竇帆帆，林子瑜

(東華理工大學(xué) 地球科學(xué)院，江西 南昌 330013)

GOCAD在三維地質(zhì)建模中的應(yīng)用進(jìn)展綜述

竇帆帆，林子瑜

(東華理工大學(xué) 地球科學(xué)院，江西 南昌 330013)

GOCAD是當(dāng)前主流的三維地質(zhì)建模軟件，自1990年軟件誕生，國內(nèi)眾多專家學(xué)者在多個(gè)領(lǐng)域開展了廣泛而深入的研究工作，取得了豐碩的研究成果。在前人的研究基礎(chǔ)上總結(jié)GOCAD軟件的特點(diǎn)、核心技術(shù)和建模思路并從深部礦產(chǎn)勘察這一應(yīng)用領(lǐng)域熱點(diǎn)為例進(jìn)行詳細(xì)說明。

GOCAD；三維地質(zhì)建模；應(yīng)用進(jìn)展

1 GOCAD軟件概述

GOCAD是世界公認(rèn)的最好的三維地質(zhì)建模軟件軟件，功能強(qiáng)大且易學(xué)易用，在三維地質(zhì)建模領(lǐng)域已達(dá)到了半智能化建模的最高水平，尤其是其軟件專利，基于法國Nancy大學(xué)Mallet教授提出的DSI(離散光滑插值)理論，得到國際地球物理勘探學(xué)會(huì)和歐洲地球物理勘探學(xué)會(huì)以及全球的幾十家大公司和大學(xué)的認(rèn)可，成為該軟件的最大亮點(diǎn)之一。自1990年GOCAD推向世界以來，得到了世界石油、地礦、工程等多個(gè)領(lǐng)域數(shù)百家公司的使用，從簡單的地層建模，到如今復(fù)雜地質(zhì)背景的三維構(gòu)造地層建模和三維巖相分析，GOCAD軟件不斷提高地質(zhì)建模的精度和效率，取得了飛速的發(fā)展。強(qiáng)大的統(tǒng)計(jì)功能、工作流程驅(qū)動(dòng)建模、能夠構(gòu)建復(fù)雜地質(zhì)模型是軟件最為主要的特點(diǎn)[1]。

2 GOCAD軟件相關(guān)研究領(lǐng)域與論文數(shù)量

本文統(tǒng)計(jì)了自2010年開始至2016年結(jié)束這7年內(nèi)期刊中GOCAD軟件在三維地質(zhì)建模中的應(yīng)用情況，具體情況如下：如圖1所示，2010年(29篇)、2011年(27篇)、2012年(33篇)、2013年(36篇)、2014年(41篇)、2015年(45篇)、2016年(51篇)；從研究年份看，從2010年至2016年論文數(shù)量呈逐漸上升的趨勢。按主要學(xué)科專業(yè)統(tǒng)計(jì)可見，如圖2所示，涉及礦產(chǎn)勘查方面的論文最多(98篇)，其他依次為工程地質(zhì)(87篇) 、礦山開采(42篇) 、環(huán)境地質(zhì)(16篇) 、災(zāi)害(12篇) 和其他(7篇)，礦產(chǎn)勘查和工程地質(zhì)的應(yīng)用占總數(shù)的2/3。

圖1 2010-2016每年期刊收錄的稿件數(shù)

圖2 2010-2016年主要領(lǐng)域期刊收錄的稿件數(shù)

3 GOCAD軟件的核心技術(shù)

針對地質(zhì)數(shù)據(jù)具有的不連續(xù)性、不確定性特點(diǎn)，GOCAD 軟件的主要研發(fā)者之一法國Nancy大學(xué)Mallet教授提出的DSI(離散光滑插值)理論。該理論可以概括表述為：假設(shè)一個(gè)已經(jīng)離散化的自然體模型，在這個(gè)自然體模型中能夠建立一個(gè)可以相互連接的網(wǎng)絡(luò)，如果在這個(gè)互相連接的網(wǎng)絡(luò)上的點(diǎn)值能夠滿足某種約束條件或關(guān)系，那么可以通過解一個(gè)線性方程的方式得到這個(gè)網(wǎng)絡(luò)上未知結(jié)點(diǎn)上的值[2]。離散平滑差值(DSI)類似于就解這種微分方程，他是一種只依賴于網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)間的拓?fù)潢P(guān)系，不以空間坐標(biāo)為參數(shù)無維數(shù)的插值方法，這是他與其他空間插值方法的主要區(qū)別之一，因此DSI插值適用于自然物體的模擬。

4 GOCAD軟件的基本對象與建模思路

4.1 基本對象

在三維地質(zhì)建模過程中不僅僅需要對地質(zhì)目標(biāo)的幾何形態(tài)進(jìn)行描述，也需要描述地質(zhì)目標(biāo)所包含的地質(zhì)屬性特征。但是在自然界中不管是多么復(fù)雜形態(tài)的地質(zhì)目標(biāo)，都可以用點(diǎn)、線、面、體這4種類型的數(shù)據(jù)來描述[3]。比如說點(diǎn)主要用來描述如高程點(diǎn)等的離散數(shù)據(jù)；線主要用來描述類似鉆孔軌跡、構(gòu)造線等線狀數(shù)據(jù)；面主要用來描述地層面和構(gòu)造面等具有面狀特征的數(shù)據(jù)；體主要用來描述巖體、透鏡體等封閉的數(shù)據(jù)體。

4.2 建模思路

GOCAD中常見的三維地質(zhì)建模方法包括：基于鉆孔數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)建模方法、基于剖面數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)建模方法、基于數(shù)字地質(zhì)填圖的三維地質(zhì)建模方法[4]。

4.2.1 基于鉆孔數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)建模方法

鉆孔通常作為地質(zhì)資料的第一手資料，記錄了大量地質(zhì)工作過程中的原始信息，是研究地下地質(zhì)體單元結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的最基本的資料之一；也是構(gòu)建真三維地質(zhì)體不可或缺的原始數(shù)據(jù)。該方法主要適用于地層變化不大或有明顯趨勢的地帶且需要獲得大量的鉆探數(shù)據(jù)的支持。具體步驟如下：在GOCAD中通過鉆孔導(dǎo)入后提取每一地層的Marker，生成相應(yīng)的點(diǎn)文件，根據(jù)點(diǎn)生成面的方式進(jìn)行構(gòu)建面模型，之后再繼續(xù)構(gòu)建實(shí)體模型等。

4.2.2 基于剖面數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)建模方法

基于剖面數(shù)據(jù)的建模方法主要采用二維剖面作為建模的依據(jù)，由二維剖面生成三維地質(zhì)模型[5]。具體思路如下：

1)剖面數(shù)據(jù)的解譯

將二維地質(zhì)剖面上的信息進(jìn)行解譯，解譯出研究區(qū)的地層線和斷層線，并將解譯數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維地質(zhì)建模軟件中，如果是勘探工程繪制的二維剖面圖則需要將其中顯示的構(gòu)造和地層信息進(jìn)行矢量化并全部導(dǎo)入三維地質(zhì)建模軟件中。

2)導(dǎo)入二維剖面圖

為了進(jìn)一步的的觀察和分析，需要將二維剖面圖導(dǎo)入三維地質(zhì)建模軟件，在三維空間下觀察地質(zhì)體形態(tài)的變化，進(jìn)而調(diào)整導(dǎo)入的斷層線和地層界線。

3)構(gòu)建三維面模型

將導(dǎo)入地層線和斷層線按組別分別進(jìn)行分組，以組別的分類進(jìn)行三維面模型的構(gòu)建。由于建模數(shù)據(jù)源可能出現(xiàn)的稀疏性，使得構(gòu)建出的三維地質(zhì)面模型較為粗糙，需要運(yùn)用建模軟件中的平滑功能，進(jìn)行面模型的平滑。

4)構(gòu)建三維實(shí)體模型

將構(gòu)建好的三維地層和構(gòu)造模型并參照鉆孔約束共同參與建模，構(gòu)建出研究區(qū)范圍的三維地質(zhì)實(shí)體模型和塊體模型。

4.2.3 基于數(shù)字地質(zhì)填圖的三維地質(zhì)建模方法

數(shù)字地質(zhì)填圖建模，是基于三維地質(zhì)建模專業(yè)軟件，利用數(shù)字地質(zhì)填圖系統(tǒng)的野外路線PRB 數(shù)據(jù)(P 為地質(zhì)點(diǎn)，R 為分段路線，B 為點(diǎn)間地質(zhì)界線)直接進(jìn)行三維地質(zhì)建模的技術(shù)方法。數(shù)字地質(zhì)填圖建模的技術(shù)方法，主要由3大部分組成：根據(jù)野外數(shù)字填圖路線數(shù)據(jù)構(gòu)建界面，將界面組合成面模型，將面模型生成體模型具體實(shí)現(xiàn)途徑是：在GOCAD 軟件平臺(tái)上，先利用PRB 數(shù)據(jù)中的B數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的產(chǎn)狀生成各個(gè)分段地質(zhì)界面，再把同類分段地質(zhì)界面組合生成更大范圍的地質(zhì)界面；對建立好的地質(zhì)界面盡可能利用已有的鉆孔、坑道等勘探數(shù)據(jù)進(jìn)行約束、離散平滑插值等處理，生成符合實(shí)際地質(zhì)情況的地質(zhì)界面；用建立好的地質(zhì)界面組合成面模型和體(網(wǎng)格)模型。數(shù)字地質(zhì)填圖建模所需的基本源數(shù)據(jù)是填圖過程中的野外路線數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)，比較容易獲取，建模成本低，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。

5 GOCAD三維地質(zhì)建模實(shí)例

深部礦產(chǎn)勘察是在二維地表填圖的基礎(chǔ)上，利用二維平面圖和剖面圖等表達(dá)方式，分析關(guān)鍵地質(zhì)要素(如構(gòu)造、地層等)在三維空間的結(jié)構(gòu)特征，并結(jié)合已獲得的鉆孔數(shù)據(jù)、地球物理數(shù)據(jù)以及二維地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)，在GOCAD 軟件平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)三維可視化，建立可靠的三維地質(zhì)模型，開辟第2找礦空間[6]。

1)地表三維的建立

通過地理信息系統(tǒng)軟件(如Mapgis、Arcgis等)將研究區(qū)地質(zhì)填圖過程中獲得的等高線高程數(shù)據(jù)編輯形成文本格式文件導(dǎo)入GOCAD到 軟件中形成點(diǎn)數(shù)據(jù)集，再對導(dǎo)入軟件中的點(diǎn)數(shù)據(jù)集進(jìn)行邊界約束、優(yōu)化，去除異常點(diǎn)，通過點(diǎn)生成面的方式生成地表形態(tài)的DEM[6]。最后可以利用“貼圖”的方式使研究區(qū)的遙感影像和平面地質(zhì)圖疊加在DEM 上，形成遙感影像和平面地質(zhì)圖與三維地質(zhì)圖地表一致性。

2)斷裂及地層的建立

地層面和斷裂面的建立主要根據(jù)工作中獲得的二維剖面圖，首先需要根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)背景的認(rèn)識(shí)對獲得的物探二維剖面進(jìn)行構(gòu)造和地層的解譯，如果是勘探工程繪制的二維剖面圖則需要將其中顯示的構(gòu)造和地層信息進(jìn)行矢量化并全部導(dǎo)入GOCAD軟件中；然后通過賦角點(diǎn)坐標(biāo)的方式將二維剖面轉(zhuǎn)換為三維剖面導(dǎo)入到GOCAD 中，確定好剖面的位置；最后將各個(gè)剖面中所有相同的地質(zhì)界線相連接，利用先生成面的功能生成各個(gè)地層界面，同樣的將相同的斷層線連接以線生成面的方式構(gòu)建出斷層面。

3)三維實(shí)體模型的建立

根據(jù)已建的各個(gè)地層和構(gòu)造的三維面模型，通過軟件自帶的工作流(workflow)如構(gòu)造地層建模工作流來建立研究區(qū)的三維地質(zhì)塊體模型。對已建立的三維地質(zhì)塊體模型可以在各個(gè)方向上切剖面來觀察地下深部的地質(zhì)結(jié)構(gòu)[7]。

6 結(jié) 語

如今GOCAD已發(fā)展成為世界最主流的三維地質(zhì)建模軟件之一，憑借其地質(zhì)建模精度高、效率快并且?guī)缀蹩梢詽M足用戶對各種復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域的建模要求，正被越來越多的人所使用。其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大，涵蓋了包括礦產(chǎn)勘查、工程地質(zhì)和災(zāi)害等眾多領(lǐng)域。本文通過對GOCAD軟件的核心技術(shù)、建模思路以及應(yīng)用實(shí)例的介紹，期望更多的人能夠了解這一優(yōu)秀的三維地質(zhì)建模軟件，并能更好地使用他。

[1] 鐘登華, 李明超, 楊建敏. 復(fù)雜工程巖體結(jié)構(gòu)三維可視化構(gòu)造及其應(yīng)用[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2005, 24(4): 575-580.

[2] 許國, 李敦仁, 王長海, 等. GOCAD 地質(zhì)三維建模技術(shù)及其在水電工程中的應(yīng)用[J]. 紅水河, 2007, 26(s1): 113-116.

[3] 王長海, 許國. GOCAD 地質(zhì)建模在某工程的應(yīng)用[J]. 紅水河, 2011, 30(6): 165-167.

[4] 潘懋, 方裕, 屈紅剛. 3D地質(zhì)建模若干基本問題探討[J]. 地理與地理信息科學(xué), 2007, 23(5): 1-5.

[5] 武強(qiáng), 徐華. 三維地質(zhì)建模與可視化方法研究[J]. 中國科學(xué)(D輯), 2004, 34(1): 54-60.

[6] 楊建宇, 秦德先, 康澤寧, 等. 北衙金礦三維模型的建立及研究[J]. 有色金屬: 礦山部分, 2006, 58(2): 17-20.

[7] 陳建平, 陳勇, 曾敏, 等. 基于數(shù)字礦床模型的新疆可可托海3號脈三維定位定量預(yù)測研究[J]. 地質(zhì)通報(bào), 2008, 4(4): 552-559.

An Application of GOCAD in Three-dimensional Geological Modeling

DOU Fanfan, LIN Ziyu

(CollegeofEarthScience,EastChinaUniversityofTechnology,Nanchang,Jiangxi330013,China)

GOCAD is the most mainstream in three-dimensional geological modeling. Extensive researches have been carried out in many fields by many experts and scholars in China. Many fruitful research results have been acquired. The paper tells of the characteristics、core technologies and modeling ideas of GOCAD software on the base of previous work in mineral exploration.

GOCAD; Three-dimensional geological modeling; Application

2017-05-09

竇帆帆(1992-)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，在讀碩士研究生，研究方向：三維地質(zhì)建模與地學(xué)信息處理，手機(jī)：18305113393，E-mail：469255069@qq.com.

P623

B

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.04.040