圖、剖面圖)、材料圖數據、建模邊界、鉆孔數據、剖面等勘探工程資料進行收集和整理,并按照規定格式填入相應信息表中。這些地質數據包含已施工的27條勘探線剖面圖、336個鉆孔編錄數據、17 283 個鉆孔采樣分析結果。同時對礦區內27條勘探線的礦體建立了拓撲關系和基本信息數據庫,并參閱相關地質報告,建立了研究區的地質勘探數據庫。

原始數據導入MAPGIS固體礦產三維建模系統后,用軟件進行數據檢查,主要包含對數據表中基礎數據的格式、順序、樣品區間是否缺失、重復、超過工程長度等進行校驗,以保證數據的有效性、正確性及成果編制的正確性。檢查通過后的數據直接導入系統形成基礎數據庫。

2.1.2 構建三維模型

在基礎數據庫之上,建立基礎視圖樹,生成勘探線剖面圖,自動化礦體圈定,建立三維礦體模型。礦區勘探線工程如圖4所示,圖中點為鉆孔,線為勘探線。

圖4 礦區勘探線工程示意圖Fig.4 Schematic diagram of exploration line project in mining area

銅綠山銅鐵礦區的鉆孔是沿勘探線進行布置,在礦區勘探線工程基礎數據建立之后,需要對每條勘探線進行剖面定義并建立一系列剖面,在此基礎上才可以繼續進行礦體圈定等工作。圖5是利用鉆孔及勘探線相關數據,采用系統生成的4號勘探線礦體圈定前的剖面圖。

礦體圈定可以采用單一指標或多指標來確定,銅綠山銅鐵礦采用單一指標來確定。利用MAPGIS固體礦產三維建模系統進行自動化礦體圈定,需要根據圈定原則設定好圈定方案,包括方案指標、元素特高值/極限值、預賦礦體產狀、比例尺、鉆孔彎曲繪制方式等內容。系統自動圈定礦體后,針對礦區的某些特殊要求,結合礦區勘探線剖面圖進行礦體連接,采用人機交互的方式對剖面上各類礦體的邊界進行修改繪制。圖6是4號勘探線圈定后的剖面圖。

圖5 4號勘探線剖面圖Fig.5 Profile of No.4 exploration line

圖6 4號勘探線圈定剖面圖及局部放大圖Fig.6 Delineation profile and local enlarging graph of No.4 exploration line

在礦區基本數據(包括地形、勘探線、工程、樣品等信息)及礦體圈定的基礎上,利用MAPGIS固體礦產三維建模系統提供的人機交互面積控制點添加工具,在剖面圖上進行礦體面繪制(對不同剖面上屬于同一礦體的邊界線采用三角面連接),形成礦體曲面,最終由一系列三角曲面圍成復雜曲面并封閉成體,從而形成三維礦體模型。

(1) 地表模型。地表模型主要由等高線或離散高程點獲得。等高線通過抽取特征點,轉換為離散高程點。離散高程點通過構建不規則三角網(TIN),形成地表模型。具體流程如下:

① 根據銅綠山礦區等高線數據,將原等高線數據庫平面圖(比例尺為1∶2 000)按1∶1 000投影(系統設定方案的比例尺是1∶1 000),導入到系統(如圖7左圖所示)。

圖7 礦區地形與地表三維模型對比圖Fig.7 Contrast diagram of three-dimensional model of topography and surface

② 通過“高程點三角化”和“礦區地形參數配置”模塊轉化并替代系統自動生成的礦區地形,如圖7右圖所示,通過對礦區地形數據的計算加工后,可獲得更加逼近真實環境的地表模型。

(2) 勘探線模型?？碧骄€模型的形態由勘探線測量控制點確定,生成的勘探線模型再結合地表模型,顯示為地表的曲線(圖8)。

圖8 銅綠山銅鐵礦礦區勘探線模型測量控制點示意圖Fig.8 Schematic diagram of surveying control points of exploration line in Tonglvshan copper-iron mining area

(3) 鉆孔模型。鉆孔模型由系統根據鉆孔基本信息、彎曲信息、分層信息自動生成。生成的三維鉆孔模型再根據樣品化學分析的數據范圍進行分段設色,能夠直觀展現不同成礦元素在Z方向上的變化情況。所建立的鉆孔模型可任意放大、縮小,直觀顯示鉆孔空間的位置及變化狀態,為三維地質體建模作準備(圖9)。

圖9 銅綠山銅鐵礦礦區鉆孔模型示意圖Fig.9 Schematic diagram of drilling model in Tonglvshan copper-iron mining area

(4) 礦體模型。通過交互式圈定單工程礦體范圍、連接剖面礦體面、剖面間連接礦體等主要過程后,系統自動生成礦體三維模型。礦體三維模型的建立能為礦區資源儲量估算等提供數據基礎。圖10是銅綠山銅鐵礦區XI號礦體三維模型建立示意圖。

2.2 外部剖面導入三維建模

基于外部剖面導入的建模方式是因為大量的礦區屬于已經完成地質勘查工作,且經過評審備案,資源儲量估算結果已經得到正式認可。這類礦區建立三維模型必須尊重原來的成果,因此在構建礦體模型的時候,不必再經過單工程礦體圈定的過程,也無需手動連接礦體剖面線,可以直接基于勘查成果中的剖面圖完成。具體來說,這種方式的三維建模主要經過數據整理與入庫、平面圖校正、剖面圖校正、礦體連接與模型生成等幾個過程(圖11)。

圖10 銅綠山銅鐵礦區XI號礦體模型示意圖Fig.10 Schematic diagram of No.11 ore body model in Tonglvshan copper-iron mining area

圖11 銅綠山礦區剖面圖導入三維建模流程圖Fig.11 Flow chart of three-dimensional model in profile

2.2.1 數據整理與入庫

數據整理、入庫的流程與自動化礦體圈定基本相同,區別在于勘探線、鉆孔等信息整理的目的不是為了圈定礦體,而是為了構建相應的勘探線模型、鉆孔模型。此外,基于外部剖面圖建模的方式還要求整理礦區平面圖和勘探線剖面圖。

礦區平面圖來自于勘查報告的實際材料圖或地形地質圖。主要包含地理信息、地質信息、勘探線布置、探礦工程布置信息等圖層,該圖用于地表模型的紋理貼圖,可以與生成的勘探線模型、鉆孔模型、礦體模型疊加驗證。

基于外部剖面圖三維建模的關鍵數據是原成果報告中的勘探線剖面圖。需要將所有的勘探線剖面圖收集齊全,然后轉換為MAPGIS格式的點、線、面。其中礦體邊界的圖層需要單獨提出,并且需要建立拓撲關系。生成礦體剖面面積,并且賦予面積、編號等屬性。

2.2.2 平面圖校正

收集到的平面地形地質圖的位置如果不是實際圖幅所在的地理坐標,需要對其進行校正與坐標轉換處理,轉換到地理坐標系中,確保能與礦區地面模型吻合。

平面圖校正采用的是分塊校正的方法,精度控制在1e-6,校正的具體過程如下:

(1) 采集控制點進行校正,因鉆孔在礦區基礎資料中有明確的地理坐標,且在平面圖中易識別,因此選取平面圖中均勻分布的鉆孔作為校正點。

(2) 讀取鉆孔基本信息表中鉆孔的(X,Y)坐標作為校正的理論值。

(3) 校正后,提取勘探線分布文件為單獨的線文件,并在屬性結構中添加字段“ktx”(字符串,15位)賦值為勘探線號。

2.2.3 剖面圖校正、建模數據的計算與提取

(1) 剖面圖首先需要轉換為MAPGIS格式,然后按圖12所示的方法對剖面圖進行校正。

(2) 計算并提取建模所需數據,導入基礎數據庫。

① 需要獲取勘探線起始點和終止點坐標,將圖12中提取的“勘探線.wl”轉換到選擇集視圖下查看其坐標序列,可得到起始和終止點的X(6位)/Z坐標,填入到勘探線基本信息表中。

② 選擇平面圖中校正后提取的勘探線文件,選擇好勘探線號以及字段ktx,輸入已知的X(6位),點擊計算交點,得到另一個坐標值Y,同樣填入勘探線基本信息表中。

③ 利用系統提供的礦山工具菜單下的“根據設置的信息轉換圖件”,源數據打開剖面校正處理后提取得到的“勘探線.wl”和“礦體面.wp”,轉換后獲得一個ktxDot_3D.txt文件,將其中的坐標序列提取至勘探線測量信息表中。

圖12 外部剖面導入法建模剖面圖的處理方法Fig.12 Processing method of introduction of graph technique profile

2.2.4 礦體連接及模型構建

基于外部勘探線剖面建模的礦體連接,筆者選擇對校正后的剖面圖上的礦體面進行連接。連接的過程中需仔細觀察原勘探線剖面圖的表示方法、連接規則、外推規則,依次利用三維系統的礦體連接功能實現,后續的模型連接剖面礦體面、剖面間連接礦體等主要過程后,系統自動生成礦體三維模型。

3 結語

銅綠山銅鐵礦床處于中國重要的礦集區內,工作程度高,地質資料豐富,如何有效地利用已有地質資料和現代化技術手段,匯集豐富的地質資料,以三維形態、多維時空動態可變化地展現礦區地表及地下地質情況,是危機礦山找尋接替資源的迫切需求,也是當前熱點研究領域。基于MAPGIS固體礦產三維建模系統的兩種建模方式,在分析整理大量基礎地質資料的基礎上,建立了銅綠山銅鐵礦區基礎地質數據庫,包括地表高程數據庫、勘探線數據庫、鉆孔基本信息數據庫、樣品分析基本數據庫等10類,構建了銅綠山銅鐵礦區的地表、勘探線、鉆孔、礦體等三維模型,在這些三維模型的支持下,比較形象直觀地再現了礦區地下礦體單元的空間形態及其相互關系。

兩種建模方式,均能比較順暢地完成礦區三維建模,但適應于不同的工作條件和需要。自動化礦體圈定建模的方法適合于新開展工作就全程使用本系統完成礦區建模全過程的情形,其模型質量較好,精度較高,并且不再需要傳統繪制剖面圖進行礦體圈定這個流程,能極大地減少礦區勘查過程中室內資料整理的工作量,提高工作效率。外部剖面圖導入建模的方式適合于已完成勘查工作的礦區,建立的模型精確度主要依賴于原勘查報告的質量,建模的結果適合于指導礦山生產及深部與外圍的再勘探。

總之,三維地質建模已經能夠應用于礦區地質資料整理與研究,模型建立以后,系統能夠根據地質資料的變化對數據進行修改或調整,相應的三維模型也將自動改變,為地質技術人員研究帶來極大的方便,指導礦山生產及深部與外圍的再勘探。本次研究為今后三維可視化分析與儲量估算等研究打下了堅實的基礎,相關經驗對類似礦區三維建模具有一定的借鑒意義。

[1] 明鏡.三維地質建模技術研究[J].地理與地理信息科學: 地球科學版,2011,27(4):14-18.

[2] 張夏林,陳國旭,綦廣,等.傳統資源儲量估算在 QuantyMine 數字礦山軟件中的實現及關鍵技術[J].吉林大學學報: 地球科學版,2011,41 ( S1):406-413.

[3] 劉文玉,吳湘濱,張寶,等.紅透山礦區三維地質建模與可視化研究[J].科技導報,2011,29(11):48-51.

[4] 孫瀟,陳建,房曉龍,等.云南羊拉銅礦三維地質建模及儲量計算[J].地質學刊,2012,36(3):326-332.

[5] 向中林,王妍,王潤懷,等.基于鉆孔數據的礦山三維地質建模及可視化過程研究[J].地質與勘探,2009,45(1):75-81.

[6] 李鈞,張澤湖,熊意林,等.湖北省大冶市銅綠山銅鐵礦床礦產資源儲量結算地質報告[R].大冶:湖北省第一地質大隊,2005.

(責任編輯：陳文寶)

Application of 3D Modeling in Tonglvshan Copper-Iron Mining Area

ZHAO Yijun, MAO Xiaomei, WANG Mian

(HubeiGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430034)

The 3D modeling method based on MAPGIS solid-mineral platform for Tonglvshan mining area is studied in this paper.On the basis of the data,that had been collected and sorted out from geological maps,topographic maps,geological sections,drilling,and other engineering surveys,the geological database is established.Two different 3D modeling methods,automated delineation of ore deposits and importation of external geological section maps,are applied in the study.The trend and fine changes of underground orebody 3D distribution are also demonstrated in the paper.These experiences will have certain reference values for similar mine 3D modeling.

MAPGIS; geological data bank; 3D modeling; Tonglvshan

2015-05-15;改回日期:2015-06-11

趙逸君(1980-),女,工程師,碩士,計算機應用技術專業,從事地理信息和地質信息化工作。E-mail:66479579@qq.com

P628+.4; P618.41

A

1671-1211(2015)04-0503-07

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201504028

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150619.1501.018.html 數字出版日期:2015-06-19 13:33