基于多源数据的银川市三维地质模型构建及特征

马良哲， 王泽远， 吉卫波， 田硕丰

(1.中国冶金地质总局 中南局，湖北 武汉 430081； 2.陕西地建土地勘测规划设计院有限责任公司，陕西 西安 710075；3.宁夏回族自治区地质调查院，宁夏 银川 750021)

随着大数据技术的发展，三维地质模型及可视化为地质工作带来越来越多的便捷性，例如指导油矿开采、提供环境污染预测数据、提高城市地下空间利用率等[1-5]。三维地质模型在环境地质、工程地质中的作用尤为重要，特别是复杂地质体三维地质模型的构建能让工作区的地质描述更为精准。

银川市为宁夏回族自治区首府，西北地区重要的工农业生产基地，素有“塞上江南”的美誉。随着城市的发展，黄河水量逐渐减少，加之银川市地形地貌属冲洪积与冲湖积平原，多有尖灭、透镜体等复杂地质结构，使得地下空间开发利用困难。本文以银川市为研究区，通过开展水文地质环境地质调查，以地质条件为基础，构建了区内复杂地层岩性的三维地质模型，可为地下空间开发利用提供可视化支持，并为地层岩性分区和含水层结构刻画提供详细的地质数据[6]。

1 研究区地质概况

银川市东有黄河穿境而过，西依贺兰山，北接石嘴山市，南与青铜峡市相连。研究区地貌类型主要有四种，分别是东南外缘洪积平原、西部冲洪积平原、东部冲湖积平原和南部小范围的风积沙地。该区大地构造位置处于华北陆块鄂尔多斯地块之鄂尔多斯西缘中元古代—早古生代裂陷带。区内地层属华北地层区鄂尔多斯西缘地层分区之贺兰山地层小区，古生代地层被广泛发育的中生代—新生代地层所掩盖，埋藏较深。区内仅出露第四系地层，成因主要为洪积、冲洪积、冲积、冲湖积、风积、湖沼积等，岩性由西向东分别以碎石土、砂砾石、含砾砂土、粉细砂、粉土、黏土为主(图1)。

2 模型构建方法与流程

2.1 钻孔数据获取

为查明研究区岩土体的岩性、厚度、埋藏深度、分布范围，同时为孔内水文地质、工程地质、环境地质等相关工作提供支持，合理布设了工程地质钻孔，并按照控制性钻孔孔深100 m、一般性钻孔孔深50 m的要求进行施工。本次研究在区内共施工了8个100 m工程地质钻孔和30个50 m工程地质钻孔，钻探工作量合计2 300 m[7]，并收集了前人完成的钻孔，共同构成8横7纵15条勘探线(图1)。钻孔完工后及时进行编录，并对本次钻孔和收集钻孔的编录资料进行数据标准化，成为建模所需的基础数据。

图1 研究区地质及钻孔分布图Fig.1 Geological and drilling distribution map of the study area1.第四系全新统风积层;2.第四系全新统湖沼积层;3.第四系全新统洪积层;4.第四系全新统灵武组;5.第四系上更新统洪积层;6.地质界线；7.100 m工程地质钻孔；8.50 m工程地质钻孔；9.前人施工工程地质钻孔；10.工程地质勘探线；11.研究区范围。

2.2 建模平台

建模采用Surfer和GMS软件相结合的方法，基于多源数据建模能使模型更加直观准确地刻画实际地质结构。使用此方法建模需要搜集的数据包括钻孔岩性数据、地层岩性剖面数据、DEM地层数据等，并结合已有地质剖面数据添加必要的虚拟钻孔[8]。

2.3 数据标准化处理

为满足三维地质模型的精度要求，并简化模型构建及后期校正工作，以本次新施工的38个工程地质钻孔作为标准孔，按照统一的编码规范进行分层编码和岩性编码，形成标准化钻孔数据[9](表1)。将区内地层按岩性划分为9层，其中全新统分为3层，自上而下层号分别为2-4；上更新统分为6层，自上而下层号分别为5-10；地表还分布有素填土，层号编为1。将区内岩性划分为填土、粉土、黏土、粉质黏土、粉砂和细砂6类，代号分别为TT、FT、NT、FN、FS和XS。同时收集了宁夏回族自治区地质调查院历年完成的677个钻孔资料，将钻孔资料进行甄别并统一命名和标准化，最终挑选出360个有效钻孔。最后整合38个标准钻孔与360个收集钻孔作为此次三维地质建模的数据钻孔。

表1 标准化钻孔数据示例Table 1 Standardized drilling data example

2.4 模型建立

利用GMS软件构建研究区三维地质模型(图2)，呈现出良好的立体效果。该模型与1∶25万地质图(图1)相比吻合精度较高，再现了银川市由西向东倾斜的地势，地势较高的西北部有上更新统砂岩出露，南部有小部分较薄的全新统风积层出露，西部以全新统洪积层为主，东部以全新统灵武组地层为主，上更新统较厚，占据模型的较大部分，这些与已有地质资料相一致。

3 三维岩性结构模型及特征

3.1 剖面特征

为更加直观而准确地展示和理解银川市地下岩性、非饱和带—饱和带的空间分布情况，利用建模软件的切分功能，沿钻孔勘探线选择性切割了6条地质剖面(图2)，包括东西向的剖面A-A′、B-B′、C-C′和南北向的剖面1-1′、2-2′、3-3′(图3、图4)。

图2 三维地质模型及剖面位置Fig.2 3D geological model and section position1-10.分层号；TT.填土；FT.粉土；NT.黏土；FN.粉质黏土；FS.粉砂；XS.细砂。

3.1.1东西向地质剖面

A-A′地质剖面(图3-a)位于研究区北部，由该剖面图可看出，西段全新统被剥蚀，中段—东段全新统砂土均匀分布；山前—平原中部有明显的上更新统冲洪积相沉积，粉质黏土与黏土相互交错，以粉质黏土居多；东段深部有一层较稳定的上更新统湖积相沉积。

B-B′地质剖面(图3-b)位于研究区中部，由该剖面图可看出，全新统砂层由西向东分布较稳定，西段全新统粉土部分缺失，东段全新统底部出现较稳定的粉土；上更新统沉积中心较稳定，以粉土居多，东段广泛分布上更新统湖积相沉积。

C-C′地质剖面(图3-c)位于研究区南部，由该剖面图可看出，全新统分布稳定，西段局部发育湖积相沉积；上更新统在西段—中段为粉质黏土与黏土交错分布，在东段呈透镜体状分布，深层有较为稳定的粉质黏土层。

图3 东西向地质剖面图Fig.3 EW geological section1-10.分层号；TT.填土；FT.粉土；NT.黏土；FN.粉质黏土；FS.粉砂；XS.细砂。

3.1.2南北向地质剖面

1-1′地质剖面(图4-a)位于研究区西部，由该剖面图可看出，全新统在北段有部分缺失，砂土分布较平缓；上更新统粉质黏土与黏土在北段分布较稀疏，中段有所缺失。

2-2′地质剖面(图4-b)位于研究区西部，由该剖面图可看出，全新统砂层和粉土层由北向南分布均匀，整体较平缓；上更新统在北段—中段为粉质黏土与黏土均匀分布，深部呈透镜体状分布。

3-3′地质剖面(图4-c)位于研究区东部，由该剖面图可看出，全新统砂层分布均匀，底部粉土形成较厚的透镜体；上更新统主要为细砂，由北到南分布均匀，局部为湖积相粉质黏土与粉土，中段有一块较为连续的黏土层。

图4 南北向地质剖面图Fig.4 SN geological section1-10.分层号；TT.填土；FT.粉土；NT.黏土；FN.粉质黏土；FS.粉砂；XS.细砂。

3.1.3地质剖面组合

将上述6条地质剖面在模型中进行组合，即可得到三维立体剖面组合图(图5)，从而直观地显示出银川市浅层地质结构空间分布特征。从图5可看出，全新统在西北部有明显的剥蚀，上更新统则分布于整个研究区，整体发育稳定。银川市整体以砂层为主，中部冲洪积相沉积较发育，主要位于剖面B-B′和2-2′交界部位；在东部地区发育较多湖积相沉积透镜体，分布较零散。

图5 三维立体剖面组合图Fig.5 3D section combination1-10.分层号；TT.填土；FT.粉土；NT.黏土；FN.粉质黏土；FS.粉砂；XS.细砂。

3.2 平面特征

本次研究采用三维地质模型平面剖切功能，获得了埋深2 m、20 m、50 m和80 m的平面图(图6)，用于了解研究区各个深度的岩性平面分布特征，并为研究区水文地质参数的选取提供岩性参考数据。

由埋深2 m水平剖面图(图6-a)可看出，由于冲洪积作用影响，沉积物颗粒由西向东逐渐变细，西部以细砂为主，分布少量粉土；中部逐渐转为以粉土和黏土为主；东部以冲湖积粉质黏土为主。浅层土垂向渗透系数较低，因此埋深2 m可作为研究区降雨入渗系数划分的依据。

由埋深20 m水平剖面图(图6-b)可看出，岩性以细砂为主，西南部发育少量粉土，中部及西部发育粉砂，粉砂之上为少量黏土与粉土。由西向东渗透性逐渐降低，以潜水含水层渗透性较好。根据已有勘察资料显示，区内潜水含水层水面埋深1～9 m，底板埋深10～40 m，因此埋深20 m可作为潜水含水层岩性划分依据。

由埋深50 m水平剖面图(图6-c)可看出，西部为黏土、粉质黏土、粉土自下而上依次沉积，形成了一个相对弱透水层；东部则以细砂为主。埋深50 m位置正处于潜水含水层与承压水含水层之间，因此埋深50 m作为不连续隔水层岩性划分依据。

由埋深80 m水平剖面图(图6-d)可看出，整体以细砂为主，零星分布少量湖积相粉土、黏土。埋深80 m部位整体渗透性好，储水能力强，可作为承压水含水层岩性划分依据。

图6 不同埋深水平剖面图Fig.6 Horizontal profiles of different depthsa.埋深2 m；b.埋深20 m；c.埋深50 m；d.埋深80 m；1-10.分层号；TT.填土；FT.粉土；NT.黏土；FN.粉质黏土；FS.粉砂；XS.细砂。

综上所述，银川市岩性主要为细砂，包气带层位的东部主要为粉砂、粉质黏土；潜水含水层(第一含水层)中部含有大量岩性为粉土、黏土的透镜体；往深处则以相对隔水的粉土、黏土为主，形成相对隔水层；到承压水含水层(第二含水层)，整体为细砂，随着埋深加大，透镜体数量和范围均在减少，盖层渗透性好，储水能力强。

3.3 三维地质模型块体特征

利用GMS三维地质模型块体显示功能，可依次显示不同岩性的空间分布情况(图7-图9)，从而更直观地了解银川市地层与岩性沉积规律。埋深2 m的粉土和黏土主要分布于研究区中部以东地区，形成一层连续的隔水层，部分粉土和黏土分布于研究区西南部。埋深5～40 m的粉砂和细砂主要分布于平原区，山前有少量的砂层凸起。埋深50 m的粉土主要分布于山前，有两层较为连续的弱透水层；在中部湖区分布较少，多呈透镜状分布。总体而言，埋深40 m以下基本以粉砂、细砂为主。

图7 埋深2 m的粉土和黏土空间分布图Fig.7 Spatial distribution of silt and clay at 2 m depth1-10.分层号；TT.填土；FT.粉土；NT.黏土；FN.粉质黏土；FS.粉砂；XS.细砂。

图8 埋深5～40 m的粉砂和细砂空间分布图Fig.8 Spatial distribution of powder sand and fine sand at 5～40 m depth1-10.分层号；TT.填土；FT.粉土；NT.黏土；FN.粉质黏土；FS.粉砂；XS.细砂。

图9 埋深50 m的粉土空间分布图Fig.9 Spatial distribution of silt at 50 m depth1-10.分层号；TT.填土；FT.粉土；NT.黏土；FN.粉质黏土；FS.粉砂；XS.细砂。

通过三维地质模型块体分析可知，研究区含水层结构可分为3层，即第一含水层、弱透水层及第二含水层。利用GMS软件的TIN模块，在含水层顶底板等高线图基础上构建了含水层三维结构模型(图10)。上层为第一含水层，厚度为40～50 m，岩性以全新统细砂为主，渗透性较好。中间层为弱透水层，厚度由西向东逐渐变薄，西部岩性以上更新统细砂为主，发育少量黏土，渗透性较好；东部岩性以上更新统粉质黏土、粉土及黏土为主，渗透性较差。下层为第二含水层，厚度约80～100 m，岩性以上更新统细砂为主，渗透性由西向东略微增强。

图10 含水层三维结构图Fig.10 3D structure of aquifer

4 结论

(1) 应用398个工程地质钻孔数据，采用GMS与Surfer软件，首次构建了银川市高精度三维地质结构模型。

(2) 三维地质模型显示，银川市主要分布第四系全新统与上更新统，整体以细砂为主，并有不同规模的粉砂、粉质黏土、粉土、黏土；中部冲洪积平原与冲湖积平原过渡区发育岩性交互、尖灭与互层现象，东部冲湖积平原浅层发育大量湖积层透镜体。

(3) 银川市含水层结构自上而下依次为第一含水层、弱透水层及第二含水层，潜水面至埋深30～35m以细砂为主，渗透性好，为第一含水层；埋深30～40 m发育一层较为连续的粉土—粉质黏土—黏土组合，渗透性弱，为相对隔水层；埋深40～100 m主要为细砂，整体渗透性很好，为第二含水层。