基于GMS的北京順平地區(qū)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

沈媛媛，郭高軒，辛寶東，許 亮，劉久榮

（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195）

0 引言

計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展使得三維可視化技術(shù)趨于成熟，靈活便捷且信息豐富的三維可視化表達(dá)成為應(yīng)用于城市規(guī)劃、礦產(chǎn)勘查、石油勘探等領(lǐng)域的有效技術(shù)手段[1]。可視化的三維地質(zhì)模型能夠直觀、靈活再現(xiàn)地質(zhì)體特征，近年來(lái)廣泛運(yùn)用到地質(zhì)和水文地質(zhì)領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)對(duì)三維地質(zhì)建模算法開展了大量研究工作[2～5]，并研發(fā)出三維地層建模系統(tǒng)[6]，能夠滿足大多數(shù)三維地質(zhì)建模的要求，但廣泛通用的軟件較少。國(guó)際上較為流行的軟件有GOCAD、Earth Vision、Lynx等[7]。其中GMS（Groundwater Modeling System）軟件以其良好的圖形界面、強(qiáng)大的前、后處理功能和優(yōu)良的三維可視效果得到了廣泛認(rèn)可，成為國(guó)際上最受歡迎的地下水模擬軟件之一。軟件中的地層模擬模塊，能夠以鉆孔資料為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型可視化程度高，實(shí)現(xiàn)了任意位置的剖面切割展示，并能夠在地層結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上直接建立地下水?dāng)?shù)值模型，為區(qū)域地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的深入研究提供便利。以往基于GMS構(gòu)建的地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型多以平原區(qū)第四系地層為主，對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)區(qū)的應(yīng)用還較少[8～13]。

本文擬基于GMS地下水模擬軟件，以典型復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)地區(qū)—北京順義平谷（簡(jiǎn)稱順平）巖溶水分布區(qū)為例，充分利用該區(qū)地球物理勘探、鉆探等工作獲取的鉆孔、地質(zhì)剖面圖和基巖地質(zhì)圖等多源數(shù)據(jù)，結(jié)合以往工作成果，融合虛擬鉆孔方法，構(gòu)建北京順平地區(qū)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，揭示區(qū)域地層空間分布特征，為認(rèn)識(shí)區(qū)域地質(zhì)條件及后續(xù)地下水?dāng)?shù)值模擬和水資源評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐。為復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多源數(shù)據(jù)支持下的準(zhǔn)確可視化表達(dá)提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京市的東北部，西臨順義趙全營(yíng)，北接密云縣，東與河北省興隆縣、天津市薊縣相連，南部與河北省三河市相接，地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°41′～117°24′，北緯40°01′～40°26′。地形總體上北高南低，北部、東和東南為山區(qū)與丘陵，中部的平谷盆地在西南與華北平原相連，最高海拔在東北部山區(qū)達(dá)1000m以上，平原區(qū)最低處位于泃河河床，海拔高程僅為12m?？偯娣e為1508km2。

區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，地層類型從太古宇到新生界第四系均有分布，由老至新包括密云群片麻巖、長(zhǎng)城系、薊縣系、青白口系、寒武系、奧陶系、石炭－二疊和侏羅系，盆地中部廣泛分布第四系堆積物，第四系厚度由山前幾十米到盆地中心大于600m。密云群片麻巖主要分布于北部山區(qū)，長(zhǎng)城系主要分布于北部山區(qū)和盆地底部北側(cè)，巖性以白云巖為主，碎屑巖次之。薊縣系地層主要分布在山前和中部，巖性以碳酸鹽巖為主。青白口系、寒武系、奧陶系、石炭-二疊和侏羅系地層，集中分布在研究區(qū)西部，構(gòu)成大孫各莊向斜。第四系地層分布于平原區(qū)，主要由潮白河和泃河、洳河沖洪積作用形成，第四系厚度較大。區(qū)域褶皺和斷裂構(gòu)造發(fā)育，褶皺構(gòu)造主要有關(guān)上-萬(wàn)莊背斜，大孫各莊向斜。斷裂構(gòu)造包括東西向、北北東向、北東向、北西向等多組斷裂，規(guī)模較大的有夏墊-馬坊斷裂和二十里長(zhǎng)山斷裂帶[14]。山區(qū)分布多個(gè)隱伏巖體，平原區(qū)有二十里長(zhǎng)山等殘山出露。

研究區(qū)地形變化大、地層類型多、構(gòu)造發(fā)育、分布有侵入巖體，地表出露殘山，具有復(fù)雜地質(zhì)體特征。

2 模型構(gòu)建方法及數(shù)據(jù)

2.1 建模方法

GMS軟件是由美國(guó)Brigham Young University 的環(huán)境模型研究實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)軍隊(duì)排水工程試驗(yàn)工作站在綜合MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D等已有地下水功能模塊基礎(chǔ)上開發(fā)的綜合性用于地下水模擬的圖形界面軟件。近年來(lái)地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化的需求逐漸增加，GMS軟件的地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模功能逐漸被應(yīng)用。構(gòu)建三維地層結(jié)構(gòu)模型主要應(yīng)用Boreholes、TINs、Solids功能模塊[15]，其中Boreholes用于管理鉆孔數(shù)據(jù)，生成鉆孔柱狀體，為構(gòu)建三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)體提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；TINs模塊為三角網(wǎng)格面，能夠?qū)Ⅻc(diǎn)數(shù)據(jù)差值轉(zhuǎn)化為各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在界面上的空間展布；Solids為地層實(shí)體模塊，即利用Boreholes及TINs等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)生成地質(zhì)實(shí)體。

本次以鉆孔數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)建三維含水層結(jié)構(gòu)模型，方法如下：①首先建立鉆孔柱狀體，利用Boreholes模塊，輸入整理好的鉆孔數(shù)據(jù)，每個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)包括鉆孔編號(hào)、地理坐標(biāo)（X,Y），頂板高程，巖性代碼，地層序號(hào)等。②將地質(zhì)剖面圖用虛擬鉆孔來(lái)表達(dá)[16-17]，建立鉆孔柱狀體。③利用生成的鉆孔建立地質(zhì)剖面。④利用DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)獲取地表高程值，差值生成地表三角網(wǎng)絡(luò)（TINs），并利用地表三角網(wǎng)絡(luò)對(duì)地質(zhì)剖面的地表高程進(jìn)行修正。⑤利用地理底圖限定模型范圍，生成區(qū)域邊界圖層，由圖層生成相應(yīng)范圍的TINs，即不規(guī)則三角網(wǎng)絡(luò)。三角網(wǎng)格根據(jù)設(shè)定的空間步長(zhǎng)對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行剖分。⑥利用鉆孔數(shù)據(jù)中地層序號(hào)，根據(jù)TIINs限定的范圍和剖分精度，將鉆孔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為地質(zhì)實(shí)體Solids（圖1）。

圖1 構(gòu)建地質(zhì)結(jié)構(gòu)體流程圖

2.2 建模數(shù)據(jù)

北京順平巖溶水分布區(qū)通過(guò)本次“北京巖溶水資源勘查評(píng)價(jià)工程”項(xiàng)目，綜合運(yùn)用遙感、水文地質(zhì)物探、鉆探等技術(shù)獲取了大量地質(zhì)數(shù)據(jù)，為該區(qū)地質(zhì)模型構(gòu)建提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（1）點(diǎn)狀數(shù)據(jù)。本次新施工的深層基巖勘探孔數(shù)據(jù)17個(gè)，鉆孔深度均在800～1000m，總進(jìn)尺15517.51m。收集歷史鉆孔數(shù)據(jù)232個(gè)，鉆孔深度在50～1000m之間，其中深度在50～200m的鉆孔150個(gè)，深度200～1000m的鉆孔82個(gè)；根據(jù)地質(zhì)平面圖和剖面圖設(shè)置的虛擬鉆孔287個(gè)。共計(jì)536個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)。

圖2 鉆孔和地質(zhì)剖面分布圖

（2）線狀數(shù)據(jù)?；谖锾胶豌@探成果及以往研究成果繪制的高程在-1000m以內(nèi)的18條地質(zhì)剖面（圖2）。地質(zhì)剖面位置的選取考慮了區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造分布特征，選擇沿西部大孫各莊向斜走向方向及切割向斜核部的方向?yàn)槠拭娌荚O(shè)位置，在構(gòu)造復(fù)雜區(qū)加密剖面數(shù)量。每個(gè)剖面上有兩個(gè)以上鉆孔數(shù)據(jù)?；谖锾焦ぷ鞯牡刭|(zhì)剖面刻畫出了深部地層的巖性和展布特征，彌補(bǔ)深層鉆孔數(shù)據(jù)量較少的不足。

（3）面狀數(shù)據(jù)。DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度為30m*30m，用于校正地表高程。基巖地質(zhì)圖用于控制不同巖性地層的空間分布范圍。基于鉆孔、地質(zhì)剖面圖、基巖地質(zhì)圖、數(shù)字高程數(shù)據(jù)等多源的點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)為三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)體的構(gòu)造提供了有力保證。

3 順平地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型和分析

3.1 模型構(gòu)建

首先，將區(qū)域內(nèi)鉆孔數(shù)據(jù)整理成數(shù)據(jù)輸入的格式，并賦巖性代碼和地層序號(hào)值，輸入到建模軟件中，生成鉆孔柱狀體。本次研究重點(diǎn)為基巖含水層，將地層劃分到系，模型以-1000m作為模型底界標(biāo)高，以太古宇沙廠組片麻巖和隱伏侵入巖體作為模型底部第一層，其上長(zhǎng)城系地層為模型第二層，薊縣系為第三層，青白口系為第四層，寒武系和奧陶系分別為第五層和第六層，石炭－二疊－侏羅系為模型第七層，對(duì)第四系地層描述采取高度概化的辦法，分為淺層第四系和深層第四系，分別作為模型的第八層和第九層，根據(jù)以上分類對(duì)每個(gè)鉆孔賦巖性代碼和地層序號(hào)（表1）。

基巖地質(zhì)剖面圖是考慮了區(qū)域地質(zhì)、地球物理勘探、鉆探成果的綜合性圖件。基于此的地質(zhì)剖面圖攜帶了更為豐富的地質(zhì)信息，反映了區(qū)域斷裂構(gòu)造和侵入巖體等特征。將地質(zhì)剖面圖用虛擬鉆孔形式表達(dá)，即在巖性變化點(diǎn)、斷層構(gòu)造點(diǎn)、地層頂板高程拐點(diǎn)等處設(shè)置虛擬鉆孔，用鉆孔數(shù)據(jù)形式表達(dá)該處地層巖性、標(biāo)高等信息。按照剖面展布位置連接鉆孔生成地質(zhì)剖面，并用DEM數(shù)據(jù)校正地表高程，形成聯(lián)合剖面。最后，利用模擬范圍圖層和基巖地質(zhì)圖等面層數(shù)據(jù)限定模型邊界以及巖性分布區(qū)域，根據(jù)鉆孔和剖面生成順平地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)體（圖3）。三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)體能夠分層展示各地層的空間展布，并能夠進(jìn)行任意方向的剖面切割展示。從展示效果看出，模型對(duì)于山區(qū)地表高程的起伏變化描述的精度較高，能夠?qū)EM數(shù)據(jù)精度直接反映到模型中。地層巖性的復(fù)雜變化，斷層等利用虛擬鉆孔的方式得到了較好的體現(xiàn)（圖3）。

表1 巖性代碼和地層序號(hào)

圖3 研究區(qū)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

3.2 模型功能與分析

（1）三維模型立體展示。從構(gòu)建的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型分層展示圖可以看出（圖4），長(zhǎng)城系地層主要分布在山區(qū)，部分長(zhǎng)城系地層延展到平原區(qū)中部，薊縣系地層主要分布在山前地帶和平原區(qū)，西部地區(qū)為呈帶狀分布的青白口系、寒武系地層，西南部集中分布奧陶系和石炭-二疊-侏羅系地層，模型地層分布特征符合區(qū)域地質(zhì)條件。三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型能夠任意角度旋轉(zhuǎn)，并進(jìn)行任意位置的剖面切割展示?？梢暬牡貙咏Y(jié)構(gòu)模型形象直觀的展示了地層的立體結(jié)構(gòu)，為深入分析區(qū)域地質(zhì)特征提供了便利。

圖4 三維結(jié)構(gòu)模型地層分層展示圖

（2）輔助水文地質(zhì)條件分析?；贕MS構(gòu)建地質(zhì)結(jié)構(gòu)體，當(dāng)對(duì)各地層賦以含水層參數(shù)后，能夠直接轉(zhuǎn)化為地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的水文地質(zhì)概念模型。該區(qū)地層并不是自下而上平行均勻展布，呈現(xiàn)出區(qū)塊狀分布的特征。地質(zhì)結(jié)構(gòu)體特征的表達(dá)為含水層的概化、水文地質(zhì)參數(shù)的分區(qū)，山區(qū)和平原區(qū)間水力聯(lián)系分析，不同巖性含水層水力聯(lián)系分析提供了依據(jù)。另外，模型給出了各分層的地層體積（表2），為區(qū)域地下水資源儲(chǔ)量估算提供了定量數(shù)據(jù)。

表2 各地層體積及比例

（3）輔助鉆孔設(shè)計(jì)。以往進(jìn)行鉆孔設(shè)計(jì)時(shí)，僅依據(jù)臨近地質(zhì)鉆孔資料作為參考，本文建立的三維地質(zhì)模型具備任意旋轉(zhuǎn)和切割功能，當(dāng)需要在某一地點(diǎn)設(shè)計(jì)施工鉆孔時(shí)，模型能快速給出該點(diǎn)處垂向的地層巖性，而且由于模型綜合了區(qū)域地質(zhì)、地球物理勘探、鉆探等多種信息，其給出的設(shè)計(jì)依據(jù)較單孔數(shù)據(jù)更為可靠。

4 結(jié)論

（1）基于GMS軟件中Boreholes、TINs和Solids模塊，利用鉆孔數(shù)據(jù)、地質(zhì)剖面圖及區(qū)域地質(zhì)圖和DEM等點(diǎn)、線、面形式的多源數(shù)據(jù)，構(gòu)建了可視化的順平地區(qū)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。模型根據(jù)地層巖性分為9層，較真實(shí)的反應(yīng)了區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)。模型構(gòu)建方法可行，為復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)區(qū)模型構(gòu)建提供了參考。

（2）順平三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型能夠進(jìn)行任意方向旋轉(zhuǎn)，地層的分層展示，任意位置的剖面切割。地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型為認(rèn)識(shí)區(qū)域地質(zhì)條件提供了便捷的工具，為建立區(qū)域地下水流數(shù)值模型奠定了基礎(chǔ)。

（3）地質(zhì)結(jié)構(gòu)體模型的精度依賴于建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基于多源數(shù)據(jù)建模對(duì)提高模型可信度具有重要作用。另外，模型的構(gòu)建包含了建模者的概化思想，根據(jù)建模目的不同，地層的分層、合并，局部地層的省略、簡(jiǎn)化等處理會(huì)有所差異。

[1]吳沖龍，何珍文，翁正平等.地質(zhì)數(shù)據(jù)三維可視化的屬性、分類和關(guān)鍵技術(shù)[J].地質(zhì)通報(bào)，2011,30（5）：642～649.

[2]武 強(qiáng)，徐 華.三維地質(zhì)建模與可視化方法研究[J].中國(guó)科學(xué)D輯地球科學(xué)，2004，34（1）：54～60.

[3]林冰仙，周良辰，閭國(guó)年.虛擬鉆孔控制的三維地質(zhì)體模型構(gòu)建方法[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)，2013,15（5）：672～679.

[4]朱良峰，孫建中，張成娟.沉積地層系統(tǒng)三維實(shí)體模型構(gòu)建方法[J].巖土力學(xué)，2012, 33（11）：3243～3250.

[5]從威青，潘 懋，呂才玉等.三維地質(zhì)建模及可視化系統(tǒng)在安慶銅礦勘查中的應(yīng)用[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009,45（4）：633～638.

[6]李青元，張麗云，魏占營(yíng)等.三維地質(zhì)建模軟件發(fā)展現(xiàn)狀及問(wèn)題探討[J].地質(zhì)學(xué)刊，2013，37(4):554～561.

[7]潘 懋，方 裕，屈紅剛.三維地質(zhì)建模若干基本問(wèn)題探討[J].地理與地理信息科學(xué)，2005，23(3):1～5.

[8]張海濤，許光泉，李佩全等.基于GMS的隔水層水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化分析[J].人民黃河，2010,32（9）：42～43.

[9]賈瑞亮，周金龍，劉延鋒等.應(yīng)用GMS軟件構(gòu)建三維含水層結(jié)構(gòu)模型[J].節(jié)水灌溉，2014，（1）：57～59.

[10]王麗霞，劉 芳，唐澤軍.基于GMS的石羊河流域含水層空間結(jié)構(gòu)變化的可視化研究[J].干旱區(qū)地理，2011,34（1）：62～69.

[11]陳正華，周 斌，鄧 智.基于GMS的武山礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化模型[J].安全與環(huán)境工程，2012,19（4）：125～128.

[12]謝 軼，蘇小四，高淑琴.基于GMS支持下的大慶地下水庫(kù)區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化模型[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），2006,36（增刊）：51～54.

[13]梁煦楓，王 哲，曾永剛.基于GMS的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化研究—以天山北麓為例[J].地下水，2006,28（6）：79～82.

[14]北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì).北京市平谷應(yīng)急供水工程中橋地區(qū)基巖地下水供水水文地質(zhì)勘察評(píng)價(jià)報(bào)告[R].2004年3月.

[15]易立新，徐鶴.地下水?dāng)?shù)值模擬：GMS應(yīng)用基礎(chǔ)與實(shí)例[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2009,39～40.

[16]田宜平，吳沖龍，董志.引入虛擬鉆孔的地層鏈接推理與地質(zhì)體建模[J].地質(zhì)科技情報(bào)，2010,29（5）：117～120.

[17]周良辰，林冰仙，閭國(guó)年.虛擬鉆孔控制的地質(zhì)剖面圖構(gòu)建算法與實(shí)現(xiàn)[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)，2013,15（3）：356～361.