復雜基巖區淺層三維地質模型構建新方法研究

劉 星，劉文中，王興陣

（安徽理工大學 地球與環境學院，安徽 淮南 232001）

基巖區地質結構復雜，與人類生產活動密切相關，其3D地質模型的構建不同于構造簡單的平原區，對該類型區域進行三維地質模型的建立的重要性不言而喻[1]。

三維地質建?？梢詰糜趪窠洕母鱾€行業，如城市地質、工程地質、環境地質、金屬開采等，有助于提高人們開發地下資源和利用地下空間的效率。

1 三維地質模型建立的常用方法

相比二維地質填圖，三維地質體模型的構建需更多來自地表以下的地質信息[2]。在實際工作中，通過鉆孔為主要手段獲取地下地質構造信息，進行地層對比建立三維模型（圖1），適合于構造比較簡單的層狀地質體建模，而且對于基巖區而言，地質構造切割復雜，同時難以獲取如此多的鉆孔數據，模型精度無法得到保證。通過剖面圖建立三維地質模型，適用于地質構造復雜區域，但需要大量的剖面制作和地質推斷，并且很多地質體和構造尖滅位置不一定位于剖面上，并且剖面的假圖面坐標難以進行三維轉換（圖2)。利用地球物理資料進行深部巖性約束進行三維地質模型建立，需要對地球物理數據進行解釋，建立地質體的邊界文件，其原理與基于剖面建模是一致的[3]。

地表地質信息事實上也揭示了一定深度的地質信息，如果能夠直接利用二維地質成果，避開大量剖面的解譯和復雜的地質邊界連接[4]，經過簡單的構造和地質推斷，建立三維立體模型，不失為一種有效的三維模型建立方法。

圖1 利用鉆孔對比建立三維地質模型

圖2 利用剖面對比建立三維地質模型

2 基于地質填圖圖件的三維地質模型建立

2.1 產狀對地質邊界的約束

由于數字化的地質平面圖已經將地表地質體邊界和構造行跡展布進行了記錄，并且描述了地層和構造的產狀[5]，而地層產狀本身就是為了描述地質體的空間（包括地下）延展而存在的，三維地質模型的建立，需要利用二維填圖成果合理推算地下一定深度的地質信息，其流程如下：

假設存在某段產狀穩定的地質體，該地質體邊界已經明確，具備二維坐標，如圖3，依據以下公式：

圖3 地質體地下展布的構造解析

圖4 三維地質模型的建立

可以分別計算某地質體邊界在地下的偏移量dx，dy，式中，h為地質體沿產狀向地下延伸的深度，α，β分別表示地質體的傾角和傾向。

對于構造形跡尤其是斷裂的地下延展，該方法尤其適用，對于侵入巖體，由于沒有產狀信息，可以根據侵入體與圍巖的接觸關系，進行地質推斷，估算其邊界在某個深度的展布，上述方法可以得到不同地質體邊界在地下的約束分布。

2.2 地形對地質體層面的約束

地形對地質體、構造露頭的約束相對較為簡單，將對應的地質體的邊界形成面元素，通過垂直投影的方式，將DEM高程影射至面元素的各個節點之上，即可完成地形對地質體的約束，同樣，對于諸如斷裂展布、礦點分布的三維模型均可通過該方法完成。

2.3 地質層面構體

三維地質模型的目標是將同類地層體封閉為一個體，上述方法已經生成了各個地質體的地表層面和地下某深度的邊界層面，將同類地質邊界的層面進行連接，則形成了地質體的三維實體，該實體可以利用表面模型表達或者利用三維柵格體元進行渲染（圖4）。

該流程可以在GOCAD軟件中完成，從上述過程來看，難度和工作量均比傳統方法降低。

3 三維地質模型應用

三維地質模型的建立，目的是為了應用，否則就沒有意義[6]。針對建立好的三維地質模型，可以在以下功能上進行應用。

3.1 三維顯示功能

對三維地質模型進行三維操作，如平移、旋轉、縮放等，便于從不同角度、不同方位、不同比例尺觀看并理解地質體之間、地質體與構造之間的空間展布和聯系。

3.2 空間檢索

給定一定地理范圍和深度，將滿足條件的三維實體進行提取，結合三維地質屬性模型，對于了解地質體內部應力分布、品位分布及其與巖性、構造之間的聯系有清晰的作用。也可以通過這種方式展示單個、多個地質體的組合形態及地質體之間的穿插、接觸關系。

3.3 開挖計算

在地質工程實踐中，開挖設計及相關計算是必不可少環節，三維地質模型建立后，可以在此基礎上進行三維分開挖分析和可視化，進行土方量計算，預判開挖過程會遇見的不良地質和不良地質構造，降低工程風險。

3.4 空間切片 （slice）

該功能適合在三維屬性地質模型上展示，通過設定一定深度，將該深度以上的地質體剝離，觀察該深度上的地質狀況。該切片屬于水平切片，同樣可以指定一段折線，在三維地質模型上獲取該折線對應的剖面地質信息。

3.5 剖面自動成圖

三維地質模型上獲取的剖面只適用于觀察，難以進行地質成圖，需要將剖面上的同類地質體進行屬性追蹤，形成矢量形式的邊界，導出為CAD格式進行編輯整飾。

4 總結

針對基巖區三維地質模型建立難度大的問題，在不增加額外工程量的情況下，本文提出了一種簡易而有效的三維地質模型建立方法，并能夠在生產中實際應用。其原理和流程是二維地質圖的延伸擴展，易于理解和掌握，有助于提高地質信息進一步應用，并對三維地質模型的一些應用功能進行了論述。

由于本文是根據地表產狀信息推測地質體的延展，因而建模的深度不宜過大。