三维矿体模型快速构建方法研究

袁峰(1971-),男,广西桂林人,博士,合肥工业大学教授,博士生导师.

三维矿体模型快速构建方法研究

郑通科,陈庆,袁峰,张明明,李晓晖

(合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥230009)

摘要:三维矿体模型可为资源储量估算、矿山生产设计及资源管理提供可靠依据。然而,传统三维矿体模型的构建依赖于地质剖面图,需要大量的地质工作和地质经验,往往严重滞后于勘探进度。文章利用空间插值方法展开三维矿体模型的快速构建方法研究,能够很好地描述矿体的空间分布形态,适用于勘探初期矿体的基本圈定和三维模型构建。

关键词:三维矿体模型;空间插值;快速构建

收稿日期：2013-12-11；修回日期：2014-06-18

基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET-10-0324);安徽省公益性地质(科技)工作资助项目(2009-13)

作者简介：郑通科(1988-),男,广西防城港人,合肥工业大学硕士生;

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.01.021

中图分类号:P628.3文献标识码：A

Researchonfastbuildingofthree-dimensionalorebodymodels

ZHENGTong-ke,CHENQing,YUANFeng,ZHANGMing-ming,LIXiao-hui

(SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)

Abstract:The three-dimensional orebody models can provide reliable evidence for the estimation of resources reserves, the production design of mining and the management of resources. However, the traditional method of three-dimensional orebody modelling depends on the geological section maps and needs a lot of geological work and experience, so it often seriously falls behind the process of exploration. In this paper, the spatial interpolation method is used to study the way of three-dimensional orebody modelling, which can best describe the spatial distribution pattern of ore bodies and can be very suitable for building ore bodies in the early stages of exploration.

Keywords:three-dimensionalorebodymodel;spatialinterpolation;fastbuilding

三维地质建模的概念由加拿大学者Simon于1993年提出,是指运用计算机技术,在三维环境中将空间信息管理、空间分析和预测、地学统计、实体分析以及图形可视化等工具结合起来,并用于地质勘探开发应用的技术,是几何建模领域的重要研究方向[1]。三维地质模型可用于从各个方向观察矿床的地质体及钻孔在几何上的空间定位[2],并在采矿计划及设计上发挥着重要作用[3-5]。三维地质建模主要涉及地质界面建模和地质体建模, 其建模方法可划分为3种类型[6],即基于面的建模方法、基于体的建模方法、混合建模方法。不同模型有着各自的特点和适用性:基于面的建模方法侧重于三维实体的表面表示;基于体的建模方法则侧重于三维空间实体的边界与内部的表示,且三维空间的体元的属性易于进行空间操作和分析;面、体混合模型的建立则结合了各自的优点,能够实现对三维地质现象有效而完整的表达。

对于金属矿山而言,三维地质建模的对象主要有地表、断层、矿体、夹石、岩体、地层及巷道等,其中三维矿体建模更是整个建模工作中的关键。传统的三维矿体模型构建多基于地质工程师对各勘探线剖面上矿体边界的圈定,按照一定规则将系列剖面上的矿体边界进行连接并尖灭两端,得到三维矿体模型。这种建模方式严重依赖于地质剖面图,需要大量的地质工作和地质经验,模型极易受到地质工作者的先验经验以及对矿体形态主观理解的影响,同时,相关工作往往滞后于地质勘探工作的进展。因此,本文依托三维矿山地质软件Surpac,充分利用钻探获取的采样数据,结合空间插值方法进行三维矿体模型快速构建研究,有效规避了上述传统建模中的弊端,并在模型可视化时效性、分析结果快捷性以及处理复杂地质因素影响等方面具有显著优点,大大提升了矿床三维建模工作的效率。

1三维矿体建模方法

矿体模型可用于掌握矿体的几何空间形态,分析矿体的产出位置以及获取空间任意位置的矿体剖面信息。矿体模型还可以为后期的储量计算提供重要依据,约束估值的空间范围,从而准确计算出矿体的体积、吨位、品位和储量[7]。

1.1　基于地质剖面图的传统构建方法

矿体建模常见的方法主要有以下3种[8]:① 利用矿体边界线大概确定矿体范围;② 基于勘探线剖面图的矿体模型构建;③ 基于钻孔数据的矿体模型构建。地质工程师根据勘探区域地理和地质实际情况,设定好勘探网度，布设钻探工程,然后将采样化验分析结果反映到地质剖面图上,并进行地质解译,分品位和矿种圈定矿体边界。在传统三维建模过程中,首先要将地质剖面图进行三维坐标变换,在专业的矿山软件中完成矿体边界提取,如此可以得到矿区所有勘探线上的一组矿体边界线框集。之后在地质规律指导下,以一定的准则将各剖面上矿体边界相连,建立矿体表面模型。最后尖灭矿体两端,并通过实体验证得到有效的矿体实体模型。

1.2　基于空间插值方法的快速构建方法

传统的矿体三维建模方法成熟、可操作性强,但存在明显弊端:模型可视化明显滞后于地质勘探部门对矿体各地质特征的掌握,不能对矿体的勘探工作及巷道掘进工程起到先期指导作用。矿床采样数据是重要的工程钻探成果,传统矿体三维建模多忽视了其在建模前的指示意义。

大型三维数字化矿山软件Surpac,是一套将三维可视化技术与地质、测量和采矿专业理论有机结合在一起的计算机软件集成系统,可以应用于矿山生产的整个周期,包括矿产资源评估、矿山采矿规划与设计、生产计划管理等[9]。基于空间插值方法的矿体三维模型快速构建法正是依托该软件强大的空间数据管理分析功能,在建立矿区空块体模型的基础上,采样数据经选择性提取及特高值处理后导入该空块体模型,运用距离幂次反比法对矿区各块进行金属品位赋值,并加设边界品位及赋矿空间约束得到矿体品位模型,之后采用块模型切剖面实施单工程圈定矿体边界,继而建立矿体三维模型。

1.2.1　块体模型

当前矿业软件中通行的概念是将块体模型与地质统计学相结合,是应用数学方法对品位分布进行建模,品位分布明显受地质因素控制,因而可以利用这一点形成一定约束条件下的品位模型。块体模型的精度取决于块体模型的结构和属性,在资源量估算中,可以准确进行资源量和品级报告。Surpac块体模型是数据库的一种格式,其结构不仅可以存储和操作数据,更能修补来自数据中的信息,使其与传统数据库相比有着极大的优越性。块模型的每一个小立方体(块)都与以空间为参照的记录相联系,可以对模型进行一些空间操作,以便于筛选所需要的信息。

块模型的属性都是有条件的属性,这些属性可以是指定的、有序的、间隔的,记录格式可以是比率、字符或者数值,特征值可以通过其他属性值计算得出,并且所有属性值都可以报告输出和可视化浏览。块模型的约束是对空间操作符和物体的逻辑组合,可以用于控制对块的选择,对信息加以修复,或者对其进行内插值。

1.2.2　距离幂次反比法理论

地质勘探所获得的钻孔样品化验数据在空间上分布是离散、不连续的。因此,常采用空间插值的方法估算获取三维空间中任意位置的化验数据。常见的空间插值方法包括距离幂次反比法、克里格法、最近距离法等。

其中距离幂次反比法是一种广泛应用的插值方法,最初是由气象学家和地质工作者先后提出的,后来由于D.Shepard在该方法上的贡献,所以又被称为Shepard法[10]。其基本原理是:假定区域化变量之间存在相关性并且这种相关性可以定量地表示为样点与待估计点之间距离的幂次成反比[11]。

距离幂次反比法因其原理简单、计算量小、估值精度基本满足矿山生产要求[12],被广泛应用于地球化学数据或是矿石品位的三维空间插值。该方法认为待估值点周围若干已知点对于待估值点的影响,与其与待估值点距离的幂次成反比。这种关系可用公式表示为:

(1)

其中,Z为估计值;Zi为第i个样本值(i=1,2，…，n);Di为样点与待估计点之间的距离;p为距离的幂,它显著影响内插的结果,其选择标准是最小平均绝对误差,幂数值越高内插结果越平滑,一般选为2。

距离幂次反比法的权重λi为:

(2)

权重一般用小数或者分数来表示,各权重之间的关系为:

(3)

在采用距离幂次反比法对矿体模型进行品位赋值时,通常采用定义搜索椭球体来确定搜索范围和表达各向异性。搜索椭球体参数直接影响到品位的分布走向以及估值的范围。

1.2.3　技术路线

矿体圈定是地质勘探中一个相当重要而又繁复的工作,其结果往往因人的主观判断或者客观资料掌握不全面,致使不同的地质工程师对同一区域矿体圈定意见相左;而矿床采样数据虽然准确客观,却因为数据量庞大、空间还原较差、信息分散等不足难以直接揭示矿体的具体地质特征。本文充分利用Surpac块体模型与空间统计学相结合的方法,从大量的、分散的采样数据中提取最为有效的信息并加以科学分析和有效组合,利用空间插值方法快速构建矿体三维模型,其技术路线如下:

(1) 构建矿床数据库,在Surpac软件中,根据钻孔已知样品点,提取组合样金属品位信息。

(2) 对提取的组合样金属品位进行特高值剔除处理,使其品位异常值消失或者减弱,避免特高品位值对插值造成影响。

(3) 建立矿区空块体模型,并建立金属品位属性。

(4) 导入经品位特高值处理的组合样金属品位信息,采用距离幂次反比法对块体“金属品位”属性进行属性估值。

(5) 约束边界品位和赋矿空间,建立矿体品位模型。

(6) 对矿体品位模型进行切剖面处理,进而圈定单工程矿体边界,采用线框法完成矿体三维建模。

值得一提的是,品位特高值对统计推断、空间分析及储量估算等有着明显影响,需要根据矿床的实际情况作出处理,目前主要采用3σ准则、估计邻域法、影响系数法、邻近点数据比较法、品位变化系数法、分布函数法等[13]。

2实例应用

本文选择的研究区为沙溪矿床,该矿床位于长江中下游成矿带中段庐枞矿集区西北缘,为典型的板内环境斑岩型矿床[14]。矿区内出露的地层主要为下、中志留统高家边组和坟头组,以及侏罗系下统罗岭组,主要分布在矿区的西北部和东部。矿区内构造主要为轴走向为北北东向的复式背斜和北东向、北北东向、近东西向和北西向4组断裂。其中,北北东向断裂为该区的主要控岩控矿构造。矿区岩浆岩非常发育,岩浆活动主要集中于早白垩世[15-19]。火山岩和侵入岩广泛分布。火山岩主要在矿区西北侧福泉山一带和东南部出露,主要为安山斑岩、熔岩、凝灰角砾岩等。地表上有数十个大小不一、形态不规则的出露体,呈北北东向,分布特点为向北撒开、向南收敛。中细斑石英闪长斑岩和黑云母石英闪长斑岩是主要的赋矿岩石[20]。

2.1　地质数据库的建立

地质数据是三维地质建模的基础和前提,也是实际项目中矿山资源评估和采矿设计的基础[21]。本次研究是在136幅钻孔综合柱状图的基础上,经过数据审核及预处理后建立沙溪矿床地质数据库。其中各表结构见表1所列。

表1　地质数据库中各数据表结构

经统计计算,采样样长均值为1.756m,铜平均品位为0.257 5%,最大值为6.32%,未发现铜品位特高值。其品位分布直方图如图1所示。

图1　铜品位分布直方图

2.2　沙溪矿床矿体快速建模结果与分析

根据研究区空间范围,选定块尺寸为Y=5,X=5,Z=1。得到矿床空块体模型如图2所示。

图2　沙溪矿床空块体模型

在采用距离幂次反比法对块体模型进行品位赋值时,搜索椭球体参数设置如下:最小选择样品数为5,最大选择样品数为15,最大搜索半径一般以勘探线间距1.2～1.5倍设置,本次研究中设为200,最大垂直搜索距离为50。通过分析整理矿床地质资料,根据矿体走向情况及金属品位数据分布情况等,将椭球体定向中3项设置为15、0、50。距离反比幂设为2,离散化点的数目均设为3。估值结束后,根据矿床实际,设置边界品位或工业品位及赋矿空间等约束,最终得到品位模型如图3所示。

关于矿体快速建模结果的准确性，本文从单工程矿体边界角度进行对比分析。在“边界品位以上矿体品位模型”基础上,采用切剖面法圈定单工程矿体边界,如图4所示,经对比,此种方法圈定的单工程矿体边界范围与原勘探线资源量估算剖面图上矿体边界范围基本一致。注意到地质工程师圈定的矿体边界相比较而言有明显分类性,而矿体动态圈定法得到的结果范围则较笼统,这一点可以通过更多、更全面的约束文件控制矿体品位模型来改善,约束文件涉及的地质因素如断层、地层、岩性的影响等越全面,则越有利于矿体动态圈定结果的准确性。

在完成所有勘探线剖面上矿体边界的圈定后,利用Surpac中强大的实体建模功能,完成矿体三维模型的构建,如图5所示。

图3　不同约束下的矿体品位模型

图4　部分勘探线单工程圈矿结果对比

图5　沙溪矿床矿体三维模型

3结束语

本文从采样数据着手,依托大型三维数字化矿山软件Surpac,结合块体模型和空间插值方法,研究了三维矿体模型快速构建方法。与传统建模方法相比,其在模型可视化时效性、分析结果快捷性以及处理复杂地质因素影响等方面具有显著优点,大大提升了矿床三维建模工作的效率,可为实现矿山动态管理及资源的合理开发使用提供科学依据。

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(责任编辑张淑艳)