江西乐安相山火山盆地多源数据融合三维地质建模

2020-08-17吴志春郭福生a张万良应阳根周万蓬b程b

桂林理工大学学报 2020年2期

吴志春,郭福生a,b,张万良,应阳根,周万蓬b,c,李程b

(1.东华理工大学 a.核资源与环境国家重点实验室; b.地球科学学院; c.江西省数字国土重点实验室, 南昌 330013;2.核工业270研究所,南昌 330200; 3.江西省核工业261大队, 江西鹰潭 344400)

随着矿床勘查工作的不断深入,寻找深部富大矿体已成为当前及今后我国找矿勘查的主要方向。对已有数据进行多源数据集成与三维可视化建模,可使深部地质体“透明”化、(半)定量化,指导找矿勘探“攻深找盲”,降低找矿风险,这已成为当今地质界的共识。我国的三维地质建模研究始于20世纪80年代,经过30余年的快速发展,三维地质建模技术已在地下水资源调查、地质灾害防治、水利工程建设、城市建设、油气勘探、矿山建设、深部找矿等领域得到广泛应用[1-7]。

建模数据的多源性是三维地质建模重要特点之一,多源数据建模的关键是如何将这些数据进行有机融合提高建模精度和可靠性。地质体和地质现象的复杂性,建模数据的离散性、数据类型的多样性、地质解译的多解性,这给三维地质建模增加了难度[8-9]。另一方面,建模数据获取难、成本高、数量有限,但又得不到充分利用。因此,需要对各种来源、不同精度和分辨率的数据进行有效融合,尽可能充分利用已有数据,提高建模精度和可靠性。

相山火山盆地是我国第一、世界第三大火山岩型铀矿田产地,已有60多年的探采历史,积累了大量地质、物探、化探、遥感、钻探等数据。受勘探技术手段的制约,以往相山火山盆地找矿勘探深度普遍较浅,主要集中在500 m以浅。近年来,随着勘探深度的增加,在盆地西部邹家山、居隆庵等矿床的深部钻探中发现铀矿化在深部具有变富变大的趋势,甚至超过1 km的深度依然存在较好的工业品位铀矿化[10]。由此可见，在深部依然具有较好的找矿潜力。因此,在对深部钻探找矿之前,综合利用已有地质、物探、遥感、钻探等多源数据构建三维地质建模,使深部地质体“透明”化、(半)定量化具有必要性。

1 不同建模方法比较

三维地质建模的关键是运用获取的多源数据选择合适的建模方法快速、准确构建地质界面,并建立地质界面之间的空间拓扑关系, 从而形成地质体的面模型,实现三维计算机模拟[11]。按建模数据源类型的不同,建模方法可以分为钻孔建模、地质剖面建模、物探数据建模、多源数据融合建模等[12]。这些建模方法各有优缺点(表1),在建模过程中应多种方法相结合使用。

表1 不同建模方法优劣比较Table 1 Comparison of the advantages and disadvantages of different modeling methods

2 多源数据融合方法及约束建模技术

2.1 多源数据融合方法

三维地质建模数据具有来源众多、格式各异、精度差异大、分布离散等特点,数据综合利用难度大,从而导致构建的三维地质模型精度不高,复杂地质体数据控制不够等问题。通过多源数据融合,充分利用已有的建模数据,弥补单一数据建模的不足,提高模型精度和可靠性。三维地质建模的数据融合包含两方面的内容:一是数据参照系的融合,即在同一坐标系下进行数据集成;二是地质认知的融合,就是保持不同来源地质数据之间的地质意义上具有一致性[38]。根据建模流程的先后顺序,数据参照系的融合又可以细分为数据源的集成和几何空间的集成两个关键步骤。三维地质建模过程中的多源数据融合,关键是地质认知的融合。

2.1.1 数据源的集成数据源的集成主要是对各种不同来源的建模数据进行标准化处理,为建模数据导入建模软件做准备。数据源的集成通常从以下三方面对建模数据进行处理。

(1)统一数据格式。建模数据具来源多、类型多、格式多等特点,要对这些数据进行整合,必须先对数据的格式进行统一。建模数据的处理需要用到多种不同的软件,本次建模数据的处理用到的软件主要有Mapgis 6.7、DGSInfo、CAD、Oasis montaj、CSAMT-SW等。将这些不同软件的矢量数据转换成Mapgis 6.7软件能够读取的点(.wt)、线(.wl)、面(.wp)格式, 栅格数据转换成.tif格式或Mapgis软件能够读取的栅格数据格式(.msi),散点数据转换成文本文件格式。

(2)统一比例尺、坐标系和投影参数。多源数据融合的前提是各数据空间位置具有一致性。建模数据来自不同行业、不同学科、不同单位,获取数据的时间跨度大,导致数据所采用的比例尺、坐标系和投影参数各异,应将所有的建模数据统一到相同的三维空间内,也就是将所有建模数据的比例尺、坐标系、投影参数进行统一。

在Mapgis软件的“投影变换”模块中完成矢量数据的投影变换, 在“图像处理”模块中实现栅格数据的投影变换。根据建模数据的特点, 建议坐标系类型采用平面直角坐标系, 椭球参数选用国家2000坐标系, 投影类型采用高斯克吕格(等角横切椭圆柱)投影, 比例尺为1∶1 000(仅为显示比例尺, 不代表精度),采用3°分带,带号根据研究区所处地理位置计算获得。

(3)统一建模单元。在建模数据中,同一个地质体可能存在用不同地质代号表示。因此,需要综合研究前人资料,总结最新研究成果,对不同时期、不同单位的资料进行整合,修改多源数据中的地质代号,构建统一的建模单元。

2.1.2 几何空间的集成数据源集成之后的建模数据依然是以二维数据集的形式呈现。将建模数据导入建模软件,通过数据三维空间定位、地表平面数据三维转换等处理,实现多源数据在三维空间下的集成,构建原始资料数据库。

(1)数据三维空间定位。将Mapgis软件的点(.wt)、线(.wl)、面(.wp)格式数据分别转换成.dxf格式, .msi格式数据转换成.tif格式, 分别导入建模软件。.dxf格式数据和文本数据能够自带坐标信息, 导入软件后,数据能够自动精确定位, 无需再次校正。 .tif格式数据, 则需要提供图像的4个端点坐标进行重新定位。

(2)平面数据三维转换。等高线、钻孔、重磁三维数据体等数据导入建模软件后,能够自动形成三维数据。勘探线剖面图、中段平面图、物探剖面图等,经过三维空间定位,也能够实现三维显示。而矢量(或栅格)地质图、遥感影像图、地质填图路线等数据,缺少高程属性,需要借助DEM面进行三维转换。

2.1.3 地质认知的融合数据源的集成和几何空间的集成主要是针对多源数据空间位置的统一,而地质认知的融合更多是针对多源数据的地质内容的统一。根据建模数据的特点,地质认知的融合细分为不同精度数据的融合、规则数据与离散数据的融合、地表数据之间的融合、浅部数据与深部数据的融合等内容。

(1)不同精度数据的融合。按精度和可靠性,对建模数据划分等级,用高精度数据约束、修正低精度数据,实现不同精度数据之间的融合。在相山火山盆地三维地质建模中,数据主要有钻孔、勘探线剖面图、中段平面图、地表填图路线数据、实测地质剖面、地质图、大地电磁测深(MT)剖面、可控源音频大地电磁测深(CSAMT)剖面、重磁三维数据体等。其中,钻孔、勘探线剖面图、中段平面图、地表填图路线数据、实测地质剖面、地质图等数据属于高精度数据,MT、CSAMT剖面属于中等精度数据,重、磁三维数据体属于低精度数据。同一精度级别的数据,也存在精度和可靠性相对高低,如大比例尺矿床综合地质图,地质填图路线、实测地质剖面的精度高于1/5万地质图。

(2)规则数据与离散数据的融合。根据数据的分布范围、深度、精度等特点,分层次、分阶段建模,实现规则数据与离散数据的融合。勘探线剖面图、中段平面图、MT剖面、CSAMT剖面主要是平行等间距排列,具有明显的规律性,数据使用方便。钻孔、地质填图路线、实测地质剖面等数据,分布离散,规律性不明显,要一次性将这些数据融合难度较大。根据数据的特点,从小到大、由浅到深分层次、分阶段建模,先构建范围小、深度浅、精度高、数据密集的模型,后构建范围大、深度大、精度低、数据离散的模型,已构建的模型直接作为后期建模的数据源。随着建模范围和建模深度的增大,需要融合的数据类型和数量逐渐减少,前期构建的高精度模型可以约束后期构建的模型,该方法不仅实现了规则数据与离散数据的融合,而且有效提高了建模精度和效率。

(3)地表数据之间的融合。地表数据主要有地质图、遥感影像图、地质填图路线、实测地质剖面等,这些数据的融合需要借助DEM面。矢量地质图导入建模软件之后,加密地质界线中的节点,将地质界线在z轴方向上投影到DEM面,确保地质界线与DEM面完全重合。运用地质界线裁剪DEM面,生成大量小块的DEM面,每个小块DEM面对应地质图中的地质体。根据填图单元对小块DEM面进行归类分组,修改每一类DEM面的颜色,并添加填图单元代号,形成三维矢量地质图;遥感影像图、地质图等平面栅格图作为DEM面的纹理,使平面图变成跟实际地形情况相一致的具有高低起伏的立体图;地质填图路线和实测地质剖面的处理,先将实测地质剖面转换成地质填图路线,将地质填图路线的地质点、分段路线、点间界线等要素分别投影到DEM面,投影到DEM面后的点间界线和对应的产状生成分段地质界面。处理后的地质点、分段路线、点间界线、分段地质界面等数据构成了地质填图路线剖面。矢量地质图、栅格地质图、遥感影像图、地质填图路线剖面等数据都建立在DEM面之上,实现了地表不同数据之间的融合。

(4)浅部与深部数据的融合。分层次、分阶段建模,不仅可以实现规则数据与离散数据的融合,而且在地表数据与深部数据的融合中也起到了重要作用。对前一阶段用地表地质填图数据构建的浅表层三维地质模型,切制与CSAMT、MT位置相同的地质剖面,用于CSAMT、MT剖面的反演及地质解译。同时,前期构建的三维地质模型也可以为后期的三维地质建模提供参考与约束,后期构建的模型又可以返回修正、完善前期构建的浅部三维地质模型,这是一个反复约束,不断修改完善的过程。在相山火山盆地三维地质建模的数据中,拥有大量地表数据和深部数据,将地表数据与深部数据进行有机融合可以有效解决建模数据的不足。

根据浅部和深部建模数据,在地质属性的约束下,通过人机交互的方式,运用约束-插值技术进行数据插值,插值后的数据体既与已有数据相吻合,又符合地质规律和实际情况,且数据之间能平滑过渡。例如,地质填图路线与钻孔的融合,地质界线在产状的约束下可向深部延伸一定距离,但是可延伸的深度有限。在对地质体三维形态宏观把握的基础上,在地表地质界线、产状、钻孔等的约束下,通过约束、插值、平滑等处理实现地表填图数据与钻孔的融合(图1)。当三维地质模型构建好后,随着后期数据的增加,运用该技术可以实现模型的快速更新。

图1 地表地质填图数据与钻孔数据相融合Fig.1 Merging of surface geologic data and boreholea—原始建模数据;b—地表地质填图数据根据产状向深部延伸的地质界线;c—未进行约束-插值处理的地质界线;d—约束-插值处理后的地质界线。1—地质点及编号;2—钻孔及编号;3—控制点;4—节点;5—地质界线;6—地表产状生成的地质界线

2.2 约束建模技术

约束-插值技术是极为重要的建模技术,该技术贯穿于模型构建的始终[39]。获取的建模数据具有不均匀性和不连续性,在复杂地质体建模过程中总是数据不足,运用约束-插值技术,在已有数据和地质属性的约束下,通过人机交互,对数据空白区进行数据插值来弥补建模数据的不足。多源数据融合过程中, 常运用高精度数据约束、校正低精度数据,也就是将高精度数据作为约束数据,对低精度数据进行插值处理,修改、调整低精度数据,使其与高精度数据相吻合。同时,约束-插值技术的使用,减少了对点、线、面的人机交互操作次数,大量重复、复杂的人机交互操作得以快速、(半)自动完成,提高了建模效率。建模过程中常用的约束方法主要有节点连接、控制节点、点对线约束、点(线)对面约束、面的边界约束、面的端点约束、地层厚度的约束等。

(1)节点连接。未设置节点连接约束时, 连接两条线生成面, 线的连接以最近距离的原则进行连接, 即一条线中的节点与另一条线中距离该节点最近的节点相连接。设置节点连接约束后, 2条线之间的节点连接方向则与约束方向保持一致。在复杂地质界面的构建过程中, 是否设置节点连接所构建的地质界面可能存在较大差异(图2)。在褶皱构造的构建时, 需要在褶皱的核部设置节点连接, 确保相邻地质界线连接方向的准确性, 使褶皱形态能够被准确表达。由此可知, 目前三维地质建模无法实现完全自动化, 需要在建模人员对地质体三维空间展布特征、地质体之间的穿插关系具有较好的理解下进行大量人机交互操作。

图2 未运用(a)与运用(b)“节点连接”生成的面效果对比Fig.2 Comparison of the surfaces generated by unusing(a) and using(b) “node link”

(2)控制节点。控制节点约束可以分为线的控制节点约束和面的控制节点约束。运用控制节点约束, 在插值过程中可以确保受约束部分的线或面的空间位置不发生改变,仅改变未被约束部分节点的空间位置。控制节点约束可以对线或面中的部分节点进行约束,也可以对全部节点进行约束。当对全部节点进行约束时,插值处理时线和面都不会发生任何变化。当对线或面中部分节点约束时,未被约束的节点的空间位置会发生调整,从而使线或面的空间形态发生变化。

节点约束功能在复杂地质界面的构建过程中使用频率较高, 主要用于复杂地质界面的局部修改、复杂地质界面的组合等方面。复杂地质界面构建时, 构建的地质界面局部可能与已知数据不吻合, 与已知数据相吻合部分的地质界面设置控制节点约束, 运用点对面约束功能调整不吻合部分地质界面; 复杂地质界面的构建难度较大, 通常将其划分成若干个简单地质界面分别进行构建, 再将构建好的简单地质界面组合生成复杂地质界面，在组合过程中, 拼接部位不一定能够平滑过渡, 常需要通过节点约束功能调整该部分地质界面, 使整个复杂地质界面平滑过渡, 并与实际情况相符。

(3)点对线约束。目的是通过调整线的三维形状,使线能够通过所有约束点,曲线又能够平滑变化。该约束方法常用于实现散点、钻孔等数据与地质界线数据的融合。该约束方法的实现有3个关键步骤:①加密线中的节点,确保线发生较大变化后依然能够平滑过渡;②设置线的控制节点约束和点对线的约束方向；③当线中已有高精度数据控制的部分应保持其空间位置不变,此时需要设置控制节点约束。点对线的约束方向设置有两个目的：一是使线靠近散点方向，默认的方向是最短距离连线方向,可以通过设置点对线的约束方向修改线的运动方向；二是确定执行一次插值处理能够改变线的幅度,当给定的矢量方向数值越大,执行单次插值操作,改变线的幅度越大。

(4)点(线)对面约束。该约束方法主要应用于地质界面的构建与更新。在分层次、分阶段建模中,上一阶段构建的模型地质界面可以直接作为建模数据直接参与下一阶段模型地质界面的构建,也可以作为下一阶段模型地质界面构建的约束数据。在剖面建模过程中,地质界面的构建遵循“主要建模数据构建初始地质界面,高精度数据约束、修正初始地质界面,实现所构建的地质界面与所有数据能够相吻合”的建模原则。运用约束-插值技术实现该原则的方法简单,只需设置节点连接约束,连接相邻地质界线生成初始地质界面,运用钻孔等高精度数据约束、修正初始地质界面,使生成的地质界面与地质剖面、钻孔等数据相吻合。随着勘探程度的深入和获取建模数据的增加,需要对模型的局部进行调整,只需要将新增数据转换成散点或线,通过点(线)对面约束功能实现地质界面的快速、自动更新,从而实现对模型的更新。

(5)面的边界约束。该约束方法主要用于控制面的边界变化, 既可以用于面的范围变化的控制, 也可以用于面的边界方向调整的控制。在进行其他约束-插值处理时, 为了不改变面的范围, 需要运用面的边界约束功能确保面的边界变化在可控的范围内。如果要让面的边界空间位置不发生改变, 则需要对边界中的节点进行控制节点约束。

当断层将地质界面错断成两部分,断层两侧的地质界面应紧靠断层面。运用面的边界约束实现该效果的方法是：首先在地质界面的边界上增加端点,将边界细分成数段；然后对需要延伸的边界设置面的边界约束,约束方向为边界指向断层面；最后执行插值处理后,地质界面的边界会自动延伸并靠近断层面。

(6)面的端点约束。该约束方法的作用是让一个面的边界端点紧靠另一个面的边界。当一条断层将另一条断层错断,被错断的断层面在执行面的边界约束之后,老断层的边界能够紧靠新断层面,但是老断层的边界端点不一定能够与新断层边界对齐,通过面的端点约束处理,端点能自动靠近对应面的边界。

(7)地层厚度约束。在地层厚度稳定的沉积岩区三维地质建模,运用地层厚度约束功能能够确保构建的两个地质界面之间的厚度始终保持一致。运用该约束方法,地层顶界面和底界面之间相互约束、修正,可以有效提高所建地质界面的精度。该方法也可用于地质界线与地质界面的距离约束,使线到面的距离始终保持一致。

3 相山火山盆地不同类型数据源及其特点

2010—2015年, 笔者等参与了“江西省1/5万陀上、鹿冈、乐安县幅区域地质调查”、 “相山火山盆地三维地质调查”等工作,获取了相山火山盆地大量建模数据,主要有地表填图数据、钻孔、勘探线剖面、中段平面图、MT、CSAMT、遥感影像、重磁数据等。

3.1 地表填图数据

地表填图数据主要有实测地质剖面、地质填图路线和地质图。地质图包括填图获取的1/5万地质图和收集的大比例尺矿床综合地质图。相山火山盆地的范围涉及1/5万图幅有陀上幅、宜黄幅、乐安县幅、二都幅等图幅,其中陀上幅范围占58.4%,乐安县幅占21.3%,剩余的2个图幅共占20.3%(图3)。地表地质填图过程中获取了大量填图路线PRB(P, 地质点; R, 分段路线; B, 点间界线)数据,PRB中包含了地质点、分段路线、点间界线、产状、样品、素描等信息,该类数据具有数据丰富、准确性高、连续性好、易获取、成本低等优点,是三维地质建模的重要数据源。

在填图过程中, 根据地质体控制程度, 在局部地区适当加密填图路线, 并在重点区填绘了1/1万地质图。陀上幅范围内, 1/5万填图路线232条, 实测地质剖面19条, 总长度达812.5 km; 1/1万填图路线39条, 路线总长度为51.2 km。通过地表地质填图, 查明了各地质体地表出露情况、岩性组合及产状等要素, 揭示了盆地三维地质结构。

3.2 钻孔

在盆地范围内,优选了深度较大、揭露地质界面较多的钻孔1 459孔,这些钻孔的平均深度为501 m。钻孔数据整体分布不均匀,主要位于盆地的西部和北部(图3)。钻孔数据由钻孔位置表、测斜表和岩性表3个表格组成,钻孔位置表包含钻孔名称、坐标(x,y,z)、钻孔深度等信息,钻孔测斜表包含钻孔名称、终孔深度、倾角、方位角等信息,钻孔岩性表包含钻孔名称、分层深度、分层等信息。

3.3 勘探线剖面图、中段平面图

收集的勘探线剖面图349幅,中段平面图34幅,图面面积达280 m2，主要分布于相山北部、西部和东部的云际矿床。同一个矿床内,勘探线剖面图间距为50 m,中段平面图间距为40 m。图件投影参数类型多样,椭球参数有北京54坐标系、西安80坐标系、国家2000坐标系等,比例尺主要以1∶500和1∶1 000为主。数据格式类型多样,主要以图片格式、Mapgis软件格式、CAD软件格式等为主。

3.4 大地电磁测深(MT、CSAMT)剖面

在邹家山-石洞地区施测了14条CSAMT剖面,线距500 m,点距50 m,共1 198个测点,总长59 km,探测深度3 km。以最高峰相山顶为交汇点,布置了2条十字形交叉横跨盆地的MT骨干剖面,点距1 km,测点共86个,测线总长84 km,探测深度为5 km。17条MT精细剖面覆盖整个盆地,线距2 km,点距250 m,测点共1 134个,测线总长265 km,探测深度为3 km。MT精细剖面中的15条NW-SE走向的剖面平行排列覆盖整个盆地,2条NE-SW走向剖面位于盆地北部。

CSAMT数据的数据预处理和反演分布在CMT Pro version和CSAMT-SW软件中完成。MT数据在SSMT2000软件中处理完成。结合测量的物性数据及已有地表填图数据、钻孔、勘探线剖面、中段平面图、重磁三维数据体等资料,对CSAMT、MT进行地质解译。

3.5 遥感影像

影像数据有TM、ETM+、ALOS、ASTER等,主要用于岩石地层、侵入岩体、断裂构造、火山机构、蚀变带等的解译。高空间分辨率的ALOS遥感影像用于岩性、构造解译,通过解译发现线性构造以北东向、北西向、近南北向为主,且发育有复杂的环形构造(图3)。以相山顶为中心的大环形构造和以河元背、石宜坑、阳家山、严坑、柏昌为中心的小环形构造,分别与相山顶主火山口和河元背、石宜坑、阳家山、严坑、柏昌次火山口相对应[40]。用光谱分辨率较高的TM、ETM+、ASTER影像提取蚀变异常信息,用TM、ETM+提取铁化、泥化蚀变异常信息,ASTER提取水云母化、绿泥石蚀变信息[41-42]。

3.6 重力、磁化率数据

收集的重力数据为1/5万地面观测数据,磁化率数据为1/2.5万地面高精度磁测数据,两者的覆盖范围不一致,略小于研究区范围(图3)。用Geosoft公司开发的Oasis montaj软件求取异常值进行重力、磁化率数据的三维反演,反演深度为3 km,获得了重力、磁化率三维数据体[43]。三维重力、磁力数据体网格大小划分相同,为125 m×125 m×65.5 m(长×宽×高)。

4 相山火山盆地三维地质建模流程

相山火山盆地三维地质建模,根据不同数据的分布范围、深度、精度等特点,采用多种建模方法相结合,从小到大、由浅到深,分层次、分阶段构建4个层次的模型(图4):第1层次的模型为运用钻孔、勘探线剖面图、中段平面图、大比例尺综合地质图等数据构建的范围小、精度高、深度浅的邹家山矿床模型、沙洲矿床模型和云际矿床模型;第2层次模型的构建是在第一个层次模型的基础之上,由点到面,以地质填图路线、实测地质剖面、地质图等为主要建模数据,3个矿床模型的地质界面为约束数据,构建范围更大、精度高、深度与矿床模型相当的1/5万陀上幅三维地质模型;第3层次模型的构建,是在前两个层次模型的基础上,模型深度由浅到深,以14条CSAMT剖面为主要建模数据,前两个层次三维地质模型地质界面为约束数据,构建深度更大的邹家山-居隆庵三维地质模型;第4层次模型构建,在前三个层次模型的基础上,以19条MT剖面为主要建模数据,已有模型和其他数据为约束数据,构建的范围大、精度高、深度大的相山火山盆地三维地质模型。

图4 分层次、分阶段建模流程图Fig.4 Flow chart of hierarchical and stage modeling

不同模型的构建,使用的建模数据和建模范围不同。模型地质界面的构建采用“主要建模数据构建初始地质界面, 高精度约束数据约束已构建的初始地质界面, 构建的地质界面能与所有数据相吻合”的思路。该思路的实现关键是节点连接、控制节点、点对线约束、点(线)对面约束、面的边界约束、面的端点约束、地层厚度约束等约束-插值技术的合理组合运用。同时,在地质界面构建之前,确定不同模型的主要建模数据和约束数据也至关重要。主要建模数据需覆盖整个建模区,单独使用这些数据就能够较好地实现模型的构建,约束数据只是提高所建模型的可靠性和精度。约束数据通常精度高,但数据量有限,分布相对零散,仅用这些数据无法实现整个模型的构建。不同层次模型的数据类型划分见表2。

表2 建模数据源类型划分Table 2 Different modeling data source types

4.1 矿床三维地质模型

矿床三维地质建模采用钻孔建模与剖面建模相结合的方法。钻孔分布密集的层状、似层状地质体界面的构建采用钻孔建模的方法。将钻孔的界面点作为散点数据,在GOCAD软件的构造建模流程(structural modeling workflow, SMW)模块中自动、快速构建。SMW模块中构建地质界面时,可以根据地质界面属性进行数据插值,自动、快速、准确地构建地质界面,且可以快速调整面中三角网的大小。

岩体界面、多值曲面等复杂地质界面的构建,钻孔建模方法无法实现,需采用剖面建模的方法。复杂地质界面的构建可以分为3个关键步骤(图5):① 根据地质界面的复杂程度,将复杂地质界面划分成若干个相对简单的地质界面。划分的地质界面个数不宜太多或太少,如果划分的个数太多,单个地质界面的构建简单,但后期地质界面的组合难度大。划分的地质界面太少,单个简单地质界面的构建难度会较大,但地质界面的组合会更简单。② 运用剖面建模方法分别对简单地质界面进行构建。在地质界面的构建之前,根据已有建模数据(钻孔、勘探线剖面、中段平面图等),建模人员在大脑中构建三维地质界面，根据脑海中的地质界面三维形态,合理设置相邻地质界线之间的节点连接约束。通过连接地质界线生成初始地质界面,运用钻孔、地质图等数据约束已构建的初始地质界面,通过约束、插值、平滑等处理使地质界面与所有建模数据相吻合,且地质界面能够平滑过渡。③ 根据构建的简单地质界面组合生成复杂地质界面。将简单地质界面之间进行互相裁剪,剔除交叉多余部分的地质界面。将裁剪后的地质界面合并生成复杂地质界面,运用点对面约束、线对面约束、节点约束、局部约束等约束方法,结合节点、三角网等编辑功能和面平滑、优化等功能对拼接部位进行处理,使地质界面整体变得平滑过渡,符合实际情况和地质规律。

图5 复杂岩体界面构建流程Fig.5 Flow chart of building branched rock interface①—多个岩体界面叠合显示;②—多个岩体界面互相裁剪;③—对岩体界面进行约束-平滑处理;④—组合生成岩体模型

分别从相山西部成矿区、北部成矿区、东部成矿区各选了一个典型铀矿床进行三维地质建模,这3个矿床分别为邹家山矿床、沙洲矿床和云际矿床。以地形图、钻孔、勘探线剖面图、中段平面图、大比例尺矿床综合地质图等高精度数据为建模数据源,构建了3个范围较小、精度高、深度浅的精细矿床三维地质模型。

邹家山矿床三维地质建模：建模数据主要有钻孔415孔、勘探线剖面图26幅和中段平面图10幅；沙洲矿床三维地质建模：建模数据主要有钻孔256孔、勘探线剖面图38幅和中段平面图5幅；云际矿床三维地质建模：建模数据主要有钻孔39孔、勘探线剖面35幅。模型范围以矿床范围为边界,建模单元和模型深度与勘探资料相一致。邹家山矿床建模面积约1 km2,建模深度约1 km；沙洲矿床建模面积约0.83 km2,建模深度约360 m；云际矿床建模(图6)面积约3.5 km2,建模深度约415 m。

图6 云际矿床三维地质模型Fig.6 3D geological model of Yunji deposit1—第四系;2—鹅湖岭组二段过渡相;3—鹅湖岭组二段边缘相;4—沙洲单元;5—断层

4.2 陀上幅三维地质模型

通过上述3个矿床模型的构建,对盆地内主要地质体的空间展布特征有了更深入的理解,为大范围的浅部三维地质建模作准备。矿床模型的建模单元与1/5万陀上幅的地质填图单元能够相对应,构建的地质界面可以直接用于陀上幅三维地质模型的构建。在3个矿床模型的基础之上,以地表地质填图路线和实测地质剖面为主要建模数据,综合运用这3个矿床之外的勘探线剖面图、中段平面图、大比例尺综合地质图、钻孔等数据,构建深度为500 m的1/5万陀上幅三维地质模型。

数字地质填图数据属性齐全、规范化好,极大方便了该数据的二次开发利用,这为填图路线数据作为三维地质建模的数据源提供了基础。笔者提出了基于地质填图路线和实测地质剖面直接构建浅表层三维地质模型的方法[44-46],具体建模流程见图7。整个建模过程包括数据预处理、构建原始资料数据库、地质界面的构建、模型的组合等4个关键步骤,其中地质界面的构建最为关键。

图7 数字地质填图路线建模流程图Fig.7 Flow chart of digital geological mapping route model ①主要建模数据;②约束数据;③构建地质界面;④模型组合

根据陀上幅三维地质模型的实际情况, 按地质界面的构建方法不同, 地质界面的类型大致划分为模型边界面、 DEM面、第四系界面和上覆残留地层、断层面和层状地质体界面、岩体界面、俘虏体界面等不同类型的地质界面。在地质界面的构建过程中应遵循3个重要原则:①“B过程和产状数据为主要建模数据, 地下高精度数据为约束数据”的原则，使构建的地质界面能与地表填图数据和地下数据都能够完全吻合, 且平滑过渡; ②“先构建时代新的地质界面, 后构建时代更老的地质界面”的原则; ③“由分段地质界面组合生成更大范围的地质界面, 界面构建由小到大、不断约束、不断完善”的原则。

陀上幅范围内, 海拔在80～1 219.2 m, 地形落差大。同时受地表填图产状可向延伸深部限制, 钻孔、勘探线剖面图、中段平面图等数据的深度绝大部分在500 m左右, 因此, 模型深度(Z轴方向厚度)设定为500 m, 模型底界面与DEM面平行。利用陀上幅地表地质填图获取的232条野外地质填图路线、 19条实测地质剖面数据为主要建模数据, 钻孔、勘探线剖面图、中段平面图、综合地质图等数据为约束数据, 构建了与地表填图单元相一致的1∶50 000陀上幅三维地质模型(图8)。

图8 1∶50 000陀上幅三维地质模型Fig.8 1∶50 000 3D geological model of Tuoshanga—三维遥感影像图(RGB(ETM7,ETM4,ETM1)+ALOS PAN);b—矢量三维地质图; c—三维地质模型。1—第四系残坡积物;2—上白垩统莲荷组二段砾岩;3—上白垩统莲荷组一段砂岩;4—上白垩统塘边组三段粉砂岩;5—上白垩统塘边组二段砂岩;6—上白垩统塘边组一段粉砂岩;7—上白垩统河口组三段砾岩;8—上白垩统河口组二段复成分砾岩;9—上白垩统河口组一段砾岩;10—下白垩统鹅湖岭组二段中心相含花岗质团块碎斑熔岩;11—下白垩统鹅湖岭组二段过渡相碎斑熔岩;12—下白垩统鹅湖岭组二段边缘相含变质岩角砾碎斑熔岩;13—下白垩统鹅湖岭组一段砂岩、凝灰岩;14—下白垩统打鼓顶组二段流纹英安岩;15—下白垩统打鼓顶组一段砂岩、凝灰岩;16—青白口系上施组二段千枚岩;17—青白口系上施组一段片岩;18—青白口系库里组二段片岩;19—青白口系库里组一段片岩;20—早白垩世粗斑二长花岗斑岩;21—早泥盆世二长花岗岩;22—煌斑岩脉;23—硅化脉;24—地质界线;25—断层;26—河流

4.3 邹家山-居隆庵三维地质模型

邹家山-石洞地区位于陀上幅南部,是盆地内重要铀矿勘查区,已探明的铀矿床有邹家山、居隆庵、牛头山、石洞等。在陀上幅三维地质模型、重力三维数据体、磁化率三维数据体中分别切制与CSAMT剖面相对应的剖面,结合这些剖面图和深度超过500 m的钻孔等数据,对CSAMT剖面进行综合地质解译。以CSAMT地质解译剖面和地质图为主要建模数据,参照陀上幅三维地质模型中地质体的空间展布特征,构建范围较大、精度高、深度大的邹家山-居隆庵三维地质模型。

运用构建好的邹家山-居隆庵三维地质模型修正、完善已构建的陀上幅三维地质模型,尤其是地质体的深部延伸。陀上幅三维地质模型和邹家山-居隆庵三维地质模型之间互相约束和修正,这一过程是一个反复的过程,但总体遵循“高精度数据约束、修正低精度数据”的原则。

4.4 相山火山盆地三维地质模型

在陀上幅三维地质模型、邹家山-居隆庵三维地质模型、重力三维数据体、磁化率三维数据体中切制与MT剖面位置相一致的剖面, 根据切制的剖面图对MT剖面进行综合地质解译。以19条MT地质解译剖面和地质图为主要建模数据, 参照陀上幅三维地质模型、邹家山-居隆庵三维地质模型中地质体的空间展布特征, 构建范围较大、精度高、深度大的相山火山盆地三维地质模型(图9)。在地质界面的构建过程中, 充分利用节点连接、控制节点、点对线约束、点(线)对面约束、面的边界约束、面的端点约束、地层厚度的约束等约束方法, 并利用已构建模型的地质界面作为约束数据, 提高相山火山盆地三维地质结构模型的精度。最后利用构建好的相山火山盆地三维地质模型修正、完善已构建的陀上幅三维地质模型、邹家山-居隆庵三维地质模型。

图9 相山火山盆地三维地质结构面模型Fig.9 3D geological structural surface model of Xiangshan volcanic basin1—第四系残坡积物;2—上白垩统红层;3—下白垩统鹅湖岭组碎斑熔岩;4—鹅湖岭期火山通道;5—下白垩统打鼓顶组流纹英安岩;6—下泥盆统云山组砂岩;7—青白口系上施组千枚岩;8—青白口系库里组片岩;9—青白口系神山组千枚岩;10—早白垩世二长花岗斑岩;11—早泥盆世二长花岗岩;12—断层