王義梅，周春靜，楊 波，管后春，胡海風

安徽省地質(zhì)調(diào)查院，安徽 合肥 230001

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，三維地質(zhì)建模技術(shù)近年來取得了長足進步。在國內(nèi)近年開展的深部礦產(chǎn)勘查、綜合地質(zhì)調(diào)查、城市地質(zhì)調(diào)查、礦山儲量估算、立體地質(zhì)填圖等方面已有較為廣泛的應用（張洋洋等，2013；劉同文等，2018；何紫蘭等，2018；許珂等，2018；Li N et al.，2019；尚浩等，2019；鄧超等，2020；潘卓等，2020）。三維地質(zhì)模型相比二維圖件，在直觀展示地質(zhì)結(jié)構(gòu)、精確表達深部信息等方面都表現(xiàn)出了更高的優(yōu)越性，已成為一種地質(zhì)數(shù)據(jù)集成、展示的新形式，在地學信息服務、支撐地質(zhì)多要素定量分析評價等方面發(fā)揮越來越重要的作用（潘懋等，2007；李青元等，2013，2016；楊波等，2019；萬曉明等，2020）。

三維地質(zhì)模型建設過程中首先依據(jù)勘查鉆孔、平面地質(zhì)圖、縱向剖面圖及物探地質(zhì)解譯數(shù)據(jù)等構(gòu)建地質(zhì)結(jié)構(gòu)框架，再結(jié)合專家經(jīng)驗認識，遵循地質(zhì)規(guī)律對地質(zhì)體空間展布特征進行推斷，合理補充模型細節(jié)，實現(xiàn)地下地質(zhì)體的三維可視化（孫波和劉大安，2015；孫月成等，2019；Guo F S et al.，2020）。具體建模方式方法目前已有數(shù)十種，主要包括鉆孔建模法、剖面建模法、屬性建模法、多源數(shù)據(jù)聯(lián)合建模法等幾大類型，分別適用于不同的地質(zhì)背景與研究方向（武強和徐華，2004；周良辰等，2013；湯圣君等，2014；唐丙寅等，2015；李敏等，2018）。

本次研究綜合基礎、水文、礦產(chǎn)、物探等地質(zhì)專業(yè)認識，較系統(tǒng)的查明了皖北楚店集等四幅1∶5萬調(diào)查區(qū)內(nèi)第四系蓋層與深部基巖層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)?；贛apGIS-TDE軟件，運用地質(zhì)分區(qū)建模法與平行剖面多元數(shù)據(jù)聯(lián)合建模法，分別構(gòu)建研究區(qū)第四系蓋層與基巖層三維地質(zhì)模型并耦合，為本區(qū)域多要素綜合地質(zhì)研究與三維定量評價分析提供了數(shù)據(jù)支撐。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)地處安徽淮北平原，地形地貌平坦，僅在小澗集以東分布零星低丘。屬于淮河二級支流的渦河和西淝河呈南東向貫穿全區(qū)。區(qū)內(nèi)第四系主要包括晚全新世蚌埠組（Qhb）、晚更新世茆塘組（Qp3m）、中更新世臨泉組（Qp2l）、早更新世太和組（Qp1t），地層大多為近水平層狀連續(xù)分布（圖1）。地表基本為厚層第四系覆蓋，僅在東南側(cè)狼山-齊山-黃柏山一帶有小范圍巖體出露。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖（含勘查工程部署）Fig. 1 Geological map of the study area (including exploration engineering deployment)

深部基巖層在東南方向地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對簡單，主要為五河群、二長花崗巖與輝長巖；而在西北方向地質(zhì)結(jié)構(gòu)較復雜，寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、古近系等地層受蚌埠期、鳳陽期、霍邱期、加里東期、海西期、印支期、燕山期、喜山期八個構(gòu)造期活動影響，地層褶皺、斷裂現(xiàn)象普遍。據(jù)地質(zhì)物探聯(lián)合剖面解譯顯示，西北部區(qū)域剖面間地質(zhì)體空間分布連續(xù)性較差，形態(tài)變化幅度較大。

2 研究數(shù)據(jù)與建模思路

2.1 主要研究數(shù)據(jù)

豐富的地質(zhì)資料是三維地質(zhì)建模的重要依據(jù)，基于野外實際調(diào)查數(shù)據(jù)，結(jié)合專業(yè)認識，從平面與垂向上聯(lián)合揭示區(qū)內(nèi)地質(zhì)單元空間分布特征（張園園等，2021；何紫蘭等，2020）。所有建模數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式、地質(zhì)認識、空間參照等標準化處理，聯(lián)合參與建模。本次建模過程中主要使用的數(shù)據(jù)見表1。

表1 主要建模數(shù)據(jù)Table 1 Main modeling data

2.2 第四系建模思路

研究區(qū)地形地貌平坦，僅東部有零星低丘，基巖面北東最高、北西次之，南西最低，形成了“兩丘夾一谷”的形態(tài)。第四紀地層分布較為規(guī)律，總體呈從北東向南西逐漸增厚的趨勢，大多為近水平層理狀（圖1）。部署的第四系、水文、工程地質(zhì)鉆孔對第四系地質(zhì)單元的空間展布、走向、厚度等主要結(jié)構(gòu)控制要素起到良好控制作用，因此第四系建模主要基于地質(zhì)鉆孔、地形地質(zhì)圖、基巖地質(zhì)圖、巖相古地理圖等數(shù)據(jù)，運用地質(zhì)分區(qū)建模法構(gòu)建。

建模過程中首先基于鉆孔繪制各地層分區(qū)圖，結(jié)合等深線，在平面以及縱向上控制各類地質(zhì)單元的空間展布特征，再以此為依據(jù)分別構(gòu)建地層、古河道模型，最后對具有相交關(guān)系的地質(zhì)單元進行體布爾運算，融合形成第四系地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。第四系及古河道建模主要流程見圖2。

圖2 淺部建模主要流程圖Fig. 2 Main flow chart of shallow modeling

2.3 基巖層建模思路

研究區(qū)深部基巖（圖3）地質(zhì)建模難度主要在于深部地質(zhì)構(gòu)造復雜，地質(zhì)體形態(tài)、分布不規(guī)律、不連續(xù)等方面，僅依靠地質(zhì)鉆孔、基巖地質(zhì)圖等數(shù)據(jù)難以準確控制、刻畫地質(zhì)單元空間展布（范春玉等，2020；宋越和高振記，2020）。經(jīng)過數(shù)據(jù)研究分析及方法對比后，本次深部建模采用基于平行剖面的多元數(shù)據(jù)聯(lián)合建模法，以深部鉆探、物探、地質(zhì)調(diào)查等數(shù)據(jù)及綜合研究成果為基礎，以16條均勻分布的地質(zhì)物探綜合解譯平行剖面為框架開展深部建模工作。

圖3 研究區(qū)基巖地質(zhì)圖（含深部勘查工程部署）Fig. 3 Geological map of bedrock in the study area (including deployment of deep exploration projects)

建模過程中運用三維輔助線約束、界面封閉成體、界面裁切成體等方式，將地質(zhì)專家經(jīng)驗、認識融入建模過程中，合理構(gòu)建、控制地質(zhì)體空間形態(tài)，以數(shù)據(jù)、知識雙重驅(qū)動建模流程（圖4）。

圖4 深部建模主要流程圖Fig. 4 Main flow chart of deep modeling

3 三維地質(zhì)建模

3.1 淺部地質(zhì)建模

基于第四系鉆孔、地層分區(qū)圖以及相應的深度、厚度、空間位置等信息，運用地質(zhì)分區(qū)圖建模法分別構(gòu)建各個地質(zhì)單元的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，建模 單元見表2。

表2 淺部地質(zhì)建模單元列表Table 2 List of shallow geological modeling units

淺部地質(zhì)體簡要建模流程（圖2）如下：

（1）依據(jù)地質(zhì)鉆孔、建模目標地層的頂、底板分區(qū)圖等數(shù)據(jù)確定該地層在水平方向的頂、底面空間分布；

（2）提取鉆孔、等深線圖中地層深度、厚度等信息，控制目標地層頂、底板面在三維空間的起伏狀態(tài)，判斷是否存在頂、底板界面相交情況并進行相應的拓撲處理；

（3）對建模目標地層的頂、底板面進行圈閉，四周構(gòu)建側(cè)面，將頂、底、側(cè)面共同封閉為完整地質(zhì)體；

（4）基于巖相古地理數(shù)據(jù)，控制古河道平面空間分布，結(jié)合鉆孔、剖面揭示的河道深度以及地質(zhì)人員認識等條件，共同約束構(gòu)建古河道三維體模型；

（5）地層模型、古河道模型分別建模完成后，利用古河道模型對地層模型進行體體切割，去除古河道模型體占據(jù)部分，再將古河道模型與切割后的地層模型融合，形成完整的第四紀三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型（圖5）。

圖5 淺部地質(zhì)模型切割與融合Fig. 5 Cutting and fusion of shallow geological modela.淺部地質(zhì)體模型；b.古河道模型；C.切割后合并完整的淺部地質(zhì)模型

3.2 基巖層地質(zhì)建模

深部基巖層三維地質(zhì)建模以16條覆蓋全區(qū)，均勻分布的平行地質(zhì)剖面為主框架，結(jié)合基巖地質(zhì)圖、深部鉆孔以及斷層模型數(shù)據(jù)等共同約束、控制深部地質(zhì)體空間展布特征，深部基巖主要建模單元見表3。

表3 深部基巖建模單元列表Table 3 list of deep bedrock modeling units

巖體Ar3w 五河巖群ηγ 二長花崗巖ν輝長巖

基巖層建模過程依據(jù)不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點采取了不同方式構(gòu)建，主要流程（圖4）如下：

（1）對平面圖、剖面圖、鉆孔等數(shù)據(jù)在三維空間中的數(shù)據(jù)一致性進行檢查、處理，保證所有數(shù)據(jù)地質(zhì)認識基本一致。工作區(qū)東南部地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對簡單，西北部較為復雜，因此將工作區(qū)分為南、北兩塊，采取不同方法分別建模；

（2）南部區(qū)域地質(zhì)建模主要依據(jù)剖面之間的相關(guān)性，通過人機交互方式，構(gòu)建三維輔助線，約束創(chuàng)建地質(zhì)單元分界面，再將構(gòu)建的地質(zhì)單元分界面與相鄰剖面上對應的地質(zhì)單元面組合、封閉，形成三維地質(zhì)體；

（3）北部區(qū)域由于斷裂、褶皺、巖體侵入等導致地層不連續(xù)、扭曲、破碎等，在建模過程中地質(zhì)單元的空間一致性與拓撲關(guān)系較難處理，因此主要運用地質(zhì)界面裁切地質(zhì)體方式進行處理。

首先構(gòu)建相鄰剖面間完整的地質(zhì)體模型，再分別構(gòu)建地層分界面，利用各個分界面對地質(zhì)體進行連續(xù)切割，最終將分次裁切的地質(zhì)體鑲嵌、融合形成完整模型（圖6）。此建模方式僅需考慮地質(zhì)體形成的時代先后以及實際的侵入、切割關(guān)系等，簡化了復雜地質(zhì)體的空間關(guān)系處理，有效的降低了建模難度。

圖6 深部地質(zhì)單元裁切建模過程Fig. 6 Geological unit cutting modelinga.剖面模型;b.完整體模型;C.地質(zhì)單元分界面;d,模型裁切

4 三維建模成果

本次建模過程中對有真實數(shù)據(jù)控制的建模區(qū)域，嚴格遵循控制數(shù)據(jù)；無真實數(shù)據(jù)控制區(qū)域，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查認識、專家經(jīng)驗，結(jié)合周邊數(shù)據(jù)進行合理推測。構(gòu)建完成的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型較為準確的反映了研究區(qū)基本地質(zhì)認識與主要地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征。

4.1 第四系地質(zhì)模型

從模型（圖7）可以看出，研究區(qū)第四系從老到新依次為早更新世太和組、中更新世臨泉組、晚更新世茆塘組、全新世蚌埠組。太和組、臨泉組在區(qū)內(nèi)未出露地表，但在地下淺層廣泛分布；茆塘組中段、上段在區(qū)內(nèi)廣泛出露，地貌上為河間地塊，茆塘組下段未出露地表，但在淺部同樣分布較廣；蚌埠組在區(qū)內(nèi)主要沿渦河和西淝河河道及其兩岸分布。區(qū)內(nèi)古河道埋深在15～35 m之間，從其空間展布、沉積相可推斷出當?shù)卦谕砀率罆r期經(jīng)歷了由氣候濕熱、河流泛濫到氣候干冷，河湖消亡的變遷過程。

圖7 淺部地質(zhì)模型剖切圖Fig. 7 Sectional view of shallow geological model

4.2 基巖層地質(zhì)模型

基巖層上部為第四紀、新近紀地層掩蓋，頂板埋深187.97-476.13 m不等，除東南角出露青白口系劉老碑組外，其余巖層均隱伏于新生界松散層之下，以板橋斷裂為界劃分為北部淮北褶斷帶和南部蚌埠隆起兩個三級構(gòu)造單元。東南部主要為青白口系、五河巖群變質(zhì)基底地層、二長花崗巖與輝長巖等巖體，西北部主要有古近系、二疊系、石炭系、奧陶系、寒武系、南華系等多期地層分布。

本次研究共推斷出主要斷裂構(gòu)造15條，按走向分為四組，即近東西向斷裂1條、北東東—北東向斷裂6條、近南北向斷裂1條、北西向斷裂7條。推測近東西向斷裂發(fā)育最早，次為北東東、北東向斷裂，再次為北西向斷裂，最后為南北向斷裂（圖8）。

4.3 模型驗證

模型構(gòu)建完成后，為檢驗模型總體質(zhì)量與精確性，從建模數(shù)據(jù)對比、驗證剖面對比兩個方面進行了檢驗。建模數(shù)據(jù)是野外調(diào)查與綜合研究認識所形成的成果，直接參與模型構(gòu)建，是建模的主要依據(jù)，對三維地質(zhì)體的形態(tài)、分布起到強約束作用。從圖9可見，本次構(gòu)建的古河道模型、深部斷層模型與二維成果圖基本保持一致，較為準確的遵循了建模數(shù)據(jù)約束。

圖 8 研究區(qū)基巖地質(zhì)模型（a）（五河巖群半透明顯示）與斷層模型（b）Fig. 8 Bedrock geological model (a) (translucent display of Wuhe rock group) and fault model (b) in the study area

圖9 古河道、斷層建模數(shù)據(jù)與模型對比Fig. 9 Comparison between modeling data and modela.斷層平面圖；b.斷層模型；c.古河道平面圖；d.古河道模型

模型剖切剖面與實測驗證剖面對比可檢驗模型地質(zhì)單元空間分布、形態(tài)以及接觸關(guān)系是否符合調(diào)查研究認識。從圖10可見，淺部、深部模型剖切剖面與實測驗證剖面中的地質(zhì)單元在空間位置、整體形態(tài)等方面基本保持一致，較為準確的反映了現(xiàn)有地質(zhì)認識。

圖10 剖面對比驗證Fig. 10 Section comparison verificationa.淺部模型剖切剖面；b.淺部實測地質(zhì)剖面；c.深部模型剖切剖面；d.深部實測地質(zhì)剖面

綜上所述，本次研究構(gòu)建的淺部模型與深部模型，都較為準確的遵循了建模數(shù)據(jù)的約束，與驗證數(shù)據(jù)對比的一致性較好，模型總體質(zhì)量符合研究要求。

5 結(jié)論

（1）本次建模過程中對獲取的地質(zhì)調(diào)查、物探、鉆探等多元數(shù)據(jù)進行了綜合研究、分析，初步建立地質(zhì)概念模型。以此為基礎，對研究區(qū)地質(zhì)情況進行了詳細分析與數(shù)據(jù)對比檢驗，使多元數(shù)據(jù)信息能夠較為準確、一致的揭示深部地質(zhì)情況，為建模工作提供準確、可靠的數(shù)據(jù)支持。

（2）通過多專業(yè)、多種類數(shù)據(jù)聯(lián)合約束方式，基本查清研究區(qū)第四系蓋層、基巖層主要地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，探索出了一套可行的覆蓋區(qū)及深部多元數(shù)據(jù)聯(lián)合建模的方法與工作流程，構(gòu)建了第四系與深部基巖層三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型并進行了精度驗證，為后期的三維GIS定量評價提供了數(shù)據(jù)支持，同時也為今后類似工作提供了借鑒經(jīng)驗。