基于多源數(shù)據(jù)的銀川市三維地質(zhì)模型構(gòu)建及特征

馬良哲， 王澤遠(yuǎn)， 吉衛(wèi)波， 田碩豐

(1.中國(guó)冶金地質(zhì)總局 中南局，湖北 武漢 430081； 2.陜西地建土地勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；3.寧夏回族自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，寧夏 銀川 750021)

隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，三維地質(zhì)模型及可視化為地質(zhì)工作帶來(lái)越來(lái)越多的便捷性，例如指導(dǎo)油礦開(kāi)采、提供環(huán)境污染預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、提高城市地下空間利用率等[1-5]。三維地質(zhì)模型在環(huán)境地質(zhì)、工程地質(zhì)中的作用尤為重要，特別是復(fù)雜地質(zhì)體三維地質(zhì)模型的構(gòu)建能讓工作區(qū)的地質(zhì)描述更為精準(zhǔn)。

銀川市為寧夏回族自治區(qū)首府，西北地區(qū)重要的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，素有“塞上江南”的美譽(yù)。隨著城市的發(fā)展，黃河水量逐漸減少，加之銀川市地形地貌屬?zèng)_洪積與沖湖積平原，多有尖滅、透鏡體等復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)，使得地下空間開(kāi)發(fā)利用困難。本文以銀川市為研究區(qū)，通過(guò)開(kāi)展水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查，以地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，構(gòu)建了區(qū)內(nèi)復(fù)雜地層巖性的三維地質(zhì)模型，可為地下空間開(kāi)發(fā)利用提供可視化支持，并為地層巖性分區(qū)和含水層結(jié)構(gòu)刻畫(huà)提供詳細(xì)的地質(zhì)數(shù)據(jù)[6]。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

銀川市東有黃河穿境而過(guò)，西依賀蘭山，北接石嘴山市，南與青銅峽市相連。研究區(qū)地貌類型主要有四種，分別是東南外緣洪積平原、西部沖洪積平原、東部沖湖積平原和南部小范圍的風(fēng)積沙地。該區(qū)大地構(gòu)造位置處于華北陸塊鄂爾多斯地塊之鄂爾多斯西緣中元古代—早古生代裂陷帶。區(qū)內(nèi)地層屬華北地層區(qū)鄂爾多斯西緣地層分區(qū)之賀蘭山地層小區(qū)，古生代地層被廣泛發(fā)育的中生代—新生代地層所掩蓋，埋藏較深。區(qū)內(nèi)僅出露第四系地層，成因主要為洪積、沖洪積、沖積、沖湖積、風(fēng)積、湖沼積等，巖性由西向東分別以碎石土、砂礫石、含礫砂土、粉細(xì)砂、粉土、黏土為主(圖1)。

2 模型構(gòu)建方法與流程

2.1 鉆孔數(shù)據(jù)獲取

為查明研究區(qū)巖土體的巖性、厚度、埋藏深度、分布范圍，同時(shí)為孔內(nèi)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)等相關(guān)工作提供支持，合理布設(shè)了工程地質(zhì)鉆孔，并按照控制性鉆孔孔深100 m、一般性鉆孔孔深50 m的要求進(jìn)行施工。本次研究在區(qū)內(nèi)共施工了8個(gè)100 m工程地質(zhì)鉆孔和30個(gè)50 m工程地質(zhì)鉆孔，鉆探工作量合計(jì)2 300 m[7]，并收集了前人完成的鉆孔，共同構(gòu)成8橫7縱15條勘探線(圖1)。鉆孔完工后及時(shí)進(jìn)行編錄，并對(duì)本次鉆孔和收集鉆孔的編錄資料進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，成為建模所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)及鉆孔分布圖Fig.1 Geological and drilling distribution map of the study area1.第四系全新統(tǒng)風(fēng)積層;2.第四系全新統(tǒng)湖沼積層;3.第四系全新統(tǒng)洪積層;4.第四系全新統(tǒng)靈武組;5.第四系上更新統(tǒng)洪積層;6.地質(zhì)界線；7.100 m工程地質(zhì)鉆孔；8.50 m工程地質(zhì)鉆孔；9.前人施工工程地質(zhì)鉆孔；10.工程地質(zhì)勘探線；11.研究區(qū)范圍。

2.2 建模平臺(tái)

建模采用Surfer和GMS軟件相結(jié)合的方法，基于多源數(shù)據(jù)建模能使模型更加直觀準(zhǔn)確地刻畫(huà)實(shí)際地質(zhì)結(jié)構(gòu)。使用此方法建模需要搜集的數(shù)據(jù)包括鉆孔巖性數(shù)據(jù)、地層巖性剖面數(shù)據(jù)、DEM地層數(shù)據(jù)等，并結(jié)合已有地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)添加必要的虛擬鉆孔[8]。

2.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

為滿足三維地質(zhì)模型的精度要求，并簡(jiǎn)化模型構(gòu)建及后期校正工作，以本次新施工的38個(gè)工程地質(zhì)鉆孔作為標(biāo)準(zhǔn)孔，按照統(tǒng)一的編碼規(guī)范進(jìn)行分層編碼和巖性編碼，形成標(biāo)準(zhǔn)化鉆孔數(shù)據(jù)[9](表1)。將區(qū)內(nèi)地層按巖性劃分為9層，其中全新統(tǒng)分為3層，自上而下層號(hào)分別為2-4；上更新統(tǒng)分為6層，自上而下層號(hào)分別為5-10；地表還分布有素填土，層號(hào)編為1。將區(qū)內(nèi)巖性劃分為填土、粉土、黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂和細(xì)砂6類，代號(hào)分別為T(mén)T、FT、NT、FN、FS和XS。同時(shí)收集了寧夏回族自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院歷年完成的677個(gè)鉆孔資料，將鉆孔資料進(jìn)行甄別并統(tǒng)一命名和標(biāo)準(zhǔn)化，最終挑選出360個(gè)有效鉆孔。最后整合38個(gè)標(biāo)準(zhǔn)鉆孔與360個(gè)收集鉆孔作為此次三維地質(zhì)建模的數(shù)據(jù)鉆孔。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化鉆孔數(shù)據(jù)示例Table 1 Standardized drilling data example

2.4 模型建立

利用GMS軟件構(gòu)建研究區(qū)三維地質(zhì)模型(圖2)，呈現(xiàn)出良好的立體效果。該模型與1∶25萬(wàn)地質(zhì)圖(圖1)相比吻合精度較高，再現(xiàn)了銀川市由西向東傾斜的地勢(shì)，地勢(shì)較高的西北部有上更新統(tǒng)砂巖出露，南部有小部分較薄的全新統(tǒng)風(fēng)積層出露，西部以全新統(tǒng)洪積層為主，東部以全新統(tǒng)靈武組地層為主，上更新統(tǒng)較厚，占據(jù)模型的較大部分，這些與已有地質(zhì)資料相一致。

3 三維巖性結(jié)構(gòu)模型及特征

3.1 剖面特征

為更加直觀而準(zhǔn)確地展示和理解銀川市地下巖性、非飽和帶—飽和帶的空間分布情況，利用建模軟件的切分功能，沿鉆孔勘探線選擇性切割了6條地質(zhì)剖面(圖2)，包括東西向的剖面A-A′、B-B′、C-C′和南北向的剖面1-1′、2-2′、3-3′(圖3、圖4)。

圖2 三維地質(zhì)模型及剖面位置Fig.2 3D geological model and section position1-10.分層號(hào)；TT.填土；FT.粉土；NT.黏土；FN.粉質(zhì)黏土；FS.粉砂；XS.細(xì)砂。

3.1.1東西向地質(zhì)剖面

A-A′地質(zhì)剖面(圖3-a)位于研究區(qū)北部，由該剖面圖可看出，西段全新統(tǒng)被剝蝕，中段—東段全新統(tǒng)砂土均勻分布；山前—平原中部有明顯的上更新統(tǒng)沖洪積相沉積，粉質(zhì)黏土與黏土相互交錯(cuò)，以粉質(zhì)黏土居多；東段深部有一層較穩(wěn)定的上更新統(tǒng)湖積相沉積。

B-B′地質(zhì)剖面(圖3-b)位于研究區(qū)中部，由該剖面圖可看出，全新統(tǒng)砂層由西向東分布較穩(wěn)定，西段全新統(tǒng)粉土部分缺失，東段全新統(tǒng)底部出現(xiàn)較穩(wěn)定的粉土；上更新統(tǒng)沉積中心較穩(wěn)定，以粉土居多，東段廣泛分布上更新統(tǒng)湖積相沉積。

C-C′地質(zhì)剖面(圖3-c)位于研究區(qū)南部，由該剖面圖可看出，全新統(tǒng)分布穩(wěn)定，西段局部發(fā)育湖積相沉積；上更新統(tǒng)在西段—中段為粉質(zhì)黏土與黏土交錯(cuò)分布，在東段呈透鏡體狀分布，深層有較為穩(wěn)定的粉質(zhì)黏土層。

圖3 東西向地質(zhì)剖面圖Fig.3 EW geological section1-10.分層號(hào)；TT.填土；FT.粉土；NT.黏土；FN.粉質(zhì)黏土；FS.粉砂；XS.細(xì)砂。

3.1.2南北向地質(zhì)剖面

1-1′地質(zhì)剖面(圖4-a)位于研究區(qū)西部，由該剖面圖可看出，全新統(tǒng)在北段有部分缺失，砂土分布較平緩；上更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土與黏土在北段分布較稀疏，中段有所缺失。

2-2′地質(zhì)剖面(圖4-b)位于研究區(qū)西部，由該剖面圖可看出，全新統(tǒng)砂層和粉土層由北向南分布均勻，整體較平緩；上更新統(tǒng)在北段—中段為粉質(zhì)黏土與黏土均勻分布，深部呈透鏡體狀分布。

3-3′地質(zhì)剖面(圖4-c)位于研究區(qū)東部，由該剖面圖可看出，全新統(tǒng)砂層分布均勻，底部粉土形成較厚的透鏡體；上更新統(tǒng)主要為細(xì)砂，由北到南分布均勻，局部為湖積相粉質(zhì)黏土與粉土，中段有一塊較為連續(xù)的黏土層。

圖4 南北向地質(zhì)剖面圖Fig.4 SN geological section1-10.分層號(hào)；TT.填土；FT.粉土；NT.黏土；FN.粉質(zhì)黏土；FS.粉砂；XS.細(xì)砂。

3.1.3地質(zhì)剖面組合

將上述6條地質(zhì)剖面在模型中進(jìn)行組合，即可得到三維立體剖面組合圖(圖5)，從而直觀地顯示出銀川市淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)空間分布特征。從圖5可看出，全新統(tǒng)在西北部有明顯的剝蝕，上更新統(tǒng)則分布于整個(gè)研究區(qū)，整體發(fā)育穩(wěn)定。銀川市整體以砂層為主，中部沖洪積相沉積較發(fā)育，主要位于剖面B-B′和2-2′交界部位；在東部地區(qū)發(fā)育較多湖積相沉積透鏡體，分布較零散。

圖5 三維立體剖面組合圖Fig.5 3D section combination1-10.分層號(hào)；TT.填土；FT.粉土；NT.黏土；FN.粉質(zhì)黏土；FS.粉砂；XS.細(xì)砂。

3.2 平面特征

本次研究采用三維地質(zhì)模型平面剖切功能，獲得了埋深2 m、20 m、50 m和80 m的平面圖(圖6)，用于了解研究區(qū)各個(gè)深度的巖性平面分布特征，并為研究區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)的選取提供巖性參考數(shù)據(jù)。

由埋深2 m水平剖面圖(圖6-a)可看出，由于沖洪積作用影響，沉積物顆粒由西向東逐漸變細(xì)，西部以細(xì)砂為主，分布少量粉土；中部逐漸轉(zhuǎn)為以粉土和黏土為主；東部以沖湖積粉質(zhì)黏土為主。淺層土垂向滲透系數(shù)較低，因此埋深2 m可作為研究區(qū)降雨入滲系數(shù)劃分的依據(jù)。

由埋深20 m水平剖面圖(圖6-b)可看出，巖性以細(xì)砂為主，西南部發(fā)育少量粉土，中部及西部發(fā)育粉砂，粉砂之上為少量黏土與粉土。由西向東滲透性逐漸降低，以潛水含水層滲透性較好。根據(jù)已有勘察資料顯示，區(qū)內(nèi)潛水含水層水面埋深1～9 m，底板埋深10～40 m，因此埋深20 m可作為潛水含水層巖性劃分依據(jù)。

由埋深50 m水平剖面圖(圖6-c)可看出，西部為黏土、粉質(zhì)黏土、粉土自下而上依次沉積，形成了一個(gè)相對(duì)弱透水層；東部則以細(xì)砂為主。埋深50 m位置正處于潛水含水層與承壓水含水層之間，因此埋深50 m作為不連續(xù)隔水層巖性劃分依據(jù)。

由埋深80 m水平剖面圖(圖6-d)可看出，整體以細(xì)砂為主，零星分布少量湖積相粉土、黏土。埋深80 m部位整體滲透性好，儲(chǔ)水能力強(qiáng)，可作為承壓水含水層巖性劃分依據(jù)。

圖6 不同埋深水平剖面圖Fig.6 Horizontal profiles of different depthsa.埋深2 m；b.埋深20 m；c.埋深50 m；d.埋深80 m；1-10.分層號(hào)；TT.填土；FT.粉土；NT.黏土；FN.粉質(zhì)黏土；FS.粉砂；XS.細(xì)砂。

綜上所述，銀川市巖性主要為細(xì)砂，包氣帶層位的東部主要為粉砂、粉質(zhì)黏土；潛水含水層(第一含水層)中部含有大量巖性為粉土、黏土的透鏡體；往深處則以相對(duì)隔水的粉土、黏土為主，形成相對(duì)隔水層；到承壓水含水層(第二含水層)，整體為細(xì)砂，隨著埋深加大，透鏡體數(shù)量和范圍均在減少，蓋層滲透性好，儲(chǔ)水能力強(qiáng)。

3.3 三維地質(zhì)模型塊體特征

利用GMS三維地質(zhì)模型塊體顯示功能，可依次顯示不同巖性的空間分布情況(圖7-圖9)，從而更直觀地了解銀川市地層與巖性沉積規(guī)律。埋深2 m的粉土和黏土主要分布于研究區(qū)中部以東地區(qū)，形成一層連續(xù)的隔水層，部分粉土和黏土分布于研究區(qū)西南部。埋深5～40 m的粉砂和細(xì)砂主要分布于平原區(qū)，山前有少量的砂層凸起。埋深50 m的粉土主要分布于山前，有兩層較為連續(xù)的弱透水層；在中部湖區(qū)分布較少，多呈透鏡狀分布?？傮w而言，埋深40 m以下基本以粉砂、細(xì)砂為主。

圖7 埋深2 m的粉土和黏土空間分布圖Fig.7 Spatial distribution of silt and clay at 2 m depth1-10.分層號(hào)；TT.填土；FT.粉土；NT.黏土；FN.粉質(zhì)黏土；FS.粉砂；XS.細(xì)砂。

圖8 埋深5～40 m的粉砂和細(xì)砂空間分布圖Fig.8 Spatial distribution of powder sand and fine sand at 5～40 m depth1-10.分層號(hào)；TT.填土；FT.粉土；NT.黏土；FN.粉質(zhì)黏土；FS.粉砂；XS.細(xì)砂。

圖9 埋深50 m的粉土空間分布圖Fig.9 Spatial distribution of silt at 50 m depth1-10.分層號(hào)；TT.填土；FT.粉土；NT.黏土；FN.粉質(zhì)黏土；FS.粉砂；XS.細(xì)砂。

通過(guò)三維地質(zhì)模型塊體分析可知，研究區(qū)含水層結(jié)構(gòu)可分為3層，即第一含水層、弱透水層及第二含水層。利用GMS軟件的TIN模塊，在含水層頂?shù)装宓雀呔€圖基礎(chǔ)上構(gòu)建了含水層三維結(jié)構(gòu)模型(圖10)。上層為第一含水層，厚度為40～50 m，巖性以全新統(tǒng)細(xì)砂為主，滲透性較好。中間層為弱透水層，厚度由西向東逐漸變薄，西部巖性以上更新統(tǒng)細(xì)砂為主，發(fā)育少量黏土，滲透性較好；東部巖性以上更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、粉土及黏土為主，滲透性較差。下層為第二含水層，厚度約80～100 m，巖性以上更新統(tǒng)細(xì)砂為主，滲透性由西向東略微增強(qiáng)。

圖10 含水層三維結(jié)構(gòu)圖Fig.10 3D structure of aquifer

4 結(jié)論

(1) 應(yīng)用398個(gè)工程地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)，采用GMS與Surfer軟件，首次構(gòu)建了銀川市高精度三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。

(2) 三維地質(zhì)模型顯示，銀川市主要分布第四系全新統(tǒng)與上更新統(tǒng)，整體以細(xì)砂為主，并有不同規(guī)模的粉砂、粉質(zhì)黏土、粉土、黏土；中部沖洪積平原與沖湖積平原過(guò)渡區(qū)發(fā)育巖性交互、尖滅與互層現(xiàn)象，東部沖湖積平原淺層發(fā)育大量湖積層透鏡體。

(3) 銀川市含水層結(jié)構(gòu)自上而下依次為第一含水層、弱透水層及第二含水層，潛水面至埋深30～35m以細(xì)砂為主，滲透性好，為第一含水層；埋深30～40 m發(fā)育一層較為連續(xù)的粉土—粉質(zhì)黏土—黏土組合，滲透性弱，為相對(duì)隔水層；埋深40～100 m主要為細(xì)砂，整體滲透性很好，為第二含水層。