江西樂安相山火山盆地多源數據融合三維地質建模

吳志春,郭福生a,b,張萬良,應陽根,周萬蓬b,c,李 程b

(1.東華理工大學 a.核資源與環境國家重點實驗室; b.地球科學學院; c.江西省數字國土重點實驗室, 南昌 330013;2.核工業270研究所,南昌 330200; 3.江西省核工業261大隊, 江西 鷹潭 344400)

隨著礦床勘查工作的不斷深入,尋找深部富大礦體已成為當前及今后我國找礦勘查的主要方向。對已有數據進行多源數據集成與三維可視化建模,可使深部地質體“透明”化、(半)定量化,指導找礦勘探“攻深找盲”,降低找礦風險,這已成為當今地質界的共識。我國的三維地質建模研究始于20世紀80年代,經過30余年的快速發展,三維地質建模技術已在地下水資源調查、地質災害防治、水利工程建設、城市建設、油氣勘探、礦山建設、深部找礦等領域得到廣泛應用[1-7]。

建模數據的多源性是三維地質建模重要特點之一,多源數據建模的關鍵是如何將這些數據進行有機融合提高建模精度和可靠性。地質體和地質現象的復雜性,建模數據的離散性、數據類型的多樣性、地質解譯的多解性,這給三維地質建模增加了難度[8-9]。另一方面,建模數據獲取難、成本高、數量有限,但又得不到充分利用。因此,需要對各種來源、不同精度和分辨率的數據進行有效融合,盡可能充分利用已有數據,提高建模精度和可靠性。

相山火山盆地是我國第一、世界第三大火山巖型鈾礦田產地,已有60多年的探采歷史,積累了大量地質、物探、化探、遙感、鉆探等數據。受勘探技術手段的制約,以往相山火山盆地找礦勘探深度普遍較淺,主要集中在500 m以淺。近年來,隨著勘探深度的增加,在盆地西部鄒家山、居隆庵等礦床的深部鉆探中發現鈾礦化在深部具有變富變大的趨勢,甚至超過1 km的深度依然存在較好的工業品位鈾礦化[10]。由此可見，在深部依然具有較好的找礦潛力。因此,在對深部鉆探找礦之前,綜合利用已有地質、物探、遙感、鉆探等多源數據構建三維地質建模,使深部地質體“透明”化、(半)定量化具有必要性。

1 不同建模方法比較

三維地質建模的關鍵是運用獲取的多源數據選擇合適的建模方法快速、準確構建地質界面,并建立地質界面之間的空間拓撲關系, 從而形成地質體的面模型,實現三維計算機模擬[11]。按建模數據源類型的不同,建模方法可以分為鉆孔建模、地質剖面建模、物探數據建模、多源數據融合建模等[12]。這些建模方法各有優缺點(表1),在建模過程中應多種方法相結合使用。

表1 不同建模方法優劣比較Table 1 Comparison of the advantages and disadvantages of different modeling methods

2 多源數據融合方法及約束建模技術

2.1 多源數據融合方法

三維地質建模數據具有來源眾多、格式各異、精度差異大、分布離散等特點,數據綜合利用難度大,從而導致構建的三維地質模型精度不高,復雜地質體數據控制不夠等問題。通過多源數據融合,充分利用已有的建模數據,彌補單一數據建模的不足,提高模型精度和可靠性。三維地質建模的數據融合包含兩方面的內容:一是數據參照系的融合,即在同一坐標系下進行數據集成;二是地質認知的融合,就是保持不同來源地質數據之間的地質意義上具有一致性[38]。根據建模流程的先后順序,數據參照系的融合又可以細分為數據源的集成和幾何空間的集成兩個關鍵步驟。三維地質建模過程中的多源數據融合,關鍵是地質認知的融合。

2.1.1 數據源的集成 數據源的集成主要是對各種不同來源的建模數據進行標準化處理,為建模數據導入建模軟件做準備。數據源的集成通常從以下三方面對建模數據進行處理。

(1)統一數據格式。建模數據具來源多、類型多、格式多等特點,要對這些數據進行整合,必須先對數據的格式進行統一。建模數據的處理需要用到多種不同的軟件,本次建模數據的處理用到的軟件主要有Mapgis 6.7、DGSInfo、CAD、Oasis montaj、CSAMT-SW等。將這些不同軟件的矢量數據轉換成Mapgis 6.7軟件能夠讀取的點(.wt)、 線(.wl)、 面(.wp)格式, 柵格數據轉換成.tif格式或Mapgis軟件能夠讀取的柵格數據格式(.msi),散點數據轉換成文本文件格式。

(2)統一比例尺、坐標系和投影參數。多源數據融合的前提是各數據空間位置具有一致性。建模數據來自不同行業、不同學科、不同單位,獲取數據的時間跨度大,導致數據所采用的比例尺、坐標系和投影參數各異,應將所有的建模數據統一到相同的三維空間內,也就是將所有建模數據的比例尺、坐標系、投影參數進行統一。

在Mapgis軟件的“投影變換”模塊中完成矢量數據的投影變換, 在“圖像處理”模塊中實現柵格數據的投影變換。 根據建模數據的特點, 建議坐標系類型采用平面直角坐標系, 橢球參數選用國家2000坐標系, 投影類型采用高斯克呂格(等角橫切橢圓柱)投影, 比例尺為1∶1 000(僅為顯示比例尺, 不代表精度),采用3°分帶,帶號根據研究區所處地理位置計算獲得。

(3)統一建模單元。在建模數據中,同一個地質體可能存在用不同地質代號表示。因此,需要綜合研究前人資料,總結最新研究成果,對不同時期、不同單位的資料進行整合,修改多源數據中的地質代號,構建統一的建模單元。

2.1.2 幾何空間的集成 數據源集成之后的建模數據依然是以二維數據集的形式呈現。將建模數據導入建模軟件,通過數據三維空間定位、地表平面數據三維轉換等處理,實現多源數據在三維空間下的集成,構建原始資料數據庫。

(1)數據三維空間定位。將Mapgis軟件的點(.wt)、 線(.wl)、 面(.wp)格式數據分別轉換成.dxf格式, .msi格式數據轉換成.tif格式, 分別導入建模軟件。.dxf格式數據和文本數據能夠自帶坐標信息, 導入軟件后,數據能夠自動精確定位, 無需再次校正。 .tif格式數據, 則需要提供圖像的4個端點坐標進行重新定位。

(2)平面數據三維轉換。等高線、鉆孔、重磁三維數據體等數據導入建模軟件后,能夠自動形成三維數據。勘探線剖面圖、中段平面圖、物探剖面圖等,經過三維空間定位,也能夠實現三維顯示。而矢量(或柵格)地質圖、遙感影像圖、地質填圖路線等數據,缺少高程屬性,需要借助DEM面進行三維轉換。

2.1.3 地質認知的融合 數據源的集成和幾何空間的集成主要是針對多源數據空間位置的統一,而地質認知的融合更多是針對多源數據的地質內容的統一。根據建模數據的特點,地質認知的融合細分為不同精度數據的融合、規則數據與離散數據的融合、地表數據之間的融合、淺部數據與深部數據的融合等內容。

(1)不同精度數據的融合。按精度和可靠性,對建模數據劃分等級,用高精度數據約束、修正低精度數據,實現不同精度數據之間的融合。在相山火山盆地三維地質建模中,數據主要有鉆孔、勘探線剖面圖、中段平面圖、地表填圖路線數據、實測地質剖面、地質圖、大地電磁測深(MT)剖面、 可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)剖面、重磁三維數據體等。其中,鉆孔、勘探線剖面圖、中段平面圖、地表填圖路線數據、實測地質剖面、地質圖等數據屬于高精度數據,MT、CSAMT剖面屬于中等精度數據,重、磁三維數據體屬于低精度數據。同一精度級別的數據,也存在精度和可靠性相對高低,如大比例尺礦床綜合地質圖,地質填圖路線、實測地質剖面的精度高于1/5萬地質圖。

(2)規則數據與離散數據的融合。根據數據的分布范圍、深度、精度等特點,分層次、分階段建模,實現規則數據與離散數據的融合。勘探線剖面圖、中段平面圖、MT剖面、CSAMT剖面主要是平行等間距排列,具有明顯的規律性,數據使用方便。鉆孔、地質填圖路線、實測地質剖面等數據,分布離散,規律性不明顯,要一次性將這些數據融合難度較大。根據數據的特點,從小到大、由淺到深分層次、分階段建模,先構建范圍小、深度淺、精度高、數據密集的模型,后構建范圍大、深度大、精度低、數據離散的模型,已構建的模型直接作為后期建模的數據源。隨著建模范圍和建模深度的增大,需要融合的數據類型和數量逐漸減少,前期構建的高精度模型可以約束后期構建的模型,該方法不僅實現了規則數據與離散數據的融合,而且有效提高了建模精度和效率。

(3)地表數據之間的融合。地表數據主要有地質圖、遙感影像圖、地質填圖路線、實測地質剖面等,這些數據的融合需要借助DEM面。矢量地質圖導入建模軟件之后,加密地質界線中的節點,將地質界線在z軸方向上投影到DEM面,確保地質界線與DEM面完全重合。運用地質界線裁剪DEM面,生成大量小塊的DEM面,每個小塊DEM面對應地質圖中的地質體。根據填圖單元對小塊DEM面進行歸類分組,修改每一類DEM面的顏色,并添加填圖單元代號,形成三維矢量地質圖;遙感影像圖、地質圖等平面柵格圖作為DEM面的紋理,使平面圖變成跟實際地形情況相一致的具有高低起伏的立體圖;地質填圖路線和實測地質剖面的處理,先將實測地質剖面轉換成地質填圖路線,將地質填圖路線的地質點、分段路線、點間界線等要素分別投影到DEM面,投影到DEM面后的點間界線和對應的產狀生成分段地質界面。處理后的地質點、分段路線、點間界線、分段地質界面等數據構成了地質填圖路線剖面。矢量地質圖、柵格地質圖、遙感影像圖、地質填圖路線剖面等數據都建立在DEM面之上,實現了地表不同數據之間的融合。

(4)淺部與深部數據的融合。分層次、分階段建模,不僅可以實現規則數據與離散數據的融合,而且在地表數據與深部數據的融合中也起到了重要作用。對前一階段用地表地質填圖數據構建的淺表層三維地質模型,切制與CSAMT、MT位置相同的地質剖面,用于CSAMT、MT剖面的反演及地質解譯。同時,前期構建的三維地質模型也可以為后期的三維地質建模提供參考與約束,后期構建的模型又可以返回修正、完善前期構建的淺部三維地質模型,這是一個反復約束,不斷修改完善的過程。在相山火山盆地三維地質建模的數據中,擁有大量地表數據和深部數據,將地表數據與深部數據進行有機融合可以有效解決建模數據的不足。

根據淺部和深部建模數據,在地質屬性的約束下,通過人機交互的方式,運用約束-插值技術進行數據插值,插值后的數據體既與已有數據相吻合,又符合地質規律和實際情況,且數據之間能平滑過渡。例如,地質填圖路線與鉆孔的融合,地質界線在產狀的約束下可向深部延伸一定距離,但是可延伸的深度有限。在對地質體三維形態宏觀把握的基礎上,在地表地質界線、產狀、鉆孔等的約束下,通過約束、插值、平滑等處理實現地表填圖數據與鉆孔的融合(圖1)。當三維地質模型構建好后,隨著后期數據的增加,運用該技術可以實現模型的快速更新。

圖1 地表地質填圖數據與鉆孔數據相融合Fig.1 Merging of surface geologic data and boreholea—原始建模數據;b—地表地質填圖數據根據產狀向深部延伸的地質界線;c—未進行約束-插值處理的地質界線;d—約束-插值處理后的地質界線。1—地質點及編號;2—鉆孔及編號;3—控制點;4—節點;5—地質界線;6—地表產狀生成的地質界線

2.2 約束建模技術

約束-插值技術是極為重要的建模技術,該技術貫穿于模型構建的始終[39]。獲取的建模數據具有不均勻性和不連續性,在復雜地質體建模過程中總是數據不足,運用約束-插值技術,在已有數據和地質屬性的約束下,通過人機交互,對數據空白區進行數據插值來彌補建模數據的不足。多源數據融合過程中, 常運用高精度數據約束、 校正低精度數據,也就是將高精度數據作為約束數據,對低精度數據進行插值處理,修改、調整低精度數據,使其與高精度數據相吻合。同時,約束-插值技術的使用,減少了對點、線、面的人機交互操作次數,大量重復、復雜的人機交互操作得以快速、(半)自動完成,提高了建模效率。建模過程中常用的約束方法主要有節點連接、控制節點、點對線約束、點(線)對面約束、面的邊界約束、面的端點約束、地層厚度的約束等。

(1)節點連接。 未設置節點連接約束時, 連接兩條線生成面, 線的連接以最近距離的原則進行連接, 即一條線中的節點與另一條線中距離該節點最近的節點相連接。 設置節點連接約束后, 2條線之間的節點連接方向則與約束方向保持一致。 在復雜地質界面的構建過程中, 是否設置節點連接所構建的地質界面可能存在較大差異(圖2)。 在褶皺構造的構建時, 需要在褶皺的核部設置節點連接, 確保相鄰地質界線連接方向的準確性, 使褶皺形態能夠被準確表達。 由此可知, 目前三維地質建模無法實現完全自動化, 需要在建模人員對地質體三維空間展布特征、 地質體之間的穿插關系具有較好的理解下進行大量人機交互操作。

圖2 未運用(a)與運用(b)“節點連接”生成的面效果對比Fig.2 Comparison of the surfaces generated by unusing(a) and using(b) “node link”

(2)控制節點。控制節點約束可以分為線的控制節點約束和面的控制節點約束。 運用控制節點約束, 在插值過程中可以確保受約束部分的線或面的空間位置不發生改變,僅改變未被約束部分節點的空間位置。控制節點約束可以對線或面中的部分節點進行約束,也可以對全部節點進行約束。當對全部節點進行約束時,插值處理時線和面都不會發生任何變化。當對線或面中部分節點約束時,未被約束的節點的空間位置會發生調整,從而使線或面的空間形態發生變化。

節點約束功能在復雜地質界面的構建過程中使用頻率較高, 主要用于復雜地質界面的局部修改、 復雜地質界面的組合等方面。 復雜地質界面構建時, 構建的地質界面局部可能與已知數據不吻合, 與已知數據相吻合部分的地質界面設置控制節點約束, 運用點對面約束功能調整不吻合部分地質界面; 復雜地質界面的構建難度較大, 通常將其劃分成若干個簡單地質界面分別進行構建, 再將構建好的簡單地質界面組合生成復雜地質界面， 在組合過程中, 拼接部位不一定能夠平滑過渡, 常需要通過節點約束功能調整該部分地質界面, 使整個復雜地質界面平滑過渡, 并與實際情況相符。

(3)點對線約束。目的是通過調整線的三維形狀,使線能夠通過所有約束點,曲線又能夠平滑變化。該約束方法常用于實現散點、鉆孔等數據與地質界線數據的融合。該約束方法的實現有3個關鍵步驟:①加密線中的節點,確保線發生較大變化后依然能夠平滑過渡;②設置線的控制節點約束和點對線的約束方向；③當線中已有高精度數據控制的部分應保持其空間位置不變,此時需要設置控制節點約束。點對線的約束方向設置有兩個目的：一是使線靠近散點方向，默認的方向是最短距離連線方向,可以通過設置點對線的約束方向修改線的運動方向；二是確定執行一次插值處理能夠改變線的幅度,當給定的矢量方向數值越大,執行單次插值操作,改變線的幅度越大。

(4)點(線)對面約束。該約束方法主要應用于地質界面的構建與更新。在分層次、分階段建模中,上一階段構建的模型地質界面可以直接作為建模數據直接參與下一階段模型地質界面的構建,也可以作為下一階段模型地質界面構建的約束數據。在剖面建模過程中,地質界面的構建遵循“主要建模數據構建初始地質界面,高精度數據約束、修正初始地質界面,實現所構建的地質界面與所有數據能夠相吻合”的建模原則。運用約束-插值技術實現該原則的方法簡單,只需設置節點連接約束,連接相鄰地質界線生成初始地質界面,運用鉆孔等高精度數據約束、修正初始地質界面,使生成的地質界面與地質剖面、鉆孔等數據相吻合。隨著勘探程度的深入和獲取建模數據的增加,需要對模型的局部進行調整,只需要將新增數據轉換成散點或線,通過點(線)對面約束功能實現地質界面的快速、自動更新,從而實現對模型的更新。

(5)面的邊界約束。 該約束方法主要用于控制面的邊界變化, 既可以用于面的范圍變化的控制, 也可以用于面的邊界方向調整的控制。 在進行其他約束-插值處理時, 為了不改變面的范圍, 需要運用面的邊界約束功能確保面的邊界變化在可控的范圍內。 如果要讓面的邊界空間位置不發生改變, 則需要對邊界中的節點進行控制節點約束。

當斷層將地質界面錯斷成兩部分,斷層兩側的地質界面應緊靠斷層面。運用面的邊界約束實現該效果的方法是：首先在地質界面的邊界上增加端點,將邊界細分成數段；然后對需要延伸的邊界設置面的邊界約束,約束方向為邊界指向斷層面；最后執行插值處理后,地質界面的邊界會自動延伸并靠近斷層面。

(6)面的端點約束。該約束方法的作用是讓一個面的邊界端點緊靠另一個面的邊界。當一條斷層將另一條斷層錯斷,被錯斷的斷層面在執行面的邊界約束之后,老斷層的邊界能夠緊靠新斷層面,但是老斷層的邊界端點不一定能夠與新斷層邊界對齊,通過面的端點約束處理,端點能自動靠近對應面的邊界。

(7)地層厚度約束。在地層厚度穩定的沉積巖區三維地質建模,運用地層厚度約束功能能夠確保構建的兩個地質界面之間的厚度始終保持一致。運用該約束方法,地層頂界面和底界面之間相互約束、修正,可以有效提高所建地質界面的精度。該方法也可用于地質界線與地質界面的距離約束,使線到面的距離始終保持一致。

3 相山火山盆地不同類型數據源及其特點

2010—2015年, 筆者等參與了“江西省1/5萬陀上、 鹿岡、 樂安縣幅區域地質調查”、 “相山火山盆地三維地質調查”等工作,獲取了相山火山盆地大量建模數據,主要有地表填圖數據、鉆孔、勘探線剖面、中段平面圖、MT、CSAMT、遙感影像、重磁數據等。

3.1 地表填圖數據

地表填圖數據主要有實測地質剖面、地質填圖路線和地質圖。地質圖包括填圖獲取的1/5萬地質圖和收集的大比例尺礦床綜合地質圖。相山火山盆地的范圍涉及1/5萬圖幅有陀上幅、宜黃幅、樂安縣幅、二都幅等圖幅,其中陀上幅范圍占58.4%,樂安縣幅占21.3%,剩余的2個圖幅共占20.3%(圖3)。 地表地質填圖過程中獲取了大量填圖路線PRB(P, 地質點; R, 分段路線; B, 點間界線)數據,PRB中包含了地質點、分段路線、點間界線、產狀、樣品、素描等信息,該類數據具有數據豐富、準確性高、連續性好、易獲取、成本低等優點,是三維地質建模的重要數據源。

在填圖過程中, 根據地質體控制程度, 在局部地區適當加密填圖路線, 并在重點區填繪了1/1萬地質圖。 陀上幅范圍內, 1/5萬填圖路線232條, 實測地質剖面19條, 總長度達812.5 km; 1/1萬填圖路線39條, 路線總長度為51.2 km。 通過地表地質填圖, 查明了各地質體地表出露情況、 巖性組合及產狀等要素, 揭示了盆地三維地質結構。

3.2 鉆孔

在盆地范圍內,優選了深度較大、揭露地質界面較多的鉆孔1 459孔,這些鉆孔的平均深度為501 m。鉆孔數據整體分布不均勻,主要位于盆地的西部和北部(圖3)。鉆孔數據由鉆孔位置表、測斜表和巖性表3個表格組成,鉆孔位置表包含鉆孔名稱、坐標(x,y,z)、鉆孔深度等信息,鉆孔測斜表包含鉆孔名稱、終孔深度、傾角、方位角等信息,鉆孔巖性表包含鉆孔名稱、分層深度、分層等信息。

3.3 勘探線剖面圖、中段平面圖

收集的勘探線剖面圖349幅,中段平面圖34幅,圖面面積達280 m2，主要分布于相山北部、西部和東部的云際礦床。同一個礦床內,勘探線剖面圖間距為50 m,中段平面圖間距為40 m。圖件投影參數類型多樣,橢球參數有北京54坐標系、西安80坐標系、國家2000坐標系等,比例尺主要以1∶500和1∶1 000為主。數據格式類型多樣,主要以圖片格式、Mapgis軟件格式、CAD軟件格式等為主。

3.4 大地電磁測深(MT、CSAMT)剖面

在鄒家山-石洞地區施測了14條CSAMT剖面,線距500 m,點距50 m,共1 198個測點,總長59 km,探測深度3 km。以最高峰相山頂為交匯點,布置了2條十字形交叉橫跨盆地的MT骨干剖面,點距1 km,測點共86個,測線總長84 km,探測深度為5 km。17條MT精細剖面覆蓋整個盆地,線距2 km,點距250 m,測點共1 134個,測線總長265 km,探測深度為3 km。MT精細剖面中的15條NW-SE走向的剖面平行排列覆蓋整個盆地,2條NE-SW走向剖面位于盆地北部。

CSAMT數據的數據預處理和反演分布在CMT Pro version和CSAMT-SW軟件中完成。MT數據在SSMT2000軟件中處理完成。結合測量的物性數據及已有地表填圖數據、鉆孔、勘探線剖面、中段平面圖、重磁三維數據體等資料,對CSAMT、MT進行地質解譯。

3.5 遙感影像

影像數據有TM、ETM+、ALOS、ASTER等,主要用于巖石地層、侵入巖體、斷裂構造、火山機構、蝕變帶等的解譯。高空間分辨率的ALOS遙感影像用于巖性、構造解譯,通過解譯發現線性構造以北東向、北西向、近南北向為主,且發育有復雜的環形構造(圖3)。 以相山頂為中心的大環形構造和以河元背、石宜坑、陽家山、嚴坑、柏昌為中心的小環形構造,分別與相山頂主火山口和河元背、石宜坑、陽家山、嚴坑、柏昌次火山口相對應[40]。用光譜分辨率較高的TM、ETM+、ASTER影像提取蝕變異常信息,用TM、ETM+提取鐵化、泥化蝕變異常信息,ASTER提取水云母化、綠泥石蝕變信息[41-42]。

3.6 重力、磁化率數據

收集的重力數據為1/5萬地面觀測數據,磁化率數據為1/2.5萬地面高精度磁測數據,兩者的覆蓋范圍不一致,略小于研究區范圍(圖3)。用Geosoft公司開發的Oasis montaj軟件求取異常值進行重力、磁化率數據的三維反演,反演深度為3 km,獲得了重力、磁化率三維數據體[43]。三維重力、磁力數據體網格大小劃分相同,為125 m×125 m×65.5 m(長×寬×高)。

4 相山火山盆地三維地質建模流程

相山火山盆地三維地質建模,根據不同數據的分布范圍、深度、精度等特點,采用多種建模方法相結合,從小到大、由淺到深,分層次、分階段構建4個層次的模型(圖4):第1層次的模型為運用鉆孔、勘探線剖面圖、中段平面圖、大比例尺綜合地質圖等數據構建的范圍小、精度高、深度淺的鄒家山礦床模型、沙洲礦床模型和云際礦床模型;第2層次模型的構建是在第一個層次模型的基礎之上,由點到面,以地質填圖路線、實測地質剖面、地質圖等為主要建模數據,3個礦床模型的地質界面為約束數據,構建范圍更大、精度高、深度與礦床模型相當的1/5萬陀上幅三維地質模型;第3層次模型的構建,是在前兩個層次模型的基礎上,模型深度由淺到深,以14條CSAMT剖面為主要建模數據,前兩個層次三維地質模型地質界面為約束數據,構建深度更大的鄒家山-居隆庵三維地質模型;第4層次模型構建,在前三個層次模型的基礎上,以19條MT剖面為主要建模數據,已有模型和其他數據為約束數據,構建的范圍大、精度高、深度大的相山火山盆地三維地質模型。

圖4 分層次、分階段建模流程圖Fig.4 Flow chart of hierarchical and stage modeling

不同模型的構建,使用的建模數據和建模范圍不同。模型地質界面的構建采用“主要建模數據構建初始地質界面, 高精度約束數據約束已構建的初始地質界面, 構建的地質界面能與所有數據相吻合”的思路。 該思路的實現關鍵是節點連接、 控制節點、 點對線約束、 點(線)對面約束、面的邊界約束、面的端點約束、地層厚度約束等約束-插值技術的合理組合運用。同時,在地質界面構建之前,確定不同模型的主要建模數據和約束數據也至關重要。主要建模數據需覆蓋整個建模區,單獨使用這些數據就能夠較好地實現模型的構建,約束數據只是提高所建模型的可靠性和精度。約束數據通常精度高,但數據量有限,分布相對零散,僅用這些數據無法實現整個模型的構建。不同層次模型的數據類型劃分見表2。

表2 建模數據源類型劃分Table 2 Different modeling data source types

4.1 礦床三維地質模型

礦床三維地質建模采用鉆孔建模與剖面建模相結合的方法。鉆孔分布密集的層狀、似層狀地質體界面的構建采用鉆孔建模的方法。 將鉆孔的界面點作為散點數據,在GOCAD軟件的構造建模流程(structural modeling workflow, SMW)模塊中自動、快速構建。SMW模塊中構建地質界面時,可以根據地質界面屬性進行數據插值,自動、快速、準確地構建地質界面,且可以快速調整面中三角網的大小。

巖體界面、多值曲面等復雜地質界面的構建,鉆孔建模方法無法實現,需采用剖面建模的方法。復雜地質界面的構建可以分為3個關鍵步驟(圖5):① 根據地質界面的復雜程度,將復雜地質界面劃分成若干個相對簡單的地質界面。劃分的地質界面個數不宜太多或太少,如果劃分的個數太多,單個地質界面的構建簡單,但后期地質界面的組合難度大。劃分的地質界面太少,單個簡單地質界面的構建難度會較大,但地質界面的組合會更簡單。② 運用剖面建模方法分別對簡單地質界面進行構建。在地質界面的構建之前,根據已有建模數據(鉆孔、 勘探線剖面、 中段平面圖等),建模人員在大腦中構建三維地質界面，根據腦海中的地質界面三維形態,合理設置相鄰地質界線之間的節點連接約束。通過連接地質界線生成初始地質界面,運用鉆孔、地質圖等數據約束已構建的初始地質界面,通過約束、插值、平滑等處理使地質界面與所有建模數據相吻合,且地質界面能夠平滑過渡。③ 根據構建的簡單地質界面組合生成復雜地質界面。將簡單地質界面之間進行互相裁剪,剔除交叉多余部分的地質界面。將裁剪后的地質界面合并生成復雜地質界面,運用點對面約束、線對面約束、節點約束、局部約束等約束方法,結合節點、三角網等編輯功能和面平滑、優化等功能對拼接部位進行處理,使地質界面整體變得平滑過渡,符合實際情況和地質規律。

圖5 復雜巖體界面構建流程Fig.5 Flow chart of building branched rock interface①—多個巖體界面疊合顯示;②—多個巖體界面互相裁剪;③—對巖體界面進行約束-平滑處理;④—組合生成巖體模型

分別從相山西部成礦區、北部成礦區、東部成礦區各選了一個典型鈾礦床進行三維地質建模,這3個礦床分別為鄒家山礦床、沙洲礦床和云際礦床。以地形圖、鉆孔、勘探線剖面圖、中段平面圖、大比例尺礦床綜合地質圖等高精度數據為建模數據源,構建了3個范圍較小、精度高、深度淺的精細礦床三維地質模型。

鄒家山礦床三維地質建模：建模數據主要有鉆孔415孔、勘探線剖面圖26幅和中段平面圖10幅；沙洲礦床三維地質建模：建模數據主要有鉆孔256孔、勘探線剖面圖38幅和中段平面圖5幅；云際礦床三維地質建模：建模數據主要有鉆孔39孔、勘探線剖面35幅。模型范圍以礦床范圍為邊界,建模單元和模型深度與勘探資料相一致。鄒家山礦床建模面積約1 km2,建模深度約1 km；沙洲礦床建模面積約0.83 km2,建模深度約360 m；云際礦床建模(圖6)面積約3.5 km2,建模深度約415 m。

圖6 云際礦床三維地質模型Fig.6 3D geological model of Yunji deposit1—第四系;2—鵝湖嶺組二段過渡相;3—鵝湖嶺組二段邊緣相;4—沙洲單元;5—斷層

4.2 陀上幅三維地質模型

通過上述3個礦床模型的構建,對盆地內主要地質體的空間展布特征有了更深入的理解,為大范圍的淺部三維地質建模作準備。礦床模型的建模單元與1/5萬陀上幅的地質填圖單元能夠相對應,構建的地質界面可以直接用于陀上幅三維地質模型的構建。在3個礦床模型的基礎之上,以地表地質填圖路線和實測地質剖面為主要建模數據,綜合運用這3個礦床之外的勘探線剖面圖、中段平面圖、大比例尺綜合地質圖、鉆孔等數據,構建深度為500 m的1/5萬陀上幅三維地質模型。

數字地質填圖數據屬性齊全、規范化好,極大方便了該數據的二次開發利用,這為填圖路線數據作為三維地質建模的數據源提供了基礎。筆者提出了基于地質填圖路線和實測地質剖面直接構建淺表層三維地質模型的方法[44-46],具體建模流程見圖7。整個建模過程包括數據預處理、構建原始資料數據庫、地質界面的構建、模型的組合等4個關鍵步驟,其中地質界面的構建最為關鍵。

圖7 數字地質填圖路線建模流程圖Fig.7 Flow chart of digital geological mapping route model ①主要建模數據;②約束數據;③構建地質界面;④模型組合

根據陀上幅三維地質模型的實際情況, 按地質界面的構建方法不同, 地質界面的類型大致劃分為模型邊界面、 DEM面、 第四系界面和上覆殘留地層、 斷層面和層狀地質體界面、 巖體界面、 俘虜體界面等不同類型的地質界面。 在地質界面的構建過程中應遵循3個重要原則:①“B過程和產狀數據為主要建模數據, 地下高精度數據為約束數據”的原則， 使構建的地質界面能與地表填圖數據和地下數據都能夠完全吻合, 且平滑過渡; ②“先構建時代新的地質界面, 后構建時代更老的地質界面”的原則; ③“由分段地質界面組合生成更大范圍的地質界面, 界面構建由小到大、 不斷約束、不斷完善”的原則。

陀上幅范圍內, 海拔在80～1 219.2 m, 地形落差大。 同時受地表填圖產狀可向延伸深部限制, 鉆孔、 勘探線剖面圖、 中段平面圖等數據的深度絕大部分在500 m左右, 因此, 模型深度(Z軸方向厚度)設定為500 m, 模型底界面與DEM面平行。 利用陀上幅地表地質填圖獲取的232條野外地質填圖路線、 19條實測地質剖面數據為主要建模數據, 鉆孔、 勘探線剖面圖、 中段平面圖、 綜合地質圖等數據為約束數據, 構建了與地表填圖單元相一致的1∶50 000陀上幅三維地質模型(圖8)。

圖8 1∶50 000陀上幅三維地質模型Fig.8 1∶50 000 3D geological model of Tuoshanga—三維遙感影像圖(RGB(ETM7,ETM4,ETM1)+ALOS PAN);b—矢量三維地質圖; c—三維地質模型。1—第四系殘坡積物;2—上白堊統蓮荷組二段礫巖;3—上白堊統蓮荷組一段砂巖;4—上白堊統塘邊組三段粉砂巖;5—上白堊統塘邊組二段砂巖;6—上白堊統塘邊組一段粉砂巖;7—上白堊統河口組三段礫巖;8—上白堊統河口組二段復成分礫巖;9—上白堊統河口組一段礫巖;10—下白堊統鵝湖嶺組二段中心相含花崗質團塊碎斑熔巖;11—下白堊統鵝湖嶺組二段過渡相碎斑熔巖;12—下白堊統鵝湖嶺組二段邊緣相含變質巖角礫碎斑熔巖;13—下白堊統鵝湖嶺組一段砂巖、凝灰巖;14—下白堊統打鼓頂組二段流紋英安巖;15—下白堊統打鼓頂組一段砂巖、凝灰巖;16—青白口系上施組二段千枚巖;17—青白口系上施組一段片巖;18—青白口系庫里組二段片巖;19—青白口系庫里組一段片巖;20—早白堊世粗斑二長花崗斑巖;21—早泥盆世二長花崗巖;22—煌斑巖脈;23—硅化脈;24—地質界線;25—斷層;26—河流

4.3 鄒家山-居隆庵三維地質模型

鄒家山-石洞地區位于陀上幅南部,是盆地內重要鈾礦勘查區,已探明的鈾礦床有鄒家山、居隆庵、牛頭山、石洞等。在陀上幅三維地質模型、重力三維數據體、磁化率三維數據體中分別切制與CSAMT剖面相對應的剖面,結合這些剖面圖和深度超過500 m的鉆孔等數據,對CSAMT剖面進行綜合地質解譯。以CSAMT地質解譯剖面和地質圖為主要建模數據,參照陀上幅三維地質模型中地質體的空間展布特征,構建范圍較大、精度高、深度大的鄒家山-居隆庵三維地質模型。

運用構建好的鄒家山-居隆庵三維地質模型修正、完善已構建的陀上幅三維地質模型,尤其是地質體的深部延伸。陀上幅三維地質模型和鄒家山-居隆庵三維地質模型之間互相約束和修正,這一過程是一個反復的過程,但總體遵循“高精度數據約束、 修正低精度數據”的原則。

4.4 相山火山盆地三維地質模型

在陀上幅三維地質模型、 鄒家山-居隆庵三維地質模型、 重力三維數據體、 磁化率三維數據體中切制與MT剖面位置相一致的剖面, 根據切制的剖面圖對MT剖面進行綜合地質解譯。 以19條MT地質解譯剖面和地質圖為主要建模數據, 參照陀上幅三維地質模型、 鄒家山-居隆庵三維地質模型中地質體的空間展布特征, 構建范圍較大、 精度高、 深度大的相山火山盆地三維地質模型(圖9)。 在地質界面的構建過程中, 充分利用節點連接、 控制節點、 點對線約束、 點(線)對面約束、 面的邊界約束、 面的端點約束、 地層厚度的約束等約束方法, 并利用已構建模型的地質界面作為約束數據, 提高相山火山盆地三維地質結構模型的精度。最后利用構建好的相山火山盆地三維地質模型修正、完善已構建的陀上幅三維地質模型、鄒家山-居隆庵三維地質模型。

圖9 相山火山盆地三維地質結構面模型Fig.9 3D geological structural surface model of Xiangshan volcanic basin1—第四系殘坡積物;2—上白堊統紅層;3—下白堊統鵝湖嶺組碎斑熔巖;4—鵝湖嶺期火山通道;5—下白堊統打鼓頂組流紋英安巖;6—下泥盆統云山組砂巖;7—青白口系上施組千枚巖;8—青白口系庫里組片巖;9—青白口系神山組千枚巖;10—早白堊世二長花崗斑巖;11—早泥盆世二長花崗巖;12—斷層

5 結 論

建模數據的多源性是三維地質建模的重要特點之一,本文以江西樂安相山火山盆地三維地質建模為例,探索地質填圖路線、鉆孔、MT剖面、CSAMT剖面、勘探線剖面圖、中段平面圖、重磁三維數據體等多源數據融合構建三維地質模型,以提高建模精度和模型可靠性,取得如下研究成果:

(1)根據三維地質建模的流程,多源數據融合可以分為數據源的集成、幾何空間的集成、地質認知的融合3個不同階段,對各個階段的數據融合方法進行了系統闡述。同時,提出了解決不同精度數據的融合、規則數據與離散數據的融合、地表數據之間的融合、淺部數據與深部數據的融合等多源數據融合的有效方法。

(2)約束-插值技術貫穿于三維地質建模的始終,系統闡述了節點連接、控制節點、點對線約束、點(線)對面約束、面的邊界約束、面的端點約束、地層厚度約束等約束建模技術,運用該技術有效解決了復雜地質界面的快速構建及點、線、面數據之間的融合等難題。

(3)根據建模數據的精度、深度、分布范圍的不同,多種建模方法相結合,分層次、分階段建模。前一階段構建的模型作為下一階段建模的約束數據,隨著建模范圍和深度的增大,需要融合的數據類型和數據量不斷減少,該建模思路可以有效解決多源數據融合難的問題。