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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）。 
运用物理学的原理和方法，使用专门的仪器设备，沿钻井（钻孔）剖面测量岩石的物性参数，包括电阻率，声波速度，岩石密度，射线俘获及发射能力等参数。根据这些参数，了解井下地质学信息及资源赋存状态。工程人员根据对这些信息的研究，发现并评价资源（包括石油、天然气、煤、金属、非金属、地热、地下水等资源）的储量和赋存状态。在此基础上，制定各种资源的合理有效的开发方案。也就是说，地球物理测井是包括油气藏、煤、水资源、金属及非金属等各种资源勘探开发极其重要的技术手段。甚至在城市的市政规划中地基勘测、高速铁路建设及地铁建设中也发挥着重要的作用。岩石和矿物有不同的物理特性，如导电特性、声波特性、放射性等。这些特性统称为岩石和矿物的物理性质。在地球物理勘探中相应地建立了许多种测井方法，如电法测井、声波测井、放射性测井和气测井等。地球物理测井的应用范围如下：确定井剖面的岩石性质，评价油（气）、水层，发现煤、金属、放射性等矿藏，并确定其埋藏深度及有效厚度；测量计算储量所需要的各种地质参数，如岩性成分、孔隙度、饱和度、渗透率煤田储量计算参数等；确定地层倾角、岩层走向和方位，以及钻孔倾角和方位角，研究沉积环境等；检查井下技术情况，如检查固井质量和套管破裂情况等；发现和研究地下水源（淡地层水）。
随着勘探领域的扩大与深入，遇到的地质条件越来越复杂，地球物理勘探将面临多种多样的问题。其中主要问题可以概括为以下3个方面，今后的发展也将围绕克服这些问题而开展。提高微弱地球物理信号的采集与处理水平地球物理勘探技术是依据对观测的地球物理场数据的分析来实现探测目的的。因此，数据采集是地球物理工作的基础。历史的发展充分说明，数据采集精度的提高，使得地球物理探测的应用效果、应用范围不断扩大。例如重力仪的精度从20世纪50年代的(2～4)×10-5m/s2提高到目前的(01～03)×10-5m/s2，使得重力勘探的能力和应用范围大大加强和拓宽。地球物理方法和理论的进展，需要数据采集技术的进步作保证才能得以实现。世界上所有地球物理技术发达的国家，都有强大的仪器研究与制造业做后盾。为了使我国地球物理工作的发展居于世界先进水平，也必然要加强仪器的研制。其中包括：①高性能探测换能器的研制，如新型地震检波器和核射线探测器等；②高性能人工源的研制，在地球物理方法中，除观测重力场和磁场等天然场的方法之外，有许多是借助人工场激发的物理场进行的，如地震勘探和大部分电法勘探，为了获得更多的地质信息，场源往往起很大作用，因此，各种场源的研究，也会是今后发展的一个重要方面，如高性能的震源、大功率的电源、高产额的射线源等；③高性能数据记录系统的研制，随着方法的进步，数据量的加大，要求记录系统有更高的性能，例如三维地震和高密度电法，都要求仪器的道数增加。为了提高探测的分辨率，则要求记录系统的带宽和动态范围加大等。地球物理数据处理的目的是消除各种干扰因素，突出所需的地质信息。这些干扰因素包括：与测量技术有关的影响因素、环境影响因素以及非研究目标的其他地质因素的影响等。不同地球物理方法，受各种因素的影响程度不同，因而处理的重点和方法也不相同。以地震勘探为例，为了提高数据的精度，需要消除近地表因素对一致性的影响；为了有效地提高分辨率，需要进行提高信噪比处理；在反射倾角比较大时，为了减少空间假频，需要进行道内插处理；为了提高解释精度，需要进行提高地震数据的保真处理等。非均匀地质体的探测与描述几何形体简单、物性分布均匀、埋藏深度较浅且易于发现的矿产资源，今后将越来越少，物探人员面对的将是岩性不均匀、结构与构造复杂、物理性质在纵向和横向上均有较大变化，并且埋藏较深、地质条件复杂的勘探对象。为了查明空间上不均匀变化的对象，必须获得足够的能表征地下内部结构和性质的参数，才有可能比较细致地勾画出对象的复杂特征。所谓足够的参数，一是指参数的种类，二是指每种参数的数量。为了清晰显示研究对象的空间特征，近20年来各种物理场的成像研究取得很大进展，包括地震波成像、电磁波成像和位场成像等。地震波成像可以在地面、井间和井地之间进行。在已知速度的情况下可以进行几何结构成像，或已知几何结构的情况下进行物性结构成像。地震波成像在石油天然气勘探中已取得一些实用的效果，其中突出的实例如利用叠前深度偏移清楚地获得了古潜山的内幕(杨长春等，1996)，但是目前地震勘探实际观测的主要还是纵波的垂直分量，多波多分量的观测与应用研究还只是开始。另外，实际地下介质不仅具有纵向和横向的不均匀性，而且具有纵向横向的各向差异性。只有充分地利用地震波的多种信息，才能够对岩性变化、裂隙的发育状况和孔隙中流体的性质有更准确的了解。井向地震波层析成像比地面地震的分辨率高，随着井下设备的发展，将成为开发地震的重要工具。单井地震波成像即保持井下地震波不受表层干扰的优点，同时不受需要两口井的限制，有可能得到较大发展。超声波井壁成像是成像技术在油田勘探中的另一项重要应用，它可以划分裂缝发育层段，从而有效地圈定裂缝储层，目前它的分辨率还比较低，定量解释技术有待开发。电磁波成像包括低频的电磁感应法和大地电磁测深，以及高频的探地雷达成像等。电磁波成像也可以在地面、井下、井间或井地间进行。相对于地震波成像，电磁波成像的方法理论和技术还处于发展的初始阶段，许多地方沿用了地震波成像的方法技术。但是由于描述电磁波传播过程的方程中含有扩散项，且其传播常数为复数，因此采用地震波成像方法和技术处理电磁波成像问题，往往得不到理想的效果。目前，低频电磁波成像的应用还处于萌芽阶段(何继善1997)，因此，电磁波成像的进一步发展，必须根据自身的特点探索新的路子。由于高频电磁波方程可以简化为类似于弹性波的波动方程，所以探地雷达的数据处理和解释多采用反射地震的方法技术，主要修改在于尺度标定和参数选择。跨孔的高频电磁波成像，当井间距离不大时，在探测高导金属矿体和溶洞方向已取得一些成功实例。为了提高高频电磁波法对几何结构的分辨率，发展针对其动力学特征的处理技术势在必然(王妙月等，1998)。随着数据采集技术的改进，直流电阻率法成像方法近年来也取得了一些进展。在理论上，直流电阻率法成像与地震波和电磁波成像方法不同，直流电场由拉普拉斯方程描述。由于直流电阻率法观测设备与野外作业方法简单、探测深度较大，因此在油气勘探、金属矿勘探和工程勘查中应用前景更广阔。地球物理对复杂对象的探测，是在计算机技术迅猛发展的带动下才得以实现的。成像技术的特点是未知数多，观测数据量大，只有观测信息对每个未知数的覆盖次数足够多，才能使解出的未知数比较可靠。同样，地球物理勘探结果可视化的需求也推动了计算机技术的进步，并且计算机将在今后的地球物理数据的运算中起主要作用。综合利用多种信息，减少地球物理反问题的多解性地球物理勘探是通过在地表、空中或井下局部地球物理场的观测结果，去分析推断地下不能直接观测部分物质的性质和形态。由于物质形态和性质变化对地球物理场影响的等效现象，使得反问题解答不唯一。如果再考虑观测误差和干扰等因素的影响，以及描述物理场的数学表达和计算方法的不精细，问题就进一步复杂化。从某种意义上讲，地球物理探测技术就是围绕着如何减少多解性的影响，给出更可靠的地质答案这一目的向前发展的。今后仍将沿这个方向继续前进。地球物理探测的对象越复杂，表征其性质、结构和构造的变数越多。另外，不同的地质对象可能具有某些相同的物理性质。因此，为准确描述一个复杂的探测对象，或区分不同的研究对象，都应该综合利用多种信息，这已成为广大研究人员的共识。例如在油气勘探中，除地震、测井数据综合外，综合使用其他勘探数据，如重磁勘探和电法勘探数据，在处理复杂地质条件的问题时，也是非常重要的。随着多种信息综合应用的进展，油气勘探研究思路也在发生变化。油储地球物理的发展就是一个很好的说明(刘光鼎等，1998)。可以预计，随着复杂探测对象的不断出现，将推动综合信息找矿方法进一步发展。同时，将推动下列几个方面的研究向前发展。1)新方法和新参数的探索：地球物理勘探理论和方法在客观需要的推动下，始终是在不断完善已有方法和探索新的方法两个方面同时前进的。新的物理参数的应用，将减小多解性的影响，例如，当地震波被利用之后，通过纵横波综合利用，大大减小了对岩性判断的不确定性。地震勘探中对多波多分量的研究，电法勘探中地电化学法和电磁导弹的研究，以及震电效应和震磁效应的研究等，都是为探索新方法和新参数所做努力的一部分。当地球物理数据中不含有足够的地质信息时，只依靠数据处理是达不到目的的，必须增加新的物性参数以补充和丰富地球物理数据中携带的地质信息，再通过适当的数据处理方法才有可能获得可靠的地质结论。2)“直接”找矿和“间接”找矿相结合(孙文珂，1991；赵文津，1991)：“直接”找矿是根据矿体或矿体群产生的地球物理场异常直接指出矿体或矿体群的属性、具体位置或其他有关情况。“间接”找矿是根据矿床的直接控矿因素及近矿围岩引起的异常现象指出矿床可能的分布地段。为了正确确定物探的任务是“直接”找矿还是“间接”找矿，就需要正确了解勘探对象的地质、地球物理特点，建立目标物的地质-地球物理模型。地球物理勘探的目的是要对地质单元作精细的刻画，因此模型首先是以地质模型为基础。通过模型建立将得出最佳的勘探工作程序和方法组合，即勘查工作模式，以及识别目标物的标志，即预测目的物的准则(孙文珂，1988，1991)。预测准则就是能指示或圈出矿产资源目的物存在的有效标志信息组合或系统。在这个系统中，如果既包括“直接”找矿信息，又包括“间接”找矿信息，将会大大减小解的非唯一性的影响。通过矿床成因模式的研究，使人们对不同的成矿地质背景下不同类型矿床的成因及矿床赋存条件，能有一个比较清楚的了解。因此，借助于矿床成因模式，人们可以获得清楚的找矿思路和找矿工作方向。地球物理工作者在矿床成因模式的基础上，结合地球物理场的特征分析，逐步形成了比较完整的综合找矿模式，用以指导勘查工作和作为资料解释的依据。按照“模式找矿”的思路，国内外都有许多成功的找矿实例(何继善，1997；赵文津，1991)。然而，矿床模式只能代表人们当时对已取得的矿床特征、矿床成因认识的总和。地质情况的变化是十分复杂的，完全相同的情况是很难遇到的。因此，既要重视模式找矿，同时又要考虑到会不会有未包括在已概括的找矿模式之内的新类型矿床或新的矿产资源。特别是在一个新的地区不要拘泥于某一种模式。3)正反演方法的改进：地质现象十分复杂，其物理场特征的数学表述不够准确，往往是造成正反演不准确的原因。例如，一个非线性问题，往往由于不恰当的用线性近似处理，得不到好的结果。因此，地球物理工作者应不断吸收数学等相关学科的最新成果，来改进地球物理正反演方法，以取得可靠的地质效果。4)多参数联合反演：对同一研究对象的两种以上物理场的观测结果，或同一种物性参数两种以上不同观测方式得到的结果进行联合反演，是减小解非唯一性影响的有效途径之一(王家映，1997)。5)数据综合管理：为了有效地实现多种信息综合应用，数据的综合管理是关键因素之一。地球物理与地质数据类型的多样性和数据量的不断增大，使得数据管理的任务更加复杂。为了能有效地存储和管理大量的勘探数据，提出了数据仓储概念，以便为多种数据集成创造条件。小结通过简单的介绍物探方法的分类、实质、特点及地球物理勘探在资源勘查中的作用，地球物理勘探面临的任务、问题及发展趋势，激励学生学习热情，树立信心，努力掌握物探技术。复习思考题何谓地球物理勘探?地球物理勘探面临的任务?地球物理勘探在资源勘查中的作用?
