徐 芬，龔華根

(1.江西省勘察設(shè)計研究院，江西 南昌330095;2.江西省地質(zhì)礦產(chǎn)資源勘查開發(fā)中心，江西 南昌330095)

三維地質(zhì)體建模是目前國內(nèi)外的一個前沿研究課題。傳統(tǒng)地質(zhì)圖件只能提供地表平面或單個剖面的地質(zhì)信息，而三維地質(zhì)模型可以清楚、精確地延伸整個地面下的空間信息，對地質(zhì)體內(nèi)部三維空間屬性進(jìn)行展示與分析［1］。南昌地區(qū)已完成了大量的地質(zhì)勘查工作，初步具備建立三維地質(zhì)模型的條件，本文將選用GMS軟件首次建立南昌地區(qū)三維地質(zhì)模型。

1 建模方法

1.1 資料收集

建立地質(zhì)模型首先要獲取地面高程數(shù)據(jù)，由于未收集到研究區(qū)已數(shù)字化的地形圖，而通過數(shù)字化區(qū)內(nèi)1:5萬紙質(zhì)地形圖工作量太大，故選用遙感高程數(shù)據(jù)，精度為30 m×30 m。

其次要盡可能收集區(qū)域內(nèi)地質(zhì)報告、物探、鉆孔資料以幫助確定地下地層分布情況。主要收集的資料包括圖、表和文字報告三類，涉及地質(zhì)調(diào)查、物探、鉆探等工作。其中圖、表可直接提取地質(zhì)建模所需數(shù)據(jù)信息，而文字報告對圖表的解釋說明是正確利用圖表信息的前提。

1.2 數(shù)據(jù)提取及處理

1.2.1 地層劃分

為建立最精確的地質(zhì)模型，地層劃分應(yīng)盡量將不同巖性區(qū)分出來，但這都必須以已有地質(zhì)勘查成果為數(shù)據(jù)前提。根據(jù)已有的可獲取建模數(shù)據(jù)的圖件和鉆孔剖面，在南昌地區(qū)區(qū)域上只能將區(qū)內(nèi)地層區(qū)分為以下地層組:

(1)Q－K:其中 Q和 K1l—Ex(紅層)為上文提及的燕山——喜山構(gòu)造層上部的兩個亞層，由于第四系相對下伏K1l—Ex厚度極小且根據(jù)現(xiàn)有資料難以在整個研究區(qū)將其單獨(dú)劃分，故與K1l—Ex合并為一層。

(2)J—T3:為上文提及的燕山——喜山構(gòu)造層底部的一個亞層，與上覆紅層和下伏地層巖性存在明顯差異。

(3)T1—C:為上文提及的印支構(gòu)造層，在已有的各剖面圖中其作為一個地層組被區(qū)分出來。

(4)Pt:為上文提及的晉寧構(gòu)造層，從地質(zhì)剖面圖可看出Pt分布存在兩種可能，一是作為滑脫體直接下伏于紅層，超覆于J—T3之上;一是與T1—C呈整合接觸分布于研究區(qū)最深處。

由于建立地質(zhì)模型需要明確且唯一的地層層序，而實(shí)際情況是Pt地層由于推覆構(gòu)造出現(xiàn)層序顛倒的情況，這在建模時需要特殊處理，其方法是區(qū)分出Pt作為滑脫體和正常分布兩種情況，將其分為兩個地層，Pt1和Pt2。則整個研究區(qū)的地層組有新到老的順序分別為Q－K、Pt1、J—T3、T1—C和Pt2。

1.2.2 獲取各地層組頂面高程數(shù)據(jù)

本文擬采用horizon方法建模，首先需要獲取整個研究區(qū)各地層組頂面的高程散點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而將其插值于事先建好的TINS(不規(guī)則三角形網(wǎng)格)，在各地層組頂面高程的TINS之間進(jìn)行相應(yīng)地層組實(shí)體填充。一地層組的頂面高程數(shù)據(jù)即為該地層組上覆地層的底面高程，故除出露于地表的Q－K外，其他地層地層組頂面高程數(shù)據(jù)為其上覆地層頂面數(shù)據(jù)與其厚度的差值運(yùn)算。

本次建模需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行多次空間運(yùn)算，選用Arcgis進(jìn)行，大大提高了建模工作效率。

1)Q－K地層組。Q－K地層組頂面高程數(shù)據(jù)即為地表高程，先用研究區(qū)范圍區(qū)文件對原始高程柵格文件進(jìn)行裁剪，由于該高程柵格文件的精度過高(30 m×30 m)，遠(yuǎn)高于地質(zhì)勘查精度，且影響后期建模效率，故將該文件進(jìn)行聚合，網(wǎng)格大小變?yōu)?00 m×300 m。

2)Pt1地層組。①建Q－K分布分區(qū)柵格文件，分區(qū)屬性值分為1和0，對應(yīng)有Q－K分布和無分布的區(qū)域。②從QK分布分區(qū)柵格文件中提取屬性值為1的柵格，形成文件Q－K分布范圍文件。③根據(jù)白堊系基底埋深等值線提取離散點(diǎn)形成含埋深屬性mapgis點(diǎn)文件并轉(zhuǎn)為shapefile，在arcgis中進(jìn)行kring插值，選取插值范圍為Q－K分布范圍文件，生成Q－K分布范圍內(nèi)厚度數(shù)據(jù)。

3)對Q－K分布分區(qū)柵格文件進(jìn)行條件分析，屬性值為1時取分布范圍內(nèi)厚度文件中的值，屬性值為0時取0，得整個研究區(qū)紅層分布厚度柵格文件。

4)用Q－K頂面高程柵格文件對Q－K厚度柵格文件進(jìn)行減運(yùn)算，得Pt1頂面高程數(shù)據(jù)。

Pt1頂面高程獲取過程數(shù)據(jù)顯示圖如圖1所示。

5)其他地層。J—T3、T1—C、Pt2地層組頂面高程數(shù)據(jù)獲取步驟與上述 Pt1地層相同，但過程數(shù)據(jù) J—T3、T1—C、Pt1地層厚度數(shù)據(jù)提取方法與Q－K地層組不同。

在獲取各地層組頂面高程柵格數(shù)據(jù)后(.grid文件)，需要通過arcgis提取為散點(diǎn)數(shù)據(jù)，步驟是先將grid文件轉(zhuǎn)為shape點(diǎn)文件，然后對shape點(diǎn)文件進(jìn)行要素添加x、y坐標(biāo)操作，后將點(diǎn)文件的屬性輸出為文本文件，則該文本文件具有地層組頂面散點(diǎn)x、y坐標(biāo)和高程屬性。

圖1 地層組頂面高程獲取過程數(shù)據(jù)顯示圖

圖2 Pt1厚度提取離散點(diǎn)(左)及自設(shè)虛擬點(diǎn)(右)

1.2.3 層組厚度數(shù)據(jù)

研究區(qū)Q－K地層組(紅層)已經(jīng)有前人綜合所有物探成果所作的基底埋深等值線圖，可獲取紅層分布區(qū)域厚度面狀信息，Pt2地層厚度由底部埋深7 000 m決定，而 Pt1、J－T3、T1－C地層組均只有2～3條剖面反映分布厚度線狀信息，故本節(jié)只對后三組地層的線狀厚度信息轉(zhuǎn)為面狀厚度信息過程進(jìn)行說明。

Pt1厚度分布信息只能從兩條地質(zhì)剖面及一條地震剖面地質(zhì)解譯圖上獲取，提取方法為從剖面線上提取離散點(diǎn)，各點(diǎn)間距約為500 m(如圖2)。為插值出整個Pt1分布區(qū)的厚度，需要自設(shè)厚度虛擬點(diǎn)，分布密度控制在點(diǎn)間距為3 000 m以內(nèi)，各虛擬點(diǎn)Pt1的厚度設(shè)置遵循以下原則:①地層分區(qū)界線(非研究區(qū)邊界)上厚度值為0;②以已知最大厚度為最大值，從分界線向分布區(qū)中心厚度遞增。這些自設(shè)虛擬點(diǎn)的厚度值存在極大的隨機(jī)性，但能保證插值后的厚度分布值在一定的合理范圍內(nèi)。Pt1厚度分布自設(shè)虛擬點(diǎn)分布如圖2所示。利用圖2中的離散點(diǎn)對Pt1分布區(qū)進(jìn)行插值運(yùn)算得分布區(qū)厚度柵格文件，網(wǎng)格精度為300 m×300 m。

J—T3、T1—C厚度分布數(shù)據(jù)獲取采用與Pt1相同的方法，其厚度離散點(diǎn)分布分別如圖3、4所示。

2 建模結(jié)果

將上述各地層組頂面高程數(shù)據(jù)導(dǎo)入GMS插值實(shí)現(xiàn)建好的平面三角網(wǎng)形成含地層頂面高程數(shù)據(jù)的三維三角網(wǎng)，并在相鄰三維三角網(wǎng)間填充相應(yīng)地層組材質(zhì)則形成各地層組實(shí)體。對于位于最底層的Pt2為區(qū)內(nèi)最老地層，實(shí)際厚度上萬米，本次建模只研究地面以下深度7 000 m左右以內(nèi)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，故該地層組底面高程選用－7 000 m進(jìn)行建模。至此南昌地區(qū)三維地質(zhì)模型地質(zhì)模型得以建立(如圖5)，建立后可以自動獲得任意地質(zhì)剖面信息(如圖6)。

圖3 J－T3厚度提 取離散點(diǎn)(左)及自設(shè)虛擬點(diǎn)(右)

圖4 T1－C厚度提取離散點(diǎn)(左)及自設(shè)虛擬點(diǎn)(右)

圖5 南昌地區(qū)地質(zhì)模型示意圖

圖6 南昌地區(qū)三維地質(zhì)模型剖面示意圖

3 討論

3.1 模型準(zhǔn)確性評價

本文所建立的南昌地區(qū)地質(zhì)模型充分利用了所有可收集的地質(zhì)勘查成果，建模方法正確，數(shù)據(jù)處理思路清晰，涉及埋深大(7 000 m)，包括了區(qū)內(nèi)所有地層，是在現(xiàn)有資料條件下所能建立的最準(zhǔn)確的地質(zhì)模型。但其與實(shí)際地質(zhì)條件可能還存在很大差距，如根據(jù)僅有的幾條物探地質(zhì)解譯剖面和前人推測的地質(zhì)剖面，隨機(jī)的虛擬了一些地層厚度分布點(diǎn)進(jìn)行插值獲得整個研究區(qū)的地層分布。另外對于地層的刻畫過于概括，將多個地質(zhì)年代多個組的地層概括為一個地層組，但這種地層組的粗略劃分是受現(xiàn)有勘查程度局限，無法獲得更為精細(xì)的地層分布信息所致。

3.2 模型主要用途

模型建立后首先可以更加直觀的了解整個研究區(qū)的地質(zhì)條件:如每一地層頂面的三維表面可更直觀的看到各個斷層、凹陷、凸起的形態(tài);也可以更直觀清晰的看到地層分布的規(guī)模。其次，可以查詢研究區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)的地層，亦可查詢地面上任一點(diǎn)處各地層的厚度信息，還可獲取任一剖面的地質(zhì)信息。地質(zhì)模型不僅能給人更直觀的認(rèn)識，方便查詢地質(zhì)信息，還能為地層內(nèi)的應(yīng)力模擬、水流模擬和熱模擬提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

通過充分收集地質(zhì)調(diào)查、物探、鉆探信息進(jìn)行綜合分析，將圖件和文字報告轉(zhuǎn)化為建模數(shù)據(jù)，首次建立了南昌地區(qū)的地質(zhì)模型。盡管在模型建立過程中，充分挖掘了現(xiàn)有勘查成果的地質(zhì)信息，建立了現(xiàn)有地質(zhì)勘查成果下最準(zhǔn)確的地質(zhì)模型，但該模型與實(shí)際地質(zhì)條件還存在一定的差距。地質(zhì)模型建立不能一蹴而就，需要隨著勘查的深入和勘查成果的提升及時改進(jìn)，提高其準(zhǔn)確性。本文詳細(xì)說明了資料收集、數(shù)據(jù)提取及處理和建模步驟，為類似的地質(zhì)建模提供了方法參考。

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