宜昌长江南岸岩溶流域典型区三维地质建模

2019-04-04陈根深郭绪磊陶坤燏陈麒玉

安全与环境工程 2019年2期

陈根深，郭绪磊，刘刚，陶坤燏，陈麒玉，周宏

( 1.中国地质大学(武汉)教育部长江三峡库区地质灾害研究中心,湖北武汉 430074；2.中国地质大学(武汉)智能地学信息处理湖北省重点实验室，湖北武汉 430074；3.中国地质大学(武汉)地质调查研究院,湖北武汉 430074；4.中国地质大学(武汉)计算机学院，湖北武汉 430074)

三维地质建模(3D Geosciences Modeling)技术是以计算机技术为基础，在三维环境下将地层、构造、地貌及其他地质现象尽可能真实地展现出来的一种技术[1]。三维地质建模技术不仅能对地质工作研究提供大量的数据支撑，让人们直观地了解地质状况，还能够辅助和支持地质行业的技术决策[2-3]。自加拿大学者Simon Houlding提出三维地质建模理论以来，相关技术不断发展[4]。近年来，随着计算机三维技术的快速发展，三维地质建模技术在地质行业的应用越来越广泛，许多国内外的地质调查机构均开展了相关的研究工作。按照三维地质建模所使用的数据形式，其建模方法可以分为：基于钻孔数据的三维地质体建模方法[5-7]、基于剖面拓扑推理的三维地质体建模方法[8-9]、基于平面地质图的三维地质体建模方法[10-11]、基于多源数据的三维建模方法[12-13]等。其中，基于钻孔数据的建模方法虽然可以完成对层状地质体的模拟，但难以解决含有断层地质体的建模；基于平行剖面的建模方法是通过相邻剖面之间对应的轮廓线连接构网来模拟地质体的形态，但在遇到较复杂的地质情况时，相邻剖面之间轮廓线的对应可能会出现困难；对仅有填图资料等的低勘探程度地区，则必须利用平面地质图数据，根据地层产状信息纵向推测出岩层的空间展布方向，并建立地质模型；基于多源数据的建模方法需要整合各种数据来建立各个地质界面，然后构造地质体模型，但需要大量的用户交互，难以保证各个体之间数据的一致性[14]。

本文以宜昌长江南岸岩溶流域过河口地区作为主要研究区域，通过分析研究区域的地质环境概况与已有的地质资料，在总结和分析前人三维地质建模技术研究工作的基础上，利用QuantyView软件，采用基于平面地质图的三维地质建模方法，开展了研究区域的三维水文地质建模实践，有效地解决了该区域地质数据匮乏、数据获取成本高昂的问题。实践证明，所建立的三维水文地质结构模型能够直观、立体、可视地展现研究区域的水文地质结构特征和历史演化规律，可为研究区域不稳定库岸治理、水资源开发利用、地下水污染防护、石漠化综合治理等提供统一规划、因地制宜和综合治理的地质依据和技术支撑。

1 研究区地质环境概况

宜昌长江南岸岩溶流域位于长江西陵峡以南、清江以北，地势上处于我国第二级阶梯东部边缘地带，行政区划属宜昌市秭归县、长阳县，长江南岸主要支流有九畹溪、茅坪河、杨家溪、卷桥河，南边的丹水自龙舟坪镇汇入清江。著名的葛洲坝水利工程及三峡水利枢纽工程分布南、北。

研究区构造位置属于扬子准地台北缘鄂中台褶断区黄陵断穹东南部，受扬子准地台与华北地台碰撞对接影响以及太平洋板块向欧亚大陆俯冲在中国大陆东部濒太平洋地区的远程效应，测区内形成了一系列北西、近东西向、北西西-北西向以及近南北向构造行迹。研究区自东向西从侵入岩岩体、前震旦系到三叠系地层连续出露且较齐全，累计沉积岩岩层最大厚度约达7 567 m。南沱组地层角度不整合于侵入岩与变质岩基底之上，第四系与下伏地层为角度不整合，其余地层之间均为整合与平行不整合接触关系。地层岩性主要是以元古界崆岭群古村坪组变质岩以及侵入岩和沉积岩为主：岩浆岩结晶基底分布于测区东北部，以花岗岩类为主；沉积盖层广泛分布于测区其他区域，见有上元古代震旦系地层，古生代寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、二叠系地层，中生代三叠系、白垩系地层。

研究区主要地貌为溶蚀侵蚀中低山峡谷地貌，碳酸盐岩在区内广泛分布，碳酸盐岩在水流的溶蚀、侵蚀作用下，逐渐发育形成各类岩溶地貌形态，岩溶地表形态主要有溶痕、溶沟、溶槽、岩溶洼地、落水洞等，岩溶地下形态主要有溶孔、溶穴、溶蚀裂隙、岩溶洞穴等。而影响碳酸盐岩溶蚀作用的因素较多，包括区域构造、地层岩性、地形地貌等因素的控制和影响。碳酸盐岩在区内多为单斜构造，产状缓慢，倾角约10°～30°，节理发育，地下水径流较快，水循环交替迅速，地下水作用力强，岩溶发育程度高。岩溶发育的方向严格受到构造的控制，岩溶槽谷的发育方向、串珠状岩溶洼地的长轴方向均与区域构造线走向吻合；岩溶洞穴的发育也受构造裂隙与层面裂隙的控制。区内较深大断裂主要有仙女山断裂、天阳坪断裂、九畹溪断裂等。

根据地下水的赋存类型，研究区内含水系统可分为三个大类：松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类岩溶水和基岩裂隙水。松散岩类孔隙水主要赋存于测区内第四系松散堆积层，区内第四系厚度薄，约为0～10 m，零散分布于区内的岩溶洼地、河流阶地等地，成因类型主要有崩坡积物、残坡积物和冲洪积物，地下水水量贫乏。测区碳酸盐岩沉积岩广泛分布，出露面积约250 km2，占测区总面积约57%，总厚度约3 183 m,碳酸盐岩类岩溶水则分布于测区西部沉积岩盖层区，根据含水介质组合及水动力特征又将其分为碳酸盐岩溶洞裂隙水和碳酸盐岩夹碎屑岩溶洞裂隙水两个亚类：a.碳酸盐岩溶洞裂隙水主要分布在测区中、西部，主要赋存于震旦系灯影组，寒武系牛蹄塘组、天河板组、石龙洞组和娄山关组，奥陶系南津关组、宝塔组，二叠系茅口组、栖霞组和吴家坪组，三叠系大冶组和嘉陵江组等地层中，岩性主要为灰岩、灰质白云岩、白云质灰岩和白云岩；b.碳酸盐岩夹碎屑岩溶洞裂隙水主要呈条带状分布于测区中部、杨家屋场、彭家湾、白上沟、九畹溪东岸一带，主要赋存于震旦系陡山沱组、寒武系覃家庙组、奥陶系牯牛潭组等地层中，岩性主要为含泥质灰岩、白云岩、含生物碎屑灰岩、含燧石团块灰岩等。

根据基岩岩性的类型和含水介质的差异，将测区基岩裂隙水进一步划分为碎屑岩类风化裂隙水和岩浆岩类风化裂隙水。

由于研究区地质结构复杂，水文过程在时间和空间上复杂多变，使得地质数据获取难度大、成本高，岩溶实测资料相对匮乏，不利于开展不稳定库岸治理、水资源开发利用、地下水污染防护、石漠化综合治理等水文地质研究。针对这些问题，利用三维地质建模等先进的技术方法手段，直观、立体、可视地展现研究区域的水质地质结构特征和历史演化规律，对该区域地质灾害防治和地质环境保护具有辅助与促进的实际意义。

2 研究区三维水文地质结构模型的构建

在开展详细的1∶5万水文地质环境地质调查工作的基础上，通过研究该区域的地质填图资料及其他勘探资料，全面了解该区域的构造特征，研究区的地质数据主要以地面地质调查获取的地表数据和水文地质图数据为主，钻孔只有一个，只能为建立三维地质模型提供局部参考，因此本文采用以地质图数据为主、面剪切体为主要手段的三维地质体建模方法对研究区进行三维水文地质建模，其基本流程可分为数据整理阶段、数据处理阶段和三维模型构建阶段，详见图1。

图1 研究区三维水文地质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 数据整理阶段

通过收集整理湖北省地质局、宜昌地质研究所、湖北省地调院等单位先后在研究区域及其周边地区获取的部分地域的基础地质和水文地质资料，其中包括1∶20万巴东幅地质、水文地质调查资料和1∶5万过河口幅地质调查资料，研究该区域地层、地质构造、岩溶地貌、水文地质以及岩溶流域系统补给区、径流区、排泄区的基本情况。研究区三维水文地质建模的资料来源于中国地质大学(武汉)地质调查研究院的宜昌长江南岸岩溶流域1∶5万水文地质环境地质调查项目，主要有过河口幅1∶5万水文地质填图440 km2(见图2)以及该幅各类调查点409个，点密度为0.891个/km2，另外包含一个水文地质钻孔NZK04。

图2 过河口幅1∶5万水文地质简图Fig.2 1∶50000 hydrogeological brief mapping of the estuary area

2.2 数据处理阶段

2.2.1 地形数据处理

地形数据信息中包含等高线，提取等高线数据用于建立地形面。基于等高线数据，通过Kriging空间插值算法进行某一特定地层层面的拟合，将网格数控制在2 000×2 000，拟合生成地表面。以生成的地形面为顶面，设置研究区域最深处为z值，以高程为0作为模型底界，以等高线生成的地表面作为顶面，形成一个包围盒，作为研究区地质体的待切割模型，并利用地层线拟合生成的地层面对该地质体进行切割，可以构建研究区域的地质体，见图3。

图3 地形数据处理结果Fig.3 Processing result of terrain data

2.2.2 剖面数据处理

地质剖面能直接反映研究区域的构造特征、地下水赋存情况和地质体的空间特征，是编制其他地质图件的基础。为了方便控制建模时的地层倾向，依据尽量分布均匀且能够反映区域地质特征的原则，首先在地质平面图上选取9条剖面线；然后使用MapGIS导入剖面线，人机交互制作地质剖面，在制作剖面图时，总体地层走向考虑了产状的控制，而剖面深度是以钻孔揭露区域水流系统最深的深度作为控制深度，此外褶皱构造是根据地面上产状往下推，根据实测地层厚度来推测地下情况，并对各个地质剖面进行属性赋值；最后将经过转换的剖面数据导入QuantyView建模软件，通过对应剖面上控制点的实际坐标，将各个地质剖面竖立到三维空间中，见图4。将各个地质剖面三维导入后需要检查地质剖面的正确性，即针对某一剖面，根据其导入三维空间后二维剖面中的标尺在三维中显示的z值，进行高程检查，若与所标z值一致，则认为是正确的；若存在错误，则需要重新打开，查看其参数、比例尺是否正确，并重新导入，直至正确为止。

图4 建模中应用的三维地质剖面Fig.4 Vertical geological profile of 3D modeling

2.3 三维模型构建阶段

在完成数据处理工作后，进行地层地质体模型的构建，主要分为地层分界面构建、面剪切体成体、拓扑检查和地下水类型分类并赋属性几个步骤。首先依据剖面上的地层分界线和地表地质界线拟合生成各个地层分界面；然后将地层分界面按照一定的切割顺序对研究区域的包围盒进行切割，同时检查处理异常情况；最后对各个地层地质体模型进行拓扑检查并赋属性。模型将不同属性的地层地质体分别存储，可以灵活地对本区域的水文地质结构分布进行展示。另外，除了地质体，模型还保留了主要的断层结构面。

2.3.1 地层分界面构建

地层分界面包括断层面和地层界面，提取所有剖面上的地层分界线和地表地质界线，将所有剖面对应的地层分界线插值拟合生成地层分界面，生成的地层分界面要确保能够将地质体一分为二，并且符合地质构造规律。若直接看全部剖面，则剖面间有一定的相似性，若某条剖面上有的层位，在另一条剖面上缺失，则需要抓主线大的层位时代顺序，以它们作为骨架，在主要地层的面模型建好后再对部分缺失层位的地层做尖灭处理等细化工作。地层分界面是根据地层层序律由老到新逐层建立起来的，若在内部有剥蚀，则可使用下一层位的界线；同样，在地表附近，若有分界面因地形形成中止，则可以做出延伸，依次将各个面建起来，地形面除外。如以断层面模型为例，可根据图2过河口幅1∶5万水文地质图中断层的走向，依次连接剖面图中对应的断层线，之后将每个断层面的断层线拟合生成断层面，最后得到研究区的断层面模型，见图5。

图5 研究区的断层面模型Fig.5 Fault surface model of research area

2.3.2 面剪切体成体

以地表面为顶面并依据地表范围建立包含全区的包围盒作为基础数据模型，在面剪切体成体的过程中，界面之间可能有交叉重叠，因此需要确定主要的结构面以及各个地质分界面对包围盒的切割顺序，依次切割包围盒，从而形成各个地质体，并对各个地层地质体进行拓扑检查，绑定属性数据。考虑到地质分界面包括断层面和地层界面，断层面在空间中可能会穿过地层界面，应优先使用断层面进行切割。

2.3.3 拓扑检查

在模型建立的过程中，每一步所用到的数据都需要经过拓扑检查，确保建立的地质体结构正确、有效。建模过程中主要使用到的数据对象有线、面、体，这些对象经常会出现重复点、冗余点，曲面重复、悬挂，曲面相交或者自相交等拓扑错误，需要利用QuantyView 3D平台提供的工具进行拓扑检查与处理，此外地质块体的封闭性以及法线方向正确性都需要进行检查处理，部分复杂的情况可以通过人工交互的方式处理。最终得到研究区三维地质结构模型，见图6。

图6 研究区三维地质结构模型Fig.6 3D geological structure model of the research are

2.3.4 地下水类型分类

依据研究区域的水文地质图，按照地下水类型对研究区三维水文地质结构模型进行含水系统分类，以此对区域地层进行划分。研究区域地下水类型可分为相对隔水层、碳酸盐岩溶洞裂隙水、碳酸盐岩夹碎屑岩溶洞裂隙水、碎屑岩风化裂隙水(含水性强)、碎屑岩风化裂隙水(含水性弱)、松散岩类孔隙水和基岩裂隙水7类，通过对研究区不同的含水系统赋值不同的颜色属性加以区分，最终得到研究区三维水文地质结构模型，见图7。

图7 研究区三维水文地质结构模型Fig.7 Hydrogeological structure model

3 模型应用

3.1 模型数据量算分析

水文地质结构是地下水资源主要赋存的环境和运移的场所，其空间形态揭示了地下水赋存空间和运动场所的基本结构特征，同时水文地质结构的面积、体积计算对地下水资源量计算具有重要的意义。基于所建立的研究区三维地质结构模型和三维水文地质结构模型，利用QuantyView 3D平台提供的距离、表面积、投影面积及体积计算功能，可获得模型面积和体积的量算结果如下：

面积量算：地表面积为519.936 km2；地表投影面积为447.116 km2；三角形面数为647 702。

体积量算：计算含水层的体积，就可以根据含水层的体积、孔隙度和含水率系数，计算出含水层中地下水存储的资源量。研究区(过河口地区)地层含水性评价结果，见表1。

3.2 模型空间结构分析

为了从空间范围上全面地观察整个研究区的地层展布情况，本文在QuantyView软件中建立了横向和纵向各3条的均匀栅栏面，利用栅栏面剪切模型得到过河口地区水文地质模型三维立体透视剖面图，见图8。

本文结合水文地质地面调查的结果，探讨了该模型方法的适用性，主要得到以下几点认识：

表1 过河口地区地层含水性评价结果

图8 过河口地区水文地质模型三维立体透视剖面图Fig.8 3D perspective section of the hydrogeological model of the estuary area

(1) 通过模型可以直观、立体、可视地表达地层及含水系统的空间展布规律。模型直观地展示了研究区内地下水可分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类岩溶水和基岩裂隙水三个大类；模型清楚地刻画了受仙女山、九畹溪、天阳坪等断裂的影响，地层在构造部位上冲或左右平移的结构,且以过河口地区东北角为中心向四周辐射，地层产状由西南向逐渐变为东南向；此外，模型还可以形象地构建整个调查区三维地质空间概念，便于地学科普或为工程项目的实施提供地质依据。

(2) 通过模型可以辅助研究断层的水文地质意义。传统的断层水文地质意义研究方法如两壁投影图等，只限于研究一条或多条线上的断层上下盘的接触关系，此模型可以三维表示整个断裂带上下盘的接触关系，从而分析断层是否导水以及导水的区间位置和深度。但目前只能从地层的组合关系上来分析水文地质条件，还需要进一步地分析地下岩溶发育规律和断裂带的水文地质意义。

(3) 通过模型可以辅助研究多级次水流系统的划分。研究区位于扬子地台北缘，地壳抬升和河流的不断下切，形成了不同高程的排泄基准面，发育了局部—中间—区域三级水流系统，而地层的展布规律控制了地下水的水流运移，如天阳坪断裂形成了火麦溪流域南侧的稳定隔水边界。另外，通过模型可以得到不同高程排泄基准面揭露含水层的位置，借此可以分析是否有区域水流的存在，如鱼泉洞水流系统，模型的结果验证了NZK04水文地质钻孔的勘测结果。