蒙其古尔铀矿床三维地质模型构建及应用

张浩浩，李旭

（核工业二一六大队，新疆 乌鲁木齐 830011）

三维地质建模技术是在20世纪80年代中期随着计算机数据处理、图像显示等多项技术的发展，在三维处理环境下，将空间信息、地质解释、地学统计以及图形可视化结合起来，是一门新兴的前缘技术，集地质勘探、数学地质、地球物理等学科交叉而成的，是对研究的地质空间对象，进行全信息数字化的综合描述和可视化表达［1-3］。

蒙其古尔铀矿床是伊犁盆地南缘铀矿田的重要组成部分，是层间氧化带型可地浸砂岩型铀矿的典型代表。该矿床具有开采成本低、易出、矿量大等优点，勘探开发以钻孔工程控制为主，地质结构复杂，砂体、层间氧化带、矿体的空间位置难以观察分析，不易控制。三维建模技术可以将地质空间对象进行全信息数字化综合描述和可视化综合表达，在三维虚拟地质环境中，让勘查技术人员能够直观地理解地下复杂的地质结构，进行深入的矿床地质分析和成矿预测分析，便于矿山开采部门直接进行三维矿山设计，制定生产计划，从而在新的高度上支撑矿产勘查、开发的信息化和智能化［4-5］。

1 矿床概况

蒙其古尔铀矿床位于伊犁盆地南缘中部矿集区，发现于20世纪50年代中期，按照统一部署、分段勘查、开发衔接的要求，历经23年的勘查与开发，落实了一个开发效益良好的超大型可地浸砂岩型铀矿床。

研究区位于伊犁盆地南部斜坡带以东构造相对活动区，次级构造单元位于扎吉斯坦向斜东南翼，矿床夹持于控盆F1断裂和F3断裂之间，中生代地层呈向北东倾斜的单斜产出，产状相对平缓［6-7］。研究区地层主要由中新生代盖层的中－下侏罗统、新近系和第四系组成，缺失三叠系和上侏罗统，该地层不整合覆盖于石炭系－二叠系中酸性火山岩、火山碎屑岩之上。地层从老到新依次为：下侏罗统三工河组（J1s）：分为上、下两段，勘查区P11～P23线及557线北东侧存在局部合并现象［8-9］；中侏罗统西山窑组（J2x）：可分为上、中、下3段，上段和下段为区内主要含矿目的层，下段和中段中间稳定发育的第八煤层、中段和上段中间稳定发育的第十煤层为区域标志层；中侏罗统头屯河组（J2t）：区内广泛发育，南部受地层剥蚀影响，该层位缺失；新近系（N）：区内广泛发育，南部部分缺失；第四系（Q）：全区覆盖。

铀矿化主要赋存于三工河组下段（J1s1）与上段（J1s2）、西山窑组下段（J2x1）与上段（J2x3）4个层位的层间砂体中，在空间上连续产出，泥岩隔水层稳定分布，砂体相对独立发育，呈层状、似层状或带状产出的特征。含矿主砂体多呈现正韵律或复合正韵律特征，由下向上依次为砂砾岩或含砾粗砂岩至中、细砂岩，顶部为泥岩、粉砂岩及煤层［10-14］。

2 数据收集及预处理

本文采用“数字铀矿勘查系统（QuantyU）”建立三维地质模型，该系统是在地质大数据的背景下，由武汉地大坤迪科技有限公司专门针对铀矿勘查的信息化而开发的铀矿勘查信息化平台。其中建模与可视化子系统（QuantyU-3D）是一个高性能的交互式的体系结构，能够提供快速、准确、可信的三维可视化环境以及更加广阔的设计空间和灵活的设计方法，更加直观、形象、准确地把握实体模型的局部和整体概念。

本次研究收集蒙其古尔矿床的主要图件包括：区域地质图、工作程度图、地形地质图、控制点分布图、综合成果图、矿体水平投影图、砂体厚度图、勘探线剖面图等。收集各类表格数据主要有：钻孔见矿一览表、矿体单工程参数计算表、资源量估算参数表、资源量估算总表、特高品位处理结果一览表。

QuantyU 软件三维建模是基于剖面资料建立的三维数字地质体模型，通过人工交互作业的方式建立。首先进行数据预处理，在QuantyU 二维系统整理检查建模数据（等高线、地层界线、矿体边界）：勘探线剖面图需整理出地层界线、矿体边界、断层线等，地形地质图需整理出等高线、地质界线、建模范围线、断层线、矿体露头线等，矿床综合成果图需整理出氧化带前锋线（氧化带范围）、主含矿砂岩范围、泥岩隔水层范围等；其次进行图幅校正，原始图件种类多，不同的图件可能原始坐标不一样（带号），因此必须统一所有数据的坐标，对不同的坐标系进行图幅校正。最后将整理后所需要的数据导出为GEO 格式文件，从QuantyU 二维系统导入三维系统QuantyU-3D，提取整合各类线条，处理完成进行模型构建。

3 三维模型构建

本次建模范围为扎吉斯坦矿床和蒙其古尔矿床（P48—P55 线），建模面积16.2 km2，建模深度1 km，以88 条勘探线剖面（851 个钻孔柱状图）为基础，结合矿区地形地质图、综合成果图、矿床砂体等厚图、矿体水平投影图等，建立如下地质模型：三维地表模型、三维钻孔模型、三维构造模型、三维地层模型、三维含矿砂体模型、三维氧化带模型、三维矿体模型（图1）。

图1 蒙其古尔铀矿床三维地质模型Fig.1 Three-dimensional geological model of Mengqigur uranium deposit

建模原理是基于TIN（Triangular Irregular Network，不规则三角网格）数据结构构建三维地质模型。TIN 是一种面元型典型矢量数据模型，最初由苏联科学家Delaunay 于1934 年提出，其按照一定的准则将二维空间剖分成一系列三角形面片，然后连接成互相连续、互不交叉、互不重叠的网格，并使区域内的点都落在三角形面片的顶点、边、或三角形内，生成相应的曲面。这种方法可方便推广到三维空间中，在建模时可根据表面的复杂程度调整三角面片的大小和数量，消除冗余并保持较高的拟合精度，方法便捷灵活［15］。

具体建模方法如下：在QuantyU-3D 系统中设定勘探区和分析项目，系统自动读取数据，生成钻孔三维模型，提取矿体线圈，由线成面，由面成体，建立矿体模型；QuantyU 二维系统GEO 格式文件转为GVX 格式文件，导入Quanty-3D 中，利用地形图中等高线生成地表面，贴高清遥感图形成地表模型；利用地表面和圈定的模型范围线，生成模型包围盒，形成矿床范围模型；利用断层线，生成断层面，切割矿床范围体，形成构造模型；利用地层线，生成地层面，切割构造体，形成地层模型；利用砂体线，生成砂体面，切割地层体，形成砂体模型；利用氧化带线，生成氧化带面，切割砂体体，形成氧化带模型；最后将所有模型整合，组成矿床三维地质模型，进行模型分析应用（图2）。

3.1 地表三维建模

根据地质资料查明地层出露情况，确定建模范围，三维地表建模是以矿区地形地质图为基础，将赋有高程值的等高线整理好后，在QuantyU-3D系统中打开，对其可以生成DEM 模型，也可以生成TIN 模型，等高线精度越高生成的曲面效果越好，然后在该面上贴纹理贴图（高分辨率卫星遥感影像图），就建成了三维地表模型（图3）。

3.2 矿床边界三维建模

矿床范围建模是利用建模的范围大小及建模深度生成的一个大体，明确整体模型在空间中的范围。建模流程为：首先，确定勘探区地层的范围和厚度；其次，利用地层的范围和厚度线生成辅助面；再次，通过地表等高线生成地表面，将地表面向下按一定厚度生成体；最后，利用范围线成面后将地表体超出的范围及厚度切割（图4）。

3.3 构造三维建模

图2 三维地质模型构建流程图Fig.2 Flowchart of 3D geological model construction

图3 蒙其古尔铀矿床三维地表建模Fig.3 Three-dimensional surface modeling process of Mengqigur uranium deposit

图4 蒙其古尔铀矿床矿床范围建模Fig.4 Modeling process of the boundary of Mengqigur uranium deposit

根据地质资料确定断层性质、断距以及断层产状，理清断层期次关系。构造建模是以勘探线剖面图中的断层线为基础，结合矿床地形地质图中断层线建立三维构造模型。首先，提取勘探线剖面的断层线和地表的断层线，转入三维系统；其次，利用断层线，生成断层面；再次，根据断层的期次关系，用断层面与矿区范围模型从老到新进行面剪切体；最后，体面互剪，建立三维构造模型（图5）。本次共建立3 个断层面（F1、F2、F3）模型，可实现断层性质、断距、规模与地质体关系信息等三维可视化。

3.4 地层三维建模

图5 蒙其古尔铀矿床构造三维建模Fig.5 Modeling process of 3D structure of Mengqigur uranium deposit

根据地质资料确定建模范围、地层出露情况、理清地层新老关系。三维地层建模是以勘探线剖面图中的断层线为基础，结合矿床地形地质图中地层出露范围。首先，提取勘探线剖面的地层线和地形地质图上的地质界线，转入三维系统；其次，利用勘探线剖面的地层线和地形地质图上的地质界线来拟合生成地层面；再次，用地层面与矿区范围模型从新到老进行面剪切体切割；最后，将分割后的小体组合就建立了三维构造模型（图6）。本次共建立了12 层地层模型（图7），从上到下依次为：第四系（Q）、新近系（N）、中侏罗统头组屯河（J2t）、中下侏罗统西山窑组上段（J2x3）、第十煤层（M10）、中下侏罗统西山窑组中段（J2x2）、第八煤层（M8）、中下侏罗统西山窑组下段（J2x1）、中下侏罗统三工河组上段（J1s2）、中下侏罗统三工河组上段（J1s1）、下石炭统（C2n）和模型底板，实现了地层数据地上—地下一体三维可视化。

3.5 含矿砂体及氧化带三维建模

含矿砂体三维建模是根据地质资料确定主要含矿砂体、砂体出露情况、砂体厚度及砂体中泥岩夹层范围。三维含矿砂体建模是以勘探线剖面图中的砂体界线为基础，结合地形地质图上的砂体地表界线和矿床砂体等厚图中砂体中泥岩夹层范围界线来拟合生成含矿砂体面，用含矿砂体面与地层范围模型从新到老进行面剪切体切割，最后将分割后的小体组合，建立三维含矿砂体模型。

氧化带三维建模是根据地质资料确定主要氧化砂体、氧化砂体出露情况、氧化砂体厚度及氧化砂体中非氧化砂体和泥岩夹层范围。三维层间氧化带建模是以勘探线剖面图中的氧化砂体界线为基础，结合地形地质图上的氧化砂体地表界线和矿区综合成果图层间氧化带范围来拟合生成层间氧化带面，用层间氧化带面与砂体范围模型从新到老进行面剪切体切割，最后将分割后的小体组合，建立层间氧化带模型。

图6 蒙其古尔铀矿床地层三维建模Fig.6 Three-dimensional stratigraphic modeling process of Mengqigur uranium deposit

图7 蒙其古尔铀矿床地层-断层三维模型Fig.7 3D model of stratigraphic fault-borehole model of Mengqigur uranium deposit

图8 蒙其古尔铀矿床三工河组下段三维砂体-氧化带-矿体模型（俯视图）Fig.8 3D model of sand body-oxidation zone-ore body in the lower member of Sangonghe Formation in Mengqigur uranium deposit（top view）

本次共建立了4层含矿砂体和氧化带模型（图8），从上到下依次为：中下侏罗统西山窑组上段（J2x3）、中下侏罗统西山窑组下段（J2x1）、中下侏罗统三工河组上段（J1s2）和中下侏罗统三工河组上段（J1s1），实现了含矿砂体和层间氧化带数据地上—地下一体三维可视化。

3.6 矿体三维建模

根据地质资料确定矿化类型、矿体规模、矿体在空间上的展布，三维矿体建模是整个建模过程最难的部分。可地浸砂岩型铀矿体在空间上呈薄、散、小的特点，针对该特点，数字铀矿勘查系统（QuantyU）在建模与可视化（QuantyU-3D）子系统中开发了铀矿体精细化建模模块。该模块以勘探线剖面图中的矿体线圈为基础，将矿体线圈从二维投到三维空间中，根据可地浸砂岩型铀矿矿体圈定规则，结合矿体水平投影图相邻勘探线中矿体线圈组成一个中间面（边界根据圈定规则外推），矿体边界两个线圈成顶底面。1 个中间面和两个顶底面共同组成一个矿体模型，最后将分散的模型整合，建立整体矿体模型（图9）。本次共建立了4 层矿体模型，从上到下依次为：中下侏罗统西山窑组上段（J2x3）、中下侏罗统西山窑组下段（J2x1）、中下侏罗统三工河组上段（J1s2）和中下侏罗统三工河组上段（J1s1），实现了矿体数据地上—地下一体三维可视化（图9）。

4 三维模型应用

地表模型可实现地形地貌、河流、地表地质体等三维可视化，可以很清楚的知道矿床地面的地形特征和地面采矿工程分布地点。利用地表模型矿床可以解决矿床开采设备进入的路线以及矿产输出路线等交通问题，同时也可以与采矿权模型叠合，监管是否越界采矿。

地层模型和构造模型可以很形象清晰地反映出矿床的地层、岩性及构造分布特征，同时可以直接查看地层的属性，直接获取地层的XYZ 坐标，了解地层相应位置及其深度。地层（岩性）模型的建立可以辅助用于矿床的开采，和穿层越界的监管。

砂体模型和氧化带模型是矿床三维模型的一个重要组成部分。含矿砂体模型可以很形象清晰地反映出砂体在空间上的范围、岩性及连通性，有助于矿床沉积相研究。氧化带模型可以直观展示氧化砂体的范围、岩性及氧化带前锋线的位置，可直观表达出矿体与砂体、氧化带之间的相互关系。

矿体模型同样是矿床三维模型的一个重要组成部分，其可描述和再现地下矿体的三维展布情况和矿石品位、类型的分布状况，是矿床管理的核心。三维矿体模型可以直观表达矿床可采资源的地下赋存状况，对矿床管理和评估有着一定的决策作用。

将建好的地表模型、钻孔模型、地层模型、构造模型等综合在一起，进行三维可视化分析，可直观的表达出蒙其古尔铀矿床地上—地下一体模型。利用数字铀矿勘查系统（QuantyU）的建模与可视化（QuantyU-3D）子系统，将三维地质模型炸开，单独观察每层模型的具体细节。建立三维栅栏面模型，实现任意剖面切割。建立虚拟钻孔模型，模拟任意位置钻孔（图10）。还可开挖隧道，获取矿床任意位置的地质信息。

图9 矿体三维建模Fig.9 Flow chart of 3D modeling of orebody

图10 蒙其古尔铀矿床三维地质应用模型Fig.10 Three-dimensional geological application model for Mengqigur uranium deposit

在上述模型基础上进行露采、井采和堆场设计，根据露采设计数据建立三维露采开挖模型，根据地下开采设计数据建立地下三维矿井巷道模型，然后利用矢量剪切技术实现这些设计模型在虚拟矿床地质模型中的最终表达。通过开发与其他系统间的接口，将各种模型和分析结果输送给相关部门，满足矿山工程勘测、设计和开采的需要。

5 结论

1）本文利用数字铀矿勘查系统中的各个建模功能，基于TIN 数据结构通过人工交互作业的方式，剖面图结合矿区地形地质图、综合成果图、矿床砂体等厚图、矿体水平投影图等，建立矿床的地形地貌模型、地层模型、砂体模型、氧化带模型、断层模型以及钻孔模型等一系列三维地质模型，着重根据铀矿体圈定规则对铀矿体精细化建模，梳理了建模流程。

2）三维地质模型使地质特征从二维层面上升到了实际具体的三维层面，使地质现象更形象、更具体、更有代表性。通过三维可视化分析对矿体展布、矿体延伸、矿体预测等方面的研究起到了促进作用，使地质体的空间展布及矿体的细微变化一览无余，为揭露工程部署和矿床开采提供了可视化依据。