基于松散地层标准化的三维建模

张 雪，马国玺

（1.北京市地勘局信息中心，北京 100195；2. 武汉中地数码科技有限公司，武汉 430073）

基于松散地层标准化的三维建模

张 雪1，马国玺2

（1.北京市地勘局信息中心，北京 100195；2. 武汉中地数码科技有限公司，武汉 430073）

由于北京的地理位置较为特殊，地质构造较为复杂，冲洪积扇和古河道等作用较为多样，第四纪地层剖面标准化工作进行的还不够详尽，发展较其他城市稍显滞后。本文通过前人对北京市平原区第四纪地层的划分，在已有基准孔网和三维结构的基础上，对常营地区第四纪地层进行了更为详尽的标准化分层（共分为39层），进而利用计算机建立了标准地层数据库，完成了三维准自动化地质体模型构建工作，实现了地面沉降模型与视电阻率属性模型的耦合显示，进行了基本分析，验证了研究区相同流域，距离1km2的区域通过标准化分层自动构建地质体模型。

地层剖面标准化；基准孔网；标准地层数据库；三维准自动化

0 引言

开展第四纪地层的研究工作，是目前基础地质研究的热点问题，它与地质调查、工程地质、水文地质等息息相关，也是研究地质灾害问题的基础性工作。近年来，随着城市地质研究的不断深化，工程地质、水文地质、区域地质及环境科学之间彼此相互借鉴，学科之间的界线变得不再清晰。因此，在前人工作的基础上，进一步增加学科间的综合性、协作性，强化第四纪地层的探索工作。

北京由于其地理位置的特殊性，加之第四纪冲洪积扇分布、迁移、叠置的关系，以及第四纪沉积凹陷、古河道分布、变迁等情况的复杂性，第四纪地层标准化工作开展还不够深入（李鼎容等， 1979；林景星等，1981）。国外关于第四纪地层划分的文献较少，但中国其他的一些城市，如上海、武汉、海南等地早已建成第四纪标准化地层，在实际地质工作中，基本实现了统一管理和应用（邓建如， 1994；李晓，2009）。

三维地质建模工作实质属于地质研究工作范畴，是借助计算机软件，将地质体的空间展布、地层结构、几何特征、物理化学属性等运用三维立体可视化技术，具体形象地表达出来。模型及其数据库可以实现对研究区内地质数据进行高效存储管理、更新维护、检索查询、分析评价、三维地质模拟、成果展示等，为传统地质工作者，攻克专业难题提供更为直观、准确、动态的新思路（李宗华等， 2010；潘懋等， 2006；王明华等，2006）。

本文通过调查前人对第四纪地层的划分，分析2008年构建的第四纪地层基准孔网和三维结构，发现当前划分方法，大都不够详尽，且方法众多，说法各家不一，标准化工作开展的更少，主要停留在对北京市平原区整体地层的概述分层上，对实际工作的指导意义不强。

研究工作主要针对潮白河冲洪积扇中下部常营地区5km2范围内的地层，标准化该地区第四纪地层，基本可以实现三维地质体模型准自动化构建，需要极少的人工干预。建模成果为第四纪地层标准化工作开辟了新的发展方向，准自动化三维模型的构建大大节约了建模时间、建模成本，为后期地质体管理、更新，周边区域地质体模型构建，实际工程应用等方面都起到了很好的推动作用。

1 常营地区标准化工作

对第四纪地层的研究，最早开始于1920年左右，以周口店地区发现人类化石为依托，北京地区的第四纪地质研究开始进入业界学者的视野，其发展大致分为3个阶段。通过对地层划分的研究，辅以计算机技术，进而可以实现下面的标准化建模工作。

为了建立潮白河冲洪积扇下部常营地区5km2的第四纪标准化地层，研究工作通过两部分内容开展，即：在北京市已有的地层划分方案和基准孔网研究的基础上，确定区域第四纪概括地层，再利用该地区钻孔和物探资料，通过剖面的绘制，进一步建立细化地层方案。

第一步根据北京市区域地层编码组提出的平原区第四纪地层划分方案，并结合《北京市目标区钻孔资料数据库建立与第四纪地层三维可视化》中的基准孔网和三维结构中对第四纪地层的总结（蔡向民等，2009），划分出该地区整体地层面貌，定为11大层（图1）

图1 常营地区第四纪地层分为11大层图Fig.1 The Quaternary strata Changying district is divided into 11 layers map

第二步在研究区搜集、整理、分析已有的钻孔、物化探、测井等各种资料，做为细化地层的基础性依据。首先筛选出73个钻孔，进行较为详尽的地层划分（图2）。严格依据钻孔编录，对钻孔资料进行标准化工作。由于钻孔都集中潮白河冲洪积扇中下部5km2地方，相距都不远，因此可以利用沉积物韵律法，根据钻孔由上到下，沉积物颗粒逐渐变细的规律，对剖面进行绘制（图3），建立地层标准化数据库。同时充分考虑地层类别、厚度、空间展布、物理性质、地下水条件等，在上述11大层的基础上，对该地区第四纪地层细化了大层和亚层，共计40层。后续在此基础上开展基于第四纪标准地层划分的三维地质建模工作。

图2 钻孔分布图Fig.2 Borehole distribution map

图3 剖面绘制图Fig.3 Section drawing map

图4 地层标准化细分图Fig.4 Stratigraphic standardization subdivision map

为了三维空间展示更为接近实际地层显示，同时符合地质工作者的习惯，在定地层颜色、符号的时候，本次工作按照隔水层和含水层进行划分，并不是按照岩层从上到下的顺序进行标色，岩性符号采用国家通用标准（综合工程地质图图例及色标GB 12328-90、综合水文地质图图例及色标GB/T 14538-93、区域地质图图例GB 958-2015、地质图用色标准及用色原则DZ/T 0179-1997）（图4）。

研究区第四纪地层标准化工作已经完成，接下来尝试利用标准化地层如何实现准自动化三维模型的构建。

2 三维地质体模型准自动化构建

2.1 准备工作

准备工作主要分五步进行，即5张表格：钻孔基本信息表、钻孔分层信息表、倾斜表、样品表、属性表。

钻孔基本信息表主要包括钻孔ID（本次录入所需要的ID编码）、钻孔坐标（X、Y），钻孔原始编码、经纬度坐标、工程名称、终孔深度、孔口高程，孔口直径，竣工日期等。

钻孔分层信息表主要包括钻孔（ID），钻孔编码、钻孔层序号、地层代号、层底高程、层底深度、层厚、层顶深度、地层年代、地层名称、地层描述、取样编号、取样深度等。

倾斜表主要是天顶角和方位角来定义井斜。

样品表主要是各种实验数据信息，如密度、容重、含水量、孔隙度、压缩系数、压缩模量等。

属性表包含地层各种信息，是数据库建设的重要内容，通过属性参数变化和分布规律、利用地质统计学方法建模，为研究区域的分析评价工作提供必要的数据支撑。

其中准自动化建模用到的主要是前两张表格，即钻孔基本信息表和钻孔分层信息表。

2.2 标准地层数据库编辑

通过构建标准地层数据库，能够生成各种二维地质图件，如钻孔柱状图、钻孔剖面图等，并可以进一步完成地质体三维建模，其实质为辅助标准化工作。

计算机中能够进行区域分层标准化工作的前提是具有区域分层信息表和原始分层信息表，并且在数据库中与相应的控制键进行绑定，根据区域分层代号进行标准化工作（潘懋等，2006）（图5、图6）。

标准地层建成后，地层划分级别、地层的基本信息、标准地层子图和颜色等均可进行修改、更新，也可自定义地层版本名称、负责人等相关属性信息。

2.3 三维地质体准自动化构建

计算机准自动化地质体三维模型构建的主要思路是：把钻孔的各种数据，通过标准化地层数据库进行解释、编辑、入库，再生成准自动化三维空间展布体，只是在透镜体和螺旋体的构建上，需要根据钻孔柱状图、剖面图、区域物探资料、等值线等进行人为干预，最终生成地质体模型，进行查询统计、计算、分析评价等工作（图7）（方海东等， 2002；曹代勇等，2004）。

图5 地层标准化辅助工具图Fig.5 Formation standardization auxiliary tool chart map

图6 编辑标准化地层图Fig.6 Edit standardized formation map

本次工作构建了两套地质体模型：一套是基于以往工作总结的常营地区第四纪11大标准层，构建的地质体模型；一套是利用本次工作研究方法得出的标准分层，构建的地质体模型。通过两套模型的对比分析不难看出：本次工作的模型在地层划分上更为详尽，地质体个体数量上远远大于之前的结果，从地层颜色和岩性符号上看，也更接近于地质工作者的研究习惯（图8、图9）。

图7 三维地质体准自动化构建流程图Fig.7 Flow chart of 3D geological body construction map

图8 第一套三维模型爆炸图Fig.8 The fi rst set of three-dimensional model explosion map

图9 第二套三维模型爆炸图Fig.9 Second sets of three-dimensional model explosion map

3 模型推广

3.1 耦合模型

通过细化标准地层构建的地质体三维模型，更尊重地层实际情况，可以更好的与应用模型进行耦合分析。例如：

沉降面模型：可以通过对沉降数据进行差值计算，运用DEM曲面构建方法，建立沉降面，与地质体耦合，展示出沉降发育快速区域的特点，即第四纪地层厚度大，可压缩层累计厚度大，含水层和隔水层互层多等。为了突出沉降量不同年份的变化，同时不破坏层面坐标，增大垂直比例尺后的显示效果（图10）。

图11 属性模型图Fig.11 Attribute model map

属性模型：也可以通过对区域物化探等资料的分析，设计出该属性值的计算公式，在地质体模型中构建属性空间展布特征。本次工作以视电阻率属性模型为例，构建其三维空间展布特点，同时可以进一步验证地层标准化工作的准确性。一般规则为：沉积物颗粒越粗，是电阻率越高（图11）。

3.2 类推模型

在距离研究区1km区域，选取了33个原始钻孔，利用本次工作的第四纪标准化地层数据库，采用准自动化三维地质体构建方法，参与少数人为分析，构建出该区域地质体模型（图12）。

通过三维模型分析截取二维剖面与原地层剖面对比，发现相差无几，但是在透镜体、螺旋体构建上，还是需要进行人为干预判断工作的（图13、图14）。

在研究区较远地方利用本次工作的标准地层构建模型，效果不尽人意。因此，以后开展同类型工作，建议以小片区域划定，但是具体到多大区域内、标准如何选取，还需要后续进行研究。

4 结论

图13 二维剖面图Fig.13 2D prof i le map

图14 三维地质体截取二维剖面图Fig.14 3D geological body interception of 2D prof i le map

本次研究，建立了潮白河冲积洪积扇下部常营地区的第四纪标准化地层。通过对地层的梳理，实现了计算机三维准自动化地质体模型的构建，并与地面沉降模型和视电阻率属性模型进行耦合分析。在距离研究区1km处，利用标准化地层成果，完成了一定距离外的地质体模型构建，效果较好。

受个人能力及研究深度所限，本文多有谬误及不当之处，还请业界专家多多指正。

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3D Modeling Based on Loose Strata Standardization

ZHANG Xue1, Ma Guoxi2

(1. Information Centre of Beijing Geology Prospecting & Developing Bureau, Beijing 100195; 2. Wuhan Zongdy Cyber Group Co. Ltd, Wuhan 430073)

Due to the geographical location of Beijing are more special and more complex geological structure, alluvial fan and paleochannel effects are more diverse, the standardization work of the Quaternary strata is not detailed enough, compared to other city development lags behind. The Quaternary strata division is systemically done in Beijing plain area, based on the existing network datum holes and 3D structure. Quaternary strata in Changying district are more standardized hierarchical detailed (dividing into 39 levels), and the computer is used to establish a standard to the number of layers according to the library; then the construction of 3D model of work quasi automatic geological body is established. The coupling model of land subsidence and apparent resistivity attributed model are compared in the same basin of study area (1km2).

Formation standardization; Datum hole; Standard formation database; 3D quasi automation.

P534

A

1007-1903（2017）01-0100-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.01.018

张雪（1984- ），硕士，工程师，主要从事水环境评价、水文地质工作。E-mail：m13810260293@163.com