江西相山居隆庵铀矿床隐式三维地质建模.pdf

第 40 卷 第 3 期2024年 5月Uranium Geology铀矿地质Vol.40 No.3May2024江西相山居隆庵铀矿床隐式三维地质建模马粉玲1，吴志春1，刘平华2，李华亮1，李斌1，国振1，祝一丹1（1.东华理工大学地球科学学院，江西 南昌 330013；2.中国地质科学院地质研究所，北京 100037）摘要 目前铀矿床的三维地质建模主要采用显式建模方法，但该方法在建模过程中存在大量人机交互操作，且数据变化后模型难以快速更新。为提高铀矿床三维地质建模效率，探索运用快速径向基函数插值法进行三维地质建模，该方法可直接运用钻孔分层数据进行空间数据插值快速构建三维地质模型。文章选用 Leapfrog Geo 软件为建模平台，运用 35 个钻孔数据和隐式函数快速、自动、高精度构建了居隆庵铀矿床三维地质模型，并运用后增的 3个钻孔数据对模型进行了快速动态更新。结果表明，隐式三维地质建模具有速度快、操作简单、精度高、模型可快速更新等特点，可为其他地区的铀矿床三维地质建模提供技术借鉴。构建的居隆庵铀矿床三维地质模型立体呈现了矿区深部各地质体的三维形态特征，为下一步深部找矿提供了重要依据。关键词 隐式三维地质建模；快速径向基函数；居隆庵铀矿床；Leapfrog Geo软件文章编号 1000-0658（2024）03-0506-10 中图分类号 P619.14 文献标志码 A近年来，三维地质建模已逐渐得到地质、矿产及工程建设等领域的重视，创建深部地质体的三维模型已成为各行业勘查评价的新趋势，国内外已开展多个三维地质调查试点项目1-2。各类三维地质建模软件的研发推动了三维地质建模技术的快速发 展，目 前 常 用 的 三 维 地 质 建 模 软 件 有 Gocad、Micromine、3DMine、Surpac、GMS、Leapfrog Geo等3-4。根据建模数据类型的不同，三维地质建模方法可以分为基于钻孔数据建模、基于地质剖面数据建模、基于地球物理数据建模、基于多源数据建模等方法5-8；根据模型格式的不同，建模方法可以分为基于面的建模方法、基于体的建模方法和基于混合模型的建模方法9；根据三维地学建模过程是否由数学函数控制，建模方法可分为显式建模和隐式建模10。显式建模需要在剖面图上描绘地质界线，连接相邻剖面图上的地质界线构建地质界面，该过程需要大量的人机交互操作，建模时间长，效率低，且数据变化后模型难以快速更新。相较于显式建模，隐式建模主要应用隐式函数进行空间数据插值快速构建三维地质模型，以勘探工程数据为对象，通过插值计算地质体内部空间的属性数据，增加约束条件动态生成三维地质模型。该建模过程速度快、操作简单、精度高，且模型可动态更新。在当今大数据时代背景下，三维地质建模更加注重模型能否根据建模数据实现动态更新，因此，越来越多 的 学 者 开 始 关 注 隐 式 三 维 地 质 建 模。毕 林等11-12提出了一种结合轮廓线和距离场的隐式建模方法，并利用支持向量机和 Poisson曲面来实现高DOI:10.3969/j.issn.1000-0658.2024.40.045基金项目 国家自然科学基金项目“数字地质填图路线建模中复杂地质体的快速构建以 1:50000陀上幅三维地质模型为例”（编号：41802247）、江西省自然科学基金项目（编号：20212BAB211001）、核资源与环境国家重点实验室开放基金项目“植被覆盖热液型铀矿区遥感蚀变分带解译研究”（编号：2022NRE14）、江西省博士后择优资助项目“江西相山铀矿田花岗斑岩体三维形态、控矿规律及找矿指示研究”（编号：2021KY52）、云南省地球系统科学重点实验室开放课题“基于区域地质调查数据的快速三维地质建模技术方法研究以滇西剑川盆地为例”（编号：ESS2021005）联合资助。收稿日期 2023-12-01 改回日期 2024-01-16第一作者 马粉玲（1999），女，宁夏彭阳人，硕士研究生，主要从事三维地质建模研究。E-mail：通信作者 吴志春（1986），男，江西赣州人，副教授，博士，主要从事遥感地质解译、三维地质建模研究。E-mail：马粉玲马粉玲，等：江西相山居隆庵铀矿床隐式三维地质建模第 3期质量、自动化建模；郭甲腾等13-14通过径向基函数（Radial Basis Function，RBF）实现了自动化建模，还提 出 了 一 种 融 合 埃 尔 米 特 径 向 基 函 数（Hermite Radial Basis Function，HRBF）与移动四面体的隐式剖 切 方 法；针 对 复 杂 断 层 区 隐 式 建 模，邹 艳 红等15-16提出杨赤中推估法和三维断层网络建模法。目前，国内铀矿床三维地质建模主要采用显式建模方法：吴志春等17构建了江西相山矿田的横涧、岗上英、居隆庵等铀矿床（点）三维地质模型；耿英英等18构建了松辽盆地宝龙山铀矿床三维地质实体模型；张浩浩等19构建了蒙其古尔铀矿床三维地质模型；曹珂等20构建了龙头-沙坝子地形地貌模型、地层模型、构造模型和岩体模型。与显式建模方法相比，运用隐式建模方法构建铀矿床三维地质模型鲜有报道。本文尝试在 Leapfrog Geo 软件平台中，利用快速径向基函数（FastRBF）插值的方法构建居隆庵铀矿床三维地质模型，呈现矿区深部各地质体的形态特征。1 隐式三维地质建模插值技术与建模流程1.1 快速径向基函数（FastRBF）插值技术径向基函数（RBF）是大多数隐式建模算法的基础，在数据建模和机器学习领域得到了广泛的应用21-22。RBF 插值过程是基于一系列散点构造出连续的隐式函数，从而计算出空间实体表面的曲面方程，得到零等值面（f（x，y，z）=0），该零等值面就是地质体模型的表面。假定有 n 个散点p1、p2pn，每个散点都有与之对应的约束值h1、h2hn，对于每 个 散 点pi，均 满 足 约 束f(pi)=hi(i=1，2，n)。由散点定义出隐式曲面方程见公式（1）23。f(r)=i=1nwi()|r-pi+Q(r)（1）式中：r曲面上的任意数据点；pi要构造插值的数据位置；wi每一个散点的权重；()|r-pi径向基函数；Q(r)关于 r 的一阶多项式，Q(r)=q0+q1x+q2y。RBF 方法求解效率较低，无法快速完成大量散点数据的计算，而且构建地质界面的过程非常耗时。FastRBF 是在 RBF 基础上进行的改进，其被视为一种理想的数学函数，能够描述不规则、非均匀采样数据并重建曲面24-25。FastRBF能在普通计算机硬件上快速处理非常庞大的数据，显著提高了计算效率且减少了计算时间。FastRBF 还具有出色的外推能力，在散点数据分布规律较差的情况下，能准确地推断出数据的趋势和特征，使构建的模型精度更高。在面对不同的数据集和复杂的地质问题时，FastRBF 可自动调整参数，展现出很强的自适应性。FastRBF 插值方法具有良好的外推能力，适合基于约束的稀疏钻孔数据建模。本文用于隐式建模的插值约束可以分为 3 种不同的类型26：内部约束（f（x）0）（图 1）。FastRBF 插值构建的地质界面精度取决于用来约束的地质数据的丰富程度，地质数据越丰富，插值构建的地质界面精度越高。图 1 用于隐式建模的插值约束示意图（据参考文献 26 修改）Fig.1 Schematic diagram of interpolation constraint for implicit modeling（modified after reference 26）1内部约束；2表面约束；3外部约束；4地质界面。1.2 建模流程基于钻孔数据的隐式三维地质建模流程共有 5个关键步骤，具体如下（图 2）：1）数据处理。将收集到的钻孔数据和地形数据整理成建模软件能识别的格式。对钻孔分层数 据 进 行 处 理，确 定 建 模 单 元 并 导 入 建 模 软 件平台。2）数据校验。建立原始资料数据库，并对原始资料数据库进行数据校验，确保所有参与建模的数据准确无误。3）创建界面与修改界面。根据研究区的地质情况，将地质界面大致分成数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）面、断层界面、地层界面、侵入体界面。在地质界面的创建时，首先创建 DEM 面，然后创建断层界面，最后创建地层界面和侵入体界面。DEM 面创建完成之后将自动作为模型的顶界面。地质界面创建完成后需要人工检查这些界面是否符合地质规律，若不符合地质规律则要修改地 507铀 矿 地 质第 40 卷质界面直至符合地质规律为止。4）生成地质模型。在生成地质模型时，首先创建一个不含任何属性的体模型，然后定义地层界面和侵入体界面的新老关系，最后按照地质界面从新到老的顺序在初始体模型中进行切割生成最终的地质模型。5）检验地质模型。通过从任意方向对三维地质模型进行剖切和设置模型透明度的方式，观察三维地质模型与钻孔数据的一致性，并重点检查地质体推测部分的合理性。如未通过检查，则需要对三维地质模型进行修改，若通过检查，则生成的模型为成果模型。图 2 建模流程Fig.2 A modeling flow chart2 居隆庵铀矿床三维地质建模2.1 矿床地质概况相山铀矿田是我国最大的火山岩型铀矿田，位于江西省抚州市乐安县与崇仁县接壤处，大地构造位置处于湘桂赣地块北东缘乐安-抚州断裂带上，北距钦州-杭州结合带约 50 km，东距鹰潭-安远深大断裂约 15 km，遂川-德兴断裂从盆地北西角穿过，成矿区上位于赣杭火山岩型铀成矿带与大王山-于山花岗岩型铀成矿带交汇部位17。居隆庵铀矿床位于相山铀矿田西部，其处于由北东向芜头-小陂、邹家山-石洞断裂，北西向济河口-书塘、小陂-石洞断裂所圈闭的居隆庵菱形断块内（图 3）。居隆庵铀矿床受近南北向次级断裂构造控制，已探明矿体主要集中在打鼓顶组二段流纹英安岩（K1d2）和鹅湖岭组二段碎斑熔岩（K1e2）中，钻孔底部揭露有少量的粗斑黑云二长花岗斑岩（K1S）。该矿床地质体比较复杂，是大型铀矿床，具有代表性，且本研究具备较为丰富的地质资料。过去对该矿床的研究主要侧重于显式建模，采用隐式建模方法对该矿床进行探讨有助于为后续工作提供技术借鉴。2.2 建模软件平台居隆庵铀矿床三维地质建模选用 Leapfrog Geo软件为建模平台。Leapfrog Geo 软件是隐式三维地质建模代表性软件，可直接通过建模数据（如钻孔、点、线、面等）快速构建三维地质模型，且具有直观图 3 研究区地质简图（据参考文献 27 修改）Fig.3 Geological sketch of the study area（modified after reference 27）1鹅湖岭组二段碎斑熔岩；2鹅湖岭组一段砂岩、凝灰岩；3打鼓顶组二段流纹英安岩；4右行平移断层；5左行平移断层；6性质不明断层及编号；7火山塌陷构造；8推断火山塌陷构造；9铀矿带及编号；10地质界线；11平行不整合界线；12铀矿床；13铀矿点；14居隆庵铀矿床三维地质模型范围。508马粉玲，等：江西相山居隆庵铀矿床隐式三维地质建模第 3期的工作流程、快速的数据处理和多样的可视化工具。该软件主要有地质数据处理、三维地质建模、地质解释和资源评估等功能，广泛应用于地质勘探、矿产开发、地下水开采等领域。2.3 建模数据处理居隆庵铀矿床三维地质建模数据主要有钻孔和地形数据。将地形数据转化成.dxf格式导入建模软件。建模区共有钻孔38个，最深的钻孔为1 021.8 m，最浅的钻孔为 613.75 m，平均深度为 907.6 m。将其中的 3个钻孔（ZK46-19、ZK48-19和 ZK50-15）用作模型的更新数据，验证模型更新的效果。将钻孔数据整理成孔口表（Collar）、测斜表（Survey）、分层表（Interval）等 3个表格。孔口表（Collar）包含钻孔名、开 孔 坐 标（X、Y、Z）、钻 孔 深 度 等 内 容；测 斜 表（Survey）包含钻孔名、终孔深度、倾角、方位角等信息；分层表（Interval）包含钻孔名、顶测深（From）、底测 深（To），以 及 一 列 及 多 列 测 量 值。分 层 表（Interval）中的测量值列可为地质岩性数据、测试分析数据等。孔口表、测斜表、分层表之间以钻孔名相 链 接。钻 孔 导 入 建 模 软 件 时，依 次 按 孔 口 表（Collar）、测 斜 表（Survey）、分 层 表（Interval）顺 序导入。2.4 建模过程2.4.1 数据校验将钻孔数据和地形数据全部导入到建模软件，由于数据可能存在错误，需要检查钻孔是否存在明显的异常孔。可以通过从不同角度对数据观测，找到错误并替换错误数据，也可以通过软件进行逻辑错误检查，对检查出来的错误直接修改，或对原始数据进行修改，再重新导入建模软件。钻孔在软件平台中的三维显示效果见图 4。2.4.2 界面创建建模区共有鹅湖岭组二段、鹅湖岭组一段、打鼓顶组二段、打鼓顶组一段、青白口系变质岩、粗斑黑云二长花岗斑岩、断层等 7个建模单元，涉及的地质界面类型有 DEM 面、断层界面、地层界面、侵入体界面。1）DEM 面将赋予高程值的等高线导入建模软件，在建模软件中将线数据转换成点数据。对点数据进行数据校验，删除重复点数据。根据点数据创建 DEM 面可选择直接基于点数据创建 DEM 面，该方法构建速度快，但创建的 DEM 面精度偏低。另外一种方法是利用点数据创建三角网格，再基于三角网格创建DEM 面。该方法需要设置面的大小以及面中三角网的大小，使面中三角网格大小保持一致。第二种方法创建的 DEM 面更加光滑、精细，本文采用该方法创建 DEM 面。2）断层界面地质图导入建模软件后，根据地质图内的坐标信息校正空间位置。将地质图覆盖在 DEM 面上，描绘断层线（图 5a）。通过给断层线增加产状约束的方式来构建断层界面（图 5b）。若有地下断层数据时，将地下断层数据作为约束条件，对已生成的断层界面进行再次约束。断层界面会根据断层线和产状约束条件向地下延伸（图 5c），在延伸一定深度后生成断层界面（图 5d）。若断层线和断层产状改变，断层界面也会随之动态更新。3）地层界面地层界面的构建主要是将钻孔分类数据转换为数字数据。以鹅湖岭组二段为例，构建地层界面时需要将鹅湖岭组二段定义为内部约束，与鹅湖岭组二段相接触的下部地层定义为外部约束（图 6a）。将约束信息转换成数值表示，可以表示为鹅湖岭组二段与下部地层的接触点为 0 值，并在钻孔中生成图 4 钻孔三维显示图Fig.4 The 3D display diagram of the borehole1鹅湖岭组二段；2鹅湖岭组一段；3打鼓顶组二段；4打鼓顶组一段；5青白口系；6粗斑黑云二长花岗斑岩。509铀 矿 地 质第 40 卷规律间隔的体积点，落在鹅湖岭组二段以内的点的数值为正值（0），落在鹅湖岭组二段以外的点的数值为负值（0）（图 6b）。求解模型的隐式函数，得到零等值面（f(x，y，z)=0），该面就是所要构建的鹅湖岭组二段底界面。4）侵入体界面侵入体界面与地层界面的构建方法基本相同。以粗斑黑云二长花岗斑岩为例来阐述侵入体界面的构建过程（图 7）。将粗斑黑云二长花岗斑岩定义为内部约束，鹅湖岭组一段定义为外部约束，隐式构建侵入体界面。该方法构建地质界面的过程在地层界面中已有详细介绍。从图中可见构建的侵入体界面向四周延伸，可以通过调整侵入体界面的倾角、方位角对侵入体界面进行修改，控制侵入体界面的延伸方向，生成符合钻孔分层数据的侵入体界面。图 7 构建侵入体界面的流程及效果图Fig.7 Flow and effect diagram of constructing the intrusion interface图 5 断层界面的构建流程及效果图Fig.5 Construction process and effect diagram of the fault interfacea描绘断层线；b增加产状约束；c根据断层线和产状约束条件向地下延伸；d断层界面。1产状约束；2断层线；3断层面；4DEM 面。图 6 地层界面的隐式构建流程Fig.6 Implicit construction flow of the formation interfacea构造场外约束；b计算初始函数值。1内部约束；2外部约束；3正值（0）；4接触点（=0）；5负值（0）。510马粉玲，等：江西相山居隆庵铀矿床隐式三维地质建模第 3期2.4.3 模型生成根据钻孔分层数据范围创建一个没有属性信息的体模型，该模型的顶界面为 DEM 面。定义地层界面和侵入体界面之间的新老关系，遵循从新到老的顺序切割实体模型。若被切割的实体模型含有空隙，说明地层顺序有误，需要重新定义地层顺序。运用了地形数据和 35 个钻孔数据构建的居隆庵铀矿床三维地质模型东西方向长 660 m，南北方向 长 870 m，建 模 深 度-650553 m，建 模 面 积 约0.57 km（图 8）。模型清晰表征了各个地质体的三维空间分布情况和几何特征。2.4.4 模型检验利用“切片工具”可对地质模型进行任意方向切割，并调节地质模型的透明度来检查三维地质模型与钻孔数据的一致性和地质体推测部分的合理性（图 9）。如果模型检验不合格，可以通过增加局部约束来提高模型精度，这种方法可以有效地提高地质建模的精度和质量。图 8 居隆庵铀矿床三维地质模型Fig.8 3D geological model of Julong an uranium deposit1鹅湖岭组二段；2鹅湖岭组一段；3打鼓顶组二段；4打鼓顶组一段；5青白口系；6粗斑黑云二长花岗斑岩；7断层。图 9 东西向剖切图Fig.9 East-west cross-section profiles1鹅湖岭组二段；2鹅湖岭组一段；3打鼓顶组二段；4打鼓顶组一段；5青白口系；6粗斑黑云二长花岗斑岩；7断层。511铀 矿 地 质第 40 卷2.4.5 模型更新在三维地质模型中后增 3 个钻孔（ZK46-19、ZK48-19、ZK50-15），已构建的地质界面将自动更新，地质模型也随之动态更新，简化了建模流程，提高了建模效率。在更新钻孔数据之前，复制居隆庵铀矿床三维地质模型，使导入新的钻孔数据后该模型保持不变，以便观察更新后的模型效果。更新钻孔数据，检查更新后的钻孔数据是否有误。更改地质界面，并检查更新后的地质界面是否符合地质规律以及是否与建模数据相吻合，若达不到要求则需要修改地质界面。检查更新后的居隆庵铀矿床三维地质模型是否符合地质规律，若不符合则重新定义地质界面的新老关系。图 10 为新增 3 个钻孔后构建的居 隆 庵 铀 矿 床 三 维 地 质 模 型，模 型 东 西 方 向 长668 m，南 北 方 向 长 1 243 m，建 模 深 度 为-644593 m，建模面积约为 0.83 km。通过新增 3 个钻孔进一步扩大了钻孔控制的地质体区域，全面揭示了地质体的延伸趋势，故更新后的模型更符合地质规律。图 10 动态更新后的居隆庵铀矿床三维地质模型Fig.10 The newly updated 3D geological model of Julong an uranium deposit1鹅湖岭组二段；2鹅湖岭组一段；3打鼓顶组二段；4打鼓顶组一段；5青白口系；6粗斑黑云二长花岗斑岩；7断层。3 三维地质模型居隆庵铀矿床三维地质模型涉及的地质体有断层、青白口系变质岩、打鼓顶组一段、打鼓顶组二段、鹅湖岭组一段、鹅湖岭组二段、粗斑黑云二长花岗斑岩。各地质体的深部地质特征如下：1）断层建模范围内存在一条近南北向断层，该断层深度范围为-625 m 至地表。断层切穿了鹅湖岭组二段、鹅湖岭组一段、打鼓顶组二段、打鼓顶组一段和青白口系，地层错动幅度较小。2）青白口系变质岩在建模区域内，基底变质岩在地表未有出露，仅在深部钻孔揭露。该岩层的顶界面相对较为平整，整体呈现出从西北向东南倾斜的趋势，顶界面最高为-418 m，最低为-606 m，平均产状为 1658。在东北局部地区，基底变质岩遭到粗斑黑云二长花岗斑岩的侵入破坏。3）打鼓顶组一段打鼓顶组一段位于青白口系上部，主要集中在建模区的北西部，其地下出露标高范围为-500-388 m。由南向北地层厚度不断增厚，厚度变化范围为 235 m，平均厚度约 27 m。该地层的产状与青白口系顶界面的产状基本一致。4）打鼓顶组二段打鼓顶组二段的地层南北厚度差异较大，北部厚，南部薄，地下出露标高为-606332 m。该地层在南北向 7811 107 m的范围内，局部存在空洞；在01 000 m 之间，打鼓顶组二段由南向北倾斜，地层厚度逐渐变小；在 1 0001 200 m 之间，打鼓顶组二段的厚度发生了巨大变化，形成一个东西向展布的“陡崖”（图 11）。512马粉玲，等：江西相山居隆庵铀矿床隐式三维地质建模第 3期5）鹅湖岭组一段鹅湖岭组一段的地下出露标高范围为-487-158 m，主要分布在南北向 0247 m 之间和 5721 169 m 之间。该地层由南向北倾斜，厚度较薄且不连续，在 247572 m之间未发现分布。6）鹅湖岭组二段鹅湖岭组二段呈现出北部薄、南部厚的特点，出 露 的 标 高 为-453593 m。在 南 北 方 向 上 01 000 m 之间的范围内，鹅湖岭组二段底界面相对较为平坦，底界面标高为-453-166 m，由南向北倾斜；在 1 0001 243 m 之间的区域中，鹅湖岭组二段的底界面变化较大，从南到北界面迅速抬升，落差高达 784 m（-453332 m），南北向剖面的鹅湖岭组二段底界面呈现出近“S”形。7）粗斑黑云二长花岗斑岩粗斑黑云二长花岗斑岩位于东北部，规模较小，地下出露标高为-645-403 m。该岩体沿着打鼓顶组二段与基底变质岩的接触界面侵入，岩体倾向北，倾伏方向为 21。图 11 打鼓顶组二段三维地质模型Fig.11 The 3D geological model of the second member of Daguding Formation4 结论本文在 Leapfrog Geo 软件平台中运用钻孔、地形等数据采用隐式建模方法快速、自动、高精度构建了居隆庵铀矿床三维地质模型。通过该地质模型的构建，主要取得如下研究成果：1）快速径向基函数（FastRBF）插值方法可以快速、高精度构建复杂矿床三维地质模型，并可以根据建模数据的变化快速更新已构建的模型。2）隐式三维地质建模的流程包括数据处理、数据校验、创建界面与修改界面、生成地质模型、检验地质模型 5 个关键步骤。其中，地质界面的准确构建是三维地质建模的关键，在地质界面的构建过程中需要准确设置内部约束和外部约束。3）居隆庵铀矿床三维地质模型立体呈现了鹅湖岭组二段、鹅湖岭组一段、打鼓顶组二段、打鼓顶组一段、青白口系变质岩、断裂构造等地质体的三维特征，这为下一步深部铀矿找矿提供地质依据。参考文献1 吴冲龙，刘刚.“玻璃地球”建设的现状、问题、趋势与对策 J.地质通报，2015，34（7）：1280-1287.WU Chonglong，LIU Gang.Current situation，existent problems，trend and strategy of the construction of“Glass Earth”J Geological Bulletin of China，2015，34（7）：1280-1287（in Chinese）.2 苗晋祥，宋要武，李中明，等.河南郁山铝土矿三维地质建模软件工作流程与对比研究 J.地质与勘探，2012，48（3）：502-507.MIAO Jinxiang，SONG Yaowu，LI Zhongming，et al.Workflow and comparison of three-dimensional geological modeling using different software for the Yushan bauxite deposit in Henan province J.Geology and Exploration，2012，48（3）：502-507（in Chinese）.3 郭福生，吴志春，李祥，等.江西相山火山盆地三维地质建模的实践与思考 J.地质通报，2018，37（增刊）：421-434.GUO Fusheng，WU Zhichun，LI 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