CN103514630B - 断层构造三维建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种断层构造三维建模方法，首先将断层数据集成于三维可视化系统中，从中提取断层控制点，并解释而形成断层线；然后进行多种情况的连接分析以及断层线及断层属性的修订，计算断层之间的关系，并建立反映其拓扑结构的断层网络；之后将断层面与构建的初始地层模型进行求交得到地层与断层的初始交线，并对初始交线上每个断点进行断距计算，并获得含上下盘的3D断层线；再通过对上述产生的各类断层数据设置权重，进行断层面拟合，形成断层面网络，并进行地层模型构建。能够有效地进行数据检测，保证断层模型的精度，能够应用于石油、地矿等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维地质建模技术，尤其涉及一种断层构造三维建模方法。
背景技术
三维地质建模在地质勘探认识、地质演化进程解析等方面起着重要的作用，建立3D地质模型是地球科学领域的一个重要手段，涉及自然资源的评价、灾害模拟预测等。由于断层切割岩石单元并在地下自然现象中扮演着重要的角色，断层构造的构建是三维地质建模中至关重要的一步。
国内外提出了一些建立断层模型的设计方法以及基于网格的3D结构建模的流程。然而，在构造地质学中，断层、断裂等自然现象增加了研究区地下地质构造的复杂性。在阐述地质构造时的一个重要困难是存在大量的未揭露断层，与断层相关的不确定性问题严重影响着自然进程的数值模拟。现有技术中的方法是通过认知学和地质统计学的结合，使得3D模型与当前地质观察和理解相一致，如采用参数断层表示法来模拟断层相关的位移。一些结构不确定性建模技术或是允许几何改变而拓扑结构固定，或是构建拓扑变化的随机断层网络，试图降低由地下成像和解释模糊引起的断层相关的不确定性。然而，现有技术方法与三维结构建模的真实客观表示仍然存在差距，许多的实现仅仅停留在实验室阶段。由于稀疏的样本数据及复杂的地质环境，断层构造三维建模过程依旧严重依赖于手动干预。这种情况下，断层与地层网格在空间上不能紧密地匹配，存在缝隙或重叠情况。
发明内容
本发明的目的是提供一种断层构造三维建模方法，该方法集成区域内可能获取的各种断层数据，构建断层三维模型，并有效地进行数据检测，保证断层模型的精度。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的断层构造三维建模方法，包括步骤：
A、断层数据集成：
将包括钻孔、2D/3D剖面、构造地质图、断层属性的断层数据集成于三维可视化系统中，从中提取断层控制点，并解释而形成断层线，所形成的断层线主要分为2类：一类是含上下盘的3D断层线，二类是2D断层线；
对于一类断层线，对控制点无法覆盖的区域进行数据外延；
对于二类断层线，基于地层的断点插值后再进行断层插值；
B、断层网络：
根据断层样本数据的多样性、复杂性、不确定性的特点，进行多种情况的连接分析、以及断层线及断层属性的修订，使模拟的断层接近真实情况，选择可信度高的断层连接方案，计算断层之间的关系，并建立反映其拓扑结构的断层网络；
C、断层插值：
根据地矿领域勘探获得的2D断层线结合断层属性，对所述二类断层线进行断点插值以及断层面外延，将断层面与构建的初始地层模型进行求交，得到地层与断层的初始交线，或者从钻孔、剖面中直接提取断层面与地层面的初始交线，之后，对初始交线上每个断点进行断距计算，并获得所述一类断层线。
D、断层模型构建：
通过对上述产生的各类断层数据设置权重，结合断层趋势面分析，进行断层数据融合，消除二义性问题，之后，依据断层级别，对每个断层进行相交性测试,完成断层之间的切割计算，实现断层线的自动封闭，形成断层多边形，并将其导入地层模型，最后，进行断层面拟合，形成断层面网络；
E、地层模型构建：
包括初始地层模型、基于断层插值的地层模型重构、以及地层模型局部重构三个阶段，采取反距离加权法、径向基函数法或普通Kriging法对地层层面进行整体拟合，得到初始地层模型，根据断层尖灭标识和断层尖灭形状，将上下盘断层线或断层多边形导入初始地层模型中，基于断层插值方法，对地层模型中每条断层附近的地层数据进行插值，并实现地层模型重构，当断层模型不断修正、完善后，再对地层模型进行局部重构，提高模型表达的精度；
F、断层数据检测与修正：
在断层的构建过程中，依据有效的钻井数据、地震剖面数据、断层趋势面、断层属性对构建过程中的插值数据以及最终生成的模型进行检测，并对不符合实际情况的模型进行修正，以提高断层模型的精度和可靠性。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的断层构造三维建模方法，首先将断层数据集成于三维可视化系统中，从中提取断层控制点，并解释而形成断层线；然后进行多种情况的连接分析以及断层线及断层属性的修订，计算断层之间的关系，并建立反映其拓扑结构的断层网络；之后将断层面与构建的初始地层模型进行求交得到地层与断层的初始交线，并对初始交线上每个断点进行断距计算，并获得含上下盘的3D断层线；再通过对上述产生的各类断层数据设置权重，进行断层面拟合，形成断层面网络，并进行地层模型构建。集成区域内可能获取的各种断层数据，构建断层三维模型，并有效地进行数据检测，保证断层模型的精度。不仅能够应用于拥有丰富数据的石油等领域，也可以应用于数据稀疏的地矿等领域。
附图说明
图1为本发明实施例中断层三维构建流程示意图；
图2(a)、2(b)为本发明实施例中断层基本形态示例示意图；
图3为本发明实施例中断层网络示例示意图；
图4(a)、4(b)、4(c)、4(d)为本发明实施例中断距计算示例示意图；
图5(a)、5(b)、5(c)为本发明实施例中上下盘断层线插值示例示意图；
图6(a)、6(b)、6(c)、6(d)、6(e)为本发明实施例中断层切割计算分类示例示意图；
图7(a)、7(b)、7(c)为本发明实施例中断层网格模型示意图；
图8为本发明实施例中具体实施框架示意图；
图9(a)、9(b)、9(c)为本发明实施例中断层数据集成示意图；
图10为本发明实施例中剖面及形成的断层网络示意图；
图11(a)、11(b)、11(c)、11(d)为本发明实施例中断层构建示例示意图；
图12(a)、12(b)、12(c)、12(d)为本发明实施例中三维地质模型示意图；
图13(a)、13(b)、13(c)、13(d)为本发明实施例中断层移动模拟示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。
本发明的断层构造三维建模方法，其较佳的具体实施方式包括步骤：
A、断层数据集成：
将包括钻孔、2D/3D剖面、构造地质图、断层属性的断层数据集成于三维可视化系统中，从中提取断层控制点，并解释而形成断层线，所形成的断层线主要分为2类：一类是含上下盘的3D断层线，二类是2D断层线；
对于一类断层线，对控制点无法覆盖的区域进行数据外延；
对于二类断层线，基于地层的断点插值后再进行断层插值；
B、断层网络：
根据断层样本数据的多样性、复杂性、不确定性的特点，进行多种情况的连接分析、以及断层线及断层属性的修订，使模拟的断层接近真实情况，选择可信度高的断层连接方案，计算断层之间的关系，并建立反映其拓扑结构的断层网络；
C、断层插值：
根据地矿领域勘探获得的2D断层线结合断层属性，对所述二类断层线进行断点插值以及断层面外延，将断层面与构建的初始地层模型进行求交，得到地层与断层的初始交线，或者从钻孔、剖面中直接提取断层面与地层面的初始交线，之后，对初始交线上每个断点进行断距计算，并获得所述一类断层线。
D、断层模型构建：
通过对上述产生的各类断层数据设置权重，结合断层趋势面分析，进行断层数据融合，消除二义性问题，之后，依据断层级别，对每个断层进行相交性测试,完成断层之间的切割计算，实现断层线的自动封闭，形成断层多边形，并将其导入地层模型，最后，进行断层面拟合，形成断层面网络；
E、地层模型构建：
包括初始地层模型、基于断层插值的地层模型重构、以及地层模型局部重构三个阶段，采取反距离加权法、径向基函数法或普通Kriging法对地层层面进行整体拟合，得到初始地层模型，根据断层尖灭标识和断层尖灭形状，将上下盘断层线或断层多边形导入初始地层模型中，基于断层插值方法，对地层模型中每条断层附近的地层数据进行插值，并实现地层模型重构，当断层模型不断修正、完善后，再对地层模型进行局部重构，提高模型表达的精度；
F、断层数据检测与修正：
在断层的构建过程中，依据有效的钻井数据、地震剖面数据、断层趋势面、断层属性对构建过程中的插值数据以及最终生成的模型进行检测，并对不符合实际情况的模型进行修正，以提高断层模型的精度和可靠性。
所述步骤A具体包括：
将原始地质数据作为输入参数，对其进行检测、解释、集成处理，提取断层控制点、断层属性以及断层线，从中获得如下相关结果：断层网络的空间分布、渐灭或侵蚀岩体的关系、断层间的隐含关系；
所述断层控制点主要来源于钻孔、2D/3D地震剖面或物探剖面、井下采掘工程揭露、地面露头观测，是控制断层空间产状的原始依据；
所述断层属性主要包括走向、倾向、倾角、断距、断层正/逆类别、根据断层的主次及生成的先后划分的断层级别、断层尖灭标识、断层尖灭形状、断层切割的起始位置，在研究区内，为了使算法便于自动实现插值断层面，设定断层走向，将断层分为断层不尖灭、两端尖灭、起端尖灭、终端尖灭4种基本情况，每种情况又可分为属性固定不变、属性连续变化、属性突变3种类型，于是，断层共分为：4×3＝12种基本形态，这些断层属性以断层属性表方式存储，其中，对于属性突变的断层需要进行分段处理；
所述断层线主要由断层控制点及断层属性插值或解释获得，依赖于样本的精度，存在不同程度的不确定性因素，分为上盘断层线和下盘断层线，对于复杂的地质构造，断层线相互交错，形成了断层线状网络，对这些断层线再进行进一步的拟合、插值，得到断层面，形成最终的3D断层网络。
所述步骤B具体包括：
断层数据主要来自于野外地质填图、钻井、物探等、煤矿区，还可以通过井下巷道揭示推测的断层数据，这些数据形成断层的控制点，对于剖面可控制断层面产状的断层，通过控制点直接拟合断层面模型，对于无法控制断层面的空间展布的断层，需要进行进一步的断层插值；
如果根据区域内的原始数据，得出多种断层连接方式，则根据知识库系统并结合区域地质调查情况，选择其中可信度最高的一种，通过断层相交性检测，建立其断层拓扑结构，形成Network，用于记录断层之间的切割关系以及断层群，设Network＝{V,E,L},V集合由n个断层组成，E集合由断层之间的切割关系组成,L依次记录了断层的层次关系；
所述步骤C具体分为两步：断距计算和上下盘断层线插值；
所述断距计算是在断层插值过程中，根据断层属性表中的断层信息，针对不同情况的断层，需要计算断层的初始交线上各个断点的断距，如果断层的断距出现突变时，则先对断层进行分段处理；
所述上下盘断层线插值是根据断层面与地层面的初始交线及其上各个断点的断距，结合断层面的倾向、倾角和断层的正逆数据，自动插值出断层面与地层上下盘的断层线数据。
所述步骤D具体包括：
断层模型构建依次包括断层相交性检测、断层切割计算、断层多边形形成、断层网格模型重构，并进行断层模型修正；
所述断层相交性检测包括：按照实际地质勘察的结果，将断层的错切关系分为主辅关系、“Y”型关系和辅辅关系，所述主辅关系表现为一条断层被另外一条断层切割，即旧断裂地层又出现了新的断裂，所述“Y”型关系表现为一条断层衍生出一条新的断层，所述辅辅关系是指两条断层没有相互切割；
所述断层切割计算包括：对于存在切割关系的断层，采用基于断层属性的切割计算，自动产生切割处的断点，并将其插入断层线中，形成最终断层切割关系；
所述断层多边形形成包括：为了正确进行断层地质建模，必须使得断层网格在交线处满足几何匹配和拓扑匹配，几何匹配是为了使得断层面之间的相互关系准确，拓扑匹配是为了保证能够正确地提取断层区块，最终得到依照断点生成的顺序，自动连接而成断层多边形；
所述断层网格模型重构与修正包括：基于原始控制点以及通过上述方法获得的断点数据及其断层线，对计算出的断层与样本数据之间的差异进行检测并完成修复工作，其结果会对产生二义性的断层属性进行修正，之后，进行网格剖分，生成三角形网格的曲面模型，并对剖分后的模型进行检测，修正与实际不符的断层数据，建立有效的断层网格模型。
本发明的特点是：
1)针对现有勘探数据,设计了断层建模的流程,能够集成各类断层样本数据,通过断层网络分析、断层插值、断层数据融合、断层切割等技术方法，完成断层模型的构建。结合断层数据检测与修正，实现对断层产状的预测。同时，采用基于断层插值的方法，对地层模型重构，最终建立有效的3D地质模型。
2)在传统意义上的断层要素(走向、倾向、倾角、断距)基础上,增加了断层级别、断层尖灭标识、断层尖灭形状、可信度这类断层属性,对于属性突变情况，需要建立相应的分段断层表。这些信息能够有利于断层模型的自动插值和预测。
3)基于断层属性的断层模拟方法,通过对断层尖灭形状识别分类，设计了断距计算方法,并实现了上下盘断层线的自动插值；通过断层拓扑结构的建立,完成了断层相交性测试与切割计算。在样本稀疏区域,合理地丰富了断层数据,为断层面的有效构建奠定了基础。
4)所提出的方法，兼顾断层样本的多样性、复杂性、不确定性特点，采用了拟合、插值方法，不仅能够应用于拥有丰富数据的石油等领域，也可以应用于数据稀疏的地矿等领域。
下面对本发明进行详细的描述：
断层三维构建流程如图1所述，主要步骤如下：
1)断层数据集成：
将钻孔、2D/3D剖面、构造地质图、断层属性的断层数据集成于三维可视化系统中，从中提取断层控制点,并解释而形成断层线。所形成的断层线主要分为2类：1)含上下盘的3D断层线；以及2)2D断层线。对于一类断层线，需要对控制点无法覆盖的区域进行数据外延；而对于二类断层线，需要基于地层的断点插值后再进行断层插值。
2)断层网络：
由于断层样本数据的多样性、复杂性、不确定性特点，需要进行多种情况的连接分析、以及断层线及断层属性的修订，力求模拟的断层尽可能接近真实情况。一旦选择了可信度较高的断层连接方案，需要计算断层之间的关系，并建立反映其拓扑结构的断层网络。
3)断层插值：
在实际应用中，地矿领域通常会提供勘探获得的2D断层线。结合断层属性，对二类断层线进行断点插值以及断层面外延，将断层面与构建的初始地层模型进行求交，得到地层与断层的初始交线，如果能从钻孔、剖面中直接提取断层面与地层面的初始交线则最准确，最后，再对初始交线上每个断点进行断距计算，并获得断层的上下盘断层线。
4)断层模型构建：
通过对上述产生的各类断层数据设置权重，结合断层趋势面分析等，进行断层数据融合，消除二义性问题。表1给出了一般情况下的权值取值范围，实际应用时，视情况而定。例如，地矿领域主要数据来源包括断层控制点、断层属性、二类断层线、以及插值上下盘断层线；而油田领域主要的样本包含断层控制点和一类断层线，其中，控制点和一类断层线有重合部分。依据断层级别，对每个断层进行相交性测试,完成断层之间的切割计算。实现断层线的自动封闭，形成断层多边形，并将其导入地层模型。最后进行断层面拟合，形成断层面网络。
表1 断层数据权重设置
| 数据类型 | 权值 |
| 断层控制点 | 0.3～0.5 |
| 断层属性 | 0.1～0.2 |
| 一类断层线 | 0.3～0.4 |
| 二类断层线 | 0.25～0.3 |
| 插值上下盘断层线 | 0.15～0.2 |
| 其它 | 0.05～0.2 |
5)地层模型构建：
主要包括初始地层模型、基于断层插值的地层模型重构、以及地层模型局部重构三个阶段。假定此时地层不存在断层等复杂结构模型，可以采取反距离加权法、径向基函数法、普通Kriging法多种估计方法，对地层层面进行整体拟合，得到初始地层模型。根据断层尖灭标识、断层尖灭形状这类断层属性，将上下盘断层线或断层多边形导入初始地层模型中，基于断层插值方法，对地层模型中每条断层附近的地层数据进行插值，并实现地层模型重构。当断层模型不断修正、完善后，再对地层模型进行局部重构，提高模型表达的精度。
6)断层数据检测与修正：
在断层的构建过程中,依据有效的钻井数据、地震剖面数据、断层趋势面、断层属性，对构建过程中的插值数据、以及最终生成的模型进行检测，并对不符合实际情况的模型进行修正，以提高断层模型的精度和可靠性。
上述步骤1)断层数据集成具体包括：
将原始地质数据作为输入参数，对其进行检测、解释、集成等处理，可以提取断层控制点、断层属性、以及断层线，从中获得如下相关结果：I)断层网络的空间分布；II)渐灭或侵蚀岩体的关系；以及III)断层间的隐含关系。
断层控制点主要来源于钻孔、2D/3D地震剖面或物探剖面、井下采掘工程揭露、地面露头观测，是控制断层空间产状的原始依据，控制点数据丰富或缺乏，将直接影响断层模拟的准确性。
断层属性主要包括走向、倾向、倾角、断距、断层类别(正/逆断层)、断层级别(根据断层的主次及生成的先后划分)、以及断层尖灭标识、断层尖灭形状、断层起始位置(指切割的顶层及底层地层)。在研究区内，为了使算法便于自动实现插值断层面，设定断层有向，则断层可分为断层不尖灭、两端尖灭、起端尖灭、终端尖灭4种基本情况。每种情况又可分为属性固定不变、属性连续变化、属性突变3种类型，于是，断层共分为：4×3＝12种基本形态。将这些断层属性以断层属性表方式存储，其中，对于属性突变的断层需要进行分段处理。图2(a)、2(b)分别显示了两端尖灭且属性连续变化(图2a)；以及起端尖灭且属性突变(图2b)的2种基本形态。对于属性突变情况，需要建立相应的分段断层表(表2)。
表2 断层F520的分段断层数据
| Fault_Index | Fault_Point | Fault_Strike | Fault_Dip | Fault_Dipangle | Fault_Throw |
| F520 | F1 | 45 | 135 | 50 | 0 |
| F520 | F2 | 75 | 165 | 65 | 12 |
| F520 | F3 | 85 | 175 | 60 | 26 |
| F520 | F4 | -1 | -1 | -1 | 26 |
断层线主要由断层控制点及断层属性插值或解释获得，依赖于样本的精度，存在不同程度的不确定性因素。分为上盘断层线和下盘断层线。对于复杂的地质构造，断层线相互交错，形成了断层线状网络。对这些断层线再进行进一步的拟合、插值，得到断层面，形成最终的3D断层网络。
上述步骤2)断层网络具体包括：
断层数据主要来自于野外地质填图、钻井、物探等、煤矿区，还可以通过井下巷道揭示推测的断层数据，这些数据形成断层的控制点。由这些控制点解释并连成的断层线中，往往存在不确定性因素,甚至存在多解性。图3是区内的其中4条剖面数据,基于该区数据,形成了一种断层网络。其中,F1、F2由剖面数据上的断层控制点连接并外延而成,对于复杂的断层,采用断层跟踪算法连接断层；F1(东南侧部分)、F3、F4、F5、F9由剖面、钻井数据推测形成的断层线；F6、F7、F8由于分布在剖面之间,因此,剖面上没有控制点,主要依据井下采掘工程揭露、地面露头观测解释而成的断层线。对于剖面可控制断层面产状的断层，即可通过控制点直接拟合断层面模型，如F1、F2；而由于样本数据的缺乏，无法控制断层面的空间展布的断层，需要进行进一步的断层插值，如F6、F7、F8、F9。
基于区内的原始数据，可能有多种断层连接方式，图3只是其中的一种可能性的断层连接方法。基于知识库系统,结合区域地质调查情况，选择其中可信度最高的一种，通过断层相交性检测,建立其断层拓扑结构，形成Network。它记录了断层之间的切割关系以及断层群。设Network＝{V,E,L},V集合由n个断层组成，E集合由断层之间的切割关系组成,L依次记录了断层的层次关系。
Network的存储方法如以下矩阵3(a)所示，如果区内断层的切割关系比较稀疏，则也可采用三元组存储(如下表3(b))，其中，第一列为主断层,第二列为辅断层,第三列为层次关系。
上述步骤3)断层插值具体包括：
断层插值分为2步：断距计算和上下盘断层线插值。
①断距计算是在断层插值过程中，根据断层属性表中的断层信息，针对不同情况的断层，需要计算断层的初始交线上各个断点的断距。如果断层的断距变化较大时，需要先对断层进行分段处理。
依据大量的实地勘察及理论研究，普遍认为断层的走向长度L与断层位移D存在如下关系:
D＝cLn，0.5≤n≤2 (1)
因此，本发明将断层面的形状主要分为三角形(图4(a))和椭圆形(图4(b))两种。根据初始交线数据、断层的断距及断层是否尖灭的属性数据，就可以自动模拟出初始交线上各点所对应的断距大小。
针对断层两端尖灭情况(图4(a)和图4(b))，对于i＝1,2,…,n，该点到折线中心点p0(x0,y0,z0)的折线距离为di,0，则三角形和椭圆形断层面相应的断距hi的计算公式分别为公式(2)和公式(3)。
针对非两端尖灭的断层，则除了给出断层的初始交线上的断点、最大断距外，还要有断层两端断点的断距。如果给出断层两端断点的断距有困难，只能给出断距的大致范围，则算法默认断层面的最大断距就是在端点处，可计算出断层面上其余各个断层线点的断距。如果最大断距点在断层线中间，则处理方法就是添加断层的尖灭点，如图4(c)、4(d)分别对应三角形面和椭圆形面在断层起/始端尖灭情况，在计算出p11的位置之后，可以按照断层两端尖灭情况，计算各断点的断距。两端都不尖灭的情况类似处理。
②上下盘断层线插值是根据断层面与地层面的初始交线及其上各个断点的断距，结合断层面的倾向、倾角和断层的正逆属性数据，就可以自动插值出断层面与地层上下盘的断层线数据。
由于初始交线有可能是直接提取的(本身即为上盘或下盘断层线)，也有可能是通过算法模拟得到的(称其为断层与地层上下盘之间的中线),本发明分为三种情况来计算断层与地层上下盘断层线数据。如果初始交线为断层与地层上下盘之间的中线时(图5(a)中虚线所示)，则插值其上升盘、下降盘断点分别为pui(xu,yu,zu)和pdi(xd,yd,zd),i＝{1,...,11}(图5(a))；如果初始交线是断层面与地层上升盘的提取线puj(xu,yu,zu)，则插值其对应的下降盘断点为pdj(xd,yd,zd),j＝{1,...,12}(图5(b))；如果初始交线是断层面与地层下降盘的提取线pdk(xd,yd,zd)，则插值其对应的上升盘断点为puk(xu,yu,zu),k＝{1,...,26}(图5(c))。
将上述puq和pdq(q∈{i,j,k})分别依次连接，即可自动生成断层面与地层的上下盘断层线，图5(a)、5(b)、5(c)分别为两端尖灭、两端都不尖灭以及起端尖灭情况下计算获得的上下盘断层线。
上述步骤4)断层模型构建与修正具体包括：
断层模型构建依次包括断层相交性检测、断层切割计算、断层多边形形成、断层网格模型重构，并进行断层模型修正。
①断层相交性检测:在实际地质建模中，断层往往不是独立存在的，在研究区内可能会分布着大小不等、纵横交错的多条断层，这必然会对断层面网络的拟合以及后续的地层层位模拟产生影响，因此必须考虑多个断层面的错切关系。按照实际地质勘察的结果，断层的错切关系主要有主辅关系、“Y”型关系和辅辅关系。主辅关系表现为一条断层被另外一条断层切割，即旧断裂地层又出现了新的断裂；“Y”型关系表现为一条断层衍生出一条新的断层；辅辅关系是指两条断层没有相互切割。由于断层关系复杂，在构建断层面网络体系时，必须理顺他们的相互关系，按照断层产生的时间先后关系，构造出合理、真实的断层交线。在断层建模过程中，原始断层数据往往是比较粗糙和稀疏的，这就会导致原本两个相交的断层面没有精确地相交,没有相应的样本数据。采用广度优先的搜索方法，通过OBB包围盒碰撞检测，依次对两两断层进行相交性测试。对两条相交的断层,结合断层属性中的断层级别,自动设置Network中的切割关系。
②断层切割计算:为了真实模拟断层切割的先后关系,根据网络Network＝{V,E,L}(矩阵3(b)及表3(b))，对于存在切割关系的断层,采用基于断层属性的切割计算,自动产生切割处的断点,并将其插入断层线中,形成最终断层切割关系。图6(a)是任选的两条断层(F2,F3),它们存在切割关系,即断层F2被F3切割。但是由于原始断层数据的缺乏,在断层切割处并没有切点坐标。采用切割计算，模拟了相互切割的各种可能情况,并计算出了各种情况下的切点坐标。表4为两条断层的部分断层属性。图6(a)为两条断层切割前的原始情况,自动切割计算后的各种情况如下:F2,F3均为正断层(图6(b))；F3为正断层,F2为逆断层(图6(c))；F2,F3均为逆断层(图6(d))；F2为正断层,F3为逆断层(图6(e))。通过切割计算可以自动生成2条断层切割关系,补充了断层在切割处的数据，使得形成的两个断层能够精确地相交,为断层面的构建奠定了基础。
表4两条断层的部分断层属性
| Fault_ID | Fault_Strike | Fault_Dip | Fault_Dipangle | Fault_Throw | Fault_Attribute | Fault_Level |
| F3 | 45 | 135 | 35 | 0-34 | -1 | 2 |
| F2 | 320 | 230 | 60 | 0-44 | -1 | 1 |
③断层多边形形成：为了正确进行断层地质建模，必须使得断层网格在交线处满足几何匹配和拓扑匹配。几何匹配是为了使得断层面之间的相互关系准确，拓扑匹配是为了保证能够正确地提取断层区块，最终得到依照断点生成的顺序，自动连接而成断层多边形。
④断层网格模型重构与修正：基于原始控制点、以及通过上述方法获得的断点数据(图7(a))及其断层线(图7(b))，对计算出的断层与样本数据之间的差异进行检测并完成修复工作,其结果会对产生二义性的断层属性进行修正。之后，进行网格剖分，生成三角形网格的曲面模型，并对剖分后的模型进行检测，修正与实际不符的断层数据，建立有效的断层网格模型(图7(c))。
具体实施例一：
某金矿的断层构造三维建模方法的应用，其具体实施框架如图8所示：
通过断层数据采集设备，对矿区进行断层数据的收集、处理和存储。断层数据采集设备包括传统测量、电子测量、地质钻探、地震探测、地质雷达、全站仪、GPS测量以及数字扫描仪等。采用Oracle数据库、GIS等工具，将原始数据数字化，并进行存储管理、维护、处理信息。
该矿构造形式以断裂为主，这些断层为张扭性或压扭性断层，倾角35°～80°，倾向180°～220°，落差3～30米(表5)。将钻孔、2D/3D剖面、构造地质图、断层属性集成于系统中，从中提取断层控制点,并解释而形成一类和二类断层线。基于上述各类数据，进行断层网络分析,并选择了可信度较高的断层连接方案，经过计算断层之间的关系，建立反映其拓扑结构的断层网络。本实施例中，共建立了6条主要断层模型。
由于矿区需要构建7层地层模型，因此，对于每一层地层，需要如下操作：对每条断层，进行断距计算和上下盘断层线插值，通过断层相交性检测、断层切割计算、断层多边形形成，实现断层网格模型重构，并对断层模型进行修正。将断层多边形与初始地层模型进行融合,并测试导入的断层数据与地层数据的重合度，采用基于断层插值方法,对地层模型进行网格重构。重复上述操作7次后，得到最终的地层模型，并将含断层的地层模型存入数据库中。所构建的模型可以利用输出设备实现可视化显示与分析。输出设备包含HP工作站、专业3D显示卡、专业工程投影机、仿真投影幕/立体投影幕。
本实施例中涉及了3种断层数据检测：1)通过有效的钻井数据对比(图8下侧左图)；2)透明地层与断层叠加测试(图8下侧中图)；3)交互式断层间距、断点间距的检测(图8下侧右图)。
表5断层属性
| 编号 | 性质 | 走向° | 倾向° | 倾角° | 落差m | 控制情况 |
| 东Ⅰ | 压扭性逆断 | 110～120 | 200～210 | 35 | 3～8 | 1139、2139工作面 |
| 东Ⅱ | 压扭性逆断 | 110～120 | 200～210 | 40 | 3～8 | 10、11水平井口 |
| 东Ⅲ | 张扭性正断 | 100 | 190 | 36 | 15～30 | 10-13暗井、206斜井 |
| 东Ⅶ | 张扭性正断 | 100～125 | 190～215 | 55 | 5～10 | 0190、0110工作面 |
| 东Ⅷ | 张扭性正断 | 90～130 | 180～220 | 80 | 5～15 | 0210、0220工作面 |
| ...... |
具体实施例二：
某煤矿的断层构造三维建模方法的应用。
步骤101：通过断层数据采集设备，对矿区进行断层数据的收集、处理和存储。
步骤102：该区是一个构造活动异常活跃的地区，地质构造主要以断层为主。矿区内断层较发育，已揭露大小断层40多条。向斜西北翼多发育走向压性逆断层，东南翼则以张性、张扭性的高角度倾向或斜交正断层为主；断层走向为北东和北西两组。落差大于50m的断层，主要分布在东南翼的南端。将钻孔(图9(a))、2D/3D剖面(图9(b))、构造地质图(图9(c))、断层属性(表6)集成于系统中，从中提取断层控制点,并解释而形成一类和二类断层线。
表6部分断层部分属性表
| 编号 | 断层性 | 落差m | 走向° | 倾向° | 倾角° | 控制程度 |
| F1 | 正 | 36 | N18W | S.W | 70 | 可靠程度差 |
| F2 | 逆 | 13～19 | N30E | N.W | 64～67 | 较可靠 |
| F3 | 逆 | 38 | N60E | N.W | 55 | 可靠 |
| F4 | 逆 | 9～16 | N30E | N.W | 72～77 | 可靠程度差 |
| F5 | 正 | 18 | N56E | N.W | 72 | 较可靠 |
| F6 | 正 | 9～35 | N3E | N.W | 74 | 较可靠 |
| F7 | 正 | 10 | N2E | N.W | 74 | 较可靠 |
| F8 | 正 | 15～18 | N15E | S.W | 60～72 | 较可靠 |
| ...... | ||||||
| F45 | 正 | 0-20 | NWW | NNE | 70-77 | 可靠 |
步骤103：基于上述各类数据，进行断层网络分析,并选择了可信度较高的断层连接方案，经过计算断层之间的关系，建立反映其拓扑结构的断层网络Network＝{V,E,L}(图10)。
步骤104：根据矿区的主要含煤层、含水层和特征层，确定三维地质建模研究区地层自上而下分为27层，因此，对于每一层地层，需要如下操作：
步骤1041：设置初始地层序号L＝1，即从第一层开始构建。
步骤1042：该矿以提供勘探获得的2D断层线为主。假定此时地层不存在断层等复杂结构模型，采取普通Kriging法对L地层层面进行整体拟合，得到初始地层模型。结合断层属性，将断层面与构建的初始地层模型进行求交，得到地层与断层的初始交线；再对初始交线上每个断点进行断距计算，实现上下盘断层线插值。图11(a)为L＝4时，断层F32与3个地层计算得出的上下盘断层线，该断层与L＝1地层无切割关系，无初始交线。
步骤1043：依据断层级别，对每个断层进行相交性测试,完成断层之间的切割计算。图11(b)为L＝4时，断层切割结果。对他们实现断层线的自动封闭，形成断层多边形，并将其导入地层模型。
步骤1044：将断层多边形与初始地层模型进行融合,并测试导入的断层数据与地层数据的重合度，采用基于断层插值方法,对地层模型进行网格重构。基于断层插值方法，充分考虑到断层的阻隔作用，即在拟合地层数据点时，采取不过断层面的方式进行搜索样本参考数据点，即参估点与待拟合点的连线不能穿过任何一个断层面，同时将已经计算好的断层与地层上下盘初始交线数据作为辅助数据集。如果出现搜索到的样本参考数据点比较少，甚至出现没有样本参考点的情况时，则从辅助数据集中进行搜索，这样可以克服某些断块上样本数据点不足的缺陷。图11(c)为L＝9时，地层模型网格重构的结果，地层网格已被多条复杂断层所切割，形成地层的错动，实现断层与地层的一体化3D构建与可视化。
步骤1045：L+＝1；如果L<28,则转步骤1042继续；否则执行步骤105。
步骤105：对每条断层，基于一类断层线及其外延数据、插值获得的上下盘断层线，对断层进行断层面拟合或重构，形成断层面网络(图11(d))。
步骤106：依据有效的钻井数据、地震剖面数据、断层趋势面、断层属性，通过交叉验证方法、拟合方法、可视化工具对断层模型修正，并对地层模型进行局部重构，获得最终的三维地质模型。如图12(a)、12(b)、12(c)所示，为同一个视角下,地层模型(12(a))、叠加断层模型(12(b))、透视的地层模型(12(c))，以便清晰地观察断层与地层的错动关系。图12(d)为地下虚拟漫游,可以观察断层在地下的空间展布。
步骤107：在构建断层模型之后,可以实现断层的模拟预测。图13(a)至13(d)是基于断层属性的预测实例，断层F20的基本断层属性如表7所示,系统分别模拟预测并显示了断层经过20、30、50、70米位移之后的产状。
表7基本断层属性
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种断层构造三维建模方法，其特征在于，包括步骤：
A、断层数据集成：
将包括钻孔、2D/3D剖面、构造地质图、断层属性的断层数据集成于三维可视化系统中，从中提取断层控制点，并解释而形成断层线，所形成的断层线主要分为2类：一类是含上下盘的3D断层线，二类是2D断层线；
对于一类断层线，对控制点无法覆盖的区域进行数据外延；
对于二类断层线，基于地层的断点插值后再进行断层插值；
B、断层网络：
根据断层样本数据的多样性、复杂性、不确定性的特点，进行多种情况的连接分析、以及断层线及断层属性的修订，使模拟的断层接近真实情况，选择可信度高的断层连接方案，计算断层之间的关系，并建立反映其拓扑结构的断层网络；
C、断层插值：
根据地矿领域勘探获得的2D断层线结合断层属性，对所述二类断层线进行断点插值以及断层面外延，将断层面与构建的初始地层模型进行求交，得到地层与断层的初始交线，或者从钻孔、剖面中直接提取断层面与地层面的初始交线，之后，对初始交线上每个断点进行断距计算，并获得所述一类断层线；
D、断层模型构建：
通过对上述产生的各类断层数据设置权重，结合断层趋势面分析，进行断层数据融合，消除二义性问题，之后，依据断层级别，对每个断层进行相交性测试,完成断层之间的切割计算，实现断层线的自动封闭，形成断层多边形，并将其导入地层模型，最后，进行断层面拟合，形成断层面网络；
E、地层模型构建：
包括初始地层模型、基于断层插值的地层模型重构、以及地层模型局部重构三个阶段，采取反距离加权法、径向基函数法或普通Kriging法对地层层面进行整体拟合，得到初始地层模型，根据断层尖灭标识和断层尖灭形状，将上下盘断层线或断层多边形导入初始地层模型中，基于断层插值方法，对地层模型中每条断层附近的地层数据进行插值，并实现地层模型重构，当断层模型不断修正、完善后，再对地层模型进行局部重构，提高模型表达的精度；
F、断层数据检测与修正：
在断层的构建过程中，依据有效的钻井数据、地震剖面数据、断层趋势面、断层属性对构建过程中的插值数据以及最终生成的模型进行检测，并对不符合实际情况的模型进行修正，以提高断层模型的精度和可靠性。
2.根据权利要求1所述的断层构造三维建模方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：
将原始地质数据作为输入参数，对其进行检测、解释、集成处理，提取断层控制点、断层属性以及断层线，从中获得如下相关结果：断层网络的空间分布、渐灭或侵蚀岩体的关系、断层间的隐含关系；
所述断层控制点主要来源于钻孔、2D/3D地震剖面或物探剖面、井下采掘工程揭露、地面露头观测，是控制断层空间产状的原始依据；
所述断层属性主要包括走向、倾向、倾角、断距、断层正/逆类别、根据断层的主次及生成的先后划分的断层级别、断层尖灭标识、断层尖灭形状、断层切割的起始位置，在研究区内，为了使算法便于自动实现插值断层面，设定断层走向，将断层分为断层不尖灭、两端尖灭、起端尖灭、终端尖灭4种基本情况，每种情况又可分为属性固定不变、属性连续变化、属性突变3种类型，于是，断层共分为：4×3＝12种基本形态，其中，对于属性突变的断层需要进行分段处理；
所述断层线主要由断层控制点及断层属性插值或解释获得，依赖于样本的精度，存在不同程度的不确定性因素，分为上盘断层线和下盘断层线，对于复杂的地质构造，断层线相互交错，形成了断层线状网络，对这些断层线再进行进一步的拟合、插值，得到断层面，形成最终的3D断层网络。
3.根据权利要求2所述的断层构造三维建模方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：
断层数据来自于野外地质填图、钻井、物探、煤矿区或通过井下巷道揭示推测的断层数据，这些数据形成断层的控制点，对于剖面可控制断层面产状的断层，通过控制点直接拟合断层面模型，对于无法控制断层面的空间展布的断层，需要进行进一步的断层插值；
如果根据区域内的原始数据，得出多种断层连接方式，则根据知识库系统并结合区域地质调查情况，选择其中可信度最高的一种，通过断层相交性检测，建立其断层拓扑结构，形成Network，用于记录断层之间的切割关系以及断层群，设Network＝{V,E,L},V集合由n个断层组成，E集合由断层之间的切割关系组成,L依次记录了断层的层次关系。
4.根据权利要求3所述的断层构造三维建模方法，其特征在于，所述步骤C具体分为两步：断距计算和上下盘断层线插值；
所述断距计算是在断层插值过程中，根据断层属性表中的断层信息，针对不同情况的断层，需要计算断层的初始交线上各个断点的断距，如果断层的断距出现突变时，则先对断层进行分段处理；
所述上下盘断层线插值是根据断层面与地层面的初始交线及其上各个断点的断距，结合断层面的倾向、倾角和断层的正逆数据，自动插值出断层面与地层上下盘的断层线数据。
5.根据权利要求4所述的断层构造三维建模方法，其特征在于，所述步骤D具体包括：
断层模型构建依次包括断层相交性检测、断层切割计算、断层多边形形成、断层网格模型重构，并进行断层模型修正；
所述断层相交性检测包括：按照实际地质勘察的结果，将断层的错切关系分为主辅关系、“Y”型关系和辅辅关系，所述主辅关系表现为一条断层被另外一条断层切割，即旧断裂地层又出现了新的断裂，所述“Y”型关系表现为一条断层衍生出一条新的断层，所述辅辅关系是指两条断层没有相互切割；
所述断层切割计算包括：对于存在切割关系的断层，采用基于断层属性的切割计算，自动产生切割处的断点，并将其插入断层线中，形成最终断层切割关系；
所述断层多边形形成包括：为了正确进行断层地质建模，必须使得断层网格在交线处满足几何匹配和拓扑匹配，几何匹配是为了使得断层面之间的相互关系准确，拓扑匹配是为了保证能够正确地提取断层区块，最终得到依照断点生成的顺序，自动连接而成断层多边形；
所述断层网格模型重构与修正包括：基于原始控制点以及通过上述方法获得的断点数据及其断层线，对计算出的断层与样本数据之间的差异进行检测并完成修复工作，其结果会对产生二义性的断层属性进行修正，之后，进行网格剖分，生成三角形网格的曲面模型，并对剖分后的模型进行检测，修正与实际不符的断层数据，建立有效的断层网格模型。
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