唐山市鉆孔第四系三維層序—構造建模與分析★

孫 剛 隋建波 劉晶晶

(中國地震應急搜救中心，北京 100049)

0 引言

唐山市是我國地震重點監(jiān)視區(qū)，歷史上曾發(fā)生1976年7.8級城市直下型地震，導致嚴重的人員傷亡和巨大的經濟損失，整個唐山市近乎被毀滅［1］。近年來唐山市經濟發(fā)展迅速，城市擴大快，城市急需開展具有防御城市直下型地震災害能力的城市規(guī)劃與建設。

本文利用三維可視化地質建模軟件將收集的唐山市鉆孔資料進行數(shù)值模擬，給出唐山市第四系地下三維結構模型，分析唐山市可能的地下斷層及活動性。

1 鉆孔數(shù)據(jù)選取

本文收集和整理唐山市工程地質、水文地質、城市建設以及河北省城市活斷層與地震危險性評價項目(唐山市項目)鉆探的鉆孔資料，共計117個場地，1 573個鉆孔，通過篩選整理，確定最終用于三維建模的鉆孔共199個。對這199個鉆孔進行地層劃分，建立唐山市第四紀鉆孔數(shù)據(jù)庫(見表1)。對各類鉆孔進行統(tǒng)一數(shù)字化，形成數(shù)字化的鉆孔分布圖。唐山市區(qū)主要發(fā)育三條第四紀斷裂，分別是陡河斷裂(F1)、巍山—豐南斷裂(F2)、唐山地震斷裂帶(F3)。

表1 鉆孔層序分層數(shù)據(jù)表(部分)

2 三維建模流程

本文建模流程主要包括基礎資料的處理、鉆孔數(shù)據(jù)庫的建立、三維建模數(shù)據(jù)體的生成、三維建模與成果輸出等。建模采用ArcGIS和MVS軟件完成，主要考慮ArcGIS的地理信息處理與分析功能，MVS軟件的地質地球物理數(shù)據(jù)綜合分析能力較強，有利于后續(xù)三維綜合建模和數(shù)據(jù)庫建設。

建模流程圖見圖1。

圖1 三維建模流程圖

3 三維建模成果輸出

3.1 三維數(shù)據(jù)體的生成

MVS對三維地質數(shù)據(jù)的格式有一定要求，本文首先是將處理好的層序分層數(shù)據(jù)，通過程序處理為MVS可以導入的數(shù)據(jù)格式。這一數(shù)據(jù)格式主要包括兩個部分:頭文件區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)，如圖2所示，頭文件區(qū)給出了每列數(shù)據(jù)的屬性，數(shù)據(jù)區(qū)為鉆孔數(shù)據(jù)內容，每行代表一個鉆孔，每列代表鉆孔的一種屬性，如坐標、高程、層底埋深等［2-4］。

圖2 MVS三維建模格式（部分）

3.2 數(shù)據(jù)導入與插值

將上述經處理的數(shù)據(jù)體，導入MVS軟件中，形成空間的點，這些點具有高程和各層序界面埋深等屬性。在MVS中可對這些點的高程或某一數(shù)值屬性進行插值，形成地表和各層序界面的空間曲面。

3.3 三維模型的建立

經過曲面擬合(克里金插值)之后，可以以各層面為基礎構建三維地質體，各幾何體代表了不同層序組的厚度空間變化，形成的地質體見圖3。在三維地質體的基礎上，可以生成三維剖面，沿南北、東西或其他任意方向，剖面可以使我們在不同角度觀察各層位之間的關系，包括空間形態(tài)和厚度變化，更好的輔助沉積和構造演化分析，圖4是一組剖面的示意圖。最終形成唐山市區(qū)層序—構造格架三維地質體、各層序界面的空間起伏與厚度變化圖［5，6］。

4 三維建模成果分析

圖3 建模生成的三維地質體

圖4 一組三維剖面

4.1 Qh構造空間展布分析

圖5為Qh的側視圖。

從圖5中可以看出:Qh的底界整體上較為平緩，沉積厚度的變化不大。陡河斷裂(F1)、巍山—豐南斷裂(F2)、唐山地震斷裂帶(F3)對地層的變化的控制不是很明顯，說明三條斷裂在Qh以來沒有活動的跡象。

圖5 Qh構造底板起伏形態(tài)（側視）

圖6 構造底板起伏形態(tài)（側視）

而唐山地震斷裂帶(F3)的東側的沉降區(qū)域非常明顯，斷層兩側沉積基底有較大的變化，說明唐山地震斷裂帶(F3)在此時較為活動，對地層沉積都有一定的控制作用。

圖7 構造底板起伏形態(tài)（側視）

5 結語

本文收集、整理和分析了唐山市區(qū)199個典型鉆孔的資料，對鉆孔巖性分層和層序進行分層并建立了數(shù)據(jù)庫。根據(jù)典型鉆孔數(shù)據(jù)庫和層序—構造格架，基于三維構造建模MVS和ArcGIS軟件平臺，建立了唐山市目標區(qū)第四系層序—構造格架三維模型，給出包括唐山市目標區(qū)層序—構造格架三維地質體、各層序界面的空間起伏與厚度變化、典型地層剖面等圖件，實現(xiàn)了目標區(qū)三維地質建模與可視化。

對唐山市區(qū)晚第四紀地層各層段特征、地層—沉積格架和三維建模的綜合分析表明，陡河斷裂(F1)、巍山—豐南斷裂(F2)對晚第四紀地層的控制不是很明顯，說明它們以來活動較弱。唐山地震斷裂帶(F3)在以前，對地層的控制較為明顯，斷裂兩側變化較大，表現(xiàn)為斷裂西側隆起，東側凹陷，體現(xiàn)出唐山地震斷裂帶(F3)為以來斷層活動性及其對沉積的控制作用。

［1］劉 亢.唐山地區(qū)強震復發(fā)特征與發(fā)震構造深淺部耦合關系綜合研究［D］.北京:中國地震局地質研究所博士學位論文，2011:5-10.

［2］曹代勇，李青元，朱小弟，等.地質構造三維可視化模型探討［J］.地質與勘探，2001，37(4):60-62.

［3］曹代勇，王占剛.三維地質模型可視化中直接交互的實現(xiàn)［J］.中國礦業(yè)大學學報，2004，33(4):78-80.

［4］李亦綱，曲國勝，陳建強.城市鉆孔數(shù)據(jù)地下三維地質建模軟件實現(xiàn)［J］.地質通報，2005(5):68-74.

［5］王家華.克里金地質繪圖技術——計算機的模型和算法［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1999.

［6］武 強，徐 華.三維地質建模與可視化方法研究［J］.中國科學 D 輯，2004，34(1):54-60.

［7］楊承先.唐山、湯陰斷陷地質結構及其活動性［J］.地震地質，1984，6(3):59-66.

［8］閆純有.唐山地區(qū)地貌與構造［J］.河北建筑科技學院學報，2000，17(4):63-65.