宜昌長江南岸巖溶流域典型區三維地質建模

陳根深，郭緒磊，劉 剛，陶坤燏，陳麒玉，周 宏

( 1.中國地質大學(武漢)教育部長江三峽庫區地質災害研究中心,湖北 武漢 430074；2.中國地質大學(武漢)智能地學信息處理湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430074；3.中國地質大學(武漢)地質調查研究院,湖北 武漢 430074；4.中國地質大學(武漢)計算機學院， 湖北 武漢 430074)

三維地質建模(3D Geosciences Modeling)技術是以計算機技術為基礎，在三維環境下將地層、構造、地貌及其他地質現象盡可能真實地展現出來的一種技術[1]。三維地質建模技術不僅能對地質工作研究提供大量的數據支撐，讓人們直觀地了解地質狀況，還能夠輔助和支持地質行業的技術決策[2-3]。自加拿大學者Simon Houlding提出三維地質建模理論以來，相關技術不斷發展[4]。近年來，隨著計算機三維技術的快速發展，三維地質建模技術在地質行業的應用越來越廣泛，許多國內外的地質調查機構均開展了相關的研究工作。按照三維地質建模所使用的數據形式，其建模方法可以分為：基于鉆孔數據的三維地質體建模方法[5-7]、基于剖面拓撲推理的三維地質體建模方法[8-9]、基于平面地質圖的三維地質體建模方法[10-11]、基于多源數據的三維建模方法[12-13]等。其中，基于鉆孔數據的建模方法雖然可以完成對層狀地質體的模擬，但難以解決含有斷層地質體的建模；基于平行剖面的建模方法是通過相鄰剖面之間對應的輪廓線連接構網來模擬地質體的形態，但在遇到較復雜的地質情況時，相鄰剖面之間輪廓線的對應可能會出現困難；對僅有填圖資料等的低勘探程度地區，則必須利用平面地質圖數據，根據地層產狀信息縱向推測出巖層的空間展布方向，并建立地質模型；基于多源數據的建模方法需要整合各種數據來建立各個地質界面，然后構造地質體模型，但需要大量的用戶交互，難以保證各個體之間數據的一致性[14]。

本文以宜昌長江南岸巖溶流域過河口地區作為主要研究區域，通過分析研究區域的地質環境概況與已有的地質資料，在總結和分析前人三維地質建模技術研究工作的基礎上，利用QuantyView軟件，采用基于平面地質圖的三維地質建模方法，開展了研究區域的三維水文地質建模實踐，有效地解決了該區域地質數據匱乏、數據獲取成本高昂的問題。實踐證明，所建立的三維水文地質結構模型能夠直觀、立體、可視地展現研究區域的水文地質結構特征和歷史演化規律，可為研究區域不穩定庫岸治理、水資源開發利用、地下水污染防護、石漠化綜合治理等提供統一規劃、因地制宜和綜合治理的地質依據和技術支撐。

1 研究區地質環境概況

宜昌長江南岸巖溶流域位于長江西陵峽以南、清江以北，地勢上處于我國第二級階梯東部邊緣地帶，行政區劃屬宜昌市秭歸縣、長陽縣，長江南岸主要支流有九畹溪、茅坪河、楊家溪、卷橋河，南邊的丹水自龍舟坪鎮匯入清江。著名的葛洲壩水利工程及三峽水利樞紐工程分布南、北。

研究區構造位置屬于揚子準地臺北緣鄂中臺褶斷區黃陵斷穹東南部，受揚子準地臺與華北地臺碰撞對接影響以及太平洋板塊向歐亞大陸俯沖在中國大陸東部瀕太平洋地區的遠程效應，測區內形成了一系列北西、近東西向、北西西-北西向以及近南北向構造行跡。研究區自東向西從侵入巖巖體、前震旦系到三疊系地層連續出露且較齊全，累計沉積巖巖層最大厚度約達7 567 m。南沱組地層角度不整合于侵入巖與變質巖基底之上，第四系與下伏地層為角度不整合，其余地層之間均為整合與平行不整合接觸關系。地層巖性主要是以元古界崆嶺群古村坪組變質巖以及侵入巖和沉積巖為主：巖漿巖結晶基底分布于測區東北部，以花崗巖類為主；沉積蓋層廣泛分布于測區其他區域，見有上元古代震旦系地層，古生代寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、二疊系地層，中生代三疊系、白堊系地層。

研究區主要地貌為溶蝕侵蝕中低山峽谷地貌，碳酸鹽巖在區內廣泛分布，碳酸鹽巖在水流的溶蝕、侵蝕作用下，逐漸發育形成各類巖溶地貌形態，巖溶地表形態主要有溶痕、溶溝、溶槽、巖溶洼地、落水洞等，巖溶地下形態主要有溶孔、溶穴、溶蝕裂隙、巖溶洞穴等。而影響碳酸鹽巖溶蝕作用的因素較多，包括區域構造、地層巖性、地形地貌等因素的控制和影響。碳酸鹽巖在區內多為單斜構造，產狀緩慢，傾角約10°～30°，節理發育，地下水徑流較快，水循環交替迅速，地下水作用力強，巖溶發育程度高。巖溶發育的方向嚴格受到構造的控制，巖溶槽谷的發育方向、串珠狀巖溶洼地的長軸方向均與區域構造線走向吻合；巖溶洞穴的發育也受構造裂隙與層面裂隙的控制。區內較深大斷裂主要有仙女山斷裂、天陽坪斷裂、九畹溪斷裂等。

根據地下水的賦存類型，研究區內含水系統可分為三個大類：松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶水和基巖裂隙水。松散巖類孔隙水主要賦存于測區內第四系松散堆積層，區內第四系厚度薄，約為0～10 m，零散分布于區內的巖溶洼地、河流階地等地，成因類型主要有崩坡積物、殘坡積物和沖洪積物，地下水水量貧乏。測區碳酸鹽巖沉積巖廣泛分布，出露面積約250 km2，占測區總面積約57%，總厚度約3 183 m,碳酸鹽巖類巖溶水則分布于測區西部沉積巖蓋層區，根據含水介質組合及水動力特征又將其分為碳酸鹽巖溶洞裂隙水和碳酸鹽巖夾碎屑巖溶洞裂隙水兩個亞類：a.碳酸鹽巖溶洞裂隙水主要分布在測區中、西部，主要賦存于震旦系燈影組，寒武系牛蹄塘組、天河板組、石龍洞組和婁山關組，奧陶系南津關組、寶塔組，二疊系茅口組、棲霞組和吳家坪組，三疊系大冶組和嘉陵江組等地層中，巖性主要為灰巖、灰質白云巖、白云質灰巖和白云巖；b.碳酸鹽巖夾碎屑巖溶洞裂隙水主要呈條帶狀分布于測區中部、楊家屋場、彭家灣、白上溝、九畹溪東岸一帶，主要賦存于震旦系陡山沱組、寒武系覃家廟組、奧陶系牯牛潭組等地層中，巖性主要為含泥質灰巖、白云巖、含生物碎屑灰巖、含燧石團塊灰巖等。

根據基巖巖性的類型和含水介質的差異，將測區基巖裂隙水進一步劃分為碎屑巖類風化裂隙水和巖漿巖類風化裂隙水。

由于研究區地質結構復雜，水文過程在時間和空間上復雜多變，使得地質數據獲取難度大、成本高，巖溶實測資料相對匱乏，不利于開展不穩定庫岸治理、水資源開發利用、地下水污染防護、石漠化綜合治理等水文地質研究。針對這些問題，利用三維地質建模等先進的技術方法手段，直觀、立體、可視地展現研究區域的水質地質結構特征和歷史演化規律，對該區域地質災害防治和地質環境保護具有輔助與促進的實際意義。

2 研究區三維水文地質結構模型的構建

在開展詳細的1∶5萬水文地質環境地質調查工作的基礎上，通過研究該區域的地質填圖資料及其他勘探資料，全面了解該區域的構造特征，研究區的地質數據主要以地面地質調查獲取的地表數據和水文地質圖數據為主，鉆孔只有一個，只能為建立三維地質模型提供局部參考，因此本文采用以地質圖數據為主、面剪切體為主要手段的三維地質體建模方法對研究區進行三維水文地質建模，其基本流程可分為數據整理階段、數據處理階段和三維模型構建階段，詳見圖1。

圖1 研究區三維水文地質建模方法的基本流程Fig.1 Basic idea of the method of 3D hydrogeological modeling of the research are

2.1 數據整理階段

通過收集整理湖北省地質局、宜昌地質研究所、湖北省地調院等單位先后在研究區域及其周邊地區獲取的部分地域的基礎地質和水文地質資料，其中包括1∶20萬巴東幅地質、水文地質調查資料和1∶5萬過河口幅地質調查資料，研究該區域地層、地質構造、巖溶地貌、水文地質以及巖溶流域系統補給區、徑流區、排泄區的基本情況。研究區三維水文地質建模的資料來源于中國地質大學(武漢)地質調查研究院的宜昌長江南岸巖溶流域1∶5萬水文地質環境地質調查項目，主要有過河口幅1∶5萬水文地質填圖440 km2(見圖2)以及該幅各類調查點409個，點密度為0.891個/km2，另外包含一個水文地質鉆孔NZK04。

圖2 過河口幅1∶5萬水文地質簡圖Fig.2 1∶50000 hydrogeological brief mapping of the estuary area

2.2 數據處理階段

2.2.1 地形數據處理

地形數據信息中包含等高線，提取等高線數據用于建立地形面。基于等高線數據，通過Kriging空間插值算法進行某一特定地層層面的擬合，將網格數控制在2 000×2 000，擬合生成地表面。以生成的地形面為頂面，設置研究區域最深處為z值，以高程為0作為模型底界，以等高線生成的地表面作為頂面，形成一個包圍盒，作為研究區地質體的待切割模型，并利用地層線擬合生成的地層面對該地質體進行切割，可以構建研究區域的地質體，見圖3。

圖3 地形數據處理結果Fig.3 Processing result of terrain data

2.2.2 剖面數據處理

地質剖面能直接反映研究區域的構造特征、地下水賦存情況和地質體的空間特征，是編制其他地質圖件的基礎。為了方便控制建模時的地層傾向，依據盡量分布均勻且能夠反映區域地質特征的原則，首先在地質平面圖上選取9條剖面線；然后使用MapGIS導入剖面線，人機交互制作地質剖面，在制作剖面圖時，總體地層走向考慮了產狀的控制，而剖面深度是以鉆孔揭露區域水流系統最深的深度作為控制深度，此外褶皺構造是根據地面上產狀往下推，根據實測地層厚度來推測地下情況，并對各個地質剖面進行屬性賦值；最后將經過轉換的剖面數據導入QuantyView建模軟件，通過對應剖面上控制點的實際坐標，將各個地質剖面豎立到三維空間中，見圖4。將各個地質剖面三維導入后需要檢查地質剖面的正確性，即針對某一剖面，根據其導入三維空間后二維剖面中的標尺在三維中顯示的z值，進行高程檢查，若與所標z值一致，則認為是正確的；若存在錯誤，則需要重新打開，查看其參數、比例尺是否正確，并重新導入，直至正確為止。

圖4 建模中應用的三維地質剖面Fig.4 Vertical geological profile of 3D modeling

2.3 三維模型構建階段

在完成數據處理工作后，進行地層地質體模型的構建，主要分為地層分界面構建、面剪切體成體、拓撲檢查和地下水類型分類并賦屬性幾個步驟。首先依據剖面上的地層分界線和地表地質界線擬合生成各個地層分界面；然后將地層分界面按照一定的切割順序對研究區域的包圍盒進行切割，同時檢查處理異常情況；最后對各個地層地質體模型進行拓撲檢查并賦屬性。模型將不同屬性的地層地質體分別存儲，可以靈活地對本區域的水文地質結構分布進行展示。另外，除了地質體，模型還保留了主要的斷層結構面。

2.3.1 地層分界面構建

地層分界面包括斷層面和地層界面，提取所有剖面上的地層分界線和地表地質界線，將所有剖面對應的地層分界線插值擬合生成地層分界面，生成的地層分界面要確保能夠將地質體一分為二，并且符合地質構造規律。若直接看全部剖面，則剖面間有一定的相似性，若某條剖面上有的層位，在另一條剖面上缺失，則需要抓主線大的層位時代順序，以它們作為骨架，在主要地層的面模型建好后再對部分缺失層位的地層做尖滅處理等細化工作。地層分界面是根據地層層序律由老到新逐層建立起來的，若在內部有剝蝕，則可使用下一層位的界線；同樣，在地表附近，若有分界面因地形形成中止，則可以做出延伸，依次將各個面建起來，地形面除外。如以斷層面模型為例，可根據圖2過河口幅1∶5萬水文地質圖中斷層的走向，依次連接剖面圖中對應的斷層線，之后將每個斷層面的斷層線擬合生成斷層面，最后得到研究區的斷層面模型，見圖5。

圖5 研究區的斷層面模型Fig.5 Fault surface model of research area

2.3.2 面剪切體成體

以地表面為頂面并依據地表范圍建立包含全區的包圍盒作為基礎數據模型，在面剪切體成體的過程中，界面之間可能有交叉重疊，因此需要確定主要的結構面以及各個地質分界面對包圍盒的切割順序，依次切割包圍盒，從而形成各個地質體，并對各個地層地質體進行拓撲檢查，綁定屬性數據。考慮到地質分界面包括斷層面和地層界面，斷層面在空間中可能會穿過地層界面，應優先使用斷層面進行切割。

2.3.3 拓撲檢查

在模型建立的過程中，每一步所用到的數據都需要經過拓撲檢查，確保建立的地質體結構正確、有效。建模過程中主要使用到的數據對象有線、面、體，這些對象經常會出現重復點、冗余點，曲面重復、懸掛，曲面相交或者自相交等拓撲錯誤，需要利用QuantyView 3D平臺提供的工具進行拓撲檢查與處理，此外地質塊體的封閉性以及法線方向正確性都需要進行檢查處理，部分復雜的情況可以通過人工交互的方式處理。最終得到研究區三維地質結構模型，見圖6。

圖6 研究區三維地質結構模型Fig.6 3D geological structure model of the research are

2.3.4 地下水類型分類

依據研究區域的水文地質圖，按照地下水類型對研究區三維水文地質結構模型進行含水系統分類，以此對區域地層進行劃分。研究區域地下水類型可分為相對隔水層、碳酸鹽巖溶洞裂隙水、碳酸鹽巖夾碎屑巖溶洞裂隙水、碎屑巖風化裂隙水(含水性強)、碎屑巖風化裂隙水(含水性弱)、松散巖類孔隙水和基巖裂隙水7類，通過對研究區不同的含水系統賦值不同的顏色屬性加以區分，最終得到研究區三維水文地質結構模型，見圖7。

圖7 研究區三維水文地質結構模型Fig.7 Hydrogeological structure model

3 模型應用

3.1 模型數據量算分析

水文地質結構是地下水資源主要賦存的環境和運移的場所，其空間形態揭示了地下水賦存空間和運動場所的基本結構特征，同時水文地質結構的面積、體積計算對地下水資源量計算具有重要的意義。基于所建立的研究區三維地質結構模型和三維水文地質結構模型，利用QuantyView 3D平臺提供的距離、表面積、投影面積及體積計算功能，可獲得模型面積和體積的量算結果如下：

面積量算：地表面積為519.936 km2；地表投影面積為447.116 km2；三角形面數為647 702。

體積量算：計算含水層的體積，就可以根據含水層的體積、孔隙度和含水率系數，計算出含水層中地下水存儲的資源量。研究區(過河口地區)地層含水性評價結果，見表1。

3.2 模型空間結構分析

為了從空間范圍上全面地觀察整個研究區的地層展布情況，本文在QuantyView軟件中建立了橫向和縱向各3條的均勻柵欄面，利用柵欄面剪切模型得到過河口地區水文地質模型三維立體透視剖面圖，見圖8。

本文結合水文地質地面調查的結果，探討了該模型方法的適用性，主要得到以下幾點認識：

表1 過河口地區地層含水性評價結果

圖8 過河口地區水文地質模型三維立體透視剖面圖Fig.8 3D perspective section of the hydrogeological model of the estuary area

(1) 通過模型可以直觀、立體、可視地表達地層及含水系統的空間展布規律。模型直觀地展示了研究區內地下水可分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶水和基巖裂隙水三個大類；模型清楚地刻畫了受仙女山、九畹溪、天陽坪等斷裂的影響，地層在構造部位上沖或左右平移的結構,且以過河口地區東北角為中心向四周輻射，地層產狀由西南向逐漸變為東南向；此外，模型還可以形象地構建整個調查區三維地質空間概念，便于地學科普或為工程項目的實施提供地質依據。

(2) 通過模型可以輔助研究斷層的水文地質意義。傳統的斷層水文地質意義研究方法如兩壁投影圖等，只限于研究一條或多條線上的斷層上下盤的接觸關系，此模型可以三維表示整個斷裂帶上下盤的接觸關系，從而分析斷層是否導水以及導水的區間位置和深度。但目前只能從地層的組合關系上來分析水文地質條件，還需要進一步地分析地下巖溶發育規律和斷裂帶的水文地質意義。

(3) 通過模型可以輔助研究多級次水流系統的劃分。研究區位于揚子地臺北緣，地殼抬升和河流的不斷下切，形成了不同高程的排泄基準面，發育了局部—中間—區域三級水流系統，而地層的展布規律控制了地下水的水流運移，如天陽坪斷裂形成了火麥溪流域南側的穩定隔水邊界。另外，通過模型可以得到不同高程排泄基準面揭露含水層的位置，借此可以分析是否有區域水流的存在，如魚泉洞水流系統，模型的結果驗證了NZK04水文地質鉆孔的勘測結果。

4 結 論

本文以宜昌長江南岸巖溶流域過河口地區作為主要研究區域，通過收集、整理該地區有限的地質資料，利用QuantyView 3D平臺，采用基于平面地質圖的建模方法，建立了研究區的三維地質結構模型和三維水文地質結構模型，通過對模型進行數據量算分析和空間結構分析等應用，主要得出以下結論：

(1) 與傳統的二維圖件及地質概念模型相比，本文建立的三維水文地質結構模型在對地質結構的描繪方面和可視化方面都有著巨大的優勢。

(2) 使用以平面地質圖為主、面剪切體為主要手段的三維地質建模方法，解決了研究區域地質數據匱乏、數據獲取成本高昂的實際問題。

(3) 建立了過河口地區440 km2范圍內元古代到新生代地層的7個地下水類型的水文地質結構模型，直觀、立體、可視地展現了研究區域的水質地質結構特征和歷史演化規律。

(4) 通過對該模型的量算、切割、統計等分析，為該區域的水文地質研究、水資源開發利用、地質災害的防治以及宜昌地區頁巖氣開發利用等決策的制定提供了地質依據和技術支撐，對改善當地人們生產生活的基本條件具有重要的意義。

但由于受到基于平面地質圖的三維地質建模方法的局限性和地質資料完整性的影響，研究區域建模工作量大，模型更新工作較復雜，因此今后需要進一步開展基于地質圖建模手段、模型更新方法以及更全面的水文地質屬性建模等方面的研究。