復(fù)雜地質(zhì)條件下高精度三維地質(zhì)建模研究

劉順昌 李黎 徐德馨 曹厚臻

摘要： 三維地質(zhì)模型不僅可以直觀地展示地質(zhì)狀況，還能夠輔助和支持地質(zhì)行業(yè)的技術(shù)決策，對(duì)地質(zhì)工作研究提供三維數(shù)據(jù)支撐。針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件，提出了一種地層建模和巖性建模的混合三維地質(zhì)建模解決方案。以武漢市長(zhǎng)江新城起步區(qū)為例，基于EVS建模軟件，以地質(zhì)剖面和鉆孔數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開(kāi)展復(fù)雜地質(zhì)條件下三維地質(zhì)高精度網(wǎng)格化模型的建設(shè)研究，并采用剖面對(duì)比和巖性概率模型對(duì)三維模型進(jìn)行驗(yàn)證和質(zhì)量評(píng)估。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展三維模型可視化表達(dá)及應(yīng)用研究。結(jié)果表明：用地層建模和巖性建模的混合建模方式可以適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件下的三維建模，模型結(jié)果科學(xué)、可靠，有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān) 鍵 詞： 地層建模; 巖性建模; EVS軟件; 模型驗(yàn)證; 復(fù)雜地質(zhì)條件; 武漢市長(zhǎng)江新城

中圖法分類(lèi)號(hào)： ?P642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.019

0 引 言

三維地質(zhì)模型不僅能夠全面具體地展現(xiàn)復(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象與地質(zhì)過(guò)程，而且在地殼穩(wěn)定性評(píng)估、城市規(guī)劃、重點(diǎn)工程選址以及地下空間開(kāi)發(fā)利用等方面也發(fā)揮著重要作用[1-4]。2006～2010年，北京、上海、天津、南京、廣州和杭州等城市先后開(kāi)展了三維城市地質(zhì)調(diào)查工作，并在此基礎(chǔ)上建立了一批三維地質(zhì)模型，取得了良好的效果。此后，三維城市地質(zhì)調(diào)查工作在全國(guó)幾十個(gè)城市全面鋪開(kāi)[5-8]。近幾年，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局正式發(fā)布了《城市地質(zhì)調(diào)查總體方案（2017～2025年）》，提出到2025年實(shí)現(xiàn)全國(guó)338個(gè)地級(jí)以上城市地質(zhì)工作全覆蓋的目標(biāo)，并要求聚焦城市規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行管理的重大問(wèn)題，大力推進(jìn)“空間、資源、環(huán)境、災(zāi)害”多要素的城市地質(zhì)調(diào)查，開(kāi)展重大科技問(wèn)題攻關(guān)，搭建三維城市地質(zhì)模型[9-10]。

武漢作為首批多要素城市地質(zhì)調(diào)查示范城市，各方面工作進(jìn)展順利，目前已取得一定成果。本文正是在武漢多要素城市地質(zhì)調(diào)查示范項(xiàng)目獲取的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過(guò)EVS軟件，采用地層建模和巖性建模相結(jié)合的混合建模方式，建立了長(zhǎng)江新城起步區(qū)50 km2高精度三維網(wǎng)格化地質(zhì)模型。本文以三維地質(zhì)模型為載體，充分探討了地層建模和巖性建模相結(jié)合的混合建模方式在復(fù)雜地質(zhì)條件下的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。此外，本文針對(duì)模型可視化的展示也做了一些嘗試，并在此基礎(chǔ)上對(duì)模型相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了模型可視化展示、剖面切割、模型開(kāi)挖和空間分析等方面的應(yīng)用。

1 研究區(qū)地質(zhì)條件概述與地質(zhì)數(shù)據(jù)分析

1.1 研究區(qū)地質(zhì)條件概述

武漢市大地構(gòu)造南北縱跨中國(guó)中部秦嶺-大別造山帶南緣與揚(yáng)子克拉通北緣。大致沿長(zhǎng)江以襄廣斷裂為界，以北是秦嶺-大別造山帶的東延，出露前寒武系變質(zhì)巖系;長(zhǎng)江以南，主體屬揚(yáng)子北緣臺(tái)地褶沖帶，主要出露下?lián)P子震旦系-三疊系沉積地層。長(zhǎng)江新城起步區(qū)大地構(gòu)造位置跨及揚(yáng)子陸塊和秦嶺-大別造山帶兩個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元，但地表均為第四系松散堆積物覆蓋層，其平均厚度約30 m，依據(jù)工程地質(zhì)的類(lèi)同性和差異性，歸納為表1所列的4個(gè)工程地質(zhì)巖類(lèi)、11個(gè)亞類(lèi)。

1.2 研究區(qū)地質(zhì)數(shù)據(jù)分析

依托武漢多要素城市地質(zhì)調(diào)查示范項(xiàng)目，研究區(qū)開(kāi)展1 ∶10 000高精度比例尺的地質(zhì)調(diào)查，完成圖1所示的研究區(qū)50 km2范圍內(nèi)鉆孔50個(gè)，圖2所示地質(zhì)剖面10條。典型剖面如圖3所示。

從鉆孔和地質(zhì)剖面圖可以看出：

（1） 基巖面以上的第四系土層部分，分層性良好，可以劃分出標(biāo)準(zhǔn)地層層序;

（2） 基巖面以下的巖石部分，因處在斷裂破碎帶，地質(zhì)條件復(fù)雜，并包含透鏡體等復(fù)雜體，無(wú)法劃分出標(biāo)準(zhǔn)地層層序，普通建模方法很難在復(fù)雜地層條件下進(jìn)行應(yīng)用。

2 EVS軟件及建模方法簡(jiǎn)介

EVS（Earth Volumetric Studio）是一款適用于地球科學(xué)領(lǐng)域的3D建模分析軟件，可實(shí)現(xiàn)真三維的地質(zhì)體數(shù)據(jù)建模、分析及可視化;可與ArcGIS、Revit、Civil 3D等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互;可實(shí)現(xiàn)真三維模型動(dòng)畫(huà)展示。EVS建立的模型可真實(shí)反映地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)、構(gòu)造關(guān)系及地質(zhì)體內(nèi)部屬性變化規(guī)律;可對(duì)模型進(jìn)行任意形式的切割，以便多角度觀察;對(duì)于尖滅、透鏡體、斷層及溶洞有很好的處理能力。

EVS支持地層建模和巖性建模：可以根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)格式創(chuàng)建巖性模型或地層模型，且2種模型均為真三維模型，即空間內(nèi)任意一點(diǎn)和任意一個(gè)單元中均可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.1 地層建模

利用EVS建模，可以將研究區(qū)的所有地層以自上而下的順序完整表達(dá)出來(lái)，即便出現(xiàn)地層尖滅或局部呈透鏡體等地層不連續(xù)現(xiàn)象，EVS模型也可以處理。

圖4中，0為砂土，1為黏土，2為礫石土。假設(shè)整個(gè)場(chǎng)地最左側(cè)、最右側(cè)和中間分別有一個(gè)鉆孔，兩側(cè)的鉆孔沒(méi)有揭露黏土透鏡體，因此，這2個(gè)鉆孔中只有2種材料，2個(gè)地層，而中間的鉆孔中有3種材料，4個(gè)地層。在EVS中，需要給整個(gè)模型劃分4個(gè)地層層級(jí)，分別為上部砂土（0）、黏土（1）、下部砂土（2）和礫石土（3），如圖5所示。對(duì)于可以采用上述方式進(jìn)行地層信息表達(dá)的場(chǎng)地，地層建模是最好的一種三維建模方式，因?yàn)槊總€(gè)地層都可以創(chuàng)建清晰平滑的邊界，同時(shí)不同層之間還可以通過(guò)炸開(kāi)方式來(lái)分離。

2.2 巖性建模

許多場(chǎng)地含有特殊的地質(zhì)構(gòu)造（侵入巖、巖溶、褶皺等），這些地質(zhì)結(jié)構(gòu)不適用于需要?jiǎng)澐謱有虻牡牡貙咏?。同時(shí)對(duì)于某些場(chǎng)地，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，導(dǎo)致鉆孔本身非常復(fù)雜，幾乎無(wú)法劃分層序，這種情況也無(wú)法進(jìn)行地層建模，這時(shí)可以采用指數(shù)克里金（GIK）方法進(jìn)行巖性建模。GIK具有創(chuàng)建非常復(fù)雜地質(zhì)模型的能力，而且這種地質(zhì)建模方法幾乎是由計(jì)算機(jī)完全自動(dòng)完成的，不需要地質(zhì)人員的干預(yù)或?qū)︺@孔數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋?zhuān)貙咏Ｖ行枰M(jìn)行人為層序劃分。

巖性建模采用原始鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，即沒(méi)有進(jìn)行層序劃分的鉆孔數(shù)據(jù)。因此，對(duì)于可以進(jìn)行地層建模的場(chǎng)地，巖性建模也可以用于輔助判斷層序劃分是否正確，即巖性建模結(jié)果給出了計(jì)算機(jī)通過(guò)GIK方法得到的空間中巖性的概率分布情況，而這種情況可以用于驗(yàn)證層序劃分是否正確。巖性建模由于其便利性，廣泛應(yīng)用于復(fù)雜地質(zhì)建模。

3 三維地質(zhì)建模

由1.2節(jié)中地質(zhì)數(shù)據(jù)分析可知：研究區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，特別是基巖部分，因此對(duì)上部第四系土層采用地層建模方法，對(duì)下伏基巖采用巖性建模方法。整個(gè)研究區(qū)面積50 km2，模型深度200 m，采用統(tǒng)一的網(wǎng)格剖分單元，大小為50 m×50 m×0.2 m，總計(jì)約2 000萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格單元。

3.1 地層建模

EVS采用流程化、模塊化的建模方式，可以快速高效地創(chuàng)建三維地層模型。創(chuàng)建好的地層模型如圖6所示。

3.2 巖性建模

用巖性插值模塊（indicator_geology），采用平滑指示克里金算法創(chuàng)建模型，創(chuàng)建好的巖石部分三維模型如圖7所示。

3.3 模型合并

將創(chuàng)建的上部土層地層模型和下部基巖巖性模型合并顯示為整體模型，如圖8所示。

3.4 屬性建模

建立屬性建模工作流。在已建好的地質(zhì)模型基礎(chǔ)上，把處理好的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入3D克里金插值模塊（krig_3d）創(chuàng)建屬性模型，如圖9所示。

3.5 模型驗(yàn)證與質(zhì)量評(píng)估

傳統(tǒng)的三維地質(zhì)建模普遍認(rèn)為地層分界處應(yīng)該是平直光滑的。如圖10（a）所示，由于建模軟件采用的是算法插值的方式創(chuàng)建三維地質(zhì)模型，不論是地層模型還是巖性模型都和實(shí)際情況存在一定的偏差，特別是巖石部分的巖性模型，不同巖性的分界面不夠平直光滑，如圖10（b）所示，影響了模型的整體精度。

為此，在確認(rèn)推斷的地質(zhì)剖面正確的前提下，通過(guò)地質(zhì)剖面提取虛擬鉆孔，再進(jìn)行巖性建模，結(jié)果如圖11所示。圖11（b）與圖11（a）基本吻合，說(shuō)明通過(guò)剖面加密鉆孔后建立的地質(zhì)模型與實(shí)際地質(zhì)剖面已經(jīng)非常接近，同時(shí)，圖11（b）與圖10（b）相比，地層界線更加平直，更符合傳統(tǒng)地質(zhì)認(rèn)識(shí)，提高了模型的整體精度。

上述驗(yàn)證方法以剖面對(duì)比為主，可以直觀反映模型的可靠程度，但沒(méi)有給出一個(gè)具體定量評(píng)價(jià)模型質(zhì)量的數(shù)值，為了定量評(píng)價(jià)模型的可靠性，EVS軟件引入“巖性概率”指標(biāo)以定量評(píng)價(jià)巖性出現(xiàn)的可靠性，從而建立了巖性概率屬性模型，如圖12所示。

4 三維模型應(yīng)用

本文在建立三維地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)三維模型在可視化展示、剖面切割、模型開(kāi)挖和空間分析等方面的具體應(yīng)用進(jìn)行了研究。

4.1 模型可視化展示

EVS中不同的地層以顏色區(qū)分，為了使地質(zhì)人員對(duì)模型有更直觀的認(rèn)識(shí)以及使模型有直觀的位置參考信息，可以用不同的巖性花紋和顏色對(duì)模型進(jìn)行填充，同時(shí)在模型表面疊加線劃圖、影像圖和傾斜攝影等地形數(shù)據(jù)，如圖13所示。

4.2 模型剖切、開(kāi)挖

在實(shí)際工程應(yīng)用中，如基坑開(kāi)挖前了解場(chǎng)地地層包括地層的結(jié)構(gòu)和分布，尤其是軟弱層的空間分布至關(guān)重要，而在三維地質(zhì)模型基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行剖切和開(kāi)挖可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。如圖14～15所示，在三維地質(zhì)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行任意位置的剖切和任意位置的開(kāi)挖，可以詳盡了解場(chǎng)地的工程地質(zhì)情況，為工程的選址或?qū)嵤┨峁Q策依據(jù)。

4.3 空間篩選

針對(duì)屬性模型，可以根據(jù)屬性值進(jìn)行屬性篩選，達(dá)到了解目標(biāo)地質(zhì)體的分布范圍和特征。以軟土為例，可以根據(jù)天然地基承載力屬性為依據(jù)，篩選承載力小于200 kPa的地層分布情況，由此了解軟土的分布范圍和厚度，如圖16所示。

5 結(jié)論與展望

本文采用地層建模和巖性建模的混合建模方式，在EVS平臺(tái)上完成了武漢市長(zhǎng)江新城起步區(qū)三維高精度網(wǎng)格化地質(zhì)模型的建設(shè)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了三維地質(zhì)模型的巖性紋理貼圖、與地表模型的疊加、地質(zhì)模型任意方式的剖切、開(kāi)挖和屬性篩選等具體應(yīng)用，達(dá)到了預(yù)期的示范效果，為整個(gè)武漢市范圍的地質(zhì)建模奠定了基礎(chǔ)。但是對(duì)于面積廣、鉆孔量大的問(wèn)題，很難一次性完成區(qū)域模型的建設(shè)，因此分級(jí)分塊的地質(zhì)建模是以后的研究重點(diǎn)。同時(shí)，在提高模型精度的基礎(chǔ)上，要進(jìn)一步加強(qiáng)三維地質(zhì)模型成果的應(yīng)用，體現(xiàn)模型成果的應(yīng)用價(jià)值，逐步實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)可視化數(shù)據(jù)在國(guó)土資源管理、城市規(guī)劃、建設(shè)、應(yīng)急、環(huán)保等部門(mén)的應(yīng)用，達(dá)到保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全、服務(wù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1] ?朱發(fā)華，賀懷建.復(fù)雜地層建模與三維可視化[J].巖土力學(xué)，2010，31（6）：1919-1922.

[2] 何登發(fā)，單帥強(qiáng)，張煜穎，等.雄安新區(qū)的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)：來(lái)自反射地震資料的約束[J].中國(guó)科學(xué)（地球科學(xué)），2018，48（9）： 1207-1222.

[3] 施木俊，熊毅明，甄云鵬.基于工程勘察鉆孔數(shù)據(jù)的三維地層模型的自動(dòng)構(gòu)建[J].城市勘測(cè)，2006（5）：62-65.

[4] 陳根深，郭緒磊，劉剛，等.宜昌長(zhǎng)江南岸巖溶流域典型區(qū)三維地質(zhì)建模[J].安全與環(huán)境工程，2019，26（2）：1-8.

[5] 陳學(xué)習(xí)，吳立新，車(chē)德福，等.基于鉆孔數(shù)據(jù)的含斷層地質(zhì)體三維建模方法[J].煤田地質(zhì)與勘探，2005，33（5）：5-8.

[6] 張渭軍，王文科.基于鉆孔數(shù)據(jù)的地層三維建模與可視化研究[J].大地構(gòu)造與成礦學(xué)，2006，30（1）：108-113.

[7] 雷赟，孔金玲，張峰，等.基于EVS Pro的3D地質(zhì)建模[J].地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào)，2008，30（1）：107-110.

[8] 張希雨，楊茂功，付曉剛，等.基于EVS-Pro的西安三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化模型的構(gòu)建[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（6）：3231-3233.

[9] 林中揚(yáng)，金翔龍，顧明光，等.基于MapGIS-TDE三維平臺(tái)的地質(zhì)模型構(gòu)建[J].人民長(zhǎng)江，2019，50（增2）：85-88.

[10] ?顧麗影，花衛(wèi)華，李三鳳.三維城市地質(zhì)信息平臺(tái)[J].地質(zhì)學(xué)刊，2012，36（3）：285-290.

（編輯：劉 媛）

引用本文：

劉順昌，李黎，徐德馨，等.

復(fù)雜地質(zhì)條件下高精度三維地質(zhì)建模研究

[J].人民長(zhǎng)江，2021，52（8）：127-132.

High-precision 3D geological modeling under complex geological conditions

LIU Shunchang，LI Li，Xu Dexin，CAO Houzhen

（ Wuhan Geomatics Institute，Wuhan 430022，China ）

Abstract：

The 3D geological model can not only display the geological conditions intuitively，but also assist and support the technical decision-making of geological industry，and provide 3D data support for the study of geological work.A hybrid 3D geological modeling solution for stratum modeling and lithology modeling is proposed for complex geological conditions.Taking the starting area of Yangtze River New Town in Wuhan as an example，based on EVS modeling software and geological section and borehole data，the construction of three-dimensional geological high-precision grid model under complex geological conditions is studied，and the three-dimensional model is verified and evaluated by profile section comparison and lithologic probability model.On this basis，the visualization expression and application of 3D model are studied.The results show that the hybrid modeling method of stratum modeling and lithology modeling can adapt to the 3D modeling under any complex geological conditions.The model results are scientific and reliable，and have important practical application values.

Key words：

stratum modelling;lithology modelling;EVS software;model verification;complex geological conditions;Wuhan Yangtze River New Town