基于松散地層標(biāo)準(zhǔn)化的三維建模

張 雪，馬國璽

（1.北京市地勘局信息中心，北京 100195；2. 武漢中地數(shù)碼科技有限公司，武漢 430073）

基于松散地層標(biāo)準(zhǔn)化的三維建模

張 雪1，馬國璽2

（1.北京市地勘局信息中心，北京 100195；2. 武漢中地數(shù)碼科技有限公司，武漢 430073）

由于北京的地理位置較為特殊，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，沖洪積扇和古河道等作用較為多樣，第四紀(jì)地層剖面標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)行的還不夠詳盡，發(fā)展較其他城市稍顯滯后。本文通過前人對北京市平原區(qū)第四紀(jì)地層的劃分，在已有基準(zhǔn)孔網(wǎng)和三維結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對常營地區(qū)第四紀(jì)地層進(jìn)行了更為詳盡的標(biāo)準(zhǔn)化分層（共分為39層），進(jìn)而利用計算機建立了標(biāo)準(zhǔn)地層數(shù)據(jù)庫，完成了三維準(zhǔn)自動化地質(zhì)體模型構(gòu)建工作，實現(xiàn)了地面沉降模型與視電阻率屬性模型的耦合顯示，進(jìn)行了基本分析，驗證了研究區(qū)相同流域，距離1km2的區(qū)域通過標(biāo)準(zhǔn)化分層自動構(gòu)建地質(zhì)體模型。

地層剖面標(biāo)準(zhǔn)化；基準(zhǔn)孔網(wǎng)；標(biāo)準(zhǔn)地層數(shù)據(jù)庫；三維準(zhǔn)自動化

0 引言

開展第四紀(jì)地層的研究工作，是目前基礎(chǔ)地質(zhì)研究的熱點問題，它與地質(zhì)調(diào)查、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等息息相關(guān)，也是研究地質(zhì)災(zāi)害問題的基礎(chǔ)性工作。近年來，隨著城市地質(zhì)研究的不斷深化，工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、區(qū)域地質(zhì)及環(huán)境科學(xué)之間彼此相互借鑒，學(xué)科之間的界線變得不再清晰。因此，在前人工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加學(xué)科間的綜合性、協(xié)作性，強化第四紀(jì)地層的探索工作。

北京由于其地理位置的特殊性，加之第四紀(jì)沖洪積扇分布、遷移、疊置的關(guān)系，以及第四紀(jì)沉積凹陷、古河道分布、變遷等情況的復(fù)雜性，第四紀(jì)地層標(biāo)準(zhǔn)化工作開展還不夠深入（李鼎容等， 1979；林景星等，1981）。國外關(guān)于第四紀(jì)地層劃分的文獻(xiàn)較少，但中國其他的一些城市，如上海、武漢、海南等地早已建成第四紀(jì)標(biāo)準(zhǔn)化地層，在實際地質(zhì)工作中，基本實現(xiàn)了統(tǒng)一管理和應(yīng)用（鄧建如， 1994；李曉，2009）。

三維地質(zhì)建模工作實質(zhì)屬于地質(zhì)研究工作范疇，是借助計算機軟件，將地質(zhì)體的空間展布、地層結(jié)構(gòu)、幾何特征、物理化學(xué)屬性等運用三維立體可視化技術(shù)，具體形象地表達(dá)出來。模型及其數(shù)據(jù)庫可以實現(xiàn)對研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效存儲管理、更新維護(hù)、檢索查詢、分析評價、三維地質(zhì)模擬、成果展示等，為傳統(tǒng)地質(zhì)工作者，攻克專業(yè)難題提供更為直觀、準(zhǔn)確、動態(tài)的新思路（李宗華等， 2010；潘懋等， 2006；王明華等，2006）。

本文通過調(diào)查前人對第四紀(jì)地層的劃分，分析2008年構(gòu)建的第四紀(jì)地層基準(zhǔn)孔網(wǎng)和三維結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前劃分方法，大都不夠詳盡，且方法眾多，說法各家不一，標(biāo)準(zhǔn)化工作開展的更少，主要停留在對北京市平原區(qū)整體地層的概述分層上，對實際工作的指導(dǎo)意義不強。

研究工作主要針對潮白河沖洪積扇中下部常營地區(qū)5km2范圍內(nèi)的地層，標(biāo)準(zhǔn)化該地區(qū)第四紀(jì)地層，基本可以實現(xiàn)三維地質(zhì)體模型準(zhǔn)自動化構(gòu)建，需要極少的人工干預(yù)。建模成果為第四紀(jì)地層標(biāo)準(zhǔn)化工作開辟了新的發(fā)展方向，準(zhǔn)自動化三維模型的構(gòu)建大大節(jié)約了建模時間、建模成本，為后期地質(zhì)體管理、更新，周邊區(qū)域地質(zhì)體模型構(gòu)建，實際工程應(yīng)用等方面都起到了很好的推動作用。

1 常營地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化工作

對第四紀(jì)地層的研究，最早開始于1920年左右，以周口店地區(qū)發(fā)現(xiàn)人類化石為依托，北京地區(qū)的第四紀(jì)地質(zhì)研究開始進(jìn)入業(yè)界學(xué)者的視野，其發(fā)展大致分為3個階段。通過對地層劃分的研究，輔以計算機技術(shù)，進(jìn)而可以實現(xiàn)下面的標(biāo)準(zhǔn)化建模工作。

為了建立潮白河沖洪積扇下部常營地區(qū)5km2的第四紀(jì)標(biāo)準(zhǔn)化地層，研究工作通過兩部分內(nèi)容開展，即：在北京市已有的地層劃分方案和基準(zhǔn)孔網(wǎng)研究的基礎(chǔ)上，確定區(qū)域第四紀(jì)概括地層，再利用該地區(qū)鉆孔和物探資料，通過剖面的繪制，進(jìn)一步建立細(xì)化地層方案。

第一步根據(jù)北京市區(qū)域地層編碼組提出的平原區(qū)第四紀(jì)地層劃分方案，并結(jié)合《北京市目標(biāo)區(qū)鉆孔資料數(shù)據(jù)庫建立與第四紀(jì)地層三維可視化》中的基準(zhǔn)孔網(wǎng)和三維結(jié)構(gòu)中對第四紀(jì)地層的總結(jié)（蔡向民等，2009），劃分出該地區(qū)整體地層面貌，定為11大層（圖1）

圖1 常營地區(qū)第四紀(jì)地層分為11大層圖Fig.1 The Quaternary strata Changying district is divided into 11 layers map

第二步在研究區(qū)搜集、整理、分析已有的鉆孔、物化探、測井等各種資料，做為細(xì)化地層的基礎(chǔ)性依據(jù)。首先篩選出73個鉆孔，進(jìn)行較為詳盡的地層劃分（圖2）。嚴(yán)格依據(jù)鉆孔編錄，對鉆孔資料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化工作。由于鉆孔都集中潮白河沖洪積扇中下部5km2地方，相距都不遠(yuǎn)，因此可以利用沉積物韻律法，根據(jù)鉆孔由上到下，沉積物顆粒逐漸變細(xì)的規(guī)律，對剖面進(jìn)行繪制（圖3），建立地層標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫。同時充分考慮地層類別、厚度、空間展布、物理性質(zhì)、地下水條件等，在上述11大層的基礎(chǔ)上，對該地區(qū)第四紀(jì)地層細(xì)化了大層和亞層，共計40層。后續(xù)在此基礎(chǔ)上開展基于第四紀(jì)標(biāo)準(zhǔn)地層劃分的三維地質(zhì)建模工作。

圖2 鉆孔分布圖Fig.2 Borehole distribution map

圖3 剖面繪制圖Fig.3 Section drawing map

圖4 地層標(biāo)準(zhǔn)化細(xì)分圖Fig.4 Stratigraphic standardization subdivision map

為了三維空間展示更為接近實際地層顯示，同時符合地質(zhì)工作者的習(xí)慣，在定地層顏色、符號的時候，本次工作按照隔水層和含水層進(jìn)行劃分，并不是按照巖層從上到下的順序進(jìn)行標(biāo)色，巖性符號采用國家通用標(biāo)準(zhǔn)（綜合工程地質(zhì)圖圖例及色標(biāo)GB 12328-90、綜合水文地質(zhì)圖圖例及色標(biāo)GB/T 14538-93、區(qū)域地質(zhì)圖圖例GB 958-2015、地質(zhì)圖用色標(biāo)準(zhǔn)及用色原則DZ/T 0179-1997）（圖4）。

研究區(qū)第四紀(jì)地層標(biāo)準(zhǔn)化工作已經(jīng)完成，接下來嘗試?yán)脴?biāo)準(zhǔn)化地層如何實現(xiàn)準(zhǔn)自動化三維模型的構(gòu)建。

2 三維地質(zhì)體模型準(zhǔn)自動化構(gòu)建

2.1 準(zhǔn)備工作

準(zhǔn)備工作主要分五步進(jìn)行，即5張表格：鉆孔基本信息表、鉆孔分層信息表、傾斜表、樣品表、屬性表。

鉆孔基本信息表主要包括鉆孔ID（本次錄入所需要的ID編碼）、鉆孔坐標(biāo)（X、Y），鉆孔原始編碼、經(jīng)緯度坐標(biāo)、工程名稱、終孔深度、孔口高程，孔口直徑，竣工日期等。

鉆孔分層信息表主要包括鉆孔（ID），鉆孔編碼、鉆孔層序號、地層代號、層底高程、層底深度、層厚、層頂深度、地層年代、地層名稱、地層描述、取樣編號、取樣深度等。

傾斜表主要是天頂角和方位角來定義井斜。

樣品表主要是各種實驗數(shù)據(jù)信息，如密度、容重、含水量、孔隙度、壓縮系數(shù)、壓縮模量等。

屬性表包含地層各種信息，是數(shù)據(jù)庫建設(shè)的重要內(nèi)容，通過屬性參數(shù)變化和分布規(guī)律、利用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法建模，為研究區(qū)域的分析評價工作提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

其中準(zhǔn)自動化建模用到的主要是前兩張表格，即鉆孔基本信息表和鉆孔分層信息表。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)地層數(shù)據(jù)庫編輯

通過構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)地層數(shù)據(jù)庫，能夠生成各種二維地質(zhì)圖件，如鉆孔柱狀圖、鉆孔剖面圖等，并可以進(jìn)一步完成地質(zhì)體三維建模，其實質(zhì)為輔助標(biāo)準(zhǔn)化工作。

計算機中能夠進(jìn)行區(qū)域分層標(biāo)準(zhǔn)化工作的前提是具有區(qū)域分層信息表和原始分層信息表，并且在數(shù)據(jù)庫中與相應(yīng)的控制鍵進(jìn)行綁定，根據(jù)區(qū)域分層代號進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化工作（潘懋等，2006）（圖5、圖6）。

標(biāo)準(zhǔn)地層建成后，地層劃分級別、地層的基本信息、標(biāo)準(zhǔn)地層子圖和顏色等均可進(jìn)行修改、更新，也可自定義地層版本名稱、負(fù)責(zé)人等相關(guān)屬性信息。

2.3 三維地質(zhì)體準(zhǔn)自動化構(gòu)建

計算機準(zhǔn)自動化地質(zhì)體三維模型構(gòu)建的主要思路是：把鉆孔的各種數(shù)據(jù)，通過標(biāo)準(zhǔn)化地層數(shù)據(jù)庫進(jìn)行解釋、編輯、入庫，再生成準(zhǔn)自動化三維空間展布體，只是在透鏡體和螺旋體的構(gòu)建上，需要根據(jù)鉆孔柱狀圖、剖面圖、區(qū)域物探資料、等值線等進(jìn)行人為干預(yù)，最終生成地質(zhì)體模型，進(jìn)行查詢統(tǒng)計、計算、分析評價等工作（圖7）（方海東等， 2002；曹代勇等，2004）。

圖5 地層標(biāo)準(zhǔn)化輔助工具圖Fig.5 Formation standardization auxiliary tool chart map

圖6 編輯標(biāo)準(zhǔn)化地層圖Fig.6 Edit standardized formation map

本次工作構(gòu)建了兩套地質(zhì)體模型：一套是基于以往工作總結(jié)的常營地區(qū)第四紀(jì)11大標(biāo)準(zhǔn)層，構(gòu)建的地質(zhì)體模型；一套是利用本次工作研究方法得出的標(biāo)準(zhǔn)分層，構(gòu)建的地質(zhì)體模型。通過兩套模型的對比分析不難看出：本次工作的模型在地層劃分上更為詳盡，地質(zhì)體個體數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于之前的結(jié)果，從地層顏色和巖性符號上看，也更接近于地質(zhì)工作者的研究習(xí)慣（圖8、圖9）。

圖7 三維地質(zhì)體準(zhǔn)自動化構(gòu)建流程圖Fig.7 Flow chart of 3D geological body construction map

圖8 第一套三維模型爆炸圖Fig.8 The fi rst set of three-dimensional model explosion map

圖9 第二套三維模型爆炸圖Fig.9 Second sets of three-dimensional model explosion map

3 模型推廣

3.1 耦合模型

通過細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)地層構(gòu)建的地質(zhì)體三維模型，更尊重地層實際情況，可以更好的與應(yīng)用模型進(jìn)行耦合分析。例如：

沉降面模型：可以通過對沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行差值計算，運用DEM曲面構(gòu)建方法，建立沉降面，與地質(zhì)體耦合，展示出沉降發(fā)育快速區(qū)域的特點，即第四紀(jì)地層厚度大，可壓縮層累計厚度大，含水層和隔水層互層多等。為了突出沉降量不同年份的變化，同時不破壞層面坐標(biāo)，增大垂直比例尺后的顯示效果（圖10）。

圖11 屬性模型圖Fig.11 Attribute model map

屬性模型：也可以通過對區(qū)域物化探等資料的分析，設(shè)計出該屬性值的計算公式，在地質(zhì)體模型中構(gòu)建屬性空間展布特征。本次工作以視電阻率屬性模型為例，構(gòu)建其三維空間展布特點，同時可以進(jìn)一步驗證地層標(biāo)準(zhǔn)化工作的準(zhǔn)確性。一般規(guī)則為：沉積物顆粒越粗，是電阻率越高（圖11）。

3.2 類推模型

在距離研究區(qū)1km區(qū)域，選取了33個原始鉆孔，利用本次工作的第四紀(jì)標(biāo)準(zhǔn)化地層數(shù)據(jù)庫，采用準(zhǔn)自動化三維地質(zhì)體構(gòu)建方法，參與少數(shù)人為分析，構(gòu)建出該區(qū)域地質(zhì)體模型（圖12）。

通過三維模型分析截取二維剖面與原地層剖面對比，發(fā)現(xiàn)相差無幾，但是在透鏡體、螺旋體構(gòu)建上，還是需要進(jìn)行人為干預(yù)判斷工作的（圖13、圖14）。

在研究區(qū)較遠(yuǎn)地方利用本次工作的標(biāo)準(zhǔn)地層構(gòu)建模型，效果不盡人意。因此，以后開展同類型工作，建議以小片區(qū)域劃定，但是具體到多大區(qū)域內(nèi)、標(biāo)準(zhǔn)如何選取，還需要后續(xù)進(jìn)行研究。

4 結(jié)論

圖13 二維剖面圖Fig.13 2D prof i le map

圖14 三維地質(zhì)體截取二維剖面圖Fig.14 3D geological body interception of 2D prof i le map

本次研究，建立了潮白河沖積洪積扇下部常營地區(qū)的第四紀(jì)標(biāo)準(zhǔn)化地層。通過對地層的梳理，實現(xiàn)了計算機三維準(zhǔn)自動化地質(zhì)體模型的構(gòu)建，并與地面沉降模型和視電阻率屬性模型進(jìn)行耦合分析。在距離研究區(qū)1km處，利用標(biāo)準(zhǔn)化地層成果，完成了一定距離外的地質(zhì)體模型構(gòu)建，效果較好。

受個人能力及研究深度所限，本文多有謬誤及不當(dāng)之處，還請業(yè)界專家多多指正。

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3D Modeling Based on Loose Strata Standardization

ZHANG Xue1, Ma Guoxi2

(1. Information Centre of Beijing Geology Prospecting & Developing Bureau, Beijing 100195; 2. Wuhan Zongdy Cyber Group Co. Ltd, Wuhan 430073)

Due to the geographical location of Beijing are more special and more complex geological structure, alluvial fan and paleochannel effects are more diverse, the standardization work of the Quaternary strata is not detailed enough, compared to other city development lags behind. The Quaternary strata division is systemically done in Beijing plain area, based on the existing network datum holes and 3D structure. Quaternary strata in Changying district are more standardized hierarchical detailed (dividing into 39 levels), and the computer is used to establish a standard to the number of layers according to the library; then the construction of 3D model of work quasi automatic geological body is established. The coupling model of land subsidence and apparent resistivity attributed model are compared in the same basin of study area (1km2).

Formation standardization; Datum hole; Standard formation database; 3D quasi automation.

P534

A

1007-1903（2017）01-0100-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.01.018

張雪（1984- ），碩士，工程師，主要從事水環(huán)境評價、水文地質(zhì)工作。E-mail：m13810260293@163.com