復雜地質條件下高精度三維地質建模研究

劉順昌 李黎 徐德馨 曹厚臻

摘要： 三維地質模型不僅可以直觀地展示地質狀況，還能夠輔助和支持地質行業的技術決策，對地質工作研究提供三維數據支撐。針對復雜地質條件，提出了一種地層建模和巖性建模的混合三維地質建模解決方案。以武漢市長江新城起步區為例，基于EVS建模軟件，以地質剖面和鉆孔數據為基礎，開展復雜地質條件下三維地質高精度網格化模型的建設研究，并采用剖面對比和巖性概率模型對三維模型進行驗證和質量評估。在此基礎上，開展三維模型可視化表達及應用研究。結果表明：用地層建模和巖性建模的混合建模方式可以適應復雜地質條件下的三維建模，模型結果科學、可靠，有重要的實際應用價值。

關 鍵 詞： 地層建模; 巖性建模; EVS軟件; 模型驗證; 復雜地質條件; 武漢市長江新城

中圖法分類號： ?P642

文獻標志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.019

0 引 言

三維地質模型不僅能夠全面具體地展現復雜的地質現象與地質過程，而且在地殼穩定性評估、城市規劃、重點工程選址以及地下空間開發利用等方面也發揮著重要作用[1-4]。2006～2010年，北京、上海、天津、南京、廣州和杭州等城市先后開展了三維城市地質調查工作，并在此基礎上建立了一批三維地質模型，取得了良好的效果。此后，三維城市地質調查工作在全國幾十個城市全面鋪開[5-8]。近幾年，中國地質調查局正式發布了《城市地質調查總體方案（2017～2025年）》，提出到2025年實現全國338個地級以上城市地質工作全覆蓋的目標，并要求聚焦城市規劃、建設、運行管理的重大問題，大力推進“空間、資源、環境、災害”多要素的城市地質調查，開展重大科技問題攻關，搭建三維城市地質模型[9-10]。

武漢作為首批多要素城市地質調查示范城市，各方面工作進展順利，目前已取得一定成果。本文正是在武漢多要素城市地質調查示范項目獲取的數據基礎上，通過EVS軟件，采用地層建模和巖性建模相結合的混合建模方式，建立了長江新城起步區50 km2高精度三維網格化地質模型。本文以三維地質模型為載體，充分探討了地層建模和巖性建模相結合的混合建模方式在復雜地質條件下的應用優勢。此外，本文針對模型可視化的展示也做了一些嘗試，并在此基礎上對模型相關應用進行了研究，實現了模型可視化展示、剖面切割、模型開挖和空間分析等方面的應用。

1 研究區地質條件概述與地質數據分析

1.1 研究區地質條件概述

武漢市大地構造南北縱跨中國中部秦嶺-大別造山帶南緣與揚子克拉通北緣。大致沿長江以襄廣斷裂為界，以北是秦嶺-大別造山帶的東延，出露前寒武系變質巖系;長江以南，主體屬揚子北緣臺地褶沖帶，主要出露下揚子震旦系-三疊系沉積地層。長江新城起步區大地構造位置跨及揚子陸塊和秦嶺-大別造山帶兩個一級構造單元，但地表均為第四系松散堆積物覆蓋層，其平均厚度約30 m，依據工程地質的類同性和差異性，歸納為表1所列的4個工程地質巖類、11個亞類。

1.2 研究區地質數據分析

依托武漢多要素城市地質調查示范項目，研究區開展1 ∶10 000高精度比例尺的地質調查，完成圖1所示的研究區50 km2范圍內鉆孔50個，圖2所示地質剖面10條。典型剖面如圖3所示。

從鉆孔和地質剖面圖可以看出：

（1） 基巖面以上的第四系土層部分，分層性良好，可以劃分出標準地層層序;

（2） 基巖面以下的巖石部分，因處在斷裂破碎帶，地質條件復雜，并包含透鏡體等復雜體，無法劃分出標準地層層序，普通建模方法很難在復雜地層條件下進行應用。

2 EVS軟件及建模方法簡介

EVS（Earth Volumetric Studio）是一款適用于地球科學領域的3D建模分析軟件，可實現真三維的地質體數據建模、分析及可視化;可與ArcGIS、Revit、Civil 3D等實現數據交互;可實現真三維模型動畫展示。EVS建立的模型可真實反映地質構造形態、構造關系及地質體內部屬性變化規律;可對模型進行任意形式的切割，以便多角度觀察;對于尖滅、透鏡體、斷層及溶洞有很好的處理能力。

EVS支持地層建模和巖性建模：可以根據鉆孔數據、剖面數據等多種數據格式創建巖性模型或地層模型，且2種模型均為真三維模型，即空間內任意一點和任意一個單元中均可以存儲數據。

2.1 地層建模

利用EVS建模，可以將研究區的所有地層以自上而下的順序完整表達出來，即便出現地層尖滅或局部呈透鏡體等地層不連續現象，EVS模型也可以處理。

圖4中，0為砂土，1為黏土，2為礫石土。假設整個場地最左側、最右側和中間分別有一個鉆孔，兩側的鉆孔沒有揭露黏土透鏡體，因此，這2個鉆孔中只有2種材料，2個地層，而中間的鉆孔中有3種材料，4個地層。在EVS中，需要給整個模型劃分4個地層層級，分別為上部砂土（0）、黏土（1）、下部砂土（2）和礫石土（3），如圖5所示。對于可以采用上述方式進行地層信息表達的場地，地層建模是最好的一種三維建模方式，因為每個地層都可以創建清晰平滑的邊界，同時不同層之間還可以通過炸開方式來分離。

2.2 巖性建模

許多場地含有特殊的地質構造（侵入巖、巖溶、褶皺等），這些地質結構不適用于需要劃分層序的的地層建模。同時對于某些場地，地質構造復雜，導致鉆孔本身非常復雜，幾乎無法劃分層序，這種情況也無法進行地層建模，這時可以采用指數克里金（GIK）方法進行巖性建模。GIK具有創建非常復雜地質模型的能力，而且這種地質建模方法幾乎是由計算機完全自動完成的，不需要地質人員的干預或對鉆孔數據進行解釋，而地層建模中需要進行人為層序劃分。

巖性建模采用原始鉆孔數據進行建模，即沒有進行層序劃分的鉆孔數據。因此，對于可以進行地層建模的場地，巖性建模也可以用于輔助判斷層序劃分是否正確，即巖性建模結果給出了計算機通過GIK方法得到的空間中巖性的概率分布情況，而這種情況可以用于驗證層序劃分是否正確。巖性建模由于其便利性，廣泛應用于復雜地質建模。

3 三維地質建模

由1.2節中地質數據分析可知：研究區地質條件復雜，特別是基巖部分，因此對上部第四系土層采用地層建模方法，對下伏基巖采用巖性建模方法。整個研究區面積50 km2，模型深度200 m，采用統一的網格剖分單元，大小為50 m×50 m×0.2 m，總計約2 000萬個網格單元。

3.1 地層建模

EVS采用流程化、模塊化的建模方式，可以快速高效地創建三維地層模型。創建好的地層模型如圖6所示。

3.2 巖性建模

用巖性插值模塊（indicator_geology），采用平滑指示克里金算法創建模型，創建好的巖石部分三維模型如圖7所示。

3.3 模型合并

將創建的上部土層地層模型和下部基巖巖性模型合并顯示為整體模型，如圖8所示。

3.4 屬性建模

建立屬性建模工作流。在已建好的地質模型基礎上，把處理好的數據文件導入3D克里金插值模塊（krig_3d）創建屬性模型，如圖9所示。

3.5 模型驗證與質量評估

傳統的三維地質建模普遍認為地層分界處應該是平直光滑的。如圖10（a）所示，由于建模軟件采用的是算法插值的方式創建三維地質模型，不論是地層模型還是巖性模型都和實際情況存在一定的偏差，特別是巖石部分的巖性模型，不同巖性的分界面不夠平直光滑，如圖10（b）所示，影響了模型的整體精度。

為此，在確認推斷的地質剖面正確的前提下，通過地質剖面提取虛擬鉆孔，再進行巖性建模，結果如圖11所示。圖11（b）與圖11（a）基本吻合，說明通過剖面加密鉆孔后建立的地質模型與實際地質剖面已經非常接近，同時，圖11（b）與圖10（b）相比，地層界線更加平直，更符合傳統地質認識，提高了模型的整體精度。

上述驗證方法以剖面對比為主，可以直觀反映模型的可靠程度，但沒有給出一個具體定量評價模型質量的數值，為了定量評價模型的可靠性，EVS軟件引入“巖性概率”指標以定量評價巖性出現的可靠性，從而建立了巖性概率屬性模型，如圖12所示。

4 三維模型應用

本文在建立三維地質模型的基礎上，對三維模型在可視化展示、剖面切割、模型開挖和空間分析等方面的具體應用進行了研究。

4.1 模型可視化展示

EVS中不同的地層以顏色區分，為了使地質人員對模型有更直觀的認識以及使模型有直觀的位置參考信息，可以用不同的巖性花紋和顏色對模型進行填充，同時在模型表面疊加線劃圖、影像圖和傾斜攝影等地形數據，如圖13所示。

4.2 模型剖切、開挖

在實際工程應用中，如基坑開挖前了解場地地層包括地層的結構和分布，尤其是軟弱層的空間分布至關重要，而在三維地質模型基礎上對模型進行剖切和開挖可以很好地解決這個問題。如圖14～15所示，在三維地質模型基礎上進行任意位置的剖切和任意位置的開挖，可以詳盡了解場地的工程地質情況，為工程的選址或實施提供決策依據。

4.3 空間篩選

針對屬性模型，可以根據屬性值進行屬性篩選，達到了解目標地質體的分布范圍和特征。以軟土為例，可以根據天然地基承載力屬性為依據，篩選承載力小于200 kPa的地層分布情況，由此了解軟土的分布范圍和厚度，如圖16所示。

5 結論與展望

本文采用地層建模和巖性建模的混合建模方式，在EVS平臺上完成了武漢市長江新城起步區三維高精度網格化地質模型的建設，同時實現了三維地質模型的巖性紋理貼圖、與地表模型的疊加、地質模型任意方式的剖切、開挖和屬性篩選等具體應用，達到了預期的示范效果，為整個武漢市范圍的地質建模奠定了基礎。但是對于面積廣、鉆孔量大的問題，很難一次性完成區域模型的建設，因此分級分塊的地質建模是以后的研究重點。同時，在提高模型精度的基礎上，要進一步加強三維地質模型成果的應用，體現模型成果的應用價值，逐步實現三維地質可視化數據在國土資源管理、城市規劃、建設、應急、環保等部門的應用，達到保障人民生命財產安全、服務國民經濟建設的目的。

參考文獻：

[1] ?朱發華，賀懷建.復雜地層建模與三維可視化[J].巖土力學，2010，31（6）：1919-1922.

[2] 何登發，單帥強，張煜穎，等.雄安新區的三維地質結構：來自反射地震資料的約束[J].中國科學（地球科學），2018，48（9）： 1207-1222.

[3] 施木俊，熊毅明，甄云鵬.基于工程勘察鉆孔數據的三維地層模型的自動構建[J].城市勘測，2006（5）：62-65.

[4] 陳根深，郭緒磊，劉剛，等.宜昌長江南岸巖溶流域典型區三維地質建模[J].安全與環境工程，2019，26（2）：1-8.

[5] 陳學習，吳立新，車德福，等.基于鉆孔數據的含斷層地質體三維建模方法[J].煤田地質與勘探，2005，33（5）：5-8.

[6] 張渭軍，王文科.基于鉆孔數據的地層三維建模與可視化研究[J].大地構造與成礦學，2006，30（1）：108-113.

[7] 雷赟，孔金玲，張峰，等.基于EVS Pro的3D地質建模[J].地球科學與環境學報，2008，30（1）：107-110.

[8] 張希雨，楊茂功，付曉剛，等.基于EVS-Pro的西安三維水文地質結構可視化模型的構建[J].安徽農業科學，2011，39（6）：3231-3233.

[9] 林中揚，金翔龍，顧明光，等.基于MapGIS-TDE三維平臺的地質模型構建[J].人民長江，2019，50（增2）：85-88.

[10] ?顧麗影，花衛華，李三鳳.三維城市地質信息平臺[J].地質學刊，2012，36（3）：285-290.

（編輯：劉 媛）

引用本文：

劉順昌，李黎，徐德馨，等.

復雜地質條件下高精度三維地質建模研究

[J].人民長江，2021，52（8）：127-132.

High-precision 3D geological modeling under complex geological conditions

LIU Shunchang，LI Li，Xu Dexin，CAO Houzhen

（ Wuhan Geomatics Institute，Wuhan 430022，China ）

Abstract：

The 3D geological model can not only display the geological conditions intuitively，but also assist and support the technical decision-making of geological industry，and provide 3D data support for the study of geological work.A hybrid 3D geological modeling solution for stratum modeling and lithology modeling is proposed for complex geological conditions.Taking the starting area of Yangtze River New Town in Wuhan as an example，based on EVS modeling software and geological section and borehole data，the construction of three-dimensional geological high-precision grid model under complex geological conditions is studied，and the three-dimensional model is verified and evaluated by profile section comparison and lithologic probability model.On this basis，the visualization expression and application of 3D model are studied.The results show that the hybrid modeling method of stratum modeling and lithology modeling can adapt to the 3D modeling under any complex geological conditions.The model results are scientific and reliable，and have important practical application values.

Key words：

stratum modelling;lithology modelling;EVS software;model verification;complex geological conditions;Wuhan Yangtze River New Town