基于GMS的三維地質(zhì)模型的建立

郭　輝

(1.黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080；2.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，長春 750000)

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基于GMS的三維地質(zhì)模型的建立

郭輝1、2

(1.黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080；2.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，長春 750000)

摘要：三維地質(zhì)模型是近代出現(xiàn)以計(jì)算機(jī)為工具，對地層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)解釋、空間位置等進(jìn)行三維空間模擬，從而更形象的用于描述、解釋在實(shí)際工程研究中的地質(zhì)問題。GMS系統(tǒng)軟件是以地下水及水環(huán)境為主要研究對象的水資源、水環(huán)境方面的專業(yè)軟件，但地質(zhì)建模卻是水資源、水環(huán)境問題研究的基礎(chǔ)。因此，合理的三維地質(zhì)模型的建立是合理解決水資源、水環(huán)境問題的基礎(chǔ)要求，也是對地質(zhì)及水文地質(zhì)條件理解的最優(yōu)表達(dá)，文章以尚志市某地域工程為例，展示了合理創(chuàng)建三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的過程及三維地質(zhì)模型對地質(zhì)問題的解釋問題。

關(guān)鍵詞：GMS；三維空間；地質(zhì)模型；建模方法；應(yīng)用

1工作區(qū)概況

工作區(qū)位于黑龍江省東南部，尚志市西部，隸屬黑龍江省尚志市管轄，是尚志市政府、市委所在地，集全市政治、經(jīng)濟(jì)、文化、信息為一體的綜合城鎮(zhèn)中心。西距黑龍江省會哈爾濱市120 km，東距國際滑雪場亞布力60 km，地理座標(biāo)為E44°27′～45°36′，N127°17′～129°12′。全鎮(zhèn)總?cè)丝?11,414人。

尚志鎮(zhèn)地處松花江流域螞蜒河干流中游，地勢較平坦，四周低山發(fā)育。西距黑龍江省會哈爾濱市145 km，綏滿高速公路、濱綏鐵路、方莊公路、301國道于境內(nèi)縱橫交錯。本次工作區(qū)位于螞蟻河干流長壽—河北村段，亮珠河、螞蟻河以北，交通暢通。

1.1　地形地貌

工作區(qū)主要屬于螞蟻河中游，中部廣大地區(qū)為螞蟻河河谷沖、洪積平原，西南和東北部局部為殘陵。區(qū)內(nèi)地勢較為平坦，局部起伏不平，地形以西南、西北高，東北、東南低為趨勢發(fā)育，最高處西南部殘丘絕對高程為278.20m，最低處為螞蟻河沿岸，地面高程約173.00 m，相對高程差約104 m 。

根據(jù)地貌成因類型、地勢形態(tài)特征，將地貌單元劃分見圖1、表1：

圖1　地貌單元劃分示意圖

成因類型代號型態(tài)單代號剝蝕地形Ⅰ丘陵Ⅰ剝蝕堆積地形Ⅱ波狀臺地Ⅱ堆積地形Ⅲ一級階地Ⅲ1高漫灘Ⅲ2低漫灘Ⅲ3

1.2　地層

區(qū)內(nèi)出露地層主要為新生界第三系和第四系，地層簡表見表2：

表2　地層簡表

各個時代的地層構(gòu)造、結(jié)構(gòu)及巖性特征由老至新敘述如下[1]：

1.2.1第三系(N)

工作區(qū)內(nèi)主要為中更新統(tǒng)~上更新統(tǒng)孫吳組(N1-2S)，廣泛分布于工作區(qū)第四系地層之下，地表未見出露，主要巖性為灰藍(lán)色、灰綠色、淺灰色、灰白色、棕紅色砂礫巖、砂巖、泥巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖等互層，厚度>200 m。

1.2.2第四系(Q)

工作區(qū)內(nèi)第四系主要分布于波狀臺地、螞蟻河一級階地、螞蟻河(高、低)漫灘區(qū)，主要包括中更新統(tǒng)冰水湖積層、沖積層，上更新統(tǒng)沖-洪積層、冰水洪積層，全新統(tǒng)沖積層?，F(xiàn)由老到新分述如下：

1.2.2.1中更新統(tǒng)(Q2)

1)下荒山組沖積層(alQ21x)

分布于工作區(qū)西北部條帶狀臺地下部，覆蓋于第三系地層之上，為第四系上荒山組覆蓋，厚度約為5～8 m。巖性為灰白色、灰色圓礫，分選差，級配不良，顆粒磨圓較好。

2)上荒山組冰水湖積層(fgl+lQ22s)

工作區(qū)分布于東、西部臺地區(qū)，東部直接覆蓋于第三系地層之上，西部覆蓋于下荒山組沖積層(alQ21x)之上，其上由哈爾濱組(fgl+plQ32hr)所覆蓋，厚度4～10 m，揭露巖性為灰色、淺灰色粉質(zhì)黏土。

1.2.2.2上更新統(tǒng)(Q3)

1)哈爾濱組冰水洪積層(fgl+plQ32hr)

廣泛分布于工作區(qū)波狀臺地上部，厚度變化大，約為3～18 m 。揭露巖性為黃色、淺黃色、黃褐色粉質(zhì)黏土，可見斷續(xù)狀、柱狀節(jié)理。

2)顧?quán)l(xiāng)屯組沖洪積層(al+plQ33g)

分布于工作區(qū)螞蟻河一級階地區(qū)，伏于前第四系地層之上，厚度為15～21 m不等。揭露巖性主要為：上部為灰黃色、黃色粉質(zhì)黏土，厚度<4 m，下部為淺灰色、灰色砂礫、圓礫等，局部地段夾有灰色粉質(zhì)黏土透鏡體，顆粒分選較好，級配一般，磨園較差。

1.2.2.3全新統(tǒng)(Q4)

1)高漫灘沖積層(alQ41)

分布于工作區(qū)螞蟻河高漫灘區(qū)，覆蓋于前第四系地層之上，厚度約為12～20 m。揭露巖性上部黃色、褐黃色粉質(zhì)黏土，厚度一般<2.0 m，下部為黃褐色、黃色、灰黃色、灰色礫砂、圓礫等，局部包含黃色、灰色粉質(zhì)黏土透鏡體，顆粒分選一般，級配較好，磨園較好。

2)現(xiàn)代河床及低漫灘沖積層(alQ42)

分布于工作區(qū)螞蟻河低漫灘區(qū)，覆于螞蟻河高漫灘沖積層(alQ41)之上，厚度約為4～10 m。揭露巖性上部為黃色、黃褐色粉質(zhì)黏土，厚度一般<1.0 m，下部為黃褐色、黃色、淺黃色礫砂，灰色、灰白色圓礫等，顆粒分選良好，級配較差，顆粒磨圓度較好。

1.3　侵入巖

工作區(qū)內(nèi)東北部和西南部殘丘有華力西晚期侵入巖(γ43)出露，巖性主要為花崗巖。

2三維地層結(jié)構(gòu)模型的建立

為了能夠?qū)Φ貙咏Y(jié)構(gòu)更完整、直觀、便捷的認(rèn)識，建立三維地層結(jié)構(gòu)模型是不錯的選擇。三維地層結(jié)構(gòu)模型匯集地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件為一體，能夠?qū)崿F(xiàn)對地層特征的“即時對照、全方位視角、多角度剖切”[2]。

2.1　建立方法

三維地層結(jié)構(gòu)模型，就是利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，在3D立體空間下，將研究區(qū)的勘探數(shù)據(jù)、地質(zhì)解譯、地學(xué)統(tǒng)計(jì)、空間信息管理、空間分析、空間預(yù)測、實(shí)體內(nèi)容分析、圖形數(shù)字化、圖形可視化等工具結(jié)合起來，用于地質(zhì)研究一門三維空間模擬技術(shù)。如今在地質(zhì)工程領(lǐng)域各個學(xué)科、行業(yè)都有自己特色專業(yè)軟件。GMS(Grongdwater Moeling System)地下水模擬系統(tǒng)是水文地質(zhì)專業(yè)、水環(huán)境專業(yè)廣泛應(yīng)用的軟件，利用Borehole(鉆孔)和Solid(實(shí)體)等模塊完成構(gòu)建，具體作法為：

1)將測繪的cad地形圖保存以dwgdxf矢量圖，在GIS模塊中導(dǎo)入GMS軟件。

2)通過cad to TIN 命令轉(zhuǎn)換生成TIN date 文件。

3)在Borehole模塊中錄入鉆孔數(shù)據(jù)，或?qū)@孔記錄數(shù)據(jù)整理成軟件識別的*.txt文本文檔導(dǎo)入生成鉆孔數(shù)據(jù)。

4)在Borehole模塊下通過Horizons→Solid命令，將Borehole鉆孔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為Solid地層結(jié)構(gòu)實(shí)體，從而創(chuàng)建地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。

為了使構(gòu)建的地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型看起來更加清楚、美觀，可利用GIS、MAP、TINs、2D Scatter Point、Ugrid及3DMeSh等模塊，對工作區(qū)的地理要素、地質(zhì)解釋等以圖片格式導(dǎo)入GMS中，與地質(zhì)模型進(jìn)行覆蓋、融合。

2.2　三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型建立的過程[3]

2.2.1地層的概化

為了方便地質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，結(jié)合地層特征，工作區(qū)地層結(jié)構(gòu)從上向而下概化為9層：

1)第四系螞蟻河低漫灘區(qū)黏性土層①；

2)第四系螞蟻河低漫灘區(qū)砂、砂礫石層⑤；

3)第四系螞蟻河高漫灘區(qū)黏性土層②；

4)第四系螞蟻河高漫灘區(qū)砂、砂礫石層⑥；

5)第四系螞蟻河一級階地區(qū)黏性土層③；

6)第四系螞蟻河一級階地區(qū)砂、砂礫石層⑦；

7)第四系山前臺地區(qū)黏性土層④；

8)第四系山前臺地區(qū)砂、砂礫石層⑧；

9)第三系地層、華力西晚期侵入巖，包括泥巖、砂巖層、花崗巖層⑨。

2.2.2建立三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型是根據(jù)工作區(qū)9個鉆孔和6個剖面資料以及根據(jù)區(qū)域地質(zhì)條件中描述的相關(guān)信息推測的n個鉆孔建立的，為了增加模型、圖幅的美觀性，觀測的方便性，將模型在Z坐標(biāo)軸方向上放大20倍，鉆孔布置見圖3。

2.2.3三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的應(yīng)用

2.2.3.1不同位置地層結(jié)構(gòu)剖面展示

觀測者可以根據(jù)所需就不同位置的地層結(jié)構(gòu)靈活的觀察、了解地質(zhì)鉆孔、地層(圖4、圖5)。例如，文章在工作區(qū)任意切了3條剖面(圖6)每條剖面都能清晰的對相應(yīng)位置的地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行展示(圖7、8、9)，即A-A＇剖面(河北村-長河村-東興屯)、B-B＇剖面(韓發(fā)屯—耿家屯)和C-C＇剖面(東杜家屯-政安村)。剖面圖的剖切簡單、迅捷，并能清晰的展示所構(gòu)建模型中各位置地層的分布特征，如地層巖性、地層厚度等[4]。

圖2　鉆孔布置圖

圖3　部分鉆孔數(shù)據(jù)展示圖

圖4　三維地層展示圖

圖5　剖面布置圖

圖6　三維地質(zhì)模型A-A′剖面展示圖

圖7　三維地質(zhì)模型B-B′剖面展示圖

圖8　三維地質(zhì)模型C-C′剖面展示圖

2.2.3.2不同位置的組合剖面展示

對任意位置進(jìn)行獨(dú)立的剖面展示之外，還可組合不同剖面進(jìn)行立體組合展示，展示整體地層結(jié)構(gòu)的輪廓。本文以A-A’，B-B’，C-C’三個剖面圖為例，將其組合展示如圖10所示。

圖9　剖面組合展示圖

2.2.3.3任意地層分布形態(tài)展示

日常工作中往往需要對相同、相近的巖性合并，統(tǒng)計(jì)展示其工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特性(如：力學(xué)特征、滲透性等)。這就需要對不同地層的分布特征進(jìn)行分析。三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型能便捷、直觀的展示不同地層的成因概況、分布特征。例如，工作區(qū)第四系黏性土層組合形態(tài)展示圖(圖11)表明，黏性土層在整個工作區(qū)均有分布，由西北側(cè)山前波狀臺地(約16~40 m)、中部螞蟻河一級階地(約5~26 m)以及東南部螞蟻河漫灘區(qū)(0.5~5.0 m)其厚度依次遞減。而砂性土主要分布在螞蟻河漫灘和螞蟻河一級階地上，地層厚度約為30 m，厚度較大；在螞蟻河一級階地與山前臺地交界處砂和砂礫石厚度變?yōu)? m。第四系砂、砂礫石層分布特征展示圖見圖12。

圖10　第四系黏土層組合展示圖

圖11　第7層礫石層組合展示圖

2.2.3.4不同高程處的地層 結(jié)構(gòu)平面展示

三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型還可以直觀、快捷的了解任意高程處都有哪些地層分布及不同巖性地層分布的范圍。在黃海高程175m處，出露的地層有第四系黏土層、砂礫石層、第三系地層、白堊系地層及變質(zhì)巖層，如圖12所示。

圖12　175m水平剖面展示圖

3結(jié)論

文章應(yīng)用GMS軟件系統(tǒng)對工作區(qū)進(jìn)行三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模，明確了工作區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，從不同剖面、不同高程、不同地層對地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行展示，也是區(qū)內(nèi)各地層的成因順序以及各地層之間的層迭關(guān)系得以良好的展示，為地下水資源的評價提供了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]姜吉生.雙城市工程建設(shè)層三維工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)與地基工程適宜性研究[D].長春：吉林大學(xué)，2013.

[3]竇艷兵，鄭佳.地下水模擬系統(tǒng)(GMS)軟件及其應(yīng)用[C].北京市水文科學(xué)技術(shù)研討會，北京，2008.

[4]孫俊靜，姜龍.地下水模擬系統(tǒng)(GMS)軟件的應(yīng)用研究——生成鉆孔剖面圖[J].企業(yè)導(dǎo)報，2012(06)：286-287.

[作者簡介]郭輝(1985-)，男，甘肅會寧人，工程師，從事地質(zhì)工程相關(guān)的研究與工作。

[收稿日期]2015-06-28

中圖分類號：P642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1007-7596(2015)09-0006-05