礦區地質動力區劃趨勢面分析的可視化軟件系統

朱廣軼,鄭仰發,張華興

(1.沈陽大學建筑工程學院,遼寧沈陽 110044;2.天地科技股份有限公司開采設計事業部,北京 100013)

礦區地質動力區劃趨勢面分析的可視化軟件系統

朱廣軼1,鄭仰發1,張華興2

(1.沈陽大學建筑工程學院,遼寧沈陽 110044;2.天地科技股份有限公司開采設計事業部,北京 100013)

地質動力區劃是礦區防治多種地質災害的新方法?；谮厔菝娣治隼碚摵?3次樣條插值函數及VB調用 CAD二次開發成圖技術,構建了地質趨勢面分析的可視化軟件系統。綜合礦區地質地形圖、震中分布圖、地下勘察及地應力測量結果,軟件系統可有效區劃出活動斷裂,從而為煤礦開采設計與瓦斯動力事故等災害預防提供科學理論依據。

地質動力區劃;地質趨勢面;可視化系統;活動斷裂

地質動力區劃首創于俄羅斯地質力學與礦山測量研究院[1],是近十幾年發展起來的集地質動力學、測量學、板塊學說、地球物理學、巖體力學等多學科的研究成果,旨在探討研究區域內各種動力過程,以及參與該過程的地球能量場。通過對地形地貌、構造物理、河流水系的考察分析,同地質構造、地震分布、地球物理、航片、衛星照片等圖紙資料進行對比,確定研究區域內各級 (活動)斷塊圖及斷塊間的相互作用。利用地應力測量、數值分析、GIS等技術手段,以斷塊圖為模型,進行原巖應力計算,確定應力場的特性,為工程活動的防災減災提供科學理論依據。

在采礦領域,地質動力區劃方法對礦區地質災害預測分析具有時間短、工程評價費用低、效果顯著等特點,并且已在國內多個礦區得到了卓有成效的應用[2-3]。地質趨勢面分析法是地質動力區劃進行構造斷塊劃分最行之有效的方法,屬于常用的數學地質方法[4],適用于對平面和空間中分布的各種觀測資料進行統計與擬合分析。

目前,我國還沒有自主產權的地質趨勢面分析專用軟件。本文構建了地質趨勢面分析的可視化軟件系統,這不僅彌補了國內此領域的空白,而且開創了地質動力區劃可視化運用的新思路,對逐步完善地質動力區劃方法具有一定意義。

1 趨勢面分析理論

1.1 理論模型

在理論上,原始觀測面一般可以分解為 3部分:區域趨勢,局部異常,隨機干擾[4]。所謂區域趨勢是指遍及全區的,較大規模地質作用的反映;局部異常是由規模比研究區小的地質作用所產生的,其影響在區域內并非處處可見的隨機分量;隨機干擾,一般認為是由抽樣誤差和觀測誤差組成,不包括系統誤差。統計學理論指出,隨機成分的分離是有條件的,要求有重復抽樣的觀測數據,這在地質工作中往往難以做到[4]。因此,在實際工作中,只要求分離其中的兩種成分,從而理論模型在實際應用時就可表述為:

上述模型中,局部異常分量必然包含隨機干擾分量,只不過局部異常分量處于主導地位,而隨機分量所占的比重很小。分析思路是分別將分離開的分量作圖,然后作地質解釋,一般只作等值線圖,有時也作傾向剖面投影圖。

1.2 數學模型

理論模型 (1)在數學上用函數式表述:

式中,Hi為第 i點的實測值,ui為第 i點處東西方向的坐標值,vi為第 i點處南北向的坐標值,ei為第 i點處的擬合剩余值,p為 u坐標值的最高冪次, q為 v坐標值的最高冪次,ajk是 u為 j次冪,v為 k次冪的多項式系數,n為觀測點數。

要建立趨勢面擬合函數,重要的是求出待定系數 ajk,一般采用最小二乘準則。根據微積分原理,可以得到多元線性方程組的矩陣方程:

其中,m為擬合多項式函數的最高次數,r與m間的關系式:

將 n組非規則分布觀測點的三維坐標代入(3)式,解算出系數 a0,a1,…,ar后回代入式(2),就可求得趨勢值與剩余值。

1.3 斷裂構造的地質特征

斷裂構造在觀測面上往往表現為一條直線或曲線,在殘差圖上可表觀為細長的帶狀正異常 (往往對應于隱伏的逆斷層)或負異常 (往往對應于隱伏的正斷層),也可以是由大剩余值構成的,并列的正負剩余帶或梯度陡變帶?？傊?只要在殘差圖中有帶狀分布的異常出現,就有理由區劃該異常為斷裂的反映。這種斷裂識別法是一種基礎判別的方法,能大概地確定斷裂的位置和走向。

2 可視化軟件系統

該趨勢面分析計算的可視化系統根據地質測量所得三維數據為基礎,其核心程序包括:利用順序、選擇、循環結構編制矩陣式 (3)的趨勢面擬合函數常系數的求解程序,及計算觀測點的趨勢值和剩余值,采用3次樣條插值函數與VB調用 CAD二次開發成圖技術,將所得文件數據繪制成趨勢圖、殘差圖。系統具體的運行過程如圖 1示。

圖 1 趨勢面分析可視化系統技術路線

3 工程應用

大興井田區域內地質構造發育[3]。大興礦地處北北東向展布的向斜盆狀構造區,西南側為井田盆狀構造中心,也是沉降中心。北翼平緩,為 5°左右,南翼陡,為 20～30°,西翼陡,約 40°,東翼平緩,為 5°左右。盆軸南北兩端呈抬起形態。

3.1 Ⅱ級斷裂趨勢面分析

在大興井田包括邊界西部的較大區域內,依據地質測量所得三維數據,選用實用性較強的二次擬合函數,利用可視化程序進行趨勢面分析計算,可得到擬合趨勢面函數相關參數值 (表 1)和大興井田Ⅱ級斷裂的二次殘差圖 (圖 2)。

表1 大興井田擬合趨勢面參數值

圖2 大興井田二次擬合殘差分布

分析圖 2作地質解釋:在殘差圖上可明顯發現較大等高距的梯度陡變帶、并列的正負剩余帶。據斷裂構造的地質特征,可初步判定該殘差圖中 0線帶為曲線斷裂。該斷裂延伸區域范圍較大,可劃為Ⅱ級斷裂。將該Ⅱ級斷裂與相應地形圖,地震震中分布圖對照,其位置方向均吻合較好,因此,可判定該斷裂為活動斷裂。

3.2 大興井田活動斷塊區劃

對大興井田較大區域進行地質動力區劃,在不同比例尺的地形圖上,利用趨勢面分析可視化程序系統劃分不同等級的斷裂。殘差圖結合各類圖紙資料與測量結果,準確劃分出各級活動斷裂。

Ⅰ,Ⅱ級活動斷裂主要依據殘差圖與震中分布圖綜合對照進行確定。同 1∶100×104遼寧及渤海周圍地震震中分布圖相比較,Ⅰ,Ⅱ級斷裂吻合的較好,Ⅰ,Ⅱ級斷裂基本上在震中分布帶上,在Ⅰ,Ⅱ級斷裂交界處附近,是地震分布的最大密度位置。以上表明:Ⅰ,Ⅱ級斷裂在現代地殼運動中起主導控制作用。

在劃分Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ級活動斷裂時,利用本可視化系統進行趨勢面擬合分析后,考察主要溝谷、坡腳線、河流的膝狀彎曲、鞍部、等高線輪廓等特征,結合地下地質勘查 (節理面、擦痕等構造形跡)、地應力測量結果等多因素綜合分析來確定。大興井田區劃具體結果如圖 3示。

圖3 大興井田活動斷塊區劃結果

4 結 論

(1)地質動力區劃為防治礦區多種地質災害開創了新途徑,趨勢面分析法是地質動力區劃最行之有效的方法。本文基于趨勢面分析理論與可視化編程軟件 VB調用 CAD二次開發成圖技術,構建了地質動力區劃趨勢面分析計算的可視化系統。通過分析該可視化系統繪制的殘差圖,能夠有效確定斷裂位置和方向。

(2)在大興井田范圍內進行趨勢面分析,結合礦區地質地形圖、震中分布圖、地下勘察及地應力測量結果等資料,準確區劃出該井田區域內的活動斷塊?；顒訑嗔褬嬙旄浇堑V區地質災害的高發區,活動斷塊的準確劃分對煤礦開采設計、瓦斯動力事故預防等,具有重要指導作用和理論意義。

[1]И . М.佩圖霍夫,И . М.巴杜金娜.地下地質動力學 [M].王 麗,陳學華譯.北京:煤炭工業出版社,2006.

[2]朱廣軼,高智廣,郝 哲,等.地質動力區劃在鶴崗城區的應用 [J].遼寧工程技術大學學報,2005,24(5):646-648.

[3]朱廣軼,李保東,張 忠.大興井田地質動力區劃研究 [J].煤礦安全,2005,36(3):1-3.

[4]張啟銳 .地質趨勢面分析 [M].北京:科學出版社,1990.

[責任編輯:周景林]

Visualization Software System of Trend Face Analysis ofM ine GeologicalDynam ic D ivision

ZHU Guang-yi1,ZHENG Yang-fa1,ZHANG Hua-xing2

(1.Architecture Engineering School,ShenyangUniversity,Shenyang 110044,China; 2.CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China)

Geological dynamic division was a new method of preventing geological disasters.This paper constructed a visualized software system of trend face analysis on the basis of trend face analysis theory,thrice spline interpolation function and CAD second developmentwith VB.This software could effectively find active fault by combining geological figure,epicenter contribution figure,underground exploration and geo-stress survey result,which provided scientific basis formining design and preventingmethane dynamic disaster.

geological dynamic division;geological trend face;visualization system;active fault

TD163

A

1006-6225(2010)06-0031-03

2010-07-15

國家重點科技攻關項目 (96-223-01-03-04)

朱廣軼 (1962-),男,遼寧喀左人,教授,研究生導師,主要從事礦區巖層移動控制與防災減災方面的研究。