基于GMS的三維地質模型的建立

郭　輝

(1.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080；2.吉林大學環境與資源學院，長春 750000)

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基于GMS的三維地質模型的建立

郭輝1、2

(1.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080；2.吉林大學環境與資源學院，長春 750000)

摘要：三維地質模型是近代出現以計算機為工具，對地層結構、地質解釋、空間位置等進行三維空間模擬，從而更形象的用于描述、解釋在實際工程研究中的地質問題。GMS系統軟件是以地下水及水環境為主要研究對象的水資源、水環境方面的專業軟件，但地質建模卻是水資源、水環境問題研究的基礎。因此，合理的三維地質模型的建立是合理解決水資源、水環境問題的基礎要求，也是對地質及水文地質條件理解的最優表達，文章以尚志市某地域工程為例，展示了合理創建三維地質結構模型的過程及三維地質模型對地質問題的解釋問題。

關鍵詞：GMS；三維空間；地質模型；建模方法；應用

1工作區概況

工作區位于黑龍江省東南部，尚志市西部，隸屬黑龍江省尚志市管轄，是尚志市政府、市委所在地，集全市政治、經濟、文化、信息為一體的綜合城鎮中心。西距黑龍江省會哈爾濱市120 km，東距國際滑雪場亞布力60 km，地理座標為E44°27′～45°36′，N127°17′～129°12′。全鎮總人口111,414人。

尚志鎮地處松花江流域螞蜒河干流中游，地勢較平坦，四周低山發育。西距黑龍江省會哈爾濱市145 km，綏滿高速公路、濱綏鐵路、方莊公路、301國道于境內縱橫交錯。本次工作區位于螞蟻河干流長壽—河北村段，亮珠河、螞蟻河以北，交通暢通。

1.1　地形地貌

工作區主要屬于螞蟻河中游，中部廣大地區為螞蟻河河谷沖、洪積平原，西南和東北部局部為殘陵。區內地勢較為平坦，局部起伏不平，地形以西南、西北高，東北、東南低為趨勢發育，最高處西南部殘丘絕對高程為278.20m，最低處為螞蟻河沿岸，地面高程約173.00 m，相對高程差約104 m 。

根據地貌成因類型、地勢形態特征，將地貌單元劃分見圖1、表1：

圖1　地貌單元劃分示意圖

成因類型代號型態單代號剝蝕地形Ⅰ丘陵Ⅰ剝蝕堆積地形Ⅱ波狀臺地Ⅱ堆積地形Ⅲ一級階地Ⅲ1高漫灘Ⅲ2低漫灘Ⅲ3

1.2　地層

區內出露地層主要為新生界第三系和第四系，地層簡表見表2：

表2　地層簡表

各個時代的地層構造、結構及巖性特征由老至新敘述如下[1]：

1.2.1第三系(N)

工作區內主要為中更新統~上更新統孫吳組(N1-2S)，廣泛分布于工作區第四系地層之下，地表未見出露，主要巖性為灰藍色、灰綠色、淺灰色、灰白色、棕紅色砂礫巖、砂巖、泥巖、粉砂巖、砂質泥巖等互層，厚度>200 m。

1.2.2第四系(Q)

工作區內第四系主要分布于波狀臺地、螞蟻河一級階地、螞蟻河(高、低)漫灘區，主要包括中更新統冰水湖積層、沖積層，上更新統沖-洪積層、冰水洪積層，全新統沖積層。現由老到新分述如下：

1.2.2.1中更新統(Q2)

1)下荒山組沖積層(alQ21x)

分布于工作區西北部條帶狀臺地下部，覆蓋于第三系地層之上，為第四系上荒山組覆蓋，厚度約為5～8 m。巖性為灰白色、灰色圓礫，分選差，級配不良，顆粒磨圓較好。

2)上荒山組冰水湖積層(fgl+lQ22s)

工作區分布于東、西部臺地區，東部直接覆蓋于第三系地層之上，西部覆蓋于下荒山組沖積層(alQ21x)之上，其上由哈爾濱組(fgl+plQ32hr)所覆蓋，厚度4～10 m，揭露巖性為灰色、淺灰色粉質黏土。

1.2.2.2上更新統(Q3)

1)哈爾濱組冰水洪積層(fgl+plQ32hr)

廣泛分布于工作區波狀臺地上部，厚度變化大，約為3～18 m 。揭露巖性為黃色、淺黃色、黃褐色粉質黏土，可見斷續狀、柱狀節理。

2)顧鄉屯組沖洪積層(al+plQ33g)

分布于工作區螞蟻河一級階地區，伏于前第四系地層之上，厚度為15～21 m不等。揭露巖性主要為：上部為灰黃色、黃色粉質黏土，厚度<4 m，下部為淺灰色、灰色砂礫、圓礫等，局部地段夾有灰色粉質黏土透鏡體，顆粒分選較好，級配一般，磨園較差。

1.2.2.3全新統(Q4)

1)高漫灘沖積層(alQ41)

分布于工作區螞蟻河高漫灘區，覆蓋于前第四系地層之上，厚度約為12～20 m。揭露巖性上部黃色、褐黃色粉質黏土，厚度一般<2.0 m，下部為黃褐色、黃色、灰黃色、灰色礫砂、圓礫等，局部包含黃色、灰色粉質黏土透鏡體，顆粒分選一般，級配較好，磨園較好。

2)現代河床及低漫灘沖積層(alQ42)

分布于工作區螞蟻河低漫灘區，覆于螞蟻河高漫灘沖積層(alQ41)之上，厚度約為4～10 m。揭露巖性上部為黃色、黃褐色粉質黏土，厚度一般<1.0 m，下部為黃褐色、黃色、淺黃色礫砂，灰色、灰白色圓礫等，顆粒分選良好，級配較差，顆粒磨圓度較好。

1.3　侵入巖

工作區內東北部和西南部殘丘有華力西晚期侵入巖(γ43)出露，巖性主要為花崗巖。

2三維地層結構模型的建立

為了能夠對地層結構更完整、直觀、便捷的認識，建立三維地層結構模型是不錯的選擇。三維地層結構模型匯集地質條件、水文地質條件為一體，能夠實現對地層特征的“即時對照、全方位視角、多角度剖切”[2]。

2.1　建立方法

三維地層結構模型，就是利用現代計算機技術，在3D立體空間下，將研究區的勘探數據、地質解譯、地學統計、空間信息管理、空間分析、空間預測、實體內容分析、圖形數字化、圖形可視化等工具結合起來，用于地質研究一門三維空間模擬技術。如今在地質工程領域各個學科、行業都有自己特色專業軟件。GMS(Grongdwater Moeling System)地下水模擬系統是水文地質專業、水環境專業廣泛應用的軟件，利用Borehole(鉆孔)和Solid(實體)等模塊完成構建，具體作法為：

1)將測繪的cad地形圖保存以dwgdxf矢量圖，在GIS模塊中導入GMS軟件。

2)通過cad to TIN 命令轉換生成TIN date 文件。

3)在Borehole模塊中錄入鉆孔數據，或將鉆孔記錄數據整理成軟件識別的*.txt文本文檔導入生成鉆孔數據。

4)在Borehole模塊下通過Horizons→Solid命令，將Borehole鉆孔數據轉化為Solid地層結構實體，從而創建地質結構模型。

為了使構建的地質結構模型看起來更加清楚、美觀，可利用GIS、MAP、TINs、2D Scatter Point、Ugrid及3DMeSh等模塊，對工作區的地理要素、地質解釋等以圖片格式導入GMS中，與地質模型進行覆蓋、融合。

2.2　三維地質結構模型建立的過程[3]

2.2.1地層的概化

為了方便地質結構的構建，結合地層特征，工作區地層結構從上向而下概化為9層：

1)第四系螞蟻河低漫灘區黏性土層①；

2)第四系螞蟻河低漫灘區砂、砂礫石層⑤；

3)第四系螞蟻河高漫灘區黏性土層②；

4)第四系螞蟻河高漫灘區砂、砂礫石層⑥；

5)第四系螞蟻河一級階地區黏性土層③；

6)第四系螞蟻河一級階地區砂、砂礫石層⑦；

7)第四系山前臺地區黏性土層④；

8)第四系山前臺地區砂、砂礫石層⑧；

9)第三系地層、華力西晚期侵入巖，包括泥巖、砂巖層、花崗巖層⑨。

2.2.2建立三維地質結構模型

地質結構模型是根據工作區9個鉆孔和6個剖面資料以及根據區域地質條件中描述的相關信息推測的n個鉆孔建立的，為了增加模型、圖幅的美觀性，觀測的方便性，將模型在Z坐標軸方向上放大20倍，鉆孔布置見圖3。

2.2.3三維地質結構模型的應用

2.2.3.1不同位置地層結構剖面展示

觀測者可以根據所需就不同位置的地層結構靈活的觀察、了解地質鉆孔、地層(圖4、圖5)。例如，文章在工作區任意切了3條剖面(圖6)每條剖面都能清晰的對相應位置的地層結構進行展示(圖7、8、9)，即A-A＇剖面(河北村-長河村-東興屯)、B-B＇剖面(韓發屯—耿家屯)和C-C＇剖面(東杜家屯-政安村)。剖面圖的剖切簡單、迅捷，并能清晰的展示所構建模型中各位置地層的分布特征，如地層巖性、地層厚度等[4]。

圖2　鉆孔布置圖

圖3　部分鉆孔數據展示圖

圖4　三維地層展示圖

圖5　剖面布置圖

圖6　三維地質模型A-A′剖面展示圖

圖7　三維地質模型B-B′剖面展示圖

圖8　三維地質模型C-C′剖面展示圖

2.2.3.2不同位置的組合剖面展示

對任意位置進行獨立的剖面展示之外，還可組合不同剖面進行立體組合展示，展示整體地層結構的輪廓。本文以A-A’，B-B’，C-C’三個剖面圖為例，將其組合展示如圖10所示。

圖9　剖面組合展示圖

2.2.3.3任意地層分布形態展示

日常工作中往往需要對相同、相近的巖性合并，統計展示其工程地質及水文地質特性(如：力學特征、滲透性等)。這就需要對不同地層的分布特征進行分析。三維地質結構模型能便捷、直觀的展示不同地層的成因概況、分布特征。例如，工作區第四系黏性土層組合形態展示圖(圖11)表明，黏性土層在整個工作區均有分布，由西北側山前波狀臺地(約16~40 m)、中部螞蟻河一級階地(約5~26 m)以及東南部螞蟻河漫灘區(0.5~5.0 m)其厚度依次遞減。而砂性土主要分布在螞蟻河漫灘和螞蟻河一級階地上，地層厚度約為30 m，厚度較大；在螞蟻河一級階地與山前臺地交界處砂和砂礫石厚度變為0 m。第四系砂、砂礫石層分布特征展示圖見圖12。

圖10　第四系黏土層組合展示圖

圖11　第7層礫石層組合展示圖

2.2.3.4不同高程處的地層 結構平面展示

三維地質結構模型還可以直觀、快捷的了解任意高程處都有哪些地層分布及不同巖性地層分布的范圍。在黃海高程175m處，出露的地層有第四系黏土層、砂礫石層、第三系地層、白堊系地層及變質巖層，如圖12所示。

圖12　175m水平剖面展示圖

3結論

文章應用GMS軟件系統對工作區進行三維地質結構建模，明確了工作區地質及水文地質條件，從不同剖面、不同高程、不同地層對地質結構模型進行展示，也是區內各地層的成因順序以及各地層之間的層迭關系得以良好的展示，為地下水資源的評價提供了良好的基礎。

參考文獻：

[1]祝曉彬.地下水模擬系統(GMS)軟件[J].水文地質工程地質，2003，30(05)：53-55.

[2]姜吉生.雙城市工程建設層三維工程地質結構與地基工程適宜性研究[D].長春：吉林大學，2013.

[3]竇艷兵，鄭佳.地下水模擬系統(GMS)軟件及其應用[C].北京市水文科學技術研討會，北京，2008.

[4]孫俊靜，姜龍.地下水模擬系統(GMS)軟件的應用研究——生成鉆孔剖面圖[J].企業導報，2012(06)：286-287.

[作者簡介]郭輝(1985-)，男，甘肅會寧人，工程師，從事地質工程相關的研究與工作。

[收稿日期]2015-06-28

中圖分類號：P642

文獻標識碼：B

文章編號：1007-7596(2015)09-0006-05