滕壽仁，董哲，王營，李巍，趙文菊，周俊鵬

1.遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，遼寧沈陽 110031；2.遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局，遼寧沈陽 110031；3.遼寧省核工業(yè)地質(zhì)局，遼寧沈陽 110031

1∶5萬三維地質(zhì)填圖方法技術(shù)在本溪礦集區(qū)的應(yīng)用

滕壽仁1，董哲2，王營3，李巍1，趙文菊1，周俊鵬1

1.遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，遼寧沈陽 110031；2.遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局，遼寧沈陽 110031；3.遼寧省核工業(yè)地質(zhì)局，遼寧沈陽 110031

礦集區(qū)三維地質(zhì)填圖是采用1∶5萬的調(diào)查尺度，提交地表地質(zhì)圖及具有一定精度的深部地質(zhì)圖，為圈定含礦建造、控礦構(gòu)造等主要目標(biāo)地質(zhì)要素提供基礎(chǔ)地質(zhì)依據(jù).通過在本溪礦集區(qū)開展的三維地質(zhì)填圖工作，認為構(gòu)造填圖是三維地質(zhì)填圖的基礎(chǔ)，提出“分級分塊”的三維地質(zhì)建模方法，并總結(jié)了礦集區(qū)三維地質(zhì)填圖方法技術(shù)流程.

三維地質(zhì)填圖；地質(zhì)信息集成；地質(zhì)概念模型；本溪礦集區(qū)；遼寧省

0 前言

三維地質(zhì)填圖在國外已經(jīng)進行了近半個世紀(jì)，而我國在此方面差距較大.圍繞三維地質(zhì)填圖各國相繼制定并實施了國家填圖計劃，多數(shù)發(fā)達國家都已經(jīng)完成了中、大比例尺的地質(zhì)填圖，印度、日本、韓國等國基本完成可測面積的1∶5萬區(qū)調(diào)［1］.美國、加拿大、英國、澳大利亞、荷蘭、意大利等國家目前正在實施的各類三維地質(zhì)調(diào)查計劃主要有巖石圈尺度三維結(jié)構(gòu)圖、城市三維地質(zhì)填圖、大型活動斷裂帶三維地質(zhì)填圖、復(fù)雜變形區(qū)三維地質(zhì)礦產(chǎn)填圖、含油氣盆地三維地質(zhì)填圖.

早在上世紀(jì)80年代，我國便提出過深部地質(zhì)填圖的概念，在局部礦山也建立了三維找礦模型，繪制了一大批“三度空間立體地質(zhì)圖”，但該種圖件存在很大的缺陷，無法根據(jù)地質(zhì)認識程度的加深而修改，不能有效地進行信息提取［2］.從2002年開始，北京、上海、天津、杭州、南京、廣州等六市相繼開展了三維地質(zhì)調(diào)查工作，以基礎(chǔ)地質(zhì)三維結(jié)構(gòu)為基本框架，統(tǒng)一構(gòu)建城市地質(zhì)、水文、工程地質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)并建立了完善的城市地質(zhì)數(shù)據(jù)庫和先進的三維可視化系統(tǒng).在此基礎(chǔ)上，2011年我國首次開始嘗試成礦帶、礦集區(qū)的三維地質(zhì)填圖工作，真正意義上進入了三維地質(zhì)時代.

1 目標(biāo)地質(zhì)要素確定

由于地質(zhì)數(shù)據(jù)及其應(yīng)用本身所具有的復(fù)雜性、不確定性等特點，三維地質(zhì)填圖有別于傳統(tǒng)意義上的地表填圖.前者較后者更具目的性.本溪礦集區(qū)位于鞍山-本溪鐵成礦帶之東段，區(qū)內(nèi)廣泛分布太古宙含鐵變質(zhì)巖系，其中賦存有豐富的鐵礦資源（鞍山式鐵礦），為遼寧省重要的鐵礦產(chǎn)地之一.因此，本溪礦集區(qū)目標(biāo)地質(zhì)要素為“鞍山式”含鐵建造（太古宇結(jié)晶基底）、控礦構(gòu)造和大型巖體.1∶5萬地表填圖為我們提供了地層層序、蓋層沉積厚度、構(gòu)造型式、變質(zhì)變形等基礎(chǔ)地質(zhì)地表信息，但從實踐工作中來看，三維地質(zhì)填圖不可能將所有的地表地質(zhì)信息全都反映在深部三維地質(zhì)圖中.主要原因是：（1）數(shù)據(jù)量大，信息過多；（2）蓋層中組、段地層間缺少巖石物性差異；（3）單從地表產(chǎn)狀下延精度過低；（4）鞍山式鐵礦主要產(chǎn)于太古宇鞍山群表殼巖中，呈捕擄體形式賦存于太古代深成侵入體中.

2 工作方法選擇

三維地質(zhì)填圖的技術(shù)方法包括地質(zhì)、物探、化探、遙感及鉆探等綜合勘查技術(shù)，如何采用深部探測技術(shù)、方法組合是尋找含礦建造、控礦構(gòu)造及其三維空間展布規(guī)律，提高深部地質(zhì)體建模精度的關(guān)鍵.要想更為有效、準(zhǔn)確地解決地下2 km之內(nèi)目標(biāo)地質(zhì)要素三維空間展布特征，筆者通過工作實踐認為，地質(zhì)填圖是基礎(chǔ)，深部探測技術(shù)是關(guān)鍵，三維地質(zhì)建模是表達手段.

2.1 地質(zhì)填圖

地質(zhì)填圖在三維工作中要有所側(cè)重，傳統(tǒng)意義上的地質(zhì)填圖面面俱到，并側(cè)重于地層、巖體及構(gòu)造的信息描述.在三維地質(zhì)填圖工作中，為了建立區(qū)域上的三維地質(zhì)模型，我們側(cè)重于地層厚度、產(chǎn)狀、構(gòu)造格架及構(gòu)造演化史研究.在成果表達上側(cè)重構(gòu)造綱要圖的編制與表達.以本溪礦集區(qū)為例，三維建模的底圖已由傳統(tǒng)的地質(zhì)圖演變成構(gòu)造綱要圖.我們總結(jié)有幾個優(yōu)點：（1）構(gòu)造綱要圖剝離了淺表覆蓋層，更多地反映了深部地層特征；（2）在地質(zhì)圖中，實地調(diào)查繪制出的斷斷續(xù)續(xù)的斷裂構(gòu)造連成的一體，更加符合斷層的發(fā)育模式及地質(zhì)規(guī)律；（3）蓋層中的組段被合并，大大降低了三維建模工作量，也突出了目標(biāo)地質(zhì)要素（見圖1）.

2.2 巖石物性采集

本溪礦集區(qū)內(nèi)巖礦石物性測定是沿重、磁、電綜合物探剖面實測的，是目標(biāo)層的選擇及重、磁、電深部地層綜合反演的依據(jù)和基礎(chǔ).1300塊標(biāo)本包含了17個組級地層單元和4種侵入巖單元.收集到的物性僅僅能夠提供參考，因為在不同地區(qū)，相同時代、相同組段的巖石組合特征由于沉積環(huán)境、構(gòu)造環(huán)境、變質(zhì)程度的不同而產(chǎn)生礦物成分含量的差異，導(dǎo)致其密度、磁性及電性都存在一定差異.

圖1 寒嶺-偏嶺斷裂在地質(zhì)圖及構(gòu)造綱要圖上的對比Fig.1 Comparison of Hanling-Pianling fault in geological map with structure outline map

2.3 深部探測技術(shù)

本溪礦集區(qū)目標(biāo)地質(zhì)要素為“鞍山式”含鐵建造，與其上覆蓋層存在明顯的磁性差異，因此首先采用磁法測量.中酸性巖體與其圍巖存在的密度差異明顯，可以采用重力測量工作.但這兩種方法又都存在一定的缺陷，許多地下埋藏較深的礦體、巖體在重、磁測量過程中無法被區(qū)分，或者反映出一定的異常，但不能有效地進行定量、半定量計算，降低了三維地質(zhì)建模的精度.采用電法測量的目的就是要解決這一問題.當(dāng)然，不同深部探測方法都有一定的局限性，要根據(jù)地區(qū)、礦種及目標(biāo)地質(zhì)要素具體分析，采用具有針對性的方法手段，在這里不一一累述.

3 三維地質(zhì)建模

三維地質(zhì)建模是計算機三維技術(shù)在地學(xué)領(lǐng)域的具體應(yīng)用.廣義的三維地質(zhì)建模包括三維地質(zhì)模型的生成、可視化、空問分析和應(yīng)用等，狹義的三維地質(zhì)建模主要指三維地質(zhì)模型的生成［3-4］.本文的三維地質(zhì)建模主要指廣義的三維地質(zhì)建模.

3.1 建模方法及對比選擇

三維地質(zhì)建模雖然軟件繁多，但方法大同小異，大致可分為基于鉆孔的數(shù)據(jù)建模法、剖面柵格法.近年來，又有專家提出來基于數(shù)字地質(zhì)圖的三維建模方法.基于鉆孔數(shù)據(jù)建模法是利用鉆孔中地層分層信息進行連接，配合地震等物探資料對鉆空間的信息補充，建立三維地質(zhì)模型［5-7］.主要應(yīng)用于礦區(qū)及鉆孔豐富的油田地區(qū)，其可信度較高，但在鉆孔較少地區(qū)不適用.

剖面柵格法是在地質(zhì)實測剖面或圖切地質(zhì)剖面基礎(chǔ)上，輔以物探剖面的修正后連接成層，主要應(yīng)用于鉆孔較少地區(qū)，但在構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)，例如本溪礦集區(qū)則不適用.主要原因是柵格化的剖面與地層常常存在一定的夾角，不能真實反映地層及構(gòu)造的下延產(chǎn)狀.同時，復(fù)雜構(gòu)造區(qū)巖性變化大，柵格剖面間距大會導(dǎo)致剖面間地層單元差異過大，無法連接成體，形成三維模型［8］；柵格剖面間距過小又會大大增加三維建模工作量，影響工作效率.

基于數(shù)字地質(zhì)圖的三維建模方法是近年來隨著GIS信息技術(shù)的發(fā)展而提出的，主要是利用地質(zhì)填圖劃分的填圖單元沿地層、構(gòu)造等產(chǎn)狀信息進行深部下延，但深部地層展布、構(gòu)造下延深度、錯動關(guān)系等需人工干預(yù)［9-10］.而在構(gòu)造復(fù)雜區(qū)，利用軟件平臺解決構(gòu)造及兩盤地質(zhì)體相交等問題時存在許多弊端，這種方法目前還在進一步研究過程中，并不完善.

圖2 本溪礦集區(qū)大地構(gòu)造位置Fig.2 The geotectonic position of Benxi ore concentration area

基于這樣一個現(xiàn)狀，我們提出了礦集區(qū)三維建模的一種新方法，即“分級分塊”建模方法.所謂“分級分塊”的概念就是“自上而下分級分區(qū)，自下而上分塊建模”的方法.具體講就是按照不同的分區(qū)界線將研究區(qū)分為幾個主要建模區(qū)域，然后在主要建模區(qū)域內(nèi)再進行詳細劃分.按照分區(qū)界線的重要程度將建模分區(qū)劃分成不同的級別，直到能夠在三維操作平臺上順利實現(xiàn).不同尺度的三維地質(zhì)填圖應(yīng)該有不同分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，以本溪礦集區(qū)1∶5萬尺度為例，按照主要斷裂構(gòu)造、巖體邊界、次一級貫通構(gòu)造將礦集區(qū)分為3個級別的分區(qū).從最小級別的三級分區(qū)開始建模，之后組成礦集區(qū)整體三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的方法.

3.2 “分級分塊”建模方法

本溪礦集區(qū)地處柴達木-華北板塊（一級構(gòu)造單元）東北部，華北陸塊（二級構(gòu)造單元）東北緣，遼東新元古代—古生代拗陷帶（三級構(gòu)造單元）中西部，跨越龍崗微陸塊、太子河新元古代—古生代拗陷、遼吉古元古代古裂谷、鞍山古陸核4個四級構(gòu)造單元（見圖2）.研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造經(jīng)歷了從太古宙至新生代復(fù)雜的構(gòu)造演化史，因此為了更加真實地利用三維建模表達出工作區(qū)內(nèi)復(fù)雜的構(gòu)造演化歷史，將重點解剖區(qū)分級分區(qū)（見圖3）.

圖3 重點解剖區(qū)分級分區(qū)圖Fig.3 The“grading and blocking”map of important anatomic area

三級分區(qū)：以次一級的斷裂構(gòu)造為邊界將研究區(qū)劃分出三級分區(qū)分別建模.這一級別的模型展示出來的是地質(zhì)體受到多期次構(gòu)造變形疊加后的產(chǎn)出形態(tài)，當(dāng)然最直觀的是地質(zhì)體受到最后一期構(gòu)造變形的產(chǎn)出形態(tài).

二級分區(qū)：是以巖體邊界劃分出二級分區(qū)分別建模.這一級別的模型是通過巖體之間的侵入接觸界線或巖體與地層間的接觸界線在地下的三維起伏形態(tài)，對三級分區(qū)的一個制約.

一級分區(qū)：是以重點解剖區(qū)內(nèi)大型的走滑斷裂構(gòu)造——寒嶺-偏嶺、弓長嶺-大臺溝-思山嶺兩條大型北東向斷裂為界劃分出一級分區(qū).一級分區(qū)是在三級分區(qū)與二級分區(qū)建立完成基礎(chǔ)上考慮這幾條大型走滑斷裂構(gòu)造對分區(qū)地質(zhì)體整體的錯動位移關(guān)系，最終以客觀地質(zhì)事實為依據(jù)合并到一起，完成整個區(qū)域的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型（見圖4）.

4 三維地質(zhì)填圖流程總結(jié)

在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查成果基礎(chǔ)上，利用大比例尺剖面測量深入研究區(qū)內(nèi)大型斷裂、褶皺構(gòu)造、重要巖體及鞍山式鐵礦的產(chǎn)狀、規(guī)模及發(fā)育模式；結(jié)合具有針對性的路線地質(zhì)調(diào)查資料，建立解剖區(qū)2 km以淺三維地質(zhì)概念模型；利用重、磁、電綜合物探解譯對斷裂、褶皺構(gòu)造深部展布形態(tài)以及巖體深部發(fā)育特征和侵入接觸界線、巖體與地層間接觸界線、特別是太古宙結(jié)晶基底在深部的起伏形態(tài)進行推斷解譯；合并同一物性層，修改完善三維地質(zhì)概念模型；依據(jù)鉆探驗證成果，修改、完善測區(qū)三維地質(zhì)概念模型，形成最終三維地質(zhì)模型（見圖5）.

采用GOCAD等三維可視化軟件，建立2 km以淺的三維數(shù)字地質(zhì)模型，直觀展示深部地質(zhì)特征；采用Micromine等軟件建立重點遠景區(qū)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合礦體空間展布特征及物探信息，預(yù)測資源量.

在建立1∶5萬地質(zhì)填圖空間數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，全面整理分析區(qū)內(nèi)DEM、遙感影像、地質(zhì)、物探、鉆探資料，進行資料處理，篩選空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)，完善數(shù)據(jù)屬性，規(guī)范數(shù)據(jù)表格，并最終入庫.

專題研究是三維地質(zhì)填圖工作的一項重要目標(biāo)，也是研究成果的深入細化，是對研究區(qū)內(nèi)重大地質(zhì)問題的進一步探討，從三維的角度去研究地質(zhì)問題會更加直觀、明了，讓三維地質(zhì)填圖的成果可以更加容易地被服務(wù)對象接受.因此，專題研究應(yīng)該成為三維地質(zhì)填圖中必不可少的一項工作.

圖4 礦集區(qū)1∶5萬三維地質(zhì)建模流程示意圖Fig.4 The 1∶50000 3D geological modeling process in ore concentration area

圖5 技術(shù)流程圖Fig.5 Technical process

5 結(jié)論

綜上所述，可以得出如下認識：

（1）多元數(shù)據(jù)集成是三維地質(zhì)填圖工作的特點，充分利用諸如鉆孔資料、地質(zhì)圖、地質(zhì)剖面圖、地形圖、遙感數(shù)據(jù)、物化探數(shù)據(jù)、DEM等可利用的數(shù)據(jù)和資料.三維地質(zhì)建?？衫玫臄?shù)據(jù)源涉及多種來源、多種類型、多種數(shù)據(jù)格式等多元數(shù)據(jù).因此，在三維地質(zhì)建模過程中，一個關(guān)鍵問題就是如何有效地集成并使用好這些多元數(shù)據(jù).

（2）多方法集成是實現(xiàn)深部地質(zhì)調(diào)查的有效手段.由于地質(zhì)情況的復(fù)雜性等特點，寄希望于尋求一種普適的方法解決所有地質(zhì)模型的構(gòu)建是不現(xiàn)實的，更現(xiàn)實的方法是針對不同的地質(zhì)復(fù)雜程度、不同的工作階段、不同的資料豐富程度等，提出多方法集成的綜合解決方案.

（3）適用的三維地質(zhì)建模方法是提高模型精度及三維可視化效率的關(guān)鍵.針對礦集區(qū)構(gòu)造復(fù)雜、地層走向變化大的特點，本研究提出“分級分塊”地質(zhì)建模方法.實踐證明這種方法既考慮了建模精度，又權(quán)衡了建模效率，提高了三維建模的可操作性.

（4）構(gòu)造復(fù)雜的礦集區(qū)三維建模工作首要解決的問題是構(gòu)造格架.三維模型的建立及綜合研究工作都是基于構(gòu)造格架基礎(chǔ)上進行的，因此我們提出三維地質(zhì)填圖的底圖應(yīng)該為構(gòu)造綱要圖.

（5）礦集區(qū)三維地質(zhì)填圖在我國還處在實驗階段，沒有可以直接參考的技術(shù)規(guī)范，通過本次在礦集區(qū)開展1∶5萬三維地質(zhì)填圖工作，試驗性總結(jié)了方法技術(shù)流程，為規(guī)范及技術(shù)要求的制定提供了具有實踐意義的參考.

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APPLICATION OF 1∶50000 THREE-DIMENSIONAL GEOLOGICAL MAPPING METHOD IN BENXI ORE CONCENTRATION AREA

TENG Shou-ren1,DONG Zhe2,WANG Ying3,LI Wei1,ZHAO Wen-ju1,ZHOU Jun-peng1

1.Liaoning Institute of Geological and Mineral Survey,Shenyang 110031,China;2.Liaoning Bureau of Geology and Mineral Exploration,Shenyang 110031, China;3.Liaoning Bureau of Nuclear Geology,Shenyang 110031,China

The 3D geological mapping in ore concentration areas adopts the 1∶50000 survey scale and submits surface and deep geological maps with certain precision,which provides geological basis for the delineation of main geological targets like ore-bearing formation and ore-controlling structure.With the 3D geological mapping work in Benxi ore concentration area,the authors think that the structural mapping is the basis for 3D geological mapping.The authors also propose the 3D geological modeling method of“grading and blocking”,and summarize the 3D geological mapping method and technique process in ore concentration areas.

3Dgeologicalmapping;geologicalinformation integration;geologicalconceptualmodel;Benxiore concentration area;Liaoning Province

1671-1947（2015）04-0383-06

P628

A

2014－09－20；

2015-08-07.編輯：張哲．

滕壽仁（1981—），男，碩士，工程師，從事基礎(chǔ)地質(zhì)、礦產(chǎn)勘查工作，通信地址遼寧省沈陽市皇姑區(qū)寧山中路42號2612，E-mail//11995767@qq.com