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第 45 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.3 2017 年 6 月 COAL GEOLOGY 2. Key Laboratory of Chinese Academy of Surveying 3. Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China; 4. Qinghai Coal Mine Bureau, Xining 810007, China；5. Key Laboratory for Geo-Environment of Coastal Zone, Shenzhen University, Shenzhen, 518060, China Abstract Generally, conventional coal exploration results are shown based on two-dimensional maps, it is very difficult to express three-dimensional spatial distribution in direct and visual way. Based on borehole data, two-dimensional topographic and geologic map, coal seam bottom contour map and geologic exploration section map, this paper reconstructs spatial distribution of ground surface, coal seam, shape of main faults and temperature field. Based on geological data of multi-source, three-dimensional geological modeling results clearly show us coal seam shape features, coal accumulating scope and intensity of each sedimentary cycle, structural outline characteristics and underground temperature field characteristics. The results show that three-dimensional visualization technology with geological data of multi-source vividly reflects the morpho- logical characteristics of coal seam and other geological bodies, it also can effectively analyze the sequence of complex geological faults ed in the geological history and paleotectonic stress field characteristics. Therefore, it is a very effective means using three-dimensional geological modeling for the analysis of the deposition, structure and geological attribute field. ChaoXing 38 煤田地质与勘探 第 45 卷 Keywords three-dimensional modeling; constrained triangulation; faults reconstruction; deposition underground temperature field reconstruction 加拿大学者 S W Houlding[1]在 20 世纪 90 年代 初首次提出三维地质建模的概念。三维地质建模技 术作为一门前沿技术，十分有助于煤炭地质构造的 研究[2]。煤层顶底面、断层面、地层不整合面等是 地质体十分重要的分界面，一直以来其重构方法是 三维地质建模的研究基础[3]和热点问题。余志伟[4] 首次使用曲面样条函数插值重构煤层底板面，并获 得很好的应用效果， E A Yfantis[5]利用分形方法模拟 地质界面， T R Fisher 等[6]、 钟登华等[7]借助 NURBS 模拟地质面与实体， WU Qiang 等[8]实现了一种多源 数据集成应用的三维地质建模方法，武强等[9]运用 单一或多个平面拟合断层面，并对断层的空间几何 形态进行数学描述。由于采样数据稀疏和空间分布 不合理、数据模型不统一[10]，同时工程人员提供的 地质数据具有“七多”即多源、多尺度、多时态等特 性[11]，地质研究对象又具有典型的灰色信息特征[12]， 由此决定了三维地质建模的复杂性和不确定性。目 前矿山地质三维建模所采用的资料单一，大多局限 于钻孔数据和地表勘测数据。大量凝聚专家知识的 地质平面、剖面图等资料未能得到充分的利用，也 缺乏有效综合利用上述不同资料的方法。笔者综合 集成多源地质数据，对不同来源和类型的数据或资 料进行转换加工包括将原始的 MapGIS、CAD、文 本文件转换成三维平台“地质工程师三维助手”D3A 软件相应的文件格式， 通过 VC编程在 D3A 软件 平台上扩展功能模块，构建青海木里三露天勘探区 的三维地质模型，使得各类地质数据得到相互补充 和协同利用，从而获得对研究区地质特征更客观、 本质的理解和认识。 1 三维建模基本理论 1.1 二维限定 Delaunay 三角剖分与三维 TEN 四 面体剖分 二维Delaunay三角剖分具有严格的数学定义和 完整的理论基础，同时具有良好的边界描述和约束 适应能力， 因此被广泛地应用在三维地质建模领域。 复杂地质体往往含有很多断层，断层间相互关系十 分复杂，这些断层可以看作是被切割的地质界面三 角剖分的限定条件。目前普遍采用的限定 Delaunay 三角剖分算法是 Chew 提出的[13]。其基本思想是先 将限定条件分成更小的线段，然后将细分单元顶点 进行 Delaunay 三角剖分，希望细分后的小线段能成 为某三角网格单元的一个边，重复上述步骤直到细 分后的限定条件都在网格单元中出现。三维非重叠 单值曲面上的离散点集，一般通过投影转化为二维 平面点，进行 Delaunay 三角剖分转化为 Delaunay 三角网，从而实现三维 TIN 面的构建[14]。对于像倒 转褶皱这样的多 Z 值的地质曲面，通常情况下将其 分为 2 个单值曲面分别展开三维重构。笔者基于断 层线、煤层边界线、底板等高线等限定条件进行限 定 Delaunay 三角网格剖分来重构煤层底板面。 TEN 模型是不规则三角网 TIN在三维空间的扩 展[15]，将目标空间用紧密排列但不重叠的不规则四 面体形成的格网来表示。其中，四面体都是以空间 散乱点为其顶点，每个四面体内不含有点集中的任 一点。TEN 具有较大的灵活性，可以描述具有复杂 边界的空间实体，同时拓扑关系简单便于维护、满 足线形组合特性[16]，因而得到广泛的应用。本文基 于研究区 25 个温度钻孔数据进行四面体剖分， 构建 研究区的温度场模型。 1.2 断层线和煤层边界线及底板等高线相交算法 一般采用 MapGIS/AutoCAD 绘制煤层底板等 高线图，且仅在每条等高线旁标注高程值，底板等 高线图仍是二维图，未能从真三维角度反映出煤层 底面的高低起伏变化。因此需要通过“升维”操作变 二维等高线为三维等高线，同时以底板等高线为限 定条件进行 Delaunay 剖分构建三角网，使其成为真 三维底板面图。 同样，底板等高线图中的断层线、煤层边界线 都是二维线段，且没有高程属性值。因此，需要得 到与实际吻合的三维断层线和三维底板等高线。为 此， 笔者采用将所有的底板等高线与相邻的断层线、 底板等高线与相邻的煤层边界线分别进行每两条线 段求交操作，使得每条断层线以及煤层边界线上产 生一系列交点。然后将与之关联的等高线高程值赋 给相应的交点， 得到一系列具有真三维坐标的交点。 最后， 根据线性插值获得三维断层线和煤层边界线。 这里关键算法是线段的二维求交。线段可以用式1 来表达。 ses ses xxs xx yyt yy 01,01st≤ ≤≤ ≤ 1 式中 xs, ys为 S 点坐标，xe, ye 为 E 点坐标，s、t 为参数。 给出两条直线段MN与KL， 其中端点为xm, ym、 xn, yn、xk, yk、xl, yl，利用式1可以求出两个变 量 s 和 t。 nmmknmmk nmlknmlk xxyyyyxx s xxyyyyxx 2 ChaoXing 第 3 期 董前林等 多源地质数据综合三维建模及地质学分析 39 lkmklkmk nmlknmlk xxyyyyxx t xxyyyyxx 3 如果 s 和 t 的范围都是[0,1]，那么直线段 MN 与 KL 有一交点， 将 s 代入直线段 MN 的参数方程或 者将 t 代入 KL 的参数方程，就可求出交点。若 s， t 有一个在[0,1]的范围之外，则两直线段不相交。 本文综合集成多源地质数据资料含 43 个钻孔， 25 个温度测量钻孔，1 幅地形地质图、3 幅煤层底板 等高线图、13 幅地勘剖面图，构建青海木里三露天 勘探区的三维地质模型， 同时充分挖掘每一类数据隐 含的地质意义， 从而充分展示该区域地质构造及地质 属性特征，弥补了单一数据建模中信息不足的缺陷。 2 三维地质形态模型重构 2.1 煤层底板面重构 煤层底板等高线包含煤层在地层中的标高、地质 构造及其相互之间关系等重要地质信息， 是矿井设计、 改扩建和开拓延深的主要依据，也是矿井生产管理过 程中计算煤炭储量动态变化和采掘工程生产设计的基 础[17]。利用煤层底板等高线蕴含的地质信息进行煤层 三维建模是一种行之有效、快捷良好的手段。 图 1 底板面重构技术路线图 Fig.1 Technical route of reconstruction of coal seam floor 本次采用上 4 煤、上 5 煤和下 1 煤的底板等高 线图3 个煤层位置关系为自上而下和勘探区 43 个 钻孔。建模基于煤层底板等高线图进行煤层底板面 的三维地质重构。同时，配合已有的钻孔柱状图对 建模结果进行验证和校准。三露天煤矿底板面三维 重建总体技术路线如图 1 所示。 以下 1 煤流程处理为例。下 1 煤底板等高线图 原始数据格式是 MapGIS 数据格式。将断层线和煤 层边界线与已经赋予高程值的等高线分别求交，得 到实际真正的三维断层线和煤层边界线。由于断层 的错动切割，完整的原生煤层被切割为单个片状煤 层。为方便进行三维建模，需要分片对各个片状煤 层单独进行三维建模。以相应的等高线、断层线、 煤层边界线作为限定条件分别对每个片状煤层实施 限定 Delaunay 三角剖分，获得下 1 煤的底板面限定 Delaunay 三角剖分图图 2a。同样方法，基于矿区 二维地形地质图，以地形等高线为限定条件进行三 角剖分并光照渲染后得到勘探区精细的三维地形图 图 2b。图 2c 是勘探区钻孔分布图，为有效显示钻 孔数据，地表采用了透明显示技术，以便于详细观 察各个钻孔在地下的分布和钻探情况。图 2d、图 2e 分别是上 4 煤、上 5 煤和下 1 煤这 3 层煤底板面叠 合图和地面煤层底板面的叠合图。 2.2 主控断层重构 对于正断层，本文以上下断煤交线为限定线进 行限定三角剖分构建断层面；对于逆冲断层，以每 个断层在 13 条勘探剖面线上的断层线作为限定线 进行限定三角剖分构建该逆冲断层。对于正断层， 其重构流程相对简易，本文在此不再赘述。 a. 真实三维剖面图生成 首先将常规的二维剖面图转化为真实的三维剖 面图。其中，从剖面图上的二维点向三维点转换是 二维剖面向三维剖面转换的关键。二维勘探线剖面 图向三维勘探线剖面图的转化方法步骤为①在平 面图和剖面图上，由剖面线的起点、终点以及勘探 线上的钻孔孔口点将剖面化分为若干段；②由平面 图上的勘探线折线建立三维空间中的三维勘探线剖 面框架；③在二维剖面图上分段转换剖面上要素点 的二维坐标到三维空间，并对跨越剖面段转折点的 长边添加转折控制点。 由于勘探线剖面为 x-y 二维，其中 y 坐标通常 与三维空间中 z 坐标相关联，剖面上的 x 坐标通常 与三维空间中的 x、y 坐标相关联。原地质剖面点 的y坐标通过高程线的参照以及剖面图所给的比例 尺可转换为三维空间的 z 值，剖面中 x 坐标通过坐 标正算转换为三维空间的 x、y 值。对于变方向的 勘探线剖面即折剖面，需确定每个折剖面的走向 每段折勘探线与 x 轴夹角，从而计算出每个折剖 面上各节点三维坐标x,y,z，最后通过编程方式实 现二维勘探线剖面向三维勘探线剖面的转换。图 3a 显示的是 1 号勘探线对应的真实折剖面，图 3b 是勘探区 13 幅勘探线剖面图对应的真实剖面整体 效果图。 ChaoXing 40 煤田地质与勘探 第 45 卷 图 2 煤层底板和地表地形三维重构图 Fig.2 3D reconstruction of coal floor and ground surface 图 3 断层重构图 Fig.3 3D reconstruction of faults b. 断层面重建 三露天勘探区 13 条勘探线剖面图的原始图件为 MapGIS 格式，其断层面的重建方法步骤为①将原 始勘探线剖面图导出为 DXF 格式，然后导入 D3A 平台转换为 DS 格式。②为便于断层三维重构，需 要对 DS 格式的勘探线剖面图进行预处理，即将剖 面图上的线数据进行分层，即划分为断层线图层、 勘探线图层、地层线图层、钻孔图层、地面线图层 等。 ③对 13 条勘探线剖面图上的相同断层线赋予相 同编码，如 F1、F2、F26、F27、F28 等，并以相 同编码断层线为限定边界线采用最小跨距长度算 法进行限定三角剖分生成相应的断层面三角网。 同 理， 根据上述方法步骤生成所有编号的三维逆冲断 层面。 最终生成的断层三维图如图 3c 所示未经过光 照渲染，图 3d 是加入光照渲染后的所有断层效果 图包括正断层、逆断层。图 3e 和图 3f 分别是地面 断层叠合图和断层对下 1 煤的切割图。断层重构结 果清晰地显示出三露天勘探区主要断层在地下的延 展趋势、对主采煤层的切割及产生的错动位移，这 ChaoXing 第 3 期 董前林等 多源地质数据综合三维建模及地质学分析 41 对采矿工程技术人员设计布置巷道提供了重要的参 考依据。因原始数据资料不足，构建的断层面仅为 实际断层面的一部分。 c. 断层面的光滑 运用上述断层面重建方法生成的断层面往往过 于“生硬”，需要进一步进行光滑处理，即通过在原 始断层线之间添加虚拟断层线重构断层面三角网， 从而实现断层面的光滑。在对原始断层三角网进行 光滑处理时，必须满足的约束条件为光滑处理后 的断层面必须经过原始断层线，即必须经过原始断 层线上所有点。本文使用 Cardinal 样条曲线将折曲 面的光滑处理降维成折线的光滑处理，然后重新构 建三角网。Cardinal 样条是插值分段三次曲线[18]， 且每条曲线段的端点位置均指定切线， 不过 Cardinal 样条线不用给出端点的切线值。在 Cardinal 样条线 中一个控制点的斜率值可以由 2 个相邻控制点的坐 标进行计算。一个 Cardinal 样条线可由 4 个连续控 制点完全确定，中间 2 个控制点是曲线段端点，其 他 2 个点用于计算曲线段端点斜率。设 4 个连续控 制点为 Pk–1、Pk、Pk1、Pk2、设 Pu是控制点 Pk和 Pk1之间参数的三次函数式u 为参数，则从 Pk–1到 Pk2的 4 个点用于建立 Cardinal 样条的边界条件为 式4。 1 11 2 0 1 00.51 10.51 k k kk kk PP PP Pt PP Pt PP 4 式中 t 为张量参数，控制 Cardinal 样条与输入控制 点间松紧程度。P′0、P′1分别表示曲线段在控制 点 Pk和 Pk1处的斜率。 求解式4，并将之转换成矩阵形式，如式5。 -1 32 1 2 1 k k c k k P P uuu P P P uM 5 式中 u 为参数， 同上。 Mc为 Cardinal 矩阵， 如式6。 22 2332 00 0100 ssss ssss ss C M 6 其中 s1－t/2。 图 4a 和图 4b 分别是勘探区 F27 断层未光滑前的 三角网和对应的光照渲染效果，光滑后的 F27 断层三 角网和对应的光照渲染图如图 4c 和图 4d 所示。研究 区主要逆冲断层光滑处理后光照渲染效果如图 4e 所 示。通过使用 Cardinal 样条函数进行曲面插值后，可 以明显发现， 无论是断层面边界还是内部都更加光滑。 图 4 断层曲面光滑效果 Fig.4 3D smoothness of curved face of faults 3 温度场模拟 研究区共收集到 25 个有效温度钻孔数据， 为测 量获得的最深地层温度，其最高地温值为 24.5℃， 测点位于 1244 号钻孔所处地下 735 m 处。 则所有 测点温度范围是 024.5℃。 根据钻孔测温数据分析， 绝大多数钻孔在地下 2060 m 处井温小幅降低， 6080 m 井温开始上升但变化较小，80120 m 井温 突然增大，120 m 后井温恢复到正常地温梯度。经 统计， 研究区最小地温梯度为 1.3℃/hm， 位于 218 ChaoXing 42 煤田地质与勘探 第 45 卷 号孔 100200 m 处，最大地温梯度为 4℃/hm，位于 1244 号孔 500600 m 处。全区平均地温梯度 2.4℃/hm。综合以上温度数据，可以认为该区从地 表到地下 5 m 左右为季节性冻土层，5100 m 左右 为常年性冻土层，100 m 以下为正常地温区。 运用分段线性插值获得钻孔温度示意图图 5a， 通过标注颜色属性该图清晰反映出每个钻孔从孔口 至孔底温度随深度增加的递变规律。 对钻孔温度测量 点进行四面体剖分， 得到钻孔温度测量点四面体格网 剖分结果图 5b，图 5c、图 5d 分别是温度场模拟结 果以及温度场图切剖面。 根据三露天勘探区温度场模 型图 5c，可以明显看出研究区地温总体趋势为 NW 部地温梯度高， 地温随着深度增加上升较快； SE 部地温梯度较低，地温随着深度增加上升相对缓慢。 图 5 研究区三维温度场模拟 Fig.5 3D modeling of temperature field in the study area 据 2009 年地调局等单位在距离本区西北端不 远处开展科学钻探实验，分别在 DK-1、DK-2 和 DK-3 钻孔实验中获得多层天然气水合物样品， 其钻 取的天然气水合物均产于冻土层之下，产出深度 133396 m，其层位属于中侏罗统江仓组[19]。根据 本次温度场建模结果，三露天勘探区地下深度 120400 m 内，地层温度为 09℃，这符合天然气水 合物赋存的温压条件[20]。此外，据文献[20]，2007 2008 年青海煤炭地质 105 勘探队在三露天勘探时 通过钻孔施工发现有强烈的涌气现象，泥浆中涌出 的大量气体在井口即可燃烧。采集的气样测试结果 表明混合气体样中烃类总成分占 34.93，其中甲烷 在混合气体样中质量分数大于 96，上述现象与天 然气水合物的特征高度相符。综上，本区可视为天 然气水合物的极有利勘探区。 4 地质构造分析 根据三维建模技术构建的 3 个煤层底板叠合 图，可以清楚地看出自下而上下 1 煤上 5 煤 上 4 煤，观察 3 个煤层三维底板趋势面，三露天勘 探区煤层被 F1、F2、、F24、F30 等主干断层 切割成 56 个断块， 各断块中含煤地层表现为向 SW 倾的单斜构造。根据三维建模结果，从下 1 煤上 5 煤上 4 煤，可以明显看出煤层分布范围越来越 小，据钻孔数据可知煤层厚度亦越来越小。结合已 有的勘探资料可知，研究区自侏罗纪初期以后各个 沉积旋回中聚煤作用强度逐渐减弱。从下 1 煤上 5 煤上 4 煤， 勘探区 SE 部聚煤范围变化较大即该 区域沉积相变大，NW 部聚煤范围基本不变即该区 域沉积相比较单一稳定。由煤层底板等高线和三维 建模结果可知， SE 部煤层三维空间上赋存高度整体 上高于 NW 部煤层， 这是由 NE 向 F30 平移正断层造 成的。 断层三维建模结果也清晰地展示出该区域主干 断裂的走向、倾向和倾角空间展布特征图 3d。 研究区主要断层性质特征及各断层产生的先后 关系如表 1 所示。绘制了基于下 1 煤的断层构造图 ChaoXing 第 3 期 董前林等 多源地质数据综合三维建模及地质学分析 43 图 6， 图中可清晰地展现勘探区断层对煤层的错动 及断层的运动方向，其中对于逆冲断层箭头代表挤 压应力的方向，对于正断层箭头代表断层上下盘的 相对运动方向。根据断层三维重构结果图图 3d及 表 1，三露天地区断层基本可分为 NWW 向逆冲断 层F1、F2、F25、F26、F27、F28 等、NW 向正断 层F7以及 NE 向正断层F24、F30。可以看出，正 断层 F7、F24、F30 倾角等大于 80，属于典型的高 角度正断层。由于所有逆冲断层的走向、倾向、倾 角都基本一致，推断其是在同一地质历史时期在同 一方向构造应力作用下错动地层产生的。正断层中 F24、F30 走向、倾向、倾角都基本一致且两断层相 邻，推断其是在同一地质历史时期产生的正断层。 F7 正断层明显不同于 F24、F30 正断层，暂时无法 判明其产生时期。 表 1 研究区主干断层基本性质 Table 1 Basic characteristics of main faults in study area 断层编号 断层性质 走向 倾向 倾角 F1 逆冲断层 NWW SW 浅部50，深部40 F2 逆冲断层 NWW SW 浅部50，深部35 F25 逆冲断层 NWW SW 浅部60，深部50 F26 逆冲断层 NWW SW 50左右 F27 逆冲断层 NWW SW 60左右 F27-1 逆冲断层 NWW SW 60左右 F28 逆冲断层 NWW SW 浅部60，深部15 F24 正断层 NE NW 80左右 F30 平移正断层 NE NW 85左右 F7 正断层 NW SW 80左右 根据图 2a 和图 6 可知，F30 平移正断层将勘探 区分为 NW 部和 SE 部 2 部分。可以看出，三露天 勘探区 SE 部前展式叠瓦状断块构造表现十分明显， NW 部地层煤层基本没有大的错动、原生形态变化 不大。据此可以推断近 NE 向 F30、F24 正断层先于 F1、F2、F26、F27、F28 等 NWW 向逆冲断层存在。 因为假设来自 NE 向的挤压应力在传递的过程中， 该构造应力从勘探区 SE 部传递并经过 F30、F24 断 层传递至 NW 部后，由于 F30、F24 正断层的先期 存在导致该构造应力大为减弱，从而使得 NW 部煤 层与 SE 部煤层的构造形态存在明显的差异，即 SE 部煤层前展式叠瓦状断块构造表现相当明显， 原 生煤层破坏更严重；而 NW 部煤层破坏较轻，其形 态保存较为完整。地质勘探调查也同时证明，NE 向 F30、 F24 正断层发生于侏罗纪地层沉积前的印支 晚期，又在中侏罗纪煤系沉积时继续活动的继承性 图 6 基于勘探区下 1 煤断层构造分析 Fig.6 Analysis of faults in lower seam 1 断裂， 此断裂向地表延伸时其上部被 F2、 F27、 F27-1 等逆冲断裂所切割掩伏。 综上可知，研究区侏罗纪含煤沉积盆地早期为 伸展条件下的断陷阶段，且生成 NE 向 F24、F30 正 断层，中晚期又转变为挤压条件下的拗陷阶段，生 成 F1、F2、F26、F27、F28 等 NWW 向逆冲断层。 5 结 论 a. 根据多源地质数据建立了青海木里三露天 勘探区精准的三维地质模型，三维重建结果清晰 明确地展示了三露天地区煤层的形态特征、各个 沉积旋回的聚煤范围和强度、构造轮廓特征和地 温场特征。 b. 地质构造要素的三维重构能清晰反映断层 对煤层的切割，弥补了平、剖面图上仅表现为一条 断层线的不足，可以有效地分析复杂断层在地质历 史中产生的先后顺序，并对古构造应力场展开有效 分析。 c. 三维建模技术对于重构地质体并且进行构 造分析包括古构造应力场分析、沉积分析、地质 体属性场模拟是一种崭新并且有效的手段。 d. 三维地质建模对木里三露天的天然气水合 物勘探开发中的层位标定、形态模拟具有明显的优 势，对天然气水合物勘探开发具有重要指导意义。 ChaoXing 44 煤田地质与勘探 第 45 卷 参考文献 [1] HOULDING S W. 3D geoscience modeling，computer technique for geological characterization[M]. 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