基于物探數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)建模研究
——以新疆吐魯番盆地為例

□龔方方 胡繼華

一、引言

與傳統(tǒng)的二維、靜態(tài)表現(xiàn)方法相比，三維地質(zhì)建模能夠直觀形象地表述地質(zhì)構(gòu)造特征，揭示其空間分布規(guī)律，便于研究者直觀形象地去理解地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)，是目前研究的熱點之一。建模過程中，模型是否能夠反映真實地下空間結(jié)構(gòu)，依賴于數(shù)據(jù)的真實性與豐富度，尤其是結(jié)構(gòu)模型邊界數(shù)據(jù)點的分布。地質(zhì)勘探方法是獲取地質(zhì)體屬性、空間結(jié)構(gòu)特征及其兩者之間相互關(guān)系的重要來源，鉆探是獲取地質(zhì)體信息的常用手段，但是勘探鉆孔布設方案和布點方案直接影響到鉆孔數(shù)據(jù)的精確度。然而由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復雜性及施工條件以及成本問題，在實際勘探中，勘探孔的布設數(shù)量是有限的，這就使得在建模過程中，僅僅依靠有限的鉆孔來控制地質(zhì)體的相互關(guān)系及空間分布特征是很困難的。在以往三維地質(zhì)建模過程中，常依靠野外地質(zhì)工作者的豐富經(jīng)驗來推斷邊界位置以及結(jié)構(gòu)體空間分布特征。王潤懷[1]在三維地質(zhì)建模中引入虛擬鉆孔，用于增加數(shù)據(jù)點的模擬及控制邊界，這在一定程度上使數(shù)據(jù)不足的問題得到緩解。但是無論依據(jù)豐富的檢驗推理還是虛擬鉆孔的引入，這些方法的實施必須要有經(jīng)驗足夠豐富的地質(zhì)工作者，另外由于不同地質(zhì)工作者觀察角度不同，思考問題的方式不同，對同一地區(qū)得出的結(jié)論也不盡相同，這就在建模時對地層結(jié)構(gòu)識別帶來困難。因此從三維地質(zhì)建模數(shù)據(jù)源分析，尋找一種新的方法代替常規(guī)鉆探，使數(shù)據(jù)豐富且滿足精度要求是現(xiàn)今三維地質(zhì)建模的一個新趨勢。

吐魯番盆地區(qū)氣候干旱少雨，地廣人稀，周邊環(huán)境對應用電法勘探的干擾較小，另外研究區(qū)東西延展廣闊，在獲取地質(zhì)信息過程中，采用常規(guī)手段對地下水進行鉆探勘查是很不現(xiàn)實的。瞬變電磁具有多元化信息，它具有揭示區(qū)域范圍上地下水空間分布特征及水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征[5]。故本文利用瞬變電磁場法解譯成果資料，建立電阻率值與巖性之間的關(guān)系，并最終利用瞬變電磁場法對研究區(qū)-吐魯番盆地地層進行劃分，無論從操作可行性，還是現(xiàn)實條件上都是可行而且較為合理的研究手段。

因此本文探索基于瞬變電磁方法(簡稱TEM)，利用物探參數(shù)代替常規(guī)巖性參數(shù)，借助豐富的物探數(shù)據(jù)建立三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)，并在新疆吐魯番盆地利用TEM解譯成果數(shù)據(jù)建立三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型并對其進行驗證。

二、研究方法

本文利用反射系數(shù)方法[6]，通過計算得出反射系數(shù)值，找出物探數(shù)據(jù)電性分界點，進而對巖性(地層)進行劃分。反射系數(shù)法應用于巖性(地層)劃分的基本理論如下。

在直流條件下：

(1)

式中：ρ1、ρ2-介質(zhì)電阻率；μ2-電阻率比；K12-界面反射系數(shù)。

野外電測深曲線的一次微分值稱為視反射系數(shù)，它與反射系數(shù)K12存在如下關(guān)系：

(2)

(3)

利用鏡像法求解，在一般水平層狀介質(zhì)中：

(4)

對ξ對數(shù)式取微分，經(jīng)過公式變換:

(5)

本文選取物探數(shù)據(jù)共計475個，為離散數(shù)據(jù)點，無法通過一次微分直接計算反射系數(shù)值，因此本文根據(jù)上述計算理論，建立視電阻率與厚度關(guān)系曲線，拐點處值即為地層巖性分界面。

三、吐魯番盆地物探數(shù)據(jù)地層結(jié)構(gòu)劃分

(一)研究區(qū)地質(zhì)概況。新疆吐魯番盆地位于天山南麓，北部為博格達山，南部為庫魯克塔格山。盆地中有海拔800m的火焰山，又有低于海平面-154.31m的艾丁湖。在吐魯番盆地中，除了南北部山區(qū)、火焰山以及鄯善北部個別區(qū)域以外，廣泛分布著第四系沉積物。第四系沉積物由山前向盆地中心呈環(huán)帶狀分布，在成因上呈現(xiàn)洪積-沖洪積-沖積-沖湖積-湖積-沼澤沉積-化學沉積及風積；在巖性上為卵石-礫石-砂礫石-各種砂層夾土層-各種土層夾砂層-鹽沼土-沙漠砂；反映的地段形態(tài)表現(xiàn)為山前傾斜礫質(zhì)平原-土質(zhì)平原-湖積平原及風成沙漠。研究區(qū)范圍如圖1所示。

(二)數(shù)據(jù)分析。

1.數(shù)據(jù)篩選。本次研究共選取TEM點共計475個，物探點分布如圖2所示，數(shù)據(jù)點在整個研究區(qū)分布均勻，在局部地質(zhì)條件復雜的區(qū)域，布設有密集的剖面線。

圖1 吐魯番盆地研究區(qū)范圍

圖2 研究區(qū)TEM點分布圖

從圖2上也可以看出該盆地整體上為一完整地質(zhì)體，但是局部有少數(shù)小的地質(zhì)體獨立出來，盆地東西較長，南北狹窄，中間有一個不明地質(zhì)體嵌入其中，使其連續(xù)性得到破壞。

2.數(shù)據(jù)分析。考慮到第四系電阻率值波動幅度較大，根據(jù)電阻率南北盆地分布情況，在研究區(qū)根據(jù)沉積巖性特征，對研究區(qū)進行劃分，共劃分為四個區(qū)，并在劃分區(qū)塊內(nèi)，利用EXCEL繪制電阻率隨深度變化規(guī)律散點圖如圖3所示。

圖3 電阻率隨深度變化趨勢(圖中縱坐標改為深度(m))

由圖3可以看出吐魯番盆地瞬變電磁電阻率曲線具有很好的變化趨勢，結(jié)合測區(qū)地層巖性統(tǒng)計表，基于反射系數(shù)法理論，利用拐點法進行地層巖性界面分層，其中物探點B142分層如圖4所示。

圖4 電阻率隨高程變化拐點選擇

基于上述分析，物探數(shù)據(jù)視電阻率通過拐點法劃分后，初步劃分出吐魯番盆地地層分界面。為了檢驗劃分結(jié)果的可靠性，將劃分出巖性結(jié)果選取旁邊鉆孔進行對比分析，分析結(jié)果如下。

表1 TEM拐點法計算成果與鉆孔對比表

3.吐魯番盆地三維地層結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析可知吐魯番盆第四系巖性可劃分為四組，即干燥砂礫石層、含水砂礫石層、粉細砂含水層和粘土、亞粘土、亞砂土層。在獲得分界點數(shù)據(jù)的基礎上，利用地質(zhì)統(tǒng)計學的手段，將數(shù)據(jù)進行插值，圖5和圖6即為插值后的第一層和第二層頂板數(shù)據(jù)。

圖5 插值后的第一層頂板圖

圖6 插值后的第二層頂板圖

前期數(shù)據(jù)的分析和處理已經(jīng)全部完成，對于地層結(jié)構(gòu)的劃分也有大致掌握，為了能夠直觀形象地展現(xiàn)其地下空間結(jié)構(gòu)，本文利用三維建模的手段，基于物探數(shù)據(jù)計算結(jié)果，建立其三維地質(zhì)模型如圖7、圖8所示。

圖7 基于物探數(shù)據(jù)的地質(zhì)模型

圖8 基于物探數(shù)據(jù)的地質(zhì)剖面圖

從圖7和圖8可以看出，吐魯番北盆地整體基底構(gòu)造呈東西向條帶狀形態(tài)，基巖面埋深由燕山北麓、火焰山北麓向盆地中部逐漸加深。整體上，吐魯番盆地地下基巖面呈凹陷與隆起構(gòu)造關(guān)系，具北深南淺、中間出露(火焰山、鹽山)、東淺西深的特點。

四、結(jié)語

三維地質(zhì)建模中主要難點就是由于地質(zhì)數(shù)據(jù)的匱乏，難以把握三維空間地質(zhì)形體的空間分布特征，導致地質(zhì)模型不能真實地反應實際地下地質(zhì)情況。鉆孔數(shù)據(jù)由于在一些地質(zhì)體復雜的區(qū)域難以實施，以及進行工程鉆探耗費大量的人力、物力。引入物探數(shù)據(jù)可以在一定程度上解決這一問題。對于物探數(shù)據(jù)電阻率，利用反射系數(shù)法基本原理，經(jīng)過拐點法計算，得到巖性界面分界點數(shù)據(jù)，后經(jīng)過數(shù)值插值分析，獲得代表地層巖性的層面模型，并最終得到三維地質(zhì)體模型及剖面模型。本文選用數(shù)據(jù)處理方法思路清晰，原理簡單，只是數(shù)據(jù)處理過程比較麻煩，可以探索尋找更好的數(shù)據(jù)處理手段。本文應用物探數(shù)據(jù)構(gòu)建三維地質(zhì)建模從理論和實際上都具有重要意義，可為其他類似工程案例提供參考借鑒。