溶洞探測及三維地質模型構建方法

趙磊磊 崔振東 張建勇

摘? ?要：對溶洞地質進行精確探測和三維地質模型構建具有重大意義。總結了溶洞發育區內不同類型復雜地質結構探測技術、建模思路和方法、數據插值擬合方法，并提出相關思考和建議。結論如下：①溶洞發育區內地質結構體大致分為大型溶洞、小型溶洞、溶蝕孔洞、多尺度裂縫4種類型，分別采用確定性和隨機模擬方法建模，最終融合構建成復雜三維地質模型;②溶洞探測和建模應注重多源數據整合和多方法集成，以實現地質數據資料的相互彌補和建模方法的相互融合;③溶洞建模工作應結合相關工程背景，以專業知識為基礎，以應用目的為導向，調整建模思路，建立能反映歷史演化過程和未來演化趨勢的溶洞模型。

關鍵詞：溶洞;探測;三維地質建模;插值擬合;建模軟件

溶洞是以石灰巖和白云巖為主的可溶性巖石因地下水長期溶蝕所形成的地下空間，在我國較為發育，分布廣泛，我國巖溶面積約占國土面積的三分之一[1]。準確認識地下溶洞分布、模式、結構、發育規律及對工程的影響，是關乎我國各類基礎設施工程及旅游開發項目設計、施工及運營安全的大局。三維地質建模已廣泛應用于各專業領域，指導工程建設的設計和評估、有助于儲量的精確計算、實現平、剖面構造形態相容并聯動修改、進行三維空間分析與過程模擬、介紹和展示復雜地質條件等[2-5]。目前國內學者用簡化方式對含溶洞的地質體進行三維建模，如戴自航等將高速公路路堤下的溶洞簡化為橢球型，建立三維有限元模型，實現對溶洞頂板穩定性的數值模擬分析[6];蘇濤等直接將溶洞簡化為球體進行建模，計算分析隧道圍巖穩定性[7]。本文基于大量文獻調研，歸納現階段典型溶洞探測技術，梳理溶洞發育區內不同類型結構體的建模方法，對比分析常用數據插值擬合方法和建模軟件，并結合溶洞建模的工程應用需求提出思考和建議。

1? 溶洞探測技術

建立溶洞三維地質模型，首先需采用探測技術獲取多種原始數據和地質信息，目前常用探測方法見表1。

2? 溶洞三維地質模型構建方法

2.1? 現有三維地質建模方法

常用的三維地質建模方法大致分為確定性建模和隨機模擬建模方法兩大類[13]，具體分類見表2。

2.2? 溶洞三維地質建模方法

傳統建模思路和流程見圖1[14]。

有學者提出“二步法”的建模思路[15]，第一步采用不同建模方法進行單一類型模型構建，第二步基于一定組合規律進行融合。①大型溶洞（高度大于5 m）。一般采用地震屬性直接截斷方法，在成因控制約束下，采用確定性建模方法進行建模[16];②小型溶洞（高0.5～5 m）。以同一巖溶帶內相同成因的大型溶洞為訓練圖像，采用多點地質統計學隨機模擬方法進行建模[17];③溶蝕孔洞（直徑2～500 mm）。采用序貫高斯模擬的隨機模擬方法對溶蝕孔洞儲集層進行建模和表征[18];④多尺度裂縫型溶洞。采用分層次建模思想，按尺度大小進行裂縫建模[19];⑤融合建模。建立大型溶洞、小型溶洞、溶蝕孔洞、裂縫4類結構的離散模型后，按地質分布和發育規律組合，形成地質模型（圖2）[20]。

2.3? 數據插值擬合方法

建立三維地質模型的關鍵是如何根據已知控制點數據內插、外推已知資料點之間及以外的參數估計值。常用數據插值擬合方法包括離散光滑插值、克里金插值、反距離加權插值、自然鄰點插值。常用三維地質建模軟件插值算法見表3。

3? 溶洞建模的思考和展望

注重多源數據的整合和應用? 鉆井數據被稱為“硬數據”，地震資料被稱為“軟數據”，用來輔助判斷井間盲區部分的地質特征。實際工作過程中，鉆孔數據失真，探測精度提高，使“硬數據變軟，軟數據變硬”。因此，注重多源數據整合應用可起到相互彌補和印證作用，有利于提高建模精度。

重視多方法集成? 這里的“多方法”同時兼具探測方法和建模方法。探測方面據實際地質條件，盡可能使用多種探測方法，實現數據資料的相互彌補和印證。建模方面根據不同地質特征，采用不同建模方法構建模型。總之，充分結合溶洞發育規律和屬性特征，不拘泥于尋求一種普適的建模方法，往往能起到事半功倍的效果。

充分結合應用導向，調整建模思路? 基于溶洞建模的應用目的，評估油氣藏儲存能力、旅游開發展示、評估溶洞影響等[28]。因此，充分結合應用導向，調整建模思路，做到有的放矢對建設項目中溶洞建模及影響評估工作尤為重要。

精進三維建模的屬性表征? 現階段溶洞建模多屬結構建模，主要注重于描述溶洞的大小、位置、幾何形態等，對地質體按統一屬性賦值。但越來越多的應用要求賦予與實際相當的屬性參數，因此，溶洞建模的屬性表征問題需亟待解決。

結合相關力學理論，實現動態模型構建? 三維地質建模已在各專業領域廣泛應用。可結合相應專業知識或工程需求，在建模過程中實現某一種或某幾種關鍵因素的動態影響，建立能反映地質演化過程或演化趨勢的溶洞動態模型，推動專業應用中的進步與升級。

4? 結論

（1） 相對傳統鉆探技術，探測技術的應用已使探測精度大大提高。但各種探測技術均有其應用局限，需堅持多種探測技術的相互補充和印證。

（2） 巖溶發育結構多樣、特征復雜，分為大型溶洞、小型溶洞、溶蝕孔洞、多尺度裂縫4種類型，分別采用確定性建模、隨機模擬建模等方法建立各類型模型，融合形成溶洞發育地質體結構模型。

（3） 對溶洞建模技術，應結合工程應用背景，以專業知識為基礎，應用目的為導向，加強多源數據整合應用、多方法集成，調整建模思路，建立能反映歷史演化過程和未來演化趨勢的溶洞模型。

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Karst Cave Exploration and 3D Geological Model Construction Method

Zhao Leilei 1， 2， Cui Zhendong 1， 3， 4， Zhang Jianyong 1， 3， 4

（1. Institute of Geology and Geophysics， Chinese Academy of Sciences;Key Laboratory of shale gas and geological engineering， Chinese Academy of Sciences，Beijing， 100029，China;2. School of mechanics and architectural engineering， China University of mining and Technology （Beijing）， Beijing， 100083，China;3. Institute of Earth Sciences，

Chinese Academy of Sciences， Beijing， 100029，China;4. School of earth and Planetary Sciences，

University of Chinese Academy of Sciences， Beijing， 100049，China）

Abstract：It is of great significance to carry out accurate exploration of karst cave geology and construct three-dimensional geological model. The detection technologies， modeling ideas and methods， data interpolation fitting methods of different types of complex geological structures of karst caves are summarized， and some related thoughts and suggestions are put forward. The conclusions are as follows： （1） Geological structures in the karst cave development area can be roughly divided into four types： large karst cave， small karst cave， dissolution cave and multi-scale fracture. The modeling methods of deterministic and stochastic simulation are adopted to model the geological structures， respectively. Finally， the complex geological model of the karst cave development area is constructed by fusing them.（2） Multi-source data integration and multi-method integration should be emphasized in karst cave exploration and modeling to realize the mutual complement of geological data and the mutual integration of modeling methods.（3） The karst cave modeling should be combined with the corresponding engineering application background， based on professional knowledge and guided by application purpose， adjust the modeling ideas， establish a karst cave model that can reflect the historical evolution process and future evolution trend.

Key words：Karst cave; Exploration; 3D geological modeling; Interpolation fitting; Modeling software