武汉基岩地层三维地质建模几个要点

韩德村，李学问，王艺霖，聂海涛，晏思诗

(1．湖北省地质环境总站，湖北武汉 430034;2．河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院，河南郑州 450006)

武汉市位于江汉平原东部，是中国历史悠久的特大城市之一。复杂的地质背景条件是城市建设、规划的主要影响因素。三维地质模型能够直观地反映地层的空间展布特征，具备了可视化的特点，能更好地服务于城市规划和地下空间开发。2013年，笔者对武汉市第四系地层建模进行了探讨，针对目标地质体边界控制综合建模方法，引入了矿体建模思路构建了武汉市第四系三维地质结构模型，本文将结合工作实例阐述武汉市复杂基岩地层建模的几个要点。

1 沉积地层及构造演化特征

前人研究［1-3］表明，武汉地区随着晋宁造山运动的结束，转化为稳定陆壳发展环境，进入沉积盖层发展阶段;以浅海—台地相的碳酸盐岩与陆缘碎屑岩沉积为主，受加里东运动、华力西运动影响，区内出现广泛的沉积间断。区内上三叠统—侏罗系、白垩系—古近系、新近系三大构造层，各构造层之间均以角度不整合接触，分别形成于印支运动、燕山运动和喜马拉雅运动;该阶段发生强烈褶皱、断裂等构造变形作用，造就了调查区基本构造格局。

1．1 印支运动阶段

对应于晚三叠世—侏罗纪。三叠纪末扬子板块与华北板块碰撞对接，与之对应，调查区大面积隆升造山，结束了调查区海相沉积历史。此时在南北向挤压应力作用下，形成近东西向褶皱和近东西—北西西向脆性断裂构造，形成了调查区主体构造。

1．2 燕山运动阶段

对应于白垩纪—古近纪。早白垩世区域上强烈的燕山运动在调查区以断裂变形为主，褶皱不发育，于区内形成北北东和北北西—北西向两组脆性断裂，前者规模宏大，由此奠定了现今调查区基本地质构造格架。

晚白垩世—古近纪，燕山运动由挤压逐渐向松弛的弹性回落阶段转化，区内表现出伸展裂陷作用特点，形成大量张性正断层，早期挤压应力的释放使得早期断裂再次活动，并控制了同期断陷盆地的沉积演化。

1．3 喜马拉雅运动阶段

古近纪晚期，受喜马拉雅运动南北向挤压应力影响，调查区于燕山运动中发展起来的陆相盆地受挤压关闭。调查区南部地区，盆地中心局部仍有小范围湖盆保留，盆地边缘成为剥蚀夷平区，形成砾岩与粘土岩互层的河湖相沉积，并造成新近纪沉积与白垩—古近纪沉积间的角度不整合关系。

综上所述，武汉市基岩地层属于复杂基岩地层，在复杂地质体建模过程中需要注意对地层尖灭、断层及基岩零星出露的刻画以及复杂空间数据模型表达的方法。

2 复杂基岩地层建模几个要点

构建复杂基岩模型，利用交叉剖面将大区域分成很多小单元格，再对小单元格里地层面从上至下或从下至上层层构建［4］，即选择每一个层面的顶部轮廓线进行构建，如果地层连续，那么便可很容易找出当前层面的一圈封闭的顶部轮廓线，进而利用这一圈封闭的边界线围成的区域进行约束Delauny三角化构建地层顶部界面。这样减小了建模难度，提高了建模速度和精度。

但是现实中的地质情况往往比这复杂得多，例如出现尖灭、断层、地层倒转、岩体破碎带等，对于这种非交叉剖面处或边界处无法自然封闭的单元格，可以通过手动添加辅助线的方式进行封闭，之后按照封闭单元格相同方式建模。除剖面数据外，在单元格内的空白区域，如果有钻孔、等值线数据能够揭示地质体或地质构造信息，也可将这些信息在构面过程中加以利用，以提高模型精度。基于单元格的建模方法最为核心的建模工作为建立几何、拓扑一致的地质体子面，而这也是复杂地质体建模的要点所在。下面通过具体分析不同的地质现象来阐述地质界面的构建方法。

(1)地层尖灭的处理方法。地层尖灭是地质现象中最常见的。当遇到地层尖灭时，首先添加辅助线来作为两相邻地层的共同尖灭边界，再利用这些辅助线与剖面线自动构建地层界面。当上下地层较少、地层关系简单时，处理地层尖灭很容易添加辅助线，但当遇到较复杂的地层尖灭时，往往需要将多条尖灭线进行剪断相交后再构建各个地质界面。因为当与两条辅助线有关的上部地层中存在两个相同的地层属性时，需要将这两条辅助线剪断，在剪断处的点高程可通过取均值的方法重新计算。如图1中，地层面C顶层线处存在两个不同属性的地层面A和地层面B，分别作出地层面A和地层面B的边界辅助线L1和L2，如果不考虑L1与L2的相交问题，在构建A面、B面或B面、C面时，会因为辅助线的不相交导致面与面中间出现空隙或重叠的问题，这样构建的上下相邻地质体之间就会出现空洞或是交错的现象。解决办法是将线段L1和L2在点O处相交剪断，剪断后形成了四根线段，将地质面B的顶面分成了两个子面来构建，这两个子面又分别存在于面C和面A中。通过这种处理方法，解决了地质面在尖灭处拓扑一致性的问题，也保证了空间相邻的地质体具有唯一共用面。

(2)断层处理方法。当单元格内存在断层时，必须优先构建断层面，再利用断层面和剖面的约束来构建其他地层界面。在构建断层面时，需要利用剖面上的断层线和基岩地质图上的带高程的断层线相结合，通过添加辅助线的方式最后确定断层的边界，然后通过边界多边形构建断层面。图2为断层面构建示例，图中L1是基岩地质图上带高程的断层线，L2是手动添加的辅助线，L1和L2与剖面上的断层线形成了一个封闭的弧段，通过封闭弧段构网，最终形成断层面。

图1 地层尖灭处理Fig．1 Treatment of stratum thinning out

(3)基岩零星出露区处理方法。地层界面在三维空间中会发生相互交错的现象，例如第四系地质中的基岩出露即是穿透其他地层，尽管这也属于地层尖灭现象，但如果只采用添加辅助线的方式，不仅会比较繁琐，还会造成辅助线之间存在空隙导致不封闭。为此，本次三维地质建模采用如下的思路:首先构建原始的地层面，然后利用地层面与面的互相切割，线与面的切割，对切割后的子面进行取舍。

具体做法是:首先通过添加辅助线构建穿透地层面和被穿透地层面，保证构建的地层面拓扑一致，特别是被穿透的地层面。然后将穿透地层面与被穿透地层面相互切割，被穿透地层面被分为很多子面，保留被穿透地层面的洞外部分，删除洞内部分，这样洞外部分就可以被用来进行下一次的切割;同时穿透地层面也被分为很多子面，可以按要求保留穿透地层面的上下子面。有时，在构建基岩岩溶条带面时为了保证面与面之间的封闭性，需要使岩溶条带面高于第四系地质面，然后通过面与面的切割或线与面的切割，将岩溶条带面的高出部分删除，这样建立的岩溶条带面就完全与第四系地质面稳合。对于复杂地质体的穿透处理，经常需要用到三角网的切割算法，所以对于切割要求相对来说比较高。如图3即为基岩出露的处理示意图。

图3 基岩零星出露(地层穿透)处理Fig．3 Treatment of sporadically exposed bedrock

(4)复杂空间数据模型表达方法。三维地质模型是对客观地质的理解和抽象表达，如断层、岩脉等将地层切割成不连续的空间分布，岩体内复杂的岩性变化以及地质构造过程的动态性等使得地下的自然环境变得异常复杂。地质体中包含断层、岩脉侵入体、倒转褶皱等多值面的地质结构，增加了三维地质建模数据结构、拓扑关系及相应算法的复杂程度，缺乏成熟的解决方案，使得重建的三维模型信息存储量异常巨大，无法满足实际分析应用。所以，针对应用目标，选择合适的三维数据结构模型，解决地质体复杂、模型数据量大与模型需满足实时分析要求的矛盾。具体表达方法是在每个地质体刻画之前形成概念模型，遵循由粗到细，由框架到细节的思路，逐步对复杂地质体进行刻画。

以上内容对复杂地层的三维地质建模几个要点进行了详细分析，这些难点是在人工交互式建模过程中经常会遇到的，也是最实际的解决方法。

3 建模实例

以武汉市汉阳区为例，按前文所述对断层、地层尖灭和基岩零星出露区进行了细致处理。武汉市汉阳区构造作用强烈，断层极为发育，所以必须先建立断层面模型，再构建基岩面。如图4、图5中红色的面即为断层面，此断层面边界与剖面上的断层线保持拓扑一致。然后依据断层面所在处，建立基岩的岩溶条带，保证可溶岩在经过断层面处断开，如图6-图9。

图4 汉阳断层面与剖面图Fig．4 Hanyang fault surface and profile

图5 三叠系大冶组与断层面ig．5 Triassic Daye formation and fault surface

图6 二叠系大隆组与断层面Fig．6 Permian Dalong Formation and fault surface

图7 二叠系孤峰组与断层面Fig．7 Permian Gufeng Formation and fault surface

图8 石炭系黄龙组与断层面Fig．8 Huanglong Formation of Carboniferous and fault surface

图9 泥盆系黄家蹬组与断层面Fig．9 Huangjiadeng Formation of Devonian and fault surface

4 结论

复杂地层三维地质模型精细刻画除了需要投入大量的工作之外，还需要通过长期的工作掌握建模要点，如前文所述的几个要点只是笔者从事复杂地层三维建模遇到的一些难题及总结的一些办法。地质人员直接参与建模是未来三维地质建模的发展方向，与单纯由计算机人员建模相比有效提高了建模效率，是推动三维地质建模技术发展和建模工作顺利实施的保障。

［1］ 湖北省地质局．武汉市地质图说明书(1∶50 000)［R］．武汉:湖北省地质资料馆，1985．

［2］ 湖北省地质局．武汉市基岩地质图说明书(1∶50 000)［R］．武汉:湖北省地质资料馆，1985．

［3］ 湖北省地质局．1∶20万武汉幅区域地质调查报告［R］．武汉:湖北省地质资料馆，1975．

［4］ 陈国良，刘修国，盛谦，等．一种基于交叉剖面的地质模型构建方法［J］．岩土力学，2011，32(8):2409-2415．

(责任编辑:陈姣霞)