基于物探數據的三維地質建模研究
——以新疆吐魯番盆地為例

□龔方方 胡繼華

一、引言

與傳統的二維、靜態表現方法相比，三維地質建模能夠直觀形象地表述地質構造特征，揭示其空間分布規律，便于研究者直觀形象地去理解地下地質結構，是目前研究的熱點之一。建模過程中，模型是否能夠反映真實地下空間結構，依賴于數據的真實性與豐富度，尤其是結構模型邊界數據點的分布。地質勘探方法是獲取地質體屬性、空間結構特征及其兩者之間相互關系的重要來源，鉆探是獲取地質體信息的常用手段，但是勘探鉆孔布設方案和布點方案直接影響到鉆孔數據的精確度。然而由于地質結構的復雜性及施工條件以及成本問題，在實際勘探中，勘探孔的布設數量是有限的，這就使得在建模過程中，僅僅依靠有限的鉆孔來控制地質體的相互關系及空間分布特征是很困難的。在以往三維地質建模過程中，常依靠野外地質工作者的豐富經驗來推斷邊界位置以及結構體空間分布特征。王潤懷[1]在三維地質建模中引入虛擬鉆孔，用于增加數據點的模擬及控制邊界，這在一定程度上使數據不足的問題得到緩解。但是無論依據豐富的檢驗推理還是虛擬鉆孔的引入，這些方法的實施必須要有經驗足夠豐富的地質工作者，另外由于不同地質工作者觀察角度不同，思考問題的方式不同，對同一地區得出的結論也不盡相同，這就在建模時對地層結構識別帶來困難。因此從三維地質建模數據源分析，尋找一種新的方法代替常規鉆探，使數據豐富且滿足精度要求是現今三維地質建模的一個新趨勢。

吐魯番盆地區氣候干旱少雨，地廣人稀，周邊環境對應用電法勘探的干擾較小，另外研究區東西延展廣闊，在獲取地質信息過程中，采用常規手段對地下水進行鉆探勘查是很不現實的。瞬變電磁具有多元化信息，它具有揭示區域范圍上地下水空間分布特征及水文地質結構特征[5]。故本文利用瞬變電磁場法解譯成果資料，建立電阻率值與巖性之間的關系，并最終利用瞬變電磁場法對研究區-吐魯番盆地地層進行劃分，無論從操作可行性，還是現實條件上都是可行而且較為合理的研究手段。

因此本文探索基于瞬變電磁方法(簡稱TEM)，利用物探參數代替常規巖性參數，借助豐富的物探數據建立三維地質結構，并在新疆吐魯番盆地利用TEM解譯成果數據建立三維地質結構模型并對其進行驗證。

二、研究方法

本文利用反射系數方法[6]，通過計算得出反射系數值，找出物探數據電性分界點，進而對巖性(地層)進行劃分。反射系數法應用于巖性(地層)劃分的基本理論如下。

在直流條件下：

(1)

式中：ρ1、ρ2-介質電阻率；μ2-電阻率比；K12-界面反射系數。

野外電測深曲線的一次微分值稱為視反射系數，它與反射系數K12存在如下關系：

(2)

(3)

利用鏡像法求解，在一般水平層狀介質中：

(4)

對ξ對數式取微分，經過公式變換:

(5)

本文選取物探數據共計475個，為離散數據點，無法通過一次微分直接計算反射系數值，因此本文根據上述計算理論，建立視電阻率與厚度關系曲線，拐點處值即為地層巖性分界面。

三、吐魯番盆地物探數據地層結構劃分

(一)研究區地質概況。新疆吐魯番盆地位于天山南麓，北部為博格達山，南部為庫魯克塔格山。盆地中有海拔800m的火焰山，又有低于海平面-154.31m的艾丁湖。在吐魯番盆地中，除了南北部山區、火焰山以及鄯善北部個別區域以外，廣泛分布著第四系沉積物。第四系沉積物由山前向盆地中心呈環帶狀分布，在成因上呈現洪積-沖洪積-沖積-沖湖積-湖積-沼澤沉積-化學沉積及風積；在巖性上為卵石-礫石-砂礫石-各種砂層夾土層-各種土層夾砂層-鹽沼土-沙漠砂；反映的地段形態表現為山前傾斜礫質平原-土質平原-湖積平原及風成沙漠。研究區范圍如圖1所示。

(二)數據分析。

1.數據篩選。本次研究共選取TEM點共計475個，物探點分布如圖2所示，數據點在整個研究區分布均勻，在局部地質條件復雜的區域，布設有密集的剖面線。

圖1 吐魯番盆地研究區范圍

圖2 研究區TEM點分布圖

從圖2上也可以看出該盆地整體上為一完整地質體，但是局部有少數小的地質體獨立出來，盆地東西較長，南北狹窄，中間有一個不明地質體嵌入其中，使其連續性得到破壞。

2.數據分析。考慮到第四系電阻率值波動幅度較大，根據電阻率南北盆地分布情況，在研究區根據沉積巖性特征，對研究區進行劃分，共劃分為四個區，并在劃分區塊內，利用EXCEL繪制電阻率隨深度變化規律散點圖如圖3所示。

圖3 電阻率隨深度變化趨勢(圖中縱坐標改為深度(m))

由圖3可以看出吐魯番盆地瞬變電磁電阻率曲線具有很好的變化趨勢，結合測區地層巖性統計表，基于反射系數法理論，利用拐點法進行地層巖性界面分層，其中物探點B142分層如圖4所示。

圖4 電阻率隨高程變化拐點選擇

基于上述分析，物探數據視電阻率通過拐點法劃分后，初步劃分出吐魯番盆地地層分界面。為了檢驗劃分結果的可靠性，將劃分出巖性結果選取旁邊鉆孔進行對比分析，分析結果如下。

表1 TEM拐點法計算成果與鉆孔對比表

3.吐魯番盆地三維地層結構模型。根據表1數據分析可知吐魯番盆第四系巖性可劃分為四組，即干燥砂礫石層、含水砂礫石層、粉細砂含水層和粘土、亞粘土、亞砂土層。在獲得分界點數據的基礎上，利用地質統計學的手段，將數據進行插值，圖5和圖6即為插值后的第一層和第二層頂板數據。

圖5 插值后的第一層頂板圖

圖6 插值后的第二層頂板圖

前期數據的分析和處理已經全部完成，對于地層結構的劃分也有大致掌握，為了能夠直觀形象地展現其地下空間結構，本文利用三維建模的手段，基于物探數據計算結果，建立其三維地質模型如圖7、圖8所示。

圖7 基于物探數據的地質模型

圖8 基于物探數據的地質剖面圖

從圖7和圖8可以看出，吐魯番北盆地整體基底構造呈東西向條帶狀形態，基巖面埋深由燕山北麓、火焰山北麓向盆地中部逐漸加深。整體上，吐魯番盆地地下基巖面呈凹陷與隆起構造關系，具北深南淺、中間出露(火焰山、鹽山)、東淺西深的特點。

四、結語

三維地質建模中主要難點就是由于地質數據的匱乏，難以把握三維空間地質形體的空間分布特征，導致地質模型不能真實地反應實際地下地質情況。鉆孔數據由于在一些地質體復雜的區域難以實施，以及進行工程鉆探耗費大量的人力、物力。引入物探數據可以在一定程度上解決這一問題。對于物探數據電阻率，利用反射系數法基本原理，經過拐點法計算，得到巖性界面分界點數據，后經過數值插值分析，獲得代表地層巖性的層面模型，并最終得到三維地質體模型及剖面模型。本文選用數據處理方法思路清晰，原理簡單，只是數據處理過程比較麻煩，可以探索尋找更好的數據處理手段。本文應用物探數據構建三維地質建模從理論和實際上都具有重要意義，可為其他類似工程案例提供參考借鑒。