矿产勘探过程三维可视化需求

Answer 1

一、矿产勘探储量估算过程及需求

固体矿产资源勘察储量估算评价是根据勘探工程获取的信息对矿床的矿体形态、矿石质量、品位、伴生元素分布、矿石量、金属量进行科学的估算，尽管各个勘探阶段储量估算方法的侧重点会有所不同，但工作流程还是基本相似：

（1）勘探资料的整理包括各种钻孔、坑道、槽探编录结果、工程坐标的测量结果的整理，编制钻孔柱状图和工程位置图等；

（2）根据化学分析结果，进行单工程矿体圈定，主要考虑矿石的边界品位、夹石厚度和最低可采厚度等工业指标；

（3）编制勘探剖面图，根据地质概念模型进行矿体连接；

（4）进行储量估算，编制各种储量估算结果图。

在上述工作流程中，必须要完成如下几项基本工作。

1.矿产勘探的制图工作

图件是勘探成果的重要表现形式，是必不可少的成果，这些图件包括钻探原始编录图件、勘探剖面图、投影图、等高线图等，还有储量计算结果表达图件等。

储量计算图件是进行储量计算必备的资料，有关矿体的圈定、块段的划分、面积测定等工作均需在储量计算图上进行，其比例尺一般为1∶1000或1∶500。主要图件包括取样平面图，储量计算剖面图，平面图、纵投影图以及矿体等值线图等。对于某些露天开采矿床尚需制作剥离比等值线图等。矿区或矿床的1∶1000～1∶2000地形地质图是储量计算不可缺少的图件。

2.取样平面图

包括地表取样平面图及中段取样平面图（或称矿体水平断面图）。这种平面图的主要用途是用以圈定矿体的厚度及截面形态，因而图纸的主要内容应包括：坐标网、勘探线及基线、勘探工程的位置及其编号、取样位置及样品编号（包括加工技术样品及物理试验样品）。控制矿体及其形态的各项主要地质因素，例如含矿层、矿体顶底板及主要地层（或岩石）界线、岩性符号、岩层产状、褶皱及断裂等构造以及各种脉状地质体对矿体的切割关系，围岩蚀变的范围、种类及其强度。矿体、矿石类型及矿石品级的分界线、块段界线及编号、样品分析结果表等。

3.储量计算剖面图或勘探线剖面图

其用途除了和取样平面图相同外，还用于确定储量计算的有关参数。前者属于矿体水平截面图件，后者为矿体的垂直截面图件。它与地质剖面图略有区别，因为它的重点在于表达与矿体形态直接有关的资料，附有详细的取样分析资料表和储量计算的边界线、边界点，储量计算块段的编号、面积及储量级别等。因此，除与圈定矿体有关的地质因素外，其他地质因素均可舍去。

在某些矿区，储量计算剖面图与勘探线剖面图可以合并编制。若勘探线剖面图比倒尺较小，不能详细表达取样成果及有关储量计算方面的资料时，应单独编制。

4.矿体纵投影图

矿体纵投影图分为水平投影图、垂直投影图以及倾斜投影图。此三种图的用途是圈定矿体的边界线、进行块段划分、测定矿体投影面积，同时，也是总体反映矿体的勘探程度的综合性图件。

这些图件目前CAD软件和GIS软件都可以解决。但作为三维勘探实用的软件系统需要有这方面的内容，本次研究主要是解决三维问题，对二维制图考虑较少。

二、单工程矿体圈定和剖面矿体连接

1.单工程矿体厚度的圈定

主要是依据工业指标，以充分体现连续性。圈定单工程矿体厚度一般按下列步骤进行：

（1）按边界品位的指标初步确定矿体的边界（表2-1中的1～8号样品之间）及矿体中的无矿夹石地段；

（2）按夹石剔除厚度的指标剔除夹石，或并入矿体中；

（3）按工业品位圈定“表内”矿与“表外”矿界线，并按照“穿鞋戴帽”的有关规定（见国储[1991]164号文）最后确定表内矿矿体界线。

矿例：设某金矿床工业指标为：边界品位1.00g/t，工业品位3.00g/t，块段平均品位5g/t（每个块段只允许带进一个含表外矿的工程），最低可采真厚度1.00m，夹石剔除真厚度2.00m。下面是几个典型分析成果，表中（表2-2～表2-5）厚度均为换算后的真厚度。

表2-1 表内矿包表外矿及上下带表外矿

表2-2 表内只包表外矿

表2-3 表内矿单独分支或合并到表外矿

表2-4 夹石正常剔除

表2-5 夹石剔除后带走下部分支矿体

2.矿体剖面的连接及圈定

矿体截面形态的圈定是在单工程矿体厚度圈定的基础上，分别在储量计算剖面图或平面图上进行的。

两个相邻见矿工程其矿体经厚度圈定后均合乎工业要求，赋存部位互相对应，符合地质规律，则应在截面上将这两个工程所见的矿体连接成同一矿体。在圈定时应注意以下几点：

（1）在储量计算剖面图或平面图上的矿体连接，除极个别情况外，一般应以直线相连；

（2）若用曲线圈定矿体时，工程之间的矿体推绘厚度，不应大于相邻被工程控制的实际厚度（图2-1）；

（3）两工程所见为同一矿体，若矿石类型或品级不同或储量类别不一致，则只能互为对角线尖灭连接（图2-2）；

圈2-1 工程间推绘厚度应小于实际控制厚度

图2-2 矿石品级不同，应互为尖灭

（4）如两见矿工程之间矿体被断层或岩脉所切割，则矿体只能据已掌握的地质规律分别推绘至断层或岩脉的边界上（图2-3）；

图2-3 两见矿工程间矿体被断层错断,可按已控制的矿体产状推到断层边界

（5）对于形态复杂、具有不同产状的分枝矿体或交叉矿体，应划分出分枝，而且在截面形态圈定时，也应在图上注明分枝矿体的储量计算分界线（图2-4）；

（6）两相邻工程所圈矿体中无矿夹石的层位相同，部位对应，地质特征一致，则应相连成同一夹层（图2-5）。

图2-4 分枝矿体应标明储量计算分界线

图2-5 同一产出部位夹石连接为夹层

3.矿体边界点（线）的圈定

两相邻工程一个见矿，另一个不见矿时，用有限外推法确定边界点：

（1）两相邻工程一个见矿，另一个不见矿时，按工程间距的二分之一作尖灭（图2-6）；

（2）两相邻工程，一个见矿，若另一个只见矿化（即品位大于边界品位二分之一以上）则可推工程间距的三分之二尖灭（图2-7）；

图2-6 两相邻工程只有一个见矿可内推二分之一尖灭（或板体四分之一）

图2-7 某见矿工程可向相邻见矿化工程内推三分之二尖灭（或板体三分之一）

（3）两相邻工程，一个工程见矿，另一个工程只达到米百分值或米克吨值，则该工程可以作为矿体尖灭点处理（图2-8）；

（4）经工程证实，矿体为断层切割错开，在允许的间距范围内，矿体边界可平行推绘至断层线上（图2-3）；

图2-8 见矿工程可向相邻达到米克/吨值（表内矿）工程尖灭

（5）当只有单工程见矿，且矿体厚度小于夹石厚度时，不能列为“分枝”矿体。

4.见矿工程向外作无限推断时的边界点确定

见矿工程以外无工程控制，或未见矿工程到见矿工程之间距离远大于勘探时所要求的相应控制间距时，由见矿工程向外推断矿体之边界，称作无限推断。除特殊情况外，一般都作相应网度的二分之一尖灭。对于只达到米百分值或米克吨值的见矿工程，除绝大部分工程都按最低工业米百分值圈定的薄脉状富矿体外或在矿体内部包含的一个工程外，均不外推。

三、储量估算

矿体的自然形态是复杂的，且深埋地下，各种地质因素对矿体形态的影响也是多种多样的，因此，我们在储量计算中只能近似地用规则的几何体来描述或代替真实的矿体，求出矿体的体积。由于计算体积的方法不同，以及划分计算单元方法的差异，因而形成了各种不同的储量计算方法。比较常用的方法有：算术平均法、地质块段法、开采块段法、多角形法（或最近地区法）、断面法（包括垂直剖面法和水平断面法）及等值线法等。其中以算术平均法、地质块段法、开采块段法和断面法最为常见。

1.算术平均法

算术平均法是一种最简单的储量计算方法。其实质是将整个形状不规则的矿体变为一个厚度和质量一致的板状体，即把勘探地段内全部勘探工程查明的矿体厚度、品位、矿石体重等数值，用算术平均的方法加以平均，分别求出其算术平均厚度、平均品位和平均体重，然后接圈定的矿体面积，算出整个矿体的体积和矿石的储量。

算术平均法应用简便，适用于矿体厚度变化较小、工程分布比较均匀，矿产质量及开采条件比较简单的矿床。

2.地质块段法

地质块段法是在算术平均法的基础上加以改进的储量计算法，此方法原理是将一个矿体投影到一个平面上，根据矿石的不同工业类型、不同品级、不同储量级别等地质特征将一个矿体划分为若干个不同厚度的理想板块体，即块段，然后在每个块段中用算术平均法（品位用加权平均法）的原则求出每个块段的储量。各部分储量的总和，即为整个矿体的储量。地质块段法应用简便，可按实际需要计算矿体不同部分的储量，通常用于勘探工程分布比较均匀，由单一钻探工程控制，钻孔偏离勘探线较远的矿床。

地质块段法按其投影方向的不同又分为垂直纵投影地质块段法，水平投影地质块段法和倾斜投影地质块段法。垂直纵投影地质块段法适用于矿体倾角较陡的矿床，水平投影地质块段法适用于矿体倾角较平缓的矿床，倾斜投影地质块段法因为计算较为繁琐，所以一般不常应用。

3.矿块模型法

矿块模型法是以坑道为主要勘探手段的矿床中常用的储量计算方法。由于矿体被坑道切割成大小不同的块段。即将矿体化作一组密集的、厚度和品位一致的平行六面体（即长方形的板状体）。因此实质上开采块段法仍是算术平均法在特定情况下的具体运用。

计算储量时，是根据块段周边的坑道资料，（有时还包括部分钻孔资料）分别计算各块段的矿体面积，平均厚度，平均品位和矿石体重等，然后求得每个块段的体积和矿产储量。各块段储量的总和，即为整个矿体的储量。

开采块段法能比较如实地反映不同质量和研究程度的储量及其空间的分布情况，块段的划分与开采系统相一致，所以在开发勘探时期广泛被应用。

4.断面法

断面法又称剖面法，是矿床勘探中应用最广的一种储量计算法。它利用勘探剖面把矿体分为不同块段。除矿体两端的边缘部分外，每一块段两侧各有一个勘探剖面控制。按矿产质量、开采条件、研究程度等，还可将其划分为若干个小块段，根据块段两侧勘探剖面内的工程资料，块段截面积及剖面间的垂直距离即可分别计算出块段的体积和矿产储量，各块段储量的总和，即为矿体或矿床的全部储量。

断面法的特点是借助勘探剖面表现矿体不同部分的产状、形态、构造以及不同质量，不同研究程度和矿产储量的分布情况。按勘探剖面的空间方位和相互关系，断面法又分为水平断面法、垂直平行断面法和不平行断面法。而在垂直断面法中又可分为两种；一种是按勘探线为划分块段边界的，这是最常用的一种；而另一种则是以勘探线间的平分线为划分块段边界的，又称之为“线储量法”。即每一勘探剖面至相邻两剖面之间二分之一距离的地段，即为该剖面控制的地段，分别计算各块段的储量，然后累加即为矿体或矿床的储量。线储量法主要用于砂矿床的储量计算。

在储量估算中主要要解决如下几个问题：

（1）块段是矿体储量计算的基本单元，块段的划分应尽可能考虑地质因素、勘探手段和储量级别等因素，既不能划分过大，也不应划分过小。考虑地质因素：同一块段内产状基本稳定，矿体基本连续，不受断层错动，形态较为规则，矿石类型、工业品级相同，品位比较稳定；考虑相邻块段勘探手段应基本相同，如槽探、钻探、坑探或两种、三种手段的组合。块段划分不宜过大，也不应过小。块段分界线应尽可能以勘探工程间的连线为分界线（剖面法则以剖面为分界线）；同一块段储量级别应当相同；块段编号顺序一般应从上到下，从左到右，或从北到南、从西到东，按不同级别、顺序编号，以便在计算过程中便于检查。

（2）平均品位的计算方法。计算平均品位常用的方法有算术平均法及加权平均法。对于那些品位稳定的矿体，可用算术平均法计算。对于品位波动幅度较大的矿体，则应采用样长或矿体厚度加权平均法计算。当采样数量很大时，加权平均法与算术平均法所求得的结果往往是很接近的，在作了必要的对比以后，亦可用算术平均法来代替加权平均法。地质统计学为储量估算提供了非常好的解决方案。

（3）矿体厚度计算。由于钻孔所穿过的矿体厚度与储量计算所需要的矿体厚度方向不一致，因此需进行换算。换算时除涉及钻孔的穿矿厚度、钻孔穿矿的方位及倾角外，尚涉及矿体产状（主要是倾向及倾角等）参数。对于矿体产状稳定者，可采用矿体产状总的平均值作为换算的依据。对于矿体形态比较复杂，产状变化较大者，应使用钻孔见矿处的局部产状，因而，需用图解与计算等方法求得。

（4）面积计算。测定面积的方法可分为器械法，图解法及解析法。简要说明如下：即用定极求积仅测定图形面积。通常是将极放在测量图的左方及右方，分别连续测定二、三次，在允许误差范围内求取平均值（精度要求一般为1%）。对图形复杂面积又小时，可用求积透明板测定之。求积透明板的形式很多，有方格透明板、平行线透明板，双曲线透明板及求积圆盘等。其中以方格透明板和平行线透明板使用广泛而且简单方便。测定时将透明方格纸转动45°重复统计一次，两次误差小于3%时取平均值。将所测定的面积划分成长方形、三角形等各种几何图形计算面积。这是最常用和最简便的测定方法，其应用最广。其中以三角形精度最高。纵树法实质就是解析法。是由勘探工程原始数据直接求得起算数据。适用于多边形面积，尤其是形态复杂时工作效率比图解法高。它利用计算机将求差、求积及求和的步骤连续进行，速度快、工效高，方法本身有计算，有检查，准确度高，方法也容易掌握。

（5）块段体积计算。对于开采块段法，地质块段法等求块段体积时，一般均为块段投影面积乘其法线方向上的矿体厚度或平均厚度，结合对矿体变化掌握程度选以合适的体积计算公式。

四、矿产勘探储量估算计算机功能需求

应用计算机信息技术辅助上述矿产勘探储量估算过程是一个较复杂的系统工程，作为地质勘探学家可能希望计算机能够解决的问题越多越好，最好所有的工作都由计算机全部完成。但事实上由于目前计算机的智能水平还远不足以解决所有问题。而且三维地质问题本身就是一个复杂过程。地质勘察储量估算三维计算机建模特点如下：

1.三维建模与二维GIS分析的差别

地理信息系统GIS技术使得空间平面地理数据的存储、管理和分析成为可能，人们可以方便快捷进行平面数据可视、检索、查询和进行空间统计和叠加分析，一旦建立好了空间地理数据库，便可以实现“见即所得”分析。但从二维GIS一般工作流程可见，首先得建好一个平面数据库，图形数据通常是现有纸图，通过GIS的矢量数字化过程建立数据库。也就是说，二维数据库基本是原有纸介质数据的数字化，在基本数据库基础上，GIS能够辅助人们完成大量的编图和分析工作。二维数字高程模型能够根据离散数据产生大量的二维分析结果，过程基本上是自动的，人们对参数控制也相对简单。对于地质勘察三维建模来讲，我们没有现成的三维地质图可供数字化，因此，要解决的关键问题是根据勘探资料数据模拟出三维的地质电子图形。

2.三维建模是一个人工智能非常高的领域

由于我们对地下三维地质情况只是通过有限的钻孔信息来了解，对地下地质情况往往只是“一孔之见”，远远达不到透明的情况，因此对矿体的圈定往往是地质专家的一项创造性工作。地质专家根据对研究区地质情况的全面了解，形成自己的地质概念模型，然后在不同的剖面上进行矿体的圈定。不同地质专家对地质规律认识不同，可能产生不同的矿体圈定方法，如示范区阿舍勒铜矿，有人认为矿体形态为倒转，而也有人认为为单斜，据此建立的三维地质模型就完全不一样。因此，这种需要专家及强智能参与的建模工作，如果完全靠计算机来完成是不可能的。近年来国内许多三维软件开发者试图通过数学模型来直接完成地质体三维建模工作，可能是一条行不通的途径，对一些简单形体可能能够实现，但要满足不同用户的复杂地质情况就无能为力了。但计算机可以为地质学家构造三维模型提供非常好的辅助工具，可以模拟地质专家通过矿体圈定、计算等传统方法，从而建立起三维模型。

因此在矿产勘探储量估算可视化方面，既要充分考虑其对计算机智能化需求，又要考虑到计算机信息技术能够解决的能力。通过对上述矿产勘探过程的描述，三维地学可视化智能系统的基本功能需求可归纳如下：

（1）数据的管理。系统应该对地质勘探所获得的资料信息进行科学管理，这些数据包括：

①分析数据。通过钻孔、坑道、槽探获得的关于地下矿体的品位分布、矿石类型和比重等矿床经济价值信息，它们是计算储量的最基本的资料，应该通过科学的数据库技术将它们管理起来。②各种工程图件。这些图件都是地质专家为了辅助储量估算编制的中间性成果。

（2）三维辅助地质建模工作。要辅助地质专家完成利用三维勘探资料建立三维地质模型的工作，这些工作包括：

①从勘探资料形成钻孔柱状图。②单工程矿体圈定。根据矿床工业指标，包括边界品位、最底可采厚度、夹石容许厚度等参数进行单勘探工程中矿体的圈定和处理。在该项工作中计算机可以完成矿石品位级别的判别、厚度的判别和夹石厚度的判别。能够对传统的单工程圈定过程计算机化，同时也可以提供用户交互式工作方式。③从钻孔柱状图根据地质概念模型形成勘探剖面图，需要计算机完成的具体工作有各种工程在剖面位置的投影计算、剖面地层矿体的自动生成、剖面矿体的交互圈定、地层、构造的剖面连接等。利用CAD技术可以满足该需求。

（3）储量估算。储量估算是软件的核心，如果没有这一块，三维可视化就没有了基础。这方面具体工作有：

①传统的储量计算方法。如块段法、断面法等，计算机可以根据专家指令自动生成块段和剖面，传统的通过人工计算断面面积和体积都可以由计算机来完成。②克立格储量计算。包括变差函数计算机和拟合、储量空间结构分析、普通克立格法、泛克立格法、指示克立格法和条件模拟等。③储量管理。可以对任何块段、盘区储量进行分级管理和品位吨位曲线统计等。