山东省枣庄市中心城区三维地质模型建立研究

2019-03-04贾继成张军贾琛

山东国土资源 2019年3期

贾继成，张军，贾琛

(1.山东省地质矿产勘查开发局第三水文地质工程地质大队,山东济宁 272100；2.山东省第一地质矿产勘查院,山东济南 250014)

0 引言

依据《枣庄市城市总体规划(2010年—2020年)》，枣庄市中心城区由东西两部分组成，西部城区为现状的薛城城区、枣庄新城、枣庄高新区，东部城区为市中老城、枣庄经济开发区(东城)、峄城区，中心城区面积292.70km2。枣庄市中心城区三维地质模型平面范围以规划范围线为平面界线进行模型建立。垂向上不局限于某一特定深度，考虑到收集到的基础钻孔资料揭露地层的实际情况，以寒武纪朱砂洞组为底边界建立模型，底边界以下地层作为基底处理。需要特别说明的是，本次建模工作仅针对于中心城区规划区范围内的沉积地层进行模拟，对岩浆岩类统一简化为基底进行简化处理。

将枣庄市中心城区地层划分为3级，即系-统-组，将地层细分到组。

在创建三维地质模型时，不可避免地存在如何整体性描述整个区域地层属性的问题[1]，因此将区域地层进行人为剖分，通过相交的剖面形成一个个彼此独立的单元格，对每个单元格地质块体进行三维建模，将全部的地质块体进行合并，就形成了我们所需要的区域三维地质模型。在实际建模过程中，需要保持相邻单元格属性相同[2]，同时划分单元格越精细，投入工作量越大，建立的最终模型与实际的拟合程度越高[3]。

在经济社会不断加速发展的社会现实中，地下空间资源、特定地质体展布分析及矿产开采等领域发展的迫切需要，现有二维表达模式越来越难以满足。开展枣庄市的三维地质建模工作，通过三维地质块体快捷剖切操作显示地质体三维空间展布状态，形象地将地质灾害隐患、城市地质结构、水土质量和地下空间开发的可能性等数据展现。开展地质建模工作能够及时为城市的规划、管理建设、决策及应急指挥提供一个较为基础的使用平台，对于规划城市发展，协调人类生产生活与自然的关系具有重要意义。

1 三维地质模型建立原理

1.1 三维建模方法研究现状

目前，三维地质建模方法根据建模使用的数据资源不同而划分为基于钻孔数据建模、基于平面地质图建模、基于剖面数据建模及基于多源数据共同参与建模等类别。

1.1.1 基于钻孔数据建模

基于钻孔数据建模的定义是以当前已有的钻孔数据为基础，对三维地质模型进行直接构建。朱合华、吴信才等[4]对此进行了大量研究。提出了以钻孔信息为基础的，可供工程地质及岩土工程学科使用的地层数据模型。以钻孔数据为基础构建三维地质实体模型的方法由吴信才等人提出，此种方法较为简便易行。

1.1.2 基于剖面数据建模

基于剖面构建三维地质模型以原始的地质勘探资料为基础，生成相互交叉的二维剖面，通过二维剖面相互剪断生成三维地质块体。较早从事三维地质建模的研究者Tipper教授研究利用地质剖面来进行三维地质表面建模和进行具体三维地貌模拟。

1.1.3 基于地震物探数据建模

用变密度粒子模型实现分析油气储藏的位置和储量，从而使钻孔的位置准确确定变成现实，这是杨静宇等人的成果。王焕弟等[5]对国内外物探技术发展的趋势进行预测展望，同时对现有石油物探关键技术如三维可视化、高分辨率三维地震勘探技术等进行了总结。

1.1.4 基于多源数据建模

多源数据融合建模法的定义是，以融合了原始地质勘探数据和二维解释剖面等地质数据为基础进行三维建模的方法。以多源数据融合角度为出发点，周良辰等人[6]通过使用空间插值技术，来构建三维空间数据场，使研究区域地层结构的空间分布特征与内部属性信息用真三维的形式进行表达。

1.2 三维模型建立原理

三维地质建模时首先从数据库或有关文件中提取建模数据，进行有效性检查，之后按照建模数据和模型类型不同进入不同的构模过程。对于工程地质这类简单层状地质体，在按照建模范围和精度的要求生成地形网格的基础上，计算机根据钻孔位置及揭露的各层位标准赋值，生成二维剖面图，从剖面中提取出有关地层边界线的信息，通过人机交互选定层面所需包围的弧段生成各地层面模型，选定包围层面从而生成地层实体模型。钻孔数据要与地层面保持精确一致，为强约束数据，剖面地层界面线则可以不与地层面精确一致，为弱约束数据。上述简单层状地质体建模过程除少数数据选择或参数选择操作外，其余步骤均自动完成。对于带有复杂构造信息的复杂地质体建模则需要一定的人机交互操作才能完成，根据数据源不同分为两种构模方式：一是基于平面地质图的线框架构模。基于剖面的交互式构模由专家根据经验人工判别剖面之间地质界线的对应关系，进行连接，连接后由系统自动完成面插值处理，生成地质界面；基于平面地质图的线框架构模由专家根据经验对地质构造线框架进行交互处理，之后，系统据线框架自动生成地质界面。最后，系统根据地质界面和其拓扑关系自动生成复杂地质体实体模型。

2 枣庄市三维地质模型建立流程

2.1 钻孔资料收集

钻孔是地学领域的重要数据资源[4]。为了有效地挖掘钻孔数据信息，扩大钻孔的利用价值，比如绘制钻孔柱状图、绘制剖面图等，针对所收集的钻孔数据进行统一的分层标准化[5]。

枣庄城市地质项目收集到的专题数据主要为钻孔资料数据，包括：各类工程钻孔及其试验数据、浅层地热钻孔数据、抗旱打井钻孔数据、地质环境监测钻孔数据、探煤钻孔数据等。

2.2 建立标准地层

在进行钻孔分层标准化工作之前，针对枣庄城市地质钻孔数据岩性的特点以及建模的需要，将钻孔标准分层划分为3级(系-统-组)(表1)。标准分层等级确定依据为实际工作需求[6]，分层等级划分的越细致，最后生成的模型对实际地层情况描述的越精准细致，由此也会增加后期人工交互调整单元格相应工程量。

根据制定的钻孔分层标准，借助枣庄城市地质数据管理与维护系统的钻孔标准分层编辑功能，对所有待入库的钻孔数据进行统一的标准化工作，包括为每一级别的钻孔分层赋予颜色、图案等(图1、图2)。

表1 枣庄城市三维地质结构模型标准分层

图1 钻孔标准分层操作

图2 钻孔标准分层结果示意图

2.3 数据处理与建库

将钻孔资料按照前期建立的分层标准，对相应层位通过标准分层赋值，录入Excel专题属性数据[7]，该表格为结构化表格类数据[8]，分为钻孔基本信息表、钻孔分层信息表、项目基本信息表三个表单。其中项目基本信息表中为全部钻孔项目索引，钻孔基本信息表包含钻孔ID、坐标、孔口标高、钻孔深度、水位等信息，钻孔分层信息表包含每一个钻孔每层的顶底板标高[9]，地层代码，地层名称及相关描述信息。

通过枣庄城市地质数据管理与维护子系统提供的数据建库以及数据导入、数据录入等相关功能工具，进行集成入库，建立统一的地质专题数据库。

2.4 生成二维剖面

二维剖面是三维地质模型建立的重要基础数据源。项目组人员在建模工作前期，围绕着尽可能充分应用所有钻孔、提高模型精度的目标[10]，通过筛选已经入库的钻孔数据，选取数据可靠的钻孔数据参与绘制二维剖面，形成了参与三维建模的纵向、横向剖面线(图3)。剖面线围成的最外侧范围为最终生成的三维地质模型范围。

图3 剖面线规划布置图

在绘制二维剖面过程中，应用了枣庄市城市地质分析评价子系统提供的二维剖面自动生成功能，通过读取所需钻孔数据编码生成剖面图。在剖面图生成过程中，添加了枣庄城市地质调查研究范围内的地表等高线数据、平面断层数据、水系等MapGIS矢量数据进行约束控制[11]。

2.5 人机交互建模

将绘制的二维剖面导入三维，转为三维剖面模型。对两两相交的交叉剖面进行相交一致性处理，然后利用系统的剖面模型纹理调节工具，调整三维剖面模型纹理；调整到最佳显示状态后，即可利用系统提供的自动形成单元格功能，对单元格外的剖面进行裁减，形成封闭的三维单元格，作为建模的直接数据源。将每个三维单元格地质面都生成以后，就可以形成地质块体。进行拓扑错误检查后，对所有单元块体进行合并，建立整个研究区范围的地质体模型(图4)。

图4 枣庄市三维地质模型

3 添加虚拟钻孔辅助生成剖面图

当原始钻孔资料较少时，利用相对稀疏的原始数据来进行三维建模[12]，很难保证最后生成模型的准确程度。建模过程中，基于实际勘察获取的原始钻孔资料和日常工作经验，再结合对二维地质剖面地层走向的理解，在二维剖面无钻孔控制的空白位置处生成可以反映地层局部变化特征的虚拟孔，融入专家经验对二维剖面进行精细化调整，最终生成令人满意的三维地质模型[13]。

枣庄市中心城区三维地质模型建立过程中由于收集到的钻孔部分来自住宅地基前期勘探及研究区范围内开展过的水工环勘探类项目，目的性较强，钻孔整体分布具有局部密集，整体平均展布性差[14]。经常呈现一个较小的范围布置间距几米的数量众多的钻孔，而未进行过专门勘查工作的区域无钻孔分布的现象。

如图5所示，在X01剖面线上，SZ23-3钻孔与04-14钻孔之间无任何控制性钻孔，SZ23-3揭露地层为寒武纪九龙群炒米店组，04-14钻孔地表为第四系临沂组，下伏地层为奥陶纪马家沟群新汶组，沿SZ23-3到04-14方向为一套由老渐新地层，但由于中间缺少钻孔分布，导致5-3-1(寒武-奥陶纪三山子组)、5-2-5(奥陶纪马家沟群东黄山组)、5-2-4(北庵庄组)、5-2-3(土峪组)、5-2-2(五阳山组)、5-2-1(阁庄组)5-1-1(八陡组)、及0-1-2(第四纪全新统沂河组)一系列地层在地表无钻孔控制揭露。在缺少上述钻孔的情况下，生成的剖面图中，大部分地层分界线被计算机判断为自动尖灭。如图6，尖灭位置与真实情况完全不一致。

1—第四纪全新统沂河组；2—临沂组；3—更新统大站组；4—二叠纪石河子群万山组；5—黑山组；6—月门沟群山西组；7—石炭-二叠纪月门沟群太原组；8—奥陶纪马家沟群新汶组；9—八陡组；10—阁庄组；11—五阳山组；12—土峪组；13—北庵庄组；14—东黄山组；15—寒武-奥陶纪九龙群三山子组；16—寒武纪九龙群炒米店组；17—崮山组；18—张夏组；19—长清群馒头组；20—X01剖面线图5 X01剖面线叠合1∶5万地质图

在三维地层模型构建过程中，以收集到的基础钻孔数据为主要数据来源[15]。但由于钻探成本比较高，在一个特定的研究区域，为了特定的目的开展的勘探工作往往只能获取有限数目的钻孔数据[16]。这些钻孔通常还分布的极不均匀，造成绝大部分研究区域存在无有效钻孔控制的空白区域。三维地质模型依托的这些基础资料不完善性必然造成三维地质模型表达与实际情况存在误差[17]，因此需要运用专家经验对原始数据进行深层次的开发研究，添加虚拟钻孔实现三维模型精确建立。

虚拟钻孔是在二维地质剖面生成过程中不得已运用的变通手段[18]。在二维剖面划定过程中，因为控制性钻孔的数量、密度分布不均[19]，造成部分区域缺少控制钻孔揭露，而地层层位的变化恰恰发生在无钻孔的位置时[20]，此时可以通过人为添加虚拟钻孔[21]，根据平面地质图位置，标定该地层在剖面出露位置，达到提高二维模型精准程度的目的[22]。

具体解决方法为在SZ23-3与04-14钻孔地层变化的位置添加虚拟钻孔，如图7中的xn228～xn234钻孔，分别对每处钻孔地层编码赋值[23]，钻孔深度暂定30m，针对后期完善剖面图过程中，深度可迭代调整[24]。

1—第四纪全新统临沂组；2—更新统大站组；3—奥陶纪马家沟群八陡组；4—阁庄组；5—五阳山组；6—土峪组；7—北庵庄组；8—东黄山组；9—寒武-奥陶纪九龙群三山子组；10—寒武纪九龙群炒米店组；11—崮山组；12—张夏组；13—长清群馒头组；14—朱砂洞组；15—新元古界图6 X01剖面线SZ23-3与04-14钻孔间剖面图

通过添加上述虚拟钻孔，再次重新生成剖面图，5-3-1(寒武-奥陶纪三山子组)～5-1-1(八陡组)、0-1-2(第四纪全新统沂河组)一系列地层在地表出露位置得到控制，计算机也可以准确地判别出相关地层分界线(图8)，加以少许人工辅助，生成与实际相符的地层剖面(图9)。

1—第四纪全新统沂河组；2—临沂组；3—更新统大站组；4—奥陶纪马家沟群八陡组；5—阁庄组；6—五阳山组；7—土峪组；8—北庵庄组；9—东黄山组；10—寒武-奥陶纪九龙群三山子组；11—寒武纪九龙群炒米店组；12—崮山组；13—张夏组；14—长清群馒头组；15—朱砂洞组；16—新元古界图8 添加虚拟钻孔生成的剖面图

图9 拓扑造区后的X01线剖面图

4 结论

三维地质建模是运用计算机技术将平面地质图拓展延伸至三维层面，对平面地质图地下岩层展布情况进行生动的展示，通过实时剖切，可以生成各类所需剖面，对于生产研究而言均具有重要意义。

当前在三维地质建模过程中存在着钻孔数目有限、离散、准确程度不一难以保证以及获取代价高的问题，该文探索了基于平面地质图添加虚拟钻孔的三维地质建模方法，相关关键算法和可视化等若干技术问题进行了一系列研究，主要结论与成果如下：

(1)设计了基于剖面的三维地质建模流程，建立了枣庄市中心城区三维地质模型。通过收集枣庄市中心城区区域范围内原始钻孔资料，进行电子化录入整理，根据划定的中心城区标准分层，将钻孔揭露的各地层一一进行标准化，划定合适的剖面运用计算机辅助技术进行自动生成剖面图，根据专家经验进行相关调整，通过两两相交剖面图进行相互剪断，形成周围由标准地层包围形成的单元格，通过人机交互生成单元格三维地质体，将各个单元格合并，最终形成了地质体模型。

(2)相关关键难点研究。对缺少钻孔数据，采用平面图补充虚拟钻孔提高剖面图精度的方法进行了详细研究。对于断层经过单元格的各种情形分别进行了地质块体生成阐述。

(3)平面添加虚拟钻孔生成地质块体的方法还不够完善。该文对平面地质图添加虚拟钻孔方法进行了初探，对于虚拟钻孔精确控制地层分割界面没有很好地解决，今后仍为继续研究的方向。

(4)要提高构模过程自动化与智能化过程，进而降低人工交互的复杂程度。在这个问题上，融入专家经验势必对三维模型的模拟实际地层的精准度有很大提升，但专家经验的加入意味着需要投入大量工作，势必拖延项目完成时限。

(5)通过后期陆续收集掌握的钻孔基础资料对已建立的三维地质模型进行不断完善调整，不断提高其精准化程度。

(6)三维地质模型成果的转化和应用，特别在城市规划和工程建设中，针对不同阶段规划和重大工程规划选址发挥作用。