复杂基岩区浅层三维地质模型构建新方法研究

刘 星，刘文中，王兴阵

（安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001）

基岩区地质结构复杂，与人类生产活动密切相关，其3D地质模型的构建不同于构造简单的平原区，对该类型区域进行三维地质模型的建立的重要性不言而喻[1]。

三维地质建模可以应用于国民经济的各个行业，如城市地质、工程地质、环境地质、金属开采等，有助于提高人们开发地下资源和利用地下空间的效率。

1 三维地质模型建立的常用方法

相比二维地质填图，三维地质体模型的构建需更多来自地表以下的地质信息[2]。在实际工作中，通过钻孔为主要手段获取地下地质构造信息，进行地层对比建立三维模型（图1），适合于构造比较简单的层状地质体建模，而且对于基岩区而言，地质构造切割复杂，同时难以获取如此多的钻孔数据，模型精度无法得到保证。通过剖面图建立三维地质模型，适用于地质构造复杂区域，但需要大量的剖面制作和地质推断，并且很多地质体和构造尖灭位置不一定位于剖面上，并且剖面的假图面坐标难以进行三维转换（图2)。利用地球物理资料进行深部岩性约束进行三维地质模型建立，需要对地球物理数据进行解释，建立地质体的边界文件，其原理与基于剖面建模是一致的[3]。

地表地质信息事实上也揭示了一定深度的地质信息，如果能够直接利用二维地质成果，避开大量剖面的解译和复杂的地质边界连接[4]，经过简单的构造和地质推断，建立三维立体模型，不失为一种有效的三维模型建立方法。

图1 利用钻孔对比建立三维地质模型

图2 利用剖面对比建立三维地质模型

2 基于地质填图图件的三维地质模型建立

2.1 产状对地质边界的约束

由于数字化的地质平面图已经将地表地质体边界和构造行迹展布进行了记录，并且描述了地层和构造的产状[5]，而地层产状本身就是为了描述地质体的空间（包括地下）延展而存在的，三维地质模型的建立，需要利用二维填图成果合理推算地下一定深度的地质信息，其流程如下：

假设存在某段产状稳定的地质体，该地质体边界已经明确，具备二维坐标，如图3，依据以下公式：

图3 地质体地下展布的构造解析

图4 三维地质模型的建立

可以分别计算某地质体边界在地下的偏移量dx，dy，式中，h为地质体沿产状向地下延伸的深度，α，β分别表示地质体的倾角和倾向。

对于构造形迹尤其是断裂的地下延展，该方法尤其适用，对于侵入岩体，由于没有产状信息，可以根据侵入体与围岩的接触关系，进行地质推断，估算其边界在某个深度的展布，上述方法可以得到不同地质体边界在地下的约束分布。

2.2 地形对地质体层面的约束

地形对地质体、构造露头的约束相对较为简单，将对应的地质体的边界形成面元素，通过垂直投影的方式，将DEM高程影射至面元素的各个节点之上，即可完成地形对地质体的约束，同样，对于诸如断裂展布、矿点分布的三维模型均可通过该方法完成。

2.3 地质层面构体

三维地质模型的目标是将同类地层体封闭为一个体，上述方法已经生成了各个地质体的地表层面和地下某深度的边界层面，将同类地质边界的层面进行连接，则形成了地质体的三维实体，该实体可以利用表面模型表达或者利用三维栅格体元进行渲染（图4）。

该流程可以在GOCAD软件中完成，从上述过程来看，难度和工作量均比传统方法降低。

3 三维地质模型应用

三维地质模型的建立，目的是为了应用，否则就没有意义[6]。针对建立好的三维地质模型，可以在以下功能上进行应用。

3.1 三维显示功能

对三维地质模型进行三维操作，如平移、旋转、缩放等，便于从不同角度、不同方位、不同比例尺观看并理解地质体之间、地质体与构造之间的空间展布和联系。

3.2 空间检索

给定一定地理范围和深度，将满足条件的三维实体进行提取，结合三维地质属性模型，对于了解地质体内部应力分布、品位分布及其与岩性、构造之间的联系有清晰的作用。也可以通过这种方式展示单个、多个地质体的组合形态及地质体之间的穿插、接触关系。

3.3 开挖计算

在地质工程实践中，开挖设计及相关计算是必不可少环节，三维地质模型建立后，可以在此基础上进行三维分开挖分析和可视化，进行土方量计算，预判开挖过程会遇见的不良地质和不良地质构造，降低工程风险。

3.4 空间切片 （slice）

该功能适合在三维属性地质模型上展示，通过设定一定深度，将该深度以上的地质体剥离，观察该深度上的地质状况。该切片属于水平切片，同样可以指定一段折线，在三维地质模型上获取该折线对应的剖面地质信息。

3.5 剖面自动成图

三维地质模型上获取的剖面只适用于观察，难以进行地质成图，需要将剖面上的同类地质体进行属性追踪，形成矢量形式的边界，导出为CAD格式进行编辑整饰。

4 总结

针对基岩区三维地质模型建立难度大的问题，在不增加额外工程量的情况下，本文提出了一种简易而有效的三维地质模型建立方法，并能够在生产中实际应用。其原理和流程是二维地质图的延伸扩展，易于理解和掌握，有助于提高地质信息进一步应用，并对三维地质模型的一些应用功能进行了论述。

由于本文是根据地表产状信息推测地质体的延展，因而建模的深度不宜过大。