复杂地质条件下高精度三维地质建模研究

刘顺昌 李黎 徐德馨 曹厚臻

摘要： 三维地质模型不仅可以直观地展示地质状况，还能够辅助和支持地质行业的技术决策，对地质工作研究提供三维数据支撑。针对复杂地质条件，提出了一种地层建模和岩性建模的混合三维地质建模解决方案。以武汉市长江新城起步区为例，基于EVS建模软件，以地质剖面和钻孔数据为基础，开展复杂地质条件下三维地质高精度网格化模型的建设研究，并采用剖面对比和岩性概率模型对三维模型进行验证和质量评估。在此基础上，开展三维模型可视化表达及应用研究。结果表明：用地层建模和岩性建模的混合建模方式可以适应复杂地质条件下的三维建模，模型结果科学、可靠，有重要的实际应用价值。

关 键 词： 地层建模; 岩性建模; EVS软件; 模型验证; 复杂地质条件; 武汉市长江新城

中图法分类号：  P642

文献标志码：  A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.019

0 引 言

三维地质模型不仅能够全面具体地展现复杂的地质现象与地质过程，而且在地壳稳定性评估、城市规划、重点工程选址以及地下空间开发利用等方面也发挥着重要作用[1-4]。2006～2010年，北京、上海、天津、南京、广州和杭州等城市先后开展了三维城市地质调查工作，并在此基础上建立了一批三維地质模型，取得了良好的效果。此后，三维城市地质调查工作在全国几十个城市全面铺开[5-8]。近几年，中国地质调查局正式发布了《城市地质调查总体方案（2017～2025年）》，提出到2025年实现全国338个地级以上城市地质工作全覆盖的目标，并要求聚焦城市规划、建设、运行管理的重大问题，大力推进“空间、资源、环境、灾害”多要素的城市地质调查，开展重大科技问题攻关，搭建三维城市地质模型[9-10]。

武汉作为首批多要素城市地质调查示范城市，各方面工作进展顺利，目前已取得一定成果。本文正是在武汉多要素城市地质调查示范项目获取的数据基础上，通过EVS软件，采用地层建模和岩性建模相结合的混合建模方式，建立了长江新城起步区50 km2高精度三维网格化地质模型。本文以三维地质模型为载体，充分探讨了地层建模和岩性建模相结合的混合建模方式在复杂地质条件下的应用优势。此外，本文针对模型可视化的展示也做了一些尝试，并在此基础上对模型相关应用进行了研究，实现了模型可视化展示、剖面切割、模型开挖和空间分析等方面的应用。

1 研究区地质条件概述与地质数据分析

1.1 研究区地质条件概述

武汉市大地构造南北纵跨中国中部秦岭-大别造山带南缘与扬子克拉通北缘。大致沿长江以襄广断裂为界，以北是秦岭-大别造山带的东延，出露前寒武系变质岩系;长江以南，主体属扬子北缘台地褶冲带，主要出露下扬子震旦系-三叠系沉积地层。长江新城起步区大地构造位置跨及扬子陆块和秦岭-大别造山带两个一级构造单元，但地表均为第四系松散堆积物覆盖层，其平均厚度约30 m，依据工程地质的类同性和差异性，归纳为表1所列的4个工程地质岩类、11个亚类。

1.2 研究区地质数据分析

依托武汉多要素城市地质调查示范项目，研究区开展1 ∶10 000高精度比例尺的地质调查，完成图1所示的研究区50 km2范围内钻孔50个，图2所示地质剖面10条。典型剖面如图3所示。

从钻孔和地质剖面图可以看出：

（1） 基岩面以上的第四系土层部分，分层性良好，可以划分出标准地层层序;

（2） 基岩面以下的岩石部分，因处在断裂破碎带，地质条件复杂，并包含透镜体等复杂体，无法划分出标准地层层序，普通建模方法很难在复杂地层条件下进行应用。

2 EVS软件及建模方法简介

EVS（Earth Volumetric Studio）是一款适用于地球科学领域的3D建模分析软件，可实现真三维的地质体数据建模、分析及可视化;可与ArcGIS、Revit、Civil 3D等实现数据交互;可实现真三维模型动画展示。EVS建立的模型可真实反映地质构造形态、构造关系及地质体内部属性变化规律;可对模型进行任意形式的切割，以便多角度观察;对于尖灭、透镜体、断层及溶洞有很好的处理能力。

EVS支持地层建模和岩性建模：可以根据钻孔数据、剖面数据等多种数据格式创建岩性模型或地层模型，且2种模型均为真三维模型，即空间内任意一点和任意一个单元中均可以存储数据。

2.1 地层建模

利用EVS建模，可以将研究区的所有地层以自上而下的顺序完整表达出来，即便出现地层尖灭或局部呈透镜体等地层不连续现象，EVS模型也可以处理。

图4中，0为砂土，1为黏土，2为砾石土。假设整个场地最左侧、最右侧和中间分别有一个钻孔，两侧的钻孔没有揭露黏土透镜体，因此，这2个钻孔中只有2种材料，2个地层，而中间的钻孔中有3种材料，4个地层。在EVS中，需要给整个模型划分4个地层层级，分别为上部砂土（0）、黏土（1）、下部砂土（2）和砾石土（3），如图5所示。对于可以采用上述方式进行地层信息表达的场地，地层建模是最好的一种三维建模方式，因为每个地层都可以创建清晰平滑的边界，同时不同层之间还可以通过炸开方式来分离。

2.2 岩性建模

许多场地含有特殊的地质构造（侵入岩、岩溶、褶皱等），这些地质结构不适用于需要划分层序的的地层建模。同时对于某些场地，地质构造复杂，导致钻孔本身非常复杂，几乎无法划分层序，这种情况也无法进行地层建模，这时可以采用指数克里金（GIK）方法进行岩性建模。GIK具有创建非常复杂地质模型的能力，而且这种地质建模方法几乎是由计算机完全自动完成的，不需要地质人员的干预或对钻孔数据进行解释，而地层建模中需要进行人为层序划分。

岩性建模采用原始钻孔数据进行建模，即没有进行层序划分的钻孔数据。因此，对于可以进行地层建模的场地，岩性建模也可以用于辅助判断层序划分是否正确，即岩性建模结果给出了计算机通过GIK方法得到的空间中岩性的概率分布情况，而这种情况可以用于验证层序划分是否正确。岩性建模由于其便利性，广泛应用于复杂地质建模。

3 三维地质建模

由1.2节中地质数据分析可知：研究区地质条件复杂，特别是基岩部分，因此对上部第四系土层采用地层建模方法，对下伏基岩采用岩性建模方法。整个研究区面积50 km2，模型深度200 m，采用统一的网格剖分单元，大小为50 m×50 m×0.2 m，总计约2 000万个网格单元。

3.1 地层建模

EVS采用流程化、模块化的建模方式，可以快速高效地创建三维地层模型。创建好的地层模型如图6所示。

3.2 岩性建模

用岩性插值模块（indicator_geology），采用平滑指示克里金算法创建模型，创建好的岩石部分三维模型如图7所示。

3.3 模型合并

将创建的上部土层地层模型和下部基岩岩性模型合并显示为整体模型，如图8所示。

3.4 属性建模

建立属性建模工作流。在已建好的地质模型基础上，把处理好的数据文件导入3D克里金插值模块（krig_3d）创建属性模型，如图9所示。

3.5 模型验证与质量评估

传统的三维地质建模普遍认为地层分界处应该是平直光滑的。如图10（a）所示，由于建模软件采用的是算法插值的方式创建三维地质模型，不论是地层模型还是岩性模型都和实际情况存在一定的偏差，特别是岩石部分的岩性模型，不同岩性的分界面不够平直光滑，如图10（b）所示，影响了模型的整体精度。

为此，在确认推断的地质剖面正确的前提下，通过地质剖面提取虚拟钻孔，再进行岩性建模，结果如图11所示。图11（b）与图11（a）基本吻合，说明通过剖面加密钻孔后建立的地质模型与实际地质剖面已经非常接近，同时，图11（b）与图10（b）相比，地层界线更加平直，更符合传统地质认识，提高了模型的整体精度。

上述验证方法以剖面对比为主，可以直观反映模型的可靠程度，但没有给出一个具体定量评价模型质量的数值，为了定量评价模型的可靠性，EVS软件引入“岩性概率”指标以定量评价岩性出现的可靠性，从而建立了岩性概率属性模型，如图12所示。

4 三维模型应用

本文在建立三维地质模型的基础上，对三维模型在可视化展示、剖面切割、模型开挖和空间分析等方面的具体应用进行了研究。

4.1 模型可视化展示

EVS中不同的地层以颜色区分，为了使地质人员对模型有更直观的认识以及使模型有直观的位置参考信息，可以用不同的岩性花纹和颜色对模型进行填充，同时在模型表面叠加线划图、影像图和倾斜摄影等地形数据，如图13所示。

4.2 模型剖切、开挖

在实际工程应用中，如基坑开挖前了解场地地层包括地层的结构和分布，尤其是软弱层的空间分布至关重要，而在三维地质模型基础上对模型进行剖切和开挖可以很好地解决这个问题。如图14～15所示，在三维地质模型基础上进行任意位置的剖切和任意位置的开挖，可以详尽了解场地的工程地质情况，为工程的选址或实施提供决策依据。

4.3 空间筛选

针对属性模型，可以根据属性值进行属性筛选，达到了解目标地质体的分布范围和特征。以软土为例，可以根据天然地基承载力属性为依据，筛选承载力小于200 kPa的地层分布情况，由此了解软土的分布范围和厚度，如图16所示。

5 结论与展望

本文采用地层建模和岩性建模的混合建模方式，在EVS平台上完成了武汉市长江新城起步区三维高精度网格化地质模型的建设，同时实现了三维地质模型的岩性纹理贴图、与地表模型的叠加、地质模型任意方式的剖切、开挖和属性筛选等具体应用，达到了预期的示范效果，为整个武汉市范围的地质建模奠定了基础。但是对于面积广、钻孔量大的问题，很难一次性完成区域模型的建设，因此分级分块的地质建模是以后的研究重点。同时，在提高模型精度的基础上，要进一步加强三维地质模型成果的应用，体现模型成果的应用价值，逐步实现三维地质可视化数据在国土资源管理、城市规划、建设、应急、环保等部门的应用，达到保障人民生命财产安全、服务国民经济建设的目的。

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（编辑：刘 媛）

引用本文：

刘顺昌，李黎，徐德馨，等.

复杂地质条件下高精度三维地质建模研究

[J].人民长江，2021，52（8）：127-132.

High-precision 3D geological modeling under complex geological conditions

LIU Shunchang，LI Li，Xu Dexin，CAO Houzhen

（ Wuhan Geomatics Institute，Wuhan 430022，China ）

Abstract：

The 3D geological model can not only display the geological conditions intuitively，but also assist and support the technical decision-making of geological industry，and provide 3D data support for the study of geological work.A hybrid 3D geological modeling solution for stratum modeling and lithology modeling is proposed for complex geological conditions.Taking the starting area of Yangtze River New Town in Wuhan as an example，based on EVS modeling software and geological section and borehole data，the construction of three-dimensional geological high-precision grid model under complex geological conditions is studied，and the three-dimensional model is verified and evaluated by profile section comparison and lithologic probability model.On this basis，the visualization expression and application of 3D model are studied.The results show that the hybrid modeling method of stratum modeling and lithology modeling can adapt to the 3D modeling under any complex geological conditions.The model results are scientific and reliable，and have important practical application values.

Key words：

stratum modelling;lithology modelling;EVS software;model verification;complex geological conditions;Wuhan Yangtze River New Town