溶洞探測(cè)及三維地質(zhì)模型構(gòu)建方法

趙磊磊 崔振東 張建勇

摘? ?要：對(duì)溶洞地質(zhì)進(jìn)行精確探測(cè)和三維地質(zhì)模型構(gòu)建具有重大意義?？偨Y(jié)了溶洞發(fā)育區(qū)內(nèi)不同類型復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)技術(shù)、建模思路和方法、數(shù)據(jù)插值擬合方法，并提出相關(guān)思考和建議。結(jié)論如下：①溶洞發(fā)育區(qū)內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)體大致分為大型溶洞、小型溶洞、溶蝕孔洞、多尺度裂縫4種類型，分別采用確定性和隨機(jī)模擬方法建模，最終融合構(gòu)建成復(fù)雜三維地質(zhì)模型;②溶洞探測(cè)和建模應(yīng)注重多源數(shù)據(jù)整合和多方法集成，以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)資料的相互彌補(bǔ)和建模方法的相互融合;③溶洞建模工作應(yīng)結(jié)合相關(guān)工程背景，以專業(yè)知識(shí)為基礎(chǔ)，以應(yīng)用目的為導(dǎo)向，調(diào)整建模思路，建立能反映歷史演化過(guò)程和未來(lái)演化趨勢(shì)的溶洞模型。

關(guān)鍵詞：溶洞;探測(cè);三維地質(zhì)建模;插值擬合;建模軟件

溶洞是以石灰?guī)r和白云巖為主的可溶性巖石因地下水長(zhǎng)期溶蝕所形成的地下空間，在我國(guó)較為發(fā)育，分布廣泛，我國(guó)巖溶面積約占國(guó)土面積的三分之一[1]。準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)地下溶洞分布、模式、結(jié)構(gòu)、發(fā)育規(guī)律及對(duì)工程的影響，是關(guān)乎我國(guó)各類基礎(chǔ)設(shè)施工程及旅游開發(fā)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)安全的大局。三維地質(zhì)建模已廣泛應(yīng)用于各專業(yè)領(lǐng)域，指導(dǎo)工程建設(shè)的設(shè)計(jì)和評(píng)估、有助于儲(chǔ)量的精確計(jì)算、實(shí)現(xiàn)平、剖面構(gòu)造形態(tài)相容并聯(lián)動(dòng)修改、進(jìn)行三維空間分析與過(guò)程模擬、介紹和展示復(fù)雜地質(zhì)條件等[2-5]。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者用簡(jiǎn)化方式對(duì)含溶洞的地質(zhì)體進(jìn)行三維建模，如戴自航等將高速公路路堤下的溶洞簡(jiǎn)化為橢球型，建立三維有限元模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)溶洞頂板穩(wěn)定性的數(shù)值模擬分析[6];蘇濤等直接將溶洞簡(jiǎn)化為球體進(jìn)行建模，計(jì)算分析隧道圍巖穩(wěn)定性[7]。本文基于大量文獻(xiàn)調(diào)研，歸納現(xiàn)階段典型溶洞探測(cè)技術(shù)，梳理溶洞發(fā)育區(qū)內(nèi)不同類型結(jié)構(gòu)體的建模方法，對(duì)比分析常用數(shù)據(jù)插值擬合方法和建模軟件，并結(jié)合溶洞建模的工程應(yīng)用需求提出思考和建議。

1? 溶洞探測(cè)技術(shù)

建立溶洞三維地質(zhì)模型，首先需采用探測(cè)技術(shù)獲取多種原始數(shù)據(jù)和地質(zhì)信息，目前常用探測(cè)方法見表1。

2? 溶洞三維地質(zhì)模型構(gòu)建方法

2.1? 現(xiàn)有三維地質(zhì)建模方法

常用的三維地質(zhì)建模方法大致分為確定性建模和隨機(jī)模擬建模方法兩大類[13]，具體分類見表2。

2.2? 溶洞三維地質(zhì)建模方法

傳統(tǒng)建模思路和流程見圖1[14]。

有學(xué)者提出“二步法”的建模思路[15]，第一步采用不同建模方法進(jìn)行單一類型模型構(gòu)建，第二步基于一定組合規(guī)律進(jìn)行融合。①大型溶洞（高度大于5 m）。一般采用地震屬性直接截?cái)喾椒?，在成因控制約束下，采用確定性建模方法進(jìn)行建模[16];②小型溶洞（高0.5～5 m）。以同一巖溶帶內(nèi)相同成因的大型溶洞為訓(xùn)練圖像，采用多點(diǎn)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)隨機(jī)模擬方法進(jìn)行建模[17];③溶蝕孔洞（直徑2～500 mm）。采用序貫高斯模擬的隨機(jī)模擬方法對(duì)溶蝕孔洞儲(chǔ)集層進(jìn)行建模和表征[18];④多尺度裂縫型溶洞。采用分層次建模思想，按尺度大小進(jìn)行裂縫建模[19];⑤融合建模。建立大型溶洞、小型溶洞、溶蝕孔洞、裂縫4類結(jié)構(gòu)的離散模型后，按地質(zhì)分布和發(fā)育規(guī)律組合，形成地質(zhì)模型（圖2）[20]。

2.3? 數(shù)據(jù)插值擬合方法

建立三維地質(zhì)模型的關(guān)鍵是如何根據(jù)已知控制點(diǎn)數(shù)據(jù)內(nèi)插、外推已知資料點(diǎn)之間及以外的參數(shù)估計(jì)值。常用數(shù)據(jù)插值擬合方法包括離散光滑插值、克里金插值、反距離加權(quán)插值、自然鄰點(diǎn)插值。常用三維地質(zhì)建模軟件插值算法見表3。

3? 溶洞建模的思考和展望

注重多源數(shù)據(jù)的整合和應(yīng)用? 鉆井?dāng)?shù)據(jù)被稱為“硬數(shù)據(jù)”，地震資料被稱為“軟數(shù)據(jù)”，用來(lái)輔助判斷井間盲區(qū)部分的地質(zhì)特征。實(shí)際工作過(guò)程中，鉆孔數(shù)據(jù)失真，探測(cè)精度提高，使“硬數(shù)據(jù)變軟，軟數(shù)據(jù)變硬”。因此，注重多源數(shù)據(jù)整合應(yīng)用可起到相互彌補(bǔ)和印證作用，有利于提高建模精度。

重視多方法集成? 這里的“多方法”同時(shí)兼具探測(cè)方法和建模方法。探測(cè)方面據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，盡可能使用多種探測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資料的相互彌補(bǔ)和印證。建模方面根據(jù)不同地質(zhì)特征，采用不同建模方法構(gòu)建模型?？傊?，充分結(jié)合溶洞發(fā)育規(guī)律和屬性特征，不拘泥于尋求一種普適的建模方法，往往能起到事半功倍的效果。

充分結(jié)合應(yīng)用導(dǎo)向，調(diào)整建模思路? 基于溶洞建模的應(yīng)用目的，評(píng)估油氣藏儲(chǔ)存能力、旅游開發(fā)展示、評(píng)估溶洞影響等[28]。因此，充分結(jié)合應(yīng)用導(dǎo)向，調(diào)整建模思路，做到有的放矢對(duì)建設(shè)項(xiàng)目中溶洞建模及影響評(píng)估工作尤為重要。

精進(jìn)三維建模的屬性表征? 現(xiàn)階段溶洞建模多屬結(jié)構(gòu)建模，主要注重于描述溶洞的大小、位置、幾何形態(tài)等，對(duì)地質(zhì)體按統(tǒng)一屬性賦值。但越來(lái)越多的應(yīng)用要求賦予與實(shí)際相當(dāng)?shù)膶傩詤?shù)，因此，溶洞建模的屬性表征問(wèn)題需亟待解決。

結(jié)合相關(guān)力學(xué)理論，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模型構(gòu)建? 三維地質(zhì)建模已在各專業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。可結(jié)合相應(yīng)專業(yè)知識(shí)或工程需求，在建模過(guò)程中實(shí)現(xiàn)某一種或某幾種關(guān)鍵因素的動(dòng)態(tài)影響，建立能反映地質(zhì)演化過(guò)程或演化趨勢(shì)的溶洞動(dòng)態(tài)模型，推動(dòng)專業(yè)應(yīng)用中的進(jìn)步與升級(jí)。

4? 結(jié)論

（1） 相對(duì)傳統(tǒng)鉆探技術(shù)，探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用已使探測(cè)精度大大提高。但各種探測(cè)技術(shù)均有其應(yīng)用局限，需堅(jiān)持多種探測(cè)技術(shù)的相互補(bǔ)充和印證。

（2） 巖溶發(fā)育結(jié)構(gòu)多樣、特征復(fù)雜，分為大型溶洞、小型溶洞、溶蝕孔洞、多尺度裂縫4種類型，分別采用確定性建模、隨機(jī)模擬建模等方法建立各類型模型，融合形成溶洞發(fā)育地質(zhì)體結(jié)構(gòu)模型。

（3） 對(duì)溶洞建模技術(shù)，應(yīng)結(jié)合工程應(yīng)用背景，以專業(yè)知識(shí)為基礎(chǔ)，應(yīng)用目的為導(dǎo)向，加強(qiáng)多源數(shù)據(jù)整合應(yīng)用、多方法集成，調(diào)整建模思路，建立能反映歷史演化過(guò)程和未來(lái)演化趨勢(shì)的溶洞模型。

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Karst Cave Exploration and 3D Geological Model Construction Method

Zhao Leilei 1， 2， Cui Zhendong 1， 3， 4， Zhang Jianyong 1， 3， 4

（1. Institute of Geology and Geophysics， Chinese Academy of Sciences;Key Laboratory of shale gas and geological engineering， Chinese Academy of Sciences，Beijing， 100029，China;2. School of mechanics and architectural engineering， China University of mining and Technology （Beijing）， Beijing， 100083，China;3. Institute of Earth Sciences，

Chinese Academy of Sciences， Beijing， 100029，China;4. School of earth and Planetary Sciences，

University of Chinese Academy of Sciences， Beijing， 100049，China）

Abstract：It is of great significance to carry out accurate exploration of karst cave geology and construct three-dimensional geological model. The detection technologies， modeling ideas and methods， data interpolation fitting methods of different types of complex geological structures of karst caves are summarized， and some related thoughts and suggestions are put forward. The conclusions are as follows： （1） Geological structures in the karst cave development area can be roughly divided into four types： large karst cave， small karst cave， dissolution cave and multi-scale fracture. The modeling methods of deterministic and stochastic simulation are adopted to model the geological structures， respectively. Finally， the complex geological model of the karst cave development area is constructed by fusing them.（2） Multi-source data integration and multi-method integration should be emphasized in karst cave exploration and modeling to realize the mutual complement of geological data and the mutual integration of modeling methods.（3） The karst cave modeling should be combined with the corresponding engineering application background， based on professional knowledge and guided by application purpose， adjust the modeling ideas， establish a karst cave model that can reflect the historical evolution process and future evolution trend.

Key words：Karst cave; Exploration; 3D geological modeling; Interpolation fitting; Modeling software