三维地质建模技术研究

三维地质建模技术的实践与挑战

在当今的地质领域，三维地质建模技术正逐渐成为一项关键的工具，为地质研究、资源勘探以及工程建设等提供了重要的支持。然而，就像任何新兴技术一样，它在实践中既展现出了显著的优势，也面临着一系列的挑战。

三维地质建模技术是通过整合各种地质数据，如钻孔数据、地震数据、地质剖面图等，运用计算机软件和算法，构建出地质体的三维空间形态和内部结构的一种方法。这种技术能够让地质学家和工程师们更加直观地理解地质构造，从而为后续的工作提供更准确的依据。

在实践应用中，三维地质建模技术为矿产资源勘探带来了极大的便利。通过建立矿床的三维模型，勘探人员可以更清晰地了解矿体的形态、规模和分布规律，从而优化勘探方案，提高勘探效率。例如，在金矿勘探中，三维模型能够准确地展示金矿脉的走向和分支情况，帮助勘探人员确定最佳的钻孔位置，减少不必要的钻探工作，降低勘探成本。

同时，在工程建设领域，如隧道工程、水利工程等，三维地质建模技术也发挥着重要作用。在隧道建设前，通过构建隧道沿线的三维地质模型，可以提前了解地层的分布、岩石的性质以及可能存在的地质灾害，从而制定更加合理的施工方案，保障工程的安全和顺利进行。比如，在穿越复杂地质条件的隧道工程中，三维模型能够帮助工程师提前发现软弱岩层和断层等不良地质体，及时调整隧道的走向和支护措施，避免施工过程中出现坍塌等事故。

此外，三维地质建模技术还在地质灾害预测和防治方面具有重要意义。通过建立地质灾害易发区的三维模型，分析地形地貌、地层结构和岩土体性质等因素，可以更准确地评估地质灾害的风险，为制定有效的防治措施提供科学依据。比如，在滑坡灾害频发的地区，三维模型能够清晰地展示滑坡体的形态和结构，帮助相关部门确定监测点的位置和预警阈值，提高灾害的监测和预警能力。

然而，尽管三维地质建模技术在实践中取得了显著的成果，但也面临着诸多挑战。

首先，数据质量和数据完整性是一个关键问题。地质数据往往具有多源性、复杂性和不确定性，而且在实际采集过程中可能存在误差和缺失。例如，钻孔数据可能由于钻孔位置的偏差、采样间隔的不均匀等原因导致数据不准确；地震数据的分辨率有限，可能无法清晰地反映地质体的细节。这些数据问题会直接影响三维模型的准确性和可靠性。

油气藏三维地质建模研究进展

175 勘探开发2023年第12期

油气田勘探开发的后期进入高含水阶段，为

更好地服务于勘探开发，采用三维地质建模的方

法相当有必要，油气藏地质模型由定性描述到定

量描述是油气藏研究向高阶段发展的体现。油气

藏三维地质建模技术以地质、数学以及计算机等

学科为基础，对油气藏内部结构进行精细刻画，

得到精确反映储层实际情况的模型。三维地质建

模技术首先开展于国外，传入我国以来，储层建

模工作者不断学习、吸收新的建模方法，形成一

套适合我国实际地质情况的建模方法。目前，关

于三维地质建模也存在建模范围局限于碎屑岩储

层、建模方法的选择尚未形成统一标准的问题。

随着计算机技术的进步和三维地质建模理论的完

善，三维地质建模技术逐渐向精细化定量化的方

向发展。

1 油气藏三维地质建模方法

三维地质建模的核心是对模型的三维空间网

格进行赋值，其本质是用已知井点数据（如地质

资料、测井解释资料、地震资料等）模拟井间及

以外区域的地质参数。为了保证赋值过程合理，

首先应保证三维地质模型井数据与资料数据一

致；其次是模型的三维空间分布特征，包括断层产状、断层组合形式、地层接触关系、构造特征

等属性数据的分布，应该与油气田的实际地质特

征一致。油气藏三维地质建模总的可以分为两种

方法，包括确定性建模、随机建模[1]。

1.1 确定性建模

确定性建模以精细的构造模型为基础，对于

井间的未知区域给出确定性的预测结果，即以已

知确定性资料的控制点为基础，推测出井间确定

的、唯一的和真实的储层参数[2]。目前，确定性建

模的方法分为：储层地震学方法、储层沉积学方

法、地质统计学克里金方法、水平井建模方法。

1.2 随机建模

随机建模方法用目前已知的地质信息为基

础，以随机函数为理论基础，应用随机模拟的方

法，产生可选的、等可能的和高精度的储层模型

方法。可选是指所得模型有多个，每个模型都是

对原始地质信息的反映；等可能指三维地质模型

参数的分布特征与现有地质参数的分布特征是一

致的；这种可选性与等可能性反映了由于资料的

基于钻孔数据的三维地质建模可视化研究

摘要：三维地质建模是三维地质信息可视化的核心内容，能够直观的表达复杂地质现象及地质构造，直观的展示地质单元的空间分布和相互关系。当前已经引起地质、采矿、岩土工程等诸多领域的日益重视。本文回顾三维地质建模的发展历程，梳理三维地质建模的相关问题，综合考察多种建模方法，利用地勘钻孔数据、地质剖面数据，基于离散光滑插值算法，建立三维地质模型，并提出一套三维地质流程化建模方法。

关键词：三维地质建模；地质钻孔数据；地质剖面数据；插值算法

1引言

随着科学计算可视化技术和地质信息计算机模拟技术的发展，地质信息三维可视化逐渐称为岩土工程、石油勘探、地质、采矿等领域的日益重视[1]。

传统的地质信息主要通过大量的平面图、剖面图、地勘报告等，将三维空间中的地层、构造、地貌及其他地质现象投影到某一平面上进行二维的表达。不能完整展示地质的空间信息，制图过程繁杂、无法及时更新地质信息，对于简单的地质条件相对适用，但对复杂的岩土条件，其地层变化较大，较大间距的钻孔信息无法全面表述场地的真实地质状况。三维地质建模正是针对传统的地质信息表达的缺陷，借助计算机技术进行可视化展示，从三维空间的角度去表达地质体与地质环境，更直观的表达复杂的地质现象及地质构造，以及对地质单元的空间分布和相互关系进行清晰的展示说明，也能更准确的进行地质分析[2、3]。

最早是由加拿大的 Simon W Houlding[4]在1993年提出三维地质建模这一概念，法国的Mallet教授建立了DSI（Discrete Smooth Interpolation，DSI）方法，进一步推动地质模型的发展[5]。国外对于三维建模及可视化的研究起步较早，目前已推出许多成熟的软件，如GOCAD、AVS、EarthVison等。这些软件在地质结构建模、地震勘探、石油采矿等领域均使用较广[6]。其中GOCAD是基于离散光滑插值技术，可运用于地球物理、地质工程的三维地学模拟软件。国内的三维地质建模及可视化研发方面起步较晚，主要推出的软件有DIMINE、创维超想、MAPGIS等，但大多还处于探索和研究阶段。

隧道工程中的三维地质建模与分析

在现代隧道工程中，三维地质建模与分析是不可或缺的一环。通过对隧道区域的地质进行三维建模和分析，可以为隧道施工提供重要的支持和保障。下面将从三维地质建模方法、应用及优势等方面来探讨隧道工程中的三维地质建模与分析。

一、三维地质建模方法

在隧道工程中，三维地质建模主要通过地质调查、地质勘探、地质资料分析及地质模型构建等方式实现。首先进行的是地质调查和地质勘探，该过程主要是为了了解地下环境的物理和化学属性，包括地质构造、岩性、褶皱、断层、水文地质条件等。其次是地质资料分析，该过程主要是将地质资料转化为数字格式以进行简化和分析，包括地质剖面、地质图、地图时序影像和地层描述等信息。最后是地质模型构建，该过程主要是将地质信息进行数值化计算，以构建三维地质模型。三维地质模型基于地质资料的分析和建模，提供了高精度和可视化的地下信息，以供隧道施工各阶段的工程设计和施工过程中的风险评估。

二、三维地质建模的应用

目前，三维地质建模主要应用于隧道工程的各个方面，包括土层和岩石的勘探和评价、隧道掘进设计、地面和地下水流动模拟、爆破振动分析等。在隧道设计阶段，三维地质模型可以提供有关地下物理和化学属性的大量详细信息，以协助工程师进行隧道设计。隧道施工期，三维地质模型将面临大量的爆破振动、地面和地下水流入及坍塌等难题，该模型可以帮助隧道技术人员进行风险评估，优化隧道设计，提高隧道施工的效率和安全性。

三、三维地质建模的优势

相对于二维和传统的三维地质建模，三维地质建模具有以下明显优势：（1）高精度性：三维地质模型提供了高精度和可视化的地下信息，为工程师和隧道技术人员提供更准确的数据来源。

（2）更自然地模拟地下环境：三维地质模型可以更好地模拟复杂的地下物理和化学环境，如褶皱、断层、岩性和土层结构等，更好地反映了地下的真实环境。

（3）强大的综合应用能力：三维地质模型可以支持多种应用精度，例如大规模的施工模拟，地下水流动模拟以及岩石或土层稳定性评估等。

基于三维地质建模技术的煤矿隐蔽致灾因素透明化研究

基于三维地质建模技术的煤矿隐蔽致灾

因素透明化研究

王嘉伟1，2，王海军1，2，3，吴汉宁1，2，吴艳3，韩珂3，程鑫1，2，董敏涛3

（1. 西北大学地质学系，陕西西安　710069；

2. 西北大学大陆动力学国家重点实验室，陕西西安　710069；

3. 中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西西安　710077）

摘要：隐蔽致灾因素是制约煤矿智能开采建设的关键问题，而三维地质建模是实现隐蔽致灾因素透明化的主

要技术手段。目前煤矿三维地质建模技术以几何建模为主、属性建模为辅，缺少针对隐蔽致灾因素的灾害属性建

模。针对上述问题，以陕北某煤矿作为研究对象，对煤层厚度、顶底板构造起伏、积水区、浅埋煤层地形地貌等隐

蔽致灾因素进行三维地质建模。首先，完成对地质资料、物探、钻探等成果的数字化工作，建立煤矿地质数据库。

其次，利用DepthInsight建模软件从全矿井和工作面2个尺度开展建模工作，即以钻孔分层数据作为地层控制

点，通过煤层及地表等高线、虚拟钻孔等数据联合控制地层层序，并处理初始层面模型中的穿层异常，构建地层面

模型和地质体模型，再运用数字高程模型对工作面进行地表模型构建。然后，采用岩体建模构建采空区、积水区

模型并标注温度、气体等信息，利用工作面回采测量数据构建回采实测模型。最后，创建截断网格模型，通过序贯

高斯模拟生成含水层渗透率、富水系数模型，实现区内水文隐蔽致灾因素透明化显示。基于三维地质模型，从地

层、煤层及工作面、采空区及其积水区、水文属性多角度分析隐蔽致灾因素的分布及影响。研究成果可为煤矿隐

蔽致灾因素的精准治理提供靶区，助力煤矿智能开采建设。

关键词：煤矿三维地质建模；隐蔽致灾因素；地质透明化；几何建模；属性建模

中图分类号：TD67 文献标志码：A

Research on transparency of hidden disaster causing factors in coal mines based on

基于ArcGIS的三维地质建模方法研究

摘要：随着计算机技术、空间信息科学等相关学科的发展，地理信息系统(GIS)已成为解决资源环境领域问题不可或缺的工具。在矿产勘探中，传统的二维剖面图难以满足对地下情况进行分析评价的需求，而三维地质模型可以更加直观地反映出地下情况，为矿产勘探提供了新的思路与手段。因此，建立准确可靠的三维地质模型是十分必要且具有重要意义的。本文重点研究基于ArcGIS的三维地质建模方法，不仅有助于提高矿山企业的生产效率，还可为后续的矿产资源量计算、储量管理等工作奠定良好的基础。

关键词：ArcGIS；三维地质；建模方法；前景

前言：在城市规划、工程建设等领域中，需要对地下空间进行准确的三维地质建模工作，为工程设计提供可靠的基础数据支撑。传统的二维地质建模方法已经不能满足现代化建设需求，因此开展三维地质建模技术研究具有重要意义。

一、基于ArcGIS的三维地质建模概述

（一）三维地质建模定义

在地理信息系统中，三维空间数据模型是对现实世界进行抽象和描述的一种有效手段。它将地理对象(如山体、建筑物等)表示为一个由若干个平面组成的集合，每个平面上可以有属性值并且可以与其他平面相交或不交。通过这种方式，人们能够更加直观地了解和认识这些地理实体以及其之间的相互关系。三维地质建模就是以三维空间数据库为基础，利用计算机图形学原理及算法实现对地下各种地质现象及其相关因素进行模拟、预测和分析的过程。具体来说，三维地质建模主要包括以下几个方面：①建立三维地层格架；②构建三维岩性体系；③建立三维构造框架；④建立地下水流场和溶质运移模型。其中，建立三维地层格架是非常重要的一步，因为它直接影响到后续工作的开展。目前常用的三维地质建模方法主要包括有限元法、离散单元法、边界积分方程法等。这些方法各有优缺点，需要根据实际情况选择合适的方法来完成建模任务。同时，不同的建模区域可能存在多种建模方法可供选择，因此如何综合运用不同的建模方法也成为了一个值得探讨的问题。

三维地质建模方法研究进展

摘要：随着计算机技术和空间信息技术的发展，三维地质建模越来越受到人们的关注。目前，三维地质建模已广泛应用于城市建设、石油、地下水模拟、矿山开采、固体矿产资源储量评价、岩土工程等领域，为经济社会高质量发展提供辅助决策支持。本文根据三维地质建模方法的研究现状，归纳总结了基于钻孔信息的三维地质建模方法、基于剖面的地质建模方法、多条件约束地质建模方法以及特殊地质体建模方法的研究进展，并对其未来发展进行了展望。

关键词：地质建模；三维；钻孔；剖面；地层

三维地质建模技术目前已广泛应用于城市建设、石油、地下水模拟、矿山开采、固体矿产资源储量评价、岩土工程等领域。所谓三维地质建模，就是运用计算机和信息技术，使用适当的数据结构，将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来，在三维环境下，建立起能反映地质构造的形态、各构造要素之间的关系以及地质体空间物性分布等地质特征的定量的数学模型，并应用于地质分析的技术[1-6]。

通过三维地质模型，可以把空间分布不均匀、不连续、通过野外工程勘测或其它仪器测量获得散乱的地质信息通过数学曲面和拟合与现代计算机图形学的方法变成可视的、连续的、形象直观的三维地质模型和图形图像[4]。三维地质模型能够直观有效地表达各种地质结构、地质现象间的拓扑关系，从而迅速提高专业技术人员对地下空间的认识，最大限度发挥空间信息优势，为地质勘探、矿产资源开发利用、城市地下空间管理等提供辅助决策支持，积极主动服务经济社会发展。

1. 三维地质建模方法分类

三维地质建模方法简要分类如下:1)从尺度方面，可分为宏观建模和微观建模。宏观建模主要关注地质现象的区域特征，数据来源主要是地质露头、钻孔、地质解释资料等；微观建模要关注岩石、矿物等的微观特征，数据来源可以是岩石切片、照片和通过仪器直接得到的三维点云等。通常的地质建模多指宏观建模。2)从对地质体内部属性的处理分析，可分为结构建模和属性建模。结构建模侧重于对地质体空间位置、几何形态和空间关系的表达，认为地质体内部属性是均一的；属性建模则通过地质统计学等方法实现地质体内部属性非均一性的表达。3)根据建模所使用的数据源，可分为基于野外数据、基于剖面、基于离散点、基于钻井数据、基于多源数据等。4)从建模的动态性方面可分为静态建模和动态建模。静态建模是地质体在时间序列中某一时刻的切片特征，通常的三维地质建模多指静态建模；动态建模则是对连续变化地质现象的一种表达，如地下水污染、盆地模拟和滑坡模拟等。5)从建模的方法思路方面可分为正演和反演。正演模拟地质体的变化过程；反演侧重于利用现有的结果反演其变化历程[6]。

三维地质建模的用途、现状、问题、趋势与建议

一、三维地质建模的用途

1.1 三维地质建模在资源勘探和开发中的重要性

三维地质建模是利用计算机软件对地质数据进行处理和分析，将地质信息以三维模型的方式呈现出来。这种技术不仅可以帮助地质学家和地质工程师更直观地理解地质情况，还可以为资源勘探和开发提供重要的决策依据。通过三维地质建模，可以更加准确地确定矿藏的分布、构造地质体的形状和空间分布等重要信息，为资源勘探和开发提供可靠的地质依据。

1.2 三维地质建模在工程地质中的应用

除了在资源勘探和开发领域，三维地质建模也在工程地质领域有着重要的应用价值。在土木工程、岩土工程、地下工程等领域，三维地质建模可以帮助工程师更好地理解地下地质情况，预测地质灾害风险，设计合理的工程方案，提高工程施工的安全性和效率。

1.3 三维地质建模在地质科学研究中的意义

在地质科学研究领域，利用三维地质建模技术可以更好地模拟地质过程、研究地质现象，为科学家提供更加直观、可靠的研究工具，推动地质学科的发展。

二、三维地质建模的现状

2.1 技术发展

随着计算机技术和地球科学领域的不断进步，三维地质建模技术得到了快速发展。目前，已经出现了一系列成熟的地质建模软件，这些软件能够处理各种地质数据，实现从二维数据到三维模型的转换，为地质建模提供了强大的工具支持。

2.2 应用广泛

三维地质建模技术已经在资源勘探、矿产开发、地质灾害预测、工程设计等领域得到了广泛的应用。许多重大的地质工程项目都离不开三维地质建模技术的支持，这种技术已经成为地质领域必不可少的工具。

2.3 存在问题

目前，三维地质建模技术仍然存在一些问题，比如数据质量不高、模型精度不够、计算效率低等。这些问题制约了该技术在实际应用中的效果和范围，需要进一步的研究和改进。

三、三维地质建模面临的问题

3.1 数据获取难题

地质数据的获取一直是三维地质建模的难点之一。地质数据涉及到多个学科领域，涵盖了地质勘探、地球物理勘探、地球化学勘探等多个方面，如何整合这些数据并且确保其准确性是一个重大挑战。

地质体三维建模方法与可视化技术现状研究

引言

近年来，针对地学系统的三维地学空间建模已成为3D GIS

(Geographic Information System)和3D GMS(Geosciences

Modeling System)的研究热点和难点[1,2,3]，其实质是在三维建模的基础上对地质体对象的虚拟展观。地质体通常是指地壳内占有一定的空间和有其固有成分并可以与周围物质相区别的地质作用的产物。地质体可由各种类型的数据表述，如钻孔数据、地形数据、岩石和土壤数据、地球物理和水文数据等[4]。地质体三维建模，就是基于三维的环境，利用地质统计学，结合空间信息管理技术和预测技术，对地质体进行三维空间构建，并对其进行地质解释。它是由地质勘探、数学地质、地球物理、矿山测量、矿井地质、GIS、图形图像和科学计算可视化等学科交叉而形成的一门新兴学科。

自加拿大学者Simon. W. Houlding 于1993年提出三维地质建模(3d Geoscience Modeling)的概念[5]以来，很多人都在致力于三维数据模型的研究，地质体三维建模随即得到了快速的发展，到现在已经形成了一系列的理论与方法。按Rongxing Li [6]的研究，构建三维地质数据模型的方法可分为表面建模法和实体建模法两大类[7]，其核心是数据结构。至此，表面建模相对较成熟，而实体建模正处于热研究状态。

1 地质体三维建模方法

国内外在地质体三维建模这一领域研究十分广泛，但其中最关键的技术之一是对建模方法的研究，其关键点在于如何将数值数据映射到几何空间[8]。目前应用到的数据建模方法有几十种，主要可归纳为基于体的建模方法、基于面的建模方法、基于混合的建模方法、基于泛权的建模方法及基于地质统计的建模方法[9]。

1.1 基于体的建模方法基于体的建模方法[10]是通过3D空间的体元分割和真3D实体表达来实现的。体元的属性可以独立描述和存储，因而可以进行3D空间操作和分析。体元模型可以按体元的面数分为四面体(Tetrahedral)、六面体(Hexahedral)、棱柱体(Prismatic)和多面体(Polyhedral)等类型，也可以根据体元的规整性分为规则体元和不规则体元两个大类。规则体元包括CSG、Voxel、Octree、Needle和Regular Block共5种模型，不规则体元包括TEN、Pyramid、TP、Geocelluar、Irregular Block、Solid、3D Voronoi和GTP共8种模型(表1)。

三维地质建模技术在油田基础地质研究中的应用

【摘要】随着科技的日新月异，中国已经正式步入信息时代，三维地质建模技术也已经正式的提交到了社会发展必要的面前。

【关键词】三维地质建模；油田地质研究；三维可视化技术

油田开发和油田采集是当今油田基础地质研究中应当攻克的难题。传统的地质勘查准确率较低，且需要大量的人力、物力和财力，操作复杂、时间较长，改革和创新已成为油田基础地质研究的重中之重。三维地质建模已是油田开发工作的基础，是现代科学技术的表现体，综合了信息收集、信息测量、信息存储、信息管理、信息传递、信息显示、信息传送和信息应用。

1、三维地质建模技术

1.1基本概念信息时代是当今社会的发展趋势，也是当今社会重要的组成部分，通过社会对信息的需求，空间信息这一新生名词应运而生。空间信息是社会发展和经济需求所产生的，包括全球定位和地理信息等需要利用实时信息的技术，采用计算机、网络和通信的技术手段对目标事物进行信息收集、信息测量、信息存储、信息管理、信息传递、信息显示、信息传送和信息应用，更进一步的达到“数字地球”。

传统的地质勘查准确率较低，且需要大量的人力、物力和财力，操作复杂、时间较长，已经不能满足石油工程的要求和需要。以新科技为基础研发的三维地质建模打破了传统的勘查，实现了三维视觉化，更清晰、更立体、更真实的描述了地质构造。对特殊要求的

目标可以进行实时、全方位的监控，得到用户所需要的数据。

1.2三维地质建模三维地质模型最有贡献是钻孔数据。钻孔是由许多散开的点组成，在地质勘查中，对钻孔数据进行统计和分析，可以详细的描绘出地下层的状态，有利于油田工程的建设，使油田采集和油田勘查变得更为简单、更为方便。

构造模型分为宏观地层、亚构地层和微构地层三种。宏观地层是模型网格的描绘者和补充者，还是构造模型大体框架的组织者；网格数据和地形信息数据所结合起来就是宏观底层，此外还包括层位数据和分层数据。亚构地层是在宏观地层所描绘出来的大体构架中再次进行一个中等层次的分层，还包括小层数据和曾为数据。微构地层是在进行一个中等层次分层的亚构地层基础上再次进行紧密的划分。