基于ArcGIS的鉆孔三維層序
--構(gòu)造可視化建模

李吉之，孫麗娜

（1.揚(yáng)州環(huán)境資源職業(yè)技術(shù)學(xué)院資源科學(xué)系，江蘇揚(yáng)州 225127；2.河北省地震局，河北石家莊 050021）

基于ArcGIS的鉆孔三維層序
--構(gòu)造可視化建模

李吉之1，孫麗娜2

（1.揚(yáng)州環(huán)境資源職業(yè)技術(shù)學(xué)院資源科學(xué)系，江蘇揚(yáng)州 225127；2.河北省地震局，河北石家莊 050021）

以廊坊市為例，收集和利用廊坊市區(qū)范圍的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、城市建設(shè)等約200～300個(gè)場(chǎng)地鉆孔資料，通過層序地層分層法、數(shù)據(jù)處理、三維鉆孔數(shù)據(jù)庫建立及三維空間擬合，采用ESRI公司的ArcGIS軟件進(jìn)行第四系三維地層構(gòu)造建模和可視化分析。

第四系地層；ArcGIS；三維建模

0 引言

近年來，全球又進(jìn)入了地震高發(fā)期，印尼海嘯、印巴地震、四川5.12地震等給局部地區(qū)造成了巨災(zāi)。廊坊市位于華北平原沉降帶的二級(jí)構(gòu)造區(qū)之冀中坳陷北部。從區(qū)域上看，廊坊市位于張家口—蓬萊地震構(gòu)造帶附近，距張家口—蓬萊地震構(gòu)造帶上的小震密集帶南側(cè)邊緣約50km，距華北平原地震構(gòu)造帶的小震密集帶的西側(cè)約50km。1679年9月2日曾發(fā)生三河—平谷8級(jí)大震，這次地震曾對(duì)廊坊市產(chǎn)生Ⅸ度的影響。因此，進(jìn)行活斷層探測(cè)及地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)有其重要意義。

本文利用三維建模技術(shù)和廊坊市鉆孔數(shù)據(jù)，結(jié)合ArcGIS地理信息系統(tǒng)軟件對(duì)廊坊市第四系地質(zhì)進(jìn)行三維構(gòu)造模擬，獲得廊坊市第四系底部空間結(jié)構(gòu)圖，直觀的分析地質(zhì)構(gòu)造背景，對(duì)城市規(guī)劃、生命線工程的建設(shè)和地震安全性評(píng)價(jià)都有一定的意義。

1 鉆孔第四系地層劃分

層序地層是地層學(xué)的一個(gè)新分支學(xué)科。層序地層的出現(xiàn)標(biāo)志著人們對(duì)地層形成和成因認(rèn)識(shí)達(dá)到了新的水平。經(jīng)歷了從傳統(tǒng)地層學(xué)對(duì)地層的“一維”剖面描述→瓦爾特相律、巖石地層穿時(shí)、沉積體系的“二維”認(rèn)識(shí)→沉積層序和沉積體系域配置的“三維”認(rèn)識(shí)3個(gè)階段。

層序就是由相對(duì)整合的、連續(xù)的、成因上有聯(lián)系的地層組成的地層單元，其頂、底界以不整合面或與之可以對(duì)比的整合面為界的一套地層組合。層序地層學(xué)是根據(jù)地震、鉆井和露頭資料對(duì)地層分布型式和沉積體系綜合解釋，它主要研究由不整合面及其對(duì)應(yīng)的整合面所限定的沉積地層的時(shí)空分布及其與海平面變化的關(guān)系，建立起在成因上有聯(lián)系的等時(shí)年代地層格架[2,3]。

本文對(duì)廊坊市目標(biāo)區(qū)開展2個(gè)控制性鉆孔探測(cè)，系統(tǒng)采集并測(cè)定各種年代樣品、孢粉樣品、微體古生物樣品或古地磁標(biāo)本，進(jìn)行橫波/縱波波速、電阻率、密度等地球物理測(cè)井，測(cè)井采樣間距不應(yīng)大于1m，密度也可通過樣品測(cè)定。綜合劃分第四系地層層序。運(yùn)用以上的年代地層劃分方案，將廊坊市第四系地層劃分為早、晚更新統(tǒng)和全更新統(tǒng)。

2 ArcGIS三維分析模塊簡介

數(shù)據(jù)的表達(dá)和顯示是空間數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)。本文采用ArcGIS軟件中的ArcScene模塊來實(shí)現(xiàn)地理數(shù)據(jù)的三維顯示功能。

ArcScene主要用于對(duì)地理數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析。通過在ArcScene的主視圖中加入各類地理圖層，并使用一些基本的地圖分析功能瀏覽和查看地理數(shù)據(jù)。針對(duì)三維數(shù)據(jù)而言，可將影像柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)疊加到TIN或規(guī)則格網(wǎng)DEM表面高程數(shù)據(jù)上，以進(jìn)行三維場(chǎng)景的查看和分析；或者根據(jù)數(shù)據(jù)分析需要，在場(chǎng)景中按照?qǐng)D層某屬性值的大小以立體柱的形式突出顯示其分布狀況；同時(shí)，還可應(yīng)用三維分析工具實(shí)現(xiàn)空間表面的創(chuàng)建和分析功能[1]。

數(shù)據(jù)三維可視化在ArcSence中主要通過以下三種不同的方式實(shí)現(xiàn)。

第一種是疊加影像到空間相應(yīng)區(qū)域的DEM之上；

第二種是設(shè)置圖層屬性，以三維立體柱高度反映矢量數(shù)據(jù)圖層中每個(gè)特征的字段值大小；

第三種是直接使用3DAnalyst三維分析模塊提供的三維轉(zhuǎn)換工具，將已有矢量數(shù)據(jù)特征轉(zhuǎn)換到三維空間中。

在這三種方法中，前兩種只是單純地改變了數(shù)據(jù)的表現(xiàn)方式，將數(shù)據(jù)信息以多維方式疊加顯示，幫助加深對(duì)特定區(qū)域空間數(shù)據(jù)的理解；而第三種方法則是根據(jù)用戶的需要，以產(chǎn)生新文件的方式重新組織信息，并在三維空間加以顯示和渲染。本文用三維分析提供的三維轉(zhuǎn)換工具來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的三維顯示，結(jié)合插值的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的修整。

3 鉆孔數(shù)據(jù)建庫及三維模型建立

三維模型建立的基礎(chǔ)之一是大量的鉆孔資料。本文就是利用收集到的200～300個(gè)場(chǎng)地鉆孔資料，進(jìn)行建庫和三維分析。

本文采用數(shù)據(jù)庫為Access格式，包括鉆孔索引表（見表1）及每個(gè)鉆孔的屬性表（見表2）。鉆孔索引表中的每個(gè)鉆孔都對(duì)應(yīng)一個(gè)鉆孔屬性表，屬性表包括鉆孔的地理坐標(biāo)、所處地質(zhì)構(gòu)造位置、井深、第四系地層厚度和底界深度，將這些鉆孔投到廊坊地形圖上（見圖1）。

表1 廊坊市區(qū)鉆孔索引表

表2 鉆孔屬性表

圖1 廊坊市第四系建模所用鉆孔位置圖

根據(jù)建立的第四系和上第三系地層的鉆孔三維數(shù)據(jù)庫，通過ArcGIS軟件中的三維分析模塊來實(shí)現(xiàn)廊坊市目標(biāo)區(qū)三維層序—構(gòu)造分析，利用ArcScene模塊來分析查看這些三維數(shù)據(jù)[4,5]。輸入鉆孔資料數(shù)據(jù)，插值生成地層底界曲面，獲得第四系地層的構(gòu)造圖（圖2）和鉆孔三維圖（圖3）。

圖2 第四系地層底界三維圖

圖3 鉆孔柱狀圖三維顯示

4 結(jié)論

通過對(duì)鉆孔資料的巖性描述統(tǒng)一概化，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)鉆孔進(jìn)行地層分層和數(shù)據(jù)整理，建立了廊坊市第四系地層三維模型，對(duì)后續(xù)研究活斷層的空間展布、活動(dòng)時(shí)間和組合規(guī)律等提供可靠的參考方法。本文的不足之處在于受收集鉆孔資料局限，鉆孔密度小，對(duì)地質(zhì)分析的準(zhǔn)確性有較大影響。在以后的研究中有必要進(jìn)一步結(jié)合大量地球物理探測(cè)和鉆孔資料進(jìn)行綜合分析研究，以獲得更為可信的分析結(jié)果。

[1] 孫 軒,吳華意. ArcGIS的三維分析模塊的分析與探討[J].地理空間信息,2008,2(6).

[2] 孫 剛.邯鄲市第四系三維建模與構(gòu)造分析[D].中國地質(zhì)大學(xué)(北京),2007.

[3] 曹伯勛.地貌學(xué)及第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)[J].北京:中國地質(zhì)大學(xué)出版社,1995.

[4] 張 敏,李自紅,劉鴻福,楊瑛.基于ArcGIS的太原斷陷盆地第四系三維地質(zhì)建模[J].震災(zāi)防御技術(shù),2007.2(3).

[5] 曹代勇,李青元,朱小弟等.地質(zhì)構(gòu)造三維可視化模型探討[J].地質(zhì)與勘探,2001,37(4).

3D Visual Modeling of Borehole Sequence-structure based on ArcGIS Software

LI Jizhi1SUN Lina2
(1.Yangzhou Vocational College of Environment and Resources, Yangzhou 225127; 2.Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050021)

Based on the engineering geology, hydrogeology, urban construction data of about 200 300 boreholes in Langfang City, Hebei Province, the author analyzes the sequence method, data processing, 3D borehole database establishment and fitting of 3D space; as a result, a 3D visual model of borehole Quaternary sequence-structure based on ArcGIS has been established by ESRI is ArcGIS software.

Quaternary; ArcGIS; 3D-modeling

TP319

B

李吉之，男，遼寧大連人，碩士，講師。