三维地质体建模难点分析

一个广义上的三维地质体模型可作如下描述：在野外地质勘探和室内地质资料分析的基础上，利用计算机量化（数字化）描述地质对象的几何形态、拓扑关系（地质结构体间的空间关系）和物性等信息，其包含的元素层次有点（地质点）、线（钻孔平硐路径）、曲面（地层面、断层面等）、交线（地层与断层交线）、闭合区域体（断块、岩脉等）、网络（断层网络）、属性（年代、密度、孔隙度等）；通过对研究区域内这些对象的一维、二维和三维信息数据综合解释后，重构建立而成的复杂整体计算机模型即为广义上的通用三维地质模型。

由该定义可知，建立一个客观准确的三维地质模型必须获得足够的原始采样地质数据、能够真实反映复杂地下空间关系的地质解译分析和合适的数据结构，因此，目前复杂地质体的三维建模主要面临的困难可归纳为以下四点。

1.原始地质数据获取的艰难性

三维地质建模的准确性很大程度上依赖于原始输入的地质数据。然而，一方面由于经费的限制，通常难以采集足够的样本数据以解决许多不确定问题，只能获取一些非常不全面、有时甚至是相互冲突的信息；另一方面在于所获得的剖面数据缺乏解释和源于遥感的数据较为模糊，等等。这使得模型的建立相当困难，而且导致无法客观准确地描述整体区域内的地质构造和空间属性的变化特征。因此，基于原始离散的地质数据进行合理、快速的空间构造解译分析是三维地质建模的基础。

2.地下地质体及其空间关系的极端复杂性

断层、岩脉等将地层切割成不连续的空间分布，岩体内复杂的岩性变化以及地质构造过程的动态性等使得地质信息三维建模的自然环境变得异常复杂。地质体中包含如断层、岩脉侵入体、倒转褶皱等多值面的地质结构，增加了三维地质建模数据结构、拓扑关系及相应算法的复杂程度，缺乏成熟的解决方案，使得重建的三维模型信息存储量异常巨大，无法满足实际分析应用。因而，针对实际的应用目标，提供合适的三维数据结构模型，解决地质体复杂、模型数据量大与模型需满足实时分析要求的矛盾，是地质三维建模面临的最大困难之一。

3.地质体属性的未知性与不确定性

这实际上是由稀疏的不充足采样数据和地质体的复杂性共同决定的，而且影响地质体属性的不确定因素很多，如相互矛盾的信息源、地质条件的变化等。然而，工程实际所需要的地质模型却要求是已知且确定的，传统的二维地质解译图仅仅局限于有限不连续的剖面，其间的构造形态需要地质工程师或设计人员自己去想象，这就存在主观上的不确定性。因此，如何将地质专家的经验认识和先进的智能推断预测技术有机地结合起来，尽可能消除地质体属性的未知与不确定因素，客观合理地构建以整个区域地质体为解释对象的三维地质模型，具有很大的挑战性。

4.三维地质分析能力的局限性

基于上述分析，由于地质数据的缺乏，地质环境中存在的复杂性、不连续性、未知性和不确定性等客观因素，以及三维地质建模不同的应用目标等主观因素，使得三维地质模型的建立缺乏统一而完备的理论技术，导致现有的相关系统缺乏专业的三维地质分析能力。因而结合所属领域开展三维地质建模理论体系研究，有针对性地开发完整且专业的建模与分析系统，显得尤为实用和必要。

在三维地质体建模选择数据结构模型时，首先必须对这些复杂性有足够的认识。而其中最为复杂的还是地质体对象，其复杂性主要体现在以下三个方面。

（1）几何形态的复杂性。地质体是在漫长的地质历史过程中，由各种不同的地质过程综合作用而成。大多数的地质体在初期是由沉积作用或岩浆作用所形成的，几何形态比较简单；复杂性来自于后期的侵蚀、岩浆侵入或变质作用。对于计算机表达来说，最显著的复杂性来自于各期构造运动，它们造成地层的隆起、褶皱、剪切、断裂、位移乃至倒转等。用计算机来表达地质实体，要求数据结构具有处理离散、不规则和三维空间地质体的能力（图4-1、图4-2）。

图4-1 地质体空间结构示意图

图4-2 地层 断层空间关系示意图

（2）信息源的复杂性。地质工作者进行地质调查，往往采用不同的手段，这使得所获取的地质信息有各种各样不同的来源，最常用的有钻孔平硐资料、地形测量数据、地质制图剖面资料和遥感影像等。为了得到令人满意的表达效果，必须提供合适的数据模型对这些信息进行综合处理。

（3）地质条件变化的复杂性。地质条件在不同的地区是不同的，有的是简单的层状地层，而有的是极端复杂的褶皱和断层的复合体，对于计算机表达来说，应该能够提供可供选择的建模机制，以便用来处理各种不同的地质条件。

因此，三维地质模型应该包含对研究区域内各种地质对象的几何特征、拓扑关系和属性信息等的综合表达。