唐山市鉆孔第四系三維層序—構(gòu)造建模與分析★

孫 剛 隋建波 劉晶晶

(中國地震應(yīng)急搜救中心，北京 100049)

0 引言

唐山市是我國地震重點監(jiān)視區(qū)，歷史上曾發(fā)生1976年7.8級城市直下型地震，導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，整個唐山市近乎被毀滅［1］。近年來唐山市經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，城市擴(kuò)大快，城市急需開展具有防御城市直下型地震災(zāi)害能力的城市規(guī)劃與建設(shè)。

本文利用三維可視化地質(zhì)建模軟件將收集的唐山市鉆孔資料進(jìn)行數(shù)值模擬，給出唐山市第四系地下三維結(jié)構(gòu)模型，分析唐山市可能的地下斷層及活動性。

1 鉆孔數(shù)據(jù)選取

本文收集和整理唐山市工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、城市建設(shè)以及河北省城市活斷層與地震危險性評價項目(唐山市項目)鉆探的鉆孔資料，共計117個場地，1 573個鉆孔，通過篩選整理，確定最終用于三維建模的鉆孔共199個。對這199個鉆孔進(jìn)行地層劃分，建立唐山市第四紀(jì)鉆孔數(shù)據(jù)庫(見表1)。對各類鉆孔進(jìn)行統(tǒng)一數(shù)字化，形成數(shù)字化的鉆孔分布圖。唐山市區(qū)主要發(fā)育三條第四紀(jì)斷裂，分別是陡河斷裂(F1)、巍山—豐南斷裂(F2)、唐山地震斷裂帶(F3)。

表1 鉆孔層序分層數(shù)據(jù)表(部分)

2 三維建模流程

本文建模流程主要包括基礎(chǔ)資料的處理、鉆孔數(shù)據(jù)庫的建立、三維建模數(shù)據(jù)體的生成、三維建模與成果輸出等。建模采用ArcGIS和MVS軟件完成，主要考慮ArcGIS的地理信息處理與分析功能，MVS軟件的地質(zhì)地球物理數(shù)據(jù)綜合分析能力較強(qiáng)，有利于后續(xù)三維綜合建模和數(shù)據(jù)庫建設(shè)。

建模流程圖見圖1。

圖1 三維建模流程圖

3 三維建模成果輸出

3.1 三維數(shù)據(jù)體的生成

MVS對三維地質(zhì)數(shù)據(jù)的格式有一定要求，本文首先是將處理好的層序分層數(shù)據(jù)，通過程序處理為MVS可以導(dǎo)入的數(shù)據(jù)格式。這一數(shù)據(jù)格式主要包括兩個部分:頭文件區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)，如圖2所示，頭文件區(qū)給出了每列數(shù)據(jù)的屬性，數(shù)據(jù)區(qū)為鉆孔數(shù)據(jù)內(nèi)容，每行代表一個鉆孔，每列代表鉆孔的一種屬性，如坐標(biāo)、高程、層底埋深等［2-4］。

圖2 MVS三維建模格式（部分）

3.2 數(shù)據(jù)導(dǎo)入與插值

將上述經(jīng)處理的數(shù)據(jù)體，導(dǎo)入MVS軟件中，形成空間的點，這些點具有高程和各層序界面埋深等屬性。在MVS中可對這些點的高程或某一數(shù)值屬性進(jìn)行插值，形成地表和各層序界面的空間曲面。

3.3 三維模型的建立

經(jīng)過曲面擬合(克里金插值)之后，可以以各層面為基礎(chǔ)構(gòu)建三維地質(zhì)體，各幾何體代表了不同層序組的厚度空間變化，形成的地質(zhì)體見圖3。在三維地質(zhì)體的基礎(chǔ)上，可以生成三維剖面，沿南北、東西或其他任意方向，剖面可以使我們在不同角度觀察各層位之間的關(guān)系，包括空間形態(tài)和厚度變化，更好的輔助沉積和構(gòu)造演化分析，圖4是一組剖面的示意圖。最終形成唐山市區(qū)層序—構(gòu)造格架三維地質(zhì)體、各層序界面的空間起伏與厚度變化圖［5，6］。

4 三維建模成果分析

圖3 建模生成的三維地質(zhì)體

圖4 一組三維剖面

4.1 Qh構(gòu)造空間展布分析

圖5為Qh的側(cè)視圖。

從圖5中可以看出:Qh的底界整體上較為平緩，沉積厚度的變化不大。陡河斷裂(F1)、巍山—豐南斷裂(F2)、唐山地震斷裂帶(F3)對地層的變化的控制不是很明顯，說明三條斷裂在Qh以來沒有活動的跡象。

圖5 Qh構(gòu)造底板起伏形態(tài)（側(cè)視）

圖6 構(gòu)造底板起伏形態(tài)（側(cè)視）

而唐山地震斷裂帶(F3)的東側(cè)的沉降區(qū)域非常明顯，斷層兩側(cè)沉積基底有較大的變化，說明唐山地震斷裂帶(F3)在此時較為活動，對地層沉積都有一定的控制作用。

圖7 構(gòu)造底板起伏形態(tài)（側(cè)視）

5 結(jié)語

本文收集、整理和分析了唐山市區(qū)199個典型鉆孔的資料，對鉆孔巖性分層和層序進(jìn)行分層并建立了數(shù)據(jù)庫。根據(jù)典型鉆孔數(shù)據(jù)庫和層序—構(gòu)造格架，基于三維構(gòu)造建模MVS和ArcGIS軟件平臺，建立了唐山市目標(biāo)區(qū)第四系層序—構(gòu)造格架三維模型，給出包括唐山市目標(biāo)區(qū)層序—構(gòu)造格架三維地質(zhì)體、各層序界面的空間起伏與厚度變化、典型地層剖面等圖件，實現(xiàn)了目標(biāo)區(qū)三維地質(zhì)建模與可視化。

對唐山市區(qū)晚第四紀(jì)地層各層段特征、地層—沉積格架和三維建模的綜合分析表明，陡河斷裂(F1)、巍山—豐南斷裂(F2)對晚第四紀(jì)地層的控制不是很明顯，說明它們以來活動較弱。唐山地震斷裂帶(F3)在以前，對地層的控制較為明顯，斷裂兩側(cè)變化較大，表現(xiàn)為斷裂西側(cè)隆起，東側(cè)凹陷，體現(xiàn)出唐山地震斷裂帶(F3)為以來斷層活動性及其對沉積的控制作用。

［1］劉 亢.唐山地區(qū)強(qiáng)震復(fù)發(fā)特征與發(fā)震構(gòu)造深淺部耦合關(guān)系綜合研究［D］.北京:中國地震局地質(zhì)研究所博士學(xué)位論文，2011:5-10.

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