基于GMS的孔莊礦三維地層模型的建立

呂 禹,胡友彪

（安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院,安徽 淮南 232001）

1 研究區(qū)概況

孔莊礦處于江蘇省沛縣和山東微山縣之間，并位于江蘇省徐州市西北方向80Km左右處，東至山東省微山縣金源煤礦，向南延伸到江蘇天能集團(tuán)的沛城煤礦，北至上海大屯能源有限公司的徐莊煤礦。井田主井坐標(biāo)為東經(jīng)116° 57′13″，北緯34° 41′55″。井田采礦登記邊界東西方向長為12.98Km左右，南北平均寬約為3.40Km，井田總面積大概為44.14Km2。

2 工程地質(zhì)概況

根據(jù)鉆孔揭露，孔莊礦地層主要分四部分，上部為第四系覆蓋層，巖性由粘土、砂質(zhì)粘土、粘土質(zhì)砂及不同粒級(jí)的砂層組成。中部由二疊系灰白、灰綠色砂巖，深灰～灰黑色的泥巖、砂質(zhì)泥巖及煤層組成。下部為石炭系海相泥巖、L2灰?guī)r、L4灰?guī)r和L7灰?guī)r組成。底部為奧陶系中厚層狀泥晶灰?guī)r、豹皮狀泥晶灰?guī)r和生屑砂屑泥晶灰?guī)r組成。其中少部分地區(qū)在第四系和二疊系地層間夾雜有上侏羅～下白堊統(tǒng)礫巖。

3 數(shù)據(jù)來源

35個(gè)孔莊礦鉆孔柱狀圖；孔莊礦鉆孔平面布置圖；孔莊礦地質(zhì)勘探剖面圖。其中、為三維地層建模的主要數(shù)據(jù)，其已從孔莊礦鉆孔綜合柱狀圖及鉆孔情況一覽表中提取，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。為輔助數(shù)據(jù)，主要是人機(jī)相互操作，其目的是為模型修改提供參考。

4 基于GMS的三維立體地層模型

4.1 GMS7.1軟件簡(jiǎn)介

地下水?dāng)?shù)值模擬軟件GMS，是由美國BYU的環(huán)境研究實(shí)驗(yàn)室在現(xiàn)階段已有地下水模擬軟件(MODFLOW，MODPATH)基礎(chǔ)上開發(fā)的能夠全面和快捷用于地下水流場(chǎng)和溶質(zhì)運(yùn)移的模擬軟件[1]。

4.2 地面TIN模型

TIN模型即三角不規(guī)則網(wǎng)格模型，這種模型的作用是定量的表示相鄰地層間的界面，多個(gè)TIN可以用來建立實(shí)體模型或三維網(wǎng)格。本文通過克里金插值法將研究區(qū)地面高程點(diǎn)(X,Y,Z)進(jìn)行插值得出地面TIN模型，地面TIN模型如圖1所示。對(duì)三角網(wǎng)格進(jìn)行高程等值線填充得到地面高程TIN分布圖，如圖2所示。

圖1 研究區(qū)地面TIN模型

圖2 填充后的地面TIN模型

4.3 三維立體地層模型

孔莊井田位置坐落于該地區(qū)水文地質(zhì)單元的南邊，礦區(qū)內(nèi)地表為古黃河泛濫區(qū)，地表以下廣泛沉積著第四系砂層包括砂質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂和中砂等，地面標(biāo)高由圖2可知大約在30～39.5m，地勢(shì)呈現(xiàn)出西邊較高，東邊略低的情況，地表水發(fā)育較為完全，同時(shí)孔莊礦受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，斷層較為發(fā)育，并且各種斷層相互切割，地質(zhì)條件復(fù)雜。因此建立研究區(qū)三維立體地層模型就尤為重要，通過建立三維地層模型我們可以清楚地了解孔莊礦地層之間的空間組合關(guān)系以及礦區(qū)內(nèi)由于斷層的存在對(duì)不同地層賦存情況和空間上的接觸關(guān)系產(chǎn)生何種影響?；谌S地層模型的可視化功能，可以使我們更好的認(rèn)識(shí)礦區(qū)的地質(zhì)條件。為工程勘察、設(shè)計(jì)與建設(shè)提供了理論依據(jù)。

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)境內(nèi)鉆孔揭露，孔莊礦地層主要分四部分，上部為第四系砂層，中部由二疊系砂巖、少量泥巖及煤層組成，下部與底部分別由石炭系灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r組成。其中少部分地區(qū)在第四系和二疊系地層間夾雜有上侏羅～下白堊統(tǒng)礫巖。其中第四系覆蓋層?xùn)|西向逐漸變厚。建模時(shí)將井田內(nèi)含水層分為四個(gè)部分：自上而下為砂層、礫巖、砂巖、灰?guī)r。

在三維地層建模方面,軟件可根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)建立三維可視化的地層實(shí)體,進(jìn)行鉆孔數(shù)據(jù)管理,二維和三維地質(zhì)統(tǒng)計(jì)[2-3]。建立三維模型步驟如下所述，首先由鉆孔柱狀圖提取鉆孔資料，并將收集整理好的鉆孔資料輸入至模塊中,形成鉆孔數(shù)據(jù)；其次賦予鉆孔巖性接觸面Horizons ID屬性；建立TIN模型，插值各個(gè)層面上的高程；最后通過Borehole模塊中的Horizons→Solid命令，選取相應(yīng)的插值方法,生成三維立體可視化地層模型(Solid)，通過人機(jī)相互操作，驗(yàn)證地層模型是否合理，建立三維地層模型，如圖3，4所示[4]。

圖3 三維立體可視化地層模型

圖4 填充后的三維立體可視化地層模型

5 結(jié)論

本章利用GMS軟件建立了研究區(qū)地面TIN圖,同時(shí)利用鉆孔模塊對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并利用這些鉆孔數(shù)據(jù)生成孔莊礦三維可視化的地層實(shí)體。通過建立三維地層模型我們可以清楚地了解孔莊礦地層之間的空間組合關(guān)系以及礦區(qū)內(nèi)由于斷層的存在對(duì)不同地層賦存情況和空間上的接觸關(guān)系產(chǎn)生較大影響，基于三維地層模型的可視化功能，可以使我們更好的認(rèn)識(shí)礦區(qū)的地質(zhì)條件。為工程勘察、設(shè)計(jì)與建設(shè)提供了理論依據(jù)。

[1]祝曉彬.地下水模擬系統(tǒng)軟件[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2003(05):53-55.

[2]汪旋,李偉.GMS和MapGis在地層三維模擬中的應(yīng)用[J].科技論壇,2010(05).

[3]梁煦楓,王文科,曾永剛.GMS在水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化方面的應(yīng)用[J].東北水利水電,2006,9(04):64-67.

[4]王淼,陳晨,張麗玲.基于鉆孔數(shù)據(jù)和GMS的地層三維建模與可視化的研究[J].基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì),2007(03):72-73.