地球物理探测三维模型的建立与应用

三维数字可视化模型研究是当前数学地质、石油物探、化探、水电勘察、地质灾害勘察与治理等研究的前沿和热点，也是快速、及时地再现地质体三维信息及综合分析的有效途径。

地球物理勘探的目的（包括煤火探测在内）是尽可能详细地给出勘探区地下空间的地质信息，这其中包括了地层、岩性、构造等信息及几何赋存状态。三维可视化模型是为了在计算机上虚拟三维场景，重现地质构造及地球物理信息的三维分布形态，是正确认识地质构造的重要手段。这能为各种地质、地球物理现象的描述提供科学依据，为工程技术人员提供准确、直观的地质地球物理模型，方便用于分析、量算工作。

我们在乌达煤火区进行的三维建模工作。具体做法是根据地面和航空实测得到的磁、电等地球物理场资料，应用二维和三维反演方法，结合矿区勘探、工程等相关地质资料，使用Surpac Vision软件建立地下煤火分布三维模型，直观地给出煤火燃烧状态与磁、电等地球物理场之间对应关系，建立煤火三维形态与地面或空中磁、电异常之间的三维模型（图5⁃1⁃1）。

图5-1-1 Surpac软件工作主界面

（一）Surpac软件及应用方法

Surpac Vision是大型数字化矿山软件，广泛应用于资源评估、矿山规划、生产计划管理等整个矿山生命期的所有阶段中，可以形成一整套三维立体的和块体的建模工具，可将土建工程设计、三维模型建立、工程数据库构建等完全图形化，并解决复杂工程中境界优化的施工管理。该软件目前已经通过国土资源部的审核认证。

Surpac Vision虽然是面向矿山工程等方面的专业三维数字化软件，但在物探及地质领域应用非常广泛。

（1）Surpac Vision强大的3D图形系统可以直观地生成和显示物探异常的三维构造、地面地形模型以及其他各种图形。建立起逼真的3D物探模型，有利于进行交互式物探解译工作及3D几何设计的展开。

（2）Surpac Vision强大开放灵活的数据库管理功能，有利于处理庞大的地质地球物理数据，有利于技术数据的查询和全面的分析、计算、统计和报表。

（3）Surpac Vision具开放的数据交换方式及二次开发功能，有利于物探与其他各专业的交流协作。

要能够将Surpac可视化软件真正用于地球物理建模工作，必须解决物探测量和解释结果数据输入接口问题。

我们着重做了以下三方面工作。

（1）等值线图输入方法。将物探网格点数据赋予坐标，形成带有三维坐标的离散点数据，然后利用软件的离散点数据接口，将数据输入，再重新网格化，形成等值线图。

（2）电法反演地下三维地质体输入方法。电法反演结果是以剖面形式将地下地质体形态反演出来。对于此类地质体，则需要按一定点距，按照钻孔数据格式将数据输入。

（3）地下三维磁模型数据输入方法。磁法三维反演结果，主要形式是三维多边矩形体，分布范围广。若也采用钻孔形式输入，数据量太大，影响软件运行速度。我们通过研究软件内部格式方法，编程实现地下三维磁模型输入。

（二）煤火三维模型建立结果

根据在乌达煤火区所进行的航磁、航电、高密度电法及氡气测量等物探测量和反演结果，基于Surpac Vision软件，并经过已编制的程序，对所获得的数据进行了三维数字可视化模型处理。处理结果均以数字化形式保存，部分处理结果如图5⁃1⁃2～图5⁃1⁃5所示。

图5-1-2 根据物探反演结果形成的煤火物探测量可视化模型

图5⁃1⁃2下部为根据航磁ΔT异常三维反演结果生成的乌达煤田着火区的地下磁性体三维数字可视化模型。图上部分别为航磁ΔT异常立体彩色等值线图和根据航电测量结果（23250Hz）计算的地下浅层视电阻率立体彩色等值线图。根据本地区岩石物性随温度变化特征规律，图5⁃1⁃2中地下磁性体可能为烧变岩体，磁性较强。与烧变岩体对应的视电阻率也出现高值，推测可能因为烧变岩体温度较高。从图中可以看出航磁及航电异常在空间上比较吻合，在煤矿着火区应用航磁和航电技术进行煤火探测是非常有效快捷的。

图5-1-3 根据高密度电法测量结果形成的煤火物探测量剖面可视化模型

着色以电阻率值为标准

图5-1-4 根据高密度电法测量结果形成的煤火物探测量剖面可视化模型

等值线及着色均以电阻率值为标准

图5⁃1⁃5是在乌达煤田Ⅷ号着火区进行的氡气、温度、能谱、航磁及高密度电法测量结果的叠加效果图。图中黄细线是根据观察圈定的煤火在地表上出露的范围。图中底部为基于高密度电法电阻率180 Ω·m形成的着火区的实体模型，其中红色部分是根据高密度电法测量结果生成的实体，蓝色部分是其外推的实体。叠加效果表明，各种探测异常在三维空间内吻合比较好，表明所应用的探测煤火方法均能够从不同角度有效地圈定煤火异常。

图5-1-5 根据物探结果形成的煤火物探测量可视化模型

基于高密度电法电阻率180 Ω·m形成的着火区的实体模型。其中，红色部分是根据高密度电法测量结果生成的实体，蓝色部分是其外推的实体

（三）三维模型在煤火勘探及灭火中的应用

对乌达煤田着火区物探测量三维数字可视化模型的研究表明：

（1）三维数字可视化模型直观地展示了物探异常的三维形态、规模等各种信息。将物探反演结果进行三维数字化，有利于交互式物探解译工作的进行（图5⁃1⁃2、图5⁃1⁃3、图5⁃1⁃5）。

（2）在煤田防火、灭火工作中，火源位置和着火区范围的圈定无疑对灭火成败起着至关重要的作用，长期以来它一直是煤田防火、灭火研究中的难点和热点问题，至今没有一种十分有效的通用方法。

通过对煤火地下三维数字可视化模型的逼真模拟，可以直观精确地圈定着火区范围，推断火区的规模、燃烧深度和火源位置，为防火和灭火提供可靠的科学数据（图5⁃1⁃2～图5⁃1⁃5）。

（3）在灌注浆防火、灭火工作中，根据煤火三维数字可视化模型，可以有计划地对钻孔进行精确的定位及钻孔深度等参数的科学设计，指导灭火施工，提高灌注浆效果，减少防火灌注中的盲目性（图5⁃1⁃5）。

探测巷道迎头异常地质构造的物探方法主要有地震槽波、探地雷达及瑞雷波，其中，探测深度最大且精度较高的是地震槽波法。例如北京中矿大地研发的YTC-12本安型集中式槽波地震仪具有分辨率高、功能完善、性能稳定、携带方便等特点，是煤矿巷道迎头构造探测常用的物探设备之一。

目前，用物探方法实现采煤工作面高精度建模的主要是北京中矿大地地球探测工程技术有限公司。该公司研发了矿井地震全波形反演技术，被中国煤炭工业协会鉴定为国际领先水平。
地震全波形反演（FWI）是一种高精度、高分辨率的地下介质物性参数反演方法。由于FWI利用了地震记录中全部的运动学和动力学信息，因而具有精细刻画复杂地质构造的能力，适合于对地层进行透明三维地质成像。
基于地震全波形反演成果，结合钻孔、巷道实测素描等多源数据融合分析，可以构建综采工作面精准静态三维地质模型，实现综采工作面地质透明化，为智能煤矿透明地质保障系统提供技术支撑，再不明白自己去百度下。

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在区域地质调查中，区域性物探资料主要用于区域性构造、深部构造以及较大的地质体边界的分析解释等研究。局部性、矿区及异常区的物探资料主要用于异常的查证和指导找矿。

物探找矿的有利条件：地形平坦，因物理场是以水平面作基面，越平坦越好；矿体形态规则；具有相当的规模，矿物成分较稳定；干扰因素少；有较详细的地质资料。最好附近有勘探矿区或开采矿山，有已知的地质资料便于对比。

物探找矿的不利条件：物性差异不明显或物理性质不稳定的地质体；寻找的地质体过小过深，地质条件复杂；干扰因素多，不易区分矿与非矿异常等。

有些矿可以用物探异常作为直接指示找矿的标志。如用放射性法找放射性矿床、使用磁法找磁铁矿矿床等。江苏省冶金地质队以地质为基础，充分分析研究物探异常，直接找到了埋藏较深的隐伏的梅山大铁矿便是很好的实例。但是对某些金属矿床来说，物探方法目前还不能起到直接指示找矿的作用，仅用以探求那些控制成矿的地质因素，成为地质填图的有力手段，间接进行找矿。

当矿体未进行深部工程控制之前，为了减少深部工程（坑道、钻孔）布置的盲目性，可采用适当的物探方法研究矿体的形态和产状。多年来的实践，说明用物探方法，特别是利用重、磁配合研究磁铁矿矿体，或利用激发极化法研究铜、铅等硫化物矿床（体）的形态和产状效果很好。

通过地球物理场的研究，用以寻找盲矿体或隐伏矿体是发挥物探的特长。特别是随着物探技术的发展和物探与地质结合对异常解译能力的提高，使用物探或物、化探配合，能有效地寻找隐伏矿体和盲矿体、追索矿体的延伸、圈出矿体空间位置。如用磁法寻找磁铁矿的盲矿体，用激发极化法找赤铁矿的盲矿体；用磁测井追索矿体的延伸寻找盲矿体等等，均取得了良好的效果，其实例不胜枚举。

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