武漢基巖地層三維地質(zhì)建模幾個要點

韓德村，李學(xué)問，王藝霖，聶海濤，晏思詩

(1．湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北武漢 430034;2．河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪地理信息院，河南鄭州 450006)

武漢市位于江漢平原東部，是中國歷史悠久的特大城市之一。復(fù)雜的地質(zhì)背景條件是城市建設(shè)、規(guī)劃的主要影響因素。三維地質(zhì)模型能夠直觀地反映地層的空間展布特征，具備了可視化的特點，能更好地服務(wù)于城市規(guī)劃和地下空間開發(fā)。2013年，筆者對武漢市第四系地層建模進行了探討，針對目標(biāo)地質(zhì)體邊界控制綜合建模方法，引入了礦體建模思路構(gòu)建了武漢市第四系三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，本文將結(jié)合工作實例闡述武漢市復(fù)雜基巖地層建模的幾個要點。

1 沉積地層及構(gòu)造演化特征

前人研究［1-3］表明，武漢地區(qū)隨著晉寧造山運動的結(jié)束，轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定陸殼發(fā)展環(huán)境，進入沉積蓋層發(fā)展階段;以淺海—臺地相的碳酸鹽巖與陸緣碎屑巖沉積為主，受加里東運動、華力西運動影響，區(qū)內(nèi)出現(xiàn)廣泛的沉積間斷。區(qū)內(nèi)上三疊統(tǒng)—侏羅系、白堊系—古近系、新近系三大構(gòu)造層，各構(gòu)造層之間均以角度不整合接觸，分別形成于印支運動、燕山運動和喜馬拉雅運動;該階段發(fā)生強烈褶皺、斷裂等構(gòu)造變形作用，造就了調(diào)查區(qū)基本構(gòu)造格局。

1．1 印支運動階段

對應(yīng)于晚三疊世—侏羅紀(jì)。三疊紀(jì)末揚子板塊與華北板塊碰撞對接，與之對應(yīng)，調(diào)查區(qū)大面積隆升造山，結(jié)束了調(diào)查區(qū)海相沉積歷史。此時在南北向擠壓應(yīng)力作用下，形成近東西向褶皺和近東西—北西西向脆性斷裂構(gòu)造，形成了調(diào)查區(qū)主體構(gòu)造。

1．2 燕山運動階段

對應(yīng)于白堊紀(jì)—古近紀(jì)。早白堊世區(qū)域上強烈的燕山運動在調(diào)查區(qū)以斷裂變形為主，褶皺不發(fā)育，于區(qū)內(nèi)形成北北東和北北西—北西向兩組脆性斷裂，前者規(guī)模宏大，由此奠定了現(xiàn)今調(diào)查區(qū)基本地質(zhì)構(gòu)造格架。

晚白堊世—古近紀(jì)，燕山運動由擠壓逐漸向松弛的彈性回落階段轉(zhuǎn)化，區(qū)內(nèi)表現(xiàn)出伸展裂陷作用特點，形成大量張性正斷層，早期擠壓應(yīng)力的釋放使得早期斷裂再次活動，并控制了同期斷陷盆地的沉積演化。

1．3 喜馬拉雅運動階段

古近紀(jì)晚期，受喜馬拉雅運動南北向擠壓應(yīng)力影響，調(diào)查區(qū)于燕山運動中發(fā)展起來的陸相盆地受擠壓關(guān)閉。調(diào)查區(qū)南部地區(qū)，盆地中心局部仍有小范圍湖盆保留，盆地邊緣成為剝蝕夷平區(qū)，形成礫巖與粘土巖互層的河湖相沉積，并造成新近紀(jì)沉積與白堊—古近紀(jì)沉積間的角度不整合關(guān)系。

綜上所述，武漢市基巖地層屬于復(fù)雜基巖地層，在復(fù)雜地質(zhì)體建模過程中需要注意對地層尖滅、斷層及基巖零星出露的刻畫以及復(fù)雜空間數(shù)據(jù)模型表達的方法。

2 復(fù)雜基巖地層建模幾個要點

構(gòu)建復(fù)雜基巖模型，利用交叉剖面將大區(qū)域分成很多小單元格，再對小單元格里地層面從上至下或從下至上層層構(gòu)建［4］，即選擇每一個層面的頂部輪廓線進行構(gòu)建，如果地層連續(xù)，那么便可很容易找出當(dāng)前層面的一圈封閉的頂部輪廓線，進而利用這一圈封閉的邊界線圍成的區(qū)域進行約束Delauny三角化構(gòu)建地層頂部界面。這樣減小了建模難度，提高了建模速度和精度。

但是現(xiàn)實中的地質(zhì)情況往往比這復(fù)雜得多，例如出現(xiàn)尖滅、斷層、地層倒轉(zhuǎn)、巖體破碎帶等，對于這種非交叉剖面處或邊界處無法自然封閉的單元格，可以通過手動添加輔助線的方式進行封閉，之后按照封閉單元格相同方式建模。除剖面數(shù)據(jù)外，在單元格內(nèi)的空白區(qū)域，如果有鉆孔、等值線數(shù)據(jù)能夠揭示地質(zhì)體或地質(zhì)構(gòu)造信息，也可將這些信息在構(gòu)面過程中加以利用，以提高模型精度?；趩卧竦慕７椒ㄗ顬楹诵牡慕９ぷ鳛榻缀?、拓撲一致的地質(zhì)體子面，而這也是復(fù)雜地質(zhì)體建模的要點所在。下面通過具體分析不同的地質(zhì)現(xiàn)象來闡述地質(zhì)界面的構(gòu)建方法。

(1)地層尖滅的處理方法。地層尖滅是地質(zhì)現(xiàn)象中最常見的。當(dāng)遇到地層尖滅時，首先添加輔助線來作為兩相鄰地層的共同尖滅邊界，再利用這些輔助線與剖面線自動構(gòu)建地層界面。當(dāng)上下地層較少、地層關(guān)系簡單時，處理地層尖滅很容易添加輔助線，但當(dāng)遇到較復(fù)雜的地層尖滅時，往往需要將多條尖滅線進行剪斷相交后再構(gòu)建各個地質(zhì)界面。因為當(dāng)與兩條輔助線有關(guān)的上部地層中存在兩個相同的地層屬性時，需要將這兩條輔助線剪斷，在剪斷處的點高程可通過取均值的方法重新計算。如圖1中，地層面C頂層線處存在兩個不同屬性的地層面A和地層面B，分別作出地層面A和地層面B的邊界輔助線L1和L2，如果不考慮L1與L2的相交問題，在構(gòu)建A面、B面或B面、C面時，會因為輔助線的不相交導(dǎo)致面與面中間出現(xiàn)空隙或重疊的問題，這樣構(gòu)建的上下相鄰地質(zhì)體之間就會出現(xiàn)空洞或是交錯的現(xiàn)象。解決辦法是將線段L1和L2在點O處相交剪斷，剪斷后形成了四根線段，將地質(zhì)面B的頂面分成了兩個子面來構(gòu)建，這兩個子面又分別存在于面C和面A中。通過這種處理方法，解決了地質(zhì)面在尖滅處拓撲一致性的問題，也保證了空間相鄰的地質(zhì)體具有唯一共用面。

(2)斷層處理方法。當(dāng)單元格內(nèi)存在斷層時，必須優(yōu)先構(gòu)建斷層面，再利用斷層面和剖面的約束來構(gòu)建其他地層界面。在構(gòu)建斷層面時，需要利用剖面上的斷層線和基巖地質(zhì)圖上的帶高程的斷層線相結(jié)合，通過添加輔助線的方式最后確定斷層的邊界，然后通過邊界多邊形構(gòu)建斷層面。圖2為斷層面構(gòu)建示例，圖中L1是基巖地質(zhì)圖上帶高程的斷層線，L2是手動添加的輔助線，L1和L2與剖面上的斷層線形成了一個封閉的弧段，通過封閉弧段構(gòu)網(wǎng)，最終形成斷層面。

圖1 地層尖滅處理Fig．1 Treatment of stratum thinning out

(3)基巖零星出露區(qū)處理方法。地層界面在三維空間中會發(fā)生相互交錯的現(xiàn)象，例如第四系地質(zhì)中的基巖出露即是穿透其他地層，盡管這也屬于地層尖滅現(xiàn)象，但如果只采用添加輔助線的方式，不僅會比較繁瑣，還會造成輔助線之間存在空隙導(dǎo)致不封閉。為此，本次三維地質(zhì)建模采用如下的思路:首先構(gòu)建原始的地層面，然后利用地層面與面的互相切割，線與面的切割，對切割后的子面進行取舍。

具體做法是:首先通過添加輔助線構(gòu)建穿透地層面和被穿透地層面，保證構(gòu)建的地層面拓撲一致，特別是被穿透的地層面。然后將穿透地層面與被穿透地層面相互切割，被穿透地層面被分為很多子面，保留被穿透地層面的洞外部分，刪除洞內(nèi)部分，這樣洞外部分就可以被用來進行下一次的切割;同時穿透地層面也被分為很多子面，可以按要求保留穿透地層面的上下子面。有時，在構(gòu)建基巖巖溶條帶面時為了保證面與面之間的封閉性，需要使巖溶條帶面高于第四系地質(zhì)面，然后通過面與面的切割或線與面的切割，將巖溶條帶面的高出部分刪除，這樣建立的巖溶條帶面就完全與第四系地質(zhì)面穩(wěn)合。對于復(fù)雜地質(zhì)體的穿透處理，經(jīng)常需要用到三角網(wǎng)的切割算法，所以對于切割要求相對來說比較高。如圖3即為基巖出露的處理示意圖。

圖3 基巖零星出露(地層穿透)處理Fig．3 Treatment of sporadically exposed bedrock

(4)復(fù)雜空間數(shù)據(jù)模型表達方法。三維地質(zhì)模型是對客觀地質(zhì)的理解和抽象表達，如斷層、巖脈等將地層切割成不連續(xù)的空間分布，巖體內(nèi)復(fù)雜的巖性變化以及地質(zhì)構(gòu)造過程的動態(tài)性等使得地下的自然環(huán)境變得異常復(fù)雜。地質(zhì)體中包含斷層、巖脈侵入體、倒轉(zhuǎn)褶皺等多值面的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，增加了三維地質(zhì)建模數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、拓撲關(guān)系及相應(yīng)算法的復(fù)雜程度，缺乏成熟的解決方案，使得重建的三維模型信息存儲量異常巨大，無法滿足實際分析應(yīng)用。所以，針對應(yīng)用目標(biāo)，選擇合適的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，解決地質(zhì)體復(fù)雜、模型數(shù)據(jù)量大與模型需滿足實時分析要求的矛盾。具體表達方法是在每個地質(zhì)體刻畫之前形成概念模型，遵循由粗到細，由框架到細節(jié)的思路，逐步對復(fù)雜地質(zhì)體進行刻畫。

以上內(nèi)容對復(fù)雜地層的三維地質(zhì)建模幾個要點進行了詳細分析，這些難點是在人工交互式建模過程中經(jīng)常會遇到的，也是最實際的解決方法。

3 建模實例

以武漢市漢陽區(qū)為例，按前文所述對斷層、地層尖滅和基巖零星出露區(qū)進行了細致處理。武漢市漢陽區(qū)構(gòu)造作用強烈，斷層極為發(fā)育，所以必須先建立斷層面模型，再構(gòu)建基巖面。如圖4、圖5中紅色的面即為斷層面，此斷層面邊界與剖面上的斷層線保持拓撲一致。然后依據(jù)斷層面所在處，建立基巖的巖溶條帶，保證可溶巖在經(jīng)過斷層面處斷開，如圖6-圖9。

圖4 漢陽斷層面與剖面圖Fig．4 Hanyang fault surface and profile

圖5 三疊系大冶組與斷層面ig．5 Triassic Daye formation and fault surface

圖6 二疊系大隆組與斷層面Fig．6 Permian Dalong Formation and fault surface

圖7 二疊系孤峰組與斷層面Fig．7 Permian Gufeng Formation and fault surface

圖8 石炭系黃龍組與斷層面Fig．8 Huanglong Formation of Carboniferous and fault surface

圖9 泥盆系黃家蹬組與斷層面Fig．9 Huangjiadeng Formation of Devonian and fault surface

4 結(jié)論

復(fù)雜地層三維地質(zhì)模型精細刻畫除了需要投入大量的工作之外，還需要通過長期的工作掌握建模要點，如前文所述的幾個要點只是筆者從事復(fù)雜地層三維建模遇到的一些難題及總結(jié)的一些辦法。地質(zhì)人員直接參與建模是未來三維地質(zhì)建模的發(fā)展方向，與單純由計算機人員建模相比有效提高了建模效率，是推動三維地質(zhì)建模技術(shù)發(fā)展和建模工作順利實施的保障。

［1］ 湖北省地質(zhì)局．武漢市地質(zhì)圖說明書(1∶50 000)［R］．武漢:湖北省地質(zhì)資料館，1985．

［2］ 湖北省地質(zhì)局．武漢市基巖地質(zhì)圖說明書(1∶50 000)［R］．武漢:湖北省地質(zhì)資料館，1985．

［3］ 湖北省地質(zhì)局．1∶20萬武漢幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告［R］．武漢:湖北省地質(zhì)資料館，1975．

［4］ 陳國良，劉修國，盛謙，等．一種基于交叉剖面的地質(zhì)模型構(gòu)建方法［J］．巖土力學(xué)，2011，32(8):2409-2415．

(責(zé)任編輯:陳姣霞)