CN111768503B - 一种基于三维地质模型的海砂资源量估算方法 - Google Patents

一种基于三维地质模型的海砂资源量估算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于三维地质模型的海砂资源量估算方法，包括以下步骤：(1)建模区的地形数据提取和海砂矿体的确定；(2)构建虚拟钻孔；(3)导入钻孔数据；(4)建立钻孔联孔剖面；(5)确定建模区的上边界和平面上的建模范围；(6)生成三维地质体，通过生成三维地质模型获取海砂矿体体积资源量。该方法既能呈现海砂矿体的三维结构，还能更加准确的获取海砂矿体的体积资源量。

Description

一种基于三维地质模型的海砂资源量估算方法
技术领域
本发明属于海砂资源勘查领域，具体涉及一种基于三维模型的海砂资源量估算方法。
背景技术
砂是世界上开采和交易量最大的资源之一，更是房屋建筑、重大工程建设、制造玻璃和电子产品等的必需品。砂资源紧缺已经成为关系我国乃至全球经济社会发展和环境保护的共性问题。在国内限制河砂开采的背景下，合理开发海砂资源，是解决砂源短缺，保障重大工程建设和经济社会发展的大势所趋。
海砂资源的科学规划、管理和开发的前提是查清资源禀赋，其核心内容是回答三个问题：海砂在哪里？有多少？质量怎么样？科学合理的估算海砂资源量是海砂勘查的主要目的之一，是海砂资源科学规划、管理和开发的基础，非常重要。
根据《海砂(建筑用砂)地质勘查规范》(DD2012)，目前海砂资源量的估算方法为地质块段法，即根据矿床地质特点将矿体划分为若干个地质块段，将它们看作是理想的板状体，板状体的厚度为块段内所有见矿工程中矿体的平均厚度，板状体的面积为块段水平投影面积，板状体的体积为块段体积。地质块段法的资源量(以质量表示)计算公式如下：
Qn＝Sn×Hn×Dn
Q＝∑Qn
式中：
Qn——第n块段的海砂资源/储量(万吨)；
Sn——第n块段的水平投影面积(m2)；
Hn——第n块段的砂层平均厚度(m)；
Dn——第n块段的海砂矿石体重(t/m3)；
Q——海砂资源/储量(万吨)。
地质块段法的资源量(以体积表示)计算公式如下：
Vn＝Sn×Hn
V＝∑Vn
式中
Vn——第n块段的海砂资源/储量(m3)
Sn——第n块段的水平投影面积(m2)；
Hn——第n块段砂层平均厚度(m)；
V——海砂矿体体积资源量(m3)。
地质块段法的优点是方法简明，易于计算。缺点是相对粗略，因为实际上海砂矿体的形态并非是理想的平板一块，而是起伏不平自然形态，因此地质块段法算出的结果与实际情况存在一定的误差，通常会偏大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于三维地质模型的海砂资源量估算方法，本发明方法既能呈现海砂矿体的三维结构，还能更加准确的获取海砂矿体的体积资源量。
本发明的上述目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于三维地质模型的海砂资源量估算方法，包括以下步骤：
(1)建模区的地形数据提取和海砂矿体的确定：对野外采集的综合物探资料和钻孔资料进行解译，提取建模区的地形数据，根据野外编录资料建立钻孔柱状图，然后根据估算资源量的工业指标、钻孔沉积物粒度分析结果修订钻孔柱状图，最后结合地质层位情况和已修订钻孔柱状图确定建模区内海砂矿体的数量；
(2)构建虚拟钻孔：根据解译的物探剖面图和修订后的钻孔在建模区构建虚拟钻孔；
(3)导入钻孔数据：确定拟建模区的标准层序，确定好标准层后，按照GMS软件的Borehole Date模块要求的数据格式完成对钻孔的岩性、层序和地层沉积序列进行编号，将钻孔信息按照标准格式编制好后，批量导入GMS软件；
(4)建立钻孔联孔剖面：先采用GMS软件的自动方式初步建立起钻孔联孔剖面，然后根据实际钻孔岩性对应关系，结合物探和实际钻孔剖面资料，手动修正钻孔联孔剖面，以用于建立三维地质模型；
(5)确定建模区的上边界和平面上的建模范围：根据步骤(1)中的地形数据和步骤(1)中的钻孔开孔高程数据，通过合适的模块和插值方法形成海底地形图，然后将海底地形图转换为TINs模块下的不规则三角网控制面，用以确定建模区的上边界和平面上的建模范围；
(6)生成三维地质体：点击Borehole模块下的Horizons to Solids方法来生成三维地质体，建模中选择步骤(3)中建立的所有钻孔、步骤(4)中修正的所有钻孔联孔剖面和步骤(5)中生成的所有的TINs，选择合适的插值方法建立三维地质体，通过生成三维地质模型获取海砂矿体体积资源量。
在上述基于三维地质模型的海砂资源量估算方法中：
优选的，步骤(1)中根据物探资料和钻孔资料，提取建模区的地形数据包括提取地形变化大的点和钻孔的孔口高程点作为控制点。
步骤(1)中如野外工作中认为某段沉积物的含泥量是大于50％，则该沉积物的野外定名为泥，而实际测试分析结果其含泥量小于50％，此时需根据测试结果修订钻孔柱状图，建立实际的钻孔柱状图。
优选的，步骤(1)中估算资源量的工业指标为含泥量小于50％；粒径≥0.063mm，最小可采厚度≥2m，夹石剔除厚度≥1m。
优选的，步骤(1)中将同一地质年代形成的矿体划分为同一个矿体。
优选的，步骤(2)中根据物探剖面图和修订后的钻孔构建虚拟钻孔，以增加模型的精确度，其中在建模区的地层较多处构建虚拟钻孔以保证地层的连续性，在矿体尖灭处构建虚拟钻孔用以限定海砂矿体边界。
优选的，步骤(3)中所述钻孔包括实际钻孔和虚拟钻孔。
优选的，步骤(5)中所述的模块为2D Scatter Point、2D Grid和TINs模块，所述的插值方法为反距离权重插值法。
优选的，步骤(5)中确定建模区的上边界和平面上的建模范围的过程为：首先利用步骤(1)中提取的地形数据通过2D Scatter Point生成2D Grid模块下的有限差分网格控制面；其次选择反距离权重插值法生成建模区的海底地形图，通过该插值方法来修改有限差分网格控制面以生成海底地形图；然后在2D Grid模块下将插值形成的海底地形图转换为TINs模块下的不规则三角网控制面，用于划定后续GMS软件的Solid模块三维地质建模的上边界和平面上的建模范围，以免造成超范围的插值，导致地层模型失真。
优选的，步骤(6)中所述的插值方法为自然临近插值法。
优选的，步骤(6)中利用步骤(5)中生成的不规则三角网控制面来限定三维模型的上边界以及平面范围，利用步骤(1)中钻孔资料中的钻孔的底高程来控制模型的下边界。
因此，本发明是利用野外获取的海底地形数据、物探数据和钻孔地层数据，借助GMS(Groundwater Modeling System)软件中的地层建模模块(Borehole、2D ScatterPoint、2D Grid、TIN和Solid模块)来完成海砂三维地质建模，通过建好的三维地质模型读取海砂矿体的体积资源量。
具体的，该技术方法的实现可以包括以下步骤：
S1：建模区的地形数据提取和海砂矿体的确定：关键是所提取的地形数据点把控和工业指标，对野外采集的综合物探资料和钻孔资料进行解译，提取建模区的地形数据，根据估算资源量的工业指标，钻孔沉积物粒度分析结果和野外地质钻孔编录资料修订钻孔柱状图，然后结合地质层位情况和已修订钻孔柱状图确定建模区内海砂矿体的数量；
S2：虚拟钻孔的构建：关键是根据物探剖面图和修订后的钻孔构建虚拟钻孔，以增加模型的精确度；
S3：导入钻孔数据：关键是确定拟建模区的标准层序，确定好标准层后，按照Borehole Date模块要求的数据格式完成对钻孔的岩性(SoilID)、层序(HGUID)和地层沉积序列(HorizonID)进行编号，将钻孔信息按照标准格式编制好后，批量导入软件；
S4：建立钻孔联孔剖面：GMS软件提供自动和手动两种方式来建立钻孔联孔剖面，本方法先通过自动(Auto-create blank cross sections和Auto-fill blank crosssections)的方式初步建立起钻孔联孔剖面，然后根据实际钻孔岩性对应关系，结合物探和实际钻孔剖面资料，手动修正钻孔联孔剖面，以用于建立三维地质模型；
S5：确定建模区的上边界和平面上的建模范围：关键是根据地形数据，钻孔开孔高程数据选择合适的插值方法生成建模区的海底地形图，该图用于划定后续建模的上边界和平面上的建模范围，以免造成超范围的插值，导致地层模型失真。本步骤通过2D ScatterPoint、2D Grid、TIN模块来实现；
S6：生成三维地质体：三维地质体(Solid)是本次建模的终点，本次建模通过Horizons to Solids的方法来实现，建模中选择所有钻孔、所有钻孔剖面和所有的TINs，选择合适的插值方法建立三维地质体，本次建模为自然临近插值法(Natural neighbor)，通过生成三维地质模型读取统计海砂矿体体积资源量。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明关键利用勘查获取的海底地形数据、物探数据和钻孔地层数据等建立海砂矿体的三维地质模型，实现海砂矿体的精细刻画，重塑其在三维空间中的实际展布状态，在此基础上，获取海砂体积资源量；与地质块段法相比，本发明中海砂矿体的三维展布与实际更为吻合，估算的资源量准确度更高。
附图说明
图1为实施例1中V1和V2矿体平面分布图；
图2为实施例1中物探剖面和钻孔联合解译图(WZK1和WZK6为实际钻孔，XZK02和XZK03为虚构钻孔)；
图3为实施例1中建模区内实际钻孔和虚构钻孔分布图(细柱体为实际钻孔，粗柱体为虚构的钻孔)；
图4为实施例1中根据钻孔建立的联孔剖面图；
图5为实施例1中建模区海底地形图；
图6为实施例1中建模区三维地质体；
图7为实施例1中建模区三维地质体(不叠加海底地形图)；
图8为实施例1中建模区海砂矿体斜视图；
图9为实施例1中三维地质体V1海砂矿体俯视图；
图10为实施例1中三维地质体V2海砂矿体俯视图；
图11为建模区三维地质体横切面图。
具体实施方式
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
实施例1
本发明的具体实施步骤以珠江口外伶仃某海砂资源调查区为例做详细说明，由于本发明的目的是在于呈现海砂矿体的三维结构以及估算资源量，建模过程中把地层简化为砂层和泥层，其过程如下：
(1)建模区的地形数据提取和海砂矿体的确定
对野外采集的综合物探资料和钻孔资料进行解译，提取建模区的地形数据，关键在于提取地形变化大的点和钻孔的孔口高程点作为控制点。本次建模共提取控制点34个。
根据估算资源量的工业指标，钻孔沉积物粒度分析结果和野外地质钻孔编录资料修订钻孔柱状图。本次建模所用的工业指标为含泥量小于50％；粒径≥0.063mm；最小可采厚度≥2m；夹石剔除厚度≥1m。
然后结合地质层位情况和已修订钻孔柱状图确定本建模区共发现两个海砂矿体，分别为V1和V2矿体，V1矿体为“晚更新世晚期冲洪积砂”，V2矿体为“晚更新世中期冲洪积砂”，根据物探资料和钻探资料分析得知V1矿体在建模区的西北角有缺失，V2矿体在建模区内全区分布。
(2)虚拟钻孔的构建
根据物探剖面图和已有实际钻孔构建虚拟钻孔(见图2)，以增加模型的精确度。在建模区的关键位置构建虚拟钻孔是保证模型精度的重要基础。如图1～图3所示，在地层较多区域内虚构钻孔XZK01和XZK02以保证地层的连续性，在V1矿体尖灭处虚构钻孔XZK03、XZK04……XZK07用以限定矿体边界。
(3)导入钻孔数据
确定本建模区的标准地层，即岩性层(模型中的Materials)为8层。然后按照Borehole Date模块要求的数据格式对15个钻孔(实际钻孔8个，虚拟钻孔7个)的岩性(SoilID)、层序(HGUID)和地层沉积序列(HorizonID)从下而上进行编号，岩性(SoilID)、层序(HGUID)从1开始编号，而地层沉积序列(HorizonID)需从0开始编号，其中WZK3钻孔的部分岩性、层序和地层沉积序列数据见表1。将钻孔信息按照标准格式编制好后，批量导入软件，给每一层赋予对应的Materials，如WZK3的SoilID为1时，其对应的Materials为mud6层。最终在建模区内生成的钻孔如图3所示。
(4)建立钻孔联孔剖面
先通过自动(Auto-create blank cross sections和Auto-fill blank crosssections)的方式初步建立钻孔联孔剖面，然后根据实际钻孔岩性对应关系，结合物探和实际钻孔柱状图资料，手动修正钻孔联孔剖面，本次建模根据钻孔最后确定的钻孔联孔剖面图如图4所示，共32个，建立的钻孔联孔剖面图最终将用于建立三维地质模型。
(5)确定建模区的上边界和平面上的建模范围
首先利用步骤(1)中提取的地形控制点以及钻孔的孔口高程点通过2D ScatterPoint生成2D Grid模块下的有限差分网格控制面，此步骤中输入的X和Y的坐标为建模区起始坐标，并对X和Y进行合适的分段，此模型中X和Y都分为80个小段，点击确定后，软件将根据输入的数据生成建模区的有限差分网格控制面。
然后选择合适的插值方法生成建模区的海底地形图，此处选择反距离权重插值法(Inverse distance weighted)，通过该插值方法来修改有限差分网格控制面以生成海底地形图(图5)。
然后在2D Grid模块下将插值形成的海底地形图转换为TINs模块下的不规则三角网控制面，该控制面用于划定后续Solid模块三维地质建模的上边界和平面上的建模范围，以免造成超范围的插值，导致地层模型失真。
(6)生成三维地质体
点击Borehole模块下的Horizons to Solids方法来生成三维地质体，建模中选择步骤(3)建立的所有钻孔、步骤(4)中建立的所有钻孔联孔剖面和步骤(5)中生成的所有TINs，选择自然临近插值法(Natural neighbor)，建立三维地质体。建模过程关键需利用步骤(5)中生成的不规则三角网控制面来限定三维模型的上边界以及平面范围，利用钻孔的底高程来控制模型的下边界。此步骤生成的三维地质体见图6～图8。从图9和图10可以看到三维地质体中的V1和V2矿体俯视图与图1中的V1和V2矿体平面分布吻合度较高，说明建立的三维地质体精度较高。生成的三维地质体模型可以从任意角度、方向切割形成三维横切面(图11)，利于海砂勘查工作者理解海砂抗体地层结构。
最后通过生成的三维地质模型读取统计海砂矿体的体积资源量，V1矿体的体积资源量为11284504立方米，V2矿体的体积资源量为24897726立方米，总资源量36639670立方米。
表1 WZK3钻孔的部分岩性、层序和地层沉积序列数据
Figure BDA0002574840580000071
Figure BDA0002574840580000081
注：SoilID表示岩性代号、HGUID表示层序代号、HorizonID表示地层沉积序列代号
上面列举一部分具体实施例对本发明进行说明，有必要在此指出的是以上具体实施例只用于对本发明作进一步说明，不代表对本发明保护范围的限制。其他人根据本发明做出的一些非本质的修改和调整仍属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于三维地质模型的海砂资源量估算方法，其特征是包括以下步骤：
（1）建模区的地形数据提取和海砂矿体的确定：对野外采集的综合物探资料和钻孔资料进行解译，提取建模区的地形数据，根据野外编录资料建立钻孔柱状图，然后根据估算资源量的工业指标、钻孔沉积物粒度分析结果修订钻孔柱状图，最后结合地质层位情况和已修订钻孔柱状图确定建模区内海砂矿体的数量；
（2）构建虚拟钻孔：根据解译的物探剖面图和修订后的钻孔在建模区构建虚拟钻孔；
（3）导入钻孔数据：确定拟建模区的标准层序，确定好标准层后，按照GMS软件的Borehole Date 模块要求的数据格式完成对钻孔的岩性、层序和地层沉积序列进行编号，将钻孔信息按照标准格式编制好后，批量导入GMS软件；
（4）建立钻孔联孔剖面：先采用GMS软件的自动方式初步建立起钻孔联孔剖面，然后根据实际钻孔岩性对应关系，结合物探和实际钻孔剖面资料，手动修正钻孔联孔剖面，以用于建立三维地质模型；
（5）确定建模区的上边界和平面上的建模范围：根据步骤（1）中的地形数据和步骤（1）中的钻孔开孔高程数据，通过合适的模块和插值方法形成海底地形图，然后将海底地形图转换为TINs模块下的不规则三角网控制面，用以确定建模区的上边界和平面上的建模范围；
（6）生成三维地质体：点击Borehole 模块下的Horizons to Solids方法来生成三维地质体，建模中选择步骤（3）中建立的所有钻孔、步骤（4）中修正的所有钻孔联孔剖面和步骤（5）中生成的所有的TINs，选择合适的插值方法建立三维地质体，通过生成三维地质模型获取海砂矿体体积资源量；
步骤（1）中根据物探资料和钻孔资料，提取建模区的地形数据包括提取地形变化大的点和钻孔的孔口高程点作为控制点；
步骤（1）中估算资源量的工业指标为含泥量小于50%；粒径≥0.063mm，最小可采厚度≥2 m，夹石剔除厚度≥1 m；
步骤（2）中根据物探剖面图和修订后的钻孔构建虚拟钻孔，以增加模型的精确度，其中在建模区的地层较多处构建虚拟钻孔以保证地层的连续性，在矿体尖灭处构建虚拟钻孔用以限定海砂矿体边界；
步骤（3）中所述钻孔包括实际钻孔和虚拟钻孔；
步骤（5）中所述的模块为2D Scatter Point、2D Grid和TINs模块，所述的插值方法为反距离权重插值法；
步骤（5）中确定建模区的上边界和平面上的建模范围的过程为：首先利用步骤（1）中提取的地形数据通过2D Scatter Point生成2D Grid模块下的有限差分网格控制面；其次选择反距离权重插值法生成建模区的海底地形图，通过该插值方法来修改有限差分网格控制面以生成海底地形图；然后在2D Grid模块下将插值形成的海底地形图转换为TINs模块下的不规则三角网控制面，用于划定后续GMS软件的Solid模块三维地质建模的上边界和平面上的建模范围，以免造成超范围的插值，导致地层模型失真；
步骤（6）中利用步骤（5）中生成的不规则三角网控制面来限定三维模型的上边界以及平面范围，利用步骤（1）中钻孔资料中的钻孔的底高程来控制模型的下边界。
2.根据权利要求1所述的基于三维地质模型的海砂资源量估算方法，其特征是：步骤（1）中将同一地质年代形成的矿体划分为同一个矿体。
3.根据权利要求1所述的基于三维地质模型的海砂资源量估算方法，其特征是：步骤（6）中所述的插值方法为自然临近插值法。
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