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基于Surpac软件三维地质建模技术在地质教学中的应用
2020-08-10

石文杰 魏俊浩 谭俊 付乐兵 李艳军

中国地质大学(武汉)湖北武汉430074

摘要:Surpac软件是加拿大GEMCOM公司开发的全球应用最为广泛的三维矿业软件,近年来,随着我国的矿山企业和地勘行业逐步引进Surpac等三维地质软件,产生了大量的应用成果,国内部分科研院校也利用软件平台进行二次开发与研究,并用于地质勘查类专业课程的实践教学,将三维地质建模技术引入地质实践教学体系中,不仅能拓宽实践教学手段与方法,而且可极大地完善丰富地质专业课程的教学素材,对于培养理论与实践相结合的综合性人才具有非常重要的意义。

关键词:地质勘查、人才培养、三维地质建模、教育教学论坛

Application of Three-dimensional Geological Modeling Technology Based on Surpac Software in Geology Teaching.

 

Shi Wenjie Wei Junhao Tan Jun Fu Le Bing Li Yanjun

 

China University of Geosciences (Wuhan) Hubei Wuhan 430074

 

Abstract: Surpac software is the most widely used 3D mining software developed by GEMCOM Company in Canada. In recent years, with the gradual introduction of Surpac and other 3D geological software in mining enterprises and geological prospecting industries in China, a large number of application results have been produced, and some scientific research colleges and universities in China have also used the software platform for secondary development and research, and have been used in the practical teaching of geological exploration courses. The introduction of three-dimensional geological modeling technology into the geological practice teaching system can not only broaden the practical teaching means and methods, but also greatly improve the teaching materials of enriching the course of geology specialty, for the cultivation of theory and practice. The combination of comprehensive talents is of great significance.

 

Key words: geological exploration, talent training, 3D geological modeling

 

绪论

在全球矿产勘查日益萎缩的今天,“大数据时代”[1]、玻璃地球[2]、与“深地、深空、深海”[3]是当前地球科学面临的主要研究课题,如澳大利亚最近开展“玻璃地球”计划[4],目的是研制三维可视化和地质模拟等技术,使大陆表层一千米“像玻璃一样透明”;随后加拿大、法国、荷兰、英国、美国、德国等随之响应。近年来,随着我国找矿战略格局的改变,即从浅部向深部探矿空间的转变,给当前矿产勘查理论、技术、手段及思路等都带来了重大挑战,怎样从多元、多源、异构、时空性、方向性、相关性、随机性、模糊性、非线性等复杂的海量数据中提取关键找矿信息[1],并开展三维空间成矿预测与定量评价,甚至开展地下1000-10000米空间的深部探矿活动等[5],是当前固体矿产学科急需解决的技术难题,这同时也为当前地质教学方法及内容提出了要求与挑战。

目前国内多数高校地质勘查类专业课程教学主要以传统二维形式的素材为基础进行展示授课的,尤其针对部分知识难点,教材中往往使用经典的二维素材进行讲解,而地质体在空间尺度内是三维复杂形态的,教学过程中以二维素材为学生展示课程知识要点往往会束缚学生的三维空间想象力,尤其是对初学者而言,由于每个学生的知识接受能力、空间想象力、空间思维能力、专业知识水平以及研究对象的复杂程度等存在差异,传统的教学方式在一定程度上势必会造成不同学生对所学习到的很多知识点理解程度以及地质模型的空间想象结果是有所差异的。因此,为有效解决学生在地质实践课程学习过程中图形意识薄弱,空间想象力和空间思维能力差的问题,将三维地质建模应用于地质类课程教学中,旨在帮助学生实现地质模型在空间上“二维—三维—二维”思维过程的转换,提高其空间想象力、解决实际地质问题的能力及教师教学效果及质量等均具有非常重要的意义[6]

 

二、三维地质模型创建及矿体储量计算

Surpac软件不仅在地质数据库及图形三维处理以及三维地质建模功能上具有明显优势,而且还具备强大的地质体模型形态、空间位置、属性以及多类型数据的参数统计与分析计算功能,如软件的三维可视化功能,可完成对模型进行平移、旋转、缩放等操作,也可以从不同角度、不同方位、不同距离选择性地观看多个地质体三维空间展布特征、或任意方向、任意角度的切制指定剖面或动态切制剖面。此外,也可对模型进行三维爆炸、三维漫游等操作。

Surpac软件三维地质建模及储量计算的流程主要包括矿山资料收集与数据录入、地质数据库与地质要素界线的解译、三维地质实体模型的创建、块体模型及资源量估算等,其具体流程详见图1,操作步骤如下[7-8]

1、资料收集与整理分析

首先系统收集矿山地形资料、钻孔资料、勘探线剖面图、中段图及地质图等矿山工程勘探资料,并按照软件所需数据格式要求进行建模数据录入与检查,为构建地质数据库提供丰富的基础数据资料。

2、构建地质数据库

地质数据库建库流程可概括为:根据建模所需数据结构要求,对已录入各类勘探工程数据信息检验其是否符合格式要求或在录入时是否发生了错误并作出调整修改,最后将这些数据信息依次导入。按照Surpac软件数据库各个数据表结构设计要求和数据库最小冗余要求,可构建4个数据信息表作为地质数据库的源数据,它们分别是信息表、测斜信息表、地层岩性表以及样品品位表。将这些地质数据信息导入到Surpac软件中后,可利用该软件强大的三维显示功能,实现地质数据库在三维空间中的显示与操作,在地质数据库构建的基础上,依据勘探线剖面开展地层、构造、岩浆岩、围岩蚀变和矿化体等五种地质体界线的解译工作。主要可采用以下两种途径获取:其一是基于有限的实测地质剖面,在地质平面图上通过图切地质剖面编图来获得;其二是基于建立的勘探钻孔数据库,在三维空间中进行钻孔剖面地质解译,获得各种成矿要素剖面信息。


3、实体模型创建

实体模型是 Surpac 三维地质模型的基础,可以较为精确地描述形态复杂的地质体,还具备快速计算实体体积、任意方向切剖面、与地质数据库相交、逻辑运算等强大功能。利用Surpac构建三维地质实体模型主要分为两种:数字地形模型(DTM)和三维实体模型(3DM),其中前者一是开放的数字地形模型(或者表面模型),它是一个不封闭的、类似层状的表面实体,如地表、构造(断层)和岩层模型属于这一类型;后者是三维实体模型,它是一个封闭的空间实体或空心体,一般矿体、蚀变带和岩体等模型属于此类型。三维地质实体建模主要包括地层、构造、岩浆岩、围岩蚀变和矿化体等五种实体模型。实体模型可利用Surpac软件轮廓线重构面技术在相邻剖面之间用三角网连接三维实体表面而成。根据上述构建完成矿床的三维地质模型。

4、块体模型

构建块体模型是指将地质体按照用户块尺寸设置划分为一系列的长方体单元,每个单元体都具有各自的属性来反映地质体的内在特征,应用估值方法(部分百分比、简单克里格、距离幂次反比法等),根据已知单元体的品位值可以估算块体其他单元体的品位值。总之,块体模型是矿体品位估值和储量估值的基础。Surpac块体模型是应用数学方法对矿体品位等特征进行建模。由于品位等特征的分布是受地质因素控制而明显存在的,从而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。块体模型的大小根据实(矿)体的大小范围来定,每个块体的大小根据实(矿)体沿X、Y和Z轴方向的延伸而定,子模块的大小一般都是2的幂次方。块体建好后,矿体的大小与范围就不能改变,如要改变就需重做。如果矿体模型建好后又补充了探矿工程,只要在工程所在位置增加剖面,重新圈定矿体建立矿体模型即可。该过程与传统方法的区别是 不需要进行大量繁琐的计算过程,只要建立好矿体模型,数据的计算由计算机完成。

5、块体模型

块模型建立好后,需要对块体模型进行属性赋值,目的就是用来存储相关地质信息,如岩矿石类型、品位分布、比重等。为块模型赋属性(多为矿体的品位)的方法有多种,如距离幂次反比法、普通克立格法、简单克立格法、最近距离法等。并按《固体矿产资源/储量分类》(GB/T17766-1999)划分了资源量类别,可按元素种类和开采中段对平均品位和储量分别进行计算。

 

三维地质建模技术在地质勘查课程实践教学中的意义

 

1、为专业课程提供丰富的三维教学素材,突破知识难点,提升学生的认知与理解能力

 

近年来,随着我国的矿山企业和地勘行业逐步引进Surpac等三维地质软件,产生了大量的应用研究成果,国内部分科研院校也逐步对该软件进行二次开发与研究,并用于地质勘查类专业课程的实践教学。“地质资源与地质工程”和“资源勘查工程”专业的是我校的优势特色专业,其中固体方向涉及到的专业主干课程主要有矿床学、矿田构造学、矿产勘查理论与方法、矿产综合勘查技术、矿业工程概论、矿床统计预测、矿产地质调查等,上述课程目前主要以传统的理论讲解与案例剖析为主要的教学模式,其教学素材多以一系列平行的二维图件叠加显示或大量二维图件动态变化呈现简单的地质模型呈现给学生,教学手段单一,内容多以静态为主,无法表现丰富多彩的三维动态对象,使学生难以形成完整的空间概念。而实际上多数矿床的成矿地质要素在空间中均具有三维复杂的形态,各个关键的控矿要素均具备复杂的地质空间分布、组合规律,而对于空间内三维形态复杂的地质体来说,传统二维的展现方法表达效果较差。三维地质模型能够生动演示绝大部分地质教学模型,利用Surpac软件的强大三维可视化功能、三维空间统计分析及计算功能等,可选择性对指定要素的模型进行平移、旋转、缩放,或任意方向、任意角度的切制指定剖面或动态切制剖面。此外,也可对模型进行三维爆炸、三维漫游等操作。上述功能可以让学生清晰地看到多个地质要素之间的空间接触、穿插、组合以及空间定位关系,将三维地质建模技术引入地质勘查类专业的教学中,有利于课程讲解,且能在一定程度上避免不同学生由于知识接受能力、空间思维能力、专业知识基础以及研究对象的复杂程度等引起的差异,尤其是对初学者而言,传统的教学方式在一定程度上势必会造成每个学生对所学习到的很多知识点理解程度以及地质模型的空间想象结果是有所差异的。此外,该方法在一定程度上不仅能够培养和启发学生的空间想象能力和构思能力而且,软件构建的三维地质模型具有动态显示、色调丰富、直观生动等优势,吸引学生的注意力,激发学生对课堂的兴趣[6]

 

2、拓宽学生知识面,培养学生解决实际地质问题的能力

 

在地质勘查类课程教学过程中引入三维地质建模技术,能有效地增强学生对知识点的理解程度,还可以激发学生对于实际地质问题的探索与分析能力,学生在学习和掌握三维地质建模技术后,结合自己在野外地质调查过程中收集的基础地质、勘查地质及探矿工程、采矿生产地质图件,进而构建不同对象、不同尺度地质研究对象的三维地质模型,以此提高对地质数据的处理、多源数据整合、计算机综合运用的能力,从而解决实际地质问题。学生在校期间掌握了最先进的三维建模技术,将为以后从事地质工作打下良好基础,提高就业竞争能力。此外,随着我国找矿战略格局的改变,即从浅部向深部探矿空间的转变,深部矿产探测的关键技术目前国际上已经取得较大进展,尤其是三维深部地质组构透明化、可视化以及定量化的大数据集成运算与信息提取是未来深部矿产勘查的主要发展趋势,三维可视化及三维建模与定量评价等技术作为关键的深部矿产资源评价技术,为当前深部三维立体空间预测起到了有力支撑[9]。目前三维可视化、三维地质建模等技术已广泛应用于地质现象的表述及深部地质找矿。在三维地质建模的基础上,地学勘查类专业的学生可以将了解和掌握的三维地质建模技术有效地运用到地质找矿工作过程中,因此,了解与掌握三维地质建模技术对于培养学生解决实际地质问题的能力是十分必要的。

 

三、结束语

Surpac软件三维地质建模技术引入地质勘查类课程教学中,无论是对于教学还是对于培养学生本身的能力都具有重要的实际意义,首先,三维建模技术的应用可以极大的丰富专业课程的教学资源;其次,在课堂教学中运用三维地质模型,学生可以从不同角度了解深部地质情况,激发学生对课堂教学与课程内容的兴趣,提高教学质量;再次,三维地质建模技术引入地质实践教学体系中,可以拓宽学生知识面,培养学生解决实际地质问题的能力;另外,对于培养理论与实践相结合的综合性人才也具有非常重要的意义。

参考文献:

 

[1] 滕艳, 段金平. “玻璃地球”,大数据时代的选择[J]. 中国国土资源报, 2014, (6): 1-5.

[2] 赵鹏大大数据时代数字找矿与定量评价[J]. 地质通报,2015,34(7): 1255-1259.

[3] 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.

[4] 刘树臣发展新一代矿产勘探技术——澳大利亚玻璃地球计划的启示[J]. 地质与勘探,200339(5): 53-56.

[5] 赵京燕. 创新科技,向深空深海深地挺进[J]. 国土资源,2016, 8-11. 

[6] 王小琳,李定华,伍跃胜. 三维可视化建模在地质教学动画制作中的应用—以青塘野外实训为例[J]. 科技视界,201895-97.

[7] 娄渝明,韩鹏,邓煜霖,王旭辉. Surpac软件在三维地质建模中的应用[J]. 四川地质学报, 2017, 37(2): 339-352.

[8] 田修启,曹渊,蒋永芳,蒋朝军基于Surpac的石墨矿三维地质建模及资源量估算[J]. 矿产与地质,2017,37(3): 641-645.

[9] 肖克炎,李楠,孙莉,邹伟,李莹基于三维信息技术大比例尺三维立体矿产预测方法及途径[J]. 地质学刊,201236(3): 229-236.


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