分块区域三维地质建模方法

薛林福，李文庆，张 伟，柴社立，刘正宏

吉林大学地球科学学院，长春 130061

分块区域三维地质建模方法

薛林福，李文庆，张 伟，柴社立，刘正宏

吉林大学地球科学学院，长春 130061

区域三维地质建模是区域三维地质调查的关键。在大量反复实践的基础上，提出了分块三维地质建模方法，该方法的主要步骤为：以断裂、岩体边界和不整合等为边界，把复杂的三维地质建模区域分解为内部构造相对简单的建模块或建模地质单元；分别对各建模块进行地质地球物理综合研究，编制深部地质剖面，揭示深部地质结构；采用基于剖面的建模方法按照全区统一的坐标系统构建三维地质模型；在完成全区所有建模块三维地质模型构建之后，把各个建模块的三维地质模型集成在统一的三维空间框架下，形成全区的三维地质模型。该方法具有能够简化三维地质建模过程、易于修改完善模型、易于集成模型等优势，能够克服常规的基于剖面的三维地质建模方法中存在的问题，突破了大规模区域三维地质建模的瓶颈。在本溪—临江深部地质调查中的应用表明，采用该方法可以有效构建研究区的三维地质模型，并能充分表达复杂的地下深部地质结构，为开展复杂地区大规模区域三维地质建模提供了一个重要途径。

分块建模；综合约束；组装集成；IGeoMod；三维地质建模

0 引言

在区域地质、地球物理资料的基础上，针对重要成矿带或矿集区，建立区域三维地质模型对于认识深部地质结构、寻找隐伏矿床具有十分重要意义。中国地质调查局2012年启动的“三维填图与深部地质调查”试点项目标志着我国区域地质调查正在向3.0时代迈进。

我国数十年地质工作积累了丰富的地质资料。通过深部地质调查与综合三维地质研究构建三维地质模型，可以加深我国地质研究程度，为深部地质找矿提供支撑条件。

区域三维地质建模是一项高度综合和非常复杂的系统性地质研究工作。区域三维地质建模的基础数据与资料主要是区域地质调查、区域地球物理、少量钻孔、非震地球物理剖面等方面的资料，如何在这些资料的基础上构建起地下一定深度范围内的三维地质模型是一项具有挑战性的工作；虽然世界许多国家的科学家做了大量探索性的研究工作，但目前尚缺乏有效开展大规模区域三维地质模型构建的方法[1-3]。

目前在矿体三维地质建模[4-5]和油藏三维地质建模[6-7]方面开展的研究工作较多，在市场上有多款成熟的三维地质建模软件。虽然在区域三维地质建模方面也开展了一些工作，但没有有效方法用于构建区域三维地质模型[8-11]。

实现从二维区域地质调查到三维区域地质调查主要面临着两个难题：1)如何充分利用已有地质、地球物理、地球化学资料进行地下地质推断，获取深部地质信息；2)如何通过综合已有的地质、地球物理资料构建区域三维地质模型。笔者主要针对第二个问题提出构建区域三维地质建模的方法。

基于地质剖面的三维地质建模方法[12-13](简称剖面建模法)是构建区域地质模型的主要方法之一。在建模区域小、构造简单的情况下，构建三维地质结构模型相对容易实现。但对于大面积的复杂区域(例如一个1∶25万图幅范围)，采用通常的剖面法很难进行区域三维地质模型构建，主要困难在于：一般三维地质建模方法是通过在一个地区编制一系列指定方向的地质剖面，然后在这些剖面的基础上建立三维地质模型。采用这种方法主要面临3个问题：1)指定的剖面方向很难保证剖面走向垂直于主要构造线方向，从而造成剖面绘制的复杂性，并且不易沿剖面进行地球物理反演；2)在三维地质建模过程中，需要对剖面间的地质界线进行连接，形成三维地质界面，但由于存在断裂切割和岩体侵入等复杂情况，地质建模的复杂性增加，甚至难以控制；3)面对一个大的复杂的建模区域，难以进行有效合理的建模任务分配。

在大量反复实验的基础上，笔者提出了分块三维地质建模方法，该方法适合构建大区域复杂的三维地质结构模型，经在“本溪--临江深部地质调查”项目中的应用，证实该方法行之有效。

1 分块三维地质建模方法及其优势

1.1 分块三维地质建模方法

分块(或分单元)三维地质建模方法(block-divided 3D geologic modeling)是指以断裂、岩体边界和不整合等地质界线为边界，把研究区划分为一系列区块或地质单元(称之为块，或建模块、或建模地质单元)；分别对这些区块和地质对象(断裂构造和岩体)进行地质地球物理综合研究，编制深部地质剖面，揭示深部地质结构，按照全区统一的坐标系统构建三维地质模型；在完成全区所有区块和地质对象三维地质模型之后，把单个模型组合在统一的三维空间框架下，形成全区的三维地质模型。分块三维地质建模的核心思想是“分块建模、综合约束、统一集成、逐步完善”。综合约束是指在地质理论和地质认识的基础上，在进行深部地质推断解释的过程中，充分利用地质、地球物理、钻探等资料作为已知约束条件，尽可能保证深部地质推断解释的可靠性。统一集成是指在统一的三维空间框架下，把分别建立的地质单元模型组装集成到三维空间框架下，形成具有不同深度范围、不同详细程度的三维地质模型。

一个地区地下三维地质结构模型需要经过长期工作积累，不断获取地下地质信息，才能够逐步完善。

1.2 分块三维地质建模的优势

分块三维地质建模方法是针对上述问题提出的一种更加有效的区域三维地质建模方法。该方法的主要优势表现在以下方面。

1)简化了建模过程。分块建模可以把一个复杂的大区域三维地质建模过程简化为一个局部的、内部地质结构相对简单的小区域，对小区域进行地质研究及建模相对简单。分块建模的概念使在大区域开展团队合作进行三维地质建模研究更加方便，可以为团队中的每个成员分配建模块，最后统一集成。该方法大大简化了三维地质建模和可视化的复杂性，使地质研究人员经过短时间的培训就可基本掌握复杂区域三维地质建模与可视化的流程。同时，在三维信息系统中，分块、分对象的三维地质对象表示方法，有利于三维信息的管理与信息传输，使大规模的三维信息系统能够有效运行。

2)易于完善模型。三维地质调查是一项长期的工作，随着获得的深部地质信息不断增多，对地下地质的认识不断深入，已有模型需要逐步修改。分块三维地质调查方法允许对特定地质单元进行修改完善，而不需要对整个模型进行修改。

3)易于集成模型。易于把不同尺度、不同内容的三维地质调查成果按照统一的三维空间坐标系统，集成到统一的三维地质信息系统中。目前在我国已开展了许多不同比例尺和不同深度的三维地质调查，这些工作在本质上是一致的，主要是为了揭示地下地质结构，其差异在于研究对象不同。通过建立统一的三维空间参考系统，不同类型与不同尺度的三维地质调查与深部地质调查结果均可集成到统一的三维地质调查信息系统中。

分块三维地质调查方法是在我国开展深部地质调查，使地质研究从二维走向三维的有效方法。采用该方法，在现有区域调查资料的基础上，进一步开展地球物理工作和地表地质工作，获取地质体空间展布信息，可以建立我国区域三维地质模型及三维地质信息系统。

2 分块三维地质建模流程

分块三维地质建模是在建模区块(或单元)划分的基础上开展的，主要包括：建模块划分、分块图切剖面、地球物理反演、把剖面导入三维地质建模系统、构建块三维地质模型、模型修改与集成等步骤(图1)。

2.1 建模块划分

原则上以断裂、岩体边界和不整合作为建模块的划分边界，一个建模块是由断裂和岩体边界围限的闭合区域，可以根据建模块区域的中心地理坐标进行建模块编码。在实际进行建模块划分的过程中，存在一些特殊情况需要考虑：1)一个较大区域不存在由断裂和岩体所围限的闭合区域，可以根据实际情况，通过辅助线进行建模块划分。2)一个较小区域存在大量的小岩体侵入，可以暂时忽略岩体的存在，在岩体模型建立后对原地层块模型进行交切处理。

区域三维地质调查过程中主要包括地层、断裂、岩体三类地质对象，断裂和岩体可以作为单独地质对象进行三维地质建模。地层常遭受褶皱并被断裂切割、岩体侵入，对地层进行三维建模的核心问题之一是进行褶皱构造分析。所谓分块既包括了地层单元块的划分，又包括了岩体单元和断裂构造的划分。

2.2 分块图切剖面

根据每个块地层的总体走向设计图切剖面的方向。图切剖面可以设计为一系列平行剖面，也可设计为随地层走向变化而变化的剖面。剖面与剖面不能相交。剖面间距取决于地质情况的复杂度，在地质界线变化复杂的地区剖面的间距适当减小，在地质情况简单的部位可以加大剖面间距。一个建模块的第一条剖面和最后一条剖面应尽可能控制建模块的范围。图2为进行分块图切剖面三维地质建模软件IGeoMod用户界面。IGeoMod是课题组成员拥有自主知识产权的三维地质建模系统，该系统集成了地质知识库，实现了地质数据管理、块管理、图切剖面、剖面管理、三维地质对象生成、地球物理模型导出等功能。

a.地质图；b.划分建模块后的地质图；c.IGeoMod软件图切剖面；d.重磁剖面联合反演；e.GoCAD中导入三维剖面；f.GoCAD中形成单个建模块；g.建模块的组合与拼接。图1 分块三维地质建模流程图Fig.1 Flow diagram of block-divided 3D geologic modeling

地质剖面可以分为主干剖面、联络剖面和约束剖面三类。主干剖面是垂直于构造线的剖面，用于构建三维地质模型；联络剖面为平行于构造线的剖面，用于建立主干剖面之间的关系；约束剖面是指需要进行地球物理反演的剖面，用于对建模块内的地质结构进行约束的剖面。

2.3 综合约束地下地质推断解释

在一个建模块内，在构造主体部位选择若干条剖面进行地球物理反演，约束由区域地质资料推断的地下地质情况。地震和非震地球物理资料对约束地下地质情况具有重要作用。可以地震剖面解释的地质界面构建地下地质界面。对非震地球物理资料而言，可以采用MT-重力-磁测资料联合反演获取地下地质信息，对比图切地质剖面与非震地球物理联合反演剖面解释结果，对图切剖面进行适当修改。

多种方法研究表明，现有地球物理方法及组合均难以直接揭示地下地质结构。深部地质情况在大多数情况下需要在各种约束条件下，采用地质、地球物理综合方法手段进行深部地质结构推断解释。其约束条件主要有：概念地质模型、地表地质特征、地球物理资料、钻孔资料等。

2.4 三维地质建模

在图切剖面的基础上，分别把各建模块的剖面导入三维建模系统(如GoCAD、EarthVision等)中，采用由线到面的建模工具，把相同地质界线连接起来形成三维地质界面。

2.5 模型修改与模型集成

随着资料的不断更新及地质认识的不断深入，可以在分块建模的基础上，对模型中不合理的地方进行逐块逐对象单独修改。将已构建的块或地质对象模型统一于同一个三维空间坐标系，编辑修改地质对象之间的三维空间拓扑关系，形成研究区范围内的三维地质模型。

图2 三维地质建模软件IGeoMod用户界面Fig.2 User interface of IGeoMod for 3D geologic modeling sofeware

图3 地质图及建模块划分Fig.3 Geological map and built block division

3 分块三维地质建模方法应用

为了进一步说明分块三维地质建模的基本方法与流程，选择辽宁省本溪市桥头镇--南芬乡地区作为实例，进行了三维地质建模研究。

3.1 地质背景

辽宁省本溪市桥头镇--南芬乡位于龙岗地块太子河坳陷，基底为太古宙表壳岩及花岗质岩石，以及古元古代辽河群，沉积盖层为新元古代青白口系--古生界。该区主要发育北东和北西向两组断层，其中寒岭--偏岭断层(F1)为该区重要的断裂构造[14]，对太古宙条带状含铁建造(BIF)型铁矿具有明显控制作用。由于断裂切割作用强烈，研究区表现为明显的断块构造格局。

研究区(图3)总体呈现为一个复背斜，褶皱轴近南北向，核部发育了青白口系钓鱼台组(Qnd)、南芬组(Qnn)和桥头组(Qnq)，局部出露太古宙变质基底岩系。翼部分别发育了震旦系康家组(Zk)、碱厂组--馒头组(∈j-m)、张夏组(∈z)、崮山组-炒米店组(∈gs-cm)、冶里组--亮甲山组(∈Oy-l)、马家沟组(Om)、月门沟群(包括本溪组Cb、太原组CPt、山西组CPs)。

3.2 分块与图切剖面

以断裂为边界，可以把研究区划分为一系列建模块或建模地质单元，建模块以其中心地理坐标进行编码(图3)，如南芬乡所在建模块的编号为55214、桥头镇所在的建模块编号为56808。

a.由a、b、c、d四块模型的组合；b.模块55113；c.模块56808；d.模块55214；e.模块56209。图4 三维地质模型图Fig.4 3D geological model diagram

3.3 三维地质模型

图4a中的模型是由55113、56808、55214和56209四个建模单元组装而成的，这四个建模块所在位置如图3所示。建模块55113位于桥头镇西南，其西侧、北侧、东侧边界为逆断层，东侧边界与连山关岩体相关的边界为所谓的变质核杂岩构造[15]。古元古界浪子山组(Pt1l)和里尔峪组(Pt1lr)构成了以连山关岩体为背斜核部的穹窿状背斜构造东南翼的一部分(图4b)。钓鱼台组--桥头组呈倾向西北的单斜构造，综合地质和地球物理分析，该建模块所在区域最大基底埋深约为4.4 km。

建模块56808位于桥头镇(图4c)，其东南侧边界为倾向西南的逆断层F2，西北侧边界断裂为寒岭--偏岭断裂F1，西南侧断裂为F5，东北端边界断裂为F4，倾向西南，倾角55°。该块的西南部为一个向斜构造，核部为张夏组，翼部为寒武系碱厂--馒头组、震旦系康家组；中部发育新元古青白口系，东北部出露中太古宙大峪沟组(Ar2d)、茨沟组(Ar2c)，以及新太古代齐大山片麻岩。三维建模表明，含铁建造茨沟组延伸在F4断裂之下，在牛心台断裂之下仍有发育，最大埋深<2.4 km。

建模块55214位于本溪南芬区(图4d)，围限在断裂F2、F6和F7之间，为桥头--南芬复背斜核部的重要组成部分，主要发育青白口系，在青白口系下发育古元古界浪子山组。

建模块56209位于思山岭地区(图4e)，围限在断裂F2、F3和F7之间。该块地层条带的总体呈NE向，东南侧发育一个褶皱轴呈NE向的向斜构造，向斜核部为寒武系固山组--米店组。在该向斜下存在含铁建造，根据该建模块两侧的含铁建造的发育情况及地球物理反演结果，推测该建模块深部存在含铁建造，含铁建造的最大埋深为2.9 km，具有深部铁矿找矿远景。

4 结论

1)分块三维地质建模方法通过把复杂的三维地质建模区域分解为内部构造相对简单的建模块或建模地质单元，分别对这些建模块进行建模，从而为开展大规模区域三维地质建模提供了一个重要途径。

2)分块三维地质建模方法具有符合地质研究习惯、简单、易于管理和分工协作、易于修改完善等特点。这些特点对开展大规模构建三维地质模型、方便模型管理、易于建立三维地质信息系统均具有重要意义。

3)实际应用表明，分块三维地质建模方法适用于构建复杂大区域的三维地质模型，为区域地质调查由二维走向三维提供了重要方法和工具。通过区域三维地质建模，可以揭示深部地质结构，为深部地质研究和深部找矿提供重要参考依据。

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A Method of Block-Divided 3D Geologic Modeling in Regional Scale

Xue Linfu, Li Wenqing, Zhang Wei, Chai Sheli, Liu Zhenghong

College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China

3D geological modeling in regional scale is the key to regional 3D geological survey. On the basis of a large number of practices, we have put forward the method of block-divided 3D geological modeling. The steps of the method include: dividing complex 3D model-building region into simple model-building blocks or model-building units, conducting geological and geophysical comprehensive researches and drawing geological cross sections and revealing deep geological structures in every model-building block, constructing 3D geological model for every model-building block with unified coordinate system by the model-building method based on cross section, and creating 3D model for whole region by integrating the model of every model-building block into unified 3D space framework after all models have been constructed in study region. There are three advantages for the method, which is easy to simplify the processes for constructing models, easy to modify models and easy to integrate models. The method able to overcome the problems of general 3D geological modeling method based on the cross section, and to break the bottleneck for large scale regional 3D geological modeling. The application of the method to deep geological survey in Benxi-Linjiang area has showed the method can effectively construct a 3D geological model of the study area, can fully depict complex deep underground geological structures, and provide an important way for constructing 3D model in a large complex region.

block-divided modeling; synthesis constraints; integrated assembly; IGeoMod;3D geologic modeling

10.13278/j.cnki.jjuese.201406305.

2014-02-27

中国地质调查局地质大调查项目(1212011220247)

薛林福(1962--)，男，教授，博士生导师，主要从事数字地质及地质地球物理综合的研究，E-mail:190780877@qq.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201406305

P628.3

A

薛林福，李文庆，张伟，等. 分块区域三维地质建模方法.吉林大学学报:地球科学版,2014,44(6):2051-2058.

Xue Linfu, Li Wenqing, Zhang Wei, et al. A Method of Block-Divided 3D Geologic Modeling in Regional Scale.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2014,44(6):2051-2058.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201406305.