立体地质填图三维建模技术方法与应用研究

朱　威， 王大勇， 王书民， 姚大为， 王　刚

(中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，廊坊　065000)



立体地质填图三维建模技术方法与应用研究

朱威， 王大勇， 王书民， 姚大为， 王刚

(中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，廊坊065000)

针对综合地球物理立体地质填图后期进行的三维地质模型构建、图示展示方法与技术进行了研究。提出了不同属性体单独建模后进行切割、融合构建三维地质模型的复杂地质结构建模方法与技术；在MAPGIS K9平台上应用该技术构建了九瑞试验区三维地质模型，并通过不同的图示方法分析与展示构建的九瑞试验区地质模型；结合该区域的成矿特征利用三维地质模型从深部地质结构出发圈定了该区的成矿有利部位。

立体地质填图； 三维图示； 深部找矿； 九瑞试验区

0　引言

传统的地质填图方法只能描述地表或浅部的地质信息，对深部地质信息的描述有着先天不足。立体地质填图工作在国外早已开展。前苏联早在上世纪60年代～70年代便开展了立体地质填图的研究工作，出版了有关1∶50 000地质测量的《稀有金属矿区立体地质填图》[1]等参考著作，并曾组织专门会议，研讨距地表深2 000 m以内的矿产预测问题，提出在典型矿区开展立体模型研究，并强调在立体填图的基础上进行立体找矿。我国在油气和煤炭勘查中，采用地震等物探方法与钻探结合的勘查摸式，获得深部立体地质构造图，已是常规的地质工作。近年来也开始了城市三维地质调查的浅层地质结构的立体地质填图试点工作，但甚少涉及深部金属矿产的立体填图工作。为提高我国资源的保障能力，配合“加强深部找矿，开辟第二找矿空间”的战略举措，许多专家、学者提出的思路和意见都涉及到立体地质填图问题。

基于综合地球物理方法的立体地质填图，主要是利用获取的综合地球物理资料对地下一定深度范围内具有明显或较明显的物性统计差异的物性-地质体(地质单元、目标地质体、填图地质单元等)的分布与结构特征做出立体(三维)推测[1]，并在MAPGIS K9平台上运用先进的建模方法和技术绘制成推断立体地质图。通过一系列的展示和分析方法对绘制的模型进行展示和分析，解决传统填图方法不能对深部地质信息取得更多准确认识的问题。

1　三维地质模型的构建

1.1构建约束剖面

约束剖面是由综合地球物理解释推断解译的地质剖面而来，在三维地质建模中是作为对填图单元的空间分布进行约束的已知信息[2]，约束剖面中通常含有物性单元层、构造、地形等信息。依据三维地质建模技术，在构建约束剖面时，需要依据三维建模平台所要求的剖面数据类型，利用矢量化技术，构建不同属性(地层属性剖面、岩体属性剖面、构造属性剖面等约束剖面，图1)。矢量化过程中采取简化剖面矢量化的方法(图1中综合地球物理解译剖面中包含地层、岩体及构造等多种属性)，矢量化地层属性剖面时，将岩体属性部分合并到相应地层属性(图1中综合地球物理解译剖面、地层属性剖面圈出部位)，让同一属性地层更为连续，便于三维模型的构建，然后，将不同属性的剖面分别导入三维建模平台，构建不同属性的立体地质结构模型，图2为导入后的地层属性剖面和岩体属性剖面。

图1　矢量化后地层、岩体、构造属性剖面图Fig.1　Vectorisation of stratigraphic, rock and tectonic attributes(a) 综合地球物理解释剖面；(b) 地层属性剖面；(c) 岩体属性剖面；(d) 构造属性剖面

图2　三维建模各属性剖面数据导入流程示意图Fig.2　The import process sketch of attribute profile used for 3D modeling(a)地层属性剖面导入后阵列显示；(b)岩体属性剖面导入后阵列显示

1.2同属性剖面构建同一属性体

属性剖面到属性体采用基于轮廓线拼接的交互建模方法，其基本思路是从两个邻近的剖面中选择同一地层的边界线进行拼接来构建地质体的面模型，再由面构成地质块体，最后由地质块体组合构成完整的地质实体模型。在上述过程中，关键步骤是基于轮廓线数据拼接，即找到一个“最佳”的与所给定的轮廓对应的曲面，选择一个与实际地质体对象最为接近的匹配。轮廓线拼接处理的核心是用将相邻两断面的轮廓线连接成由多个三角面组成的辅助面(图3(b))，再在两个平面轮廓线间用多个辅助面及两断面构造出一个多面体。由于轮廓线拼接无法由计算机自动、准确地完成，其本质还是由控制点构建辅助线，再由封闭的线成面，最后由一圈封闭的面成体的三维建模。三维建模思路：图4(a)中暗红色点为轮廓线上的控制点，通过地质人员的判断选择相邻两个或者多个断面上的轮廓线控制点通过点造线的方法构建辅助线(多个断面之间的辅助线圆滑通过多点插值圆滑实现)；辅助线构建完毕后，图4(b)、图4(c)中利用断面上的轮廓线弧段及构建的两断面间的辅助线可以形成一个封闭线圈，由这封闭的线圈即可构建断面间的辅助面；当一个封闭地质体所需要的辅助地质面构建完成后，选中这个地质体所包含的辅助地质面及断面本身即可构建一个封闭的地质体(图4(e)蓝色部分为选中的构建地质体所需的部分地质面示意图)；图4(f)中蓝色部分地质体为构建完成的一个地质体，图中其他部分地质体也是使用类似方法构建而成的。图5分别为地层、岩体等属性体分别进行三维建模的流程示意图。

图3　辅助面不同显示模式示意图Fig.3　The sketch of auxiliary plane in different display modes(a) 辅助面面模式示意图；(b) 辅助面线模式示意图

图4　单属性体三维建模流程示意图Fig.4　The process sketch of single attribute body 3D modeling(a) 构建辅助线；(b) 选中轮廓线及辅助线(c) 构建辅助面；(d) 类似方法构建其他辅助面；(e) 选中构建地质体所需的地质面；(f) 类似方法构建全部地质体

图5　不同属性体三维建模流程示意图Fig.5　The process sketch of different attribute body 3D modeling

1.3不同属性体切割、融合构建三维地质模型

不同类型属性体分别完成三维建模后，利用数据转存和体切割的功能，将不同属性体的数据模型进行切割合并融合。融合过程就是将不同属性体模型进行三维布尔求交运算的过程，采用这种方法可以保证融合后模型的完整性，避免各种属性体同时建模遇到的公共面不重合带来的诸多问题。图6(d)是九瑞填图试验区只涉及到地层、岩体、构造属性体通过切割、融合后构建的三维地质模型，其切割融合方法为构造属性体作为切割属性体融合岩体被切割属性体得到第一次融合模型，再使用这个融合模型作为去融合切割地层属性体，最后得到整个试验区的三维地质模型(图6(a)、图6(b)、图6(c))展示了岩体切割地层的过程)。

图6　不同属性体模型相交、融合示意图Fig.6　The sketch of different attribute body intersect and fusion(a) 被切割的地层属性体模型；(b) 用于切割的岩体属性体模型；(c)岩体属性体切割地层属性体示意图；(d) 融合后的三维模型

2　三维地质模型的展示与应用

三维地质模型构建完成后，基于MAPGIS K9的三维地质建模平台，模型具备了缩放、平移、剥离、叠加、拾取、纹理贴图、透明显示以及虚拟漫游、查询等功能，从而可以对构建的三维地质模型进行全方位的剖析[3]。这里仅介绍以下几种展示分析方式：

1)点、线、实体模式切换。为方便从不同角度分析模型，系统提供了点模式、线模式和实体模式的互切换功能。

2)交互操作。提供了对三维模型的放大、缩小，适时旋转、平移，前后移动等窗口操作功能，并可应用鼠标和键盘对三维地质模型进行交互操作，实现从任意方位、任意角度观查三维模型。

3)爆炸显示。通过爆炸显示操作，可更加清晰地观察各种属性地质模型体的形态，及分布情况。在爆炸显示时可选择任意爆炸、整体爆炸和延轴向爆炸等爆炸方式，还可以设置爆炸显示的坐标轴、爆炸距离、爆炸帧数和爆炸范围比例等参数。

4)三维交互定位。利用鼠标操作，将仿真定位点在三维空间的适时移动，可获取定位点处的三维空间坐标值。

5)组合显示(图7)。任意方向切面组合显示；切面单属性体、多属性体组合显示。

6)三维模型的任意切割技术(图7)。根据三维模型分析需要，并基于三维模型的几何和拓扑信息，结合三角网相交处理算法TriCut，实现对三维模型的任意切割，包括：平面斜切、水平剖切，折线垂直剖切，组合切割，以及隧道开挖模拟等多种切割方式。

7)三维模型的局部全屏显示技术。全屏技术是当前应用相当广泛的技术。应用该技术，在进行系统演示时，使远距离的观看者也能够清晰地了解系统演示的内容。例如景观系统在进行漫游操作时，全屏技术可起到了很好的播放效果。

结合九瑞试验区三维地质模型，依据该试验区成矿规律，首先寻找熔融有震旦系-寒武系地层，且深部存在规模较大的燕山期侵入岩体；其次寻找该类侵入岩体与碳酸盐岩、碎屑岩的接触带；再次依据侵入岩体与围岩的接触关系及其围岩的岩性，结合区内主要控矿因素以及典型控矿层(泥盆系五通组)的分布情况，综合分析并圈定成矿的有利部位[4-8]。

依据上述条件，依据三维地质模型圈定成矿有利部位共5处，编号为I～V，其大体位置见图8、9。

I号位于东雷湾以西至邓家山一线的西南部地区，该地区地表出露有受NW向构造控制的小岩珠，深部赋存的侵入岩体为封山洞-东雷湾主岩体及受NW向断层控制的岩脉；地表出露地层为三叠系灰岩地层，依据沉积层序，深部应存在典型控矿层位即泥盆系五通组地层，立体地质填图结果显示泥盆系五通组在该处埋深为1 000 m～1 200 m左右，矿体赋存深度从500 m～1 200 m范围内，围岩为三叠系-二叠系灰岩时，可能存在的成矿类型以夕卡岩型为主，灰岩地层层间可能存在块状硫化物矿体，深度1 200 m左右与五通组地层接触部位可能存在层状块状硫化物矿体。

II号位于东雷湾侵入岩体的东侧猫母山以西，该处西部有东雷湾岩浆岩体出露，地表出露有三叠系和二叠系灰岩，并存在蚀变，并有NWW向断层穿越该地区，结合立体地质填图结果，从岩浆岩、围岩、构造以及典型控矿层等因素分析，该处为成矿有利部位。该处典型控矿层(泥盆系五通组)埋深在1 000 m～1 200 m左右，岩浆岩体与三叠系-二叠系灰岩接触，可能存在的成矿类型以夕卡岩型为主，矿体赋存深度从500 m～1 200 m范围内；岩浆岩体与五通组地层接触部位在深度1200 m左右，是有利的矿体赋存部位，可能存在层状块状硫化物矿体。

III号位于封山洞——东雷湾岩体北侧，邓家山东北方向，该处地表出露三叠系-二叠系灰岩，有NE向断层和NW向断层交叉存在与该处，立体地质填图结果显示该处深部存在隐伏岩浆岩体，且该处地表出露少量受NW向控制的岩脉，其控矿因素的分布规律符合试验区典型矿床的规律，因此认为该处为成矿有利部位。该处侵入岩体为封山洞-东雷湾主岩体及靠近主岩体的岩脉，典型控矿层(泥盆系五通组)埋深在800 m～1 200 m左右，岩浆岩体与三叠系-二叠系灰岩接触，可能存在的成矿类型以夕卡岩型为主，矿体赋存深度从500 m～1 200 m范围内；岩浆岩体与五通组地层接触部位在深度1 200 m左右，是有利的矿体赋存部位，可能存在层状块状硫化物矿体。

IV号位于武山地区，涵盖武山西南部地区和武山东部地区，属武山矿外围地区，从立体地质填图结果看，该处侵入岩体为赤湖主岩体的赤湖-大桥支脉，典型控矿层(泥盆系五通组)在武山西部埋深在800 m～1 100 m左右，在武山南部埋深为1 000 m～1 200 m左右，在武山东部位于复向斜北翼。依据主要控矿因素分析，在武山西南部和南部，由于侵入岩体属于侵入岩脉的尾部，虽然侵入岩体的围岩为三叠系-二叠系灰岩，但形成大规模的夕卡岩型矿体的可能性不大，与五通组地层接触部位形成层状块状硫化物矿体的可能性较大；在武山东部，由于该处侵入岩体更靠近赤湖主岩体，且五通组地层由于受褶皱影响，主要沿复向斜北翼倾斜分布，故此处矿体赋存深度可从近地表至1 000 m范围，受地层产状影响，该处形成规模较大的夕卡岩型矿体的可能性不大(或规模不大，主要矿体应为五通组控制的层状块状硫化物矿体)。

图7　三维地质模型不同方式显示示意图Fig.7　The sketch of 3D geological model displayed in different ways(a) 三方向切片组合显示；(b) 任意切片、属性体组合显示；(c) 任意折面、水平切片组合显示；(d) 模型地表地质图贴图；(e) 任意折面、水平切片、单属性体组合显示；(f) 单属性体显示；(g) 单属性体水平切片显示；(h) 模型爆炸显示；(i) 南北向切片剖面组合显示；(j) 任意折面切片组合显示

图8　五通组地层与岩浆岩体组合俯视图Fig.8　The combination planform Wutong 　formation and igneous

V号位于太平山东南部至宝山，该处为试验区内主要的NW向与NE向构造交汇处，该处地表北部出露志留系地层，南部出露二叠系地层，立体地质填图结果显示深部有隐伏岩浆岩体，且该岩浆岩体应为宝山岩体，位于复向斜的北翼且与五通组地层接触，该部位处于NW和NE向构造结合点范围内，与区内成矿规律完全符合，然而，此处的侵入岩体规模较小，不利于形成大型矿体。受褶皱构造影响，五通组地层位于复向斜北翼，因此矿体赋存深度自浅部沿层间滑脱断层分布，深度可达1 000 m，成矿类型可能存在夕卡岩型、斑岩型和块状硫化物型。

图9　九瑞试验区推断深部找矿有利部位分布图Fig.9　The distribution of inferred favorable parts in Jiu-Rui deep prospecting(a) 500 m深度水平切面与岩浆岩组合；(b) 1 000 m深度水平切面与岩浆岩组合

3　结论与建议

1)利用构建的九瑞试验区三维地质模型，从深部地质结构出发，结合该区的成矿规律，依据侵入岩体与围岩的接触关系及其围岩的岩性，结合区内主要控矿因素以及典型控矿层(泥盆系五通组)的分布情况，综合分析并圈定了一些成矿的有利部位，可以为该区深部找矿提供有力的依据。

2)智能化三维地质建模技术是综合地球物理立体地质填图工作中的一个非常重要的环节，是将地球物理解译的地质信息转化为三维地质结构模型的重要表达手段。目前，国内尚没有适用于复杂地质模型的、成熟完善的三维地质建模技术。这里利用以MAPGIS K9为平台研发的、基于二维地质剖面构建三维地质结构模型的单属性体手工拼接、多属性体自动融合的三维复杂模型建模技术虽然适合于构建复杂的三维地质模型，但是智能化程度不够，操作繁琐且需要专业的地质人员来进行此项工作。因此，在此基础上进一步研发智能化的三维地质建模技术，提高立体地质填图的工作效率，是以后研究的方向。

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Methods and application research of 3D modelling technology in spatial geological mapping

ZHU Wei, WANG Da-yong, WANG Shu-min, YAO Da-wei, WANG Gang

(Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, Langfang065000, China)

Firstly, this paper conducts some studies on the construction of 3-D geological model and the method ﹠technology of graphic display based upon integrated geophysical 3-D geological mapping, and puts forward a complex geological structure modeling method ﹠ technology, i.e. different attributes modeling separately, then intersecting and fusing. Secondly, a 3-D geological model of Jiujiang-Ruichang test area is constructed by applying the above complex method on MAPGIS K9 platform, and then comprehensive analysis and display are carried out on this 3-D model through different graphic methods. Finally, by using the 3-D geological model, favorable metallogenetic areas of the test area are selected in terms of deep geological structure.

spatial geological mapping; three-dimensional graph; deep ore prospecting; Jiujiang-Ruichang test area

2015-05-05改回日期：2015-11-04

朱威(1987-)，男，硕士，工程师，主要从事综合地球物理勘探研究， E-mail：zhuwei@igge.cn。

1001-1749(2016)04-0571-08

TP 302.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2016.04.21