唐山市鉆孔第四系三維層序—構造建模與分析★

孫 剛 隋建波 劉晶晶

(中國地震應急搜救中心，北京 100049)

0 引言

唐山市是我國地震重點監視區，歷史上曾發生1976年7.8級城市直下型地震，導致嚴重的人員傷亡和巨大的經濟損失，整個唐山市近乎被毀滅［1］。近年來唐山市經濟發展迅速，城市擴大快，城市急需開展具有防御城市直下型地震災害能力的城市規劃與建設。

本文利用三維可視化地質建模軟件將收集的唐山市鉆孔資料進行數值模擬，給出唐山市第四系地下三維結構模型，分析唐山市可能的地下斷層及活動性。

1 鉆孔數據選取

本文收集和整理唐山市工程地質、水文地質、城市建設以及河北省城市活斷層與地震危險性評價項目(唐山市項目)鉆探的鉆孔資料，共計117個場地，1 573個鉆孔，通過篩選整理，確定最終用于三維建模的鉆孔共199個。對這199個鉆孔進行地層劃分，建立唐山市第四紀鉆孔數據庫(見表1)。對各類鉆孔進行統一數字化，形成數字化的鉆孔分布圖。唐山市區主要發育三條第四紀斷裂，分別是陡河斷裂(F1)、巍山—豐南斷裂(F2)、唐山地震斷裂帶(F3)。

表1 鉆孔層序分層數據表(部分)

2 三維建模流程

本文建模流程主要包括基礎資料的處理、鉆孔數據庫的建立、三維建模數據體的生成、三維建模與成果輸出等。建模采用ArcGIS和MVS軟件完成，主要考慮ArcGIS的地理信息處理與分析功能，MVS軟件的地質地球物理數據綜合分析能力較強，有利于后續三維綜合建模和數據庫建設。

建模流程圖見圖1。

圖1 三維建模流程圖

3 三維建模成果輸出

3.1 三維數據體的生成

MVS對三維地質數據的格式有一定要求，本文首先是將處理好的層序分層數據，通過程序處理為MVS可以導入的數據格式。這一數據格式主要包括兩個部分:頭文件區和數據區，如圖2所示，頭文件區給出了每列數據的屬性，數據區為鉆孔數據內容，每行代表一個鉆孔，每列代表鉆孔的一種屬性，如坐標、高程、層底埋深等［2-4］。

圖2 MVS三維建模格式（部分）

3.2 數據導入與插值

將上述經處理的數據體，導入MVS軟件中，形成空間的點，這些點具有高程和各層序界面埋深等屬性。在MVS中可對這些點的高程或某一數值屬性進行插值，形成地表和各層序界面的空間曲面。

3.3 三維模型的建立

經過曲面擬合(克里金插值)之后，可以以各層面為基礎構建三維地質體，各幾何體代表了不同層序組的厚度空間變化，形成的地質體見圖3。在三維地質體的基礎上，可以生成三維剖面，沿南北、東西或其他任意方向，剖面可以使我們在不同角度觀察各層位之間的關系，包括空間形態和厚度變化，更好的輔助沉積和構造演化分析，圖4是一組剖面的示意圖。最終形成唐山市區層序—構造格架三維地質體、各層序界面的空間起伏與厚度變化圖［5，6］。

4 三維建模成果分析

圖3 建模生成的三維地質體

圖4 一組三維剖面

4.1 Qh構造空間展布分析

圖5為Qh的側視圖。

從圖5中可以看出:Qh的底界整體上較為平緩，沉積厚度的變化不大。陡河斷裂(F1)、巍山—豐南斷裂(F2)、唐山地震斷裂帶(F3)對地層的變化的控制不是很明顯，說明三條斷裂在Qh以來沒有活動的跡象。

圖5 Qh構造底板起伏形態（側視）

圖6 構造底板起伏形態（側視）

而唐山地震斷裂帶(F3)的東側的沉降區域非常明顯，斷層兩側沉積基底有較大的變化，說明唐山地震斷裂帶(F3)在此時較為活動，對地層沉積都有一定的控制作用。

圖7 構造底板起伏形態（側視）

5 結語

本文收集、整理和分析了唐山市區199個典型鉆孔的資料，對鉆孔巖性分層和層序進行分層并建立了數據庫。根據典型鉆孔數據庫和層序—構造格架，基于三維構造建模MVS和ArcGIS軟件平臺，建立了唐山市目標區第四系層序—構造格架三維模型，給出包括唐山市目標區層序—構造格架三維地質體、各層序界面的空間起伏與厚度變化、典型地層剖面等圖件，實現了目標區三維地質建模與可視化。

對唐山市區晚第四紀地層各層段特征、地層—沉積格架和三維建模的綜合分析表明，陡河斷裂(F1)、巍山—豐南斷裂(F2)對晚第四紀地層的控制不是很明顯，說明它們以來活動較弱。唐山地震斷裂帶(F3)在以前，對地層的控制較為明顯，斷裂兩側變化較大，表現為斷裂西側隆起，東側凹陷，體現出唐山地震斷裂帶(F3)為以來斷層活動性及其對沉積的控制作用。

［1］劉 亢.唐山地區強震復發特征與發震構造深淺部耦合關系綜合研究［D］.北京:中國地震局地質研究所博士學位論文，2011:5-10.

［2］曹代勇，李青元，朱小弟，等.地質構造三維可視化模型探討［J］.地質與勘探，2001，37(4):60-62.

［3］曹代勇，王占剛.三維地質模型可視化中直接交互的實現［J］.中國礦業大學學報，2004，33(4):78-80.

［4］李亦綱，曲國勝，陳建強.城市鉆孔數據地下三維地質建模軟件實現［J］.地質通報，2005(5):68-74.

［5］王家華.克里金地質繪圖技術——計算機的模型和算法［M］.北京:石油工業出版社，1999.

［6］武 強，徐 華.三維地質建模與可視化方法研究［J］.中國科學 D 輯，2004，34(1):54-60.

［7］楊承先.唐山、湯陰斷陷地質結構及其活動性［J］.地震地質，1984，6(3):59-66.

［8］閆純有.唐山地區地貌與構造［J］.河北建筑科技學院學報，2000，17(4):63-65.