沈媛媛，郭高軒，辛寶東，許 亮，劉久榮

（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京 100195）

0 引言

計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展使得三維可視化技術(shù)趨于成熟，靈活便捷且信息豐富的三維可視化表達(dá)成為應(yīng)用于城市規(guī)劃、礦產(chǎn)勘查、石油勘探等領(lǐng)域的有效技術(shù)手段[1]?？梢暬娜S地質(zhì)模型能夠直觀、靈活再現(xiàn)地質(zhì)體特征，近年來廣泛運用到地質(zhì)和水文地質(zhì)領(lǐng)域。國內(nèi)對三維地質(zhì)建模算法開展了大量研究工作[2～5]，并研發(fā)出三維地層建模系統(tǒng)[6]，能夠滿足大多數(shù)三維地質(zhì)建模的要求，但廣泛通用的軟件較少。國際上較為流行的軟件有GOCAD、Earth Vision、Lynx等[7]。其中GMS（Groundwater Modeling System）軟件以其良好的圖形界面、強(qiáng)大的前、后處理功能和優(yōu)良的三維可視效果得到了廣泛認(rèn)可，成為國際上最受歡迎的地下水模擬軟件之一。軟件中的地層模擬模塊，能夠以鉆孔資料為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型可視化程度高，實現(xiàn)了任意位置的剖面切割展示，并能夠在地層結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上直接建立地下水?dāng)?shù)值模型，為區(qū)域地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的深入研究提供便利。以往基于GMS構(gòu)建的地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型多以平原區(qū)第四系地層為主，對于復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)區(qū)的應(yīng)用還較少[8～13]。

本文擬基于GMS地下水模擬軟件，以典型復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)地區(qū)—北京順義平谷（簡稱順平）巖溶水分布區(qū)為例，充分利用該區(qū)地球物理勘探、鉆探等工作獲取的鉆孔、地質(zhì)剖面圖和基巖地質(zhì)圖等多源數(shù)據(jù)，結(jié)合以往工作成果，融合虛擬鉆孔方法，構(gòu)建北京順平地區(qū)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，揭示區(qū)域地層空間分布特征，為認(rèn)識區(qū)域地質(zhì)條件及后續(xù)地下水?dāng)?shù)值模擬和水資源評價提供技術(shù)支撐。為復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多源數(shù)據(jù)支持下的準(zhǔn)確可視化表達(dá)提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京市的東北部，西臨順義趙全營，北接密云縣，東與河北省興隆縣、天津市薊縣相連，南部與河北省三河市相接，地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°41′～117°24′，北緯40°01′～40°26′。地形總體上北高南低，北部、東和東南為山區(qū)與丘陵，中部的平谷盆地在西南與華北平原相連，最高海拔在東北部山區(qū)達(dá)1000m以上，平原區(qū)最低處位于泃河河床，海拔高程僅為12m?？偯娣e為1508km2。

區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，地層類型從太古宇到新生界第四系均有分布，由老至新包括密云群片麻巖、長城系、薊縣系、青白口系、寒武系、奧陶系、石炭－二疊和侏羅系，盆地中部廣泛分布第四系堆積物，第四系厚度由山前幾十米到盆地中心大于600m。密云群片麻巖主要分布于北部山區(qū)，長城系主要分布于北部山區(qū)和盆地底部北側(cè)，巖性以白云巖為主，碎屑巖次之。薊縣系地層主要分布在山前和中部，巖性以碳酸鹽巖為主。青白口系、寒武系、奧陶系、石炭-二疊和侏羅系地層，集中分布在研究區(qū)西部，構(gòu)成大孫各莊向斜。第四系地層分布于平原區(qū)，主要由潮白河和泃河、洳河沖洪積作用形成，第四系厚度較大。區(qū)域褶皺和斷裂構(gòu)造發(fā)育，褶皺構(gòu)造主要有關(guān)上-萬莊背斜，大孫各莊向斜。斷裂構(gòu)造包括東西向、北北東向、北東向、北西向等多組斷裂，規(guī)模較大的有夏墊-馬坊斷裂和二十里長山斷裂帶[14]。山區(qū)分布多個隱伏巖體，平原區(qū)有二十里長山等殘山出露。

研究區(qū)地形變化大、地層類型多、構(gòu)造發(fā)育、分布有侵入巖體，地表出露殘山，具有復(fù)雜地質(zhì)體特征。

2 模型構(gòu)建方法及數(shù)據(jù)

2.1 建模方法

GMS軟件是由美國Brigham Young University 的環(huán)境模型研究實驗室和美國軍隊排水工程試驗工作站在綜合MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D等已有地下水功能模塊基礎(chǔ)上開發(fā)的綜合性用于地下水模擬的圖形界面軟件。近年來地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化的需求逐漸增加，GMS軟件的地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模功能逐漸被應(yīng)用。構(gòu)建三維地層結(jié)構(gòu)模型主要應(yīng)用Boreholes、TINs、Solids功能模塊[15]，其中Boreholes用于管理鉆孔數(shù)據(jù)，生成鉆孔柱狀體，為構(gòu)建三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)體提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；TINs模塊為三角網(wǎng)格面，能夠?qū)Ⅻc數(shù)據(jù)差值轉(zhuǎn)化為各網(wǎng)格節(jié)點上的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在界面上的空間展布；Solids為地層實體模塊，即利用Boreholes及TINs等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)生成地質(zhì)實體。

本次以鉆孔數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)建三維含水層結(jié)構(gòu)模型，方法如下：①首先建立鉆孔柱狀體，利用Boreholes模塊，輸入整理好的鉆孔數(shù)據(jù)，每個鉆孔數(shù)據(jù)包括鉆孔編號、地理坐標(biāo)（X,Y），頂板高程，巖性代碼，地層序號等。②將地質(zhì)剖面圖用虛擬鉆孔來表達(dá)[16-17]，建立鉆孔柱狀體。③利用生成的鉆孔建立地質(zhì)剖面。④利用DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)獲取地表高程值，差值生成地表三角網(wǎng)絡(luò)（TINs），并利用地表三角網(wǎng)絡(luò)對地質(zhì)剖面的地表高程進(jìn)行修正。⑤利用地理底圖限定模型范圍，生成區(qū)域邊界圖層，由圖層生成相應(yīng)范圍的TINs，即不規(guī)則三角網(wǎng)絡(luò)。三角網(wǎng)格根據(jù)設(shè)定的空間步長對研究區(qū)域進(jìn)行剖分。⑥利用鉆孔數(shù)據(jù)中地層序號，根據(jù)TIINs限定的范圍和剖分精度，將鉆孔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為地質(zhì)實體Solids（圖1）。

圖1 構(gòu)建地質(zhì)結(jié)構(gòu)體流程圖

2.2 建模數(shù)據(jù)

北京順平巖溶水分布區(qū)通過本次“北京巖溶水資源勘查評價工程”項目，綜合運用遙感、水文地質(zhì)物探、鉆探等技術(shù)獲取了大量地質(zhì)數(shù)據(jù)，為該區(qū)地質(zhì)模型構(gòu)建提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（1）點狀數(shù)據(jù)。本次新施工的深層基巖勘探孔數(shù)據(jù)17個，鉆孔深度均在800～1000m，總進(jìn)尺15517.51m。收集歷史鉆孔數(shù)據(jù)232個，鉆孔深度在50～1000m之間，其中深度在50～200m的鉆孔150個，深度200～1000m的鉆孔82個；根據(jù)地質(zhì)平面圖和剖面圖設(shè)置的虛擬鉆孔287個。共計536個鉆孔數(shù)據(jù)。

圖2 鉆孔和地質(zhì)剖面分布圖

（2）線狀數(shù)據(jù)?；谖锾胶豌@探成果及以往研究成果繪制的高程在-1000m以內(nèi)的18條地質(zhì)剖面（圖2）。地質(zhì)剖面位置的選取考慮了區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造分布特征，選擇沿西部大孫各莊向斜走向方向及切割向斜核部的方向為剖面布設(shè)位置，在構(gòu)造復(fù)雜區(qū)加密剖面數(shù)量。每個剖面上有兩個以上鉆孔數(shù)據(jù)?；谖锾焦ぷ鞯牡刭|(zhì)剖面刻畫出了深部地層的巖性和展布特征，彌補(bǔ)深層鉆孔數(shù)據(jù)量較少的不足。

（3）面狀數(shù)據(jù)。DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度為30m*30m，用于校正地表高程?；鶐r地質(zhì)圖用于控制不同巖性地層的空間分布范圍。基于鉆孔、地質(zhì)剖面圖、基巖地質(zhì)圖、數(shù)字高程數(shù)據(jù)等多源的點、線、面數(shù)據(jù)為三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)體的構(gòu)造提供了有力保證。

3 順平地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型和分析

3.1 模型構(gòu)建

首先，將區(qū)域內(nèi)鉆孔數(shù)據(jù)整理成數(shù)據(jù)輸入的格式，并賦巖性代碼和地層序號值，輸入到建模軟件中，生成鉆孔柱狀體。本次研究重點為基巖含水層，將地層劃分到系，模型以-1000m作為模型底界標(biāo)高，以太古宇沙廠組片麻巖和隱伏侵入巖體作為模型底部第一層，其上長城系地層為模型第二層，薊縣系為第三層，青白口系為第四層，寒武系和奧陶系分別為第五層和第六層，石炭－二疊－侏羅系為模型第七層，對第四系地層描述采取高度概化的辦法，分為淺層第四系和深層第四系，分別作為模型的第八層和第九層，根據(jù)以上分類對每個鉆孔賦巖性代碼和地層序號（表1）。

基巖地質(zhì)剖面圖是考慮了區(qū)域地質(zhì)、地球物理勘探、鉆探成果的綜合性圖件。基于此的地質(zhì)剖面圖攜帶了更為豐富的地質(zhì)信息，反映了區(qū)域斷裂構(gòu)造和侵入巖體等特征。將地質(zhì)剖面圖用虛擬鉆孔形式表達(dá)，即在巖性變化點、斷層構(gòu)造點、地層頂板高程拐點等處設(shè)置虛擬鉆孔，用鉆孔數(shù)據(jù)形式表達(dá)該處地層巖性、標(biāo)高等信息。按照剖面展布位置連接鉆孔生成地質(zhì)剖面，并用DEM數(shù)據(jù)校正地表高程，形成聯(lián)合剖面。最后，利用模擬范圍圖層和基巖地質(zhì)圖等面層數(shù)據(jù)限定模型邊界以及巖性分布區(qū)域，根據(jù)鉆孔和剖面生成順平地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)體（圖3）。三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)體能夠分層展示各地層的空間展布，并能夠進(jìn)行任意方向的剖面切割展示。從展示效果看出，模型對于山區(qū)地表高程的起伏變化描述的精度較高，能夠?qū)EM數(shù)據(jù)精度直接反映到模型中。地層巖性的復(fù)雜變化，斷層等利用虛擬鉆孔的方式得到了較好的體現(xiàn)（圖3）。

表1 巖性代碼和地層序號

圖3 研究區(qū)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

3.2 模型功能與分析

（1）三維模型立體展示。從構(gòu)建的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型分層展示圖可以看出（圖4），長城系地層主要分布在山區(qū)，部分長城系地層延展到平原區(qū)中部，薊縣系地層主要分布在山前地帶和平原區(qū)，西部地區(qū)為呈帶狀分布的青白口系、寒武系地層，西南部集中分布奧陶系和石炭-二疊-侏羅系地層，模型地層分布特征符合區(qū)域地質(zhì)條件。三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型能夠任意角度旋轉(zhuǎn)，并進(jìn)行任意位置的剖面切割展示?？梢暬牡貙咏Y(jié)構(gòu)模型形象直觀的展示了地層的立體結(jié)構(gòu)，為深入分析區(qū)域地質(zhì)特征提供了便利。

圖4 三維結(jié)構(gòu)模型地層分層展示圖

（2）輔助水文地質(zhì)條件分析?；贕MS構(gòu)建地質(zhì)結(jié)構(gòu)體，當(dāng)對各地層賦以含水層參數(shù)后，能夠直接轉(zhuǎn)化為地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的水文地質(zhì)概念模型。該區(qū)地層并不是自下而上平行均勻展布，呈現(xiàn)出區(qū)塊狀分布的特征。地質(zhì)結(jié)構(gòu)體特征的表達(dá)為含水層的概化、水文地質(zhì)參數(shù)的分區(qū)，山區(qū)和平原區(qū)間水力聯(lián)系分析，不同巖性含水層水力聯(lián)系分析提供了依據(jù)。另外，模型給出了各分層的地層體積（表2），為區(qū)域地下水資源儲量估算提供了定量數(shù)據(jù)。

表2 各地層體積及比例

（3）輔助鉆孔設(shè)計。以往進(jìn)行鉆孔設(shè)計時，僅依據(jù)臨近地質(zhì)鉆孔資料作為參考，本文建立的三維地質(zhì)模型具備任意旋轉(zhuǎn)和切割功能，當(dāng)需要在某一地點設(shè)計施工鉆孔時，模型能快速給出該點處垂向的地層巖性，而且由于模型綜合了區(qū)域地質(zhì)、地球物理勘探、鉆探等多種信息，其給出的設(shè)計依據(jù)較單孔數(shù)據(jù)更為可靠。

4 結(jié)論

（1）基于GMS軟件中Boreholes、TINs和Solids模塊，利用鉆孔數(shù)據(jù)、地質(zhì)剖面圖及區(qū)域地質(zhì)圖和DEM等點、線、面形式的多源數(shù)據(jù)，構(gòu)建了可視化的順平地區(qū)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。模型根據(jù)地層巖性分為9層，較真實的反應(yīng)了區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)。模型構(gòu)建方法可行，為復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)區(qū)模型構(gòu)建提供了參考。

（2）順平三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型能夠進(jìn)行任意方向旋轉(zhuǎn)，地層的分層展示，任意位置的剖面切割。地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型為認(rèn)識區(qū)域地質(zhì)條件提供了便捷的工具，為建立區(qū)域地下水流數(shù)值模型奠定了基礎(chǔ)。

（3）地質(zhì)結(jié)構(gòu)體模型的精度依賴于建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基于多源數(shù)據(jù)建模對提高模型可信度具有重要作用。另外，模型的構(gòu)建包含了建模者的概化思想，根據(jù)建模目的不同，地層的分層、合并，局部地層的省略、簡化等處理會有所差異。

[1]吳沖龍，何珍文，翁正平等.地質(zhì)數(shù)據(jù)三維可視化的屬性、分類和關(guān)鍵技術(shù)[J].地質(zhì)通報，2011,30（5）：642～649.

[2]武 強(qiáng)，徐 華.三維地質(zhì)建模與可視化方法研究[J].中國科學(xué)D輯地球科學(xué)，2004，34（1）：54～60.

[3]林冰仙，周良辰，閭國年.虛擬鉆孔控制的三維地質(zhì)體模型構(gòu)建方法[J].地球信息科學(xué)學(xué)報，2013,15（5）：672～679.

[4]朱良峰，孫建中，張成娟.沉積地層系統(tǒng)三維實體模型構(gòu)建方法[J].巖土力學(xué)，2012, 33（11）：3243～3250.

[5]從威青，潘 懋，呂才玉等.三維地質(zhì)建模及可視化系統(tǒng)在安慶銅礦勘查中的應(yīng)用[J].北京大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009,45（4）：633～638.

[6]李青元，張麗云，魏占營等.三維地質(zhì)建模軟件發(fā)展現(xiàn)狀及問題探討[J].地質(zhì)學(xué)刊，2013，37(4):554～561.

[7]潘 懋，方 裕，屈紅剛.三維地質(zhì)建模若干基本問題探討[J].地理與地理信息科學(xué)，2005，23(3):1～5.

[8]張海濤，許光泉，李佩全等.基于GMS的隔水層水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化分析[J].人民黃河，2010,32（9）：42～43.

[9]賈瑞亮，周金龍，劉延鋒等.應(yīng)用GMS軟件構(gòu)建三維含水層結(jié)構(gòu)模型[J].節(jié)水灌溉，2014，（1）：57～59.

[10]王麗霞，劉 芳，唐澤軍.基于GMS的石羊河流域含水層空間結(jié)構(gòu)變化的可視化研究[J].干旱區(qū)地理，2011,34（1）：62～69.

[11]陳正華，周 斌，鄧 智.基于GMS的武山礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化模型[J].安全與環(huán)境工程，2012,19（4）：125～128.

[12]謝 軼，蘇小四，高淑琴.基于GMS支持下的大慶地下水庫區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化模型[J].吉林大學(xué)學(xué)報（地球科學(xué)版），2006,36（增刊）：51～54.

[13]梁煦楓，王 哲，曾永剛.基于GMS的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化研究—以天山北麓為例[J].地下水，2006,28（6）：79～82.

[14]北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊.北京市平谷應(yīng)急供水工程中橋地區(qū)基巖地下水供水水文地質(zhì)勘察評價報告[R].2004年3月.

[15]易立新，徐鶴.地下水?dāng)?shù)值模擬：GMS應(yīng)用基礎(chǔ)與實例[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2009,39～40.

[16]田宜平，吳沖龍，董志.引入虛擬鉆孔的地層鏈接推理與地質(zhì)體建模[J].地質(zhì)科技情報，2010,29（5）：117～120.

[17]周良辰，林冰仙，閭國年.虛擬鉆孔控制的地質(zhì)剖面圖構(gòu)建算法與實現(xiàn)[J].地球信息科學(xué)學(xué)報，2013,15（3）：356～361.