基于GMS的三维地质模型的建立

郭　辉

(1.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080；2.吉林大学环境与资源学院，长春 750000)



基于GMS的三维地质模型的建立

郭辉1、2

(1.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080；2.吉林大学环境与资源学院，长春 750000)

摘要：三维地质模型是近代出现以计算机为工具，对地层结构、地质解释、空间位置等进行三维空间模拟，从而更形象的用于描述、解释在实际工程研究中的地质问题。GMS系统软件是以地下水及水环境为主要研究对象的水资源、水环境方面的专业软件，但地质建模却是水资源、水环境问题研究的基础。因此，合理的三维地质模型的建立是合理解决水资源、水环境问题的基础要求，也是对地质及水文地质条件理解的最优表达，文章以尚志市某地域工程为例，展示了合理创建三维地质结构模型的过程及三维地质模型对地质问题的解释问题。

关键词：GMS；三维空间；地质模型；建模方法；应用

1工作区概况

工作区位于黑龙江省东南部，尚志市西部，隶属黑龙江省尚志市管辖，是尚志市政府、市委所在地，集全市政治、经济、文化、信息为一体的综合城镇中心。西距黑龙江省会哈尔滨市120 km，东距国际滑雪场亚布力60 km，地理座标为E44°27′～45°36′，N127°17′～129°12′。全镇总人口111,414人。

尚志镇地处松花江流域蚂蜒河干流中游，地势较平坦，四周低山发育。西距黑龙江省会哈尔滨市145 km，绥满高速公路、滨绥铁路、方庄公路、301国道于境内纵横交错。本次工作区位于蚂蚁河干流长寿—河北村段，亮珠河、蚂蚁河以北，交通畅通。

1.1　地形地貌

工作区主要属于蚂蚁河中游，中部广大地区为蚂蚁河河谷冲、洪积平原，西南和东北部局部为残陵。区内地势较为平坦，局部起伏不平，地形以西南、西北高，东北、东南低为趋势发育，最高处西南部残丘绝对高程为278.20m，最低处为蚂蚁河沿岸，地面高程约173.00 m，相对高程差约104 m 。

根据地貌成因类型、地势形态特征，将地貌单元划分见图1、表1：

图1　地貌单元划分示意图

成因类型代号型态单代号剥蚀地形Ⅰ丘陵Ⅰ剥蚀堆积地形Ⅱ波状台地Ⅱ堆积地形Ⅲ一级阶地Ⅲ1高漫滩Ⅲ2低漫滩Ⅲ3

1.2　地层

区内出露地层主要为新生界第三系和第四系，地层简表见表2：

表2　地层简表

各个时代的地层构造、结构及岩性特征由老至新叙述如下[1]：

1.2.1第三系(N)

工作区内主要为中更新统~上更新统孙吴组(N1-2S)，广泛分布于工作区第四系地层之下，地表未见出露，主要岩性为灰蓝色、灰绿色、浅灰色、灰白色、棕红色砂砾岩、砂岩、泥岩、粉砂岩、砂质泥岩等互层，厚度>200 m。

1.2.2第四系(Q)

工作区内第四系主要分布于波状台地、蚂蚁河一级阶地、蚂蚁河(高、低)漫滩区，主要包括中更新统冰水湖积层、冲积层，上更新统冲-洪积层、冰水洪积层，全新统冲积层。现由老到新分述如下：

1.2.2.1中更新统(Q2)

1)下荒山组冲积层(alQ21x)

分布于工作区西北部条带状台地下部，覆盖于第三系地层之上，为第四系上荒山组覆盖，厚度约为5～8 m。岩性为灰白色、灰色圆砾，分选差，级配不良，颗粒磨圆较好。

2)上荒山组冰水湖积层(fgl+lQ22s)

工作区分布于东、西部台地区，东部直接覆盖于第三系地层之上，西部覆盖于下荒山组冲积层(alQ21x)之上，其上由哈尔滨组(fgl+plQ32hr)所覆盖，厚度4～10 m，揭露岩性为灰色、浅灰色粉质黏土。

1.2.2.2上更新统(Q3)

1)哈尔滨组冰水洪积层(fgl+plQ32hr)

广泛分布于工作区波状台地上部，厚度变化大，约为3～18 m 。揭露岩性为黄色、浅黄色、黄褐色粉质黏土，可见断续状、柱状节理。

2)顾乡屯组冲洪积层(al+plQ33g)

分布于工作区蚂蚁河一级阶地区，伏于前第四系地层之上，厚度为15～21 m不等。揭露岩性主要为：上部为灰黄色、黄色粉质黏土，厚度<4 m，下部为浅灰色、灰色砂砾、圆砾等，局部地段夹有灰色粉质黏土透镜体，颗粒分选较好，级配一般，磨园较差。

1.2.2.3全新统(Q4)

1)高漫滩冲积层(alQ41)

分布于工作区蚂蚁河高漫滩区，覆盖于前第四系地层之上，厚度约为12～20 m。揭露岩性上部黄色、褐黄色粉质黏土，厚度一般<2.0 m，下部为黄褐色、黄色、灰黄色、灰色砾砂、圆砾等，局部包含黄色、灰色粉质黏土透镜体，颗粒分选一般，级配较好，磨园较好。

2)现代河床及低漫滩冲积层(alQ42)

分布于工作区蚂蚁河低漫滩区，覆于蚂蚁河高漫滩冲积层(alQ41)之上，厚度约为4～10 m。揭露岩性上部为黄色、黄褐色粉质黏土，厚度一般<1.0 m，下部为黄褐色、黄色、浅黄色砾砂，灰色、灰白色圆砾等，颗粒分选良好，级配较差，颗粒磨圆度较好。

1.3　侵入岩

工作区内东北部和西南部残丘有华力西晚期侵入岩(γ43)出露，岩性主要为花岗岩。

2三维地层结构模型的建立

为了能够对地层结构更完整、直观、便捷的认识，建立三维地层结构模型是不错的选择。三维地层结构模型汇集地质条件、水文地质条件为一体，能够实现对地层特征的“即时对照、全方位视角、多角度剖切”[2]。

2.1　建立方法

三维地层结构模型，就是利用现代计算机技术，在3D立体空间下，将研究区的勘探数据、地质解译、地学统计、空间信息管理、空间分析、空间预测、实体内容分析、图形数字化、图形可视化等工具结合起来，用于地质研究一门三维空间模拟技术。如今在地质工程领域各个学科、行业都有自己特色专业软件。GMS(Grongdwater Moeling System)地下水模拟系统是水文地质专业、水环境专业广泛应用的软件，利用Borehole(钻孔)和Solid(实体)等模块完成构建，具体作法为：

1)将测绘的cad地形图保存以dwgdxf矢量图，在GIS模块中导入GMS软件。

2)通过cad to TIN 命令转换生成TIN date 文件。

3)在Borehole模块中录入钻孔数据，或将钻孔记录数据整理成软件识别的*.txt文本文档导入生成钻孔数据。

4)在Borehole模块下通过Horizons→Solid命令，将Borehole钻孔数据转化为Solid地层结构实体，从而创建地质结构模型。

为了使构建的地质结构模型看起来更加清楚、美观，可利用GIS、MAP、TINs、2D Scatter Point、Ugrid及3DMeSh等模块，对工作区的地理要素、地质解释等以图片格式导入GMS中，与地质模型进行覆盖、融合。

2.2　三维地质结构模型建立的过程[3]

2.2.1地层的概化

为了方便地质结构的构建，结合地层特征，工作区地层结构从上向而下概化为9层：

1)第四系蚂蚁河低漫滩区黏性土层①；

2)第四系蚂蚁河低漫滩区砂、砂砾石层⑤；

3)第四系蚂蚁河高漫滩区黏性土层②；

4)第四系蚂蚁河高漫滩区砂、砂砾石层⑥；

5)第四系蚂蚁河一级阶地区黏性土层③；

6)第四系蚂蚁河一级阶地区砂、砂砾石层⑦；

7)第四系山前台地区黏性土层④；

8)第四系山前台地区砂、砂砾石层⑧；

9)第三系地层、华力西晚期侵入岩，包括泥岩、砂岩层、花岗岩层⑨。

2.2.2建立三维地质结构模型

地质结构模型是根据工作区9个钻孔和6个剖面资料以及根据区域地质条件中描述的相关信息推测的n个钻孔建立的，为了增加模型、图幅的美观性，观测的方便性，将模型在Z坐标轴方向上放大20倍，钻孔布置见图3。

2.2.3三维地质结构模型的应用

2.2.3.1不同位置地层结构剖面展示

观测者可以根据所需就不同位置的地层结构灵活的观察、了解地质钻孔、地层(图4、图5)。例如，文章在工作区任意切了3条剖面(图6)每条剖面都能清晰的对相应位置的地层结构进行展示(图7、8、9)，即A-A＇剖面(河北村-长河村-东兴屯)、B-B＇剖面(韩发屯—耿家屯)和C-C＇剖面(东杜家屯-政安村)。剖面图的剖切简单、迅捷，并能清晰的展示所构建模型中各位置地层的分布特征，如地层岩性、地层厚度等[4]。

图2　钻孔布置图

图3　部分钻孔数据展示图

图4　三维地层展示图

图5　剖面布置图

图6　三维地质模型A-A′剖面展示图

图7　三维地质模型B-B′剖面展示图

图8　三维地质模型C-C′剖面展示图

2.2.3.2不同位置的组合剖面展示

对任意位置进行独立的剖面展示之外，还可组合不同剖面进行立体组合展示，展示整体地层结构的轮廓。本文以A-A’，B-B’，C-C’三个剖面图为例，将其组合展示如图10所示。

图9　剖面组合展示图

2.2.3.3任意地层分布形态展示

日常工作中往往需要对相同、相近的岩性合并，统计展示其工程地质及水文地质特性(如：力学特征、渗透性等)。这就需要对不同地层的分布特征进行分析。三维地质结构模型能便捷、直观的展示不同地层的成因概况、分布特征。例如，工作区第四系黏性土层组合形态展示图(图11)表明，黏性土层在整个工作区均有分布，由西北侧山前波状台地(约16~40 m)、中部蚂蚁河一级阶地(约5~26 m)以及东南部蚂蚁河漫滩区(0.5~5.0 m)其厚度依次递减。而砂性土主要分布在蚂蚁河漫滩和蚂蚁河一级阶地上，地层厚度约为30 m，厚度较大；在蚂蚁河一级阶地与山前台地交界处砂和砂砾石厚度变为0 m。第四系砂、砂砾石层分布特征展示图见图12。

图10　第四系黏土层组合展示图

图11　第7层砾石层组合展示图

2.2.3.4不同高程处的地层 结构平面展示

三维地质结构模型还可以直观、快捷的了解任意高程处都有哪些地层分布及不同岩性地层分布的范围。在黄海高程175m处，出露的地层有第四系黏土层、砂砾石层、第三系地层、白垩系地层及变质岩层，如图12所示。

图12　175m水平剖面展示图

3结论

文章应用GMS软件系统对工作区进行三维地质结构建模，明确了工作区地质及水文地质条件，从不同剖面、不同高程、不同地层对地质结构模型进行展示，也是区内各地层的成因顺序以及各地层之间的层迭关系得以良好的展示，为地下水资源的评价提供了良好的基础。

参考文献：

[1]祝晓彬.地下水模拟系统(GMS)软件[J].水文地质工程地质，2003，30(05)：53-55.

[2]姜吉生.双城市工程建设层三维工程地质结构与地基工程适宜性研究[D].长春：吉林大学，2013.

[3]窦艳兵，郑佳.地下水模拟系统(GMS)软件及其应用[C].北京市水文科学技术研讨会，北京，2008.

[4]孙俊静，姜龙.地下水模拟系统(GMS)软件的应用研究——生成钻孔剖面图[J].企业导报，2012(06)：286-287.

[作者简介]郭辉(1985-)，男，甘肃会宁人，工程师，从事地质工程相关的研究与工作。

[收稿日期]2015-06-28

中图分类号：P642

文献标识码：B

文章编号：1007-7596(2015)09-0006-05