● 摘要
本文对三维地质建模领域的重要内容━━三维复杂地质体构造建模方法和理论进行了系统的研究，通过对地质构造变化过程的研究并且利用对该过程的简化模拟，提出了一种基于断裂过程模拟的三维复杂地质体构造建模方法，该方法系统地解决了地质体构造建模问题，并且具有用户交互简单，自动化程度较高，以及对于复杂地质构造处理能力强等特点。同时，本文还分析了该过程模拟中的若干关键问题，并设计给出了相应的算法，此外，还针对方法对于复杂输入数据的适应性和后续属性建模的可扩展性进行了研究，最后给出了实际的应用实例。首先介绍了三维地质建模的概念和应用，总结分析了当前地质模型的分类及其优缺点，并且根据国内外建模方法的研究现状，分析了目前三维地质建模方法中仍然存在的一些问题，指出了本文研究内容的重要意义。其次介绍了地质建模中的各种地质现象，对地质现象的成因进行了总结，针对先沉积后断裂所形成的复杂地质构造，提出了基于断裂过程模拟的地质建模方法。该方法在首先构建断层模型的几何形态的基础上，提出了构建断层关系二叉树来刻画断层断裂的时间顺序，并同时实现对地质模型的空间划分，然后通过建立断层空间变形场来模拟计算断层断裂的逆过程，将已知的离散数据恢复变形到原始形貌状态，在原始形貌状态下构造复杂的地质体，然后按照断裂的过程正变形地质构造，自动地构建地质模型。针对建模过程的关键问题，从地质模型表达、断层模型构建、地层面模型构建、地质体模型的生成算法等方面对本文建模方法进行了详细的分析和研究。针对地质模型表达的复杂性，设计了矢量模型和栅格模型相结合的地质模型表达方法，用矢量模型表示构造模型，栅格模型表示属性模型。提出矢量模型的栅格表达方式，能够用二维栅格表示复杂的矢量模型。提出了基于离散数据的断层模型的构建过程，通过定义主辅关系和曲面切割处理断层的相交，采用矩形网格与三角网格相结合的断层表示方法提高算法的效率。提出了断层关系二叉树来描述断层断裂的顺序和断层对空间的划分，并给出相应算法的描述。提出了基于断裂过程模拟的断裂地层面的自动生成算法，首先构建空间变形场，然后通过恢复变形将离散点变形到原始形貌状态，通过断裂变形得到断裂的地层面。采用定义地层之间的主辅关系处理地层之间的尖灭、侵入等地质现象，对于地层面生成时的特殊问题作了分析。针对地层相交情况下的层状地质体生成问题，提出了地层关系二叉树的概念，用地层关系树表示地层模型对空间的划分，在地层关系树和断层关系树的基础给出了层状地质体的构建算法。提出了基于趋势面和厚度插值的透镜体生成算法，能够利用较少的数据生成透镜体。提出一种基于等时面的属性模型构建方法，利用较少的钻井数据生成属性栅格模型。最后简要介绍了基于断裂过程模拟的地质建模算法设计、原型系统实现的流程分析和总体结构图，根据实际勘探得到的数据，给出了冀东油田、渤中油田、地下水地质建模的实例，验证算法的有效性。本文算法已经部分应用于江苏、胜利油田地质建模、中国地质科学院的地下水资源评价三维可视化支撑系统等领域, 解决了地质建模中的关键问题。