張 敏 楊 陽(yáng) 鄧中飛 陳邦學(xué) 朱慧秦

（新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第十一地質(zhì)大隊(duì) 昌吉 831100）

當(dāng)前在地質(zhì)勘查、礦山開(kāi)發(fā)及地質(zhì)研究等方面加快礦業(yè)信息化和三維可視化是業(yè)界已達(dá)成的普遍共識(shí)，以AutoCAD、Mapgis等二維軟件為主的情況也正在逐漸變化，三維軟件逐漸在地礦行業(yè)普及應(yīng)用。同時(shí)以數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)為核心的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)儲(chǔ)量計(jì)算方法，將逐漸發(fā)展成為主流的儲(chǔ)量計(jì)算方法，以手工計(jì)算為主的傳統(tǒng)方法逐漸被地質(zhì)統(tǒng)計(jì)方法所替代[1]。礦區(qū)儲(chǔ)量計(jì)算也從二維向三維逐漸發(fā)展，將礦床的三維建模與儲(chǔ)量計(jì)算結(jié)合起來(lái)是當(dāng)前礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量計(jì)算新的手段，它能夠更加直觀、準(zhǔn)確的對(duì)礦產(chǎn)儲(chǔ)量進(jìn)行計(jì)算。

1 建立礦區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)及地形模型

數(shù)據(jù)庫(kù)的建立是為三維建模提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，其中記錄了大量原始地質(zhì)數(shù)據(jù)信息。以鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)為例，其主要由工程定位、樣品化驗(yàn)數(shù)據(jù)、工程編錄數(shù)據(jù)等文件組成（表1）。數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦山地質(zhì)資料數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)查詢和管理，能夠三維顯示地質(zhì)信息、進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)分析、地質(zhì)解譯等[2]。

表1 鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)各文件示例表

數(shù)字地形模型（DTM）就是地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達(dá)，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述。軟件中采用TIN技術(shù)構(gòu)建地表模型，TIN模型可以根據(jù)地形的具體特點(diǎn)和復(fù)雜程度而確定采樣點(diǎn)的密度和位置，避免數(shù)據(jù)的冗余，并相對(duì)準(zhǔn)確的描述出地形的結(jié)構(gòu)和一些局部地區(qū)，同時(shí)又便于進(jìn)行地形計(jì)算和分析，能夠較好地反映實(shí)際地形信息[3]。將矢量化的地形圖導(dǎo)入到軟件中進(jìn)行高程賦值后，生成數(shù)字地形模型。

2 三維礦床建模

三維礦床建模是為了將礦體、斷層等在三維空間可視化，同時(shí)也是對(duì)數(shù)據(jù)的有效集成和信息挖掘的最佳方法。將技術(shù)人員對(duì)所研究區(qū)域各地質(zhì)體的認(rèn)識(shí)有效的體現(xiàn)在所建立的模型中，使所建立的模型最接近于實(shí)際地質(zhì)環(huán)境，從而為后期礦塊品位插值、儲(chǔ)量估算等奠定基礎(chǔ)。3DMine軟件提供了多種方法進(jìn)行三維地質(zhì)建模，如自動(dòng)建模、基于原始勘探線剖面的建模、基于鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)的建模等。

2.1 基于勘探線剖面的建模

在勘探線剖面圖的基礎(chǔ)上，整理提取出礦體邊界線、礦體編號(hào)、坐標(biāo)網(wǎng)、地表界線等有用信息，進(jìn)行優(yōu)化、糾錯(cuò)等處理，去除不利于建模的無(wú)關(guān)信息，經(jīng)過(guò)多次坐標(biāo)變換將二維剖面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到三維空間中正確的位置，使各剖面圖的位置與勘探錢相互對(duì)應(yīng)（圖1）。軟件中設(shè)置合適的三角網(wǎng)參數(shù)，在相鄰的勘探線剖面圖中選擇同一礦體的閉合線，依次連接成三角網(wǎng)。在實(shí)際的建模過(guò)程中會(huì)有礦體的分支復(fù)合較多、對(duì)應(yīng)較難的現(xiàn)象，此時(shí)在三維礦體的連接、外推及分支復(fù)合的處理上，可創(chuàng)建多個(gè)“輔助線”和“分區(qū)線”對(duì)礦體形態(tài)進(jìn)行控制，最終形成完整的礦體模型。

圖1 勘探線剖面建模過(guò)程示意圖

2.2 基于鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)的人機(jī)交互建模

在鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)檢驗(yàn)、特高品位處理、組合樣長(zhǎng)、鉆孔設(shè)置及創(chuàng)建勘探線等步驟后，將一定容差范圍內(nèi)的鉆孔投影到切割的剖面上，根據(jù)邊界品位、鉆孔數(shù)據(jù)信息及地質(zhì)規(guī)律和建模原則對(duì)不同剖面的礦體進(jìn)行解譯。解譯后根據(jù)相鄰剖面礦體賦存位置、地質(zhì)規(guī)律、外推和尖滅原則等建立礦體面模型，最后為保證模型的可靠性要進(jìn)行實(shí)體驗(yàn)證，對(duì)錯(cuò)誤實(shí)體進(jìn)行修正。礦體模型的創(chuàng)建流程復(fù)雜，在圈連過(guò)程中容易出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤，如自相交、無(wú)效邊、開(kāi)放邊等，因此必須對(duì)建立的模型進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證合格的實(shí)體模型才可以進(jìn)行查詢、編輯、體積計(jì)算等操作。建立的礦體模型具備三維可視化功能，并可在其內(nèi)部任意設(shè)置剖面瀏覽，全面掌握礦體的形態(tài)、產(chǎn)狀及空間分布規(guī)律等（圖2），技術(shù)人員能夠更方便直觀的研究礦床的品位特征、分布規(guī)律及礦化與地質(zhì)環(huán)境的關(guān)系等。

圖2 切割狀態(tài)下三維礦床模型效果圖

2.3 自動(dòng)建模

3Dmine提供一種在鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上的自動(dòng)建模方法，通過(guò)設(shè)置邊界條件、網(wǎng)格、剔除厚度等參數(shù)，直接生成礦體模型。該自動(dòng)建模的礦體模型是基于固定的算法生成，針對(duì)不同的礦床其礦體形態(tài)可能與專業(yè)技術(shù)人員的預(yù)期有一定的差異，且不同礦床的礦體形態(tài)與礦床成因和地質(zhì)環(huán)境密切相關(guān)，故因綜合考慮判斷自動(dòng)建模模型的可靠性或僅做參考使用。另外，利用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)礦體進(jìn)行結(jié)構(gòu)各向異性分析，分析得出主軸/次軸、主軸/短軸、主軸方位角、主軸傾伏角、次軸傾角等參數(shù)值。將各向異性分析結(jié)果加入到自動(dòng)建模過(guò)程中生成礦體模型（圖3）。通過(guò)自動(dòng)建模結(jié)果的比較，認(rèn)為加入礦體結(jié)構(gòu)各向異性參數(shù)為指導(dǎo)的自動(dòng)建模較直接自動(dòng)建模的結(jié)果可靠性更強(qiáng)，更加接近礦體的實(shí)際真實(shí)形態(tài)。

圖3 結(jié)構(gòu)各向異性指導(dǎo)的自動(dòng)建模效果圖

3 儲(chǔ)量估算及方法比較

3.1 地質(zhì)塊段法儲(chǔ)量計(jì)算

軟件中用地質(zhì)塊段法進(jìn)行儲(chǔ)量估算試驗(yàn)（圖4），完成礦段圈定、礦體投影、創(chuàng)建塊段及儲(chǔ)量報(bào)告等，得出軟件與人工儲(chǔ)量計(jì)算的相對(duì)誤差為4.6%，相對(duì)誤差較小，該方法本身不存在誤差，推測(cè)軟件與人工計(jì)算引起誤差的原因是人為因素或投影產(chǎn)生的誤差等。

圖4 地質(zhì)塊段法儲(chǔ)量計(jì)算三維塊段模

利用3Dmine軟件進(jìn)行傳統(tǒng)的地質(zhì)塊段法儲(chǔ)量計(jì)算較人工方法計(jì)算更加方便快捷，在數(shù)據(jù)量較大時(shí)更顯優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能夠減少人為因素產(chǎn)生的誤差，提高技術(shù)人員的工作效率，方便后期的數(shù)據(jù)管理及應(yīng)用等。

3.2 地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)儲(chǔ)量估算

地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)是以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，以變異函數(shù)為主要工具，研究那些在空間分布上既有隨機(jī)性，又有結(jié)構(gòu)性的自然現(xiàn)象的科學(xué)?；诘刭|(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的儲(chǔ)量估算方法，考慮了礦石的空間品位變化，可提高資源儲(chǔ)量估算的準(zhǔn)確性[4]。

實(shí)驗(yàn)半變差函數(shù)分析。在地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)中，變差函數(shù)是最基本與最重要的模擬工具，是計(jì)算區(qū)域化變量空間結(jié)構(gòu)特征的函數(shù)[5]。通過(guò)計(jì)算變量得到實(shí)驗(yàn)變差函數(shù)，擬合出理論變差函數(shù)，再將不同方向的擬合結(jié)果套合為一個(gè)函數(shù)，用于估值計(jì)算。根據(jù)礦體產(chǎn)狀計(jì)算三個(gè)方向的半變差函數(shù)，走向、傾向和厚度方向分別對(duì)應(yīng)主軸、次軸和短軸，最終選擇擬合理論變差函數(shù)的參數(shù)：塊金值、基臺(tái)值及變程。本次分析使用指數(shù)模型。

克里格估值。估值前需建立礦體空塊模型和交叉驗(yàn)證，對(duì)礦體模型內(nèi)部進(jìn)行塊體分割，形成由n個(gè)體元模擬的區(qū)域，每個(gè)體元都有相應(yīng)坐標(biāo)并可以任意添加屬性，克里格法估值結(jié)果會(huì)作為一個(gè)屬性值加入塊模型。交叉驗(yàn)證是對(duì)所擬合的理論半變差函數(shù)的可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)，即從已知信息樣本總體中抽離某個(gè)點(diǎn)，用抽離點(diǎn)以外的其他信息結(jié)合半變差函數(shù)模型估計(jì)被抽離點(diǎn)，結(jié)果得到一系列估計(jì)值和誤差等參數(shù)，根據(jù)誤差判斷模型的準(zhǔn)確性。軟件中設(shè)置估值參數(shù)、搜索參數(shù)、分區(qū)參數(shù)、孔約束等，用普通克里格法進(jìn)行空間估值，在估值過(guò)程中需通過(guò)改變主軸搜索半徑、分區(qū)設(shè)置、約束條件等參數(shù)進(jìn)行了多次克里格估值，確保所有的空塊均被賦予品位等屬性。

資源儲(chǔ)量估算結(jié)果對(duì)比。對(duì)普通克里格法估值的塊體模型進(jìn)行資源量報(bào)告，并與人工地質(zhì)塊段法儲(chǔ)量計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，得出人工地質(zhì)塊段法與普通克里格法兩種方法L1、L2礦段估算結(jié)果（表2）的相對(duì)誤差分別為0.73%、4.40%，相對(duì)誤差均小于5%，說(shuō)明儲(chǔ)量估算結(jié)果的可靠性較強(qiáng)，同時(shí)提高了儲(chǔ)量估算的準(zhǔn)確性。不同的估算方法產(chǎn)生誤差是正常的，誤差產(chǎn)生的原因是多方面、綜合性的，但兩種估算方法的相對(duì)誤差較小，估算結(jié)果可靠。

表2 資源量估算結(jié)果對(duì)比表

4 結(jié)論

⑴通過(guò)三維礦床建模，改進(jìn)了對(duì)礦區(qū)地質(zhì)數(shù)據(jù)的認(rèn)識(shí)和理解，有利于提高信息的利用率和空間分析能力，為地質(zhì)人員在三維空間中觀察、分析研究地質(zhì)現(xiàn)象以及空間展布特征等提供了一種全新的方法。

⑵根據(jù)國(guó)內(nèi)廣泛采用幾何方法進(jìn)行儲(chǔ)量估算、提交報(bào)告的實(shí)際情況，以地質(zhì)塊段法為例進(jìn)行軟件和人工儲(chǔ)量計(jì)算的對(duì)比，結(jié)果顯示兩種方法的相對(duì)誤差小，且運(yùn)用三維軟件計(jì)算儲(chǔ)量避免了人工計(jì)算繁瑣、人為因素多的缺陷，大大提高了技術(shù)人員的工作效率，同時(shí)軟件可運(yùn)用多種方法驗(yàn)證對(duì)比，提高了儲(chǔ)量計(jì)算結(jié)果的可靠性，并在實(shí)際生產(chǎn)中快速給出儲(chǔ)量報(bào)告。

⑶基于3DMine軟件實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)地質(zhì)建模及儲(chǔ)量估算的三維可視化，給出了基于三維可視化的礦床建模和儲(chǔ)量估算的流程方法，并運(yùn)用多種方法快速有效地實(shí)現(xiàn)資源儲(chǔ)量可視化評(píng)價(jià)，促進(jìn)礦區(qū)地勘工作由二維向二三維一體化轉(zhuǎn)變。