Visual Modflow软件及其在砂岩型铀矿成矿水文地质条件研究中的应用潜力分析.pdf

第 1 9卷 2 O 0 3年 第 1期 1月 铀 矿 Ur a n i u m 地 质 Ge o l o g y Vo 1 ． 1 9 No ． 1 J a n． 2 【 0 3 Vi s u a l Mo d f l o w 软 件 及 其在 砂 岩 型 铀 矿 成 矿 水 文 地 质 条件 研 究 中的 应 用 潜 力分 析 魏云杰 ，许模 ，刘 健 1 ． 成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都6 1 0 0 5 9 ； 2 ． 核工业地质局 2 8 0研究所，四川广汉6 1 8 3 0 0 [ 摘要】Vi s u a l Mo d fl o w是 目前国际上最流行的地下水运动三维模拟软件系统包 ，由于它的系统 化和可视化特点及强大的模拟功能，被广泛应用于各个领域。本文重点介绍 Vi s u a l Mc t i fl o w模型及其 在砂岩型铀矿成矿水文地质条件研究 中的应用潜力。 [ 关键词]可视化模型 ；砂岩型铀矿；水文地质条件 [ 文章编号]1 0 0 0 0 6 5 8 2 0 0 3 0 1 0 o 5 3 0 4 [ 中图分类号]P 5 9 8 ；P 6 4 1 3 [ 文献标识码]B 1 问题 提 出 随着信息技术革命浪潮 的到来 ，人类进 入了信息社会。2 1世纪初对地球科学发展有 直接贡献 的技术包 括信 息获取技术 ，信息 加工技 术 ，信息加 工 和处理 技术。相应地 ， 铀矿地质勘查也将进入 现代信 息找矿 阶段 。 戴杰敏等提 出，地 质找矿要跳 出单纯地 质模 式和经 验 模 式 的 圈子 ，引 进 和 研究 适 用 于铀 矿地 质勘 查 的数学 模 型 ，并 设计 相应 的人 机 对话的计算机 程序⋯ 1 。史维俊 、李学礼等应 用地球 化学模 式 E Q3 ／ 6程序 模拟 研究 了铀 成 矿机 制和成矿 的物 理化 学 条件 ，预测 了氧 化 、 还原带 的位 置 ，通 过正 演 模 型 和 反 演模 型 研 究 了成 矿 系统 中水 岩 相 互作 用 的规 律 及 铀成 矿的环境条件l -3 』 。成矿系统是在一定的地质 构造 环境 中 的开放 系统 ，它 与 环境 进 行 着物 质和能 量 的交 换 ，在 此 过 程 中 ，地 下 水 对 铀 成矿 起着 非 常 重要 的作 用 。地 下 水 对 铀 成 矿 系统 的作 用 除 了水 岩相 互 作 用 外 ，还 有 地 下 水的动 力 条 件 地 下水 的 流动 速 度 、水 力 坡 度、介质渗透系数 、成矿 系统 的补径排特征 等 。如果利用先 进软件 对铀 成 矿水 动 力条 件 进行模拟 ，并 与 E Q3 ／ 6程 序模 拟 相结 合 ，对 铀成矿 水 文地 质 条 件 作 出综 合 预测 ，不 仅 能 节约 大 量 区 调 经 费 ，弥 补 钻 孔 资 料 的 不 足 ， 而且推动了铀矿地质勘查的信息化进程。 [ 收稿 日期】2 0 0 2 - 0 5 1 0 [ 作者简介]魏云杰 1 9 7 3一 ，男 ，1 9 9 7年毕业于华东地质学院，现为成都理工大学硕士研究生。 维普资讯 5 4 铀矿地质 第 1 9卷 2 Vi s u a l Mo d flo w模 型介绍 2． 1 V i s u a l Mo d f l o w模型简 介 Vi s u a l Mo d f l o w是 由加拿大 Wa t e r l o o水文 地质公 司 在 原 Mo d fl o w 软 件 基 础 上 应用 现代 可视 化技 术 开 发研 制 成功 的 ，并于 1 9 9 4年 8 月首 次在 国际上公开 发行 ，专 门用作孔 隙介 质 中地下 水三维有 限差分 数值模拟软件 。这个 软 件包 由 Mo d f l o w 水流评价 、Mo d p a t h 平面 和剖 面流线示踪分析 和 MT 3 D 溶 质运移评 价3部分组成 ，并且具有 强大 的 图形 可视 界 面功 能 。设计新颖 的菜单结构允许用 户非常容 易地 在计算机上直接 圈定模型 区域 和剖 分计 算 单元 ，并可方便地 为各剖分单元 和边界条件直 接在机上赋值 ，做 到真正 的人机对 话 。如果剖 分不太理想需 要修 改时 ，用户 可选 择有关菜单 直接加密 或删除局部 网格 以达 到满意为止 。同 时 ，用户 可选用 不 同的菜单分别 单独或共 同运 行 Mo d fl o w、Mo d p a t h和 MT3 D 3大部 分 。各 部分均设计 了模 型识别 和校正菜 单 J 。 2 ． 2主要模块简 介 Vi s u al Mo d fl o w界 面设计 的主要 目的就是 增强模 型数值模拟能力 ，简化 三维建模 的复杂 性 。界 面设计包括三大彼 此联 系但又相 当独立 的模块 ，即 输 入 前 处 理 模 块 、运 行 处 理 和输 出 后处理 模块 。 输入模 块允许用户直 接在计算机上赋值所 有必要 的输人参数 以便 自动生成一个新 的三维 渗流模型。当然 ，该模块也同时允许用户通过 转 化 方 式 重 新 打 开 已 经 建 立 的 Mo d fl o w 或 Mo d p a t h模型 。输入 菜单把 Mo d fl o w、Mo d p a t h和 MT3 D的数据输 入作为一 个基本 建模块 ， 这些 菜单 以逻辑顺序 并显示 、指导用 户逐步完 成建模和数据输人工 作 。软件 系统允许 用户直 接在计算机 上定义和剖分模拟 区域 ，用户可随 意增减剖分 网格和模 拟层数 ，确定 边界几何形 态和边界性质 ，定 义抽水井 的空 间位置和出水 层位 。参数菜 单允许 用户直接 圈定 各个水文地 质参数 的分 区范 围并赋值 相 应参 数 ，同时 上 、 下层所有参数可互相拷贝。用户在输入模块中 还可 预 定义 校 正 观测 孔 的具 体 空 间 和 观测 层 位 ，并输入其观测数据 ，以便 在后续 的模型识 别工作 中模拟使用 。 运行模块允许用 户修 改 Mo d f l o w、Mo d p a t h和 MT3 D各 类 参数 与 数值 ，包 括 初始 估 计 值 、各种计算 方 法 的控 制 参 数 、激 活疏 干一 饱 水软件和设计输出控制参数等 ，这些均已设计 了缺省 背 景值 。用 户 根据 自己模 拟 计 算 的需 要 ，可分别 或共同执行水流模 型 、流线示踪模 型和溶质运 移模 型 。 输 出模块允许 用户 以 3种 不同方式展示模 拟结果。第一种方式就是在计算机屏幕上直接 彩色立 体显示所有 的模拟结果 ；第 2种 方式就 是直接 在各类打印机上输 出各 种模拟评 价的成 果表格 和成果 图件 ；最后 一种 方式就是将 所有 模拟结 果 以图形或文本文件 的格式输 出 ，输 出 图形 包括 可 以标记 出渗 流速 度 矢 量 大小 的平 面、剖面等值线图和平面、剖面示踪流线 图及 局部 区域 水均衡 图等一 系列 图件 _ 5 _5。 3 Vi s u a l Mo d fl o w 的求解 过程 3 ． 1 三维含水层 系统 的离散 化 将三维 含水 层 先 划 分 为 k层 ，每 一 层 又 分为 i 行和 列 ，这样 ，含水层 就 由许 多剖 分 成 的小 长 方体 所 表 示 。这 些 小 长 方 体 称 为 格 点 ，它 的位 置 用 所 在 的 行 号 i 、列 号 J 和层号 k 表 示 ，其 中 i 1 ，2 ，⋯ ，J 1 ，2，⋯ ，k1 ，2，⋯ 。在 Mo d fl o w 中 ， 第一层 k1 规定 为顶层 ，k值随高程 的降 低而增加 ；还 规定行 与 z轴 平 行 ，列 与 Y轴 平行 ，而且 行与列 正交 。某列 J中一个格点 沿 行方 向上 的宽度 为 △ ，某行 i中一格 点沿列 方 向上 的宽 度 为 △ 层 k中 格 点 的 厚度 为 △u ，格 点 i ，J ，k 的 体 积 即 为 Ac Ar j Av 。格点 的中心 位置 称为节 点 ，节点 的水 头 代 表该格 点 的水头 。Mo d fl o w 中采用 格点 中心 法 ，即渗透边 界总是 位 于计 算单 元 的边 线 上 。 由于所计 算 的水头值是空 间和时间 的函数 ，故 维普资讯 第 1期魏云杰等V a a l M] d a 0 I v 软件及其在砂岩型铀矿成矿水文地质条件研究中的应用潜力分析 5 5 需要 将含 水 层 进 行 空 间离 散 的 同时 图 1 ， 计算非稳定 流时对时间也要进行离散 。 3 ． 2 计算单元 的类 型及 边界 条件的处理 由于 实 际 工作 中，有 些 单 元 的水 头 值 已 知 ，而有些 单元可能位于所研究 的问题 的边 界 之 外 ， 为 此 ， Mo d fl o w将 单 元 分 成 了三 大 类 列 列 『 2 3 4 5 6 7 8 9 A r i 行 间 距 圈- 口z 图 1 模拟区的空间离散 F i g． 1 Sp a c e s c a t t e r o f s i m u l a t io n s e c t i on 1 含 水层边 界 ；2 无效 计算 单元 ； 3 有 效计算 单元 。 日2 3 [] 5 图 2 模拟区边界在模型中的表示 Fig． 2 Di s p l a y o f s i mula t i o n s e c t i o n b o r d e r l i n e in mo de l 1 含 水层边 界 ；2 不透 水边界 ；3 无效计 算 单元 ；4 定 水头 计算单 元 ；5 变水 头计算 单元 。 定水头计算 单元 ，无效计算 单元和变水 头计 算 单元 图 2 。定水 头 计 算单 元 的水 头值 由用 户事先规定 ，在计算中保持不变 ；无效计算单 元相 当于该 单元 的渗透 系数 为 0 ，不允许 地 下 水通过 ，也称作无渗流计算单元。除此之外其 它 的计算 单元为变水头单元 ，它们 的水 头随时 间和空间变 化 ，通过计算 得到【 5 l 。 4 Vi s u a l Mo d f l o w在砂岩型铀 矿成 矿水 文地质条件研究 中的应用潜力分析 4 ． 1 砂岩 型铀 矿成矿水 文地质 条件 对 于可地浸砂 岩型铀 矿来说 ，外 界地质体 与成 矿系统 的相互作用 主要通过地下水 的活动 来体 现 ，而地下水作 为成矿媒介 ，与它本身 的 运 动规律及水文地球化 学环境有关 。 中生代盆 地 有利于可地浸砂 岩型铀矿成矿水 文地质条件 为 1 具备渗人 型盆地特征 ； 2 地下水具备 完整 的补 给 、径流 、排泄 系统 且具有局部排 泄源 ； 3 找 矿 目的 层 含 水 层 、隔 水 层 配 置 完 好 ； 4 水动力垂 直分带与水平 分区明显 ； 5 具 备 良 好 的 水 文 地 球 化 学 分 带 性 [ 6 ， 7 l 。 4 ． 2 应 用潜力分析 野外调查 、实验室实验 和计 算机模拟是生 产和 科 研 的 主要 技 术 手 段 2，也 是 地 质找 矿 发展 的方 向。Vi s u a l Mo d fl o w作 为 当前 国际最 流行 的水文地质 的专业软件 ，被 广泛应用 于路 基排 水模 拟 、水 库 蓄 水 模 拟 、边 坡 稳 定 性 模 拟 、水资源评价 模 拟等领 域[ 8 , 9 ] 。铀 矿水 文地 质研究领域也应 引人 Vi s u a l Mo d fl o w 与世 界科 技界接轨 ，追踪 世界地质科技 新动 向。 Vi s u a l Mo d fl o w 在砂 岩型铀 矿成矿 水文地 质条件研究 中可 以处理 以下几 个 问题 1 找矿 目的层地下水 流动规律模拟研究 Mo d fl o w模块 可 以计 算 模 拟 地下 水 水 位 ， 并作 出平面地下 水等值线 图及地 下水 运动规律 国 维普资讯 5 6 铀矿地质 第 1 9卷 三维模拟 图 ，结合遥感解 译 的断裂构 造 ，判断 目的层 的补 给区 、排 泄区及局部排 泄源 。从地 下水位三维模拟 图上可 以看 出地下 水运动速度 的变化 区域 、水力坡 度 的大小 ，结 合水化 资料 及地球化学模 拟确定找矿靶 区。可 以对 已知矿 区进行地下 水运动规模模拟 ，其 模拟结果 与找 矿靶 区相 比较 ，可确定 找 矿靶 区 的成 矿部 位 。 也可进行反演模拟找矿靶 区能够成矿 的渗透系 数 。 2 目的层水质点 的向前 、向后示踪 流线 模 拟研 究 Mo d p a t h是专 门用于此项 研究 的模块 。根 据地下水稳定流模拟结果 ，Mo d p a t h可方 便地 计算 出三维 流 线 分 布和 任 意水 质 点 的移 动 位 置 。水质点示踪可分 为向前和 向后两种 。所谓 向前示踪就是 指示踪 水质点定义在 地下 水系统 补给 区 ，水质 点 由补给 区示 踪 渗流 至排 泄 区 ； 而 向后示踪则 是将示 踪水质点定义 在地下水 系 统排泄 区 ，水 质点由排泄 区示踪追 朔返 回到补 给区。示踪 流线 图可 以在平 面和剖 面 上展 示 。 Vi s u a l Mo d f l o w 的这个流 线示 踪功 能对 于研究 砂岩型铀矿成矿水文地质条件具有非常重要的 现实指导意义 ，特别是 向后示 踪技术 ，可 以直 接被运用于确定找矿靶 区的地下 水补给来 源和 补给通道等 ，并可计算出地下水补给区渗流至 研究区所经历 的时间。也可 以根据钻孔 资料及 盆地沉积历史分析 ，对成 矿期水动力 条件进行 模拟 ，并与现代地下 水动力条件模拟结 果对 比 分析 ，从而确定最有 可能成矿 的部位 。 5结论 1 Vi s u al Mo d f l o w是 国际 上最新 流 行 的 三维地下 水与溶质运移模拟评 价的标准化软件 系统 ，由于它 的系统 化和可视 化特点及拥有 的 强大模拟功 能 ，被 国际 同行普 遍接受 。为了与 国际地质 界接轨 ，推动核地 质信息化进程 ，在 铀成 矿地质 条件研究 中引进 Vi s u al Mo d f l o w意 义重大。 2 Vi s u al Mo d f l o w 在我 国砂岩 型铀 矿 成 矿水文地质条件 研究 中有一定 的应用潜力 ，特 别是地下水 流动规律模拟和流线示踪模拟 ，为 划分盆地地 下 水 的补给 区 、径 流 区及 排泄 区 ， 研究成矿 靶 区的补 给通 道 ，提供 了科 学依 据 ， 具有一定的实用价值。 3 Vi s u al Mo d f l o w 主要 对地 下水 动力 条 件进行模 拟 ，必须 与地 球 化 学模 式 E Q3 ／ 6程 序模拟相结 合 ，才能对铀矿成 矿水 文地质条件 进行综 合 、全 面地研究 。 本文在 成 文 过 程 中得 到 了核 工 业 地 质 局 2 8 0研究 所陈友 良副所 长 的指导 ，在此 表示感 谢 。 [ 参 考文献 ] [ 1 ]戴杰敏 ．铀矿地质勘查新思维、新理论 和新技 术 [ J ] ．铀矿地质 ，2 0 0 0，1 6 5 2 5 7 --2 6 3 ． [ 2 ]史维俊 ，李学礼 ，周文彬．地球化学模式及其在 铀矿中的应用．华东地质学院学报 [ J ] ．1 9 9 5 ． 1 8 2 1 1 8 ～1 2 7 ． [ 3 ]L Ni e l P l u r n me r ．水一 岩相互作用地球化学模式 的 回顾与展望 ．华东地 质学 院学 报 [ J ] ．1 9 9 3 ． 1 6 2 1 2 8 --1 3 5 ． [ 4 ]武强，董东林 ，武钢，刘金韬．水资源评价 的可视化专业软件 V i s u a l Mo d fl o w与应用潜力 [ J ] ．水文地质工程地质 ．1 9 9 9． 5 2 1 --2 3 ． [ 5 ]许模，严明，陈剑平等 ．云南省糯扎渡水 电 站坝址右岸软弱岩带 体成 因、特性及工程适 宜性评价[ J ] ．成 都理工大学 ．2 0 0 1 ． 1 0 8 6 ～ 9 1． [ 6 ]陈贤春 ，李启荣 ．柴达木盆地 西北部铀成矿水文 地球 化 学 条 件 分 析 [ J ] ．铀 矿 地 质 ，2 0 0 1 ． 1 7 6 3 4 8 --3 5 3 ． [ 7 ] 李启荣 ．新疆布尔津盆地砂岩 型铀矿成矿水文地 质条件初探 [ J ] ．铀矿地质 ，2 0 0 0． 1 7 6 3 4 3 ～ 3 5 2． [ 8 ]周念清 ，朱蓉 ，朱 学愚．Mc x t fl o w在宿迁市地 下水资源评价中的应用 [ J ] ．水文地质工程地质 ， 2 0 0 0． 6 9 ～1 3 ． 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wi d e l y a p p l i e d t O v a r i o u s f i e l d s ． Th e p o t e mi al o f Vi s u a l Mo d fl o w mo d e l an d i t s a p p l i c a t i o n t O t h e s t u d y o f h y d r o g eo l o g i c c o n di t i o n s a t s a nds t o n e - t y p e ur a ni u m d e p o s i t s i s i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r ． Ke y wo r d s vis u a l mo d e l ；s a n dst o n e - t y p e ura n i u m d e p o s i t ； h y d r o g eo l o g i c a l c o n dit i o n 上接 5 2页 ，C o n t i n u e d f r o m p a g e 5 2 S o me k no wl e d g e o n i nt e r pr e t at i o n of c o m p r e he n s i v e l o g g i ng c ur v e s LI o - ma Re s e a r c h I n s t i t u t eNo． 2 0 3 ，Bu r e a u o fG e o logy ，C NNC，Xi a n y a n g 7 1 2 0 0 0，Ch i n a Abst r a c t Th e i mp o r t an c e o f c o mp r e h e ns i v e l o g gi ng c u r v e i nt e r p r e t a t i o n i n g e o l o g i c p r o s pe c t i n g i s d e s c r i b e d f r o m t h e g e o l o g i c asp e c t i n t his a r t i c l e ． At t h e S a l T l e t im e ， t h e g e n e r al f eat ures and s p e c i al a d v an t ag e s o f l o g g i ng c u r v es are i nt r o d u c e d， s p e c i al s t ud y o n t he d e t e r mi n a t i o n o f compa c t c a l c a r e o u s r o c k s an d t h e i r t h i c k n e s s ，as we l l as t h e dis p l a y f o r ms o f t h e s e r o c ks o n b g g i n g c u r v es h a v e b e e n s t u die d i n d e t a i l ． Th e n ， s u b j e c t i v e a n d o b i e c t i v e f a c t o r s a f f e c t i ng t h e i n t e r p r e t a t i o n o f l o g g i ng c u r v es hav e b e e n a n a l y s e d，F i n a l l y ， some be n e f i c i al s u g g est i o ns ha ve b e e n p r o p o s e d b y t h e a u t h o r ． Ke y wo r d s i n t e r p r e t a t i o n o f l o g g i ng c u r v es ；g e o l o g i c a l s y n t h e s e s ；c o mpa c t c a l c a r e o u s r o c ks 维普资讯