溶洞探测及三维地质模型构建方法

赵磊磊 崔振东 张建勇

摘   要：对溶洞地质进行精确探测和三维地质模型构建具有重大意义。总结了溶洞发育区内不同类型复杂地质结构探测技术、建模思路和方法、数据插值拟合方法，并提出相关思考和建议。结论如下：①溶洞发育区内地质结构体大致分为大型溶洞、小型溶洞、溶蚀孔洞、多尺度裂缝4种类型，分别采用确定性和随机模拟方法建模，最终融合构建成复杂三维地质模型;②溶洞探测和建模应注重多源数据整合和多方法集成，以实现地质数据资料的相互弥补和建模方法的相互融合;③溶洞建模工作应结合相关工程背景，以专业知识为基础，以应用目的为导向，调整建模思路，建立能反映历史演化过程和未来演化趋势的溶洞模型。

关键词：溶洞;探测;三维地质建模;插值拟合;建模软件

溶洞是以石灰岩和白云岩为主的可溶性岩石因地下水长期溶蚀所形成的地下空间，在我国较为发育，分布广泛，我国岩溶面积约占国土面积的三分之一[1]。准确认识地下溶洞分布、模式、结构、发育规律及对工程的影响，是关乎我国各类基础设施工程及旅游开发项目设计、施工及运营安全的大局。三维地质建模已广泛应用于各专业领域，指导工程建设的设计和评估、有助于储量的精确计算、实现平、剖面构造形态相容并联动修改、进行三维空间分析与过程模拟、介绍和展示复杂地质条件等[2-5]。目前国内学者用简化方式对含溶洞的地质体进行三维建模，如戴自航等将高速公路路堤下的溶洞简化为椭球型，建立三维有限元模型，实现对溶洞顶板稳定性的数值模拟分析[6];苏涛等直接将溶洞简化为球体进行建模，计算分析隧道围岩稳定性[7]。本文基于大量文献调研，归纳现阶段典型溶洞探测技术，梳理溶洞发育区内不同类型结构体的建模方法，对比分析常用数据插值拟合方法和建模软件，并结合溶洞建模的工程应用需求提出思考和建议。

1  溶洞探测技术

建立溶洞三维地质模型，首先需采用探测技术获取多种原始数据和地质信息，目前常用探测方法见表1。

2  溶洞三维地质模型构建方法

2.1  现有三维地质建模方法

常用的三维地质建模方法大致分为确定性建模和随机模拟建模方法两大类[13]，具体分类见表2。

2.2  溶洞三维地质建模方法

传统建模思路和流程见图1[14]。

有学者提出“二步法”的建模思路[15]，第一步采用不同建模方法进行单一类型模型构建，第二步基于一定组合规律进行融合。①大型溶洞（高度大于5 m）。一般采用地震屬性直接截断方法，在成因控制约束下，采用确定性建模方法进行建模[16];②小型溶洞（高0.5～5 m）。以同一岩溶带内相同成因的大型溶洞为训练图像，采用多点地质统计学随机模拟方法进行建模[17];③溶蚀孔洞（直径2～500 mm）。采用序贯高斯模拟的随机模拟方法对溶蚀孔洞储集层进行建模和表征[18];④多尺度裂缝型溶洞。采用分层次建模思想，按尺度大小进行裂缝建模[19];⑤融合建模。建立大型溶洞、小型溶洞、溶蚀孔洞、裂缝4类结构的离散模型后，按地质分布和发育规律组合，形成地质模型（图2）[20]。

2.3  数据插值拟合方法

建立三维地质模型的关键是如何根据已知控制点数据内插、外推已知资料点之间及以外的参数估计值。常用数据插值拟合方法包括离散光滑插值、克里金插值、反距离加权插值、自然邻点插值。常用三维地质建模软件插值算法见表3。

3  溶洞建模的思考和展望

注重多源数据的整合和应用  钻井数据被称为“硬数据”，地震资料被称为“软数据”，用来辅助判断井间盲区部分的地质特征。实际工作过程中，钻孔数据失真，探测精度提高，使“硬数据变软，软数据变硬”。因此，注重多源数据整合应用可起到相互弥补和印证作用，有利于提高建模精度。

重视多方法集成  这里的“多方法”同时兼具探测方法和建模方法。探测方面据实际地质条件，尽可能使用多种探测方法，实现数据资料的相互弥补和印证。建模方面根据不同地质特征，采用不同建模方法构建模型。总之，充分结合溶洞发育规律和属性特征，不拘泥于寻求一种普适的建模方法，往往能起到事半功倍的效果。

充分结合应用导向，调整建模思路  基于溶洞建模的应用目的，评估油气藏储存能力、旅游开发展示、评估溶洞影响等[28]。因此，充分结合应用导向，调整建模思路，做到有的放矢对建设项目中溶洞建模及影响评估工作尤为重要。

精进三维建模的属性表征  现阶段溶洞建模多属结构建模，主要注重于描述溶洞的大小、位置、几何形态等，对地质体按统一属性赋值。但越来越多的应用要求赋予与实际相当的属性参数，因此，溶洞建模的属性表征问题需亟待解决。

结合相关力学理论，实现动态模型构建  三维地质建模已在各专业领域广泛应用。可结合相应专业知识或工程需求，在建模过程中实现某一种或某几种关键因素的动态影响，建立能反映地质演化过程或演化趋势的溶洞动态模型，推动专业应用中的进步与升级。

4  结论

（1） 相对传统钻探技术，探测技术的应用已使探测精度大大提高。但各种探测技术均有其应用局限，需坚持多种探测技术的相互补充和印证。

（2） 岩溶发育结构多样、特征复杂，分为大型溶洞、小型溶洞、溶蚀孔洞、多尺度裂缝4种类型，分别采用确定性建模、随机模拟建模等方法建立各类型模型，融合形成溶洞发育地质体结构模型。

（3） 对溶洞建模技术，应结合工程应用背景，以专业知识为基础，应用目的为导向，加强多源数据整合应用、多方法集成，调整建模思路，建立能反映历史演化过程和未来演化趋势的溶洞模型。

参考文献

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Karst Cave Exploration and 3D Geological Model Construction Method

Zhao Leilei 1， 2， Cui Zhendong 1， 3， 4， Zhang Jianyong 1， 3， 4

（1. Institute of Geology and Geophysics， Chinese Academy of Sciences;Key Laboratory of shale gas and geological engineering， Chinese Academy of Sciences，Beijing， 100029，China;2. School of mechanics and architectural engineering， China University of mining and Technology （Beijing）， Beijing， 100083，China;3. Institute of Earth Sciences，

Chinese Academy of Sciences， Beijing， 100029，China;4. School of earth and Planetary Sciences，

University of Chinese Academy of Sciences， Beijing， 100049，China）

Abstract：It is of great significance to carry out accurate exploration of karst cave geology and construct three-dimensional geological model. The detection technologies， modeling ideas and methods， data interpolation fitting methods of different types of complex geological structures of karst caves are summarized， and some related thoughts and suggestions are put forward. The conclusions are as follows： （1） Geological structures in the karst cave development area can be roughly divided into four types： large karst cave， small karst cave， dissolution cave and multi-scale fracture. The modeling methods of deterministic and stochastic simulation are adopted to model the geological structures， respectively. Finally， the complex geological model of the karst cave development area is constructed by fusing them.（2） Multi-source data integration and multi-method integration should be emphasized in karst cave exploration and modeling to realize the mutual complement of geological data and the mutual integration of modeling methods.（3） The karst cave modeling should be combined with the corresponding engineering application background， based on professional knowledge and guided by application purpose， adjust the modeling ideas， establish a karst cave model that can reflect the historical evolution process and future evolution trend.

Key words：Karst cave; Exploration; 3D geological modeling; Interpolation fitting; Modeling software