面向钻孔数据的矿体三维形态模拟_赵增玉

第30卷󰀁第2期

2011年󰀁󰀁3月󰀁󰀁󰀁󰀁地质科技情报

GeologicalScienceandTechnologyInformation󰀁󰀁󰀁󰀁Vol.30󰀁No.2

Mar.󰀁2011

收稿日期:2010󰀁08󰀁26󰀁󰀁󰀁编辑:杨󰀁勇

基金项目:󰀁十一五󰀁国家科技支撑计划重大项目子课题(2006BAC04B01)

作者简介:赵增玉(1984󰀁󰀂),女,现正攻读构造地质学专业博士学位,主要从事矿产勘查理论与方法研究。E󰀁mail:zengyu1206@163.com面向钻孔数据的矿体三维形态模拟

赵增玉1,潘󰀁懋1,金󰀁毅1,屈红刚2

(1.北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室,北京100871;2.中国地质调查局发展研究中心,北京100037)

摘󰀁要:简要介绍了国内外对矿体进行三维建模的主要方法,提出了直接由钻孔数据对矿体进行三维建模及可视化的必要性;

论述了基于钻孔数据的三维矿体表面建模的基本原理和流程,提出矿体椭球体参数的获取是矿体形态模拟最重要的步骤;详细讨

论了如何从实际的矿体勘查数据出发,分别获取矿段及矿体椭球体参数,使得对矿体形态的模拟融入勘查工程人员对矿体形态的

经验认知,更好地模拟矿体形态;通过简单实例,比较了钻孔建模结果与轮廓线建模结果,认为钻孔建模更适合于勘查工程稀疏或

者矿体连续性差时的情况,指出了钻孔建模需要改进的方向。

关键词:钻孔;矿体;建模;矿段;椭球体

中图分类号:P611.5󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文献标志码:A󰀁󰀁󰀁󰀁文章编号:1000󰀁7849(2011)02󰀁0122󰀁05

󰀁󰀁随着三维GIS在矿山建设领域的应用,三维矿

体模型的构建在矿产资源开发实践中的作用日益重

要[1]。目前,三维矿体模型主要分为两大类,即三维

矿体表面模型和三维矿体属性模型[2]。由于三维矿

体表面模型对矿体边界的表达比较精细,且数据量

少,运算速度快,因此常用来表达矿体的三维空间形

态。国内外提出了不同的三维矿体表面建模方

法[3󰀁9],主流的方法为基于轮廓线连接算法的三维矿

体表面建模,或称作为线框模型。该方法的主要步

骤可以分为:勘探工程数据的组织和管理、二维勘探

线剖面的绘制、矿体轮廓线的提取、矿体轮廓线的连

接和三维矿体表面模型的构建。在大量的矿山实际

应用中,这种方法基本可以适应各种复杂矿体的三

维形态表达,并且可以通过修改轮廓线、加密轮廓线

等手段更精确地表达矿体。然而,在大量的应用中,

其缺点也逐渐显露出来,即该方法需要通过二维剖

面上矿体的连接来获取三维矿体的轮廓线,以限制

矿体的边界,从而需要大量的时间来完成矿体模型

的构建。但是,在某些情况下,矿产勘查人员往往只

希望对矿体的大致产出形态有所了解,如在矿产预

查或矿产普查的早期阶段,或者矿区还未布置勘探

线,只是利用稀疏的钻孔控制矿体,在这种情况下,

轮廓线建模方法便不适用了,因此,需要提供某种方

法可以直接通过钻孔数据,而不需要借助于勘探线

剖面上的矿体轮廓线来建立三维矿体表面模型。另

外,在矿体形态复杂、产状变化大且厚度变化系数大的情况下,用三维轮廓线建模方法还需要大量的交

互,才有可能建立比较符合实际的矿体模型。因而,

本文提出了直接基于钻孔数据对矿体的三维形态进

行表达的方法,该方法可提高三维表面建模的自动

化程度。

1󰀁基本原理

在三维地层建模中,已有学者[10󰀁13]直接基于钻

孔数据对地层进行三维自动建模,主要思路是通过

对钻孔数据的解译,利用钻孔的分层点构造地层的

TIN面,并对各地层的高程数据进行插值,获取各

地层TIN面的连续高程值,进而形成最后的地层地

质体。该方法对于沉积型地层的三维建模非常有

效,并且建模速度快。然而,对于连续性差、形态复

杂的矿体,如果对矿体的三维形态没有足够的掌握,

各钻孔之间并不能建立起明显的矿层对应关系,则

不能简单地套用三维地层的建模方法,而应当利用

矿体本身的特点进行建模。通常,在剖面矿体解译

过程中,针对不同产出状态的矿体或者不同的工程

勘查程度,解译结果也不相同(图1)。

图1给出了两个见矿的钻孔ZK1和ZK2,当两

个钻孔相距较近,认为已经控制了矿体形态时,则如

图1󰀁A所示将钻孔见矿段直接连接,若矿体为层状

矿体,且连续性很好,则这种连接方法非常符合实际

矿体产状,然而,对于很多非层状矿体,或者连续性󰀁第2期赵增玉等:面向钻孔数据的矿体三维形态模拟

图1󰀁不同工程勘查程度矿体解译

Fig.1󰀁Orebodyinterpolationsaccordingtoexplorationdegrees

很差的矿体,或者两钻孔相距较远的情况下,则需要

按照图1󰀁B连接,即认为每个钻孔见矿段的椭圆形

范围内可视为矿体,椭圆表示了钻孔见矿段影响范

围的各向异性特征,也就意味着三维空间中,某个钻

孔见矿段的影响范围为一椭球体,则每个钻孔的见

矿部分可以控制一个椭球范围的部分矿体,而矿体

椭球体的大小和方向则需要根据钻孔测量数据及整

个矿体产出特征来确定。例如可以规定椭球的短轴

长度为矿体真厚度等。

2󰀁建模流程

由钻孔直接建模的基本原理可知,钻孔矿段的

圈定和矿体椭球体的生成是建模的重要步骤。利用

钻孔见矿数据直接进行钻孔建模应当考虑到矿体勘

查数据和矿体产出的特征,其关键在于如何将钻孔

测量数据和对矿体的认识转化为矿体椭球体的方

向、大小对应的参数,建模流程如图2所示。

图2󰀁基于钻孔数据的矿体建模流程

Fig.2󰀁Workflowofconstructingorebodysurfacemodels

fromboreholes

2.1数据准备

一般地,钻孔测量数据可以分为钻孔基本信息

表、钻孔测斜表、样品登记表,各表字段的组成如表

1所示。该表所示的数据是进行矿体建模的基础,并且对于矿段的圈定和矿体椭球体参数的确定非常重要,因此,必须清楚每个字段的含义及其在矿产勘

查实际中的具体意义。钻孔天顶角和方位角的示意

图见图3,其中天顶角是指钻孔方向与垂直方向的

夹角,方位角定义为钻孔水平投影方向与正北方向

的夹角。

表1󰀁钻孔测量数据表

Table1󰀁Tablestructureofboreholes

表󰀁名字󰀁󰀁󰀁段

钻孔基本信息表钻孔编号,天顶角(󰀁),方位角(󰀁),孔深,孔口

坐标X、Y、Z

钻孔测斜表钻孔编号,测量孔深,方位角,天顶角

样品登记表钻孔编号,样品号,起位置,止位置,品位

图3󰀁钻孔天顶角(󰀁)和方位角(󰀁)示意图

Fig.3󰀁Zenithangle(󰀁)andazimuthal

(󰀁)ofaborehole2.2钻孔矿段圈定

钻孔矿段圈定

的目的是确定钻孔

的哪些部位穿透工

业矿体,其步骤与传

统储量估算方法中

单工程矿体的圈定

类似,首先确定工业

指标,其次根据工业

指标圈定经济矿段。

具体方法是将满足

工业指标的样品的

圈定值设为1,反之

设为0,因而,对某钻

孔可划分为几个矿

段,这些矿段由一个或多个连续的样品组成,矿段的

起点为组成矿段的第一个样品的起位置,矿段的终点

为组成矿段的最后一个样品的止位置。

2.3椭球体参数确定

矿段的圈定意味着无论矿体椭球体参数如何变

化,最终都会经过该矿段。三维中定位一个椭球体

的参数,包括该椭球体的中心、三个轴的长度以及椭

球体的方向。矿体真厚度是指矿体上下盘的最小距

离,根据其定义,本文规定:真厚度可视为矿体椭球

体的最短轴,矿层可抽象为椭球两个较长轴构成的

平面,如图4所示,对于矿层,两个轴的方向分别为

矿体倾向和走向,图4中,长轴方向为倾向,短轴方

向为走向。

假设钻孔天顶角为󰀁,矿层倾角为󰀁,可知若钻

孔与矿层垂直,则钻孔样长l等于矿体真厚度M,即

椭球体最短轴;若钻孔与矿层不垂直,假设钻孔方位

与矿体倾向的夹角为󰀁,则矿体真厚度M=

l(sin󰀁sin󰀁sin󰀁󰀁cos󰀁cos󰀁),其中,当钻孔方位与矿

体倾向相反时为+,相同时为-。由此可以得出椭球123地质科技情报2011年󰀁

图4󰀁矿体椭球体示意

Fig.4󰀁Theorebodyellipsoidsphere

体的最短轴,其余两轴分别为矿体倾向延伸和矿体

走向延伸。

当椭球体大小确定后,接下来需要确定椭球体

的中心点和方向。本文规定以矿段的中点作为椭球

体的中心点。因此,每个矿体椭球体的中心点坐标为

对应矿段起止坐标差的一半。椭球方向指的是初始

椭球体依次绕XYZ三轴方向旋转的角度,若想获取

这三个角度,则必须通过人机交互,设置矿层的倾向

󰀁和倾角󰀁,假设椭球体依次绕XYZ三轴方向旋转

的角度分别为RotateX,RotateY,RotateZ,则Ro󰀁

tateX=0,RotateY=󰀁,RotateZ=90-󰀁,至此,便可

通过钻孔测量数据及对矿体倾向、倾角的认识来确

定矿体椭球体的位置、大小及方向。

3󰀁建模实例

本文选取辽宁省某沉积变质型铁矿床的3个钻

孔ZK1、ZK2、ZK3进行矿体形态的初步建模,选取

钻孔的基本信息见表2,这3个钻孔都不存在测斜

数据。

表2󰀁钻孔基本信息表

Table2󰀁Informationoftheselectedthreeboreholes

信󰀁息方位角/(󰀁)天顶角/(󰀁)孔深h/m

ZK1731266.82

ZK2722250.00

ZK3735290.03

󰀁注:本文钻孔数据由辽宁省冶金地质勘查局地质勘查研究院提供。

拟定该矿区的工业指标为:工业品位w(TFe)

󰀁25%,最低可采厚度1m,夹石可剔除厚度1m。

根据工业指标,对选取的每个钻孔进行经济矿段的

圈定,共圈定出5个矿段,钻孔的空间分布及圈定的

矿段如图5所示。为了清晰地显示出建模结果并方

便对比,本文将每个钻孔的矿段长度都放大5倍,因而图5中的钻孔矿段并非实际的矿段长度,但并不影响建模过程。图5中钻孔上黑色部分为圈定好的

矿段,各矿段的信息部分可自动获取,部分需要专家

参与,如表3所示。其中,矿段长度为该矿段所有样

品长度之和,矿体真厚度则根据钻孔天顶角、钻孔方

位角、矿体倾向和倾角自动获取,矿体倾角、倾向、走

向延长、倾向延长均根据专家对矿区矿体产状的了

解情况设置。对于同一矿段椭球体,可多次设置不

同的参数,以对比不同参数之间矿体形态的差别,对

比原则主要是观察与相邻钻孔矿段的对应程度,观

察椭球体是否有向该矿段延伸的趋势,进而选择更

切合实际的矿体形态作为最终的矿体椭球体。根据

此原则,获取了最终的矿段信息,并由此得到了每个

矿段对应的椭球体参数(表4),其中,椭球体编号与

相应的矿段编号对应。

根据椭球体的参数,绘制的各矿体椭球体如图

6所示。本文还通过轮廓线建模法对这3个钻孔进

行了矿体建模(图7),当钻孔不是严格地分布在勘

探线上时,则采用轮廓线连接法构建出的矿体模型

不会严格地通过该钻孔的见矿点,ZhaoZengyu

等[14]对这种情况进行了点修正面的处理,图8为钻

图5󰀁钻孔分布与钻孔矿段圈定图

Fig.5󰀁Boreholes󰀁distributionsandcorresponding

extractedmineralsegments

表3󰀁钻孔矿段信息表

Table3󰀁Informationofthemineralsegments

矿体产状ZK1

矿段1ZK1

矿段2ZK2

矿段1ZK2

矿段2ZK3

矿段矿段长/m73.06020.00040.40045.00050.000矿体倾向北偏东/(󰀁)213310343340213矿体倾角/(󰀁)52515305矿体真厚度/m72.85618.20439.00638.97549.911走向延长/m1005020015080倾向延长/m200308080120