基于GOCAD的宁芜盆地云台山地区三维地质建模

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(1.江苏省地质调查研究院，江苏南京210018； 2.北京大学地球与空间科学学院，北京100871)

基于GOCAD的宁芜盆地云台山地区三维地质建模

赵增玉1,2，陈火根1，潘懋2，贾根1

(1.江苏省地质调查研究院，江苏南京210018； 2.北京大学地球与空间科学学院，北京100871)

阐述了利用GOCAD软件进行三维地质模型构建的思路及主要步骤，重点介绍其模拟地质界面的3种主要方法。以宁芜盆地云台山地区为例，利用GOCAD模拟了该区地层、岩体及断裂。在构建地形、地层及构造面时，利用剖面建模法以及离散光滑插值技术，快速构建研究区的表面模型。由面模型向体模型转化时，选用GOCAD的SGrid代替Solid功能，更加方便准确地反应了真实地质情况。

GOCAD软件；三维地质模型；SGrid；云台山；宁芜盆地;江苏；安徽

0 引 言

从20世纪80年代开始，各国学者(Carlson，1987；Houlding，1994；Wu et al，2005；Turner，2006)相继进行三维地质建模理论与方法的研究，其中，三维空间数据模型是三维地质建模的重要研究内容，到目前为止，三维空间数据模型的种类达数十种，其中代表性的有30余种。一般地， 将三维空间数据模型分为基于面表示的数据模型、基于体表示的数据模型和混合数据模型(Gong et al, 2004)。如最为常见的规则网格(Grid)、不规则三角网(TIN)就是基于面表面的数据模型。

随着三维地质建模技术的发展和广泛应用，产生了很多非常实用的建模软件，比较有影响的有GOCAD、Geomodeller3D、GSI3D、Earthvision、Vulcan、Micromine、GSIS、3Dgrid，其中，法国Nancy理工大学研发的GOCAD(Geological Object Computer Aided Design)发展较为成熟且应用广泛。近年来，我国很多专家学者将GOCAD应用于石油、地质灾害等领域，取得了良好效果。以宁芜云台山地区为例，利用GOCAD进行研究区的三维地质模型构建。

1 GOCAD软件概述

GOCAD地质建模软件是主要应用于地质领域的三维可视化建模软件，在地质工程、地球物理勘探、矿业开发和水利工程中均有广泛的应用，是国际上公认的主流建模软件，该软件充分考虑了地质资料的多源性，提供了多种建模方法，既可建立表面模型，表达空间几何对象，也可建立实体模型，展现空间属性分布，空间分析功能强大。三维地质建模软件实现的关键技术如下。

(1) 开发了针对地质建模特点的空间插值算法——离散光滑插值算法(Discrete Smooth Interpolation, DSI)。DSI用一系列具有物体几何与物理特性的相互连接的节点来模拟地质体，用DSI方法模拟几何与物理特性时，已知节点和地质学中的典型信息将被转化为线形约束，引入到模型生成的过程中。该方法基于图形拓扑，它适用于构建复杂模型和处理模型表面不连续的情况。DSI算法可自由选择和自动调整格网模型，实时交互操作，能够处理一些不确定的数据等特点，决定其在地质建模和可视化中占有重要的位置(董梅等，2008；魏群等，2008；孙涛等，2011)。

(2) 实现Workflow半自动化建模，提供了构造模型(Structural Modeling)建模和三维储层栅格模型(3D Reservoir Grid Construction)建模。构造建模可建立地质体构造模型，模拟地层面或断层面的空间展布形态、位置和相互关系，同时，构造建模还是地震勘探过程中地震反演的重要手段；三维储层栅格建模可根据建立的构造模型，将其转换为实体模型，并可对地质体内部属性(如品位)进行计算和综合分析，形成地质体的属性模型。

2 GOCAD模拟地质界面的主要方法

地层、断层建模是三维地质建模最核心的部分，这些面存在于地质体内部，无法直接观察到，GOCAD提供多种方法进行地层、断层的模拟。

2.1 钻孔分层点建模

若研究区通过钻孔等手段获取了大量地质信息，并且地层构造简单，无复杂地质体，此时建立层面、构造面模型相对简单，只需将同一层面或结构面上的数据以X、Y、Z的形式整理成文本文件并导入GOCAD，然后利用Surface—New—From PointSets命令生成层面或结构面。这种建模方法自动化程度高，适用于简单的工程地质层建模，缺点是无法处理断层。然而，在大多数情况下建模所需要的地质信息是通过野外踏勘和少量工程获得的，并且地质背景复杂，无法直接通过钻孔分层点建立全区的三维模型。

2.2 产状建模

根据地层和构造的地表行迹和产状模拟地表以下较浅范围内的地质体。GOCAD具体实现时，可将地层或构造面产状转换为面的切向量。若X轴正向为东，Y轴正向为北，向上为Z方向，某层面倾向为α，倾角为β，则该层面切向量为X=cosβ·sinα，Y=cosβ·cosα，Z=-sinβ。根据层面的地表形迹以及切向量，可基本建立该层面的三维空间形态(图1)。

图1 根据层面产状建模示例

图1a为某层面或构造面的地表形迹及其产状，图b为根据产状建模后在三维视图中的正北侧视图。首先，将地表Curve对象沿面切向量拉伸一定的距离得到一个面对象，即为该地层面的宏观基本形态，该面对象与地表出露线及产状一致。然后，根据钻孔揭露的该层面或构造面的位置，设置控制点，将面对象拟合到该控制点，得到目标曲面，若其空间展布与地质规律不矛盾，则可认为该曲面可以模拟该地层面，既符合地表测量的产状数据，又经过钻孔所控制的空间位置。重复以上过程，对每一个地层面、断层面分别建模，就得到整个建模区域的岩性、构造分布情况。

根据地质图产状建模原理，可在层面产状变化小、地质背景简单、建模精度要求不大的区域采用该方法建模较为快捷，并且该方法还经常用于断层三维模型的构建。

2.3 剖面建模

利用GOCAD的CrossSection对象可以很方便地将钻孔投影到自定义剖面上，基于剖面上的钻孔分层信息，并结合地质背景和地表出露情况，对剖面图进行人工解译。首先确定1组用于生成剖面的钻孔，然后执行CrossSection—New—From Digitalized Polyline命令，在视图中编辑自定义勘探线，使得勘探线尽可能地通过钻孔，然后输入要创建剖面的名称，设置剖面的基本信息，如剖面延伸深度，即可生成自定义钻孔剖面图，且同时生成地表地质界线与剖面的交点，根据钻孔与地表出露情况，可解译各地层、岩体、构造在剖面上的走向，在剖面地质解译完成后，对象视图中可以看到剖面在三维模型中的空间展布。

此外，剖面控制程度需要达到地质建模所要求的精度，当解译完每个剖面后，通过GOCAD 中Surface—New—From Several Curves命令，选择同一层面或构造面的不同地质界线，生成对应层面或构造面，即生成了各地层、构造面的三维模型。在实际建模工作中，地层、构造的交切关系相当复杂，这就需要对交切部位进行面的局部调整。GOCAD具有强大的编辑功能，可以通过增加约束、局部DSI等命令，通过调整三角网的控制点来对曲面进行局部编辑。同时，由于生成的地层或构造面的范围不一定与研究区范围一致，因此，为了将所有地层、构造约束在研究范围内，生成规则的三维模型，必须建立统一的约束，使地层、构造三维模型限制在同一范围内。在GOCAD中选择研究区域的边界线，通过Surface—New—Built In Forms—Tube命令建立研究区边界线的垂向切面，然后利用Tools—Border—Extend命令扩展没有靠近边界面的层面或构造面，利用Cut By Surfaces命令删除超出边界面的层面或构造面三角网。

3 应用实例

云台山地区位于宁芜盆地中段的东部区域，区内主要矿种为黄铁矿，包括莺子山、云台山、天台山、富而岗、公鸡山、母鸡山等多个矿段，建模范围面积约35 km2，深度为850 m。对区内的主要地层、构造、次火山岩体进行三维空间展布分析，以进一步探索三维立体填图技术方法、成果表达方式等。

3.1 地形面模拟

云台山地区目前有相应的1∶1万地理底图资料，包括MapGIS等高线数据，但没有高程属性值，需要根据高程标注进行人工赋值，利用Section软件(张燕飞等，2011；东海宇，2012)对云台山等高线MapGIS数据进行了高程赋值。然后将MapGIS等高线数据(*.wl)转换为CAD格式(*.DXF)，接着导入GOCAD。

通过File—Important Objects—Cultural Data—DXF加载地形文件，GOCAD会自动分辨DXF中各图层，并以不同文件名保存在Curve单元(PL文件)中，文件名一般与图层名相同。勾选等高线所在的PL文件，在右侧视图窗口中查看三维等高线是否正确。然后在PointSet选项下，通过New—From PointsSet Curve or Surface命令将等高线离散，并生成PointSet的VS文件(图2)。也可以通过MapGIS先将等高线离散，以X、Y、Z的坐标形式保存在文本文档或Excel等文件中，然后直接导入GOCAD生成VS文件。

图2 云台山地区地形离散点分布图(Z×3)

GOCAD常用3种方法生成地形曲面：(1) 根据离散点分布形式在Curve中拟合地形边界线，拟合的精度根据需要调整。然后在Surface中通过边界线和离散点以相似三角(Homogeneous triangles)网格构建曲面，即Surface—New—From PointsSet and Curve。这种方法直接通过原始点进行地形三角网的构建，没有插值运算，得出的地形模型较为粗糙。(2) 根据Wizard—Surface Creation—From Data(Without Internal Borders)向导生成面，对于地形面与原始控制点吻合较差的区域可以通过增加相应的控制点，再进行局部光滑平顺处理(DSI)，多次反复直到符合要求。具体方法为：选择控制点及边界线，通过Constrain All Borders On Straight Line将边界线转换为模糊控制点，引入插值方向，GOCAD会自动进行DSI插值。(3) 根据离散点生成中间平面，再以离散点为该平面控制点，进行DSI插值。

GOCAD既可以模拟三维地形面，也可以将地表出露的地层、构造等信息赋予地形面，生成三维地形地质面。云台山地区地形面采用Wizard向导中插值法模拟，并将地表出露地层及构造行迹投影到地形面(图3)。

图3 云台山地区三维地形地质图(Z×3)

3.2 钻孔的生成

钻孔是三维地质模型构建的重要原始资料。在GOCAD中，垂直或倾斜钻孔的加载方式与直井或斜井相同。但不同文件格式有不同的加载方法，在文本文件中，可以直接加载钻孔名称、钻孔位置(X、Y、Z)、补芯海拔KB、孔深等信息。钻孔生成后可以在其对应的maker选项中加载或录入分层、断裂信息，如地层名称、厚度、产状等。

结合研究区不同矿段探矿工程的资料，加载了CK202，CK206，ZK1001等46个钻孔，并且每个钻孔都生成了相应的maker，钻孔三维空间分布见图4。

图4 钻孔三维空间分布图

同时，由于地形是等高线插值生成的，因此，钻孔孔口位置与地形不一定吻合，这就需要根据钻孔的孔口位置校正地形，GOCAD提供了点校正面的功能，即Constraints—Control Points—Set Control Points，可使钻孔的孔口严格地与地形重合。

3.3 地层、断层模拟

云台山地区受方山—小丹阳、方山—南山等深大断裂带多期活动影响，地形地质条件复杂。区内地层由老到新为早中三叠世黄马青组、早侏罗世钟山组、中侏罗世北象山组沉积基底，晚侏罗世龙王山组和晚侏罗—早白垩世大王山组火山碎屑岩，早白垩世赤山组沉积碎屑岩。区内基底褶皱为宁芜向斜，其向斜东南翼发育次级褶皱。宁芜断陷盆地由于受多期构造活动的影响，基底断裂发育，主要有NNE、NE、NW 向3组，这些断裂构成了宁芜断陷盆地北段网格状构造轮廓，云台山地区主要表现为北东向的2个大断裂。

利用剖面建模方法建立了研究区的地层、断层三维模型。首先建立11条贯穿研究区的北西向剖面，为弥补区调钻孔深度的不足，结合研究区地质背景，对各剖面进行人机交互解译，在解译过程中，不仅要考虑到剖面上各钻孔的实际分层及断裂点情况，更要结合区域地质背景，使每条剖面上的断层、地层均符合区域构造、地层的展布，只有这样，建立的模型才更能直观地反映地层构造格架。

在正确解译各剖面之后，先根据各剖面上的断层轨迹，由线生成面，建立断层面的三维模型，再根据各剖面解译的地层界线，生成三维地层面，最后处理地层与断层之间的交切关系，在地层面与断面相交处，进行面相交计算，切除多余地层，而在未相交处，对地层面进行趋势延伸计算，直至相交到断层面上。对每个地层与断层进行交切处理后，建立图5所示的云台山结构面三维模型。

图5 云台山结构面三维模型

3.4 三维体模型创建

GOCAD可以通过SGrid(网格模型对象)和Solid(实体模型对象)2种方式建立三维体模型。其中，Solid地质实体模型对象可通过点集、封闭曲面或单个面及厚度来创建，这就决定了若要通过Solid方式生成较为精确的模型，则需要足够详细的数据支持，方法也较为复杂。SGrid是由六面体格子组成的单元集，确定地层分界面及网格密度后，GOCAD可以通过六面体单元“充填”两层面间的地层，所有这些六面体单元组成SGrid。划分的六面体单元越小，拟合效果越好，锯齿现象越不明显。此外，六面体单元的节点信息可以导出，有利于进一步对地质体进行空间分析及数值模拟。因此，选用SGrid进行三维体模型的构建。

在Workflow中新建3D Reservoir Grid Builder，GOCAD将以向导模式半自动化建立模型。主要步骤如下：(1) Select Horizons，确定模拟地层的范围，单击已经建立好的最新地层顶面和最老地层底面。(2) 在Specify Gridding中，可以选择自动、交互或已有模式计算网格(Gridding)和地层厚度(Pillars)，无特殊要求可以选择自动计算。(3) Define Units，定义各中间地层，并按新老顺序排列。(4) 最后在Build Grid中将三维网格细化，减少锯齿，生成体模型。通过该方法生成的体模型每一个单元都有独立的节点坐标和属性点，可赋予多个属性值。云台山地区的SGrid模型见图6。

图6 云台山地区三维地质模型

4 结 论

GOCAD是一款强大的地质建模软件。一方面可以识别多种数据来源，极大地简化建模，而且在建模时能通过DSI插值技术建立表面模型，建立的三维模型更加逼近真实地质体。另一方面，随着研究的深入，常需要在地表、钻孔或坑道中取样进行各种化学元素分析，把试验所得数据以取样点属性的方式赋予三维模型中对应钻孔上，然后将有限的实验数据通过GOCAD软件提供的克里格插值法，即可得到对应的属性模型或变量图，进而进行专项分析。

董梅，慎乃齐，胡辉，等. 2008.基于GOCAD的三维地质模型构建方法[J].桂林工学院学报，28(2):188-192.

东海宇. 2012. SECTION在地质数字化制图中的应用[J].矿山测量，(4): 35-36.

孙涛，刘亮明，赵义来，等. 2011.基于GOCAD平台的复杂地质体系的动力学建模研究[J].矿产与地质，25(2):163-167.

魏群，党丽娟，张俊红，等. 2008.GOCAD在岩体三维可视化模拟中的应用[J].煤田地质与勘探，36(5):15-19.

张燕飞，朱杰勇，张威.2011.基于GOCAD的三维地质模型构建[J].河北工程大学学报：自然科学版，28(4):69-73.

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GONG JIANYA, CHENG PENGGEN, WANG YANDONG. 2004.Three-dimensional modeling and application in geological exploration engineering[J].Computers & Geosciences,30(4):391-404.

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3D geological modeling of Yuntaishan area in Ningwu Basin based on GOCAD software

ZHAOZeng-yu1,2,CHENHuo-gen1,PANMao2,JIAGen1

(1. Geological Survey of Jiangsu Province, Nanjing 210018, China; 2. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China)

The authors illustrated the ideas and main steps of constructing 3D geological models based on GOCAD with focuses on threes main methods simulating the geological surfaces. Taking Yuntaishan area in Nanjing-Wuhu Basin for example, the strata, the rock mass and the fault of the area were simulated by using GOCAD software. Surface model was finished based on cross-section and Discrete Smooth Interpolation technology (DSI). By choosing the function of SGrid instead of the function of Solid when changing from surface model to volume model, it showed the real geological condition more conveniently and accurately.

GOCAD software; 3D geological model; SGrid; Yuntaishan; Ningwu (Nanjing-Wuhu) Basin; Jiangsu; Anhui

10.3969/j.issn.1674-3636.2014.04.652

2014-03-19；

：2014-05-07；编辑：陆李萍

赵增玉(1984— )，女，工程师，博士，构造地质学专业，主要从事地质矿产调查评价工作，E-mail：zengyu1206@163.com

P628

：A

：1674-3636(2014)04-0652-05