河南郁山铝土矿三维地质建模软件工作流程与对比研究

2012-02-02 10:14苗晋祥宋要武李中明黄俊雅乔东辉
地质与勘探 2012年3期
关键词:铝土矿矿体建模

苗晋祥,宋要武,李中明,黄俊雅,丁 浩,陈 新,罗 雪,乔东辉

(1.河南省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室,河南郑州 450001; 2.河南省地质调查院,河南郑州 450001)

1 序言

三维地质建模的科学价值:成果表达由平面转向立体是传统地质改革创新的新方向。三维地质建模技术把浩如烟海的地质数据描绘成数据“风景画”和三维地质模型,使地质图件形象生动、直观易懂,易于被非专业人士理解与应用,是地质调查、城市发展和社会信息化的必然趋势。受河南省探矿权采矿权使用费及价款地质勘查“河南省新安县郁山铝土矿详查”项目支助,开展了河南省新安县郁山铝土矿三维地质建模专题研究,进行三维地质建模技术的推广应用的探索。

国内外研究现状:自20世纪80年代以来,地质、矿山及计算机等领域的专家学者,围绕矿床地质、工程地质和矿山工程等问题,对三维地质模拟的空间构模问题进行了理论与技术研究,美国、法国、加拿大、澳大利亚、英国等国还相继推出了一批在地质、石油及矿山等领域得到广泛应用的三维地质模拟软件(李友柱等,2003;王淑红等,2006;尚建嘎等,2006;陈建平等,2011)。其中较具代表性的是:1988年由法国Nancy大学的J.L.Mallet教授推出的GOCAD(地质对象计算机辅助设计)系统,该系统采用G-Map图作为表达三维空间地质对象拓扑关系的基本数据模型,可满足地质、地球物理和油藏工程的三维模拟与辅助设计需要,并提供强大的二次开发功能;美国DGI公司的地球可视模拟系统(Earth Vision Modelling Sysytem)软件包,主要用于生成静态三维块体模型,反映结构面(断层、破碎带、节理、岩脉和岩墙)之间的交切关系;加拿大LYNX GEOSYSTEM公司开发的LYNX软件系统采用棱柱体体元建模法,可以对钻孔、测井记录、TIN模型、三维格网结构等综合管理,广泛应用于矿山、地质的三维建模及可视化方面;美国CTECH公司开发的 MVS、EVSPRO、MAS、EVS Standard及EVS for ArcWiew;澳大利亚Micromine集团的Micromine 2010软件等。此外,国内在商业化三维地质建模系统研发方面,有北京理正软件设计研究院开发的地理信息系统-地质专题软件;北京东方泰坦科技有限公司在国际著名的加拿大阿波罗科技集团GIS软件基础上,基于框架建模的思路研制开发而成的TITANT 3D;中科院武汉岩土所开发的三维地层地理信息系统(3DSIS);武汉中地数码公司在MAPGIS基础平台基础上开发的三维可视化地质勘察信息系统MAPGIS_G3dProject。

本文根据郁山铝土矿的三维地质建模的经验,对MVS、Micromine、MAPGIS_G3dProject三种软件的特点进行对比讨论。

1.1 美国CTech公司的MVS 8.2软件具有以下特点

(1)真三维软件,智能化强,应用领域广泛(除地质外,还包括环境、海洋、考古与大气等学科);

(2)注重三维地质建模的质量,并可提供了不同的三维可信度(Confidence)的地质模型;

(3)矿体储量计算、品位估算、矿产的评价; (4)提供地质模型4维交互动画展示功能;

(5)矿体三维属性 (物探、化探、水文地质参数、工程地质参数、环境地质参数,等等)模型,三维空间等值线。

1.2 澳大利亚Micromine国际矿业软件及咨询集团Micromine软件具有以下特点

真三维软件,模拟了传统的矿体储量计算,并考虑了矿体储量计算规范,人为参与半智能化建模,此种方法得到了地质专家的认可,软件得到了国际证券市场、国际矿业公司、投融资机构和风险勘探公司的认可,这将有利于地勘企业和矿业公司所拥有矿业权的流转和国际合作,以及在股票市场上市筹集资金等。

1.3 中地数码公司(武汉)的MAPGIS_G3dProject软件具有以下特点

真三维软件,类似于澳大利亚的Micromine软件,具有中国自主知识产权的软件,实现了从勘探数据管理,矿体圈定、储量估算到地质成图一条龙的技术流程。本软件考虑了中国的矿体储量计算规范,包含了国内应用较为广泛的剖面法、地质块段法、和地质统计学等三种方法。

2 研究区地质概况

河南省新安县郁山铝土矿属华北陆块南部渑池-确山陷褶断束的西北端,为构造隆起与坳陷的接合部位。属晋冀鲁豫地层区豫陕地层分区渑池-确山地层小区,出露地层有中元古界洛峪群、下古生界寒武-奥陶系、上古生界石炭-二叠系、中生界三叠系、新生界新近系和第四系。本溪组沉积环境属豫西渑池泻湖东部的潮坪-沼泽相(李中明等,2009;翟东兴等,2002)。断裂和褶皱构造较发育,岩浆活动微弱(邓军等,2010;刘学飞等,2010;王庆飞等,2011)。

河南省新安县郁山矿床位于三门峡-渑池-新安四级铝土矿成矿区的杜家沟-郁山铝土矿成矿带的东端,为河南省富铝土矿最集中区。区域上已发现煤、铝、铁等沉积矿产。铝土矿赋矿层位为上石炭-下二叠统的本溪组。

河南省新安县郁山矿床含矿地层为石炭-二叠系本溪组,与下伏马家沟组呈平行不整合接触,含铝岩系厚度1.18~26.06 m,平均8.65 m。一般自下而上分为四个岩性层:一层为灰褐色中薄菱铁矿层或含菱铁矿铝土质泥岩,以铁质粘土岩建造为主,厚0~4.80 m;二层为灰色中薄层含豆鲕、粒屑铁铝质粘土岩层,局部含炭质而呈深灰色,黄铁矿零星发育,菱铁矿以豆鲕状,团粒状产出,层理发育,可发育成耐火粘土,为矿层直接底板,厚0~4.56 m;三层为主矿层,为灰-深灰色中厚层状碎屑-豆鲕状铝土矿及泥晶铝土矿,偶尔见层理构造,厚0~10.18 m;四层为深灰-灰黑色中薄层含炭质铝土质泥岩或炭质泥岩或矸石,为矿层直接顶板,可见层理,含植物化石,普遍含黄铁矿团块,厚0~3.35 m。四层组合为一个完整的沉积旋回,矿区内一般可见两个沉积旋回。上部与太原组整合接触。

3 三维地质建模的工作流程

本文重点以MVS8.2软件进行讨论。

3.1 资料的收集整理,建立地层层序

依据《中国地层指南及中国地层指南说明书》.综合使用同位素地质学、古生物学与微体生物学方法、沉积学方法、测井地质学方法、地球化学过程分析等等方法。工作则由原先的野外填图法逐步过渡到据航片、卫片解译、地貌学研究、钻孔验证。在此基础上建立工作区地层层序(表1)。

3.2 数据处理与三维地质建模工作流程

工作流程为:按地层层序处理钻孔与不同地层面数据,并建立数据库→地质解译→三维地质建模→储量计算(苗晋祥等,2008;雷赟等,2008)。

表1 河南新安郁山铝土矿地层层序表Table 1 Stratigraphic sequence in the Yushan bauxite deposit,Xin’an County,Henan Province

3.2.1 MVS8.2软件的工作流程

工作流程:数据处理→三维地质建模网络流程的建立。

数据处理:本专题研究就是按地层分层的顶底面整理的gmf格式文件。根据表1的地层层序对钻孔进行分层,按X,Y,TOP(地面标高),BOT_1(分层序号为1地层的底板标高,以此类推)、BOT_2、BOT _3、BOT_4、BOT_5、BOT_6、BOT_7、BOT_8、BOT_9、BOT_10、BOT_11、Boring_ID(钻孔编号)的顺序对每一钻孔进行编辑,再加上辅助的解释内容,便生成gmf格式文件。

三维地质建模网络流程:MVS 8.2软件是一款模块化流程式软件,本专题三维地质建模需要以下模块(见图1)。现将主要模块的功能进行论述。

Krig 3D Geology:读入整理好的*.geo或*.gmf文件,克立格法创建所有三维地层面。

3D_Geology_Map:从二维的地层面创建三维的体模型。

Volumetrics:矿体储量计算模块。

Explode_and_Scale:对模型在Z方向的扩张值以及地层模型中各个地层之间的间距的设定。

isovolume:它是子模块中的一个模块,它可提取体数据的某一部分(大于或小于阈值)。

Legend:模型图例的创建。

图1 MVS三维地质建模工作流程图Fig.1 Workflow of MVS three-dimensional geological modeling1-输出到视窗模块的数据;2-克里格三维差值模块输出的数据;3-各模块之间的数据流1-output data of view model;2-output data from Krig 3D geological module;3-data-stream among different modules

axes:模型坐标系的创建。

viewer:视图窗口模块。

河南郁山铝土矿三维地质特征:

(1)构造的展示:矿区整体为一背斜,总体轴走向为北西-南东向,轴向西北方向倾伏,北翼地层倾向北东,南翼地层倾向南西,核部地层为寒武系和奥陶系,两翼依次均为本溪组、太原组、山西组、石盒子组一段、石盒子组二段、石盒子组三段等地层(见图2、图3、图5、图6)。

图2 三维地质结构模型(旋转90°)Fig.2 Three-dimensional geological-structure model(rotating 90°)1-第四系;2-第四系底板至矿体顶板;3-矿体; 4-矿体底板至奥陶系顶板;5-奥陶系1-Quaternary;2-Quaternary floor to roof of ore body;3-ore body;4-ore body floor to Ordovician roof;5-Ordovician

(2)地层的叠置关系:地层为11层,为正常序列叠置,地层总体呈平滑连续延伸,但也有较小的波状起伏(见图4、图5、图6)。

(3)矿体下伏奥陶系地层(O)三维空间展示:同背斜的产状基本一致,轴部走向为北西-南东向,轴部向西北方向倾伏,北翼倾向北东,南翼倾向南西(见图2、图3、图5、图6)。

(4)铝土矿矿体三维空间展示:矿体分布于西郁山的北坡,主要赋存于石炭系本溪组含铝岩系的中上部,呈隐伏状分布。主矿体为一层,形状受背斜与下覆奥陶系马家沟组界面控制,总体呈上凸的弧形,向西部矿体呈扇形展布,为层状平滑连续分布,但也有较小的波状起伏,轴部走向为北西—南东向,轴部向西北方向倾伏,南翼倾向南西且倾角较大,北翼倾向北东,矿体总体向西、北西、北倾斜,倾角平缓,局部有起伏,矿体埋深中东部浅,向南、西、北三个方向埋深逐渐增大。主矿体规模为大型,北西—南东向长大于2555 m,北东—南西向宽大于1900 m,矿体真厚度0.48~9.65 m,平均真厚度2.79 m,矿体厚度集中在1.5~3.5 m,顶板最高标高为339 m,顶板最低标高为-278.33 m(见图7)。

3.2.2 MICROMINE 2010软件的工作流程

工作流程:文件准备→钻孔校验并建立数据库→地质解译→地质模型的建立→块模型的建立与储量估算。

文件准备:建立井口文件、测斜文件、样品分析文件、岩性文件4个文件。

图7 三维矿体模型图(旋转135°)Fig.7 Three-dimension orebody model(rotating 135°)1-矿体1-orebody

钻孔校验并建立数据库:检查钻孔四个文件的一致性和逻辑错误。

地质解译:按剖面连接矿体和地质体。

地质模型的建立:生成线框文件,建立地质模型或矿体模型。

块模型的建立与储量估算:生成矿体块模型,按不同品位进行储量估算。

生成的模型见图8。

图8 MICROMINE生成的三维地质柱状模型Fig.8 Three-dimensional geological_post model generated by software MICROMINE

3.2.3 MAPGIS_G3dProject软件的工作流程

工作流程类似于MICROMINE软件,为:勘探数据管理→地质解译→矿体圈定→储量估算→矿量和品位统计→三维可视化分析→成果数据管理和输出。生成的模型见图9。

图9 MAPGIS_G3dProject生成的三维地层模型Fig.9 Three-dimension stratum model generated by MAPGIS_G3dProject

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